Научная статья на тему 'Применение метода тонкоструйной спектрометрии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив'

Применение метода тонкоструйной спектрометрии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
130
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФУНКЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРОПУСКАНИЯ (Ф.С.П.) / СПЕКТРАЛЬНАЯ ЛИНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ / ИНГРЕДИЕНТНЫЙ СОСТАВ / ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ / ДИСПЕРСНАЯ ФАЗА / THE FUNCTION OF THE SPECTRAL TRANSMISSION / SPECTRAL LINE OF THE ABSORPTION / INGREDIENT COMPOSITION / PRODUCTS OF COMBUSTION / DISPERSIVE PHASE

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Москаленко Николай Иванович, Сафиуллина Яна Салаватовна

Рассматривается применение метода тонкоструктурной спектроскопии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив, включая газовые компоненты и сажевый аэрозоль. Разработанный спектрофотометрический комплекс аппаратуры обеспечивает измерение концентраций различных ингредиентов в продуктах сгорания углеводородных топлив с предельной чувствительностью (1-10) ppm. Обсуждаются технологии репрезентативного отбора пробы и спектроскопических анализов. Погрешность измерений в динамическом режиме составляет {5-15}% и зависит от химического состава измеряемых сред. Применение методов специальной математической обработки спектров позволяет уменьшить погрешности измерений до {2-5}%. Предельная чувствительность определения концентраций летучих ингредиентов возрастает с увеличением спектрального разрешения и максимальна при разрешении вращательной структуры спектра колебательно-вращательных полос. Обсуждаются результаты выполненных измерений ингредиентного состава продуктов сгорания некоторых видов углеводородных топлив

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Москаленко Николай Иванович, Сафиуллина Яна Салаватовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The determination of ingredient composition anthropogenic atmospheric surge by method of thin - structure spektrometry

The application of a method of thin-structure spectroscopy for definition of an ingredient composition of combustion products of combustibles, including gas components and sooty aerosol is esteemed. The designed spectrophotometric complex of instrumentation provides measurement of concentrations of different ingredients in combustion products with a usable sensitivity (1-10) ppm. The technologies of a representative scooping of assay and spectroscopic analysis are discussed. The error of measurements in a dynamic behaviour makes {5-15} % and depends on chemical composition of measured mediums. The application of methods of special mathematical processing of spectra allows to reduce errors of measurements up to {2-5} %. The usable sensitivity of definition of concentrations of volatile ingredients increases with increase of the spectral resolution and is maximum at the sanction of rotary structure of a spectrum of rotation-vibration bands. The outcomes of executed measurements of an ingredient composition of combustion products of some sorts of hydrocarbon fuels are discussed.

Текст научной работы на тему «Применение метода тонкоструйной спектрометрии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив»

УДК 629.125:551.521

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ТОНКОСТРУКТУРНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНГРЕДИЕНТНОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВ

Н.И. МОСКАЛЕНКО, Я.С. САФИУЛЛИНА Казанский государственный энергетический университет

Рассматривается применение метода тонкоструктурной спектроскопии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив, включая газовые компоненты и сажевый аэрозоль. Разработанный спектрофотометрический комплекс аппаратуры обеспечивает измерение концентраций различных ингредиентов в продуктах сгорания углеводородных топлив с предельной чувствительностью (1-10) ррт. Обсуждаются технологии репрезентативного отбора пробы и спектроскопических анализов. Погрешность измерений в динамическом режиме составляет {5-15}% и зависит от химического состава измеряемых сред. Применение методов специальной математической обработки спектров позволяет уменьшить погрешности измерений до {2-5}%. Предельная чувствительность определения концентраций летучих ингредиентов возрастает с увеличением спектрального разрешения и максимальна при разрешении вращательной структуры спектра колебательно-вращательных полос. Обсуждаются результаты выполненных измерений ингредиентного состава продуктов сгорания некоторых видов углеводородных топлив.

Ключевые слова: функция спектрального пропускания (ф.ап.), спектральная линия поглощения, ингредиентный состав, продукты сгорания, дисперсная фаза.

Введение

Для решения многих прикладных задач, связанных с переносом излучения в высокотемпературных средах и радиационного теплообмена в энергетических установках, переносом излучения пламени в атмосферах, необходимы сведения по ингредиентному составу продуктов сгорания различных видов топлив естественного или искусственного происхождения. Во многих случаях компоненты с низкими концентрациями в продуктах сгорания топлива и введенные в технологический процесс сжигания антикоррозийные добавки определяют особенности радиационного теплообмена в топочных атмосферах и оказывают значительное влияние на поле пространственного распределения температуры дымовых газов в камере сгорания и поверхностей нагрева в топках и дымоходах. Таким образом, компоненты с низкой концентрацией в газовой и дисперсной фазах продуктов сгорания оказывают непосредственное влияние на эмиссионные характеристики факела и тепловосприятие поверхностей нагрева.

Ингредиенты с низкой концентрацией в продуктах сгорания часто имеют токсическое или канцерогенное воздействие и их контроль в выбросах в атмосферу имеет важное экологическое и социальное значение. Широкий спектр углеводородных ингредиентов и серосодержащих, азотосодержащих и хлорфторсодержащих компонентов образуется при переработке нефтепродуктов и промышленного производства.

Ингредиентный состав газовой фазы продуктов сгорания включает сильно поглощающие (излучающие) компоненты, такие как пары Н2О, углекислый газ СО2, гидроксид ОН, оксиды азота (N0, N0^ ^О, ^05), СО, сероводород Н28, © Н.И. Москаленко, Я. С Сафиуллина Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

оксиды серы (8О2, ОС8), летучие углеводороды (СН4, С2Н2, С2Н4, С3Н8), соединения углеводородов воскового ряда и их изомеры (пары бензина), спирты (СН3ОН, С2Н5ОН, С6Н5ОН и др.), пары азотной кислоты Н]\03, фосфат РН3 [1,2].

Отличительной особенностью дисперсной фазы продуктов сгорания топлив является ее высокая поглощательная способность для излучения ультрафиолетового видимого и инфракрасного диапазонов спектра. Последнее обусловлено оптически активными компонентами газовой фазы и высоким содержанием сажистых частиц в составе продуктов сгорания, которые образуются в процессе полимеризации из газовой фазы при горении топлива. В связи с этим очень важен контроль летучей фракции золя в пределах топочного пространства и в отходящих дымовых газах [3-4].

Спектральный измерительный комплекс

Спектральный измерительный комплекс включает в себя: вакуумный осветитель, многоходовую рабочую камеру с внутренним и внешним обогревом, монохроматор и согласующие оптические приставки. Система обогрева позволяет изменять температуру рабочей среды в диапазоне 300-900 К, а вакуумированные монохроматор и осветитель обеспечивают репрезентативность выполнения анализов качественного и количественного состава продуктов сгорания отобранных проб. Необходимость использования подогреваемой рабочей камеры возникает вследствие измерения многокомпонентного состава продуктов сгорания, включающих в своем составе не только летучие, но и слабо летучие в обычных атмосферных условиях компоненты с температурами конденсации от 30 до 150 0С, а также зольную фракцию дисперсной фазы. Применение рабочей камеры с многоходовой схемой прохождения излучения позволяет изменять длину оптического пути (чувствительность измерений) в процессе выполнения измерений. Диапазон давлений в рабочей камере может быть расширен за счет разбавления пробы инертным оптически неактивным газом. Высокое спектральное разрешение позволяет идентифицировать компоненты продуктов сгорания по тонкой структуре спектров поглощения [5-11].

При использовании внешнего обогрева внутренняя полость кюветы подогревается до температуры 120 0С, а внутренний обогрев позволяет повысить температуру до б00 0С при использовании в других функциональных назначениях. Внутренняя печь смонтирована между зеркалами оптической скамьи Уайта многоходовой кюветы в цилиндрическом теплоизоляционном кожухе, изготовленном из асбоцемента, прокаленного при температуре 727 0С в вакууме. На торцах печи поставлены отражающие диафрагмы. Температура вдоль оптического пути контролируется термометрами с погрешностью ±3 0С с помощью ампервольтметра Ф-30. Расположение обогревателей выбрано таким образом, чтобы обеспечить однородность температуры вдоль оптического пути. Все поверхности внутренней полости рабочей камеры и оптических приставок были подвержены антикоррозийной обработке и чернению для ликвидации рассеянного света. Все металлические узлы кюветы соединяются с помощью герметических уплотнителей. Степень подогрева регулируется величиной напряжения, подведенного к электрической печи от автотрансформатора АОМН-40-220. Откачка кюветы и запуск пробы осуществляются с помощью вакуумно-дозирующей системы, давление и вакуум контролируются стрелочными манометрами и вакуумметрами модели 1227. Откачка кюветы, осветителя и монохроматора ИКС осуществляются с помощью вакуумного насоса 2 НВР-БД.

Излучение осветителя через систему зеркал фокусируется на входной щели многоходовой кюветы и после многократного прохождения между зеркалами многоходовой кюветы системой зеркал проектируется на входной щели спектрометра. Дифракционная система монохроматора обеспечивает регистрацию монохроматического потока излучения с помощью болометра. Сканирование спектра осуществляется разворотом дифракционных решеток. Для фильтрации спектров налагающихся порядков используется блок сменных отражающих и полосовых светофильтров. Регистрация спектров выполняется графопостроителем.

Технология выполнения анализов ингредиентного состава продуктов сгорания топлива требует предварительного подогрева пробоотборника до температуры 120-150 0С, после чего проба из пробоотборника вводится в предварительно нагретую до температуры 120-150 0С и вакуумированную кювету. Последнее необходимо выполнить во избежание прилипания частиц золя на стенках пробоотборника и рабочей камеры. Во избежание воздействия засветок от рабочей камеры электромеханический модулятор излучения устанавливается перед входом излучения в рабочую камеру. Электронная приемно-регистрационная система регистрирует только модулированное излучение и не реагирует на излучение постоянных засветок рабочей камеры.

На рис. 1 показан пример спектрограммы высокого спектрального разрешения Л=0,1 см-1 поглощения излучения метана в диапазоне спектра 42904340 см-1. Наблюдается много изолированных спектральных линий, которые могут использоваться для определения концентрации СН4.

Рис. 1. Спектрограмма поглощения излучения метаном в спектральном диапазоне 4290 - 4340 см-1

Прямой отбор пробы из зоны горения осуществляется по подогреваемым газоходам в подогреваемую рабочую камеру с температурой 150 0 С во избежание захвата ингредиентов сажевым золем дисперсной фазы продуктов сгорания. Отсутствие системы хроматографического разделения пробы по ингредиентам позволяет значительно повысить корректность результатов анализов. Отобранная проба не подвергается никакой обработке, и разделение ингредиентов выполняется

непосредственно по положению спектральных линии, позволяющих точно идентифицировать ингредиент, а по глубине линии поглощения определяется концентрация ингредиента. В интересах выполнения количественных анализов были проведены по теории Ми расчеты оптических характеристик (спектральные коэффициенты поглощения рассеяния и индикатрисы рассеяния) дисперсной фазы продуктов сгорания топлив различного химического состава и структуры зольного остатка, сажи и пепла, которые были использованы для получения калибровочного множителя объёмной концентрации золя. Сажевый золь обладает определенной гигроскопичностью, приводящей к росту коэффициента ослабления с повышением относительной влажности. Кривые роста оптической плотности с увеличением относительной влажности могут использоваться как средство повышенной чувствительности (10 раз) количественного анализа концентрации золя.

Информационное содержание спектров молекулярного поглощения

Исходной информацией для проведения качественного и количественного анализов состава продуктов сгорания во время огневых испытаний является ф.с.п. т (у) = 1 - А(у), которая определяется из измеренных спектрограмм (рис. 2) по формуле

т(V)= /(V)//0 (V) ,

где /(V) - спектрограмма поглощения исследуемой пробы; /о (V)- базовая линия (спектрограмма в условиях отсутствия пробы в вакууминированной рабочей камере).

Рис. 2. Спектрограмма поглощения газовой фазы продуктов сгорания автомобильного двигателя в области спектра 4-5 мкм

В участках спектра, где спектральные линии отсутствуют (окнах прозрачности), ф.с.п. определяется только ослаблением излучения дисперсной фазой и из значений т (V) в окнах прозрачности определяется объемная

концентрация летучего золя.

Для получения концентраций газовых ингредиентов полученный в цифровом виде спектр подвергается разложению на индивидуальные компоненты, используя метод дифференциальных моментов, так что

М

А(У) = " 1п ™ = У Ат

т=1

У А (V - V 0 )

и=1

1

(1)

где Ат - максимум интенсивности т-го компонента; Атп - коэффициент

обобщенного контура, qm = 1/ ^ Атп (V - V т ) .

Характеристики Атп дают полную информацию об отдельных контурах и определяются как коэффициенты разложения в ряд Тейлора некоторой функции /т (V), описывающей т-й контур:

1 ^ ( О \П

/т ^ ) = Атп ^ - V т) . (2) т п=0

Значение Атп является максимумом амплитуды контура. Центр линии

Vт определяется из условия равенства нулю коэффициента Ат1, значение полуширины линии т получается из соотношения

^т =

2

л А ~ +4А . -Ат2

V т 2 т 4 т 2 (3)

2 А4

Полученные таким образом профили восстанавливаются на влияние аппаратной функции спектрометра [2]. Далее отдельные контуры Ат (V) с

центрами V П отождествляются по ингредиентам на основе априорной

информации по центрам их спектральных линий. Идентифицированные линии поглощения обозначим знаком г номера ингредиента, а их центры, контура,

полуширины Vт, К1т (V), а 1т содержат информацию о концентрации ингредиента при известном оптическом пути, температуре и эффективном давлении в рабочей камере.

Многие молекулы слаболетучих углеводородов имеют диффузные спектры в связи с сильным перекрыванием спектральных линий поглощения. Для них, как правило, ф.с.п. подчиняется закону Бугера и для этих ингредиентов концентрация рг определяется по ф.с.п.:

т г(ь ) = ехР [- р ^ •К V ^

(4)

где КV - спектральный коэффициент поглощения.

При использовании для анализов спектров более низкого решения в ^-ветвях и за границей канта полос в качестве априорной информации использовались ф.с.п. для известной аппаратной функции спектрометра 5 (V' — V''), которые вычислялись методом численного интегрирования по параметрам спектральных линий, предварительно измеренных с помощью измерительных комплексов высокого спектрального разрешения. В связи с тем, что погрешность определения концентраций различных компонентов продуктов сгорания топлив зависит от перекрывания спектров поглощения различных ингредиентов, были выбраны для каждого компонента оптимальные спектральные каналы измерений и сделаны оценки погрешности восстановления ингредиентного состава продуктов сгорания. Предпочтительнее использовать оптические каналы измерений, в которых

перекрывание спектров компонентов с низкими концентрациями спектральными линиями поглощения основными оптически активными компонентами продуктов сгорания Н2О и СО2 минимально. Наиболее информативными являются центры сильных спектральных линий, 2-ветви полос поглощения различных ингредиентов. Например, концентрацию аммиака предпочтительнее определять в ^-ветвях на длинах волн 10,3 и 10,6 мкм. Высокую точность измерений концентрации СО2 можно получить по поглощению излучения за границей канта основной полосы V 3. Трудоемка идентификация углеводородов, полосы поглощения различных ингредиентов которых сильно перекрываются. Полосу поглощения 2900 см-2 имеют почти все углеводороды и ее используют для определения общего содержания углеводородов в анализируемой пробе. Полоса 3 мкм принадлежит ацетилену С2Н2. Этилен С2Н4 имеет полосы 729, 1328, 2900 см-1. Пропан С3Н8 следует идентифицировать по полосам 1380, 1350, 1165, 960 и 760 см-1 [3, 4].

Ошибки измерений концентраций ингредиентов без использования средств математической обработки регистрируемых спектров варьируют от 7 до 15 % в зависимости от химического состава исследуемой среды. Максимальные ошибки наблюдаются при высоких концентрациях паров Н2О. Уменьшение ошибки может быть достигнуто за счет многократного сканирования спектров. В случае использования Фурье-спектрометра математической обработке подвергаются интерферограммы измеренных спектров.

Результаты измерений ингредиентного состава

Описанные в предшествующем разделе методики определения концентраций из абсорбционных спектров предварительно отобранных проб с использованием разработанного экспериментального образца аналитической лаборатории были успешно опробованы при огневых испытаниях на лабораторных высокотемпературных комплексах при огневых испытаниях фрагмента здания ПЛАСТБАУ, при определении химического состава некоторых технологических сред производства, при определении ингредиентного состава продуктов сгорания автотранспорта, продуктов сгорания мазута и газообразных углеводородов.

Концентрация паров Н2О и СО2 в смесях с кислородом и азотом варьировалась от 11 ррт до 40%, концентрации углеводородов варьировались в широких пределах. Установлено, что предельная чувствительность измерительного устройства по объемной концентрации для различных ингредиентов варьирует от 0,3 ррт до 10 ррт в зависимости от ингредиента и содержания паров воды в анализируемых смесях. Верхний предел по концентрации ингредиента не лимитируется, так как методика измерений ингредиентного состава предусматривает разбавление пробы за счет введения в пробу оптически неактивных газов (например, О2).

На рис. 2 приведен пример регистрограммы поглощения в области спектра 4-5 мкм газовой фазы продуктов сгорания автомобильного двигателя при использовании в качестве топлива бензина. В спектрах легко идентифицируются полосы поглощения СО2, СО, N2O. При проведении испытаний двигателя автомобиля ЗИЛ-31 по результатам трех измерений в спектральной области 2,5-15 мкм получен следующий состав выхлопных газов с объемной концентрацией С: С(СО2)=3,2%, С(СО)=2,1%, С(СпНт)=0,21%, ^2^=0,45%, C(C2H4)=0,11%, ^3^0=0,38%, С^0)=0,16%, С(ОС8)=8,1 ррт, С№)=93 ррт, С^02)=16 ррт, С^2о)=11 ррт, С(НС^=3 ррт, С(3,4-бензпирен)=0,45 ррт.

Выполненные измерения состава продуктов сгорания мазута в котельной дали следующие результаты: С(С2О)=8,3%, С(С0)=0,11%, С(Н2О)=9%, © Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

С(золя)=0,1г/м3, С(СН4)=110 ррт, С(С2Н2)=34 ррт, С(С2Н4)=30 ррт, С(С2Нб)=10 ррт, С(СзНб)=45 ррт, С(СНз0Н)=110 ррт, С(С2Н40)=20 ррт, С(С4Нб)=29 ррт, С(С4НзО)=15 ррт, С(СзНбО)=65 ррт, С(802)=0,098%, С(NО)=120 ррт, С(НNОз)=15 ррт, С(РНз)=25 ррт.

При испытании фрагмента здания ПЛАСТБАУ в качестве топлива использовался сосновый брус, отбор проб осуществлялся по пяти пробоотборным линиям с регистрацией поля температуры в окрестности мест пробоотбора. Был осуществлен мониторинг ингредиентного состава продуктов сгорания с момента загорания до конца сгорания топлива. Температура в точках отбора проб варьировалась от 1200 до 100оС в условиях горения соснового бруса в свободной атмосфере. По измерениям абсорбционных спектров получены данные по концентрациям з4 газовых ингредиентов и концентрации сажи. Большинство ингредиентов представляют собой соединения летучих, слаболетучих и нелетучих углеводородов. В условиях относительно невысоких температур горения наблюдаются очень низкие концентрации метана и очень высокие концентрации тяжелых углеводородов (преимущественно соединений воскового ряда, спирты (фенолы), ароматические углеводороды. Концентрация золя в продуктах сгорания изменялась от 0,2 до 1,8 г/мз, концентрация С(СН4) изменялась в диапазоне (38110) ррт, в то время как концентрация тяжелых углеводородов изменялась от з00 до 1000 ррт. Концентрация бензапирена изменялась в диапазоне (0,15-0,42) ррт в зависимости от условий горения.

В огневых экспериментах ПЛАСТБАУ в продуктах сгорания не был обнаружен N0^ Обусловлено это тем обстоятельством, что NO2 при невысоких температурах в продуктах сгорания вступает в реакции замещения с углеводородами и растворяется в парах Н2О с образованием паров азотной кислоты. Среди ароматических углеводородов наибольшие концентрации наблюдаются для соединений С6Н6, С6Н6О, С6Н5(СНз), С6Н4(СНз)2, стирола и бензольдегида, суммарные концентрации которых варьируют в диапазоне (85-580) ррт. Наиболее высокие концентрации этих соединений наблюдаются в более холодных зонах пробозабора. В высокотемпературных пламенах с температурой выше 2000 К при сжигании углеводородов концентрации этих компонентов не превосходят (10-з0) ррт. Последнее свидетельствует об отрицательной корреляции концентрации ароматических соединений в отходящих газах с температурой в пламенах.

Концентрация СО была наиболее высокой в первые минуты после возгорания в очаге горения и составляла зб4 ррт. Диапазон изменений концентраций СО составлял {з0-зб4} ррт. Максимальная концентрация СН4 наблюдалась при максимальной температуре пламени Т=1500 К и составляла 110 ррт. Диапазон изменений концентраций С(СН4)= {20-110} ррт. Максимальная концентрация окиси азота составляла в пламени 1з2 ррт, минимальная концентрация Стт^0)=64 ррт. Концентрация С(^0)= {4-7} ррт. Концентрация паров азотной кислоты НN03 в продуктах сгорания составляла {20-25} ррт и отвечает тождественному значению концентрации N02 в пламенах. Данные лабораторных испытаний на пламенных измерительных комплексах [13, 18] показали, концентрация N0 в пламенах соответствует значениям 100-150 ррт. Наиболее высокие концентрации N0 наблюдаются в продуктах сгорания каменных углей. Концентрация N0 для них варьирует в широких пределах и может достигать значения 1200 ррт.

Наиболее высокие концентрации N02 наблюдаются в пламенах при сгорании газового топлива, что обусловлено высокими значениями температуры пламен. Концентрация 0С8 во всех случаях не превышает 3 ррт.

На рис. 3, а, б, в приведены некоторые сведения по ингредиентному составу продуктов сгорания соснового бруса для локальных мест пробоотбора с максимальными температурами 1200 0С (линия 1), 800 0С (линия 2), 400 0С (линия 3). Время 12 часов 57 минут отвечает наиболее интенсивной стадии горения. Время отбора проб указано в таблице.

Таблица

Время отбора проб

№ п/п Время отбора и номер пробы № п/п Время отбора и номер пробы

1 Проба 1.1 12 ч.57 мин 9 Проба 2.2 13 ч.10 мин

2 Проба 1.2 12 ч.59 мин 10 Проба 2.3 13 ч.24 мин

3 Проба 1.3 13 ч.11 мин 11 Проба 2.4 13 ч.53 мин

4 Проба 1.4 13 ч.16 мин 12 Проба 3.1 13 ч.02 мин

5 Проба 1.5 13 ч.40 мин 13 Проба 3.2 13 ч.24 мин

6 Проба 1.6 13 ч.51 мин 14 Проба 3.3 13 ч.39 мин

7 Проба 1.7 14 ч.09 мин 15 Проба 3.4 13 ч.55 мин

8 Проба 2.1 13 ч.03 мин

Рис. 3. Временные вариации концентраций ингредиентов в продуктах сгорания соснового бруса

Выводы

В заключение остановимся на основных выводах по результатам выполненных исследований:

1. Разработанный и опробованный лабораторный измерительный фотометрический комплекс с подогреваемой рабочей камерой может использоваться для измерений ингредиентного состава продуктов различного вида топлив. Предельная чувствительность измеряемого ингредиента составляет (1-10) ррт в зависимости от компонента и содержания влаги в исследуемых пробах. Технология выполнения измерений обеспечивает репрезентативность забора пробы и результатов выполненных анализов. Параллельные измерения концентраций с помощью газоанализаторов, предусматривающих предварительную очистку пробы от паров воды и дисперсной фазы, показали, что они всегда приводят к занижению истинных значений концентрации ингредиентов на десятки процентов, а для некоторых ингредиентов - в десятки раз.

2. Выполненные измерения ингредиентного состава продуктов сгорания различных углеводородных топлив показали значительное содержание углеводородов в продуктах сгорания, а следовательно, и в атмосферных выбросах. При сжигании древесины в свободной атмосфере наблюдаются значительные концентрации в дымах тяжелых углеводородов, обладающих слабой летучестью. Вместе с тонкодисперсной фракцией сажевого аэрозоля слаболетучие углеводороды образуют тонкодисперсную фракцию органического атмосферного аэрозоля, обладающую высокой поглощательной способностью. Массовая концентрация слабо летучих тяжелых углеводородов может превосходить концентрацию летучих углеводородов и определять антропогенное парниковое воздействие на изменение погоды, климата и состояние атмосферы.

3. При измерениях ингредиентного состава продуктов сгорания топлив необходимо использовать подогреваемые газоходы и подогреваемую рабочую камеру во избежание воздействия конденсационных процессов на результаты измерений. Оптимальные температуры подогрева - {120-150} °С. В противном случае возможны значительные ошибки в определении концентраций

ингредиентов, достигающие десятков и сотен процентов измеряемых величин. Кроме этого, подогреваемая рабочая камера регулируемой температуры может использоваться как средство селекции измеряемых ингредиентов.

4. Необходимо помнить, что химический состав пламен может отличаться от химического состава измеряемых проб продуктов сгорания. В связи с этим целесообразна постановка работ по исследованию возможностей оптических методов пассивного и активного дистанционного зондирования структурных характеристик и химического состава пламен.

5. Ингредиентный состав продуктов сгорания топлив зависит от химического состава и вида топлива, а также от технологии его сжигания. Широкому спектру ингредиентов, образующихся при сгорании, способствуют температурная неоднородность пламен. Понижению концентрации углеводородов и сажевого золя способствуют высокие температуры пламени и его пространственная однородность. Концентрация NO2 возрастает с ростом температуры сгорания, а концентрация NO и SO2 зависят от наличия активных элементов серы и азота в топливе. Концентрация СО зависит от температуры горения, значения коэффициента избытка воздуха n, степени перемешивания топлива с воздухом в камере сгорания. Лабораторные исследования показали, что при n > 1,05 при кинетическом горении в продуктах сгорания концентрация СО соответствует равновесным химическим процессам. При диффузном горении концентрация СО возрастает с повышением турбулентной неоднородности пламен. При тлеющем горении с недостатком кислорода концентрация СО может достигать половины значения концентрации СО2.

Summary

The application of a method of thin-structure spectroscopy for definition of an ingredient composition of combustion products of combustibles, including gas components and sooty aerosol is esteemed. The designed spectrophotometric complex of instrumentation provides measurement of concentrations of different ingredients in combustion products with a usable sensitivity (1-10) ppm. The technologies of a representative scooping of assay and spectroscopic analysis are discussed. The error of measurements in a dynamic behaviour makes {5-15} % and depends on chemical composition of measured mediums. The application of methods of special mathematical processing of spectra allows to reduce errors of measurements up to {2-5} %. The usable sensitivity of definition of concentrations of volatile ingredients increases with increase of the spectral resolution and is maximum at the sanction of rotary structure of a spectrum of rotation-vibration bands. The outcomes of executed measurements of an ingredient composition of combustion products of some sorts of hydrocarbon fuels are discussed.

Key words: the Function of the spectral transmission, spectral line of the absorption, ingredient composition, products of combustion, dispersive phase

Литература

1. Ахмедов Р.Б., Цирюльников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Л.: Недра, 1984. 238 с.

2. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. 120 с.

3. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. Л.: 1974, 181 с.

4. Свердлов Л. М., Ковнер М. А., Крайнев Е. П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М.:Наука, 1970. 559 с.

5. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Парниковый эффект атмосферы и климат. М.: Итоги науки и техники. Исслед. космич. простр., 1983. Т. 19. 260 с.

6. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.М. Атмосферный аэрозоль. М.: Гидрометеоиздат, 1983. 224 с.

7. Москаленко Н.И. и др. Аппаратура для комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения радиации атмосферными газами // ЖПС. Т. 19. №4. 1973. С. 752-756.

8. Москаленко Н.И., Ильин Ю.А., Каюмова Г.В. Измерительный комплекс высокого спектрального разрешения для исследований пламени // ЖПС. Т. 56. №1. 1992. С. 122-127.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Москаленко Н.И. и др. Спектральная установка для исследования характеристик молекулярного поглощения и излучения в высокотемпературных средах // ЖПС. Т. 32. №2. 1980. С. 377-381.

10. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С. Определение ингредиентного состава продуктов сгорания методом тонкоструктурной спектрометрии // Материалы докладов VI Школы-семинара молодых ученных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова: Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. Казань: Изд-во КГЭУ, 2006. С. 261-264.

11. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С. Технология измерений состава продуктов сгорания и микроструктуры золя оптическим методом тонкоструктурной спектрометрии // Материалы докладов VI Школы-семинара молодых ученных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова: Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. Казань: Изд-во КГЭУ, 2008. С. 246-249.

Поступила в редакцию 03 июня 2009 г.

Москаленко Николай Иванович - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Котельные установки и парогенераторы» (КУШ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Сафиуллина Яна Салаватовна - аспирантка кафедры «Котельные установки и парогенераторы» (КУШ ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 23464-06; 8 (843) 521-13-36; 8-96-00457607. E-mail: yanasafiullina@yandex.ru.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.