Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и практические основы промышленной и экологической безопасности. Учебное пособие
.pdf
Практически для обеспечения полного сгорания топлива
в топку следует подавать воздуха немного больше теоретически
необходимого количества, потому что только теоретически необходимого количества воздуха для перемешивания с летучими
горючими веществами недостаточно. Число, показывающее
насколько действительное количество воздуха больше теоретически необходимого, называется коэффициентом избытка воздуха (отношение действительного количества воздуха, практически подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству), т.е. D = V
ф/Vо
.
Операторы паровых и водогрейных котлов должны помнить: чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем котел работает эффективнее, потому что чрезмерный избыток воздуха нарушает процесс горения и сопровождается рядом тепловых потерь в
котельной установке. Избыточный воздух в топке следует поддерживать на нужном уровне, благодаря чему котел будет работать с
меньшими потерями теплоты, а значит, с высоким КПД.
На практике целесообразно применять при сжигании
топлива следующие коэффициенты избытка воздуха для различных видов топлива [10,15,17,30]:
а) бурого угля – 1,5;
б) каменного угля – 1,4;
в) полуантрацитов – 1,3;
г) антрацитов – 1,3;
д) мазута – 1,15–1,2;
е) природного газа – 1,05–1,1.
15.2. Характеристика продуктов сгорания и выбрасываемых
загрязняющих веществ с дымовыми газами в атмосферный
воздух
В состав продуктов сгорания топлива входят: углекислый газ СО
водяные пары Н
сферном воздухе; избыточный кислород О
; оксиды азота и серы NО2, SО2; оксид углерода СО;
2
О; азот N2, содержащийся в топливе и атмо-
2
, который содержит-
2
ся в продуктах сгорания топлива, так как само горение протекает неидеально, поэтому приходится подавать в топку воздуха
больше, чем необходимо теоретически.
101
Оксиды азота, образующиеся вследствие окисления азота в
ядре факела пламени всех видов топлива, являются очень токсичными соединениями. Основной фактор, влияющий на количество
образующихся в топке оксидов азота, – температура в ядре факела.
При температурах 1800–1900 qС и наличии свободного кислорода
концентрация оксидов азота, образующихся в факеле, превышает
допустимую в свежем воздухе в 1–20 тыс. раз. Кроме отравляющего действия на организм человека, оксиды азота вызывают интенсивную коррозию металлических поверхностей. Очистка продуктов сгорания от оксидов азота способами улавливания технически
сложна и в большинстве случаев экономически нерентабельна.
Весьма вредным является выброс в атмосферу сернистого газа. Он обладает резким запахом, но не имеет цвета. Содержание оксидов серы в продуктах сгорания практически не зависит от качества организации топочного процесса и определяется
в основном содержанием серы в топливе. Сернистый газ гибельно воздействует на зеленые насаждения, особенно на плодовые и хвойные деревья, а также на посевы. Кроме вредного
воздействия на все живое, сернистый газ вызывает усиленную
коррозию металлических поверхностей и порчу различных веществ и материалов. При наличии сернистого газа снижается
также прозрачность атмосферы. Содержание серного ангидрида
в продуктах сгорания котельного топлива не превышает 3 % содержания сернистого газа, однако при выходе из дымовой трубы
под действием солнечной радиации сернистый ангидрид окисляется в серный, а затем, соединяясь с водой, может образовывать серную кислоту.
Токсичным веществом является также оксид углерода
СО. Это соединение образуется в случае неполного сгорания
углерода при сжигании практически всех видов топлива. Количество оксида углерода может составлять при сжигании твердых
топлив до 2 % массы сжигаемого топлива, при сжигании газа и
мазута – 0,05 %. Оксид углерода не имеет запаха и цвета, что
затрудняет его обнаружение.
Формальдегид – газ с резким неприятным запахом, обладающий высокой токсичностью. Содержание формальдегида
в продуктах сгорания наблюдается в малых отопительных ко-
102
тельных при сжигании мазута в условиях, когда имеется общий
или местный недостаток воздуха.
В продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу,
находятся также канцерогенные вещества. Наиболее распространенным и сильнодействующим из них является так называемый 3,4-бензапирен (С
– продукт гидролиза угля и угле-
20 Н12
водородных газов). На количество 3,4-бензапирена влияет режим работы топки, особенно величина температуры в ядре факела и количество имеющегося там кислорода. Бенз(а)пирен образуется при высокой температуре в случае недостатка воздуха
для полного сгорания топлива. Частицы твердого углерода сгорают медленнее всего. При догорании они раскаляются, поглощают другие вещества и придают пламени характерную желтую
окраску. Наличие желтой окраски пламени свидетельствует о
том, что в продуктах сгорания имеются канцерогенные вещества. Много канцерогенных веществ образуется при режимах
горения с сажеобразованием [11,12,17,18,20,26,31,36,37].
Вредное воздействие золовых частиц на организм человека зависит от размеров частиц, их концентрации в воздухе,
дисперсности и твердости. Количество выбрасываемых золовых
частиц зависит от состава твердых топлив, конструкции топочных устройств и эффективности работы золоуловителей. Золовые частицы вредно воздействуют на живые организмы, загрязняют атмосферу, что приводит к снижению видимости и солнечной освещенности, загрязнению поверхностей зданий и сооружений и их разрушению, уменьшению фотосинтеза, осуществляемого растениями. Степень вредного влияния основных
вредных веществ (токсогенов) на человеческий организм различна (табл. 15.1) [16,18].
103
Таблица 15.1
Длительность и характер действия
Содержание в воздухе веществ
(по объему), %
SO2
NО2
СО
Несколько часов без защитного действия
0,0025
0,0008
0,01
Признаки легкого отравления
0,005
0,001
0,01–0,05
Значительное отравление, через 30 мин
0,008–0,005
0,005
0,2–0,3
Опасно для жизни при кратковременном
действии
0,015
0,8
Содержание токсичных веществ в воздухе и их вредное влияние
на организм человек
токсичных веществ
0,06
0,5–
В последние десятилетия на всем земном шаре стало заметно ощущаться значительное загрязнение окружающей среды. Ежегодно в океан попадает около 10 млн т нефтепродуктов,
промышленные предприятия и транспорт выбрасывают в атмосферу около 1 млрд т аэрозолей и столько же сажи, в водоемы
поступает свыше 500 млрд т промышленных отходов. В связи с
этим возникли обоснованные опасения возможности неблагоприятного изменения свойств атмосферы и климата планеты изза колоссальных количеств поступающих в воздух теплоты и
оксида углерода при ежегодном сжигании 10 млрд т условного
топлива.
Критериями оценки санитарного состояния среды и качества атмосферного воздуха являются предельно допустимые
концентрации (ПДК) токсичных веществ в воздухе или воде водоемов. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний. Различают среднесуточные и максимально разовые предельно допустимые концентрации. Среднесуточные ПДК предназначены для исключения возможности воздействия токсичных веществ на организм человека в течение длительного времени. Максимально разовые ПДК установлены для
веществ, обладающих раздражающими воздействиями или резкими запахами, в дополнение к среднесуточным.
104
В табл. 15.2 приведены ПДК вредных веществ, находя-
Величина ПДК вредных веществ
в атмосферном воздухе, мг/м3
Максимально
разовая
Диоксид азота
0,085
0,04
Сернистый ангидрид
0,5
0,05
Оксид углерода
5,0
1,0
Пыль нетоксичная
0,5
0,15
Сажа
0,15
0,15
Бенз(а)пирен
–
0,000001
Формальдегид
0,035
0,012
щихся в воздухе, утвержденные Главным санитарноэпидемиологичес-ким управлением Минздрава РФ [21,25,27,28].
Расчеты ведутся по каждому вредному веществу в отдельности с тем, чтобы концентрация любого из них не превышала значений, приведенных в табл. 15.2. Для котельных уста-
новок эти условия ужесточены решением Минздрава РФ о введении дополнительных требований необходимости суммирования воздействия оксидов серы и азота, которое определяется из
уравнения [16]
/ПДК
С
SO
2
SO
+C
2
NО
/ПДК
2
N0
d1,
2
где C
ющих веществ в уходящих газах, мг/м
и CNO – фактические концентрации соответству-
SO
3
. Величины ПДК веществ
приведены в табл. 15.2.
Таблица 15.2
Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в атмосферном воздухе для населенных мест
Загрязняющее
вещество
Среднесуточная
Санитарные нормы предотвращают прямое вредное воздействие на здоровье людей, но не исключают возможности неблагоприятного влияния на окружающую среду. В связи с этим
разрабатывают нормы ограничений выброса абсолютных количеств веществ в окружающую среду для всех промышленных
предприятий, включая котельные и тепловые станции.
105
Такие ограничения называют нормами предельно допустимых
выбросов. Утверждают их в законодательном порядке.
15.3. Современные методы сокращения выбросов
загрязняющих веществ из котлов
Снизить выбросы вредных веществ котельными установками можно путем уменьшения содержания их в топливе,
снижения количества вредных веществ, образующихся в процессе горения топлива, очистки продуктов сгорания от вредных
примесей перед выбросом в атмосферу.
Уменьшение содержания токсичных веществ в топливе
связано с большими трудностями. Очистка твердых топлив от
примесей практически не осуществима, а жидких и газообразных (очистка мазута от серы на нефтеперерабатывающих заводах, получение малосернистого газа) требует значительных капитальных затрат и увеличивает эксплуатационные расходы. В
этой связи очистка топлив от токсичных примесей в настоящее
время применяется редко и не может быть рекомендована для
действующих теплоэнергетических предприятий. Для котельных установок рекомендуется производить очистку продуктов
сгорания перед выбросом их в атмосферу и принимать меры по
уменьшению количества токсичных веществ, образующихся в
процессе горения топлива. Однако наиболее радикальным методом уменьшения выброса вредных веществ является переход на
сжигание газообразного топлива. Практика показала, что перевод котельных установок средней мощности с твердого топлива
на газообразное обеспечивает снижение токсичности в 1–1,3
раза, а котлоагрегатов малой мощности – в 4–5 раз. Поэтому в
котельных установках малой мощности рациональнее применять только жидкие и газообразные топлива [10,11,13,15,17,20,
31,36].
При сжигании твердых и жидких топлив для улавливания летучей золы, частичек несгоревшего топлива и сажи применяют золоуловители и фильтры, серийно выпускаемые нашей
промышленностью. Если происходит полное сгорание твердого
или жидкого топлива, то практически вся сера сгорает, и в продуктах сгорания находится в основном малореакционный сер-
106
нистый ангидрид. Очистку продуктов сгорания от серного и
сернистого ангидридов осуществляют в мокрых скрубберах.
Вода улавливает серный ангидрид хорошо, сернистый ангидрид – плохо. Поэтому для увеличения доли его улавливания
применяют поглотители. При орошении потока продуктов сгорания известковым молоком можно добиться улавливания до
90 % сернистого ангидрида, причем стоимость очистки составляет всего около 12 % стоимости топлива. Однако при применении известковых суспензий в газоочистной аппаратуре образуются карбонатные отложения, затрудняется работа распылителей и жидкостных трактов системы газоочистки. Для устранения этих недостатков применяют известково-щелочной метод
улавливания сернистого ангидрида, при котором оксиды серы
улавливают с помощью щелочного раствора, а известь используют для подщелачивания жидкости. Этот метод рекомендуется
применять только на технологическом оборудовании, выпускаемом серийно.
Очистка продуктов сгорания от оксидов азота технологически сложна и экономически нерентабельна, поэтому необходимо принимать все меры к снижению образования оксидов
азота в топках, внедряя наиболее рациональные режимы горения. Основными методами снижения выхода оксидов азота и
уменьшения их выброса в атмосферу являются следующие:
снижение температуры в ядре факела; дробление крупного факела на несколько мелких; замена смесительных горелок подовыми; организация двухстадийного сжигания топлива. Температуру в ядре факела уменьшают отводом некоторого количества
теплоты от ядра зоны горения при сжигании газа и мазута. Отвод теплоты осуществляют увеличением угла раскрытия и
уменьшением длины амбразуры приточной водой или воздухом.
В обоих случаях снижается температура в ядре факела и уменьшается выход оксидов азота. Имеются другие способы снижения температуры в ядре факела, однако для котельных установок малой и средней мощности они практически не приемлемы.
При дроблении крупного факела на несколько мелких
повышается отношение площади поверхности факела к объему,
уменьшается время пребывания реагирующих веществ в зоне
107
высоких температур и увеличивается периметр корня факела
пламени, что вызывает повышение подсасывания продуктов
сгорания в факел за счет внутритопочной рециркуляции. Все это
приводит к снижению максимальной температуры в факеле и
уменьшению выхода оксидов азота. Дробление факела можно
осуществить установкой двухсветных экранов, как это выполнено в котлах типа ТВГ. Разделение факела на 6–8 отдельных
частей снижает концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания на 20–30 %. Замена смесительных горелок подовыми позволяет «растянуть» фронт факела пламени и снизить удельные
тепловые нагрузки, а в котельных установках малой и средней
мощности снизить концентрацию оксидов азота на 35–45 %
[16,17].
Подача воды или пара в ядро факела также приводит к
снижению выбросов оксидов азота. Этот способ предусматривает впрыск влаги в количестве 3–5 % от расхода топлива, что по
аналогии с вводом рециркулирующих газов уменьшает максимальную температуру в зоне горения. По сравнению с обычным
сжиганием газа и мазута данный метод позволяет на 10 % подавить образование NO
. Кроме того, впрыск влаги в топку эф-
X
фективен не только для подавления оксидов азота, но и для
уменьшения образования оксида углерода, углеводородов и сажистых частиц вследствие увеличения их скорости выгорания за
счет повышения концентраций радикалов Н и ОН в реакционной зоне [18,20].
Снижение температуры подогрева и уменьшение избытка воздуха в топке котлоагрегата также несколько сокращают
образование NO
как за счет уменьшения температурного уров-
X
ня в зоне горения, так и за счет падения концентрации свобод-
ного кислорода.
Радикальным способом подавления образования оксидов
азота является организация многоступенчатого сжигания топлива.
В отличие от традиционного (одноступенчатого) сжигания топливо сжигают в несколько ступеней, подводя на каждой ступени
только часть воздуха, необходимого для горения. В котельной
практике иногда применяют двухступенчатое сжигание топлива, а
в некоторых случаях – трех- и многоступенчатое (если позволяет
108
объем пространства в топочной камере, необходимого для завершения выгорания топлива). Зарубежный и отечественный опыт
эксплуатации котлов свидетельствует о возможности в 1,5–2,0 раза
уменьшить концентрацию NO
в продуктах сгорания при органи-
X
зации двухступенчатого сжигания (по сравнению с обычным сжиганием топлива). Сущность данного метода заключается в том, что
в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически, т.е. D
зону – с некоторым избытком: D
, < 1 (D1 = 0,85…0,95), а во вторичную
1
> 1 (D11 = 1,3…1,35). В результа-
11
те разбавления продуктами сгорания последующее горение протекает при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной
зоне горения оксиды азота фактически не образуются. Конструктивно метод двухступенчатого сжигания топлива можно осуществить в котельных агрегатах с двухъярусным расположением горелок на высоте топочной камеры. При этом практически не требуется существенной реконструкции котла, связанной с дополнительными затратами. Ниже приведена зависимость для определения экологической эффективности процесса двухступенчатого
сжигания [13, 16,36]:
ДВ
NONO
X
K
X
NO
ª
§
1%100
¨
«
©
«
¬
m
·
1
¸
DD
/1
¹
111X
.
º
%100
»
»
¼
В выражении показатель степени m принимается равным
3. В последние годы за рубежом разработаны топочные
|
устройства котлов для трехстадийного сжигания угля, которые
представляются весьма перспективными [16].
В настоящее время для котлоагрегатов, работающих на
газе и мазуте, созданы специальные конструкции горелок двухступенчатого сжигания топлива с целью получения растянутого
по длине топочной камеры факела, что обеспечивает значительное снижение температурного уровня в топке и соответственно
сокращение образования оксидов азота. Внедрение подобных
горелок в большинстве случаев не требует существенной реконструкции схем подачи воздуха и топлива на котлоагрегате. Из
зарубежных конструкций горелочных устройств двухступенчатого горения топлива некоторые представляют практический
109
интерес. Так, в горелке, описанной в [33], осуществляются завихрение потока и подача воздуха на горение в две стадии. По
центральной трубе горелки подаются топливо и воздух. Потоки
на выходе закручиваются лопатками с изменяемым углом поворота. Вторичный воздух может поступать в центральную трубу.
Основной объем его проходит по периферийному каналу, при
этом часть воздуха попадает в специальные каналы с лопатками
и закручивается с переменной степенью крутки. Это дает также
эффект эжекции части газов из рабочего пространства котла к
корню факела. В результате снижаются как температура факела,
так и уровень образования оксидов азота.
Зоны первичного и вторичного горения создаются при работе горелки, описанной в [34]. Горелка состоит из полусферической насадки, помещенной в керамическую чашу с отверстиями
для прохода вторичного окислителя. Первичная газовая смесь сгорает в насадке и догорает на поверхности керамической чаши. Для
подавления выхода NО
в горелку дополнительно вводят инерт-
X
ный газ. При этом топливо подается по оси горелки, воздух – по
кольцевому каналу, а инертный газ – по малому кольцу между ними.
Конструкция горелки надежна в эксплуатации и относится к числу малотоксичных топливосжигающих устройств
вследствие периодического изменения соотношения первичного
и вторичного воздуха, что обеспечивает подавление образования оксидов азота.
Перечисленные теплотехнические способы при комплексном их использовании могут существенно снизить образование
оксидов азота в топке. В табл. 15.3 приведены данные по экологической эффективности названных методов подавления оксидов
азота в топках котлоагрегатов.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]