Исследование гигиенических параметров продуктов сгорания
Оценка любого газогорелочного устройства будет неполной, если ограничиться теплотехническими характеристиками и режимными параметрами. Необходимо оценить и качество горения по содержанию оксида углерода СО и других веществ, образующихся в результате сжигания топлива и присутствующих в продуктах сгорания. Основным нормируемым показателем качественного сжигания газа в ГИГ считается содержание СО в продуктах сгорания. Нормы проектирования газогорелочных устройств допускают его содержание в сухих неразбавленных продуктах сгорания не более 0,02 % по объему (а=1,0) для горелок инфракрасного излучения без организованного отвода продуктов сгорания.
Процесс образования оксида углерода при сжигании газа хорошо изучен и изложен в литературе [31, 58]. Как показывают многочисленные исследования, содержание СО в продуктах сгорания при сжигании газа в ГИГ, работающих в расчетном режиме, не превышает 0,01—0,02 %. С этой точки зрения ГИГ являются газогорелочными устройствами с максимальной полнотой сжига- :ния топлива. Однако при сжигании газа в продуктах сгорания могут образовываться оксиды азота, сажистые частицы, канцерогенные вещества, одним из которых является 3,4-бенз(а)пирен. Анализ продуктов сгорания газа в ГИГ показывает, что при таком способе сжигания не обнаруживается ни сажистых частиц, ни канцерогенных веществ [28, 33, 50]. В этой связи особое внимание следует уделить содержанию в продуктах сгорания оксидов азота (N0).
Установлено, что более 95 % от общего содержания выбросов оксидов азота на планете поступает в атмосферу с продуктами •сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Концентрация в воздухе 15 мг/м3 диоксида азота вызывает раздражение глаз, а 200—300 мг/м3 опасна для человека уже при кратковременном вдыхании, так как может вызвать отек легких.
Согласно СН 245—71 предельно допустимые концентрации (ПДК) оксидов азота (в пересчете на N02) приняты в СССР следующие: в атмосферном воздухе населенных пунктов 0,085 мг/м3, или 4-10~6% по объему; в воздухе рабочих зон промышленных предприятий 5 мг/м3, или 240-10~6 % по объему.
Характер цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом при горении (взрыве) описывается уравнением .химической кинетики:
Условия, при которых образуются оксиды азота, исследовались многими учеными и изложены в работах советских и зарубежных авторов, в частности Я. Б. Зельдовича, П. Я. Садовникова, Д. А. Франк-Каменецкого, И. Я. Сигала, К. П. Фенимора. Большой вклад в исследования сжигания газообразного топлива и выявление связей между условиями его сжигания и содержанием в продуктах сгорания вредных компонентов внесли Н. В. Лавров, Б. Ф. Копытов, А. М. Левин, М. Б. Равич, И. Я. Сигал, А. Е. Ери- нов, В. А. Спейшер, Н. Л. Стаскевич, Г. П. Комина, Б. М. Кривоногое и другие ученые.
В литературе имеется много данных по условиям образования и количеству выбросов NO от котлоагрегатов и технологических установок при сжигании в них газообразного топлива, но еще недостаточно исследованы и освещены вопросы, касающиеся образования оксидов азота при сжигании газа в ГИГ. Оценка работы ГИГ с точки зрения образования оксидов азота — вопрос чрезвычайно важный, так как газовые излучатели широко применяют в системах отопления производственных помещений промышленного и сельскохозяйственного назначения, для местного или зонного обогрева людей и животных, а также в различных технологических установках нагрева и сушки как с отводом, так и без отвода продуктов сгорания.
Приведенные в работах [2, 11, 28] данные по содержанию оксидов азота в продуктах сгорания природного и сжиженного газов для некоторых типов ГИГ получены для различных условий их работы, носят разноречивый характер, не позволяют объективно оценить работу различных излучателей и выявить характерные зависимости образования N0 от режима работы и конструктивных особенностей излучающей насадки. Результаты, опубликованные в работе [2], значительно отличаются от приведенных в работах [11, 28]. По-видимому, объясняется это различие тем, что содержание N02 определяется линейноколористическим методом с помощью прибора УГ-2 без учета поправок, рекомендованных в. работе [42] и позволяющих уменьшить относительную погрешность эксперимента с точностью от ±33 до ±7 %
Анализ существующих методов определения оксидов азота позволил принять фотоколориметрический метод с использованием реактивов Грисса—Илосвая и Зальцмана [46] и окислителя хромового ангидрида, так как указанный метод достаточно точен и нетрудоемок. В качестве поглотителя применяли 8 %-ный раствор KI. Для определения оптической плотности растворов использовался фотоэлектроколориметр типа ФЭК-56М (рис. 2.19).
Продукты сгорания от излучающей горелки 1 на анализ отбирают газообразной водоохлаждаемой трубкой 3, изготовленной из фарфора, так как при применении отборников из нержавеющей стали наблюдается снижение концентрации оксидов азота на 30—¦ 35 % вследствие каталитического воздействия оксидов железа на восстановление оксидов азота и кислорода при наличии в продуктах сгорания водорода или оксида углерода. Разрежение в системе создавалось ротационной установкой ПРУ-4 8. Температура продуктов сгорания контролировалась термометрами 7 с ценой деления 0,5 °С и пределом измерения +50 °С. Поглотительный раствор заливался в сосуды с пористой насадкой 4, сиособствующей поглощению NO в поглотительном растворе 8 %-ного KI- Окислительный сосуд 5 представляет собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 7 мм и длиной 150 мм, заполненную окислителем— хромовым ангидридом — на длину 100—110 мм. Расход отбираемых продуктов сгорания определялся реометром 6. Анализ газовоздушной смеси на содержание СН4 для определения коэффициента избытка воздуха а и 02 в продуктах сгорания (для определения коэффициента разбавления h) проводился на хроматографе 9 типа «Цвет-101». Измерение температуры излучающего насадка осуществлялось хромель-алюмелевыми термопарами 2 и потенциометром К.СП-4 12, имеющим класс точности 0,5 %. Давление газа перед соплом излучателя измерялось водяным U-образ- ным манометром 10, а оптическая плотность поглотительных растворов — фотоэлектроколориметром 11 типа ФЭК-56М.
Пробы для анализа отбирались в точке, расположенной по центру излучателя на расстоянии 15 мм от излучающей поверхности — керамики или сетки-экрана. Объем пробы, прокачиваемой через окислительный и поглотительный сосуды, равен 1 л. Скорость прокачивания пробы была установлена экспериментально и составляла 0,5 л/мин (при такой скорости концентрации NO ¦были максимальными). В поглотительные сосуды заливали по 10 мл 8 %-ного раствора K.I. По окончании отбора проб анализировали содержимое поглотительных сосудов. Для этого отбирали в пробирки по 5 мл исследуемого раствора из каждого сосуда и добавляли в них по 1 мл реактива Грисса—Илосвая и Зальцмана. По истечении 20 мин в пробирки добавляли по 0,5 мл раствора Na2S03, после чего содержимое пробирок переносили в кювету с толщиной поглощающего слоя 30 мм и на ФЭК-56М определяли оптическую плотность раствора. Нуль фотоэлектроколориметра устанавливался по нулевому раствору. После определения оптической плотности раствора по калибровочному графику находили концентрацию N02 в микрограммах на миллилитр. Полученные результаты суммировались.
