Основи горіння палив та процеси утворення бензопірену и поліароматичних вуглеводнів
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
·алежить не тільки від внутрішньоатомних зв`язків в молекулі, але і від того, з якою речовиною (в якому стані) відбувається реакція. При контакті, наприклад, молекули горючої речовини з часткою, яка має заряд типу ОН-, Н+, О2-, енергія активації суттєво зменшується, а швидкість реагування дуже зростає.
Як правило, максимальна швидкість реакції відповідає стехіометричним концентраціям пального та окислювача.
Існує нижня межа концентрації пального (НМ), нижче якої горіння стає неможливим, та верхня межа (ВМ), коли вже відчувається нестача окислювача для підтримки горіння.
У всьому діапазоні концентрації між цими межами при внесенні в горючу суміш джерела запалення відбувається стійке горіння.
Температура горючої суміші, починаючи з якої суміш здатна до самоприскорення хімічної реакції до стійкого горіння, називається температурою запалення. На рисунку 1 показана залежність швидкості реакції від визначаючих факторів.
Експериментально встановлено, що швидкості проходження реакції суттєво перебільшують їх розрахункові значення, які отримані з використанням закону Арреніуса. Насправді реакції у речовинах, які знаходяться у парогазовому стані, проходять частіше не між вихідними молекулами пального та окислювача, а через низку проміжних стадій, в яких разом із молекулами беруть участь активні осколки молекул - радикали та атоми, які мають вільні зв`язки, - H, OH, O, CH та інші.
При цьому перехід від вихідних речовин до кінцевих продуктів відбувається через низку проміжних реакцій, які протікають з більшою швидкістю, тому що вони володіють низькою енергією активацій. Такі реакції, відмітною рисою яких є велика швидкість їх протікання, отримали назву ланцюгових.
При горінні газів протікають розгалужені реакції, в процесі яких один активний центр породжує два чи більше число активних центрів. Теорію ланцюгових розгалужених реакцій зробив академік Н.Н. Семенов.
В якості прикладу розгалуженої ланцюгової реакції може подаватися схема спалення водню. Первинними активними проміжними речовинами в цьому випадку є атомарний водень, кисень чи гідроксильна група, початкове утворення яких можливе в результаті дисоціації молекул при високих температурах. У теперішній час вважається, що окислювання водню починається з реакції
H2 + O2 OH + OH.
Радикали OH, які утворюються, можуть надалі брати участь у ланцюговій реакції
OH + H2 H2O + H
і давати нову активну частку - атом водню.
Шляхом реакції молекули кисню з атомом водню
O2 + H OH + H
Цей атом утворює ще дві активні частки, які можуть реагувати за наведеним вище рівнянням чи за рівняннями:
O + H2 OH +H
O + H2O OH +OH.
Підсумок одиничного ланцюгового циклу подається рівністю
H + 3H2 + O2 3H + 2H2O.
Механізм горіння оксиду углерода та вуглеводнів також має характер розгалужених ланцюгових реакцій, при цьому проходження цих реакцій, особливо для вуглеводнів, має більш складний і до кінця ще не з`ясований характер.
2 Утворення екологічно шкідливих речовин при горінні палива
Склад відпрацьованих газів ДВЗ та кількісне співвідношення в них окремих компонентів залежать від властивостей і складу робочої суміші, яка спалюється, а також від ступеня закінченості реакції горіння.
Утворення шкідливих речовин багатостадійне і проходить наступним чином: альдегіди, оксид вуглецю, вуглеводні, сажа, канцерогенні речовини - з`являються внаслідок неповного окислення палива та його піролізу, а також синтезу нових речовин; оксиди азоту утворюються в зоні горіння в результаті реакцій окислення азоту повітря і палива; оксиди сірки утворюються внаслідок окислення сірки палива.
Загальний механізм утворення основних вуглецевовміщуючих токсичних елементів відпрацьованих газів ДВЗ можна представити наступним чином:
При спаленні метану:
CH4 + O2 HCHO + H2C,
HCHO + O = CO + H2O,
HCHO + OH = CO + H2O + H,
HCHO CO + H2.
Альдегіди є продуктом неповного спалення вуглеводнів. Найбільш суттєвий внесок в токсичність ВГ (серед альдегідів) вносить формальдегід (HCHO), який представляє собою газ з різким неприємним запахом.
Догоряння CO до CO2:
CO + OH = CO2 + H.
3. Механізм утворення канцерогенних вуглеводнів
Можна стверджувати, що канцерогенні речовини, що надходять у навколишнє середовище, - продукти повного спалення органічних палив. Незважаючи на багаторідність канцерогенних речовин, які утворюються при горінні палив, присутність їх в продуктах спалення та повітрі завжди оцінюється за наявністю бенз(а)пірену.
Стехіометричне рівняння утворення бенз(а)пірену
C6H2 + 3C2H2 + 4C2H = C20H12,
де C6H2- напіврадикал, який представляє собою зародок сажі;
C2H2 та C2H- елементарні будівельні блоки.
Звичайно бенз(а)пірне утворюється в локальних збагачених паливом зонах камери спалення при зменшених температурах. Для зниження рівней утворення бенз(а)пірену та інших канцерогенних вуглеводнів необхідно здійснювати високоякісне розпалювання палив і змішування його з повітрям. При дуже високих температурах бенз(а)пірен та інші канцерогенні ПАВ починають руйнуватися.