Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации котельных городского хозяйства. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

IV этап - процесс распространения (внешнего) ЗВ (Р

расп2

)

II этап - процесс выделения (внутреннего) ЗВ (Р

выд1

)

Загрязня-

ющее вещество

ЗВ-3

Продукты

сгорания: дымо-

вые газы-3

Загрязняющее

вещество ЗВ-2

Отработанные

газы:

дымовые газы-2

III этап - процесс выделения (внешнего) ЗВ (Р

выд2

)

Внешний источник выделения ЗВ

Дымовая труба

Воздух ПСА

t= var,; φ= var; v = var

Загрязняющее вещество ЗВ-2

Дымовые газы-2

Загрязняющее

вещество ЗВ-3

Дымовые газы-3

Внутренний источник выделения ЗВ

Газоходы котла

Технологическое оборудование

Котлоагрегат

Загрязняющее вещество ЗВ-1

Дымовые газы 1

Воздух ПСА

t= var,; φ= var; v = var

Загрязняющее вещество ЗВ-3

Факел выброса дымовых газов-3

Загрязняющее

вещество ЗВ-4

Дымовые газы-4

I этап - процесс образования ЗВ (Р

обр

)

Технологическое оборудование

Котлоагрегат

Источник образования ЗВ

Топка котлоагрегата

Загрязняющее

вещество ЗВ-1

Продукты сгора-

ния: дымовые га-

зы-1

Технологическое сырье

Органические виды топлива, воздух

Рис. 1.6. Блок-схема физической модели процесса

загрязнения воздушной среды для котельных

Применительно к котельным формула (1) принимает вид:

где Р

выд (1)

, Р

выд.(2)

= Р

загр.

– соответственно вероятности процессов внутреннего

обр.

· Р

выд (1)

· Р

выд (2)

· Р

распр.

и внешнего выделения ЗВ при условии реализации процесса их образования;

– вероятность процесса распространения ЗВ (загрязняющего

распр.

аэрозоля) в воздушной среде при условии реализации процесса их выделения.

На этапе образования ЗВ основными объектами, взаимодействующими между собой, являются технологическое оборудование (топочная камера котлоагрегата) и технологическое сырье (различные виды органического топлива) [2, 63, 68].

Выделение ЗВ делится на два этапа – внутренний и внешний. Основными физическими объектами первого этапа являются внутренний источник выделения ЗВ (газовоздушный такт котлоагрегата) и газообразующий материал (продукты сгорания – отходящие газы) [2, 63, 68].

Важным условием экологичности, а также тепло- и энергоэффективности работы котлоагрегата является герметичность газовоздушного тракта. Однако возможна утечка образовавшихся отходящих газов через неплотности в шиберах, во фланцевых соединениях воздуховодов, в местах сварки металлических коробов и т.п. Загрязняющие вещества, образующиеся при сжигании органического топлива, могут также поступать во внутренний объем помещения через обдувочные лючки и места заделки их в обмуровку, лазы в обмуровке котла, гляделки в топочной камере и запальные отверстия для горелок.

Избежать попадания ЗВ в воздух рабочей зоны помещений возможно при правильной эксплуатации котлоагрегатов, систематических проверках плотности газовоздушных трактов.

При построении ФМП загрязнения воздушной среды считаем процесс поступления ЗВ во внутренний объем помещения котельной малозначимым и пренебрегаем им (т.е. исходим из того, что газоходы котла герметичны, выделение и распространение ЗВ во внутренние помещения не происходит), так как возможная концентрация ЗВ, поступающих с отходящими газами в воздух рабочей зоны, не превысит санитарногигиенических нормативов (ПДК

р.з.

На втором этапе взаимодействуют внешний источник выделения (дымовая труба) и газовый аэрозоль (отработанные газы – отходящие газы).

Процесс распространения ЗВ предполагает распространение газового аэрозоля в воздушном бассейне территории, в котором в качестве основных физических объектов участвуют воздух приземного слоя атмосферы и газовый аэрозоль (отходящие газы) [2, 63, 68].

Остановимся подробнее на важнейших характеристиках функциональных элементов ФМП загрязнения воздушной среды.

Технологическое оборудование как объект, участвующий в процессе загрязнения воздушной среды (представлено в нашем случае котлоагрегатом), является одним из основных объектов, участвующих в процессе загрязнения воздушной среды на этапах образования и выделения ЗВ. В нем источником образования ЗВ является топочная камера (топка) котла, внутренним источником выделения – газоходы котла, а внешним источником выделения – дымовая труба.

Технологическое оборудование, используемое для сжигания различных видов органического топлива, характеризуется следующими параметрами:

1) тип и марка;

2) технические характеристики:

 размеры оборудования (длина, ширина, высота оборудования, позволяющие определить тип источника образования и выделения ЗВ – точечный, линейный, плоскостной) и его масса;

 вид и размеры рабочего органа (в нашем случае это топочная камера котлоагрегата);

 режим работы (постоянный или периодический);

 производительность (расход топлива (кг/ч) и количество полу-

чаемой тепловой и/или электрической энергии);

3) комплектация котлоагрегата технологическим оборудованием

(дымосос, его марка, тип и мощность электродвигателя, вентилятор, его марка, тип и мощность электродвигателя);

4) параметры источника выбросов – дымовой трубы:

 тип источника (точечный);

 вид источника (организованный);

 высота источника, м;

 диаметр устья, м.

Важными показателями внешнего источника выделения с точки зрения загрязнения атмосферного воздуха являются расход уходящих

газов (м3/с), скорость уходящих газов (м/с) и температура уходящих газов (ºC).

Не менее значимым объектом, участвующим в процессе загрязнения воздушной среды на этапе образования ЗВ, является технологиче-

ское сырье.

Как было отмечено выше, для получения энергии на котельных используют различные виды органического топлива, важнейшими из которых являются природный газ, каменный и бурый уголь, мазут.

Анализ использования различных видов органического топлива котельными показал [68, 96], что основным видом топлива в России является природный газ. Тем не менее уголь, которого в нашей стране сжигается меньше, вызывает серьезные негативные экологические последствия [68, 96, 107]. Уголь характеризуется высокой зольностью, влажностью и обычно при практическом отсутствии обогащения имеет низкое качество [40, 64].

Среди жидких видов органического топлива основными являются нефтяной мазут (флотский мазут, котельное и печное топливо), получаемый в процессе переработки нефти, и газовый конденсат.

Мазут содержит углеводороды (полициклические, ароматические, парафиновые и прочие), смолистые вещества, серу (0,5–3,5 % в зависимости от марки). При увеличении температуры теплоемкость мазута увеличивается (при температуре 50°С она равна 1,82–2,0 кДж/кг·К), а теплопроводность уменьшается (при температуре 20°С она составляет 0,12–0,16 Вт/м·К).

Уголь, торф, сланцы, пески нефтяные (битуминозные) относят к твердым видам топлива. Эти виды органического топлива характеризу- ются теплотой сгорания, выходом (содержанием) летучих веществ, свойствами кокса.

Плотность углей изменяется в диапазоне от 1150 до 1500 кг/м3, соотношение углерода к водороду (С:Н) для каменных углей составляет 11,0–23,5, для бурых углей – 9,6–19,0. Угли содержат также серу (до 7%) [89].

Торф характеризуется большим выходом летучих веществ (до 70%), высокой влажностью и низкой теплотой сгорания [89].

Для сланцев характерны: высокое содержание водорода (7,5–9,5%) и летучих веществ (до 80–90%), большая зольность (50–60%), повышенная влажность и низкая теплота сгорания [89].

Главными физико-химическими свойствами природного газа, позволяющими его широкое применение, являются легкое воспламенение, высокие теплота сгорания и число метана. Важное достоинство природного газа – относительная экологическая безопасность продуктов сгорания, которые практически не содержат твердых частиц и сернистых соединений. Использование природного газа улучшает состояние воздушного бассейна городов и крупных промышленных центров.

Твердые и жидкие виды органического топлива характеризуются сложностью химического состава их органического вещества. Газообразное топливо представляет собой механическую смесь углеводородов и других соединений.

Углерод (С), водород (Н), сера (S), кислород (О) и азот (N), а также бисульфид железа (FeS2) (пирит и марказит) составляют горючую часть твердого и жидкого органического топлива. Кислород и азот – внутренний балласт топлива – в экзотермических реакциях не участвуют.

Наличие серы является причиной образования диоксида серы – вещества, обладающего коррозионной активностью. Суммарное содержание серы в топливе складывается из серы, содержащейся в органическом веществе топлива, пиритной или сульфидной серы (сера в сульфидах топлива) и сульфатной серы (серы негорючей части топлива).

Влага и минеральная часть составляют негорючую часть топлива и образуют при сжигании топлива золу.

Состав твердого и жидкого топлива обычно выражают в процентах по массе.

Содержание азота, диоксида углерода и сероводорода в природном газе незначительно (0–4%, не более 15% и не более 6% соответственно), он состоит в основном из метана (85–95%).

Наиболее важным параметром любого вида органического топлива является его теплота сгорания (Дж/м3, Дж/кг) [14]. Газообразное топливо характеризуется также такими параметрами, как состав (%), плотность (кг/м3), влажность (%), температура горения, воспламенения (°С), взрывоопасная концентрация, скорость распространения пламени и др. К параметрам жидкого топлива относят плотность (кг/м3), вязкость (°УВ), температуру вспышки, застывания, (само)воспламенения (°С), испаряемость, летучесть, зольность (%), коксуемость (%), фракционный состав (% по массе) и др.

Твердое топливо характеризуется следующими параметрами: влажностью, (%), зольностью (%), содержанием углерода, серы (%), выходом летучих веществ и кокса (%), объемной массой, грануломет-

рическим составом (%), механической и термической прочностью, горючестью, окисляемостью и др.

Воздух приземного слоя атмосферы как объект, участвующий в процессе загрязнения воздушной среды, вступает в процесс загрязнения на завершающем этапе распространения ЗВ во внешнюю среду. Характеристики воздуха приземного слоя атмосферы могут значительно изменяться, к ним относят природно-климатические параметры – направление и скорость ветра, среднюю температуру воздуха, относительную и абсолютную влажность, повторяемость приземных инверсий, число дней с туманами и некоторые другие.

Оценка состояния воздуха приземного слоя атмосферы включает определение потенциальной опасности его загрязнения (ПЗА) в зависимости от природно-климатических факторов конкретной территории, определяющих способность атмосферы рассеивать и адсорбировать ЗВ. Это зависит от характера турбулентного обмена и скорости ветра, наличия туманов, рельефа местности и других факторов. Учитывают также фактические и фоновые концентрации основных и специфических ЗВ, поступающих в атмосферный воздух от различных источников, находящихся на данной территории.

Загрязняющие вещества как объекты, участвующие в процессе загрязнения воздушной среды, взаимодействуют с другими объектами на каждом из этапов процесса загрязнения воздушной среды. При этом, проходя все этапы процесса, они претерпевают качественные и количественные изменения, изменяют свою устойчивость. Образуясь в процессе горения, ЗВ имеют высокую температуру и низкую скорость, их концентрация в топке котла весьма высока. Затем, взаимодействуя с другими элементами – газоходами котла, дымовой трубой, они изменяют свои параметры: увеличивается скорость, снижается концентрация и температура. Взаимодействие ЗВ с воздухом приземного слоя атмосферы влияет на концентрацию ЗВ (процесс рассеивания), их химический состав (процессы взаимодействия с различными компонентами окружающей среды).

По нашему мнению, наиболее значимыми с экологической точки зрения ЗВ, поступающими в воздушный бассейн городов, являются оксиды азота и углерода, образующиеся при сжигании всех видов органического топлива, диоксид серы, выделяющийся при сжигании твердого

и жидкого органического топлива, а также сажистые частицы, содержащиеся в отходящих газах при сжигании твердого топлива.

Ниже рассмотрены наиболее значимые физико-химические свойства основных ЗВ.

Диоксид серы (сернистый ангидрид) SO2 – бесцветный газ с резким запахом. Молекулярная масса равна 64,066. Плотность чистого сернистого ангидрида при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. составляет 2,9267 кг/м3, теплоемкость – 39,8 Дж/(моль∙К), температура плавления составляет –75,46°С, температура кипения составляет – 10,06°С, критическая температура равна 157,5 °С, критическое давление равно 7,88 МПа. Чистый сернистый ангидрид конденсируется в жидкость при температуре 10,8°С и при давлении паров SO2 над жидкой фазой 760 мм рт.ст. При температуре +50,0°С и давлении 0,84 МПа SO2 переходит в жидкое состояние. Средняя удельная теплоемкость жидкого SO2 в интервале температур от –20,6°С до +9,8°С равна 20,8 Дж/(моль∙К). При температуре –72,5°С SO2 переходит в твердое состояние [32, 73].

Попав в воздух, диоксид серы остается в нем сравнительно недолго: от трех недель (в сухом и чистом воздухе) до нескольких часов (во влажном воздухе с посторонними примесями, например аммиаком). Когда SO2 смешивается в воздухе с каплями влаги, происходят фотохимические, каталитические и другие реакции, в результате чего образуется вторичное ЗВ – серная кислота Н2SО4, что значительно повышает опасность диоксида серы. Кроме того, диоксид серы, взаимодействуя со взвешенными частицами, образует соли серной кислоты, которые способны оседать в лёгких человека и вызывать серьёзные заболевания, вплоть до разрушения тканей. При вдыхании сравнительно небольших концентраций диоксида серы у человека воспаляются верхние дыхательные пути. При этом поражение лёгких происходит через 1–2 дня после попадания SO2 в дыхательные пути [9, 38, 93]. В атмосферном воздухе города максимальная разовая концентрация диоксида серы ПДК

– 0,5 мг/м3, а среднесуточная ПДК

м.р.

– 0,05 мг/м3 [70, 71].

с.с.

Монооксид азота NО – бесцветный газ, образуется при прямом соединении азота с кислородом. Молекулярная масса равна 30,008. Плотность NО при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. составляет 1,3402 кг/м3, теплоемкость – 29,86 Дж/(моль∙К), температура плавления составляет –163,7°С, температура кипения составляет –151,6°С,

критическая температура равна – 93°С, критическое давление равно 6,48 МПа [32, 73].

NО является сильно ядовитым веществом и при воздействии на организм человека действует на центральную нервную систему, разрушающе действует на легкие, в тяжелых случаях вызывая отек и понижая кровяное давление [9, 38, 93]. В атмосферном воздухе города максимальная разовая ПДК

– 0,4 мг/м3, а среднесуточная ПДК

м.р.

с.с.

–

0,06 мг/м3 [70, 71].

Диоксид азота NО2 – газ красновато-бурого цвета с характерным

острым запахом. Молекулярная масса равна 46,008. Плотность NО2 при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. составляет 1490 кг/м3, теплоемкость – 36,7 Дж/(моль∙К), температура плавления составляет -11,2°С, температура кипения составляет 21°С, критическая температура равна 158°С, критическое давление равно 10,1 МПа [32, 73].

Кратковременное воздействие диоксида азота на организм человека вызывает изменения в легких, повышенную восприимчивость. Даже при незначительных концентрациях в атмосфере, он действует на слизистые оболочки глаз и носоглотки, повреждает легочную ткань и снижает сопротивляемость организма к инфекционным болезням [9, 38, 93]. В атмосферном воздухе города максимальная разовая ПДК – 0,2 мг/м3, а среднесуточная ПДК

– 0,04 мг/м3 [70, 71].

с.с.

м.р.

Оксид углерода (угарный газ) СО – бесцветный газ, не имеющий запаха. Молекулярная масса равна 28,01. Плотность СО при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. составляет 1,25 кг/м3, теплоемкость – 29,14 Дж/(моль∙К), температура плавления составляет -205,02°С, температура кипения составляет -191,50°С, критическая температура равна – 140,2 °С, критическое давление равно 3,48 МПа [32, 73].

Оксид углерода чрезвычайно ядовит. При воздействии на организм человека оксид углерода, имея двойную химическую связь, замещает в крови молекулы кислорода, что приводит к возникновению спазма сосудов и головной боли, снижению иммунологической активности, потере сознания и даже смерти [9, 38, 93]. В атмосферном воздухе города максимальная разовая ПДК ПДК

– 3 мг/м3 [70, 71].

с.с.

– 5 мг/м3, а среднесуточная

м.р.

Диоксид углерода (углекислый газ) СО2 − бесцветный, негорючий газ со слабым кисловатым запахом и вкусом. Молекулярная масса равна 44,010. Плотность СО2 при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст.

составляет 1,97 кг/м3, теплоемкость – 819 Дж/(моль∙К), температура плавления составляет –56,6°С, температура кипения составляет –78,47°С, критическая температура равна 31,05°С, критическое давление равно 7,38 МПа [32, 73].

Диоксид углерода нетоксичен, но не поддерживает дыхание. СО2 является продуктом процесса горения и при достаточно больших количествах может подавлять этот процесс, вытесняя из воздуха кислород. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье [9, 38, 93]. Углекислый газ легко пропускает к земной поверхности солнечный свет в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. В то же время он поглощает испускаемые земной поверхностью инфракрасные лучи, вследствие чего его относят к парниковым газам [9, 38, 93]. Нормирование концентрации диоксида углерода в воздушной среде не производится [70, 71].

Сажа – дисперсный углеродный продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов, состоящий из сферических частиц черного цвета. Средний размер сажевых частиц – 100-3500 мкм. Физико-химические свойства сажи одного вида колеблются в значительных пределах и зависят от способа термического разложения, метода осаждения образовавшейся взвеси и вида использованного сырья. При этом к основным показателям свойств сажи относят: дисперсность (размеры и форма сажевых агрегатов), структурность, удельную поверхность, адсорбционную способность, содержание летучих веществ, серы, посторонних включений, зольность и рН водной суспензии

[32, 73].

Попадая в атмосферу, сажа поглощает солнечное излучение и, нагреваясь, поднимается в верхние слои атмосферы, в конечном счете нагревая ее. Вследствие этого увеличивается испарение окружающих облаков и уменьшается количество осадков [9, 38, 93]. Длительное воздействие сажи вызывает рак кожи и обострение респираторных заболеваний [9, 38, 93]. В атмосферном воздухе города максимальная разовая ПДК

сажи составляет 0,15 мг/м3, а среднесуточная ПДК

м.р.

– 0,05

с.с.

мг/м3 [70, 71].

Каждое из ЗВ, образующихся при работе котельных, характеризуется набором параметров свойств. Рассмотрение ЗВ как дисперсных систем позволяет дать их наиболее полную характеристику, исследовать процессы и явления, происходящие в аэрозолях и систематизировать параметры свойств по группам, главным классификационным признаком в которых является физическая сущность процессов и явлений, протекающих в аэрозолях [2, 24]. В конечном счете это позволит управлять поведением таких аэрозолей.

Загрязняющий аэрозоль

Параметры II рода

S(A)

- энергия движения

S(A)кин.

(кинетическая энер-

гия);

- квантовая энергия

S(A)опт.

(оптического взаимо-

действия);

- энергия адгезионного вза-

имо-действия W

S(A)адг.

(коагу-

ляция);

- энергия гидродинамиче-

ского взаимодействия W

S(A)гд

(смачи-ваемость, растекание, конденса-ция, испарение и др.);

- тепловая энергия W

S(A)теп.

;

- электромагнитная энергия

S(A)эм

Параметры III рода

- кинетическая устойчивость

Aкин.

(обусловлена броуновским

движением и диффузией);

- агрегативная устойчивость

Aагр.

(обусловлена эффектами и

явлениями, препятствующими слипанию и укрупнению частиц).

Параметры I рода

ПСА

ПС

Д.Ф.

- группа геометрических параметров

ГП

Д.Ф.

(например, дисперсность, средний ме-

дианный диаметр частиц, эквивалентный диаметр частиц, удельная поверхность частиц и др.);

- группа физико-химических параметров

ФХП

Д.Ф.

(например, плотность вещества, раз-

рывная прочность, концентрация частиц, константа коагуляции и др.);

- группа оптических параметров ОП

Д.Ф.

(например, показатель преломления светового потока для частиц, показатель отражения светового потока для частиц и др.);

- группа аэродинамических параметров

АДП

Д.Ф.

(например, коэффициент шероховато-

сти, динамический коэффициент формы частицы и др.);

- группа гидродинамических параметров

ГДП

Д.Ф.

(краевой угол смачивания, поверх-

ностное натяжение, влажность и др.);

- группа теплофизических параметров

ТФП

Д.Ф.

(например, температура частиц, ко-

эффициент теплопроводности частиц и др.);

- группа электромагнитных параметров

ЭМП

Д.Ф.

(например, средний заряд частиц,

удельное электрическое сопротивление, магнитная восприимчивость материала и др.)

ПС

Д.С.

- группа геометрических параметров

ГП

Д.С.

(например, длина свободного про-

бега газовых молекул, эквивалентный диаметр облака аэрозоля и др.);

- группа физико-химических пара-

метров ФХП

Д.С.

(например, плотность

ДС, масса молекул вещества ДС и др.);

- группа оптических параметров

ОП

Д.С.

(например, показатель преломле-

ния светового потока для ДС, показатель отражения светового потока для ДС и др.);

- группа аэродинамических пара-

метров АДП

Д.С.

(например, динамическая

(кинематическая) вязкость, равновесное давление вещества в ДС и др.);

- группа гидродинамических пара-

метров ГДП

Д.С.

(например, абсолютная и

относительная влажность и др.);

- группа теплофизических парамет-

ров ТФП

Д.С.

(например, температура ДС,

коэффициент теплопроводности ДС и др.);

- группа электромагнитных пара-

метров ЭМП

Д.С.

(например, напряжен-

ность электрического поля, диэлектрическая проницаемость вещества ДС и др.)

Рис. 1.7. Систематизация параметров, определяющих поведение загрязняющих аэрозолей

с позиции теории дисперсных систем

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]