Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

Удельный расход топлива – природного газа (по формулам

Из формулы (3.17) также найдем для данного процесса удельный полезный расход теплоты:

qт = bт ηт = 1 567,0 0,6 = 940 МДж/т.

Библиографический список к главе 3

1.Лисиенко В.Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М.Г. Сооружение промышленных печей. Проектирование плавильных комплексов: Справочное издание: Книга 1, том I / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплотехник. 2006.

2.Лисиенко В.Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. Справочное издание: В 3−х книгах / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплотехник. 2003−2004.

Контрольные вопросы к главе 3

1.Дать определение условного топлива и нефтяного эквивалента.

2.Показатели тепловой работы энергетических и энерготехнологических агрегатов и их определение?

3.Основные характеристики применяемых топлив и их определение?

4.Определить мощность, развиваемую автомобилем при расходе топ-

лива вт = 5 л /100 км, если на дистанции 100 км им развивалась средняя скорость 80 км/ч.

5.Определить низшую и высшую теплоту сгорания угольного топлива при концентрации элементов и влаги в топливе на рабочую массу Ср =

=60 %, Hp = 4,2 %, Sp = 0,3 %, Wp = 10 %.

6.Определить балансовую температуру горения природного газа при

подогреве воздуха для горения 500 °С и химическом недожоге топлива при горении q3 = 2 %.

61

Глава 4. ОБЩИЕ, ВРЕДНЫЕ И ПАРНИКОВЫЕ ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ

4.1.Расчет эмиссии общих, вредных

ипарниковых выбросов

Общие, вредные и парниковые выбросы в атмосферу при сгорании органических топлив производится через расчет эмиссий продуктов сгорания.

Основными вредными выбросами с продуктами сгорания топ-

лив являются: NOx, CO, SO2, C2H4, H2S.

Характерным парниковым газом является двуоксид углерода СО2, парниковый эффект вызывают также водяные пары Н2О, метан СН4 и ряд других газов, имеющие полосы поглощения в спектре излучения в инфракрасной области.

Расход общих выбросов Vобщ зависит от выхода продуктов сго-

СО2 в продуктах сгорания, доли.

Расчет удельных выбросов вредных веществ и парниковых газов

где P – производительность энерготехнологического агрегата, например, т/ч.

62

Используя формулы (4.1)–(4.5) и имея в виду, что отношение Вт/Р равно удельному расходу топлива (см. гл. 3)

Вт / Р = bт, (4.6)

получаем выражения для удельных выбросов вредных веществ и парниковых газов, соответственно:

где qт − удельный полезный расход теплоты на реализацию соответствующего процесса; ηт − тепловой КПД энерготехнологического агрегата (см. гл. 7).

Уравнения (4.2), (4.3), (4.7), (4.8) являются наглядной и значимой иллюстрацией тесной связи расходов топлив и выбросов в атмосферу, связи проблем энергосбережения и экологии, что как раз и является ключевым положением, заложенным в основу построения данного учебного пособия как отражающее реальные связи в энерготехнологиях.

В соответствии с уравнениями (4.7) и (4.8) удельный расход топлива, а следовательно, общие, вредные и парниковые выбросы уменьшаются с увеличением теплового КПД ηт. В свою очередь, величина ηт возрастает с ростом степени регенерации теплоты ηр, снижением тепловых потерь и ростом теплообменного КПД ηп. Детально роль этих факторов отражена в гл. 7.

4.2.Экономический ущерб от вредных выбросов

Всовременных условиях при наличии вредных выбросов в атмосферу применяется исчисление эколого-экономического ущерба окружающей природной среде и требуется плата предприятиями за загрязнение этой среды.

Предлагается трактовать экономический ущерб как фактические или возможные потери, урон, отрицательные изменения природы, живых организмов, которые возникают от каких-либо действий, бездействия, выраженные в стоимостной форме. Экономический ущерб формируется только в том случае, когда проявляются действия всех трех групп факторов: факторы влияния, факторы состоя-

63

ния и факторы восприятия. При определении экономического ущерба следует различать потенциальный, возможный, фактический, предотвращенный и ликвидированный ущерб.

При оценках экономического ущерба выделяются два принципиально разных подхода: прямой подсчет и косвенная оценка. Различие этих подходов состоит в том, что при косвенной оценке ущерб определяется не в целом, как при прямом счете, а для конкретного индивидуума или источника. И затем ущерб переносится на группу людей.

Экономический ущерб от вредных выбросов (экологоэкономический ущерб) рассчитывается по формуле:

где Св.в – плата за вредные выбросы, руб., взимается обычно за тонну приведенного выброса; Мв.в – масса приведенного вредного выброса, т у.в., которая определяется как

i

где mi – фактическая масса данного вредного выброса, т; Аi – коэффициент агрессивности данного вредного выброса, т у.в./т; N – число вредных выбросов.

Величины Аi часто оцениваются как значения, обратно пропорциональные предельно допустимым концентрациям i-го компонента (ПДК), обычно среднесуточным, применяются либо в таком абсолютном виде, либо в относительных величинах (относительно коэффициента агрессивности оксида углерода, принимаемого за единицу). Подробные данные приведены в гл. 5.

4.3. Предельно допустимые концентрации (ПДК) и коэффициент агрессивности вредных веществ1

ПДК или риск от токсических веществ – это максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом.

1Все здесь приводимые определения даны согласно ГН 2.1.6.695-98 «Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе населенных пунктов».

64

Ватмосферу поступает множество примесей от различных промышленных производств и автотранспорта. Для контроля их содержания в воздухе нужны вполне определенные стандартизированные экологические нормативы, поэтому и было введено понятие

определьно допустимой концентрации. Величины ПДК для воздуха измеряются в мг/м3 или ррm. Разработаны ПДК не только для воздуха, но и для пищевых продуктов, воды (питьевая вода, вода водоемов, сточные воды), почвы.

Предельной концентрацией для рабочей зоны считают такую концентрацию вредного вещества, которая при ежедневной работе

втечение всего рабочего периода не может вызвать заболевания в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Предельные концентрации для атмосферного воздуха измеряются в населенных пунктах и относятся к определенному периоду времени. Для воздуха различают максимальную разовую дозу и среднесуточную.

Взависимости от значения ПДК химические вещества в воздухе классифицируют по степени опасности. Для чрезвычайно опасных

веществ (пары ртути, сероводород, хлор) ПДК в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,1 мг/м3. Если ПДК составляет более 10 мг/м3, то вещество считается малоопасным. К таким веществам относят, например, аммиак.

ПДК устанавливаются для среднестатистического человека, однако ослабленные болезнью и другими факторами люди могут почувствовать себя дискомфортно при концентрациях вредных веществ, меньших ПДК.

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений их концентраций к ПДК не должна превышать единицу, однако это выполняется далеко не всегда. По некоторым оценкам, 67 % населения России живут в регионах, где содержание вредных веществ в воздухе выше установленной предельно допустимой концентрации. В 2000 г. содержание вредных веществ в атмосфере в 40 городах с суммарным населением около 23 млн. человек время от времени превышало предельно допустимую концентрацию.

65

Агрессивность вредных веществ, с одной стороны, может опре-

Впоследнем случае за эталон принимается угарный газ – оксид углерода СО (его агрессивность принимается равной 1).

Втабл. 4.1. приведены значения экологических показателей для ряда вредных веществ как по российским, так и по зарубежным нормативам. Отметим, что из приведенных в табл. 4.1 газообразных веществ наибольшей токсичностью обладают оксиды азота.

Таблица 4.1

Значения ПДК и коэффициентов агрессивности по российским и зарубежным нормам для некоторых веществ

1)По ГН 21.6.695-98. Предельно допустимы концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных место.

2)По данным Всемирной организации здоровья предусматривают часовые, су-

точные и годовые нормативы, нормативы для экосистем. В табл.4.1. представлены некоторые пределы норм.

66

Библиографический список к главе 4

1.Лисиенко В.Г. Энергоэкологический анализ, программное обеспечение

иснижение эколого-экономического ущерба: Учебное пособие / В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, Б.Б. Зобнин и др. / Под ред. В.А. Морозовой. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.

2.Человек и среда его обитания: хрестоматия / Под ред. Г.В. Лисичкина и Н.Н. Чернова. М.: Мир, 2003.

Контрольные вопросы к главе 4

1.В чем заключается тесная связь проблем энергоэффективности и защиты окружающей среды?

2.Что такое удельные выбросы?

3.Как рассчитывается эколого-экономический ущерб?

4.Как определяется коэффициент агрессивности вредных веществ?

5.Определить расход парниковых газов при сгорании природного газа и расходе топлива bт = 2000 м3/ч.

67

Глава 5. ПРИМЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И УСЛОВИЙ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

5.1.Методы борьбы с вредными выбросами

ироль математических моделей

Внастоящее время в ряде стран применяются прямые, косвенные и технологические методы защиты воздушного бассейна от загрязнения. Прямые методы предотвращения вредных выбросов состоят в очистке и улавливании дымовых и вентиляционных газов, в переходе на использование топлив, сравнительно мало загрязняющих атмосферный воздух (природный газ, бессернистая нефть), в попытках создания не бензиновых автомобильных двигателей и т. п.

Применение косвенных методов, в общем, не уменьшает количества промышленных выбросов, но зато обеспечивает значительное снижение концентраций вредных веществ в самом нижнем, жизнедеятельном слое атмосферы. Эти методы, прежде всего, связаны с увеличением высоты источников выброса (дымовых труб) и использованием физических закономерностей рассеивания примесей в воздухе. Они основаны на изучении атмосферной диффузии,

атакже на рациональном учете метеорологических условий при проектировании и эксплуатации различных предприятий.

Значительно сократить количество вредных выбросов и уменьшить их влияние возможно с помощью усовершенствования технологий, а именно:

деятельность предприятий должна быть направлена на экологически чистое производство;

предприятия должны использовать безопасную для окружающей среды и людей технику;

на государственном уровне должно быть преобладание «чистой» экономики.

Вданной главе приводятся математические модели и основные параметры, влияющие на образование вредных выбросов на примере оксидов азота и углерода – весьма распространенных вредных

68

выбросов при сжигании практически всех органических топлив. С использованием этих параметров (входных величин, в терминологии автоматического управления) оцениваются возможности использования именно технологических факторов для управления при снижении эмиссии этих выбросов.

При этом учитывается тот факт, что отмеченные выше ни прямые, ни косвенные методы не дают полной гарантии защиты от вредного воздействия этих выбросов. Кстати, использование прямых методов в этих случаях часто затруднено из-за необходимости вложения больших капитальных затрат.

5.2. Примеры математических моделей эмиссии оксидов азота

Одной из актуальных проблем при решении задач эффективности использования органического топлива в энерготехнологических агрегатах является снижение выбросов токсичного вещества – оксидов азота (NO – в 41 раз токсичнее – агрессивнее оксида углерода – угарного газа). При решении этой проблемы значительная роль отводится методам математического моделирования, позволяющих оценить основные факторы, влияющие на снижение выбросов NО и тем самым более уверенно подойти к решению практических задач. На этом пути удалось существенно продвинуться, благодаря реализации возможностей соединения современных методов решения задач сложного теплообмена и гидродинамики применительно к горящим факелам с задачами сложной кинетики образования оксидов азота в пламени углеводородных топлив, в частности, в пламени природного газа.

Основные особенности термического механизма. Общий вы-

брос оксидов азота в атмосферу составляет около 70 % от общих выбросов всех вредных веществ по массе. Из-за высокой токсичности и вследствие активного участия в фотохимических реакциях в атмосфере, оксиды азота выделяются по своему воздействию среди всех остальных групп загрязнителей.

Различают три основных механизма образования NO: термический, быстрый (prompt) и топливный.

69

Термическое образование. Основным источником образования NO при сжигании чистых (не содержащих азота) топлив является окисление атмосферного азота при высоких температурах. Впервые термический механизм был введен в рассмотрение Я.Б. Зельдовичем.

В соответствии с этим механизмом, суммарная реакция окисления молекулярного азота N2:

О2 + N2 = 2NO – 180,6 кДж (5.1)

имеет цепной характер:

также дающая большой вклад при высокотемпературном окислении азота.

Реакции (5.2)–(5.4), получившие название модифицированного (или расширенного) механизма Зельдовича, описывают термический механизм образования окислов азота. Отметим, что общая скорость образования NO в соответствии с термическим механизмом намного меньше, чем скорость реакций окисления горючего.

Скорость реакции образования NО по Я.Б. Зельдовичу:

где О2, N2, NО – мгновенные концентрации компонентов, моль/л: τ – время, с; Т – температура в зоне реакции, К; в фигурных скобках – разность квадратов мгновенной и равновесной концентрации оксида азота:

Часто сумму NO и NO2 представляют как NOх.

Таким образом, анализ показывает, что условиями, способствующими образованию и сохранению оксидов азота, являются вы-

70