Допустимые уровни звукового давления и шума

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц									Уровень звука и эквивалентный уровень звука, дБ
31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000	–
107	95	87	82	78	75	73	71	69	80

Температура поверхностей конструктивных элементов горелок, изготовленных из неметаллических материалов, при ручном управлении не должна превышать 45 С, а для металлических элемен-тов – 40 С.

Электрическое оборудование горелки должно питаться от одного источника электроэнергии и выключаться одним выключателем. Горелки мощностью более 0,12 МВт должны разжигаться при пусковой мощности, не превышающей 50 % от номинальной мощности. Горелки с номинальной мощностью 0,10 МВт необходимо разжигать переносным или стационарным электрическим запальником или запальной газовой горелкой, так называемой «пилотной» горелкой. Запальные устройства могут работать постоянно и в технологических режимах теплотехнических объектов при наличии в их конструкциях индикаторов горения. Это позволяет полностью исключить погасание газогорелочных устройств, расширить диапазон их работы и упростить систему автоматического управления технологическими и тепловыми режимами.

Автоматические и полуавтоматические горелки, пусковая мощность которых превышает 0,4 МВт, должны быть оснащены стационарной запальной горелкой. Группа горелок с ручным управлением может быть оснащена переносным электрическим или газовым запальником. Подвод топлива к переносной запальной горелке должен содержать самостоятельный управляемый рабочий орган, поэтому сам подвод необходимо выполнять автономным, независимым от подвода к основной горелке.

Тепловая мощность стационарной запальной горелки, которая непрерывно работает, не должна превышать 5 % номинальной мощности основной горелки. Тепловая мощность переносного запального устройства не должна превышать 30 кВт. Для розжига основной горелки применение электрического запального устройства запальной горелки не допускается.

Для группы горелок с ручным управлением допускается использование одного стационарного запальника, когда наличие пламени основной горелки, снабженной запальным устройством, обеспечивает стабильное зажигание всех горелок группы. Горелки, в которые из трубопроводов подается предварительно подготовленная горючая смесь, должны быть снабжены огнепреградителями.

Горелки должны быть оборудованы штуцерами для присоединения различных приборов, например напоромеров для измерения давления газа, а в горелках с принудительной подачей воздуха – и для измерения его давления. Штуцера, как правило, устанавливают на подводящих патрубках горелок. Однако во всех случаях штуцера необходимо устанавливать после последнего по ходу движения газа и воздуха запорного клапана или регулирующего органа. Группу горелок допускается снабжать двумя штуцерами, соответственно, для измерения давлений газа и воздуха.

Конструкция автоматизированных газовых горелок должна обе-спечивать возможность измерения давлений газа и воздуха. Допускается заменять измерение давления газа на измерение его расхода. Конструкция горелки должна предусматривать возможность продувки камеры сгорания до открытого крана на трубопроводе подачи топлива, если продувку проблематично осуществить другим способом.

Конструкция жидкотопливных горелок должна обеспечивать возможность измерения давления и температуры жидкого топлива и воздуха непосредственно перед горелкой, а также давления топлива в обратной линии. Для одиночно установленных жидкотопливных автоматизированных горелок с номинальной тепловой мощностью до 0,35 МВт перед пуском при открытом шибере должна быть обеспечена возможность продувки камеры сгорания путем естественной вентиляции, если заслонки на воздухопроводах находятся в рабочем положении; принудительной продувки с номинальным расходом воздуха с продолжительностью не менее 5 с, если применяют механические заслонки с ручным управлением.

Принудительную продувку можно заменить естественной вентиляцией посредством естественной тяги продолжительностью не менее 30 с. Принудительную продувку можно не проводить при наличии регулирующих заслонок, управляемых тягой, когда между заслонкой и внутренним сечением трубопровода имеется кольцевой зазор или в самой заслонке выполнены отверстия, площадь которых позволяет пропускать через нее 20 % максимального расхода воздуха, подаваемого вентилятором. Для одиночных автоматизированных жидкотопливных горелок с номинальной мощностью выше 0,35 МВт объем продувочного воздуха должен превышать утроенную величину суммарного объема воздуха до его входа в дымоход или пятикратного объема камеры сгорания теплотехнического объекта. Это условие можно считать выполненным, если продолжительность предварительной продувки составляет 15 с, а объем продувочного воздуха равен расходу воздуха, необходимому для горения, при условиях, близких к стехиометрическим, и номинальной мощности горелки.

Для подлежащих ремонту газогорелочных устройств средний ресурс работы до капитального ремонта или списания по жаростойкости должен составлять не менее 18 000 ч. Это требование не распространяется на сменные элементы и автоматику горелки, а также на различные детали из огнеупорной керамики.

Электрические элементы автоматики газогорелочных устройств при напряжении 110 % от номинального значения должны в условиях, близких к эксплуатационным, выдержать 100 000 циклов включения и выключения. Вероятность безотказной работы устройств контроля пламени должна составлять не менее 0,92 за 2000 ч.

7.2. Конструктивные требования к деталям и узлам газогорелочных устройств

Конструкция элементов и узлов самой горелки, а также устройств, соединяющих горелку с теплотехнической установкой, должна исключать ослабление соединений и утечку топлива и воздуха в процессе эксплуатации. При распылении топлива это соединение необходимо выполнять разъемным.

Топливовоздушная разводка теплотехнического объекта должна удовлетворять требованиям равномерного распределения топлива и воздуха на каждую горелку. Соединение горелки с трубопроводами для подачи топлива выполняют по двум вариантам: «жестко» – стационарными подводами и «мягко» – гибкими шлангами. Стационарные подводы должны оснащаться металлическими наконечниками и отвечать техническим требованиям по давлению, агрессивности среды и термостойкости. При необходимости подводы для подачи газовоздушной смеси и для распыления топлива должны содержать фильтры.

Конструкция подвижных узлов, предназначенных для настройки горелки, включая регулировочные устройства на подводах топлива и воздуха, должна исключать самопроизвольное изменение положения самого устройства. Ремонтные лючки и гляделки горелки должны надежно закрываться. Конструкция их затворов должна исключать самопроизвольное открытие, а гляделки должны быть оснащены прозрачными стеклами для визуального наблюдения за пламенем. Конструкция заменяемых деталей горелки должна исключать возможность неправильной сборки, самопроизвольное перемещение деталей и их разъединение. Соединение отдельных частей системы распределения топливовоздушной разводки мягким припоем не допускается.

Конструкция жидкотопливной горелки должна предусматривать подачу в топливный тракт распылителя или промывающего вещества для удаления остатков топлива при отключении горелки и перевод ее в нерабочее состояние. После отключения горелки топливный тракт системы подачи, включая первый запорный орган, установленный на топливопроводе, до носика самой горелки, не должен содержать остатков топлива. Система распределения топлива между основным запорным органом и соплом для распыления топлива должна быть герметичной, полностью исключающей все возможности утечки топлива.

Газогорелочное устройство, установленное в камере сгорания, должно обеспечивать надежный пуск и устойчивую работу при давлении в камере 10 Па. Горелки, работающие под разрежением, должны обеспечивать устойчивое горение при разрежении до 50 Па, превышающее номинальное в 1,2 раза, а при разрежении свыше 50 Па – в 1,5 раза. Горелки, установленные в камере сгорания, работающей с избыточным давлением, должны обеспечивать устойчивое горение при противодавлении в камере до 50 Па в 1,2 раза, а при противодавлении выше 50 Па – в 1,5 раза.

Газогорелочное устройство, розжиг которого осуществляется посредством переносного запальника, должно иметь отверстие, позволяющее безопасно вводить его. Допускается проводить розжиг горелки также через специальное отверстие, выполненное в камере сгорания теплотехнического объекта. Горелки или их узлы, подлежащие снятию для очистки или замены весом более 30 кг, должны иметь приспособление для перемещения. Конструкции газогорелочных устройств и радиационных труб должны обеспечить возможность визуального наблюдения за процессом горения. Допускается визуальное наблюдение через смотровые отверстия камер сгорания тепловых объектов.

Конструктивные узлы горелок с принудительной подачей воздуха должны быть выполнены из материалов, допускающих длительную работу горелок при нагреве воздуха, необходимого для горения, до температуры не менее 300 С.

7.3. Требования охраны окружающей среды и экологической безопасности

Эффективное решение задач, связанных с охраной окружающей среды и экологической безопасностью, является одной из злободневных и актуальных проблем современности. В настоящее время экспертиза и оценка риска при внедрении инновационных решений для техногенных систем является комплексной самостоятельной задачей. Практически все топливопотребляющие агрегаты являются взрывоопасными объектами. Причем, котлы являются сосудами, работающими под давлением, поэтому причиной детонации может быть как повышение давления, так и неконтролируемое погасание пламени в топке. Безаварийная эксплуатация таких объектов является важнейшей задачей.

Неотъемлемой частью этой задачи является защита воздушного бассейна от токсичных и канцерогенных веществ. Это обусловлено тем, что при сжигании топлива могут образовываться вещества, загрязняющие воздушный бассейн. К ним относятся зола; несгоревшие углеводородные газы исходного топлива; водород; сажистый углерод; оксиды серы, углерода (СО), азота (NО) и диоксид азота (NО₂).

Одним из наиболее эффективных средств борьбы с загрязнением воздушного бассейна является замена твердого и жидкого топлива природным газом, при сжигании которого, как правило, не образуются твердые частицы. Основными теплотехническими объектами для такого перевода являются котельные станции, находящиеся на территории городов и жилых поселков.

Оксиды азота имеют пять модификаций. Здесь уместно отметить, что NО и NО₂ являются промежуточными продуктами при производстве азотной кислоты. Кроме того, NО₂ используется как окислитель в жидком ракетном топливе, а гемиоксид азота N₂О (закись азота, «веселящий газ») – эффективное средство для наркоза, которое широко используется в современной медицине. Оксиды азота имеют еще две модификации – N₂О₂ и N₂О₅. При реагировании их с водой образуются, соответственно, азотистая и азотная кислота. Таким образом, в отличие от углерода, имеющего только две модификации оксидов – оксид (СО) и диоксид (СО₂), – азот имеет пять модификаций, поэтому иногда оксид углерода называют монооксидом углерода. Выше указано, что оксиды азота широко востребованы в химической промышленности и медицине, где наиболее ценным их качеством является очень высокая физиологическая активность. Однако именно это качество весьма жестко нормируется при наличии оксидов азота в продуктах сгорания топлива, уходящих из теплотехнических объектов, когда они проявляют себя как высокотоксичные вещества.

В продуктах неполного сгорания также могут содержаться альдегиды, сложные полициклические ароматические углеводороды и различные канцерогенные вещества, например бензпирен (С₂₀Н₁₂), содержащийся в смолистой каменноугольной смоле и табачном дыме и являющийся сильнейшим стимулятором раковых заболеваний. Однако продукты неполного сгорания газообразного топлива, как правило, его не содержат. Для продуктов неполного сгорания природного газа это утверждение также справедливо в отношении оксидов серы, так как в нем, как и в древесине, не содержится серы. Сера попадает в природный газ в небольших, но допустимых количествах при его одаризации для придания газу неприятного запаха с целью предотвращения возможных утечек и детонации. Однако при одаризации ПДН и ПДК никогда не нарушаются.

При сжигании природного газа в преобладающем большинстве теплотехнических установок уходящие продукты сгорания не содержат сажи и оксида углерода с концентрациями, превышающими ПДК. Однако, как показано выше, сажистый углерод может не только образовываться при сжигании топлива, содержащего углерод, и присутствовать в уходящих продуктах сгорания как результат первичного крекинга по реакции (65), но и являться промежуточным продуктом физико-химических реакций (45) при двухстадийном и постадийном сжигании природного газа.

Выше указано, что сажистый углерод также содержится в уходящих из радиационных труб (РТ) продуктах сгорания при сжигании в них природного газа с коэффициентами избытка воздуха, близкими к стехиометрическим значениям. В отличие от печей открытого малоокислительного нагрева стали с двухстадийным и постадийным сжиганием природного газа, сажа в РТ приводит только к негативным явлениям, поэтому сажеобразования в РТ однозначно нельзя допускать. Несмотря на повышение светимости факела при наличии в нем сажи и, как следствие, интегральной степени черноты, результирующих тепловых потоков и производительности печей, «задымления» окружающей атмосферы уходящими продуктами сгорания категорически нельзя допускать. Существует следующее решение этой задачи.

Из теории горения известно, что для подавления процесса образования сажи при сжигании метана необходимо гарантированное предварительное смешение газа и воздуха с коэффициентом расхода первичного воздуха ₁  0,40 [1], [14], [21]. Однако и при таких условиях, учитывающих химический состав топлива, при минимальных расходах газа 0,5–1,0 м³/ч суммарный коэффициент избытка воздуха составляет 1,15  _  1,25, что существенно снижает эффективность использования природного газа.

В продуктах неполного сгорания топлива, уходящих из рабочего пространства промышленных печей, топок котлов и камер сгорания других теплотехнических установок, могут содержаться токсичные газы. К ним, прежде всего, относятся оксиды углерода и азота, но их содержание регламентировано ГОСТами, а также ПДН и ПДК. Д.И. Менделеев писал о «дымосожигании» [7], [8], подразумевая необходимость устранения дыма путем обеспечения полного сгорания топлива. Именно в этом аспекте терминология Д.И. Менделеева более чем уместна.

Так, в п. 4.4, 4.5, 5.4 показано, что наличие оксида углерода (СО) может быть очень полезно на промежуточных стадиях горения, так как позволяет существенно снизить окисление и обезуглероживание металлопродукции, но в уходящих газах химическая неполнота сжигания должна быть исключена.

Дожигание продуктов неполного сгорания природного газа по уравнениям (47), (75) и схемам на рис. 2 необходимо проводить при минимальных избытках воздуха, а также нужно исключить превышение содержания СО выше ПДК в уходящих продуктах сгорания. Кроме того, необходимо полностью исключить «задымление» окружающей среды сажистым углеродом.

Эту задачу проще решить при двухстадийном и постадийном сжигании природного газа, реализованном в печах открытого малоокислительного нагрева металлопродукции. На примере двухстадийного сжигания природного газа несложно указать на факторы, стимулирующие эффективное дожигание оксида углерода.

Во-первых, реакция (7) имеет необратимый характер. Во-вторых, продукты неполного сгорания после первой стадии сжигания уже содержат водород и водяные пары, нагретые до достаточной температуры, которые, согласно уравнению (7) и рис. 2, стимулируют его дожигание вторичным воздухом в зоне дожигания камеры предварительного нагрева печи.

В этой камере также дожигаются водород и часть сажистого углерода, поступающего в камеру. Уходящие из печи продукты сгорания, как правило, не содержат сажи, но ее часть осаждается на внутренней поверхности футеровки печи, поэтому при всех остановках технологических агрегатов сажистый углерод необходимо выжигать, подавая в горелки камеры окончательного нагрева только воздух. Процесс выжигания можно завершать тогда, когда температура в рабочем пространстве камеры предварительного нагрева начнет стремительно падать. Продолжительность процесса дожигания во многом зависит от длительности непрерывной работы печи. Процессы образования сажи и оксида углерода протекают одновременно, поэтому при подавлении образования сажистого углерода также достигается снижение концентрации оксида углерода.

Оксид углерода весьма токсичен. Попадая в легкие, СО соединяется с гемоглобином крови, которая теряет способность усваивать кислород. Это обусловлено тем, что способность крови усваивать СО приблизительно в 200 раз больше, чем усваивать кислород, поэтому даже небольшие концентрации оксида углерода очень опасны.

Следует отметить, что в котлах, преобладающем количестве промышленных печей и камерах сгорания различных теплотехнических установок, как правило, используют газогорелочные устройства, предназначенные для сжигания топлива с коэффициентами избытка воздуха, близкими к стехиометрическим значениям: _ = 1,05 – 1,10. Современные горелки позволяют обеспечить химическую полноту сжигания газообразного топлива при этих условиях и уменьшить содержание оксида углерода в уходящих газах до допустимых концентраций и норм.

Основными загрязнителями воздушного бассейна, которые сохраняются и при сжигании газообразного топлива, являются оксиды азота. Ранее, когда описывались физико-химические реакции горения топлива в воздухе, делался акцент на то, что азот, вносимый на горение с воздухом, является инертным газом, в самих реакциях не участвует, а в уходящих продуктах сгорания топлива присутствует как балласт, поэтому азот используют как нейтральную среду при получении контролируемых атмосфер. Кроме того, также указывалось, что оксиды азота имеют пять модификаций и широко применяются в химической промышленности и современной медицине. Таким образом, сам азот и его оксиды весьма востребованы в различных технологиях, включая медицину, при правильной дозировке.

В пламени факела, в зоне высоких температур при наличии кислорода азот соединяется с ним, образуя оксид азота NО, который является весьма опасным токсичным газом. При температурах 1500–1800 С его концентрации в уходящих продуктах сгорания могут быть весьма значительными. Уходящие в атмосферу горячие газы охлаждаются. При этом значительная часть NО, реагируя с кислородом атмосферного воздуха, окисляется до диоксида азота NО₂. Оксид и диоксид азота пагубно влияют на органы дыхания. Попадая в легкие, они поглощаются кровью и оказывают действие, аналогичное действию оксида углерода. Однако при одинаковых концентрациях оксид и диоксид азота намного вреднее, чем оксид углерода.

Следует акцентировать внимание на том, что одновременное образование оксидов углерода и азота практически невозможно. Наглядным подтверждением этого факта являются результаты исследований тепловой работы печей с двухстадийным и постадийным сжиганием природного газа [18], [23], а также печей с радиационными трубами [14], [21]. Уходящие газы после этих термических печей не содержат оксидов азота, но при неправильной организации сжигания природного газа могут содержать оксид углерода и сажу. Это обусловлено тем, что азот при сравнительно невысоких температурах является нейтральным инертным газом и в реакцию с кислородом не вступает, а углерод обладает большей химической активностью, поэтому при организованном сжигании углеводородного топлива кислород до полного окисления углерода и его оксида до диоксида углерода в химическую реакцию с азотом никогда не вступит.

Тот факт, что азот вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе, при весьма высоких температурах, указывает на целесообразность снижения температур в реакционных зонах. При двухстадийном и постадийном способах сжигания топлива в связи с разделением процесса горения на стадии температура в зоне горения камеры окончательного нагрева не превышает 1000 С, а в зонах дожигания камеры предварительного нагрева – 1200 С, поэтому в уходящих из печей открытого малоокислительного нагрева продуктах сгорания содержание оксидов азота никогда не превышает ПДК и ПДН. Это же утверждение в полной мере можно отнести ко всем термическим печам, в которых технологические температуры значительно ниже, чем в нагревательных печах.

Количество оксидов азота, образовавшихся при горении, во многом зависит от величин коэффициентов избытка воздуха _, с которыми сжигают топливо. Максимальный выход оксидов азота наблюдается при _ = 1,20. Наличие максимума объясняется тем, что увеличение концентраций кислорода в интервале _ = 1,0 – 1,2 способствует более активному протеканию процесса окисления азота кислородом, а при коэффициентах _  1,20 из-за существенных избытков воздуха температура в факеле снижается.

Оксиды азота образуются на сравнительно коротком участке факела в зоне высоких температур. Действительная концентрация оксидов азота в факеле меньше равновесной, так как время пребывания азота и кислорода в зоне высоких температур меньше необходимого для протекания равновесной реакции между ними.

Существует много способов, способствующих уменьшению окисления азота, но все они направлены на снижение максимальных температур в факеле и концентраций кислорода в этих зонах. Снизить температурный уровень в горелочном туннеле или амбразуре горелки можно путем сокращения длины туннеля и увеличения угла раскрытия амбразуры. Такими способами количество оксидов азота можно снизить на 35–40 % [2]. Значительного уменьшения окисления азота можно добиться путем интенсификации внешнего теплообмена из области максимальных температур в рабочем пространстве печей.

Эффективным методом уменьшения концентрации оксидов азота являются увлажнение воздуха и создание горелочных устройств с пониженными удельными тепловыми напряжениями в сечениях факела и равномерным распределением теплового потока по сечению камеры сгорания. Снизить образование оксидов азота также позволяют рециркуляция продуктов сгорания и завихрение воздушного потока.

ГОСТы, ПДН и ПДК разработаны для стехиометрических условий (_ = 1,0) при температуре внутри указанных объектов до 1400 С и представлены для оксидов углерода (СО) и азота (NO_) в табл. 3.

Таблица 3