В данной статье рассмотрено образование термических оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив.
Ключевые слова: термические оксиды азота, токсичные компоненты, горение, углеводородные топлива.
Условия протекания цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом при горении рассмотрены в работах Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, П. Я. Садовникова, Д. А. Франк-Каменецкого, И. Я. Сигала, А. М. Маркевича [1–8,32]:
N2 + O2 
2NO — 180 кДж/моль.
Эти исследования позволяют определить влияние концентрации исходных веществ, температуры и давления газов на равновесную концентрацию, а также на время установления равновесия реакций образования оксидов азота. Я. Б. Зельдович, П. Я. Садовников, Д. Я. Франк-Каменецкий рассмотрели скорость обратимой реакции образования — разложения оксидов азота и выразили ее следующей формулой:
,
где К1 и К2 — константы скоростей химических реакций;
К1 = 6·106exp
; К2 = 3·106exp
.
Несмотря на цепной механизм реакции образования оксидов азота, ее формальная кинетика хорошо описывается уравнением обратимой реакции с энергией активации для прямой реакции Е1 = 542 кДж/моль, обратной Е2 = 360 кДж/моль. В результате получено уравнение для равновесного количества NO [9–16,32]:
.
Я. Б. Зельдовичем разработана цепная схема окисления азота, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:
О2 + М 
О + О + М — 495 кДж/моль — инициирование,
N2 +O 
NO + N — 314 кДж/моль — цепь,
N + О2 NO + O + 134 кДж/моль — цепь,
О + О + М О2 + М + 495 кДж/моль — обрыв цепи.
В этом случае концентрация атомарного кислорода остается неизменной. Единственным источником активных центров является реакция диссоциации молекулярного кислорода, концентрация атомарного кислорода определяется по условию равновесия реакций диссоциации и рекомбинации кислорода.
Энергетический барьер реакции складывается из двух составляющих:
а) энергии, требующейся на образование одного атома кислорода (Е1);
б) энергии активации реакции атома кислорода с молекулой азота (Е2).
Таким образом:
Е = Е1 + Е2 = 494/2 + 314 = 561 кДж/моль.
Так как энергия активации этой реакции очень высока, то она предопределяет исключительно сильную зависимость скорости образования оксидов азота от температуры [17–25,32]:
dCNO / dτ = 2 КII CO СN2,
где КII — константа скорости реакции, (%/с)-1;
CO и СN2 — концентрации атомарного кислорода и молекулярного азота, %.
При горении с избытком окислителя:
,
где [К] — константа равновесия реакций;
– концентрация кислорода в продуктах сгорания, %.
Так как константа равновесия [К] очень сильно зависит от температуры, то, следовательно, концентрация атомарного кислорода и зависящий от нее выход оксидов азота обусловлен максимальной температурой в зоне горения. Концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры, так как реакция образования оксида азота протекает при переменной температуре (при расчетах за характерную температуру принимается максимальная температура цикла). При горении бедных смесей NO образуется во влажном турбулизованном потоке через гемиоксид азота N2O [17–32].
Литература:
1.Анфилатов А. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 2Ч 10,5/12,0 путём применения метанола с двойной системы топливоподачи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/Киров, 2009. — 184с.
2.Анфилатов А. А., Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем применения метанола с двойной системой топливоподачи: Монография. — Киров, 2008. — 156 с.
3.Лиханов В. А., Анфилатов А. А. Изменение образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 4. с. 3–5.
4.Лиханов В. А., Лопатин О. П., Анфилатов А. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путём применения метанола с использованием двойной системы топливоподачи // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 5. с. 5–8.
5.Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Глухов А. А., Анфилатов А. А. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 3. с. 4–5.
6.Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Глухов А. А., Анфилатов А. А. Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля при работе на метаноле // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 4. с. 10–13.
7.Анфилатов А. А. Влияние метанола на оксиды азота при сгорании в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). с. 151–154.
8.Анфилатов А. А. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 10 (90). с. 139–142.
9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты вращения // Молодой ученый. 2015. № 10 (90). с. 142–145.
10. Лиханов В. А., Анфилатов А. А. Исследование применения метанола в дизеле на оптимальных установочных углах // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 42–44.
11. Анфилатов А. А. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с воздушным охлаждением // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 45–47.
12. Анфилатов А. А. Исследование токсичности на скоростном режиме дизеля при работе на метаноле // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 47–50.
13. Анфилатов А. А. Исследование дымности в отработавших газах дизеля при работе на метаноле // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 4 (17). С. 50–53.
14. Анфилатов А. А. Особенности экспериментальной установки для исследования рабочего процесса дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 223–225.
15. Анфилатов А. А. Результаты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 226–228.
16. Анфилатов А. А. Особенности расчета периода задержки воспламенения при работе дизеля на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 229–231.
17. Анфилатов А. А. Теоретические расчеты содержания оксидов азота в цилиндре дизеля // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 232–234.
18. Анфилатов А. А. Расчет содержания оксидов азота в цилиндре дизеля с воздушным охлаждением при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 235–237.
19. Анфилатов А. А. Изменение экономических показателей дизеля при работе на метаноле // Молодой ученый. 2015. № 11 (91). с. 238–240.
20. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2004. -106 с
21. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 4 (40). С. 21–25.
22. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 7–9.
23. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.
24. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Научно-практический журнал Пермский аграрный вестник: 2013. № 1 (1). С. 29–32.
25. Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции отработавших газов для снижения токсичности тракторного дизеля // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 11–13.
26. Лопатин О. П. Зонная модель процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 261–265.
27. Лопатин О. П. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 265–268.
28. Лиханов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения альтернативных топлив. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Киров, 1999.
29. Лиханов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения альтернативных топлив. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999.
30. Лиханов В. А., Полевщиков А. С. Определение оптимальных углов опережения впрыскивания топлив при работе дизеля на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 5 (41). С. 62–64.
31. Лиханов В. А., Полевщиков А. С. Особенности развития топливных факелов в цилиндре дизеля при работе дизеля на этаноле // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 1 (31). С. 62–65.
32. Скрябин М. Л. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Киров, 2009. — 202 с.
