CC BY
59УДК 502.3:621.311.23
О.В. Маслеева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИНИ-ТЭЦ НА УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Дана экологическая оценка загрязнения атмосферного воздуха при строительстве мини-ТЭЦ с тремя различными видами двигателей: газопоршневыми, газотурбинными и дизельными. Рассчитаны максимальные приземные концентрации при различной высоте дымовых труб.
Ключевые слова: экология, мини-ТЭЦ, загрязняющие вещества, приземные концентрации, ПДК.
В работах [1, 2] показана целесообразность строительства на промышленных предприятиях собственных мини-ТЭЦ мощностью от 1 до 20 МВт. Достоинствами мини-ТЭЦ являются:
• низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии и тепла;
• быстрая окупаемость;
• низкий расход топлива, большой моторесурс и долговечность;
• экологическая безопасность.
Экономические показатели сооружения мини-ТЭЦ подробно описаны в работе [2].
Охрана природной среды для объектов энергетики включает в себя решение ряда вопросов, таких как охрана воздушной среды, уменьшение или исключение сбросов вредных веществ в водоемы, уменьшение действия шума, рекультивация земель и т.д. Основное внимание уделяется выбросам загрязняющих веществ в атмосферу.
Отрицательное влияние загрязнения атмосферы выражается в ухудшении здоровья людей и животных, снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Воздействию вредных веществ подвержены лесные угодья. Загрязнение атмосферы влияет на коррозионные процессы строительных конструкций, ускорение износа зданий и оборудования.
Основным источником загрязнения воздушного бассейна городов являются вредные для здоровья людей вещества, содержащиеся в продуктах сгорания. При работе мини-ТЭЦ с газопоршневыми и газотурбинными двигателями на природном газе в атмосферу будут выбрасываться следующие вредные вещества: оксиды азота и оксид углерода. Для мини-ТЭЦ с дизельными двигателями: оксиды азота, оксид углерода, углеводороды, сажа, диоксид серы, формальдегид, 3,4 бензапирен.
Двуокись углерода образуется при полном сгорании углерода и не оказывает вреда для здоровья. Состав продуктов неполного сгорания в большой степени зависит от состава топлива и метода сжигания. При неполном сгорании топлива продукты сгорания содержат оксид углерода, углеводороды и сажу. Оксид углерода изменяет состав крови и приводит к нарушению нервной системы. Также при недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в диапазоне температур 973 -1073 К образуется полициклический углеводород 3,4 бензапирен (С20Н16), обладающий канцерогенными свойствами.
При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционноспособным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды NO, NO2, N2O. Основная доля оксидов азота (более 95 %) приходится на монооксид азота NO. В атмосфере NO превращается в NO2 (сильный яд, поражающий нервную систему, при соединении с водой из него образуется азотистая кислота). При окислении атмосферного азота воз-
© Маслеева О.В., 2011.
духа, расходуемого при сжигании топлива, образуются так называемые «термические» и «быстрые» оксиды азота, а оксиды азота, образующиеся при окислении азотсодержащих составляющих топлива, называются топливными.
Термические оксиды азота образуются при горении любых видов топлива в области высоких температур (более 1500°С). На выход оксидов азота наибольшее влияние оказывают температура в зоне горения, время пребывания газов в зоне горения и коэффициент избытка воздуха. «Быстрые» оксиды азота образуются в корневой части факела при температурах 900... 1300°С. Образование «быстрых» оксидов азота также зависит от избытка воздуха. Доля «быстрых» оксидов азота в суммарном выбросе N0 обычно не превышает 10... 15 %.
Азотсодержащие соединения, входящие в состав жидкого топлива, являются источником образования топливных оксидов азота. В природном газе не содержится азота, входящего в состав органических соединений, поэтому при сжигании природного газа образуются только термические оксиды азота.
Автором были проведены расчеты валовых и удельных выбросов, а также приземных концентраций загрязняющих веществ для мини-ТЭЦ с тремя различными видами двигателей: газопоршневыми, газотурбинными (при их работе на природном газе) и дизельными (при использовании дизельного топлива).
Исходными данными для расчета являлись: паспортные данные двигателя, концентрации загрязняющих веществ в дымовых газах и объем сжигаемого газа (для мини-ТЭЦ с газопоршневыми и газотурбинными двигателями), расход дизельного топлива (для мини-ТЭЦ с дизельными двигателями).
Расчет валовых и удельных выбросов, концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе выполнен на основании следующих нормативных документов: Методического пособия по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, ОНД-86 Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
Валовые (т/год) и удельные выбросы (кг/кВт ч) загрязняющих веществ оксидов азота (N02 и N0), оксида углерода (СО) были рассчитаны для газопоршневых двигателей и газотурбинных двигателей мощностью 1 МВт российских и иностранных производителей. Концентрации загрязняющих веществ в дымовых газах для газопоршневого двигателя производства РУМО получены при проведении испытаний на заводе. Результаты расчета для двух видов двигателей приведены в табл. 1, а данные этих двигателей - в табл. 2).
Таблица 1
Валовые и удельные выбросы загрязняющих веществ для мини-ТЭЦ с газопоршневыми и газотурбинными двигателями
Вид и модель дви- Концентрации загрязняющих Валовые Удельные выбросы,
гателя веществ в дымовых газах, мг/м3 выбросы, т/год г/кВт ч
N02 N0 СО N02 N0 СО N02 N0 СО
Газопоршневые
8Г4Н22/28 997 798 150 481 44 8 26 46 9 28
аз51б-тл(н) 500 400 65 650 15 3 25 17 3 28
Газотурбинные
ТВЗ-117 50 40 6,5 10 1,6 1,04 0,17
8Б5 25 20 3,25 з,з 0,5 0,34 0,056
Согласно Методики расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок, расчет выбросов был выполнен для следующих вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами стационарных дизельных устано-
вок: оксида углерода (СО), оксидов азота (NO2 и N0), углеводородов (СН), сажи (С), диоксида серы ^О2), формальдегида (СН2О), бензапирена (^оИ^).
Валовый выброс загрязняющего вещества за год (т/год) стационарной дизельной установкой определялся исходя из нормативных величин удельных выбросов (г/кг топлива), которые приведены в табл. 3, и данных двигателей (табл. 4).
Таблица 2
Паспортные данные газопоршневых и газотурбинных двигателей
Производитель Модель Мощность Расход газа, н.м3/с Расход дымовых газов, м3/с
двигателеи двигателя двигателя, кВт
Газопоршневые
РУМО 8Г4Н22/28 1090 0,0869 1,733
Caterpillar G3516-TA(H) 1015,8 0,0835 1,22
Газотурбинные
Завод им. В.Я. Климова ТВЗ-117 1100 0,164 7,95
Mitsui Engineering SB5 1100 0,108 5,25
Расчет валовых и удельных выбросов загрязняющих веществ был проведен для дизельных двигателей мощностью 1 МВт российских и иностранных производителей. Результаты расчета для двух типов двигателей приведены в табл. 5.
Таблица 3
Нормативные величины удельных выбросов дизельных двигателей
Модель двигателя Группа Выброс, г/кг топлива
СО NOX СН С SO2 СН2О C20H12
8ДМ-21С Г 30 45 15 2,5 5 0,6 5,5 10-5
KTA50G1 Г 15 18 4,3 0,71 5 0,17 1,6 10-5
Таблица 4
Паспортные данные дизельных двигателей
Производитель двигателей Модель двигателя Мощность, кВт Частота вращения, об/мин Расход топлива, т/год
Дизельные
Уральский дизель -моторный завод 8ДМ-21С 1080 1500 1724
Cummins Inc. KTA50G1 1000 1500 1521
Таблица 5
Валовые и удельные выбросы вредных вещест для мини-ТЭЦ с дизельными двигателями
Модель двигателя Загрязняющие вещества
СО NO2 NO СН С SO2 СН2О C20H12
Валовые выбросы, т/год
8ДМ-21С 51,7 62,1 10,1 25,9 4,3 8,6 1,0 9,5E-05
KTA50G1 22,8 21,9 3,6 6,52 1,09 7,6 0,26 2,4E-05
Удельные выбросы, кг/кВт ч
8ДМ-21С 5,47 6,56 1,07 2,73 0,46 0,91 0,109 1,0E-05
KTA50G1 2,6 2,50 0,41 0,74 0,12 0,87 0,030 2,7E-06
Валовые выбросы (т/год) загрязняющих веществ были рассчитаны для 122 газопоршневых двигателей мощностью от 0,1 до 9 МВт, для 171 газотурбинных двигателей мощностью 0,1-20 МВт, для 549 дизельных двигателей мощностью 0,1 до 7,36 МВт российских и иностранных производителей.
На основе проведенных расчетов для оценки влияния мощности и типа двигателя были построены графические зависимости «Валовые выбросы от мощности мини-ТЭЦ» для каждого загрязняющего вещества. Графики представлены на рис. 1.
в;
Рис. 1. Валовые выбросы N02, N0, СО в зависимости от мощности для газопоршневых (1),
газотурбинных (2) и дизельных (3) двигателей:
а - N02; б - N0; в - С0
Для непосредственной оценки влияния мини-ТЭЦ на здоровье человека были рассчитаны приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, построены
поля рассеивания и определены точки с максимальной концентрацией. Мини-ТЭЦ состоит из двигателей мощностью 1 МВт в количестве от 1 до 10 штук. Результаты расчета представлены в табл. 6 для мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями РУМО 8Г4Н22/28, Caterpillar G3516-TA(H) при различной высоте дымовой трубы (от 10 до 35 м), диаметр трубы - 0,325 м и с газотурбинными двигателями завод им. В.Я. Климова ТВЗ-117, Mitsui Engineering SB5 высота трубы - 10 м, диаметр трубы - 1,35 м. Температура дымовых газов принималась 110оС. Расчеты проведены для климатической зоны г. Н. Новгород.
Таблица 6
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест
Наименование вещества Величина ПДК (мг/м3) Класс опасности
№ код Формула максимальная средне-
разовая суточная
4 Азота диоксид NO2 0,2 0,04 2
6 Азот (II) оксид NO 0,4 0,06 3
48 Бензапирен С20Н12 - 10-6 1
463 Сера диоксид O2S 0,5 0,05 3
520 Углерод С 0,15 0,05 3
521 Углерод оксид СО 5 3 4
541 Формальдегид CH2O 0,035 0,003 2
Таблица 7
Максимальные приземные концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для мини-ТЭЦ с газопоршневыми и газотурбинными двигателями в зависимости от высоты трубы
Высота трубы, м Тип мини-ТЭЦ Загрязняющее вещество Приземн доли ПД [ые концентрации загрязняющих веществ, К, для мини-ТЭЦ мощность, МВТ
1 2 4 6 8 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 РУМО 8Г4Н22/28 (1 МВт) NO2 0,261 0,522 1,044 1,566 2,088 2,61
NO 0,0246 0,0492 0,0984 0,148 0,197 0,246
СО 0,0063 0,0126 0,0252 0,0378 0,0504 0,063
Caterpillar G3516-TA(H) (1 МВт) NO2 0,245 0,49 0,98 1,47 1,96 2,45
NO 0,246 0,492 0,984 1,476 1,968 2,46
СО 0,02 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2
Завод им. В.Я. Климова ТВЗ-117 NO2 0,0302 0,0604 0,1208 0,181 0,242 0,302
NO 0,0050 0,010 0,0200 0,030 0,040 0,050
СО 0 0 0 0 0
Mitsui Engineering SB5 NO2 0,0182 0,0364 0,0728 0,1092 0,146 0,182
NO 0,0015 0,0030 0,0059 0,0089 0,0118 0,0148
СО
15 РУМО 8Г4Н22/28 (1 МВт) NO2 0,29 0,58 1,16 1,74 2,32 2,9
NO 0,0273 0,0546 0,1092 0,164 0,218 0,273
СО 0,0070 0,0140 0,0280 0,0421 0,0561 0,0701
Caterpillar G3516-TA(H) (1 МВт) NO2 0,162 0,324 0,648 0,972 1,296 1,62
NO 0,0132 0,0264 0,0528 0,0792 0,106 0,132
СО 0,0105 0,021 0,042 0,063 0,084 0,105
20 РУМО 8Г4Н22/28 (1 МВт) NO2 0,216 0,432 0,864 1,30 1,728 2,16
NO 0,0203 0,0406 0,0812 0,122 0,162 0,203
СО 0,0052 0,0104 0,0209 0,0313 0,0418 0,0522
Caterpillar G3516-TA(H) (1 МВт) NO2 0,12 0,24 0,48 0,72 0,96 1,2
NO 0,119 0,238 0,476 0,714 0,952 1,19
СО 0,0097 0,0194 0,0388 0,0582 0,0776 0,097
Окончание табл. 7
1 2 3 4 5 6 7 8 9
25 РУМО N02 0,171 0,342 0,684 1,026 1,368 1,71
8Г4Н22/28 N0 0,0161 0,0322 0,0644 0,0966 0,129 0,161
(1 МВт) СО 0,0041 0,0083 0,0165 0,0248 0,0330 0,0413
Са1егрШаг N02 0,0934 0,187 0,374 0,560 0,747 0,934
а3516-ТЛ(И) N0 0,093 0,186 0,372 0,558 0,744 0,93
(1 МВт) СО 0,0076 0,0151 0,0302 0,0454 0,0605 0,0756
30 РУМО N02 0,14 0,28 0,56 0,84 1,12 1,4
8Г4Н22/28 N0 0,0132 0,0264 0,0528 0,0792 0,106 0,132
(1 МВт) СО 0,0034 0,0068 0,0136 0,0203 0,0271 0,0339
Са1егрШаг N02 0,0749 0,150 0,300 0,449 0,599 0,749
03516-ТЛ(И) N0 0,0061 0,0122 0,0243 0,0365 0,0486 0,0608
(1 МВт) СО 0,0049 0,0097 0,0195 0,0292 0,0390 0,0487
35 РУМО N02 0,118 0,236 0,473 0,709 0,946 1,182
8Г4Н22/28 N0 0,0111 0,0222 0,0444 0,0666 0,0888 0,1110
(1 МВт) СО 0,0029 0,0057 0,0114 0,0171 0,0228 0,0285
Са1егрШаг N02 0,0607 0,121 0,243 0,364 0,486 0,607
03516-ТЛ(И) N0 0,0049 0,0099 0,0197 0,0296 0,0394 0,0493
(1 МВт) СО 0,0039 0,0079 0,0158 0,0236 0,0315 0,0394
Рис. 2. Изолинии приземных концентраций выбросов N02, для мини-ТЭЦ с 4 газопоршневыми двигателями РУМО 8Г4Н22/28 мощностью 1 МВт высота трубы Н=35 м:
координаты точки с максимальной приземной концентрацией- Х=200м, У=500 м; максимальная приземная концентрация - Стах=0,473 ПДК
Цвет изолиний приземных концентраций Доли ПДК
0,20
0,26
0,32
0,38
0,44
Основные климатические характеристики, необходимые для расчетов приземных концентраций вредных веществ, приняты по СНиП 23-01-99 "Строительная климатология". Расчетный прямоугольник имеет размеры 1000х1000м, шаг расчета рассеяния загрязняющих веществ выбран 50 м.
Перечень загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу мини-ТЭЦ, и санитарно-гигиенические характеристики загрязняющих веществ представлены в табл. б. Предельно допустимые концентрации приняты согласно ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».
На рис. 2 построены изолинии приземных концентраций основного вредного вещества (NO2), которые показывают распределение концентраций в долях ПДК, и точка с максимальной приземной концентрацией, которая составляет 0,473 ПДК, а также приведен вариант расчета для газопоршневой мини-ТЭЦ с 4 двигателями РУМО с трубой 35 м, расположенной в жилом районе.
Выводы
1. Из трех видов агрегатов наибольшие выбросы загрязняющих веществ дают дизельные двигатели.
2. Расстояние от мини-ТЭЦ до жилых районов (санитарно-защитня зона) должно быть не менее 50 м.
3. Для мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями должны выполняться следующие экологические требования:
• при мощности мини-ТЭЦ 1 и 2 МВт (при мощности одного двигателя 1 МВт) высоту дымовой трубы можно брать 10 м, при этом концентрации всех вредных веществ не превышают ПДК;
• при мощности мини-ТЭЦ 4 МВт (при мощности одного двигателя 1 МВт) высоту дымовой трубы можно брать 20 м, при этом концентрации всех вредных веществ не превышают ПДК;
• при мощности мини-ТЭЦ 6 МВт (при мощности одного двигателя 1 МВт) высоту дымовой трубы можно брать 30 м, при этом концентрации всех вредных веществ не превышают ПДК.
4. Для мини-ТЭЦ с газотурбинными двигателями достаточно строительство дымовой трубы высотой 10 м.
Библиографический список
1. Вагин, Г.Я. К вопросу о повышении надежности систем электроснабжения промышленных предприятий // Промышленная энергетика. 2006 № 3.
2. Вагин, Г.Я. Технические и экономические критерии выбора мини-ТЭЦ на промышленных предприятиях / Г.Я. Вагин [и др.] // Промышленная энергетика. 2006. № 4-5.
3. Вагин, Г.Я. Мини-ТЭЦ в экологическом аспекте / Г.Я. Вагин [и др.] // АКВА-ТЕРМ. 2006. №6.
Дата поступления в редакцию 26.04.2011
O.V. Masleeva
THT INFLUENCE OF MINI-POWER-STATION ON THE LEVEL OF ATMOSPHERIC AIR POLLUTION
The environmental assessment of air pollution during the construction of mini-power stations with three different types of engines: gas-piston, gas turbine and diesel is given. The maximum surface concentrations at different height of chimneys are calculated.
Key words: ecology, mini-CHP, pollutants, ground-level concentrations, MPC.
