CC BY
8ПРОБЛЕМЫ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ТЕПЛОВЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СТАНЦИЯМИ
PROBLEMS OF UNHEALTHY ATMOSPHERIC EMISSIONS BY HEAT-ELECTRIC GENERATING PLANTS
Статья поступила в редакцию 15.04.15. Ред. рег. № 2225 The article has entered in publishing office 15.04.15. Ed. reg. No. 2225
УДК 621.311.22 doi: 10.15518/isjaee.2015.17-18.021
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА, УГЛЕРОДА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА НА СУММАРНУЮ ТОКСИЧНОСТЬ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ КОТЛОВ ТЭЦ: ЧАСТЬ 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОТЛЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
М.С. Иваницкий
Филиал НИУ «МЭИ» в г. Волжском 404110 г. Волжский, Волгоградская обл., пр. Ленина, д. 69 Тел.: (8443) 210160, e-mail: vfmei@vfmei.ru
Заключение совета рецензентов: 19.04.15 Заключение совета экспертов: 23.04.15 Принято к публикации: 27.04.15
В статье приведен корреляционный анализ взаимного влияния компонентов дымовых газов на суммарную токсичность продуктов сгорания. Определены коэффициенты парной корреляции бенз(а)пирена и оксидов азота, бенз(а)пирена и оксидов углерода, оксидов азота и углерода для энергетических котлов большой мощности.
В условиях обеспечения заданного режима работы котла в зависимости от технологических факторов предложен подход для осуществления минимального уровня токсичности выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий рассеивания или нарушений в работе газоочистных установок.
Показана роль взаимного воздействия компонентов сгорания на формирование общей токсичности выбросов в атмосферу воздуха.
Ключевые слова: бенз(а)пирен, горение, суммарная токсичность, продукты сгорания.
CORRELATION ANALYSIS OF THE MUTUAL INFLUENCE OF OXIDES OF NITROGEN, CARBON AND BENZ(A)PYRENE IN THE TOTAL TOXICITY OF
EXHAUST GASES OF BOILERS CHP: PART 1. ENERGY GREAT POWER BOILERS
M.S. Ivanitskii
Volzhsky Branch of the National Research University «Moscow Power Engineering Institute» 69 Lenin str., Volzhsky, Volgograd reg., 404110, Russia Tel.: (8443) 210160, e-mail: vfmei@vfmei.ru
Referred: 19.04.15 Expertise: 23.04.15 Accepted: 27.04.15
The article presents the correlation analysis of the mutual influence of the components of the flue gases to the total toxicity of combustion products. Determined the coefficients of pair correlation benz(a)pyrene and oxides of nitrogen, benz(a)pyrene and oxides of carbon, oxides of nitrogen and carbon for energy large capacity boilers.
Providing a given mode of operation of the boiler depending on technological factors, the proposed approach is to implement a minimum level of toxic emissions during periods of adverse meteorological conditions for dispersion or disruption to the gas cleaning units.
The role of mutual influence of the components of the combustion in the formation of the overall toxicity of emissions of air. Keywords: benz(a)pyrene, the burning, the total toxicity of the combustion products.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» ВФ МЭИ.
Образование: Филиал МЭИ (технический университет) в г. Волжском (2011). Область научных интересов: процессы горения топлива, экология энергетики. Публикации: 40.
Information about the author: Ph.D., art. lecturer in "Heat and Heat Engineering". Education: Volzhsky Branch of Moscow Power Engineering Institute (2011). Research area: fuel combustion processes, ecology of energy. Publications: 40.
Максим Сергеевич
Иваницкий Maxim S. Ivanitskii
Введение
Сжигание топлива в энергетических котельных установках сопровождается образованием токсичных компонентов. В состав дымовых газов входят оксиды азота, углерода, серы, полиароматические углеводороды (ПАУ), в том числе бенз(а)пирен (БП), зола, шлак и другие вредные вещества. Выход токсичных компонентов характеризует экологичность процесса горения топлива. При этом массовый выброс веществ не является показателем, указывающим на суммарную токсичность. При определении суммарной токсичности выбросов необходимо учитывать показатели частной токсичности компонентов горения. Необходимо отметить, что отдельные компоненты уходящих газов усиливают свою токсичность в присутствии других, например, оксиды азота и бенз(а)пирен. В результате такого взаимодействия образуются новые соединения более высокой токсичности - суперэкотоксиканты. Определение взаимного влияния компонентов уходящих газов позволяет прогнозировать токсическое действие выбросов. В данной работе проведен анализ взаимного влияния компонентов дымовых газов для энергетических котлов большой мощности (свыше 25 МВт) [1-5].
Экспериментальное и численное исследование
В качестве объекта исследования выбран газомазутный котел ТГМ-84 с двухсветным экраном и шестью горелками. Основным топливом является природный газ Саушкинского месторождения. В качестве варьируемых режимных параметров используется коэффициент избытка воздуха в диапазоне 1,01-1,10. Нагрузка котла остается при этом постоянной (Кд = 1). Рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание топлива и подача влаги в топочную камеру не производится (Кр = 1, Кст = 1, Квл = 1). Теплонапряжение поверхности зоны активного горения топочной камеры дЛГГ = 0,609 МВт/м2. Теплонапряжение топочного объема камеры ду = 209,3 кВт/м3. Объемный расход дымовых газов при изменении коэффициента избытка воздуха в заданном диапазоне варьировался в пределах 91,8-100,3 м3/с.
Для анализа содержания в уходящих газах оксидов азота, серы и углерода применялся переносной газоанализатор ТЕ8Т0-330ХЬ. В комплект газоанализатора входит никель-хром-никель термопара, погрешность измерений которой 0,5% от измеренного значения температуры. Погрешность измерения давления (разрежения) находится в пределах 1,5% от измеренного значения давления. Потери тепла, измерения КПД котла определялись с погрешностью 0,1%. Измерения О2, СО2 выполнялись с погрешностью 0,2% и с быстродействием менее 20 с. Погрешность измерения СО, МО, 802 - 5% от измеренного значения при быстродействии менее 30 с [4].
Рассмотрим методы для определения концентрации БП на основе функциональных связей технологических параметров, характеризующих сжигание топлива. Определение концентрации БП в дымовых газах сопряжено с большими трудностями вследствие отсутствия доступных измерительных систем. В настоящее время определение содержания БП в уходящих газах производится в основном аккредитованными лабораториями.
Методика расчетного определения БП в уходящих газах котельных установок основана на обобщении большого количества экспериментальных данных. Погрешность определения содержания БП при этом составляет не более 20%.
Концентрация БП в дымовых газах энергетических котлов при сжигании природного газа СБП, приведенная к избытку воздуха в газах а = 1,4, рассчитывается по формуле
Сбп = ддГ'26 (0,0536 + 0,163 -10-3ду )ПК , (1)
1=1
где дЛГ - теплонапряжение поверхности зоны активного горения, МВт/м2; ду - теплонапряжение
N
топочного объема, кВт/м3; П К = КаКрКдКстКвл
1=1
- произведение коэффициентов для учета влияния коэффициента избытка воздуха, рециркуляции, нагрузки котла, ступенчатого сжигания топлива, подачи влаги [6].
Суммарный показатель токсичности дымовых газов определяется по формуле
п=2 П
(2)
где П,- - частный показатель токсичности /-го компонента выброса.
В табл. 1-3 под обозначением величин х, и у, следует понимать соответствующие значения компонентов корреляционных пар.
Рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции по формуле
ХУ' X 2 У'
V
п Г п \
п2 x2 - 2 X'
'=T V i=1
72 y2 -| 2 У'
(3)
Подставляя значения параметров из табл. 1, получим, гху = -0,904. Связь обратная, достаточно тесная.
Оценим значимость коэффициентов регрессии и корреляции с помощью /-статистики Стьюдента. Для этого необходимо сравнить табличное значение t-критерия (для уровня значимости а = 0,05 и числа степеней свободы п - 2 = 10 - 2 = 8) с расчетными критериями
гл]п - 2
t, =
VT—
(4)
Коэффициент Стьюдента /0 95;8 = 2,31, следовательно, фактические значения /г превосходят табличные значения /г = 8,11 > /095;8 = 2,31 и коэффициент гбп-ж> значимый.
Таблица 1
Данные планирования системы «бенз(а )пирен-оксид азота»
Planning data system «benz(a)pyrene-nitric oxide»
ТаЬ1е 1
i x¡ Уi x2 У2 xy¡ П
1 127 113 16129 12769 14351 441035
2 99 119 9801 14161 11781 464950
3 77 127 5929 16129 9779 497643
4 60 139 3600 19321 8340 547592
5 47 146 2209 21316 6862 578711
6 37 150 1369 22500 5550 598798
7 28 154 784 23716 4312 619256
8 22 164 484 26896 3608 646656
9 22 176 484 30976 3872 719637
10 22 191 484 36481 4202 790173
Z 541 1479 41273 224265 72657 -
Таблица 2
Данные планирования системы « бенз( а) пирен-монооксид углерода»
ТаЬ1е 2
Planning data system «benz(a)pyrene-carbon monoxide»
i X' Уг Xi2 У2 ХУi П
1 127 100 16129 10000 12700 23868
2 99 87 9801 7569 8613 19652
3 77 79 5929 6241 6083 16474
4 60 68 3600 4624 4080 13622
5 47 55 2209 3025 2585 10887
6 37 45 1369 2025 1665 8869
7 28 34 784 1156 952 6714
8 22 20 484 400 440 4714
9 22 13 484 169 286 4063
10 22 10 484 100 220 3811
Z 541 511 41273 35309 37624 -
Таблица 3
Данные планирования системы « оксид азота-монооксид углерода»
Planning data system «nitric oxide-carbon monoxide»
ТаЬ1е 3
i xt Уг x2 У2 ХгУг П
1 113 100 12769 10000 11300 434489
2 119 87 14161 7569 10353 460348
3 127 79 16129 6241 10033 494770
4 139 68 19321 4624 9452 545558
5 146 55 21316 3025 8030 576916
6 150 45 22500 2025 6750 597198
7 154 34 23716 1156 5236 617660
8 164 20 26896 400 3280 662261
9 176 13 30976 169 2288 716394
10 191 10 36481 100 1910 786452
Z 1479 511 224265 35309 68632 -
Для сформированной матрицы значений из табл. 2 рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции для системы «бенз(а)пирен-монооксид углерода» по (3), гху = 0,949. Связь прямая, достаточно тесная.
Значимость коэффициентов регрессии и корреляции определим с помощью /-статистики Стьюдента. Для этого сравним табличное значение /-критерия для
г =
xy
2
уровня значимости с расчетными критериями ^ = 8,51. Коэффициент Стьюдента %5;8 = 2,31, следовательно, фактические значения tr превосходят табличные значения, поэтому коэффициент гБП-со значимый.
На основе полученных из табл. 3 данных рассчитаем линейный коэффициент парной корреляции для системы «оксиды азота-монооксид углерода» по (3), гху = -0,975. Связь обратная, достаточно тесная.
Оценим значимость коэффициентов регрессии и корреляции с помощью ^статистики Стьюдента, применяя сравнение табличного значения ^критерия (для уровня значимости а = 0,05 и числа степеней свободы п - 2 = 10 - 2 = 8) с расчетными критериями tr = 12,42. Коэффициент Стьюдента ^,95;8 = 2,31, следовательно, фактические значения tr превосходят табличные значения, поэтому коэффициент гмо-со значимый.
Анализ показывает, что концентрация БП в дымовых газах при работе газовых котлов определяется в значительной степени параллельно идущими процессами генерации других токсичных соединений. На выходе из топочной камеры процессы конверсии БП в полной мере не завершены. В свою очередь, содержание оксидов азота в уходящих газах полностью обеспечивается в топочной камере. Это характеризует достаточно сильное различие в условиях и механизмах генерации БП и оксидов азота.
Обсуждение результатов
Проведенный корреляционный анализ показал, что выбросы БП и оксидов азота достаточно тесно взаимосвязаны вследствие значительного влияния избытка воздуха в топочной камере котла в начальной стадии генерации продуктов сгорания. В системе планирования «бенз(а)пирен-оксид азота» максимальная токсичность уходящих газов достигается при минимальном уровне БП в продуктах сгорания. При этом необходимо отметить, что начальный уровень БП в продуктах сгорания составляет 127 нг/м3, в конечный момент 22 нг/м3. В соответствии с этим при увеличении избытка воздуха в топочной камере процесс выгорания БП происходит достаточно интенсивно вследствие более полного окисления углеводородов топлива.
Система планирования «бенз(а)пирен-монооксид углерода» характеризует низкий суммарный уровень токсичности продуктов сгорания. В целом данная корреляционная пара отражает процессы неполной конверсии и в значительной степени может характеризовать недостатки топочного режима и пути его совершенствования.
Корреляционная пара «оксид азота-монооксид углерода» по уровню токсичности в исследуемом диапазоне избытка воздуха сравнима с системной парой «бенз(а)пирен-оксид азота». Коэффициенты парной корреляции для оценок систем «бенз(а)пи-рен-оксид азота» и «оксид азота-монооксид углерода» отрицательны. Это указывает на непосредственную тесную связь БП и монооксида углерода в условиях генерации токсичных соединений при сжигании природного газа. Следует отметить, что исследования взаимного влияния компонентов уходящих газов на суммарную токсичность выбросов при горении углеводородного топлива позволяют сократить границы санитарно-защитной зоны станции посредством проведения оптимизационных работ топочного процесса. Суммарная токсичность выбросов при работе газовых энергетических котлов большой мощности на 2-7% обуславливается присутствием в них БП.
Выводы
Проведен анализ взаимного влияния компонентов сгорания энергетических котлов большой мощности на суммарную токсичность дымовых газов для обеспечения предельно допустимых выбросов и концентраций в зоне расположения теплоэлектростанции.
Для заданного режима работы котла в зависимо -сти от технологических факторов с использованием предлагаемого подхода возможно обеспечение минимального уровня токсичности выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий рассеивания или нарушений в работе газоочистных установок. Вклад бенз(а)пирена в суммарную токсичность выбросов при работе энергетических котлов на природном газе составляет 2-7%.
Список литературы
1. Иваницкий М.С., Грига А.Д. Определение концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах котельных установок и способ автоматического регулирования процесса горения // Энергосбережение и водоподго-товка. 2013. № 3 (83). С. 52-56.
References
1. Ivanickij M.S., Griga A.D. Opredelenie koncentracii benz(a)pirena v dymovyh gazah kotel'nyh ustanovok i sposob avtomaticeskogo regulirovania processa gorenia // Energosberezenie i vodopodgotovka. 2013. № 3 (83). S. 52-56.
2. Иваницкий М.С., Грига А. Д., Фокин В.М., Грига С.А. Физико-химические процессы механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива // Вестник ВолгГАСУ. 2012. № 27 (46). С. 28-33.
3. Грига А. Д., Иваницкий М. С. Определение содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котельных установок малой мощности // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. №14 (136). 2013. С. 67-70.
4. Иваницкий М.С., Грига А.Д. Определение предельно допустимых концентраций нитропроизвод-ных полиароматических соединений, образующихся в топках котлов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2013. № 11-12. С. 17-23.
5. Грига А.Д., Иваницкий М.С. Определение содержания бенз(а)пирена в уходящих газах камеры сгорания газовой турбины // Вестник ВГТУ. Серия «Энергетика». 2014. Т. 5, № 10. С. 86-88.
6. РД 153-34. 1-02. 316-2003. Методика расчета выбросов бенз(а)пирена в атмосферу паровыми котлами электростанций. Введ. 01.07.03. Москва, 2003.
2. Ivanickij M.S., Griga A.D., Fokin V.M., Griga S.A. Fiziko-himiceskie processy mehanizmov obra-zovania benz(a)pirena pri sziganii uglevodorodnogo topliva // Vestnik VolgGASU. 2012. № 27 (46). S. 28-33.
3. Griga A.D., Ivanickij M.S. Opredelenie soderzania benz(a)pirena v dymovyh gazah kotel'nyh ustanovok maloj mosnosti // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. №14 (136). 2013. S. 67-70.
4. Ivanickij M.S., Griga A.D. Opredelenie predel'no dopustimyh koncentracij nitroproizvodnyh poli-aromaticeskih soedinenij, obrazuusihsa v topkah kotlov // Izvestia vuzov. Problemy energetiki. 2013. № 11-12. S. 17-23.
5. Griga A.D., Ivanickij M.S. Opredelenie soderzania benz(a)pirena v uhodasih gazah kamery sgorania gazovoj turbiny // Vestnik VGTU. Seria «Energetika». 2014. T. 5, № 10. S. 86-88.
6. RD 153-34. 1-02. 316-2003. Metodika rasceta vybrosov benz(a)pirena v atmosferu parovymi kotlami elektrostancij. Vved. 01.07.03. Moskva, 2003.
Транслитерация по ISO 9:1995
Г.-":
— TATA — < >
