Механизмы образования
- Угарный газ (CO). При неполном окислении метана образуется CO вместо CO2, например
$${\mathrm{CH}}_4+2{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$ (полное сгорание) и при дефиците кислорода или плохом смешении
$${\mathrm{CH}}_4+\frac{3}{2}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{CO}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}.$$ CO также может возникать через восстановление CO2 при высоких температурах или через радикальные пути (частично окислённые промежуточные продукты: CO, H, OH, CHx).
- Оксиды азота (NOx, главным образом NO). Для природного газа важны два механизма:
1) Термический NO (Зельдович): при высоких температурах азот воздуха окисляется через радикалы:
$$\mathrm{O}+{\mathrm{N}}_2\rightleftharpoons \mathrm{NO}+\mathrm{N},$$ $$\mathrm{N}+{\mathrm{O}}_2\rightleftharpoons \mathrm{NO}+\mathrm{O},$$ $$\mathrm{N}+\mathrm{OH}\rightleftharpoons \mathrm{NO}+\mathrm{H}.$$ Скорость экспоненциально растёт с температурой (существенно при $\gtrsim 1800\mathrm{K}$).
2) Prompt-NO (Фенимора) — образование NO в фронте пламени через взаимодействие радикалов углеводородов с ${\mathrm{N}}_2$. Прямое образование от азота топлива (fuel-NO) для природного газа мало, т.к. в нём мало N.
Условия, усиливающие образование
- Для CO:
- Дефицит кислорода (обогащённая топливом зона, "богатое" горение).
- Плохое смешение топлива и воздуха (локальные карманы топлива).
- Низкая температура пламени или охлаждение поверхности (низкая реакционная скорость).
- Транзиенты: розжиг, переключение режимов, забитые сопла, повреждённые горелки.
- Для NOx:
- Высокая температура пламени ($\gtrsim 1800\mathrm{K}$).
- Длительное время пребывания газов в зоне высоких температур (дистанция/ресиркуляция).
- Хорошее обеспечение кислородом и стехиометрические/поста-хорошие смеси (термический NO повышается при больших температурах даже при избытке воздуха).
- Интенсивное перемешивание и наличие CHx‑радикалов (усиливает prompt‑NO).
Меры для снижения выбросов (практические и инженерные)
- Для бытовых плит/печей (практично и безопасно):
- Обслуживание и регулировка горелок — обеспечение правильного соотношения воздуха/газа и чистых форсунок.
- Гарантировать адекватный приток воздуха и исправную вытяжку/дымоход — уменьшает CO из-за задуваний/обратной тяги.
- Использовать нормальные/сертифицированные горелки с предсмесью (предварительное смешение) и низкоэмиссионные (low‑NOx) исполнениями.
- Установка каталитической поверхности в камере (каталитические газовые плитки/духовки) — окисляет CO до CO2 при низких температурах.
- Датчики CO и регулярные проверки — защита от опасных концентраций.
- Технологии и методы, применимые в конструкции/производстве:
- Lean premixed горение (бедное предварительное смешение) — снижает пиковую температуру и NOx; требует контроля, т.к. может повысить CO при плохом смешении.
- Снижение пиковых температур: рециркуляция дымовых газов (FGR), подмешивание инертов/пара/водяного пара.
- Стадирование подач топлива (staged combustion) — снижает NOx, контролируя локальные стехиометрии.
- Каталитическое и каталитико-термическое доочищение: SCR (селективное каталитическое восстановление) с ${\mathrm{NH}}_3$ — для больших установок; в бытовых условиях применимы небольшие каталитические окислители для CO.
- Оптимизация управления (плавный розжиг, контроль подачи газа) — уменьшает транзиентные выбросы CO.
Баланс и предостережения
- Меры против NOx (снижение температуры, FGR, бедные смеси) могут повышать риск образования CO при неправильно настроенной камере сгорания — требуется баланс и качественное проектирование/обслуживание.
- В бытовых условиях первоочередно: правильная настройка/обслуживание, вентиляция, применение низкоэмиссионных горелок и каталитических решений, и установка сигнализации CO.