CC BY
15
https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-340-354 УДК 662.76:504.064:683.95 (045)
Экологические характеристики современных систем бытового использования топлива
Часть 1
Б. С. Сорока1*, В. В. Горупа1*
''Институт газа Национальной академии наук Украины (Киев, Украина)
© Белорусский национальный технический университет, 2020 Belarusian National Technical University, 2020
Реферат. Выполнен анализ экологической составляющей процессов сжигания природного газа в атмосферных горелках бытовых газовых плит. Проведены расчетные и экспериментальные исследования образования вредных веществ при сжигании природного газа. Рассмотрено равновесие в системе NO-O2-NO2. Проведен термодинамический анализ трансформации системы в процессе горения природного газа (метановоздушной смеси). Несмотря на существенное (иногда на порядки) отличие термодинамически равновесных концентраций оксидов азота [NOJ eq от локальных, фактических замеренных значений [NOJ = [NO] + [NO2], величины [NO] eq могут служить качественным индикатором реальных концентраций [NOJ. В процессах горения природного газа и других топлив при высоких температурах [NO] >> [NO2] как для равновесных, так и для замеренных концентраций. При умеренных и низких локальных температурах, вплоть до 600 К, равновесные концентрации [NO2] eq ^ [NO] eq по порядку величин. При определенных составах горючей смеси может наступить соотношение [NO2] >> [NO], что представляет опасность для здоровья. В связи с наблюдаемым в ряде случаев образованием особо токсичного NO2 анализируется влияние температуры реакции и состава горючей смеси на возможность образования диоксида азота в продуктах сгорания. Предложена методология экспериментального изучения образования вредных выбросов и создан огневой компьютеризованный стенд для исследования сжигания углеводородных газов в горелках бытовых плит. Установлено влияние коэффициента избытка первичного воздуха на образование СО, NO, NO2. Доказана возможность появления выбросов с высокой концентрацией диоксида азота.
Ключевые слова: атмосферная горелка, бытовая газовая плита, диоксид азота, загрязнение окружающей среды, константы равновесия, коэффициент избытка воздуха, оксиды азота, природный газ, равновесные продукты сгорания, термодинамический анализ
Для цитирования: Сорока, Б. С. Экологические характеристики современных систем бытового использования топлива. Часть 1 / Б. С. Сорока, В. В. Горупа // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 340-354. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-340-354
Адрес для переписки
Сорока Борис Семенович Институт газа
Национальной академии наук Украины
ул. Дегтяревская, 39,
03113, г. Киев, Украина
Тел.: +38 044 455-59-98
boris. [email protected]
Address for correspondence
Soroka Boris S. The Gas Institute
of the National Academy of Sciences of Ukraine
39, Degtyarevskaya str.,
03113, Kyiv, Ukraine
Tel.: +38 044 455-59-98
boris. [email protected]
Environmental Characteristics of Modern Systems of Domestic Use of Fuel
Part 1
B. S. Soroka1*, V. V. Horupa1*
'-The Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv, Ukraine)
Abstract. The analysis of the environmental component of the processes of natural gas burning in atmospheric burners of domestic gas stoves has been carried out. The computational and experimental studies of the harmful substances formation by combustion of natural gas have been performed. The chemical equilibrium of the NO-O2-NO2 system was considered. The thermodynamic analysis of transformation of the system during a process of natural gas (methane-air mixture) combustion has been tested. Despite an essential (sometimes - by the order(s)) difference between the thermodynamically equilibrium concentration of the nitrogen oxides [NOJ eq and the local, actually measured values [NOJ = [NO] + [NO2], the [NO] eq values could be served as the qualitative indicators of actual values of [NOJ concentrations. In the combustion processes natural gas and other fuels combustion at high temperatures [NO] >> [NO2] for both equilibrium and measured concentrations. By moderate and low local temperatures up to 600 K the equilibrium concentration [NO2]eq ^ [NO]eq in order of magnitude. Under some compositions of burning mixture the correlation could be set as [NO2] >> [NO], resulting in great danger for the human health. With regard to the formation of particularly toxic NO2 effluents observed in some cases, an influence of the reaction temperature and the composition of the combustible mixture on the possibility of nitrogen dioxide formation in the combustion products have been analyzed. A methodology for the experimental study of the harmful emissions formation has been proposed while the computerized firing rig has been developed for studying the combustion of hydrocarbon gases in burners of household stoves. An influence of the coefficient of primary air excess on the СО, NO, NO2 formation has been revealed and the possibility of appearance the emissions of a high concentration of nitrogen dioxide has been demonstrated.
Keywords: atmospheric burner, household gas stove, nitrogen dioxide, environmental pollution, equilibrium constants, air excess factor, nitrogen oxides, natural gas, equilibrium combustion products, thermodynamic analysis
For citation: Soroka B. S., Horupa V. V. (2020) Environmental Characteristics of Modern Systems of Domestic Use of Fuel. Part 1. Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. 63 (4), 340-354. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-340-354 (in Russian)
Введение
Период возникновения интереса к изучению процессов горения применительно к бытовому использованию газа относится преимущественно к первой половине ХХ в., когда в Европе и США строились газовые заводы, поставлявшие городской газ как продукт переработки (газификации) твердого и жидкого минерального топлива (fossil fuels), в частности для бытовых нужд.
В начале ХХ в. в Москве было газифицировано 3 % квартир [1]. В настоящее время наряду с отопительными устройствами основное оборудование, в котором используются горючие газы в быту, - плиты для термической обработки продуктов питания и приготовления пищи, а также
водонагреватели для нагрева воды и обеспечения надлежащих санитарно-бытовых условий проживания людей.
Около 40 лет назад исследования в области горения при бытовом использовании газа были практически приостановлены, что предопределило ограниченный объем накопленной информации относительно экологических характеристик бытовых горелочных устройств. Особенно серьезные последствия указанное обстоятельство может иметь в связи с процессами сжигания топлива в газовых плитах, не оснащенных системой организованного отвода продуктов сгорания.
В [2] анализируются особенности энергоснабжения жилых зданий в отопительный период. Представлены мнения относительно вредных выбросов, возникающих при сжигании газа в бытовых плитах.
В Институте газа НАН Украины после многолетнего перерыва возобновлены систематические исследования сжигания углеводородов в горелках газовых плит с учетом образования токсичных веществ: оксидов азота ^^ и углерода СО. Исследования проводятся на специально созданном огневом стенде, где можно устанавливать и менять исследуемое горелочное устройство. Кроме того, отдельные испытания осуществляются в натуральных условиях - на газовых плитах [3].
Предмет исследований
и современное состояние проблемы
Сегодня в качестве топлива для бытовых газовых приборов используются углеводородные газы: природный и сжиженный. В Украине с 2008 г. потребление природного газа в коммунально-бытовом секторе экономики, в том числе населением непосредственно, преобладает над использованием его в промышленности. Динамика изменения потребления природного газа по годам представлена на рис. 1 [4].
35
N
30
ч
ю ш сг
ч
О 10 IZ
—■— Коммунально-бытовой
сектор - - Промышленность
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Год
Рис. 1. Изменение потребления природного газа в Украине Fig. 1. Changes of natural gas consumption by Ukraine
Из рис. 1 следует, что с 2007 по 2018 г. в Украине резко сократилось абсолютное потребление газового топлива, причем в коммунально-бытовом секторе - в два раза. С учетом всего объема использования природного газа в Украине за последние годы (2017-2018) можно утверждать, что до 50 % общего его потребления приходится на коммунально-бытовой сектор страны. По этой причине особое значение приобретает задача эффективного использования природного газа в отрасли при максимальном снижении загрязнения атмосферы.
Газовые горелки и плиты
Особый тип горелочных устройств, применяемых в бытовой технике, -атмосферные горелки [5, 6], инжекционные устройства, в которые принудительно из сети подается горючий газ, а часть воздуха по отношению к стехиометрическому потоку (первичный воздух) подсасывается внутрь горелки и смешивается с газом. В результате на выходе из горелки сжиганию подвергается богатая газовоздушная смесь. Одновременно в горящую первичную смесь за пределами горелки подсасывается вторичный воздух из окружающего пространства. В [6] эти пламена именуются смешанными ламинарными пламенами с предварительно перемешанной и не перемешанной смесью, а также для него указывается значение избытка топлива (fuel equivalence ratio ER) Ф = ER = A^-1 = 1,4, где Apr - коэффициент избытка первичного воздуха. Согласно [6], до 30 % всего объема потребляемого в мире природного газа сжигается при организации пламен описанного типа.
Таким образом, можно полагать, что атмосферные горелки являются разновидностью струйных факельных горелок или горелок Maker со смесителем Вентури. Они формируют бунзеновские пламена (горелки с прямоточным смесителем [5, 7]), которые обеспечивают ламинарное горение богатой предварительно подготовленной смеси с созданием конических пламен (изначально на поверхности конуса (конусов) при выпуске горючей смеси в окружающий воздух и при последующем диффузионном дожигании первичной газовоздушной смеси [5-7]).
Проблема энергоэкологической эффективности использования газового топлива при его сжигании в бытовых газовых плитах является комплексной и связана со многими факторами, оказывающими взаимное влияние в системе «газовая горелка - нагреваемая емкость» (рис. 2).
Газовая плита - специальное устройство для обеспечения тепловой обработки воды, других жидкостей и приготовления пищи. При экспериментальных исследованиях бытовую газовую плиту следует рассматривать как техническую систему, включающую атмосферные газовые горелки, узлы подачи газа с учетом вовлечения окружающего воздуха (первичного и вторичного) и управления процессом сжигания рабочей смеси (рис. 2). В качестве рабочей рассматривается емкость различной геометрии и размеров, для которой определяющей характеристикой служит поверхность тепло-
обмена. Для определения энергетической эффективности системы размеры емкости регламентируются национальными и международными стандартами (Украины [8, 9], России [10], Китая [11] и Евросоюза [12]).
Первичный воздух
Вторичный воздух
Поверхность теплообмена
V Нагреваемая емкость J
Природный газ
Рис. 2. Принципиальная схема системы «газовая горелка - нагреваемая емкость» для различных способов подвода вторичного воздуха горения: a - центральный и периферийный; b - только периферийный
Fig. 2. The "gas burner - heated vessel" basic system for different modes of supply of secondary combustion air: a - central and peripheral; b - оп1у peripheral
а
b
Термодинамика образования вредных компонент в продуктах сгорания при работе бытовых газовых приборов
Основными вредными компонентами продуктов сгорания при сжигании углеводородов в атмосферных горелках газовых плит и водонагревателей являются оксиды углерода (СО) и азота (N0 и N02). Последние объединены общим обозначением N0*. Концентрация [N0*] = [N0] + [N0^. Несмотря на наличие в продуктах сгорания углеродных и углеводородных соединений, включая формальдегид [13], именно оксиды N0* и СО привлекают основное внимание исследователей.
В процессе горения топлива в котлах и других топливосжигаю-щих устройствах образуется преимущественно оксид азота NO [14], во всяком случае, по данным [15], доля NO2 в общем объеме NOX составляет не более 2-3 %. В соответствии с результатами исследований, проведенных в США, соотношение 100 [NO2]/([NO] + [NO2]) для котельных агрегатов находится в пределах 5-11 % [15]. К сожалению, в настоящее время во многих источниках не приводятся раздельные значения выбросов [NO] и [1ВД [16, 17].
При попадании в атмосферу под действием солнечного излучения NO трансформируется в высокотоксичный диоксид азота NO2, ядовитый газ, который имеет негативное влияние на организм человека. Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса (США) провели экологические исследования газовой плиты и установили, что при сгорании природного газа диоксид азота может образовываться непосредственно в факелах атмосферных газовых горелок. Это особенно опасно при отсутствии вытяжных устройств над газовыми плитами [13].
Предельно допустимые концентрации (ПДК) регламентируются соответствующими нормативными документами и по NOX составляют: ПДКмр = 0,4 мг/м3 по NO, ПДКмр = 0,2 мг/м3 по NO2 [18]. При этом следует отметить общую тенденцию ослабления жесткости экологических нормативов в Украине. Ранее значение ПДКм.р для NO2 было более жесткое и составляло 0,085 мг/м3 [14]. Диоксид азота NO2 ранее был во втором классе опасных веществ, сейчас NO и NO2 относятся к третьему классу. Учитывая, что вредное воздействие выбросов компонента Х, загрязняющих атмосферу, определяется отношением [Х]/ПДКХ [15], можно утверждать, что 1 ppm [NO2] по токсичности соответствует 2-5 ppm и более [NO].
Расчет термодинамического равновесия системы NO-O2-NO2
На начальном этапе оценки трендов относительного влияния состава исходной горючей смеси на выход токсичных компонент может быть использован термодинамический анализ. Методология расчета термодинамически равновесного состава продуктов реакции базируется на учете исходного состава реагирующей смеси: поэлементного (при фиксированных температурах процесса) и покомпонентного (при одновременном определении теоретической температуры горения), а также параметров процесса горения [19].
Для горения в условиях бытовых приборов обоснованным является термодинамический анализ при изобарно-изотермическом процессе горения: р = const; Т = const.
Соответствующие методики были предложены во второй половине ХХ в., прежде всего в США и СССР. В настоящее время в различных организациях используются программные продукты: TERRA (МВТУ, рук. Б. Н. Трусов), FUEL (Институт газа НАН Украины, рук. Б. С. Сорока) и др.
Принципиальные закономерности образования основных вредных веществ по их отношениям, в частности для NOX ([NO]/[NO2] и СОх ([СO]/[СO2]), мо-
гут быть найдены в предположении соответствия состояния отдельных компонент и смеси продуктов сгорания уравнению идеального газа [20] через табулированные константы реакций атомизации компонент с использованием простейших реакций
2Ш + О2 5 2Ш2, (1)
для которой константа равновесия химической реакции
„2 / п Л2 1.2
К =
п2 (П V к2 к
^02 -^02 р._1 N0 0.
Р2 Ро2 V nN0 )
П_1 (2)
к
N0
где рх, кх - парциальное давление и константа реакции атомизации компонента X; X = N0, О2, N02. Из(2)следует:
ПЫ02
N0
/ \0,5
(Кп02) ; (3)
(4)
Что касается оксидов углерода, то процесс доокисления
2С0 + 02 5 2С02 (5)
имеет константу равновесия
кр=. (6)
РС0 р02 кС02
В (2) и (6) константы реакции атомизации запишутся в виде: кс02 =—; (7а) к С0 =РсР±; (7Ь) ^ = -р0-; (7с)
РС02 рС0 р02
V =—; (7ф kN0 = ^Р0.. (7е)
pN0
N0
Принцип Ле-Шателье - Брауна качественно указывает направления смещения равновесия химических реакций, устанавливая, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает процессы, ослабляющие рассматриваемое воздействие [21]. Для приведенных реакций с вредными компонентами, прежде всего с окси-
дами азота и углерода, принцип Ле-Шателье позволяет проанализировать влияние параметров р, Т процесса горения на направления реакций.
В случае повышения температуры реакции система отзывается своим охлаждением. На основании принципа Ле-Шателье в ходе экзотермической реакции при нарушении равновесия вследствие роста температуры система будет противодействовать своему нагреву сдвигом в сторону исходных компонент (в сторону обратной - эндотермической - реакции). Экзотермическая реакция горения СО (5) сопровождается сдвигом реакции в сторону исходных компонент (2СО + О2) в случае повышения температуры реакции.
При анализе доокисления NO в NO2 следует прежде всего выяснить характер рассматриваемой реакции. Для определения влияния температуры на ход реакции (1) необходимо оценить ее тепловой эффект. Равновесная теплота реакции Q, в соответствии с подходом [22] определяется ее величиной и знаком через равновесные полные энтальпии исходных компонент Ilnlt eq (T0 ) и пр°дуКГ°в реакции /ргЫ, eq (Г0 )
Qp = 1 prod ,eq (T0) -Ilnlt,eq (T0) = 2 INO2 (T0) - [2 INO(T0) + IO2(T0)],
где Q, - тепловой эффект реакции при р = const.
Или удельный тепловой эффект реакции на 1 кг N0
qp = 0,5 Qp MNO.
Для стандартной температуры T0 = 293,15 К (20 °С), или T^ = 298,15 К (25 °С), значения полной энтальпии компонент представлены в табл. 1, согласно данным [23].
Таблица 1
Энтальпия компонент реакции (1) при стандартной температуре Т0 Enthalpy of the reaction components (1) at standard temperature T0
Компонента T' = 20 °С = 293,15 К T0" = 25 °С = 298,15 К
IT, кал/моль IT, кДж/моль IT, кал/моль IT, кДж/моль
NO 21600 90,3744 21636 90,5250
О2 0 0 35 0,1464
no2 8009 33,5096 8058 33,7146
Сопоставляя полные энтальпии 1Т для N0 и N02 (табл. 1), можно увидеть, что 1Т (N0) > 1Т (N0^. Это указывает на экзотермический характер реакции (1) и ее сдвиг влево - в сторону исходных реагентов ^N0 + 02) при повышении температуры. Таким образом, [К0]/[К02] увеличивается с ростом температуры реакции.
Каждая из реакций доокисления (1) и (5) сопровождается уменьшением объема системы вследствие сокращения числа молей продуктов реакции по сравнению с исходными реагентами: пгеаа < пш.
При сжатии реакционной смеси равновесие смещается вправо, в сторону продуктов реакции - NO2 в реакции (1) и СО2 в реакции (5) соответственно, ибо этот процесс приводит к уменьшению давления и, следовательно, противодействует внешнему давлению. Действительно, при Т = const в закрытом сосуде (V = const) продукты каждой из реакций (в (1) - NO2, в (5) - СО2) создают меньшее давление p ~ nreact, чем создавали исходные компоненты [24].
В рассматриваемом случае реакция (1) относится к процессу горения, который протекает в изобарных условиях: давления исходных компонент и продуктов реакции равны между собой. При этом увеличение внешнего давления в соответствии с принципом Ле-Шателье также должно вызвать изменение хода реакции в сторону понижения давления в системе. Поскольку при Т = const смещение равновесия в сторону NO2 (1) и СО2 (5) приведет к понижению числа молей nreact = nNO2 или nreact = nCO2, то давление в системе уменьшается: p ~ nreactIV.
Анализ результатов расчета состава продуктов сгорания природного газа, имеющих одинаковый исходный состав, при разных давлениях процесса подтверждает, что с увеличением давления р наблюдается понижение Dco и рост Dco2 [19].
Таким образом, в соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение давления процесса p должно приводить к сдвигу реакции в сторону конечных продуктов как в случае изохорического (V = constj, так и изобарического (p = const) процессов.
Важнейшим вопросом при анализе возможности появления NO2 при сжигании в плитах, о чем указывалось в [13], является рассмотрение равновесия системы NO-O2-NO2. Константа равновесия реакции (1) в зависимости от температуры может быть численно определена с использованием констант реакций атомизации молекулярных соединений: NO, O2, NO2 ((7d), (7с), (7е)), задействованных в брутто-реакции (1) образования NO2. Функциональная зависимость связывает константу равновесия Кр с энергетической характеристикой Qp реакции.
Численный анализ образования оксидов азота NO и NO2
Зависимость Кр от температуры Т для реакции доокисления NO в NO2 (1) позволяет сделать вывод о смещении равновесия реакции образования NO2 в сторону низких температур. С учетом сопутствующего снижения скорости реакции можно в первом приближении предположить, что вероятность появления NO2 повышается в застойных низкотемпературных областях движения реагирующей смеси, где увеличивается время пребывания молей реагирующих компонент.
В результате проведенного расчета тепловой эффект реакции (1) Qp = = -113,7296 кДж, qp = -1,8954 кДж/кг, т. е. реакция окисления NO в NO2 является экзотермической, а Qp < 0. В соответствии с уравнением максимальной работы Гиббса - Гельмгольца и законом Вант-Гоффа [19]
d ln Kp Qp
-1 = . (8)
dT RT2
Из (8) можно получить зависимость изменения самой константы равно-
весия с температурой
d ln Kp
dT
d ln Kp dK
-1 dKp
dK
_1 _ к _
dT p dT
(9)
Действительно, расчеты подтверждают смещение реакции образования N02 в сторону низких температур (рис. 3). Тогда для экзотермической реакции:
d ln Kp
dT
< 0;
dKp
dT
< 0,
(10)
поскольку знак этих производных совпадает со знаком Qp.
При использовании уравнения Вант-Гоффа из зависимости (9)
dKp КД
dT RT2
(11)
Из (11) следует, что изменение константы равновесия с температурой (производная Кр по температуре) сохраняет знак теплоты реакции, так как в правой части (11) остальные сомножители, кроме Qp, положительные: Кр > 0; R > 0; Т > 0. Тогда dKpldT < 0, если реакция экзотермическая < 0), и dKpldT > 0, если реакция эндотермическая > 0).
Действительно, сравнение зависимостей (8) и (11) для реакции доокис-ления N0 в N02 (1) подтверждает справедливость неравенства dKpldT < 0, поскольку Кр уменьшается с ростом температуры реакции Тгеас( и производная по температуре от функции КР(Т) - величина отрицательная (сдвигается постепенно в сторону исходных компонент по мере повышения температуры) (рис. 3). На рис. 3 Тгеасг = Тт(А,), где Тт - теоретическая температура горения.
298 548 798
1048 1298 T K
rp.nr.tl
1548 1798 2048
Рис. 3. Зависимость константы Кр равновесия реакции (1) от температуры реакции Treact = Тт(Х) Fig. 3. Dependence of the equilibrium constant Кр for reaction (1) on the reaction temperature Treact = Тт(к)
10.0E-0.3 9.0Е-0.4 8.0Е-0.4 7.0Е-0.4
6.0Е-0.4
5.0Е-0.4 0,34
0,30
О
£ 0,26
О
¡Z
0,22
0,18 6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
\ V1 \ a
lili 1 1
\ Л ■ V b
lililí
c
\ \
\ V2
iiii 1
1,5
5,0
На рис. 4 демонстрируется отношение равновесных концентраций реакции [[К0]/[К02] в зависимости от коэффициента избытка воздуха для различных температур Ттс1^. Данные представлены на рис. 4 двумя способами:
1) с использованием выражения (4) для реакции (1), где константа равновесия Кр реакции рассчитывается через константы реакции атомиза-ции компонент N0, N0^ 02, а доля 02 определяется для реакции горения метановоз-душных пламен при коэффициенте избытка X;
2) по равновесным концентрациям [N0], [N0^, рассчитанным для теоретических температур горения метано-воздушных смесей с коэффициентом избытка X.
Рис. 4. Зависимость [Ш]/[Ш2] в соответствии с реакцией (1) от X при горении метановоздушной смеси для температуры продуктов
сгорания метана с воздухом Тгшс,, К: а - 400; b - 600; c - 800;
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Коэффициент избытка воздуха X
концентрации [NO], [NO2] определены с использованием: 1 - расчетной константы равновесия реакции (1) по формуле (4); 2 - состава равновесных продуктов сгорания (программный продукт FUEL) Fig. 4. Dependence of the [NO]/[NO2] in accordance with reaction (1) on X in combustion of methane-air mixture by different temperature of the combustion products of methane with air Тгеась K: а - 400; b - 600; c - 800; the concentrations of [NO], [NO2] are determined by using: 1 - calculated values equilibrium constant of the reaction (1) according to formula (4); 2 - composition of equilibrium combustion products (software product FUEL)
Несмотря на рост относительной концентрации [N0^ по отношению к [N0] при низких температурах (600 и 400 К) и даже на превышение [N0^ по сравнению с [N0], абсолютные значения равновесных концентраций [N0^ настолько незначительны (1,30Е-05 при температуре 2000 К, 2,38Е-07 при 800 К соответственно (X = 1,0 для метановоздушной смеси)),
что не могут представлять реальную угрозу здоровью людей. Однако в проведенных экспериментах найдены существенно более значительные концентрации этого компонента, что указывает на их сверхравновесный выход в реальных огневых условиях и роль кинетических факторов.
Зависимость отношения концентраций [К0]/[К02] от коэффициента избытка воздуха X для теоретических температур горения Тт(Х) приведена на рис. 5.
103
Рис. 5. Зависимость [NO]/[NO2] от X для теоретических температур горения Тт(Х): 1, 2 - то же, что на рис. 4 Fig. 5. Dependence of the [NO]/[NO2] on X for theoretical combustion temperatures Тт(Х): 1, 2 - the same as in Fig. 4
О
¡z
О
z
102
101 —
10°
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Коэффициент избытка воздуха X
5,0
ВЫВОДЫ
1. В Украине используется до 13 млн бытовых газовых плит, вредные выбросы которых влияют на санитарно-гигиеническое состояние и загрязнение воздуха в жилых помещениях, тем самым негативно воздействуя на здоровье основной части населения страны.
2. В Институте газа НАН Украины проводятся систематические расчет-но-теоретические и экспериментальные исследования образования токсичных выбросов при сжигании углеводородного топлива (природного и сжиженного газов) в атмосферных горелках газовых плит. В качестве основных загрязнителей воздуха при оценке экологической чистоты продуктов сгорания рассматриваются оксиды углерода СО и азота NO и NO2.
3. В Национальной лаборатории имени Лоуренса (США) установлено, что при сжигании природного газа в горелках бытовых плит, в отличие от систем сжигания большинства промышленных и силовых энергетических агрегатов, напрямую образуется особо токсичный компонент - диоксид азота N02. Этот вывод подтвержден и настоящими исследованиями. Имея в виду возможность непосредственного контакта человека с продуктами сгорания при работе газовых плит и сопутствующие угрозы для здоровья, в исследованиях авторов статьи особое внимание обращено на условия образования и концентрации диоксида азота в пламени и вне его.
4. По результатам термодинамического анализа сопоставлено относительное содержание оксидов азота NO и NO2 в равновесных смесях продуктов реакции. При анализе составов равновесных продуктов сгорания
смесей природного газа с воздухом, проведенного путем оценки хода реакции 2NO + O2 2NO2, установлено, что сдвиг равновесия в сторону N02 имеет место при низких температурах продуктов сгорания (до 800 К).
5. Важнейшая социальная задача данного исследования - пересмотр отношения к экологическим аспектам сжигания газового топлива в кухонных плитах, поскольку это касается широких масс населения стран, использующих газ в быту.
Обозначения
DX - объемная (молярная) доля компонента Х; IX - полная энтальпия компонента; MX - молекулярная масса компонента Х; n - число молей;
[O2] - локальная концентрация О2 в продуктах сгорания;
p - давление реагирующей системы, суммарное давление компонента при протекании реакции;
R - универсальная газовая постоянная; T - температура; V - объем реагирующей смеси.
Индексы
eq - для равновесного состава продуктов реакции; init - для исходных компонентов реагирующей смеси; м.р - максимальная разовая; prod - для продуктов реакции; react - для компонентов реакций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пупырев, Е. И. Комплексная модернизация объектов жизнеобеспечения современного мегаполиса / под ред. А. Н. Мирного. М.: Академия коммун. хоз-ва им. К. Д. Памфилова, 2013. 343 с.
2. Осипов, С. Н. О некоторых особенностях энергоснабжения жилых зданий в отопительный период / С. Н. Осипов, В. М. Пилипенко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 1. C. 77-96. https://doi.org/:10.21122/1029-7448-2017-60-1-77-96.
3. Сорока, Б. С. Сучасний стан та напрями удосконалення пальниюв побутових газових плит. Частина 1. Науково-технолопчш засади ефективного використання палива та еко-лопчно чистого спалювання газу в кухонних плитах / Б. С. Сорока, В. В. Горупа // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2017. № 3. С. 3-19.
4. Енергетичний баланс Украши. Арх1в [Electronic resource]. Access mode: http://www. ukrstat.gov.ua/.
5. Gas Engineers Handbook. Fuel Gas Engineering Practices. Chapter 12. Gas Burner Design / First Edition, Second Printing. Section 12, Chapter 12. N.Y.: The Industrial Press, 1966. P. 12/193-12/194.
6. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. Пер. с англ. Г. Л. Агафонова; под ред. П. А. Власова. М.: Физматлит, 2003. 352 с.
7. Gas Engineers Handbook. Fuel Gas Engineering Practices. Chapter 13. Industrial Combustion Systems / First Edition, Second Printing. Section 12, Chapter 13. N.Y.: The Industrial Press, 1966. P. 12/211-12/239.
8. Плити газовi побутовг Загальт техшчш умови: ДСТУ 2204-93. Киев: Держстандарт Украши, 1994. 46 c.
9. Плити газовi побуговi. Частина 1-1. Вимоги щодо безпеки. Загальнi положения: ДСТУ EN 30-1-1:2015. (EN 30-1-1:2008+A3:2013, IDT). Киев: Держстандарт Украшы, 2015.
10. Плиты газовые бытовые. Общие технические условия: ГОСТ Р 50696-94. Введен РФ 01.01.1995. М.: Госстандарт, 1994. 55 с.
11. Domestic Gas Cooking Appliances: GB 16410. Issued Date 21 June 2007. The General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, the Standardization Administration of the People's Republic of China, 2008. 51 p.
12. Domestic Cooking Appliances Burning Gas. Part 1-1: Safety General [Electronic resource]: EVS-EN 30-1-1:2008+А3:2013. Mode of access: https://www.evs.ee/en/evs-en-30-1-1-2008+ a3-2013.
13. Wende, N. Cooking Up Indoor Air Pollution Emissions from Natural Gas Stoves. Environmental Health Perspectives, 122 (1). [Electronic resource] / N. Wende. Access mode: https://ehp. niehs.nih.gov/wp-content/uploads/122/ 1/ehp. 122-A27.pdf.
14. Сигал, И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И. Я. Сигал. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Недра, 1988. 312 с.
15. Сигал, И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И. Я. Сигал. Л.: Недра, 1977. 294 с.
16. Ярмольчик, Ю. П. Механизмы образования и методика расчета выбросов загрязняющих веществ при сжигании природного газа в зависимости от эмиссионного класса горелок / Ю. П. Ярмольчик // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 6. С. 565-582. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-565-582.
17. Письменная, У. Е. Обеспечение устойчивого развития энергетических систем: переход от стоимости к ценности / У. Е. Письменная, Г. С. Трипольская // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 1. С. 14-29. https://doi. org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-14-29.
18. Шевченко, О. Г. Забруднення атмосферного повпря мюта Киева двоокисом азоту / О. Г. Шевченко, С. I. Сшжко, Н. О. Даншова // Украшський пдрометеоролопчний журнал. 2015. № 16. С. 6-16. Режим доступа: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Uggj_2015_16_3.
1 9. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах. Состав и термодинамические свойства / И. Н. Карп [и др.]. Киев: Техжка, 1967. 382 с.
20. Пригожин, И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди; пер. с англ. Ю. А. Данилова и В. В. Белого. М.: Мир, 2002. 461 с.
21 . Физический энциклопедический словарь // Гл. редактор А. М. Прохоров. М.: Советская энцикл., 1984. 944 с.
22. Soroka, B. S. The Fuel Certification by Heat Engineering Characteristics / B. S. Soroka, A. I. Bershadskyi // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2014. № 2. С. 3-13.
23. Таблицы термодинамических свойств / В. П. Глушко [и др.]. М.: Изд-во «Наука», 1978. 327 с.
24. Справочник по элементарной химии / Под ред. А. Т. Пилипенко. Киев: Наукова думка, 1985. 560 с.
Поступила 14.11.2019 Подписана в печать 17.02.2020 Опубликована онлайн 30.07.2020
REFERENCES
1. Pupyrev E. I. (2013) Comprehensive Modernization of Life Support Facilities in a Modern Metropolis. Moscow, Academy of Public Utilities named after K. D. Pamfilov. 343. (in Russian).
2. Osipov S. N., Pilipenko V. M. (2017) Some Features of the Power Supply of Residential Buildings During the Heating Season. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (1), 77-96 (in Russian). https://doi.org/10. 21122/1029-7448-2017-60-1 -77-96.
3. Soroka B. S., Gorupa V. V. (2017) Current State and Directions of Improvement of Burners for Household Gas Stoves. Part 1. Scientific and Technological Bases of Efficient Use of Fuel
and Environmentally Friendly Gas Combustion in Kitchen Stoves. Energotekhnologii i Resur-sosberezhenie [Energy Technologies and Resource Conservation], (3), 3-19 (in Ukrainian).
4. Energy Balance of Ukraine. Available at: http://ukrstat.gov.ua/operativ/operativ2012/energ/ en_bal/arh_2012.htm (in Ukrainian).
5. Gas Engineers Handbook. Fuel Gas Engineering Practices. Chapter 12. Gas Burner Design. N.Y., The Industrial Press, 1966, 12/193-12/194.
6. Warnatz Yu., Maas W., Dibble R. (2001) Combustion. Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Springer, Berlin, Heidelberg. 299. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04508-4.
7. Gas Engineers Handbook. Fuel Gas Engineering Practices. Chapter 13. Industrial Combustion Systems. N.Y., The Industrial Press, 1966, 12/211-12/239.
8. State Standard of the Ukraine 2204-93. Gas Household Stoves. General Technical Conditions. Kiev, Derzhstandart Ukraini Publ, 1994. 46 (in Ukrainian).
9. State Standard of the Ukraine EN 30-1-1:2015. (EN 30-1-1:2008+A3:2013, IDT). Gas Household Stoves. Part 1-1. Safety Requirement. Kiev, Derzhstandart Ukraini Publ. (in Ukrainian).
10. State Standard of Russia P 50696-94. Gas Household Stoves. General Technical Conditions. Moscow, Gosstandart Publ., 1994. 55 (in Russian).
11. GB 16410. Domestic Gas Cooking Appliances. The General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, the Standardization Administration of the People's Republic of China, 2008. 51.
12. EVS-EN 30-1-1:2008+A3: 2013. Domestic Cooking Appliances Burning Gas. Part 1-1: Safety General. Available at: https://www.evs.ee/en/evs-en-30-1-1-2008+a3-2013.
13. Wende N. (2014) Cooking Up Indoor Air Pollution: Emissions from Natural Gas Stoves. Environmental Health Perspectives, 122 (1). Available at: https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10. 1289/ehp.122-A27.
14. Segal I. Ya. (1988) Protection of the Air Basin during Fuel Burning. 2nd ed. Leningrad, Nedra Publ. 312 (in Russian).
15. Segal I. Ya. (1977) Protection of the Air Basin during Fuel Burning. Leningrad, Nedra Publ. 294 (in Russian).
16. Yarmolchick Yu. P. (2019) Formation Mechanisms and Methods for Calculating Pollutant Emissions from Natural Gas Combustion Depending on the Burner Emission Class. Energe-tika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob 'edinenii SNG = Ener-getika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Association, 62 (6), 565-582 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-565-582.
17. Pysmenna U. Ye., Trypolska G. S. (2020) Maintaining the Sustainable Energy Systems: Turning from Cost to Value. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Association, 63 (1), 14-29 (in Russian). https://doi.org/10.21122/ 1029-7448-2020-63-1-14-29.
18. Shevchenko O. G., Snezhko S. I., Danilova N. O. (2015) Air Pollution by Nitrogen Dioxide in Kiev City. Ukrains'kii Gidrometeorologichnii Zhurnal = Ukrainian Hydrometeorological Journal, (16), 6-16 (in Ukrainian).
19. Karp I. N., Soroka B. S., Dashevskii L. N., Semernina D. (1967) Natural Gas Combustion Products at High Temperatures. Composition and Thermodynamic Properties. Kiev, Tekhnika Publ. 382 (in Russian).
20. Prigogine I., Kondepudi D. (2014) Modern Thermodynamics. From Heat Engines to Dissipative Structures. John Wiley & Sons, Ltd. 523. https://doi.org/10.1002/9781118698723.
21. Prokhorov A. M. (ed.) (1984) Physical Encyclopaedic Dictionary. Moscow, Sovetskaya Entsik-lopediya Publ. 944 (in Russian).
22. Soroka B. S., Bershadskyi A. I. (2014) The Fuel Certification by Heat Engineering Characteristics. Energotekhnologii i Resursosberezhenie [Energy Technologies and Resource Conservation], (2), 3-13.
23. Glushko V. P. et al. (1978) Thermodynamic Properties of Individual Substances. Vol. 4. Book 2. Tables of Thermodynamic Properties. Moscow, Nauka Publ. 327 (in Russian).
24. Pilipenko A. T. (1985) Handbook of Elementary Chemistry. Kiev, Naukova Dumka Publ. 560 (in Russian).
Received: 14 November 2019 Accepted: 17 February 2020 Published online: 30 July 2020
