Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации котельных городского хозяйства. Монография
.pdf
показатель технологической надежности (устойчивость работы
системы очистки).
К числу наиболее известных и представляющих практический интерес научных подходов выбора оптимальных мероприятий для снижения загрязнения воздушной среды объектов городского хозяйства, в том
числе котельных, относят:
теорию принятия решений по снижению загрязнения атмосферы
[23, 72, 75, 102, 103];
количественный метод нормирования ЗВ в воздушном бассей-
не [66];
термодинамический метод оценки способов снижения вредных
выбросов (эксергетический анализ) [28, 76];
физико-энергетический подход [25, 26, 61, 62].
Теория принятия решений по снижению загрязнения атмосферы,
изложенная в работе [75], включает оценку и выбор наилучших вариантов решений (как организационных, так и технических) по снижению
загрязнения ОС городских территорий. Основа подхода – матричная
оптимизация последовательности выбора организационных и технических решений для конкретных производственно-технологических условий, позволяющая принять такие решения, которые адаптированы к
рассматриваемым условиям и будут удовлетворять заданным требованиям. Выходными параметрами подхода [75] являются набор организационных и технических решений, а также значения оптимальных рабочих параметров, обеспечивающих при минимальных экономических затратах максимальную экологическую эффективность и надежность.
По мнению авторов, универсальность подхода [75] обеспечивается
алгоритмическим принципом построения, при этом открытость алгоритма процедуры выбора дает возможность вносить в него изменения и
дополнения, обеспечивая дальнейшее развитие методики.
Однако наличие большого объема исходной информации, промежуточных и результирующих параметров, является существенным недостатком предлагаемого подхода [75].
Количественный метод нормирования ЗВ в воздушном бассейне
[66] предполагает использование в качестве основного критерия оценки
и выбора оптимальной технологии очистки установление норматива
предельно допустимого выброса (ПДВ), т.е. соблюдение условия непревышения фактической концентрации ЗВ на границе санитарно-
41
защитной зоны над ПДК. Недостатком данной методики, основанной на
применении показателей предельно допустимых уровней воздействия
деятельности человека на окружающую среду, является отсутствие
общности в оценке воздействия на все составляющие окружающей среды одновременно (атмосферу, литосферу, гидросферу), а также ее
направленность на защиту от этого воздействия только человека, а не
всей окружающей среды.
По мнению авторов термодинамического метода оценки способов
снижения вредных выбросов (эксергетического анализа) [5, 28, 76], основополагающим показателем, характеризующим суммарное воздействие каких-либо объектов антропогенной деятельности на окружающую среду, является эксергия выбрасываемых в нее потоков энергии и
вещества.
Проводить анализ и выбор способов снижения выбросов ЗВ от котельных следует, основываясь на теории эксергии, с учетом разделения
сопутствующих потерь на безвозвратные и «полезные», использование
которых возможно в качестве вторичных энергоресурсов [28, 76].
Во всех технологических процессах, протекающих в производственной среде, постоянно происходит превращение одних видов энергии в другие [28, 76]. Подобно превращению энергии, подчиняющемуся
закону ее сохранения, происходит преобразование эксергии в этих же
процессах. Следовательно, технологический процесс, связанный с преобразованием энергии, тем совершеннее, чем меньше происходит при
его протекании потерь эксергии. Этим и определяется понятие эксергетического баланса (или КПД) процесса или системы. В общем случае
удельной эксергией называют удельную работоспособность теплоты,
или потока рабочего тела, в обратимом термодинамическом процессе
изменения состояния системы от начальных параметров до состояния
равновесия с окружающей средой [5, 28, 76].
Применительно к выбросу ЗВ с отходящими газами становится очевидным тот факт, что производственная установка тем экологичнее, чем
меньшую величину эксергии имеет поток выбросов, т.е. тем меньше
«нагрузка» на окружающую среду в форме теплового и химического загрязнения. Разрабатывая способы снижения выбросов ЗВ, необходимо
стремиться к тому, чтобы выброс потоков энергии и вещества содержал в
себе эксергию, близкую к нулю. По мнению авторов работы [76], в данном случае оценка степени совершенства какого-либо производства при-
42
нимает более объективный характер, так как позволяет учитывать реальные издержки производства с определением участков и причин их возникновения в рассматриваемой системе. Это также дает стимул для развития малозатратных и эффективных способов снижения выбросов ЗВ.
Основными недостатками рассмотренных методических подходов
к оценке и выбору оптимальной технологии очистки объектов городского хозяйства, в том числе котельных, являются:
отсутствие учета полезной и затраченной энергии при реализа-
ции процесса очистки воздуха от ЗВ;
требование предварительного выбора оборудования для очистки
воздуха от ЗВ;
отсутствие учета свойств ЗВ при определении фактической и
требуемой эффективности очистки.
С нашей точки зрения, наиболее совершенным является физикоэнергетический подход [25, 62, 118, 119], в рамках которого представлена комплексная методика выбора и формирования высокоэффектив-
ных и экономичных систем очистки воздуха.
Комплексная методика в рамках физико-энергетического подхода
[25, 62, 118, 119] предполагает последовательный выбор:
1 – функциональных элементов (связывание, задержание, улавли-
вание ЗВ, их очистка и рассеивание);
2 – технических способов и устройств (средств) для реализации
выбранных функциональных элементов.
Важнейшими расчетными параметрами комплексной методики
являются экологическая эффективность и энергоемкостный показатель
(энергетическая эффективность) процесса очистки [25, 62, 118, 119].
Основные этапы реализации комплексной методики формирования высокоэффективных и энергетически экономичных инженерных
систем очистки воздуха [25, 62, 118, 119]:
1. Формирование блока исходных данных об объектах, участву-
ющих в процессе загрязнения и снижения загрязнения воздушной
среды.
2. Определение возможности (и необходимости) реализации каж-
дого функционального элемента системы борьбы с ЗВ с учетом наличия
(или приобретения) необходимого оборудования на предприятии.
43
3. Создание возможных комбинаций «метод – способ – техноло-
гический вид реализации» процесса снижения загрязнения воздушной
среды.
4. Выбор наиболее подходящих комбинаций «метод – способ –
технологический вид реализации» с учетом технологических параметров производственного процесса и нормативных требований к воздуху
рабочей зоны и промышленной площадки.
5. Расчет требуемой эффективности очистки исходя из условия
непревышения ПДК ЗВ на границе санитарно-защитной зоны предприятия.
6. Расчет фактической эффективности очистки для отобранных в
п.4 комбинаций «метод – способ – технологический вид реализации» с
выбором тех комбинаций, для которых фактическая эффективность
очистки превышает требуемую или равна ей.
7. Расчет для отобранных в п.4 и п.6 комбинаций «метод – способ
– технологический вид реализации» энергоемкостного показателя.
8. Выбор комбинаций «метод – способ – технологический вид ре-
ализации» по максимальному значению энергоемкостного показателя, а
в случае равенства энергоемкостного показателя для нескольких комбинаций – по минимальному из соответствующих значений удельной
затраченной энергии.
9. Выбор технических средств реализации процесса снижения за-
грязнения воздушной среды из числа известных.
10. В случае невозможности обеспечения требуемой эффективно-
сти очистки необходима разработка новых инженерных решений на основе разработанных авторами этой методики принципов совершенствования процесса очистки.
Достоинствами комплексной методики выбора и формирования
высокоэффективных и экономичных систем очистки воздуха в рамках
физико-энергетического подхода [25, 62, 118, 119] являются:
1) возможность корректировки методики по мере накопления но-
вых теоретических и практических знаний;
2) возможность проведения сравнительного анализа комбинаций
«метод – способ – технологический вид реализации» для достижения
требуемых концентраций ЗВ в воздухе;
44
3) оптимизация процесса снижения загрязнения воздушной среды
при создании новых, более совершенных конструктивных элементов
систем борьбы с ЗВ;
4) учет реальных производственно-технологических условий на
предприятиях;
5) конструирование сложных систем борьбы с ЗВ, включающих
более простые системы.
Несмотря на недостаток комплексной методики выбора и формирования высокоэффективных и экономичных систем очистки воздуха
(отсутствие в системе борьбы с ЗВ функционального элемента, осуществляющего транспортирование ЗВ), именно она является наиболее
приемлемой для выбора технологий и оптимизации рабочих параметров
процессов очистки отходящих газов котельных. Эффективность очистки и энергоемкостный показатель являются основными оптимизационными критериями в этой методике. Однако для условий эксплуатации
котлоагрегатов котельных эти критерии пока не имеют совершенного
математического описания.
45
2. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ БОРЬБЫ
С ЗАГРЯЗНЯЮЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ
ДЛЯ КОТЕЛЬНЫХ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА
2.1. Физическая модель процесса снижения
загрязнения воздушной среды для котельных
На основе построенной ФМП загрязнения воздушной среды по
аналогии с пылевым загрязнением авторами построена ФМП снижения
загрязнения воздушной среды, иллюстрирующая последовательное целенаправленное воздействие на загрязняющий аэрозоль внешними дисперсными системами на каждом этапе процесса загрязнения [21, 42, 61].
Анализ современного состояния проблемы снижения загрязнения
воздушного бассейна городской среды котельными позволяет заключить, что снижение концентрации ЗВ, содержащихся в отходящих газах,
может быть достигнуто реализацией двух основных циклов процесса
[21, 42, 61].
1. Снижение загрязнения технологического сырья (различных ви-
дов органического топлива) или технологического оборудования (котлоагрегатов котельных). Основная цель цикла – предупреждение выхода частиц ЗВ из объема технологического сырья. Организация процесса
ориентирована на материал ЗВ. Этот цикл включает два основных этапа
[21, 42, 61]:
1 этап – связывание ЗВ – заключается в предотвращении процесса
образования ЗВ в объеме технологического сырья;
2 этап – задержание ЗВ – заключается в предотвращении процесса
выделения частиц ЗВ из объема технологического сырья.
При реализации первого цикла процесса снижения загрязнения
воздушной среды энергетические и материальные затраты минимальны,
потому что воздействие дополнительной дисперсной системы направлено концентрированно (в зону технологического сырья). Величина
ПДК
– индикатор достаточности реализации первого цикла процесса
р.з.
снижения загрязнения воздушной среды. Первый цикл процесса снижения загрязнения воздушной среды для котельных городского хозяйства
более рационален [7, 51, 86–88, 91, 99] и может включать рециркуляцию
отходящих газов, подачу в зону горения избыточного количества воздуха, десульфуризацию топлива, добавку химических веществ, впрыск влаги или пара в топку, предварительный подогрев топлива и т.п.
46
Однако его применение экономически неоправдано, а основным
препятствием являются производственно-технологические требования,
которые вводят ограничения на параметры свойств дополнительных
дисперсных систем.
2. Снижение загрязнения воздушной среды при дополнительной
реализации на действующем или проектируемом производственнотехнологическом оборудовании (котлоагрегате) специальных инженерно-технических мероприятий (систем), обеспечивающих разрушение ЗВ
как дисперсных систем. Основная цель второго цикла процесса снижения загрязнения воздушной среды заключается в разрушении аэрозольных ЗВ за счет разделения д.ф. и д.с. С целью снижения загрязнения котельными воздушного бассейна городских территорий используют
именно второй цикл процесса.
Второй цикл процесса включает три основных этапа [21, 42, 61]:
1(3) этап – улавливание ЗВ – заключается в локализации (предотвращении распространения) ЗВ в заранее выделенной ограниченной
зоне, удалении ЗВ из данной зоны с последующей их транспортировкой
в зону очистки;
2(4) этап – очистка воздуха от ЗВ – заключается в максимальном
разделении д.ф. и д.с. дисперсной системы, образовавшейся после улавливания ЗВ.
В случае когда реализация процесса очистки не позволяет достичь
концентрации ЗВ в экологически значимой зоне (ЭЗЗ), соответствующей ПДК
(или ПДС
м.р.
), процесс снижения загрязнения воздушной
с.с.
среды предусматривает дополнительно реализацию еще одного этапа
[21, 42, 61]:
3(5) этап – рассеивание ЗВ – заключается в интенсивном разудалении частиц ЗВ при их выводе в атмосферу и ускоренном гравитационном высеве в заранее выделенной, строго ограниченной зоне. При реализации процесса рассеивания ЗВ обеспечивается дополнительное
снижение концентрации ЗВ в приземном слое атмосферы до уровня
ПДК
(ПДК
м.р.
с.с.
).
Как было отмечено в п. 1.4, мы исходим из того, что газоходы
котла герметичны, т.е. выделение и распространение ЗВ во внутренние
помещения не происходит и, следовательно, при сжигании органического топлива нет необходимости в организации этапа улавливания ЗВ,
поскольку они из источника образования сразу попадают в газоходы.
Таким образом, в нашем случае второй цикл процесса снижения загряз-
47
нения воздушной среды включает реализацию процессов очистки и рассеивания (при необходимости).
Реализация второго цикла является неэкономичной по отношению
к первому циклу, требует значительных энергетических затрат и конструктивно не связана с основным производственно-технологическим
процессом.
Загрязняющие вещества, образующиеся при сжигании различных
видов органического топлива, представляют собой газовые (в случае газообразных ЗВ – оксиды серы, азота, углерода) или пылевые аэрозоли
(в случае твердых сажистых частиц) в соответствии с классификацией
дисперсных систем по агрегатному состоянию д. ф. и д. с. [6, 27, 89].
Сущность процесса снижения загрязнения воздушной среды
[21, 42, 61] заключается в последовательном целенаправленном воздействии на загрязняющий аэрозоль внешними дисперсными системами на
каждом этапе процесса загрязнения. Взаимосвязь параметров внешних
воздействий и газового аэрозоля отражена в ФМП снижения загрязнения воздушной среды (рис. 2.1) через изменение параметров свойств
(ПС), энергетических параметров (W) и устойчивости (U) взаимодействующих систем.
В процессе сжигания органического топлива образуется аэрозоль,
который снижает свою устойчивость и преобразуется в «Исходную – I»
(«И – I») дисперсную систему. Ее устойчивость возрастает, так как в
процессе горения к этой системе постоянно подводится энергия.
В процессе очистки «И – I» дисперсная система взаимодействует с
заранее подготовленной «Дополнительной – II.1» («Д – II.1») дисперсной системой. В результате этого взаимодействия образуются две дисперсные системы:
1 – «Остаточная – II.2» («О – II.2») дисперсная система, которая
характеризуется повышенным содержанием частиц ЗВ и повышенной
устойчивостью. «О – II.2» дисперсная система направляется в систему
утилизации.
2 – «Промежуточная – II.1» («П – II.1») дисперсная система – загрязняющий аэрозоль с определенной остаточной концентрацией ЗВ,
направляемый либо в атмосферу (при соблюдении предельно допустимых выбросов – ПДВ), либо в зону принудительного рассеивания. При
этом «П – II.1» дисперсная система характеризуется повышенным значением устойчивости как аэрозоля.
48
Технологическое
оборудование
Котлоагрегат
Технологическое
сырье
Органические виды
топлива
«Исходная» дисперсная
система
Источник образования –
топка котла
ПСИ, W
S
И
, UИ
«Промежуточная–II.1»
дисперсная система
На выброс в атмосферу
через дымовую трубу
ПС
П-II.1
, W
S
П-II.1
, U
П-II.1
«Остаточная–ΙΙ.3»
дисперсная система
Остается на промплощадке
котельной
ПС
О-II.3
, W
S
O-II.3
, U
O-II.3
«Дополнительная–II.2»
дисперсная система
Очистка воздуха
от ЗВ
ПС
Д-II.2
, W
S
Д-II.2
, U
Д-II.2
«Дополнительная–II.3»
дисерсная система
Рассеивание ЗВ
ПС
Д-II.3
, W
S
Д-II.3
, U
Д-II.3
«Остаточная–II.2»
дисперсная система
В виде шлама в систему
регенерации (утилизации)
ПС
О-II.2
, W
S
О-II.2
, U
О-II.2
«Остаточная–II.4»
дисперсная система
Остается в воздушном
бассейне города (ПСА)
ПС
О-II.4
, W
S
O-II.4
, U
O-II.4
Рис. 2.1. Блок-схема физической модели процесса
снижения загрязнения воздушной среды для котельных
В процессе принудительного рассеивания на «П – II.1» дисперсную систему целенаправленно воздействуют «Дополнительной – II.3»
дисперсной системой, заранее подготовленной по параметрам. В результате этого образуются две дисперсные системы в аэрозольном состоянии:
49
1 – «Остаточная – II.3» («О – II.3») дисперсная система, представ-
ленная максимальным количеством частиц ЗВ. После взаимодействия с
«Д – II.3» дисперсной системой она уменьшает свою устойчивость в качестве загрязняющего аэрозоля и стремится перейти в состояние материала ЗВ с увеличением, а затем стабилизацией своей устойчивости.
2 – «Остаточная – II.4» («О – II.4») дисперсная система, представленная минимальным количеством ЗВ. Она остается в аэрозольном состоянии, устойчивость ее во времени незначительно растет, а затем стабилизируется. Эта система в конечном счете формирует остаточную
концентрацию ЗВ в воздушном бассейне рассматриваемой территории.
В результате последовательного воздействия на исходную, промежуточную и остаточную дисперсные системы внешними дополнительными дисперсными системами в соответствии с законами сохранения массы и энергии происходит трансформация взаимодействующих
систем. Это преобразование заключается в том, что вновь образуемые
дисперсные системы отличаются параметрами свойств, энергетическими параметрами и устойчивостью от взаимодействующих.
С позиции теории устойчивости дисперсных систем сущность
процесса снижения загрязнения воздушной среды заключается в разрушении всех дисперсных систем, перешедших в состояние аэрозоля. Математически сущность процесса снижения загрязнения воздушной среды с учетом вероятности реализации каждого из его этапов как зависимых событий в нашем случае выражается формулой [21, 42, 61]
,
где РО – вероятность реализации процесса очистки;
Р
– вероятность реализации процесса рассеивания.
Р
Анализ построенной ФМП снижения загрязнения воздушной среды для котлоагрегата позволяет нам предложить схему последовательного перевода ЗВ как дисперсных систем из одного качественного состояния в другое (загрязняющий аэрозоль – материал ЗВ) и в дальнейшем предложить структуру специальной инженерно-экологической системы, в которой на ЗВ, содержащиеся в отходящих газах, будут последовательно и целенаправленно оказываться соответствующие внешние
воздействия. Целью этих воздействий является снижение устойчивости
загрязняющего аэрозоля в соответствии с представленной схемой
трансформации дисперсных систем (рис. 2.2).
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]