CC BY
60
7/)П11 ВЕСТНИК _^/2011_МГСУ
ЭМИССИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА ГАЗОВОЙ ПЛИТОЙ
EMISSION OXIDES OF NITROGEN AND CARBON IN THE GAS KITCHEN-RANGE
B.H. Пелипенко
V.N. Pelipenko
ГОУ ВПО ТГУ
Исследованы экологические характеристики горелок встраиваемой газовой плиты. Установлено влияние давления газа и теплоприемника на величину эмиссии токсичных продуктов сгорания в воздушную среду газифицированных кухонь.
Ecological characteristics of torches of a built in gas kitchen-ranges are researched. Influence of pressure of gas and a heat receiver on size of emission of toxic products of combustion in the air environment kitchen established.
Введение
Основным недостатком бытовых газовых плит является то, что продукты сгорания газа поступают непосредственно в воздушный объем кухни. Токсичность воздуха кухни обусловлена, в основном, образованием в пламени горелок оксидов азота (N0 и N02) и оксида углерода (СО). Согласно ГОСТ Р 50696 - 94 содержание оксидов азота в продуктах сгорания горелок плит должно быть не более 200 мг/м3, а оксида углерода - не более 125 мг/м3 [1, 2].
В настоящее время все шире применяются встраиваемые плиты или варочные панели с чашеобразными горелками. Забор первичного и вторичного воздуха в этих горелках осуществляется из объема над рабочим столом плиты. В литературе отсутствуют сведения об эмиссии вредных веществ встраиваемыми плитами.
Объект исследований
В работе использовалась четырехгорелочная плита «Дарина» производства Италии Плита оснащена четырьмя чашеобразными горелками с коротким смесителем. Из ни; две горелки нормальной мощности, одна - повышенной, одна - пониженной. Исследо вания проводились с горелками нормальной мощности (1,65 кВт). Использовался ежи женный углеводородный газ.
Стенд и методики исследований
Исследование состава продуктов сгорания проводилось на лабораторном стенде, описание которого дано в работе [3]. Для определения содержания в продуктах сгорания С02, СИ, N0, и 02 использовался газоанализатор «Автотест-02». Содержание N0, N02 и СО определялось газоанализаторами «МГЛ - 19.ХА». Опытные значения концентраций вредных веществ приводились к сухому составу продуктов сгорания при
коэффициенте а = 1. Концентрация N0, подсчитывалась, как сумма концентраций N0 и N02, т.е. N0,, = N0 + N02.
В предшествующих исследованиях эмиссии горелок плит определялась суммарная концентрация оксидов азота, т.к. не было газоанализаторов для раздельного их определения. Предполагалось, что в горелках плиты в основном образуется N0, который затем окисляется до N02 [2].
Опыты проводились без установки и с установкой теплоприемника на решетку рабочего стола плиты. В опытах без теплоприемника отбор пробы продуктов сгорания производился с помощью куполообразного сборника. В качестве теплоприемника использовался сосуд, выполненный в виде кастрюли с двойными боковыми стенками. В этом случае проба отбиралась из межстенного пространства теплоприемника и по шлангам через конденсатор поступала в газоанализаторы. Расстояние от верха огневых отверстий головки горелки до дна теплоприемника составляло 20 мм.
Результаты исследований
По полученным экспериментальным данным на рис. 1 - 3 построены графики за висимостей концентраций вредных веществ от величины давления газа перед горелкой.
Как видно из рис. 1, в опытах без теплоприемника в интервале давления газа от 12! до 360 даПа, концентрация в продуктах сгорания N0 увеличивается от 50 до 90 мг/м3 Концентрация N02 находится в пределах от 10 20 мг/м3. Соответственно, суммарна концентрация N0, изменяется от 60 до 110 мг/м3.
Давление газа, даПа
N0 —^N02 ^^Ыох
Рис. 1. Зависимости концентрации оксидов азота от давления газа без теплоприемника
Из рис. 2 следует, что при установке теплоприемника концентрация N0 с возрас танием давления газа увеличивается примерно от 40 до 65 мг/м3. Концентрация N0 составляет в пределах от 35 40 мг/м3. Соответственно, суммарная концентрация N0 изменяется от 60 до 100 мг/м3.
Увеличение концентрации оксидов азота с увеличением давления газа объясняется тем, что увеличивается объем и температура пламени, следовательно, увеличивается выход «термических» оксидов азота [4, 5].
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
120 180 240 300 Давление газа, даПа
360
• N0 .
• N02 .
■ Nox
Рис. 2. Зависимости концентрации оксидов азота от давления газа при установке теплоприемника
При сравнении результатов представленных на рис. 1 и 2 следует отметить, чт( концентрация N0 при установке теплоприемника уменьшается примерно в 1,5 раза, ; концентрация N0^ напротив, возрастает приблизительно в 2 раза. Опытные данньи показывают, что наличие теплоприемника влияет только на соотношение концентра ций N0 и N0^ а их суммарная концентрация примерно постоянна для определенно! величины давления газа.
По данным рис. 3, можно отметить, что без теплоприемника (нижний график) концентрация оксида углерода остается примерно постоянной в пределах 20 - 30 мг/м3. При установке теплоприемника (верхний график) эмиссии оксида углерода существенно больше, чем без теплоприемника, т.к. пламя охлаждается и продукты сгорания «замораживаются».
200
Рис. 3. Зависимости концентрации оксида углерода от давления газа
Кроме того, видно, что выход СО при наличии теплоприемника уменьшается с увеличением давления газа. Это объясняется тем, что возрастает объем и температура пламени и СО в большей мере окисляется до С02.
Обсуждение результатов
Приведенное выше объяснение влияние теплоприемника на эмиссию оксида углерода не вызывает сомнений. Другое дело - оксиды азота. По современным представлениям [4, 5] оксид азота может образовываться при горении топлив в результате окисления азота по трем механизмам. За счет высокой температуры горения образуется «термический» N0 (модель механизма разработана Я.Б. Зельдовичем), за счет активации азота радикалами - «быстрый» N0 и - «топливный» N0 за счет окисления присутствующих в топливе органических соединений азота. Ю.С. Ходаков [5] отмечает, что «быстрый» N0 корректнее называть «промотированным», т.к. образуется в результате инициированного радикалами окисления молекулярного азота. Поскольку в газе нет соединений азота, следует рассматривать лишь первые два механизма образования N0.
Образование N0 при горении - результат протекания совокупности цепных реакции. Процесс эндотермический и обратимый. «Термический» N0 появляется в заметных количествах при 1300 °С, возрастая при дальнейшем увеличении температуры по экспоненциальному закону. «Промотированный» N0 начинает образовываться при температуре около 1000 °С, и затем его концентрация непрерывно возрастает (по некоторым данным остается постоянной). В целом установлено, что количество «термического» N0 гораздо больше «промотированного» N0, особенно при высоких температурах (более 1400 °С). Хотя И.Я. Сигал [4, с. 80] утверждает, что при температурах наблюдаемых в открытых ламинарных пламенях природного газа, основное количество оксидов азота образуется не по «термическому», а по «быстрому» механизму.
Диоксид азота образуется в результате экзотермической реакции окисления оксида. Ранее полагали, что в зоне горения образуется только N0, а N02 образуется лишь после выхода из дымовой трубы. Однако опытным путем было зафиксировано образование N02 в предпламенной зоне. Причем с повышением температуры пламени отношение N02/N0 уменьшается, т.к. происходит разложение N0^
В работе [6] приведены изотермы микрофакела горелки плиты. Экспериментально установлено, что температура в ядре микрофакела составляет 1400 ± 20 °С.
Для представленных экспериментальных данных можно полагать, что образование N0 в пламени горелок плиты происходит как по «термическому», так и по «быстрому» механизму. Установлено, что при наличии теплоприемника снижается количество N0, но количество N02 увеличивается. По-видимому, вследствие того, что тепло-приемник существенно увеличивает темп охлаждения продуктов сгорания, то создаются условия для окисления N0. Весьма интересно то, что наличие теплоприемника влияет только на соотношение концентраций N0 и N0^ а их суммарная концентрация примерно постоянна. Следует отметить, что вторичный воздух подводится из-под пламени горелок и увлекает за собой часть продуктов сгорания, т.е. возможно влияние рециркуляции продуктов сгорания.
Выводы
1. На современном этапе все шире применяются газовые плиты с горелками, в которых обеспечивается забор первичного и вторичного воздуха из объема над рабочим столом.
2. Установлены закономерности образования оксидов азота и углерода в зависимости от давления газа.
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_МГСУ
3. Наличие теплоприемника снижает эмиссию N0, но увеличивает эмиссию N0^
4. Установка теплоприемника значительно повышает эмиссию СО.
Литература
1. ГОСТ Р 50696 - 94. Плиты газовые бытовые. Общие технические условия. М., Госстандарт России, 1994.
2. Пелипенко В. Н. Горелки стола бытовых газовых плит / Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». М., МГСУ, 2005.
3. Пелипенко В.Н., Круглов А.А., Воронова Е.С., Федорова Е.Е. Исследование горелок плиты с рециркуляцией газовоздушной смеси. Материалы VII Международной научной конференции. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». Волгоград, ВолгГАСУ, 2009.
4. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л., Недра, 1988.
5. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика. М., ООО «ЭСТ-М», 2001.
6. Щуркин Е.Н., Ридер К.Ф., Жбанков П.А. Исследование микрофакела атмосферной горелки // Газовая промышленность. 1979. № 7, с. 52 - 55.
Literature
1. GOST R 50696 - 94. Domestic gas ranges. General specifications. M., Gosstandart of Russia,
1994.
2. Pelipenko V.N. Gas burners of a table of kitchen-ranges / Proceedings of the International Scientific and Technical Forum «Theoretical foundations of heat and gas supply and ventilation». M., MSUCE, 2005.
3. Pelipenko V.N., Kruglov A.A., Voronova E.S., Phedorova E.E. Research of torches of a plate with recovers an air-gas mix. Proceedings of the 7th International Scientific Forum «Indoor air and environmental quality». Volgograd, 2009.
4. Sigal I.J. Protection of air pool at burning fuel. L., Nedra, 1988.
5. Khodakov J.S. Nitrogen Oxides and Power Industry. - M., Open Company "ЭСТ-М", 2001.
6. Schurkin E.N., Reader K.P., Jbankov P.A. Research of a micro torch of an atmospheric torch // The Gas industry. 1979. №7, p. 52 - 55.
Ключевые слова: газ, плита, горелка, эмиссия, оксиды азота, оксид углерода. Key word: gas, kitchen-ranges, burner, emission, nitrogen oxides, carbon oxide.
e-mail: gas@63.ru
