CC BY
79
Энергетика
S5S Power Engineering
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.182.001.33(072): 662.613.12(072) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-119-126
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
1 9
© В.А. Бочкарев1, А.В. Бочкарева2
1Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Байкальский государственный университет, 664003, Россия, г. Иркутск, ул. Ленина, 11.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе приводятся сравнительные результаты расчетов показателей вредности и выбросов двуокиси углерода для органических топлив, сжигаемых в котельных Иркутской области. МЕТОДЫ. При оценке экологического воздействия котельных малой мощности на окружающую среду использовались методики: расчет показателей вредности энергетических топлив; методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котлов производительностью менее 30 т/ч или 20 Гкал/ч и методические указания по расчету валового выброса двуокиси углерода в атмосферу от котлов тепловых электростанций и котельных. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. На основании выполненных расчетов даны рекомендации по выбору топлива, при сжигании которого котельные будут оказывать меньшее экологическое воздействие на окружающую среду. ВЫВОДЫ. Результаты расчетных исследований являются обоснованием для разработки мероприятий, позволяющих снизить выбросы вредных веществ и двуокиси углерода в атмосферный воздух. Ключевые слова: характеристики органических топлив, котельные агрегаты малой мощности, выбросы вредных веществ, показатели вредности энергетических топлив, выбросы двуокиси углерода, мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу.
Формат цитирования: Бочкарев В.А., Бочкарева А.В. Анализ влияния качества топлива на экологические показатели котельных агрегатов малой мощности в Иркутской области // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 119-126. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-119-126
ANALYSIS OF THE FUEL QUALITY EFFECT ON ECOLOGICAL INDICES OF LOW POWER BOILERS
IN THE IRKUTSK REGION
V.A. Bochkarev, A.V.Bochkareva
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Baikal State University, 11 Lenin St., Irkutsk, 664003, Russia.
ABSTRACT. PURPOSE. The paper provides comparative results of calculations of harmfulness indicators and carbon dioxide emissions for organic fuels burned in the boiler houses of the Irkutsk region. METHODS. The environmental impact of low power boilers has been assessed using the following methods: calculation of power generating fuel harmful-ness, calculation methods of pollutant emissions in the atmosphere from the boilers with the performance of less than 30 t/h or 20 Gcal/h, and technical tips for the calculation of gross emission of carbon dioxide in the atmosphere from the boilers of thermal power plants and boiler houses. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. Base on the calculations performed the recommendations are given on the choice of fuel whose burning in boilers will have the least adverse effect on the environment. CONCLUSION. The results of computational studies are the rationale for the development of measures allowing to reduce the emissions of harmful substances and carbon dioxide into the atmosphere. Keywords: characteristics of organic fuels, low power boilers, emissions of harmful substances, harmfulness indicators of power generating fuels, emissions of carbon dioxide, measures to decrease emissions of harmful substances in the atmosphere
1
Бочкарев Виктор Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, e-mail: [email protected]
Bochkarev Viktor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Heat Power Engineering, e-mail: [email protected]
2Бочкарева Анастасия Викторовна, магистрант кафедры мировой экономики и государственного управления, e-mail: [email protected]
Bochkareva Anastasia, Master's Degree Student of the Department of World Economy and Public Management, e-mail: [email protected]
For citation: Bochkarev V.A., Bochkareva A.V. Analysis of the fuel quality effect on ecological indices of low power boilers in the Irkutsk region. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 11, pp. 119-126. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-119-126
Введение
Энергетика является важнейшей отраслью, которая определяет эффективность развития экономики и технический уровень всей промышленности. На современном этапе отмечается рост населения в мире и рост энергопотребления на душу населения. В XX - начале XXI в. производство и потребление энергии в мире удваивается каждые 10-15 лет [1], что приводит к увеличению техногенного воздействия энергетики на окружающую среду.
В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется более 79 тысяч котельных, из которых около 72% - это котельные тепловой мощностью до 12,6 ГДж/ч (3 Гкал/ч) [2]. В Сибири покрытие тепловых нагрузок осуществляется: от тепловых электростанций (ТЭС) в объеме 3843%; от крупных котельных с установленной тепловой мощностью свыше 20 Гкал/ч - в объеме 18-22%, от мелких котельных -в объеме 30-39%.
Влияние качества топлива на экологические показатели котельных агрегатов
Основным топливом, сжигаемым на ТЭС и производственно-отопительных котельных в Сибири (за исключением Тюменской области), является уголь различных месторождений. Доля угля в тепловом балансе энергопредприятий составляет более 90% [1].
Иркутская область является крупным производителем и потребителем топлива. В структуре потребления котельно-печного топлива в Иркутской области доля газа и мазута менее 10%, а доля твердого топлива соответственно более 90% [3]. Основные потребители первичных энергоресурсов - это крупные ТЭС и котельные. Характеристики сжигаемых топлив на котельных в Иркутской области приведены в табл. 1.
На большинстве котельных Иркутской области сжигание твердого топлива осуществляется в слое. Котельные потребляют меньше топлива, чем ТЭС, но они расположены вблизи жилой застройки городов и населенных пунктов. Высота дымовых труб котельных значительно ниже, чем у ТЭС. Поэтому котельные, расположенные в населенных пунктах, часто опре-
деляют уровень загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами.
В продуктах сгорания энергетических топлив содержатся вредные вещества, каждое из которых обладает различной токсичностью. Для оценки токсичности выбросов вредных веществ в атмосферу разработаны показатели вредности энергетических топлив [4]. Вредные вещества в продуктах сгорания классифицируются в зависимости от их происхождения на три группы, при этом расчетные формулы существуют только для двух групп.
Частные показатели вредности первой группы определяются по формуле
п _ 0,35-ГгР-(100-^>Мг Iii--р
<2нР-ПДКгМт
(1)
где Г - масса примеси в топливе, %; Р - безразмерный коэффициент рассеивания вредных выбросов в атмосфере (при выполнении расчетов значение Р принималось согласно «Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ...»3: Р=1 - для газообразных примесей, Р изменяется от 2 до 3 - для твердых частиц); ц - степень очистки данной
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия. ОНД-86. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 96 с. / The methodology for calculating atmospheric concentrations of harmful substances contained in industrial emissions. OND-86. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1987, 96 p.
Характеристики сжигаемого топлива Characteristics of burned fuel
Таблица 1 Table 1
Наименование топлива / Name of fuel Состав топлива, масс. % / Composition ol fuel, mass. % Qнр, МДж/кг MJ/kg
Wr Ar Sr Hr Cr Nr Or
Азейский уголь / Azeisky coal 25,0 12,8 0,4 3,3 46,0 0,9 11,6 17,35
Березовский уголь / Berezovsky coal 33,0 4,7 0,2 3,0 44,3 0,4 14,4 15,67
Ирша-Бородинский уголь / Irsha-Borodinsky coal 33,0 6,0 0,2 3,0 43,7 0,6 13,5 15,67
Мугунский уголь / Mugunsky coal 22,0 14,8 0,9 3,7 46,6 0,9 11,1 17,56
Нерюнгринский уголь / Neryungrinsky coal 9,5 12,7 0,2 3,3 66,1 0,7 7,5 24,7
Черемховский уголь / Cheremkhovo coal 13,0 27,0 1,1 3,4 45,9 0,7 8,9 17,9
Дрова / Firewood 40 0,6 - 3,6 30,3 0,4 25,1 10,22
Мазут / Fuel oil 3,0 0,1 1,4 11,2 83,8 0,3 0,2 39,76
Состав газа по объему, % / Volume-based composition of gas QH, МДж/м3 / MJ/m3
CH4 C2H6 N2
Ковыктинский природный газ (после переработки) / Kovykta natural gas (after processing) 97,7 0,9 1,4 35,59
примеси из дымовых газов перед их выбросом в атмосферу, %; Ма, Мт - относительные молекулярные массы примеси в топливе и продуктах его сгорания; QjP - низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг (ккал/м3); ПДК; - предельно допустимая концентрация примеси в приземном слое атмосферного воздуха, мг/м3.
Частные показатели вредности второй группы определяются по формуле
П=
3,5-Ci-Vr
0ДК ■
(2)
где С - концентрация данной примеси в одном м3 дымовых газов при нормальных условиях, г/м3, V - объем дымовых газов, образующихся при сжигании одного кг или
3
одного м3 органического топлива при нормальных условиях.
Концентрация вредных веществ в дымовых газах определялась из выражения
Ci =
103-Mj
В'(1- ?4/100)-Уг
г/м
3
(3)
где М,■ - массовый выброс вредного вещества в единицу времени; В - расход топлива в единицу времени; ц4 - потери тепла от
М;.
При расчете концентраций вредных веществ массовый выброс вредных веществ определялся согласно «Методике определения выбросов загрязняющих ве-ществ...»4.
Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн в час или 20 Гкал в час. М.: Государственный комитет РФ по охране окружающей среды, 1999. 56 с. / Methodology of determining pollutant emissions into the atmosphere under fuel combustion in the boilers with the performance of less than 30 t/h or 20 Gcal/h. Moscow, State Committee of the Russian Federation on Environmental Protection Publ., 1999, 56p.
Энергетика
S5S Power Engineering
При сжигании органических топлив в котельных агрегатах в настоящее время контролируются следующие вредные выбросы, поступающие в атмосферный воздух: частицы золы и недожога топлива; диоксид серы (Б02), окись углерода (СО), пя-тиокись ванадия (У205), диоксид азота (N02), бенз(а)пирен (БП).
К первой группе относятся вредные примеси, количество которых в продуктах сгорания может быть с достаточной точностью определено на основании состава топлива и мало зависит от технологии его сжигания. К этой группе относятся летучая зола, диоксид серы, пятиокись ванадия.
Ко второй группе относятся вредные примеси, содержание которых в продуктах сгорания зависит не только от состава топлива, но и в значительной мере от способа и технологии его сжигания. К этой группе относятся диоксид азота, окись углерода и бенз(а)пирен.
Для оценки качества топлива по экологическому воздействию на окружаю-
щую среду были проанализированы частные П,■ и суммарные П? показатели вредности энергетических топлив, определенные для котельных со слоевым сжиганием, их значения представлены в табл. 2 и на рис. 1. Значения частных показателей вредности ПI в процентах от суммарного показателя вредности П? приведены на рис. 2.
На основании приведенных в табл. 2 показателей вредности топлива, сжигаемого в котлах, можно сделать следующие выводы:
- наиболее неблагополучным с экологической точки зрения является черем-ховский уголь (он имеет наибольший П?);
- наиболее экологически чистым является ковыктинский газ;
- из углей, сжигаемых на котельных в Иркутской области, наименьший суммарный показатель вредности имеет березовский уголь.
Топливо / Fuel П %
Пзл П«02 Пбп Псо
Азейский уголь/ Azeisky coal 0,1800 0,0135 0,0380 0,00200 0,0048 - 0,2383
Березовский уголь / Berezovsky coal 0,0730 0,0075 0,0380 0,00190 0,0048 - 0,1252
Ирша-Бородинский уголь / Irsha-Borodinsky coal 0,0940 0,0075 0,0380 0,00180 0,0048 - 0,1461
Мугунский уголь / Mugunsky coal 0,2060 0,0300 0,0380 0,00200 0,0048 - 0,2808
Нерюнгринский уголь / Neryungrinsky coal 0,1260 0,0048 0,0410 0,00230 0,0048 - 0,1789
Черемховский уголь / Cheremkhovo coal 0,3600 0,0360 0,0410 0,00200 0,0048 - 0,4438
Мазут сернистый / Sulphurous fuel oil 0,0004 0,0206 0,0150 0,00130 0,0016 0,0037 0,0389
Дрова / Firewood 0,0140 - 0,0380 0,00380 0,0048 - 0,0606
Ковыктинский газ / Kovykta gas - - 0,0146 0,00002 0,0012 - 0,0158
Примечание. Пзл , П^^ рассчитаны для продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха аух, равном 1,6, и характеризуют вредность газов при КПД золоуловителей 80% (Я=2,5).
Таблица 2
Показатели вредности топлива, сжигаемого в котельных Иркутской области
Table 2
Harmfulness indexes of fuel burned in Irkutsk region boiler-houses
Рис. 1. Суммарные показатели вредности топлив при их сжигании в котлах малой мощности Fig. 1. Total indexes of fuel harmfulness under fuel combustion in low power boilers
Из анализа показателей вредности углей видно, что наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят золовые частицы, диоксид серы и азота. Рассматривая частные показатели вредности для каждого конкретного вида топлива, можно разрабатывать план природоохранной деятельности энергопредприятий на перспективу.
При сжигании органических топлив образуется значительное количество парниковых газов, прежде всего диоксид углерода (СО2). Как известно, выбросы СО2 в атмосферу, образующиеся при сжигании органических топлив, приводят к глобальному потеплению и изменению климата на Земле. Парниковые газы - это шесть веществ, из которых вклад в создание парникового эффекта диоксида углерода (СО2) оценивается в 65%5.
Расчет валового выброса диоксида углерода при сжигании твердого и жидкого топлива производится по формуле, приведенной в «Методических указаниях по расчету валового выброса двуокиси углерода в атмосферу...»
6.
мс02 = 0,01 Внат 3,664 Ср (1-0,01-я), (4)
где Внат - расход натурального твердого или жидкого топлива за отчетный период, т; Ср - содержание углерода в топливе на рабочую массу, %; д4 - потери тепла вследствие механической неполноты сгорания твердого или жидкого топлива.
Расчет валового выброса диоксида углерода при сжигании газообразного топлива производится по формуле, также при-
Пугач Л.И., Серант Ф.А., Серант Д.Ф. Нетрадиционная энергетика - возобновляемые источники, использование биомассы, термическая подготовка, экологическая безопасность: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 347 с. / Pugach L.I., Serant F.A., Serant D.F. Alternative power engineering - renewable sources of energy, use of biomass, thermal preparation, environmental safety: Textbook. Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University Publ., 2006, 347 p.
6Методические указания по расчету валового выброса двуокиси углерода в атмосферу из котлов тепловых электростанций и котельных. РД 153-34.0-02.318-2001. М.: Департамент научно-технической политики и развития РАО «ЕС России», 2001. 4 с. / Technical tips on the calculation of carbon dioxide total emission into the atmosphere from the boilers of thermal power plants and boiler installations. RD 153-34.0-02.318-2001. Moscow, The Department of Scientific and Technological Policy and Development of RAO "ES Russia" Publ., 2001, 4 p.
веденной в «Методических указаниях по расчету валового выброса двуокиси углерода в атмосферу...»:
МСо2 = В нат Р УС02, (5)
где Внат - расход натурального газообразного топлива за отчетный период, тыс. м3; р - плотность двуокиси углерода (р = 1,9768 кг/м3); УС02 - объем двуокиси уг-
лерода в продуктах сгорания газообразного топлива, м3/м3.
Отметим, что ковыктинский газ как перспективный вид топлива для использования на котельных Иркутской области имеет плотность 0,727 кг/м3, а объем дву-
о о
окиси углерода в нем равен 0,995 м3/м3.
П1\Ю; 26%
Ирша-Бородинский уголь / Irha-Borodinsky coal
Псо
Пбп 3%
1%
5%
Пзл 65%
nNO2 14%
nso
Мугунский уголь / Mugunsky coal
Пбп 1%
11%
Псо 2%
Пзл 72%
ПNO2 16%
Азейский уголь / Asian coal
Пбп
1%
6%
Пзл 75%
Псо 2%
Березовский уголь / П6п Berezovsky coal
4%
2%
ПNO: 30%
Пзл 58%
6%
Псо 4%
Пбп
3%
ПNO2 35%
Мазут сернистый / Fuel oil sulphurous
Пзл 1%
ПSO2 48%2
Пбп 0%
Ковыктинский газ / Kovykta gas
Псо 8%
ПNO2 92%
Псо 8%
Пбп
6%
ПNO2 63%2
Дрова/ Firewood
Пзл 23%
Черемховский уголь / Cheremkhovo coal
Пбп 0%
ПNO2 9% 2
ПSO: 8% 2
Псо 1%
Пзл 82%
Рис. 2. Частные показатели вредности в процентах от суммарного показателя вредности при сжигании топлив в котлах малой мощности Fig. 2. Particular harmfulness indicators as a percentage of the cumulative hazard when burning fuels
in low power boilers
Объем диоксида углерода при наличии данных о химическом составе газообразного топлива определяется по формуле
УСо2=0,01 [С02+СО+ЦтСтНп)], м3/м3. (6)
Здесь СО2, СО, СтНп - химический состав газообразного топлива, %, по данным анализа сжигаемого газа.
Расчет выбросов СО2 производился при сжигании 1 кг натурального топлива (см. табл. 1). При выполнении расчетов значения q4 принимались равными, %: 5 -при сжигании бурого угля; 8 - при сжигании каменного угля; 4 - при сжигании дров; 0,02 - при сжигании мазута. В табл. 3 представлены выбросы СО2 при производстве 1 Гкал тепла.
Из табл. 3 видно, что наибольшее количество СО2 при производстве 1 Гкал
тепла образуется при сжигании дров, а наименьшее - при сжигании ковыткинского газа.
Перевод котельных и ТЭС на сжигание ковыткинского газа позволит не только существенно снизить загрязнение атмосферного воздуха населенных пунктов вредными веществами, но и уменьшить выбросы СО2 в атмосферу более чем в 2,5 раза по сравнению с углем.
ПАО «Газпром» продает природный газ по ценам от 260 до 400 долл. США за 1000 нм3 в зависимости от контракта [5], и цена на газ растет. Поэтому с точки зрения перспектив развития топливного баланса малой энергетики в России необходимо в первую очередь рассматривать использование местных дешевых топлив с учетом их экологического воздействия на окружающую среду.
Таблица 3
Выбросы двуокиси углерода при сжигании топлив в котлах малой мощности
Table 3
Carbon dioxide emissions under fuel combustion in low power boilers_
Вид сжигаемого топлива / Type of burned fuels Выбросы СО2 / CO2 emissions
при сжигании 1 кг топлива, кг / under combustion of 1 kg of fuel при производстве 1 Гкал тепла, кг / under production of 1Gcal of heat, kg
Азейский уголь / Azeisky coal 1,6 495,4
Березовский уголь / Berezovsky coal 1,54 527,9
Ирша-Бородинский уголь / Irsha-Borodinsky coal 1,52 521,0
Мугунский уголь / Mugunsky coal 1,62 495,6
Нерюнгринский уголь / Neryungrinsky coal 2,23 485,0
Черемховский уголь / Cheremkhovo coal 1,55 465,2
Дрова / Firewood 1,07 562,0
Мазут / Fuel oil 3,07 414,8
Ковыктинский газ / Kovykta gas 1,43 215,8
Выводы
На основании выполненных расче- грязнения атмосферы вносят золовые чатов следует: стицы, окислы серы и азота;
- наибольший вклад в уровень за- - наиболее экологически чистым
топливом является ковыктинский газ, а из углей - березовский уголь, а наиболее неблагополучным с экологической точки зрения является черемховский уголь.
Использование показателей вредности энергетических топлив позволяет разрабатывать мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу для органических топлив, которые сжигаются в котлах малой мощности и не представлены в данной статье.
Снижение экологического воздействия от сжигания органических топлив в котельных агрегатах малой мощности на окружающую среду возможно не только на самих котельных, но и за счет снижения потерь энергии при ее подаче потребителям и при рациональном расходовании энергии потребителями, а также при использовании нетрадиционных или альтернативных источников энергии без применения органического топлива.
Библиографический список
1. Саломатова В.В. Природоохранные технологии на тепловых и атомных электростанциях: монография. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 853 с.
2. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы. Снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. М.: Энергоатомиздат, 1996. 128 с.
3. Бочкарев В.А., Фролов А.Г., Морозов К.А. Повышение эффективности сжигания азейского угля в
котле КВ-ТСВ-20 // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8 (55). С. 186-192.
4. Энергетика и охрана окружающей среды / под ред. Н.Г. Залогина, Л.И. Кроппа, Ю.Л. Кострикина. М.: Энергия, 1979. 352 с.
5. Шестаков С.М. Технология сжигания местных видов твердого топлива // Новости теплоснабжения. 2013. № 10 (158). С. 32-36.
References
1. Salomatova V.V. Prirodookhrannye tekhnologii na teplovykh i atomnykh elektrostantsiyakh: monografiya [Environmentally friendly technologies in thermal and nuclear power plants]. Novosibirsk, NGTU Publ., 2006, 853 p. (In Russian)
2. Belikov S.E., Kotler V.R. Malye kotly i zashchita at-mosfery. Snizhenie vrednykh vybrosov pri ekspluatatsii promyshlennykh i otopitel'nykh kotel'nykh [Small boilers and atmosphere protection. Reducing harmful emissions in the operation of industrial and heating plants]. Moscow, Energoatomizdat Publ.,1996, 128 p. (In Russian)
3. Bochkarev V.A., Frolov A.G., Morozov K.A. Po-vyshenie effektivnosti szhiganiya azeiskogo uglya v
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 12.10.2016 г.
kotle KV-TSV-20 [Improving combustion efficiency of Azeiskiy coal in KV-TSV-20 boiler]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 8 (55), pp. 186-192. (In Russian)
4. Energetika i okhrana okruzhayushchei sredy / pod red. N.G. Zalogina, L.I. Kroppa, Yu.L. Kostrikina [Power industry and environmental protection]. Moscow, Ener-giya Publ., 1979, 352 p. (In Russian)
5. Shestakov S.M. Tekhnologiya szhiganiya mestnykh vidov tverdogo topliva [Combustion technology of local solid fuels]. Novosti teplosnabzheniya [Heat supply news]. 2013, no. 10 (158), pp. 32-36. (In Russian)
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and are equally responsible for the plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 12 October 2016
