Методические указания и задания к практическим занятиям по курсу «Производство энергии и выбросы углекислого газа».

Рейтинговые оценки энергогенерации по выбросу атмосферных загрязнителей с учетом парниковых газов

Квалификация магистр

Казань 2017

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире РФ, как и большинство стран планеты, являются участниками международных организаций, решающих задачи достижения энергоэффективности в сферах поизводства и потребления. Некоторые из них подобные задачи рассматриваются в качестве одной из основных целей. Таковы, например, обязательства стран, входящих в «Группу20» (G20), которые являются потребителями 80% мировых энергоресурсов. Коммюнике лидеров «Группы20» по итогам саммита 2014 г. в Брисбене (Австралия), предписывает странам-членам G20:

• продвижение к реальному низкоуглеродному промышленному производству;

• развитие низкоуглеродной энергогенерации;

• повышение энергоэффективности зданий;

• интенсификацию внедрения системы менеджмента энергоэффективности в промышленности

Государствами – участниками рамочной конвенции по изменению климата (РКИК) при ООН (195 стран мира плюс ЕС), в 2015 г. на Парижской Конференции принято конкретное обязательство достижения реального низкоуглеродного производства к 2030 г.

Обязательствами стран – членов ВТО (162 страны мира плюс ЕС) является создание условий добросовестной конкуренции для бизнеса, в том числе, по энергосбережению.

Однако пока в мире не существует унифицированных оценок энергоэффективности и низкоуглеродности, хотя обязательствами охвачено практически всё мировое сообщество.

В сфере строительства ряда стран используются национальные системы рейтинговых оценок или аудита энергоэффективности зданий, но их показатели несопоставимы в международном формате

В сфере промышленных технологий и энергогенерации системы рейтинговых оценок низкоуглеродности отсутствуют и в международном, и в национальных форматах

В сфере энергогенерации пока только предполагается приступить в среднесрочной перспективе к созданию систем рейтинговых оценок низкоуглеродности энергогенерации

Вместе с тем, методы рейтинговой оценки и обработки выбросов с загрязнителями глобального действия разработаны и рекомендованы к применению государственными документами Республики Татарстан более 10 лет назад

ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНЫХ УРАВНЕНИЙ

На основании рекомендаций, содержащихся в государственных документах Республики Татарстан (Государственный доклад МЭПР РТ «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2007г.»; Государственный доклад Роспотребнадзора по РТ «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Республике Татарстан в 2007г.») разработана методика, использованная в проектировании теплоснабжения ряда объектов неэнергетического профиля. В настоящее время она адаптирована к объектам энергогенерации. В основу методики положены уравнения (0.1, 0.2), дающие средневзвешенные числовые показатели эффективности работы генерирующих предприятий по выбросу токсичных ингредиентов и парниковых газов, учитывающие энергозатраты, которые возникли бы при их удалении из выбросов.

(0.1)

В уравнениях (0.1, 0.2) приняты следующие условные обозначения:

W_a/W₀ м³/с – интенсивность выброса в рабочих/нормальных условиях;

₀ =1800 с – временной масштаб, принимаемый равным времени осреднения концентрации компонентов выбросов в атмосферном воздухе при отборе проб;

₁= ₁/₀ – безразмерный временной параметр заполнения парниковыми газами контрольного объема экспертной оценки V, м³;

₁ – время, с, заполнения парниковыми газами контрольного объема экспертной оценки V, м³;

₂= V/( τ₀ W_a) – безразмерный временной параметр заполнения выбросом контрольного объема экспертной оценки V, м³;

₂= V/W_a – время, с, заполнения выбросом контрольного объема экспертной оценки V, м³;

C_jb мг/м³, C_jAAU мг/м³, BC_j мг/м³, GWP_j100 – начальная, предельно допустимая по углеродным квотам, фоновая (background concentration BC) концентрации и потенциал глобального потепления j-го вида выбрасываемых парниковых газов;

M_AAU, т CO₂-экв/год – допустимый массовый выброс парниковых газов, равный по величине углеродной квоте вида AAU (Assigned Amount Unit, единица установленного количества ЕУК);

C_ib мг/м³, C_ie мг/м³, ПДК_i, мг/м³ – начальная, конечная и предельно допустимая концентрации концентрации i-го вида токсичных веществ в выбросах;

ρ – плотность продуктов сгорания на выходе из трубы расчетная (при расчетной температуре t_a);

ρ_e –плотность продуктов сгорания на выходе из трубы эталонная (при температуре t_e = 150°C);

ρ_ar – плотность атмосферного воздуха (для всех объектов принимается плотность атмосферного воздуха при нормальных условиях ρ_ar = 1,293 кг/м³);

w^r_e, u^r_m – безразмерные скорости струи и ветра по месту сечения устья трубы высотой H, м, и диаметром D, м.

Значения w^r_e, u^r_m получаются путем масштабирования скорости выхода струи из трубы w_e, рассчитанной при эталонной температуре t_e = 150°C, и скорости обдувающего ветра u_m, по минимально допускаемой (из соображений устойчивости результата численного эксперимента) скорости выхода струи w = 1 м/с и скорости штиля u_calm = 1 м/с. Формула (0.1) справедлива при следующих ограничениях по скорости выхода струи и скорости ветра: w₀≥ 1 м/с; 1 м/с <u_m<7 м/с; u_m/w₀<3.

E_a - энергозатраты на охлаждение выбросов с учетом конденсации содержащихся в них CO₂ и H₂O;

- энергозатраты на отвод теплоты конденсации CO₂ и H₂O в выбросах;

Q_l – низшая теплота сгорания топлива, кДж/м³;

η – коэффициент использования энергии топлива.

Значения w^r₀, u^r_m получаются масштабированием реальных скорости выхода струи из трубы и скорости обдувающего ветра по скорости ветра при штиле = 1м/с.

C_u–степень загрузки производственных мощностей (Capacity utilization), или коэффициент использования

Уравнения (0.1, 0.2) дают безразмерные числовые показатели R и η_COMP, которые позволяют численно сопоставлять генерирующие объекты по выбросу токсичных загрязнителей и парниковых газов. Удобно рассмотреть показатель η_COMP, как произведение:

η_COMP = EER×Τ₁ = EER×(Τ₁/Τ₂)×Τ₂ (0.3)

Комплексный показатель η_COMP эффективности энергогенерации и очистки выбросов, при наличии в них парниковых газов, должен учитывать энергетические затраты на гипотетическое возвращение качества атмосферы во избежание возможных изменений климата в глобальном масштабе. Это условие реализуется через энергоэкологический рейтинговый коэффициент совершенства систем EER, представляющий эффективность рассматриваемых систем в виде безразмерной затраты энергии на восстановление качества окружающей среды.

(0.4)

Оценочный параметр EER получен из сопоставления энергетических затрат на гипотетическое снижение концентрации CО₂ и H₂O в выбросах и в эталонной газовой смеси до среднего фонового содержания CO₂ в незагрязненной атмосфере (порядка 0,03% об.). Для корректности энергоэкологический показатель определяется по процессу удаления CO₂ и Н₂О из состава выбросов, имеющему минимальные затраты энергии на отвод теплоты конденсации CO₂ и H₂O в выбросах. Анализ затрат энергии возможных способов удаления CО₂ и H₂O показал, что за расчетный способ удобно принять конденсацию при атмосферном давлении. Эти затраты соотносят с полной затратой энергии E_a на охлаждение выбросов, с учетом конденсации содержащихся в них CO₂ и H₂O. В конечном счете параметр EER характеризует эффективность систем по виду используемого топлива и способу его сжигания, независимо от производительности систем. Для объектов, использующих сетевой газ и не применяющих каких-либо технологий, ведущих к увеличению в выбросе CO₂ и/или H₂O (напр., впрыск пара в топку для подавления NO_x и т.п.), значение параметра изменяется незначительно и обычно находится в пределах 0,55…0,60.

Следующий параметр – (Τ₁/Τ₂), номинально представляет собой соотношение безразмерных времен заполнения контрольного объема экспертной оценки V, м³загрязняющими компонентами Τ₁ и выбросом Τ₂. По сути же это средневзвешенная потолочная норма (предельно приемлемая по требованиям к ограничению выброса парниковых газов и предельно допустимая по гигиеническим нормативам вредного воздействия):

(0.5)

В первом слагаемом выражения (0.4) в качестве конечной концентрации парникового загрязнителя задействованы предельно приемлемые по углеродным квотам концентрации C_iAAU, мг/м³, выбрасываемых парниковых газов, приведенные с помощью потенциалов глобального потепления GWP_i100 к эквивалентному выбросу CO₂, мг CO₂-экв/м³, в виде . Величина C_iAAU определена по M_AAU, т CO₂-экв/год. Это потолок выброса (допустимый массовый выброс) парниковых газов, равный по величине углеродной квоте вида AAU (Assigned Amount Unit, единица установленного количества ЕУК). Соответствующие ему предельно допустимые по углеродным квотам концентрации парниковых газов C_iAAU GWP_i100, мг CO₂-экв/м³, могут быть приближенно определены через секундный выброс источника как 10^1,5  M_AAU/W. В дальнейшем вместо M_AAU здесь можно будет перейти на ограничительные показатели, актуальные после Парижской конференции сторон.

В любом случае, ограничительные меры по парниковым газам направлены на недопущение превышения существующей фоновой концентрации (background concentration BC) на определенную величину. Поэтому для характеристики изменения качества атмосферы из-за выброса парникового загрязнителя, за концентрационный масштаб вместо ПДК мг/м³, которые для большинства парниковых газов не установлены из-за отсутствия токсичного воздействия на организм человека при непосредственном контакте, в преобразуемом соотношении использована сумма фоновых концентраций выбрасываемых газов BC_i, которая в пересчете на мг CO₂ - экв имеет вид .

Характеристикой, аналогичной ПДВ, здесь будет служить интенсивность выброса парниковых газов, отвечающая величине углеродной квоты вида AAU:

, (0.6)

а для времени ₁, с, заполнения парниковыми газами контрольного объема экспертной оценки V до их фоновых концентраций (в пересчете на мг CO₂-экв), получим:

(0.7)

В выражении (0.6) величина контрольного объема воздушного пространства вокруг источника выброса V, м³, для экспертной оценки интенсивности загрязнения атмосферы, определяется по формуле

(0.8)

Формула (0.7) получена на основании обработки результатов численного эксперимента в 2007 г. и является уточняющей к аналогичной по структуре формуле, полученной в аналогичном численном эксперименте М.Е. Берляндом и Е.Л. Гениховичем в 1972 г. и положенной в основу методики рассеивания загрязнителей по ОНД-86, на основе которого были составлены программы типа УПРЗА «Эколог». Основное уточнение в формуле (0.5) внесено в определение эффективной высоты выброса (с учетом высоты подъема шлейфа выброса над источником). Это позволяет более точно отразить различия источников выброса по высоте дымовой трубы, диаметру устья и скорости выхода выброса в атмосферу.

Пример расчета рейтинговых показателей для РК и ТЭС

1 Расчет контрольного объема воздушного пространства вокруг источника выброса V, м³, для экспертной оценки интенсивности загрязнения атмосферы

, (1)

где w^r_e – скорость выхода струи из трубы эталонная, т.е. рассчитываемая при (эталонной) температуре t_e=150 °C и (эталонной) плотности дымовых газов ρ_e=0,845 кг/м³. ρ,– рабочая плотность газовоздушной смеси на выходе из трубы высотой H, м, и диаметром D, м; ρ_ar – плотность атмосферного воздуха; u^r_m – безразмерная скорость ветра по месту сечения устья трубы.

Формула (1) справедлива при следующих ограничениях по скорости выхода струи и скорости ветра: w≥ 1 м/с; 1 м/с <u_m<7 м/с; u_m/w<3.

Исходные данные	Источники централизованного теплоснабжения
	ТЭС			РК
	Дымовые трубы
	2	3, 4		№2
Расход природного газа Q, тыс. м3/год	1858450			12835
Выработка электроэнергии, тыс. кВт-ч	6296925			–
Отпуск тепловой энергии, Гкал/год	258297			82508
Ww0\Wwa\Wwe, м3/с	874,0431\1266,3319\1354,3503			9,370\14,518\14,518
H, м	180	250, 250		150 60
D, м	8	8, 9		5 2
w0\wa\we, м/с	5,329\7,718\8,255			2,984 \4,624\4,624
um, м/с	4	4		4
0, с	1800	1800		1800
ta, °C	122,5°С	122,5°С		150
te, °C	150	150		150
ρa, кг/м3	0,862	0,862		0,845
ρe, кг/м3	0,845	0,845		0,845
ρar, кг/м3	1,293	1,293		1,293
V, м3	2214591771	5645724867+5738159225		73467463,22
Τ2	5959,5015			2811,355
Токсичные загрязнители
NOx
Cb, мг/м3	130 – 280	130 – 280		70-160
Ce, мг/м3	130 – 280		130 – 280		70-160
ПДК, мг/м3	0,2 (ПДКмр, ГН 2.1.6.1338-03 в ред. Дополнения N 2, утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 03.11.2005 N 24)
CO
Cb, мг/м3	0 – 120	0 – 120		0-40
Ce, мг/м3	0 – 120	0 – 120		0-40
ПДК, мг/м3	5 (ПДКмр, ГН 2.1.6.1338-03)
CmHn	-	-		-
Cb, мг/м3
Ce, мг/м3
ПДК, мг/м3
CmHnOp	-	-		-
Cb, мг/м3
Ce, мг/м3
ПДК, мг/м3
Парниковые газы (по данным за 2014 г.) при сжигании природного газа
CO2 т/год т CO2-экв/год	3434693,7 3434693,7			24155,7 24155,7
MiAAU, т CO2-экв/год CiAAU мг CO2-экв /м3	0,9 3434693,7 Σ(CiAAU GWPi100) = 101822325,71			0,9 24155,7 124901,934
GWPi100	1
BC, мг/м3	785 (400 ppm)
CH4 т/год т CO2-экв/год	62,153 62,153 21			0,437 0,437 21
MiAAU, т CO2-экв/год CiAAU мг CO2-экв /м3	0,9 62,153 21 Σ(CiAAU GWPi100) = 101822325,71			0,9 0,437 21 47,452
GWPi100	21
BC, мг/м3	1,5 (2 ppm)
SF6 т/год т CO2-экв/год	5,643 10-3 5,643 10-3 24000			-
MiAAU, т CO2-экв/год CiAAU мг CO2-экв /м3	0,9 5,643 10-3 24000 Σ(CiAAU GWPi100) = 101822325,71
GWPi100	24000
BC, мг/м3	2,6 10-3(0,4 ppb)
Τ1/Τ2	0,027099			0,045004
EER	0,540			0,539
V, м3	2214591771	5645724867+5738159225		73467463,22
Компоненты выбросов	Состав выбросов, % об.
O2	5,567			5,586
N2	73,641			73,549
CO2	7,058			7,081
H2O	13,734			13,783
CO	-			-
ηCOMP	87,121			68,195

1 Определение параметра τ2

1.1 Рк Труба №2:

Количество влажных продуктов сгорания на 1 м³ природного газа (исходя из состава елабужского газа за сентябрь 2015 г.) при нормальных условиях и α=1,4 составляет 14,786 м³ , а содержание в них СО₂ составляет 1,047 м³ , или 2,052 кг на 1 м³ газа. Следовательно, 1 т СО₂ содержится в 7206 м³ влажных продуктов сгорания.

Годовой расход природного газа 12835000 м³. Следовательно, годовой выброс дымовых газов при нормальных условиях

W_0year=14,786×12835000 = 189778310 м³/год.

Средний часовой расход природного газа

Q_h = 12835000/(215×24) = 2487,4 м³/ч.

Средняя выработка тепловой энергии:

Q = Q_h × Q_l /η=2487,4×8500/0,92 = 21142926,4 ккал/ч =22,98 Гкал/ч.

Годовой выброс СО₂:

М_СО2 = 2,052×12835000 = 26337,42 т.

По данным ГО, годовой выброс СО₂ составляет 24155,7 т. Далее будем использовать в расчетах эту величину. Определенные по заданному годовому выбросу СО₂ годовой расход дымовых газов и средний секундный выброс за отопительный сезон при нормальных условиях составили:

W_0year = (24155,7 т СО₂/год)×(7206 м³/т СО₂)=174057592,7 м³/год

W₀ = (174057592,7 м³/год) / (215×24×3600) = 9,370 м³/c.

Скорость выхода шлейфа дымовых газов из устья трубы №2 (при первоначальных данных о размере трубы H=60 м, D=2 м), в нормальных условиях:

w₀ = W₀ / (πD²/4) = 9,370 / 3,14= 2,984 м/с.

Годовой расход дымовых газов и средний секундный выброс за отопительный сезон при рабочих условиях t_a = 150 °C, ρ = 0,845 кг/м³ (в данном случае рабочие условия совпадают с эталонными t_e = 150 °C, ρ_e = 0,845 кг/м³):

W_{a year} = 174057592,7×423/273 = 269693632,6 м³/год

W_a = (269693632,6 м³/год) / (215×24×3600) = 14,518 м³/c.

Средняя безразмерная скорость выхода шлейфа дымовых газов из устья трубы №2, в рабочих и эталонных условиях:

w^r_e= w_e/(1м/с) = w_a/(1м/с) = W_a /[(1м/с)×(πD²/4)] = 4,624

V=100×3,14×60²{60+2[4,624(1,239–0,147×4)–0,514]×(1,293–0,845)/(1,293–0,845)} = 73467463,22 м³

Расчет Τ₂ ведется по объему выбросов, приведенному к рабочим условиям, W_a = 14,518 м³/c:

Τ₂ = V/(τ₀×W_a) = 73467463,22/(1800×14,518) = 2811,355

Скорость выхода шлейфа дымовых газов из устья трубы №2 (при уточненных данных о размере трубы H = 150 м, D = 5 м), в нормальных условиях:

w₀ = W₀ / (πD²/4) = 9,370·4 / (3,14·25) = 0,477 м/с.

Данный результат показывает, что труба работает в нерасчетном режиме с большой недогрузкой – уточненный диаметр чересчур велик для среднего секундного выброса дымовых газов, определенного из годового расхода по 2014 году.

Годовой расход дымовых газов и средний секундный выброс за отопительный сезон при рабочих условиях t_a = 150 °C, ρ = 0,845 кг/м³ (в данном случае рабочие условия совпадают с эталонными t_e = 150 °C, ρ_e = 0,845 кг/м³):

W_{a year} = 174057592,7×423/273 = 269693632,6 м³/год

W_a = (269693632,6 м³/год) / (215×24×3600) = 14,518 м³/c.

Средняя безразмерная скорость выхода шлейфа дымовых газов из устья трубы №2, в рабочих и эталонных условиях:

w^r_e= w_e/(1м/с) = w_a/(1м/с) = W_a /[(1м/с)×(πD²/4)] = 14,518×4/(1×3,14×25) = 0,74.

Численно величина w^r_e равна w_e и w_a. Но реальная скорость выхода дымовых газов, минимально удовлетворяющая условию формулы (1), равна 1 м/с.

Для возможности выполнения дальнейших расчетов для данной реальной ситуации придется принять скорость выхода дымовых газов в рабочих и эталонных условиях также равной 1 м/с. Однако примем к сведению, что это соответствует ситуации, когда расход газа на 26% выше средней величины.

V=100×3,14×150²{150+5[1(1,239–0,147×4)–0,514]×

×(1,293–0,845)/(1,293–0,845)} =1064589525 м³

Расчет Τ₂ ведется по объему выбросов, приведенному к рабочим условиям, W_a = 14,518 м³/c:

Τ₂ = V/(τ₀×W_a) = 1064589525/(1800×14,518) = 40738,30