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

став угля и в молекулярном состоянии. В оксид азота (II) NO переходит 10−30 % топливного азота. На выходе из дымовой трубы диоксид азота (NO2) составляет 10−15 %, остальные 85−90 % составляет в основном NO. Далее при движении дымового факела в атмосфере количество диоксида азота увеличивается до 60−80 %. Диоксид азота токсичнее, чем оксид.

В результате сложных реакций в диапазоне температур 700−800 °С при недостаточном количестве кислорода, подаваемого

взону горения, в дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз(а)пирен С20Н16, обладающий канцерогенными свойствами. Агрегатное состояние бенз(а)пирена в дымовых газах – аэрозольное. Бенз(а)пирен является канцерогенным веществом, воздействие которого на человека вызывает рак и другие опухоли. При неполном сгорании жидкого топлива в дымовых газах образуются крупнодисперсные, липучие частицы сажи, состоящие преимущественно из углерода. Сажа способна адсорбировать бенз(а)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенные свойства.

Квредным воздействиям котельной следует отнести и выбросы теплоты, приводящие к тепловому загрязнению окружающей среды. Энергетический баланс котельной складывается таким образом, что потребителю отдается только 30–35 % энергии, полученной при сжигании топлива. Примерно 10 % теплоты уходит в атмосферу с дымовыми газами, а более 50 % отводится в процессе охлаждения конденсаторов турбин либо водой, забираемой из рек или водоемов, либо

вградирнях. Происходящее при этом тепловое загрязнение водоемов при недостаточности защитных мер способно нарушить условия обитания водной флоры и фауны, привести к развитию в водоемах нежелательных биологических процессов (разрастанию сине-зеленых водорослей и т.п.).

Тепловые выбросы воздействуют на окружающую среду, меняя микроклимат в районе ее размещения, а при больших концентрациях мощности могут привести к изменению циркуляции воздушных масс, их температуры и влажности.

Таким образом, участие котельной в загрязнении окружающей среды продуктами сгорания, твердыми отходами и низкопотенциальным теплом значительно.

11

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

2.1. Расчет выбросов оксидов азота

2.1.1. Расчет выбросов оксидов азота при сжигании природного газа

При сжигании того или иного вида топлива в котлах образуются твердые и газообразные выбросы загрязняющих веществ.

В соответствии с методикой определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 т пара в час или 20 Гкал в час рассмотрим математические зависимости для расчета максимально-разовых выбросов вредных веществ в атмосферу, а валовые выбросы будут зависеть от режима работы источника выбросов [4].

Суммарное количество оксидов азота NOx, г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле [4]:

где Вр − расчетный расход топлива, нм3/с; при работе котла в соответствии с режимной картой с достаточной степенью точности может быть принято Вр = В – фактическому расходу топлива на котел;

выброс оксидов азота при сжигании газа, г/МДж. Для паровых котлов определяется по формуле:

где D − фактическая паропроизводительность котла, т/ч; βк − безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки. Для всех дутьевых горелок напорного типа (то есть при наличии дутьевого вентилятора на котле) принимается βк = 1,0. Для горелок инжекционного типа принимается βк = 1,6. Для горелок двух-

12

ступенчатого сжигания (ГДС) βк = 0,7; β − безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения, определяется по формуле:

где tгв – температура горячего воздуха, °C; βα − безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота. В общем случае значение βα = 1,225. При работе котла в соответствии с режимной картой βα = 1; β – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота.

При подаче газов рециркуляции в смеси с воздухом определя-

где r − степень рециркуляции дымовых газов, %; βδ − безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру, определяется по формуле:

где δ − доля воздуха, подаваемого в промежуточную зону факела (в процентах от общего количества организованного воздуха); kп − коэффициент пересчета: при определении выбросов в граммах в секунду kп = 1; при определении выбросов в тоннах в год kn = 10−3.

При определении максимальных выбросов оксидов азота, г/с, по формуле (2.1) значения входящих в формулу величин определяются при максимальной тепловой мощности котла.

2.1.2. Расчет выбросов оксидов азота при сжигании мазута

Суммарное количество оксидов азота NOx, г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле [4]:

где р – расчетный расход топлива, кг/с, определяемый по формуле:

где В − фактический расход топлива на котел, кг/с; 4 − потери тепла от механической неполноты сгорания, %; − низшая теплота сго-

рания топлива, МДж/кг; − удельный выброс оксидов азота

2

13

при сжигании мазута, г/МДж. Для паровых котлов определяется по формуле:

где D − фактическая паропроизводительность котла, т/ч.

Приведенная зависимость от D справедлива для мазутов,

2

поставляемых отечественными нефтеперерабатывающими заводами

(НПЗ);

β − безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения; рассчитывается по формуле (2.3); βα − безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота при сжигании

мазута.

В общем случае значение βα = 1,113. При работе котла в соответствии с режимной картой βα = 1;

βr − безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота.

При подаче газов рециркуляции в смеси с воздухом определяется по формуле:

где r − степень рециркуляции дымовых газов, %; βδ − безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру, определяемый по формуле:

где δ − доля воздуха, подаваемого в промежуточную зону факела (в процентах от общего количества организованного воздуха); kп − коэффициент пересчета; при определении выбросов в граммах в секунду kп = 1.

14

2.1.3. Расчет выбросов оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива

Для котлов суммарное количество оксидов азота NOx, г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле [4]:

где р – расчетный расход топлива, определяемый по формуле (2.7), кг/с;

брос оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж, рассчитывается по формуле:

где αт – коэффициент избытка воздуха в топке, определяемый по формуле:

где О2 – концентрация кислорода в дымовых газах за котлом, %; при отсутствии информации о концентрации кислорода в дымовых газах за котлом можно принимать αт = 2,5; R6 − характеристика гранулометрического состава угля – остаток на сите с размером ячеек 6 мм, %; принимается по сертификату на топливо; – тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м2, определяется по формуле:

где т − фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу, МВт; F − зеркало горения (определяется по паспортным данным котельной установки), м2; β − безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов, подаваемых в смеси с дутьевым воздухом под колосниковую решетку, на образование оксидов азота, определяется по формуле:

где r − степень рециркуляции дымовых газов, %; п – коэффициент пересчета при определении выбросов в граммах в секунду k = 1.

15

В связи с установленными раздельными предельно допустимыми концентрациями (ПДК) на оксид и диоксид азота и с учетом трансформации оксидов азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие (с учетом различия в молекулярной массе этих веществ) по формулам (2.16) и (2.17):

где μ и μ 2 – молекулярные массы и 2, равные 30 и 46 соответственно; 0,8 – коэффициент трансформации оксида азота в диоксид.

2.2. Расчет выбросов диоксида серы

Суммарное количество оксидов серы МSO2, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, г/с, вычисляют по формуле [4]:

где – расход натурального топлива за рассматриваемый период, г/с;– содержание серы в топливе на рабочую массу, %; η′SO2 − доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле; η′′SO2 − доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц.

Ориентировочные значения η′SO2 при сжигании различных ви-

дов топлива представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Значения η′SO2 при сжигании различных видов топлива

Доля оксидов серы η′′SO2, улавливаемых в сухих золоуловителях, принимается равной 0.

16

2.3. Расчет выбросов оксида углерода

При отсутствии данных инструментальных замеров оценка суммарного количества выбросов оксида углерода, г/с, может быть определена по формуле [4]:

где В − расход топлива, г/с. Для газообразного топлива значение В, нм3/с, необходимо перевести в Вг, г/с, с учетом плотности газа;− выход оксида углерода при сжигании топлива, г/кг (г/нм3). Рассчитывается по формуле:

где 3 – потери тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива, %; R − коэффициент, учитывающий долю потери тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленную наличием в продуктах неполного сгорания оксида углерода; принимается для: твердого топлива − 1,0; мазута − 0,64; газа – 0,5;– низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг (МДж/нм3); 4 − потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива, %.

При отсутствии эксплуатационных данных значения 3, 4 принимаются по табл. 2.2.

17

2.4. Расчет выбросов твердых частиц

При сжигании газообразного топлива твердые выбросы в отходящих газах отсутствуют.

Суммарное количество твердых частиц (летучей золы и несгоревшего топлива) Мтв, поступающих в атмосферу с дымовыми газами котлов, г/с, при сжигании мазута и твердого топлива вычисляют по формуле:

где В − расход натурального топлива, г/с; р – зольность топлива на рабочую массу, %; аун – доля золы, уносимой газами из котла (для камер с твердым шлакоудалением аун=0,95); η3 − доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях; ун − содержание горючих веществ в уносе, %, зависит от конструкции котельных агрегатов и составляет от 10 до 70 %.

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топке, называется рабочим. В состав рабочего топлива (твердого или жидкого) входят углерод С, водород Н, кислород О, азот N, летучая сера S, негорючая минеральная примесь – зола А, а также влага W.

Для рабочей массы топлива справедливо равенство:

18

2.5.Пример расчета выбросов загрязняющих веществ

ватмосферу при сжигании твердого топлива

Условие задачи.

В котельной установлены три паровых котла паропроизводительностью D 1 т/ч пара каждый. В котлах сжигается каменный уголь с низшей теплотой сгорания топлива = 40 МДж/кг. Фактический расход топлива на котел составляет 0,083 кг/с. Эффективность очистки от твердых загрязняющих веществ составляет 80 % (η3 = 0,8). Рециркуляция газов отсутствует, =0. Коэффициент избытка воздуха в топке αт = 2,5, остаток угля на сите R6 с размером ячеек 6 мм составляет 20%, тепловое напряжение зеркала горения =0,682 МВт/м2, так как фактическая мощность котла т = 1,87 МВт, а зеркало горения F = 2,74 м2. Содержание горючих веществ в уносе ( ун) составляет 50 %. Рассчитать массовые (г/с) и валовые (т/год) выбросы загрязняющих веществ (оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода и твердые частицы).

Решение.

1. Определим элементный состав топлива (каменного угля), используя табл. 2.3 и формулу (2.22).

Примем:

−=41 %;

−=3 %;

−=7 %;

−=0,7 %;

−=3,3 %;

−р = 30 %;

−р=15 %.

Проверяем отношение: 41 + 3 + 7 + 0,7 + 3,3 + 30 + 15 = 100 %

2. Суммарное количество оксидов азота NOx, г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле (2.11), предварительно рассчитаем безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов β по формуле (2.15):

β = 1 − 0,075 ∙ √0 = 1.

19

Далее рассчитаем удельный выброс оксидов азота при слоевом

сжигании твердого топлива т по формуле (2.12):

2

Определим по формуле (2.7) расчетный расход топлива р, приняв по табл. 2.2 4=4 для каменного угля:

р = 0,083 ∙ (1 − 1004 ) = 0,08 кг/с.

Рассчитаем значение :

= 0,08 ∙ 40 ∙ 0,011 ∙ 1 ∙ 1 = 0,035 г/с.

В связи с установленными раздельными ПДК на оксид и диоксид азота и с учетом трансформации оксидов азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие по формулам (2.16) и (2.17):

2 = 0,8 ∙ 0,035 = 0,028 г/с,

= 0,13 ∙ 0,035 = 0,0046 г/с.

3. Суммарное количество оксидов серы М 2, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами (г/с), вычисляем по формуле (2.18), приняв равным 3,3%, согласно п.1 решения. Значения η′ 2 при сжигании каменного угля равно 0,1 (табл. 2.1). Доля оксидов серы η′′ 2, улавливаемых в сухих золоуловителях, принимается равной 0. Переведем значение В из кг/с в г/с и подставим в формулу В = 83 г/с:

SO2 = 0,02 ∙ 83 ∙ 3,3 ∙ (1 − 0,1) ∙ (1 − 0) = 4,9 г/с.

4. Для расчета суммарного количества выбросов оксида углерода, г/с, определим выход оксида углерода при сжигании топлива (ССО) по формуле (2.20), приняв для каменного угля 3 = 0,5

(табл. 2.3) и R = 1 (п. 2.3):

= 0,5 ∙ 1 ∙ 40 = 20 г/кг.

По формуле (2.19) определим суммарное количество выбросов оксида углерода:

= 10−3 ∙ 83 ∙ 20 ∙ (1 − 1004 ) = 1,59 г/с.

20