Файл: Кузнецов И.Е. Защита атмосферного воздуха от загрязнения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.07.2024
Просмотров: 123
Скачиваний: 0
200 коо
Рис. 6. Диаграмма состояния окислов азота при нагревании до 1600° С.
Приведенные данные показывают, что низкие концент рации N0 могут быть получены при температурах 1000° К и 10 000° К. Нагревание газа до температуры 10 000° К свя зано с большими энергетическими затратами, кроме того требуется мгновенное охлаждение, «закалка» газа, что не достижимо, в практических условиях. Поэтому больший интерес представляет область «низких» температур: 1000—
1500° К. При нагревании газа до 1500° К остаточное содер жание N0 в газе может быть снижено до 0,044%, но для этого потребуется время реакции 180 сек. Для увеличения скорости реакции разложения NO необходимо использовать различные реагенты и катализаторы.
Разложение окислов азота в потоке низко температурной плазмы
Для исследования процесса термического разложения окислов азот'а при температурах от 1000 до 7000° С был использован плазменный метод нагрева газа. Технологическая схема установки показана на рис. 7. Ос-
Рис. 7. Схема плазменной установки для термического разложения окислов азота: /, 2, 3, 4—ротаметры; 5—реактор; 6—плазмотрон; 7—соленоид; 8—колба для анализа; 9—милливольтметр; 10—термо метры.
новным аппаратом установки является плазмотрон 6 мощ ностью 20 кет. Положение плазмотрона вертикальное, с нижним расположением катода. Непосредственно к плаз-
мотрону прилегает реактор 5, служащий одновременно и теплообменником для предварительного подогрева газа. Установка оборудована комплексом контрольно-измери тельных приборов, служащих для измерения температур в различных зонах реактора, расхода компонентов и ана лиза газа на входе и выходе из реактора.
Плазмотрон выполнен из нержавеющей стали с медным анодом и вольфрамовым катодом, охлаждаемыми проточ ной водой. Диаметр сопла анода составлял 4—5 мм, диа метр вольфрамового катода — 5 мм. Стабилизация дуги плазмотрона — магнитно-вихревая. В качестве магнита применялся соленоид 7, питаемый от отдельного источника постоянного тока. Электрическая схема плазмотрона вы полнена на полупроводниковых диодах типа ВК-200, вклю чаемых по мостовой схеме.
|
На рис. 8 |
изображены три |
кинетические |
кривые. Кри |
||||
вая |
J показывает равновесное (теоретическое) |
содержание |
||||||
N0 |
в газовой |
смеси, состоящей |
из |
N 2 |
и Ог, при ее нагре |
|||
вании от 0 до |
7000° С. Кривая |
2 показывает |
|
фактическое |
||||
содержание N 0 в тех же условиях, |
а кривая |
3 — содержа |
||||||
ние N0 при нагревании до тех же температур |
газовой |
сме |
||||||
си, |
первоначально содержащей |
5,5% |
окислов |
азота. |
Из |
|||
графика видно, что при простом |
нагреве окислов азота |
|||||||
происходит их. разложение, однако |
остаточное |
содержание |
||||||
N0 |
после разложения остается |
на высоком уровне —1,8% |
||||||
(при начальной концентрации 5,5%)- С изменением началь ной концентрации окислов азота изменяется и концентра
ция N 0 на выходе |
(рис. 9). |
|
|
|
|
|
— — > |
ч |
|
|
V |
|
|
I |
д_ |
/ |
г |
г |
|
|
V |
|
\ |
|
|
||
8* |
VУ/ |
|
|
|
|
|
1ЯШ —— |
|
|
|
4000 S000 |
6000 |
|
1000 2000 SOOO |
||||||
|
|
|
Температура, |
"ft |
||
Рис. 8. Кривые синтеза и разложения окислов азота: 1—теоретическая кривая образования N0; 2—практическая кривая образования N0; 3—кривая разложения.
% SO У
/
§ 6 0 ///
^20
s
У |
/,25^ |
|
|
|
Т*2000'К |
|
t = 0,01с**. |
|
0.25% |
КонцентрацияМОна |
бходе, % |
Рис. 9. Влияние начальной концентрации на степень термического раз ложения и остаточное содержание окислов азота.
Для увеличения степени разложения окислов азота на ми был разработан и исследован метод термического раз ложения окислов азота в присутствии восстановителей.
Равновесие реакции разложения окиси азота
2N0 5=±N8 + 0 2 |
(19 |
можно сдвинуть в правую сторону, если связывать выде ляющийся кислород.
В качестве соединений, связывающих кислород, могут быть использованы жидкие, газообразные и твердые вос становители. Из газообразных восстановителей изучено влияние на скорость процесса природного газа, водорода, аммиака, окиси углерода. Из жидких восстановителей испытывались керосин, бензин. В качестве твердых — кокс, уголь, графит. Жидкие и газообразные восстановители вво дились в реакционную' зону плазмотрона, а для твердых
был изготовлен специальный |
реактор, |
куда направлялись |
||
нагретые до высоких температур газы. |
|
|||
Испытания |
проводили при |
расходе |
плазмообразующего |
|
газа 200 |
лічас. |
Концентрация |
окислов азота изменялась |
|
от 0 до |
10%. Количество восстановителей соответствовало |
|||
1,2—1,5 стехиометрическому |
(по кислороду). В |
исследова |
|
ниях поддерживалась постоянная |
температура |
« 2000°. |
|
Процесс разложения окислов сопровождался следующи |
|||
ми реакциями. |
|
|
|
Первая стадия, независимо от |
рода восстановителя: |
||
2N0 2 —> 2NO -f- 0 2 |
— Q |
(20) |
|
2NO—*N2 + |
0 2 - Q |
(21) |
|
Вторая стадия, при использовании природного газа:
СМ., + 20, —> С 0 2 |
+ |
2 Н 2 0 + |
Q |
|
(22) |
|
C H < + 4 N O — 2 N 2 + 2 H 2 0 + C 0 2 + |
Q |
(23 |
||||
При использовании |
водорода: |
|
|
|
|
|
2Н2 + |
0 2 — 2H 2 0 + Q |
|
|
(24) |
||
2 Н , + 2NO — N 2 + 2H 2 0 + Q |
|
(25) |
||||
При использовании |
аммиака: |
|
|
|
|
|
4NH3 + 302 |
- * 2N2 |
+ |
6Н,0 + |
Q |
|
(26) |
4NH„ + 6NO - » 5N2 |
+ |
6Н,0 + |
Q |
|
(27) |
|
При использовании СО: |
|
|
|
|
|
|
2NO + 2CO—* N2 |
+ 2C02 + Q |
|
(28) |
|||
Результаты исследований по разложению окислов |
азота |
|||||
с применением газообразных восстановителей |
изображены |
|||||
графически на рис. 10, из которого следует, что в присут ствии восстановителей реакция (19) сдвигается в правую сторону и степень разложения окислов азота возрастает. Например, если без восстановителей степень разложения 5%-ного нитрозного газа составляла 46% (кривая 5), то в присутствии СО она повышается до 77%, в присутствии природного газа — до 87%, в. присутствии водорода — до 90%, а в присутствии аммиака — до 93%. Эти данные ш> казывают, что разные по природе газообразные восстано вители почти одинаково сдвигают реакцию равновесия в сторону распада NO на элементы. Природный газ хотя и менее эффективен по сравнению с другими восстанови телями, однако более дешев как сырье и может быть реко мендован для использования в промышленности.
Аналогичные данные получены и при использовании в качестве восстановителей жидких углеводородов: керосина, бензина, мазута. Степень разложения окислов азота в при сутствии жидких восстановителей при равных с предыду щим опытом условиях составляет около 85%.
Остаточное содержание N u при термическом |
разложе |
нии окислов азота в присутствии газообразных |
и жидких |
восстановителей составляет 0,05—0,1%. Пользуясь номо граммой (см. рис. 1), можно установить, что этот метод санитарного обезвреживания газов пригоден для систем, выбрасывающих в атмосферу не более 10 ООО—20 000 м3/час газа с любым начальным содержанием окислов азота. При большем объеме выбрасываемых газов он не обеспечивает предельно допустимой концентрации (ПДК) окислов азота в приземном слое.
во (
60 |
1-NHs |
• |
|
* ~ " 2 |
\/( |
|
|
|
Т У / |
|
|
|
3-СНч |
У/ |
|
|
ч-со |
I / |
7=2000"К |
40 |
.5-оез |
|
|
|
|
\eoccm. |
і =0,01сек |
|
I 20 |
||
|
О |
2 |
Ч |
6 |
8 |
Ю |
Концентрация /УОнавходе, %
Рис. 10. Влияние начальной концентрации NO на степень разложения окислов азота в присутствии газообразных восстановителей: /—NH3 ; 2—Н2 ;3—СН4 ; 4—СО; 5—без восстановителя.
Совершенно иначе ведут себя твердые восстановители: кокс, уголь, графит. Эти компоненты взаимодействуют с окислами азота следующим образом:
С + 0 3 —> С 0 2 + Q |
(29) |
С + 2NO —> СО, + N 3 + Q |
(30) |
5
Г |
|
|
|
С = 00/сем. |
|
||
|
J /J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
500 |
600 |
700 |
вО 0 |
900 |
{ООО |
|
|
|
|
|
температура |
"С |
|
||
Рис. 11. Влияние температуры на |
степень |
разложения |
окислов |
азота |
|||
в присутствии кокса. |
|
|
|
|
|
|
|
Из опытных данных, |
приведенных |
на |
рис. 11, |
видно, |
что |
||
процесс разложения |
окислов |
азота |
в |
присутствии кокса |
|||
начинается |
при температуре 500° С. С повышением темпе |
||
ратуры |
степень и скорость |
разложения возрастает, при |
|
800° С |
она |
достигает 96%, |
а при 1000° С приближается |
к 100%.
Разложение окислов азота в термическом реакторе в потоке газа-восстановителя
Исследования, проведенные на плазмотроне, показали принципиальную возможность санитарного обез вреживания окислов азота термическим методом в присут ствии восстановителей. Одновременно было показано, что процесс разложения окислов азота можно вести эффектив-
