В реакции участвует только кислород и азот атмосферного воздуха.

Энергия активации этих реакций велика, поэтому скорость образования термических оксидов азота очень сильно зависит от температуры.

При температуре горения до 1000˚С количество оксида азота определяется количеством топливных, которых очень мало. В области от 1200 до 1500°С присутствуют все виды оксидов азота, а при температуре выше 1500° резко возрастает доля термических оксидов азота:

С(NОх), мг/м² 0,00127 0,38 2,54 4700 31700

температура; ^OC 20 300 500 1500 2200

Для топочных камер больших размеров характерен медленный темп охлаждения продуктов сгорания и больший, чем для малых топок период реакции синтеза NО. Поэтому выход термических оксидов азота в топочных камерах энергоблоков (при температурах выше 1700°) составляет до 1,5г/м³, а для малых промышленных и отопительных котлов со значительно скоростью охлаждения продуктов сгорания выход термических оксидов азота невелик или полностью отсутствует.

Таким образом, оксиды азота образуются по трем механизмам:

- топливному, зависящему от содержания азота в топливе и от избытка воздуха,

- быстрому, действующему в начале зоны горения, в результате взаимодействия радикалов топлива с азотом воздуха. Выход NO слабо зависит от температуры, а сильно - от структуры молекул топлива,

- термическому, в результате термической диссоциации молекул кислорода и азота воздуха и последующем окислении азота кислородом. Выход NO значительно зависит от температуры.

Различают гомогенное и гетерогенное горение, т.е. однофазное (газ-воздух) и двухфазное (твердое или жидкое топливо - воздух).

К гомогенному типу горения относится горение газообразных топлив.

При сжигании органического топлива различают 3 типа горения:

1-нейтральное (стехиометрическое) или горение топлива без избытка воздуха Коэффициент избытка воздуха α = 1.0

2- окислительное или полное сгорание при избытке воздуха α > 1.0

3-восстановительное или неполное при недостатке воздуха α < 1.0

Возможно смешанное (окислительно-восстановительное) горение, которое характерно для горения частиц твердого топлива.

В балластных соединениях тоже проходят химические реакции:

- окисляется сульфидная сера

4FеS + 70₂ = 2Fe₂O₃ 4SO₂

- при температуре выше 600° разлагаются карбонаты

CaCO₃ = СаО + CО₂

- при температуре выше 1000° разлагаются сульфаты:

СаSO₄ == СаО + SO₃

Минеральные частицы образуют золу – твердые частицы разных размеров.

Зольностью топлива (А^р, %) называется отношение массы негорючих материалов к массе топлива. Зольность зависит от природы топлива и качества его обработки перед сжиганием.

Различают первичную золу - остатки минеральных примесей, входящих в состав топлива, при его образовании; вторичную золу - посторонние минеральные вещества, равномерно распределенные в горючей массе топлива и породу - минеральные вещества, попавшие в топливо при его добыче.

Содержание первичной золы в сухой массе топлива не превышает 1-1,5%, породы – 2-2,5%. Суммарная зольность некоторых марок углей может превышать 40%, где основная доля принадлежит вторичной золе.

Образование NО₂ в процессе горения

При горении происходит доокисление NО до NО₂ в результате взаимодействия с атомарным кислородом и, в основном, с радикалом НО₂·. Эксперименты показали, что доля NО, образовавшегося за счет реакции NО + О = NО₂ чрезвычайно мала. Основное количество NО₂ образуется за счет реакции

NО + НО₂· = NО₂ + ОН

Начало роста накопления радикалов НО₂ в пламени наблюдается при 360-380°С. Выше 400° он доминирует среди активных центров в пламени. Максимальная его концентрация наблюдается при 500°. Источником атомарного водорода в этой реакции м.б. реакция догорания СО : CO + OН = СО₂ + Н Таким образом, NО₂ образуется в зоне резкого охлаждения пламени и результате взаимодействия с пероксидными радикалами. Эта реакция идет при температуре ниже 704°. Резкое охлаждение продуктов сгорания в котлах имеет место в малых отопительных котлах. Такой переход резко увеличивает токсичность выброса, т.к. ПДК(NО)_сс = 0,06мг/м³, ПДК(NО₂)_сс = 0,04мг/м³.

Состав оксидов азота, образующихся в процессе горения, равен 85-90% NО и 10-15% NО₂.

Образование NО₂ в дымовой струе.

При движении в дымовой струе концентрация NО₂ возрастает до 70%. Установлена определяющая роль атмосферного озона в доо-кислении NО по реакции NО + О₃ = NО₂ + О₂

Эта реакция проходит в 10⁵ раз быстрее, чем окисление NO атмосферным кислородом, т.е. выбрасываемый с дымовыми газами NО "съедает" озон. Концентрация озона в воздухе равна 0,061 - 0,121 мг/м³.

При ежегодном выбросе 50 млн.т NО потери озона в приземном слое атмосферы составят 80 млн.т/год, последствия этого еще не ясны. Кроме того из-за большей реакционной способности (образование смеси азотной и азотистой кислот с атмосферной влагой), резко усиливаются процессы вторичного загрязнения атмосферы.

По дисперсности пылевидной золы классифицируют на тонкодисперсные (удельная поверхность более 4000 см²/г), средне дисперсные (удельная поверхность 2000-4000 см²/г и грубодисперсные (удельная поверхность менее 2000 см²/г).

Мелкие и легкие частицы (размером менее 100 мкм), содержащиеся в золе в количестве 80-85%, уносятся из топок с дымовыми газами, образуя золу-унос. Ее состав:

более 40 мкм 4,4%,

20 – 40 3,9%,

5 – 20 5,7%,

I – 5 36,2%,

менее 1 49,8%.

Частицы размером более 12 мкм полностью задерживаются в верхних дыхательных путях. Более мелкие частицы проникают в легкие, вызывая различные заболевания. Частицы размером более 100 мкм оседают на под топки, сплавляясь в шлаки. Анализ золы и шлака показывает наличие в них ряда элементов с содержанием, значительно превышающем их среднее содержание в земной коре.

Т.к. большинство твердых топлив содержит калий, изотоп которого ⁴⁰К радиоактивен, а также смесь изотопов урана и тория, можно сделать вывод, что летучая зола является источником загрязнения атмосферы радиоактивными веществами. Правда, значения этих выбросов значительно меньше ПДК для таких веществ.

В зависимости от модуля основности m, представляющего собой отношение массовых долей основных оксидов к кислым

m = [С(CaO+MgO)]/[C(SiO₂+Al₂O₃)],

золы и шлаки делятся на основные (m более 0.9), кислые (m = 0,6-0,9) и сверхкислые (m менее 0,6).

При сжигании топлива вся его масса превращается в отходы, причем масса продуктов сгорания превышает массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода воздуха в 4-5 раз.