CC BY
9Статья поступила в редакцию 15.04.15. Ред. рег. № 2226
The article has entered in publishing office 15.04.15. Ed. reg. No. 2226
УДК 621.311.22 doi: 10.15518/isjaee.2015.17-18.022
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА, УГЛЕРОДА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА НА СУММАРНУЮ ТОКСИЧНОСТЬ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ КОТЛОВ ТЭЦ: ЧАСТЬ 2. КОТЛЫ МАЛОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ
М. С. Иваницкий
Филиал НИУ «МЭИ» в г. Волжском 404110 г. Волжский, Волгоградская обл., пр. Ленина, д. 69 Тел.: (8443) 210160, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 19.04.15 Заключение совета экспертов: 23.04.15 Принято к публикации: 27.04.15
Статья посвящена оценке влияния отдельных компонентов сгорания топлива на суммарную токсичность выброса. Определены предельные уровни токсичности уходящих газов для котлов малой тепловой мощности. Проведен анализ взаимного влияния компонентов сгорания для повышения точности определения общей агрессивности предельно допустимого выброса.
Предложенный подход позволяет более детально оценивать формирование общего фонового уровня загрязненности воздушного бассейна городской застройки токсичными веществами в тех районах, где преобладающими источниками теплоснабжения являются котельные установки малой тепловой мощности. Прогнозирование суммарной токсичности выбросов обусловлено необходимостью критической оценки оптимизации топочного режима конкретной энергоустановки.
Ключевые слова: корреляция, бенз(а)пирен, оксиды азота, монооксид углерода, токсичность выброса.
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 2. BOILERS OF SMALL THERMAL POWER
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: [email protected]
Referred: 19.04.15 Expertise: 23.04.15 Accepted: 27.04.15
The article is devoted to the assessment of the impact of individual components of the combustion fuel to the total toxicity of the emissions. Defined limits of toxicity of exhaust gases for boilers of low thermal capacity. The analysis of the mutual influence of the components of combustion to increase the accuracy of determining the overall aggressiveness of maximum permissible emissions.
The proposed approach allows more detail to assess the formation of a common background level of air pollution urban sprawl toxic substances, in areas where the predominant sources of heat are plants where the low thermal capacity. Forecasting the total toxicity of the emissions caused by the necessity of a critical assessment of the optimization of the combustion mode of a particular plant.
Keywords: correlation, benz(a)pyrene, nitrogen oxides, carbon monoxide, toxic emissions.
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
При горении органического топлива в топочной камере котельной установки генерируются токсичные вещества. Содержание вредных веществ в дымовых газах характеризует массовый выброс продуктов сгорания, но не является показателем суммарной токсичности. Для определения суммарной токсичности уходящих газов необходимо использовать частные показатели токсичности компонентов.
Частные показатели токсичности учитывают вредность конкретного компонента дымовых газов, например, частный показатель токсичности монооксида углерода - 1; оксида азота (VI) - 41,1; бенз(а)пирена - 12,6-108. Бенз(а)пирен обладает канцерогенным и мутагенным действием, вследствие этого характеризуется высоким значением токсичности. Содержание БП в дымовых газах является важной эксплуатационной характеристикой паровых и водогрейных котлов. Необходимо отметить, что пы-леугольные котлы характеризуются более высоким содержанием БП в дымовых газах, чем котлы, сжигающие газ или мазут. Определение концентрации бенз(а)пирена в уходящих газах котлов инструментальными методами достаточно сложное и проводится с низкой степенью точности [1-6]. В данной работе проведен корреляционный анализ взаимного влияния выбросов на суммарную токсичность продуктов горения для котлов малой тепловой мощности (менее 25 МВт).
Экспериментальное и численное исследование
В качестве объекта исследования выбран газовый водогрейный котел ВМегш 8825Ь-7700 с инжекци-онной низкоэмиссионной горелкой ЬЛМТБС (БВЯ) БМ 267 СБ. В котле поверхности нагрева расположены симметрично, в его конструкции использован принцип трехходового прохождения продуктов сгорания, имеется цилиндрическая жаровая труба и во-доохлаждаемая камера с поворотом газового потока.
Основным топливом является природный газ со следующими рабочими характеристиками: СН4 = 94%, Н2 = 2%, СО2 = 0,2%, С2Н4 = 1%, С3Н8 = 1,5%, С4Н10 = 0,7%, С5Н12 = 0,6%. В качестве варьируемых режимных параметров используется коэффициент избытка воздуха в диапазоне 1,05-1,32. Нагрузка котла остается при этом постоянной (Кд = 1). Рециркуляция дымовых газов и ступенчатое сжигание топлива не производится (Кр = 1, Кст = 1). Теплонапряжение топочного объема камеры ду = 460 кВт/м3. Объемный расход уходящих газов в заданном диапазоне коэффициента избытка воздуха варьировался в пределах 2,96-3,21 м3/с.
Экспериментальное определение содержания оксидов азота, серы и углерода в дымовых газах проводилось при помощи переносного газоанализатора ТБ8Т0-330ХЬ. Измерения О2, СО2 выполнялись с погрешностью 0,2%. Погрешность измерения СО, МО, 802 - 5% от измеренного значения. Погрешность измерений температуры дымовых газов составляла 0,5% от измеренного значения.
В отношении снижения выбросов БП в воздушный бассейн при стороннем влиянии других компонентов продуктов сгорания сведения практически отсутствуют. Вероятно, что только при комплексном подходе к данной проблеме возможно оценить совместное воздействие отдельных веществ уходящих газов и прогнозировать уровень токсичности выбросов. При этом экологическую безопасность окружающей среды можно обеспечить, если определить оптимальные значения режимных параметров при работе котельной установки [4].
Концентрация БП в сухих дымовых газах водогрейных котлов при сжигании природного газа ^Б(а)п в зависимости от диапазона значения коэффициента избытка воздуха и объемного теплонапряже-ния топочной камеры при ду = 250-500 кВт/м3 рассчитывается по формулам [3]
Сг
Б(а)П
1Q-6R (Q, 11qv - 7)
e3,5(a-1)
П K при 1,Q5 < a < 1,25; (1)
i =1
г 10-6 Я (0,13« - 5)"
СБГ(а)и = 1 3ез,(Л) ^ПК при а>^25, (2)
где ду - теплонапряжение топочного объема, кВт/м3; Я - коэффициент, учитывающий тип горелочного устройства (при сжигании газа Я = 1); а - коэффициент избытка воздуха в дымовых газах на выходе из
N
топки; П К1 = КР КД КСТ - произведение коэффици-
,=1
ентов для учета влияния рециркуляции, нагрузки котла, ступенчатого сжигания топлива. Погрешность данной методики составляет не более 20% [3].
Суммарный показатель токсичности дымовых газов определяется по формуле
П = S П
(3)
здесь П,- - частный показатель токсичности 1-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
Таблица 2
Данные планирования системы « бенз( а) пирен-монооксид углерода»
ТаЪк 2
Planning data system «benz(a)pyrene-carbon monoxide»
i x¡ Уг x2 y2 хуг П
1 37 10 1369 100 370 168
2 33 5 1089 25 165 140
3 30 5 900 25 150 131
4 27 2 729 4 54 111
5 24 0 576 0 0 93
6 22 0 484 0 0 85
7 20 0 400 0 0 78
8 17 0 289 0 0 66
9 15 0 225 0 0 59
10 14 0 196 0 0 57
Z 239 22 6257 154 739 -
n n
ХУг Х S У
i
■. (4)
nSx -l Sx I JnSyf -| Syt
г = 1 V i =1
Подставляя значения параметров, получим ^БП-ко = -0,986. Связь обратная, достаточно тесная.
Таблица 1
Данные планирования системы «бенз(а) пирен-оксид азота»
Planning data system «benz(a)pyrene-nitric oxide»
Table 1
г Хг Уг х2 У/ ХУг П
1 37 60 1369 3600 2220 7437
2 33 68 1089 4624 2244 8509
3 30 74 900 5476 2220 9330
4 27 82 729 6724 2214 10315
5 24 88 576 7744 2112 10940
6 22 96 484 9216 2112 12119
7 20 108 400 11664 2160 13616
8 17 114 289 12996 1938 14355
9 15 121 225 14641 1815 15525
10 14 131 196 17161 1834 17341
Z 239 942 6257 93846 20869 -
Таблица 3
Данные планирования системы «оксид азота-монооксид углерода»
ТаЬк 3
Planning data system «nitric oxide-carbon monoxide»
г x¡ Уг х2 У/ ХгУг П
1 60 10 3600 100 600 7329
2 68 5 4624 25 340 8399
3 74 5 5476 25 370 9200
4 82 2 6724 4 164 10285
5 88 0 7744 0 0 11104
6 96 0 9216 0 0 12152
7 108 0 11664 0 0 13716
8 114 0 12996 0 0 14525
9 121 0 14641 0 0 15715
10 131 0 17161 0 0 17283
Z 942 22 93846 154 1474 -
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 = 8) с расчетными критериями
r
БП- NO
r^jn - 2
(5)
Коэффициент Стьюдента ^,95;8 = 2,31, следовательно, фактические значения превосходят табличное значение: tr = 16,73 > ¿0,95;8 = 2,31 коэффициент гт-ж> значимый.
Линейный коэффициент парной корреляции для системы «бенз(а)пирен-монооксид углерода» определим по формуле (3), гБП-со = 0,889. Связь прямая, достаточно тесная. Значимость коэффициентов регрессии и корреляции определим с помощью t-статистики Стьюдента. Для этого сравним табличное значение ^критерия для уровня значимости а = 0,05 с расчетным критерием tr = 5,5. Коэффициент Стьюдента %5;8 = 2,31, следовательно, фактические значения tr превосходят табличное значение, поэтому коэффициент гБП-со значимый.
Для системы «оксид азота-монооксид углерода» определим линейный коэффициент парной корреляции по (3), гко-со = -0,815. Связь обратная, достаточно тесная. Оценим значимость коэффициентов регрессии и корреляции с помощью ^статистики Стьюдента, сравнивая табличное значение ^критерия для уровня значимости а = 0,05 и числа степеней свободы п - 2 = 8 с расчетным критерием tr = 3,98. Коэффициент Стьюдента %5;8 = 2,31, следовательно, фактические значения tr превосходят табличное значение, поэтому коэффициент гко-со значимый.
Обсуждение результатов
Анализ показал, что выбросы БП, оксидов азота и монооксида углерода тесно взаимосвязаны, что отражается линейными коэффициентами парной корреляции. В компонентной среде «бенз(а)пирен-оксид азота» достигается максимальная токсичность дымовых газов. При этом начальная концентрация БП в продуктах сгорания составляет 37 нг/м3, конечное значение 14 нг/м3. Высокая токсичность этой пары компонентов обусловлена значительным выходом и частной вредностью оксидов азота.
В системе планирования «бенз(а)пирен-монооксид углерода» суммарная токсичность уходящих газов принимает минимальные значения по сравнению с первой корреляционной парой. Для котлов малой тепловой мощности данная система планирования компонентов позволяет осуществлять более полное выгорание топлива в условиях обеспечения минимальной токсичности выбросов оптимизацией режимных мероприятий.
Коэффициенты парной корреляции для оценочных значений компонентов «бенз(а)пирен-оксид азота» и «оксид азота-монооксид углерода» отрицательны. Система «оксид азота-монооксид углерода» по уровню вредности в диапазоне изменения избытка воздуха соизмерима с корреляционной парой «бенз(а)пирен-оксид азота», что характеризует пря-
мую связь БП и монооксида углерода в заданных условиях. Суммарная вредность уходящих газов в приведенных условиях на 0,9-2,2% обуславливается частной токсичностью БП. Положительная сторона изложенного подхода состоит в том, что в перспективе его можно уточнить на базе новых опытных данных измерения концентрации БП в уходящих газах котлов малой мощности.
Построим графическую зависимость суммарной токсичности выбросов от коэффициента избытка воздуха, используя данные табл. 1 (рисунок).
П
20000
15000
10000
5000
1,05
1,19
1,32
Зависимость суммарной токсичности выбросов от коэффициента избытка воздуха для газового водогрейного котла Buderus S825L-7700 The dependence of the total toxicity of emissions from air excess factor for gas hot water boiler Buderus S825L-7700
Приведенная зависимость показывает, что при увеличении избытка воздуха в пределах от 1,05 до 1,32 суммарная токсичность выбросов увеличивается более чем в 2 раза. Это происходит за счет увеличения выхода оксидов азота в результате большей подачи воздуха для сжигания топлива и соответствующим снижением образования БП.
Выводы
Проведен анализ суммарной токсичности уходящих газов котлов малой тепловой мощности. Установлено, что суммарная вредность дымовых газов в приведенных диапазонах режимных характеристик на 0,9-2,2% обуславливается частной токсичностью БП. Прогнозирование суммарной токсичности выбросов обусловлено необходимостью критической оценки оптимизации топочного режима конкретной энергоустановки. Предложенный подход позволяет более детально оценивать формирование общего фонового уровня загрязненности воздушного бассейна городской застройки токсичными веществами в тех районах, где преобладающими источниками теплоснабжения являются котельные установки малой тепловой мощности.
а
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.
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. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час. М., 1999.
4. Грига А.Д., Иваницкий М.С. Определение содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котельных установок малой мощности // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2013. № 14(136). С. 67-70.
5. 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.
6. 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.
References
1. Ivanickij M.S., Griga A.D. Opredelenie koncentracii benz(a)pirena v dymovyh gazah kotel'nyh ustanovok i sposob avtomaticeskogo regulirovaniä processa gorenia // Energosberezenie i vodopodgotovka.
2013. № 3 (83). S. 52-56.
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. Metodika opredelenia vybrosov zagräznäüsih vesestv v atmosferu pri sziganii topliva v kotlah proizvoditel'nost'ü menee 30 tonn para v cas ili menee 20 Gkal v cas. M., 1999.
4. Griga A.D., Ivanickij M.S. Opredelenie soderzaniä benz(a)pirena v dymovyh gazah kotel'nyh ustanovok maloj mosnosti // Al'ternativnaä energetika i ekologiä -ISJAEE. 2013. № 14(136). S. 67-70.
5. Ivanickij M.S., Griga A.D. Opredelenie predel'no dopustimyh koncentracij nitroproizvodnyh poli-aromaticeskih soedinenij, obrazuüsihsä v topkah kotlov // Izvestiä vuzov. Problemy energetiki. 2013. № 11-12. S. 17-23.
6. Griga A.D., Ivanickij M.S. Opredelenie soderzaniä benz(a)pirena v uhodäsih gazah kamery sgoraniä gazovoj turbiny // Vestnik VGTU. Seriä «Energetika».
2014. T. 5, № 10. S. 86-88.
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — LXJ
