Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлоагрегатах. Учебно-методическое пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………… 5

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫБРОСАХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА

ВКОТЛОАГРЕГАТАХ…………………………………… 6

2.РАСЧЕТ ФАКТИЧЕСКИХ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА... 12

2.1.Расчет выбросов оксидов азота……………………. 12

2.1.1.Расчет выбросов оксидов азота при сжигании природного газа………………. 12

2.1.2.Расчет выбросов оксидов азота

при сжигании мазута…….…………….……… 13

2.1.3.Расчет выбросов оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива…... 15

2.2.Расчет выбросов диоксида серы………………...…. 16

2.3.Расчет выбросов оксида углерода…………………. 17

2.4.Расчет выбросов твердых частиц………………….. 18

2.5.Пример расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании твердого топлива.……. 19

2.6.Пример расчета выбросов загрязняющих веществ

в атмосферу при сжигании мазута………………… 22

2.7.Пример расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании природного газа….….. 24

2.8.Исходные данные к расчету фактического выброса загрязняющих веществ в атмосферу

при сжигании топлива................................................ 28

3.РАСЧЕТ ОБЪЕМА ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ... 31

3.1.Расчет объема отходящих газов при сжигании

твердого, жидкого и газообразного топлива……… 31

3.2.Пример расчета объема отходящих газов при сжигании твердого и жидкого топлива……..... 32

3.3.Пример расчета объема отходящих газов при сжигании газообразного топлива……………... 33

3.4.Задания по работе…………………………………... 34

3

4.РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНЫХ ПРИЗЕМНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ……. 35

4.1.Общие сведения…………………………………….. 35

4.2.Пример расчета максимальных приземных концентраций……………………………………….. 39

4.3.Задание по работе…………………………………... 41

5.РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ…………………………... 43

5.1.Расчет предельно допустимых выбросов…………. 43

5.2.Задание по работе…………………………………... 46

5.3.Разработка мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу………………. 47

5.4.Пример расчета требуемой эффективности очистки выбросов…………………………………………….. 50

6.РАСЧЕТ ПЛАТЫ ЗА ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ

ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ……………………………… 51

6.1.Общие сведения…………………………………….. 51

6.2.Порядок расчета платы за выбросы вредных веществ в атмосферу……………………………….. 54

6.3.Пример расчета платы за выбросы вредных веществ от котельной………………………………. 56

7. РАСЧЕТ САНИТАРНО-ЗАЩИТНОЙ ЗОНЫ…………… 58

7.1.Общие сведения……………………………………... 58

7.2.Проектирование санитарно-защитных зон……….. 60

7.3.Установление размеров санитарно-защитных зон.. 62

7.4.Режим территории санитарно-защитных зон и использование земельных участков,

расположенных в ее границах……………………... 64

7.5.Учет розы ветров при расчете санитарно-защитной зоны…………………………... 68

7.6.Пример расчета санитарно-защитных зон

сучетом розы ветров…………………………………. 69

7.7.Задание по работе…………………………………... 71

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...………………………... 73

ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………….. 75

4

ВВЕДЕНИЕ

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Использование минерального топлива составляет значительную часть экологических проблем.

Котельные установки, работающие на различном топливе, относятся к стационарным горячим источникам выбросов. С помощью настоящего пособия студенты, изучающие дисциплину «Охрана воздушного бассейна», должны овладеть методикой расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании различных видов топлива (твердого, жидкого и газообразного) в котельных установках. Приводятся примеры расчетов фактических выбросов в атмосферу оксидов азота, диоксида серы, оксида углерода и твердых загрязняющих веществ и определение максимальной приземной концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. В соответствии с ФЗ «Об охране окружающей среды» и «Об охране атмосферного воздуха» каждый природопользователь должен устанавливать и соблюдать нормативы предельно-допустимых выбросов [1, 2]. В пособии обучающиеся познакомятся с методикой расчета предельно допустимых выбросов для горячих источников и пересчета максимально-ра- зовых выбросов в валовые выбросы. На основании полученных результатов годовых фактических и предельно допустимых выбросов предложен расчет платы за выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников.

Сцелью обеспечения безопасности населения и в соответствии

сФедеральным законом «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» вокруг объектов и производств, являющихся источниками воздействия на среду обитания и здоровье человека, устанавливается специальная территория с особым режимом использования ‒ санитарно-защитная зона (СЗЗ), размер которой обеспечивает уменьшение воздействия загрязнения на атмосферный воздух [3]. Ориентировочный размер С33 должен быть обоснован проектом са- нитарно-защитной с расчетами ожидаемого загрязнения атмосферного воздуха (с учетом фона) и уровней физического воздействия на атмосферный воздух и подтвержден результатами натурных исследований и измерений. Обучающиеся ознакомятся с теорией вопроса и рассчитают ориентировочную СЗЗ для конкретного промышленного предприятия.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫБРОСАХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА

В КОТЛОАГРЕГАТАХ

Котельные установки предназначены для отопления и горячего водоснабжения производственных, общественных и жилых зданий. Горючее вещество, которое сжигается для получения значительного количества тепла, называется топливом. Котлы работают на различном топливе: твердом, жидком или газообразном. В основе сжигания топлива лежит общий физико-химический процесс горения. Горением называется процесс окисления горючих элементов топлива, сопровождающийся интенсивным выделением тепла. Для обеспечения горения в топку котла необходимо подавать топливо и воздух в определенных количествах. Кислород, содержащийся в воздухе, обеспечивает окислительный процесс, в результате чего образуются продукты сгорания ‒ дымовые газы. Процесс горения топлива в топке котла сопровождается выделением большого количества загрязняющих веществ и тепла, часть которого теряется бесполезно (например, тепло, уходящее с дымовыми газами; тепло, отдаваемое в окружающую атмосферу нагретыми частями котла и дымоходов; тепло, уходящее с водой при осуществлении верхней и нижней продувки и т.п.). Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха образуется от установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, уголь, природный газ и др.). Выбросы энергетических предприятий осуществляются на высоте более 100−300 м. Это способствует не только дальнему переносу примесей, но и попаданию их в верхние слои атмосферы, в частности, в озоновый слой, расположенный на высоте 18−26 км.

Основное твердое топливо − уголь. Характеристики угля меняются от месторождения к месторождению. К твердым топливам относятся горючие сланцы, антрацит, древесина, продукты ее переработки, твердые отходы. К жидким топливам относят продукты переработки нефти, угольный деготь, сланцевые масла и промышленные отходы различного состава. Жидкие топлива распыляют на мелкие капли для увеличения поверхности, доступной для взаимодействия с кислородом. К газообразному виду топлива относится природный

6

газ, в качестве которого в основном используют метан, а также применяют другие газообразные топлива − нефтяные газы, доменный газ, ацетилен, водород и др.

Наиболее распространенными видами твердого топлива являются бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, древесина

иторф. Бурые угли отличаются большим выходом летучих веществ (Vг = 40–60 %), высокими зольностью (Aр = 15–30 %) и влажностью (Wр = 30–40 %). Каменные угли по составу и свойствам разнообразны, они обладают сравнительно невысокими зольностью (Aр = 5–25 %)

ивлажностью (Wр = 5–10 %) при широком диапазоне выхода летучих веществ (Vг = 10–40 %). Антрациты отличаются от других твердых топлив высоким содержанием углерода (Cг = 93–96 %), малым выходом летучих веществ (Vг = 3–5 %), малой зольностью (Aр = 13–17 %)

ивлажностью (Wр = 5–7 %), высокой теплотой сгорания. Горючие сланцы характеризуются большой зольностью (Aр = 50–60 %) и высоким выходом летучих веществ (Vг = 80–90 %); влажность их невелика (Wр = 15–20 %), они имеют самую низкую для твердых топлив теплоту сгорания. Древесина отличается очень малой зольностью (Aр <1 %)

ибольшим выходом летучих веществ (Vг = 85 %). Значительная влажность древесины (Wр = 40–60 %) определяет весьма низкую теплоту сгорания. Торф – самый молодой вид твердого органического топлива. Он имеет большой выход летучих веществ (Vг = 70 %), высокую влажность (Wр = 30–50 %) и малое содержание золы (Aр = 5–10 %). Теплота сгорания торфа небольшая.

При сжигании твердого топлива наряду с основными продуктами горения (углекислый газ, вода) в атмосферу поступают летучая зола с частицами недогоревшего топлива (взвешенные вещества), сернистый, серный ангидриды, оксиды азота, некоторое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты неполного сгорания (оксид углерода).

В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V2О5), а также оксид никеля (III) (Ni2O3), оксид алюминия (III) (А1203), оксид железа (III) (Fe2O3), диоксид кремния (SiO2), оксид магния (МgО) и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3 %. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м3, однако это значение резко возрастает в период очистки

7

поверхностей нагрева котлов от наружных отложений. В мазуте, сжигаемом в котельной, содержится много сернистых соединений. Топочный мазут в зависимости от содержания в нем серы является малосернистым – содержание серы Sp < 0,5 %. После его сгорания образуется диоксид серы, являющийся причиной выпадения так называемых кислотных дождей. В жидком топливе отсутствует пиритная сера (FeS2). Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой он получен.

Природный газ рассматривается как относительно чистое топливо. При сжигании природного газа в основном образуются оксиды азота. Их выход зависит от температуры в камере сгорания и скорости охлаждения продуктов реакции. Также при сжигании газообразного топлива отходящие газы содержат SO2, СО, углеводороды, а содержание NOx ‒ в значительно меньшем количестве, чем при сжигании твердых и жидких топлив.

Предотвратить вредное воздействие кислоты на здоровье людей, жизнь животных и растительный мир, особенно при сверхнормативной ее концентрации можно при внедрении эффективных технологических схем по обессериванию мазутов. При переработке высокосернистой нефти только 5−15 % серы переходит в дистилляционные продукты; остальная часть серы остается в мазуте, сжигание которого в больших количествах связано с большой концентрацией сернистых соединений в отходящих дымовых газах.

Диоксид углерода и пары воды поступают в атмосферу, включаются в природные циклы и поглощаются растительностью в процессе синтеза органических соединений и регенерации кислорода. Однако масштабы использования органического топлива и, соответственно, выброса диоксида углерода по некоторым оценкам превышают регенерационные возможности растительного мира.

В результате в атмосфере наблюдается возрастание удельного веса диоксида углерода (углекислого газа) СО2. Влияние СО2 выражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи. При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство.

8

Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить климатические изменения («парниковый эффект»). По мнению многих ученых, это может привести к ряду катастрофических последствий глобального масштаба, в том числе к таянию ледников, повышению уровня мирового океана и затоплению огромных и наиболее обжитых прибрежных территорий океанов, перераспределению осадков, речного стока и др. Одна из основных проблем состоит в том, чтобы определить масштабы и временные рамки климатических изменений в результате накопления тепла за счет CO2.

Все усилия по определению возможного воздействия на климат при увеличении содержания CO2 в атмосфере связаны с выяснением дальнейших изменений, которые будут наблюдаться при достижении концентрации диоксида углерода 0,06 % (об.) (в настоящее время в земной атмосфере содержание СО2 составляет 0,03−0,034 % (об.)). Трудно предсказать, когда будет достигнуто это значение. Если считать, что выбросы CO2 и в дальнейшем будут постоянно возрастать, то эта концентрация будет достигнута около 2050 г. Если расходование углерода сохранится на современном уровне, то установление концентрации CO2 в атмосфере на уровне 0,06 % (об.) можно ожидать только к 2200 г. Если удастся постоянно сокращать потребление природного топлива, то это состояние наступит около 3000 г. При удвоении содержания CO2 в тропосфере изменение климата с повышением температуры становится вполне вероятным, если не происходит никаких компенсирующих процессов, как, например, усиленное поглощение и рассеяние излучения в стратосфере из-за загрязнений в виде пыли и аэрозолей.

Проблема обогащения атмосферы диоксидом углерода не должна рассматриваться изолированно, так как в кругообороте CO2 участвуют синергические (взаимодействие факторов, при котором эффект оказывается большим, чем сумма влияний от действия отдельных факторов) и антагонистические факторы. К синергическим факторам относится влияние таких газов, как диоксид серы SO2, закись

9

азота N2О, фторхлоруглеводороды (фреоны), метан СН4 и озон О3. Водяные пары должны быть исключены из этого рассмотрения, так как, несмотря на локальные различия в распределении над поверхностью планеты, их общая доля в атмосфере практически остается постоянной и не вносит заметного вклада в нагревание земной поверхности. Другие газы, поглощающие ИК-излучение, вносят приблизительно 50 % по сравнению с общим количеством тепла, накапливаемого за счет диоксида углерода. При оценке так называемого парникового эффекта, вызванного деятельностью человека, необходимо учитывать влияние и этого фактора. Действие пыли и аэрозолей противоположно действию газов, накапливающих тепло, так как первые уменьшают количество солнечного света, падающего на поверхность Земли.

Недавно учеными было установлено, что углекислый газ, выбрасываемый в больших количествах ТЭС, интенсивно разрушает и озоновую оболочку Земли.

Количество твердых веществ, выбрасываемых в атмосферу, определяется зольностью топлива, полнотой сгорания горючей массы, глубиной золоочистки.

При горении сера, присутствующая в органическом топливе, превращается в диоксид серы, количество которого определяется сернистостью используемого топлива. Проблема загрязнения атмосферы сернистым ангидридом приобретает еще большую остроту в связи с трансграничным переносом примесей. Потоки сернистого ангидрида, измеряемые миллионами тонн в год, пересекают государственные границы, особенно на территории Европы и Северной Америки. В наиболее неблагоприятном положении оказались страны, расположенные на Востоке и Северо-Востоке Европы, в связи с преобладанием западных потоков воздушных масс в этом регионе. Страдают леса и озера Скандинавских стран (Норвегия, Швеция). Так, на территорию России ежегодно попадает 5−10 млн т, а уходит на Запад 1,5−2 млн т.

Оксиды азота образуются при горении за счет окисления азота воздуха только при высоких температурах и за счет азота в топливе, находящегося в сложных органических соединениях, входящих в со-

10