1.5. Полициклические ароматические углеводороды.

Среди вредных компонентов дымовых газов особое место зани­мает большая группа полициклических ароматических углеводоро­дов (ПАУ). Многие ПАУ обладают высокой канцерогенной и (или) мутагенной активностью, активизируют фотохимические смоги в городах, что требует строгого контроля их эмиссии. Находясь в воздухе, водоемах и почве, они поглощаются живыми организма­ми (в том числе и человеком) и накапливаются в различных тканях. В то же время некоторые ПАУ, например, фенантрен, флуорантен, пирен и ряд других, физиологически почти инертны и не являются канцерогенно-опасными.

Молекулы ПАУ содержат циклы из шести атомов углерода с тре­мя двойными связями (так называемые бензольные ядра). Они обра­зуются в результате неполного сгорания любых углеводородных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением то­плива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сго­рания) локальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избытком топлива. Таким образом, суммарная эмиссия ПАУ (наряду с выбросами СО) является мерой неэффективности процесса горения топлива.

Непосредственное образование ПАУ происходит в реакциях пиро­лиза и синтеза в процессе горения топлива. Механизм их образования представляет собой сложный многостадийный процесс, который пока в достаточной мере не выяснен. Предполагается, что он имеет ради­кально-цепной характер и включает несколько стадий. Важнейшим промежуточным продуктом горения углеводородного топлива явля­ется ацетилен, образующийся в результате окислительной дегидроге­низации молекул жирных углеводородов. Сначала формируются бо­лее крупные молекулы и радикалы и, в конечном счете, малые арома­тические кольца и затем происходит дальнейший рост ароматических колец. Формирование первого ароматического кольца связано в ос­новном с образованием радикала С₆Н₅ и его последующей циклиза­цией в фенил. Дальнейший рост ПАУ связан с взаимодействием фе­нила и молекул ацетилена в реакциях полимеризационного типа.

Опытные данные, полученные при сжигании природного газа, показали, что максимумы концентраций ПАУ располагаются на рас­стоянии lid = 4—6 (где / — длина факела; d — диаметр горелки) от среза горелки (рис. 1.9). При lid = 14 концентрации составляют 1—10% от максимальных. Таким образом, конечный выход тяже­лых углеводородов определяется протеканием двух конкурирующих процессов: образования ПАУ при горении углеводородных топлив и их выгорания вместе с другими продуктами неполного сгорания.

Состав топлива оказывает существенное влияние на природу эмиссии ароматических углеводородов. Установлена корреляция ме­жду концентрацией в топливе углеводородов с высокой молекуляр­ной массой и высоким уровнем образования ПАУ.

Факторами, влияющими на уменьшение образования канцероге­нов, являются улучшение перемешивания, увеличение избытка воз­духа и температуры в топке.

Ввиду большого количества разных ПАУ в дымовых газах и труд­ности измерения их концентраций принято уровень канцерогенной загрязненности продуктов сгорания и атмосферного воздуха оцени- вать по концентрации наиболее сильного и стабильного канцерогена — бенз(а)пирена [Б(а)П].

Бенз(а)пирен С₂₀Н₁₂ представляет собой твердое кристаллическое вещество желтого цвета с температурами плавления 179 °С и кипения 500—570 °С. Поэтому в газовом тракте котлов Б(а)П в за­висимости от температуры продуктов сгорания может находиться в газообразном, жидком (аэрозоли) или твердом состояниях. Вместе с твердыми частицами возможно его удаление из дымовых газов в системах золоулавливания. При этом степень улавливания Б(а)П в электрофильтрах и комбинированных золоуловителях достигает 60—80 %, а в мокрых золоуловителях — 60—70 %

Очевидно наличие Б(а)П в продуктах сгорания свидетельствует также о присутствии других канцерогенных ПАУ или подтверждает благоприятные условия для их образования Концен­трация Б(а)П в дымовых газах современных паровых котлов зависит от состава топлива, режима сжигания и колеблется в широких пределах, достигая 1-10 мкг/(100 м ) при сжигании природного газа,

2—40 мкг/100 м³ при сжигании мазута и 30—140 мкг/100 м при сжигании углей. Выброс Б(а)П в окружающую среду при сжигании мазута в котлоагрегате энергоблока 300 МВт составляет примерно 0,2 г/ч. Хотя на первый взгляд эти цифры невелики по сравнению с выбросами оксидов азота (400—-500 кг/ч) большое внимание к Б(а)П обусловлено его высокой канцерогенной активностью поданным онкологов воздействие его в присутствии оксидов азота и серы резко усиливается.