Отложения накипи в водогрейном оборудовании как фактор безопасности систем теплоснабжения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.182.12: 621.311.22

Г.В.Ушаков

ОТЛОЖЕНИЯ НАКИПИ В ВОДОГРЕЙНОМ ОБОРУДОВАНИИ КАК ФАКТОР БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В условиях Кузбасса и всего сибирского региона две трети года забота о снабжении промышленных предприятий и населения теплом и горячей водой ложится на системы теплоснабжения предприятий жилищно-коммунального хозяйства [1].

Требования к промышленной безопасности производственных объектов, в том числе и системам теплоснабжения, определяются нормами в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, санитарно-эпидемиологического благополучия населения, охраны окружающей природной среды, экологической безопасности, пожарной безопасности, охраны труда [2].

В различных отраслях хозяйства эксплуатируются десятки тысяч котлов небольшой тепловой мощности (от 1 до 30 Гкал/ч). В котельных, оборудованных такими котлами, зачастую отсутствуют необходимые условия для организации достаточно сложной водоподготовки и обслуживающий персонал высокой квалификации. При исходной воде с карбонатной жесткостью больше 1-2 ммоль/дм3 на внутренних поверхностях нагрева имеет место образование отложений накипи. Это происходит вследствие протекания термолиза гидрокарбонатов кальция и магния с образованием малорастворимых в воде карбоната кальция и гидроксида магния.

Отложения накипи создают большое термическое сопротивление тепловому потоку от газов к нагреваемой воде, т.к. их теплопроводность значительно меньше теплопроводности металла. Теплопроводность карбонатной накипи с содержанием СаСО 3 + М^ (ОН )2 > 50% составляет 0,587,0 Вт/(м-°С) [3]. При определенной толщине отложений в экранных трубах котла могут образоваться отдулины и свищи и возникнуть ситуация, связанная с его аварийной остановкой.

В результате, отложения накипи становятся фактором, определяющим промышленную безопасность котельных, не оснащенных установками водоподготовки, и систем горячего водоснабжения с такими котельными, - возникают негативные явления, снижающие эффективность работы систем горячего водоснабжения:

- перегрев металла труб под отложениями накипи выше допустимых пределов;

- ускорение коррозии под отложениями накипи;

- увеличение гидравлического сопротивления тракта котлов и всей системы теплоснабжения;

- увеличение расхода топлива на нагрев воды, а следовательно, увеличение выбросов вредных

веществ в атмосферу с дымовыми газами и объема твердых отходов - золы и шлака, выбрасываемых в золоотвалы.

Удаление накипи с внутренней поверхности труб котла ведется путем его химической очистки, которая проводится при загрязненности 1000 г/м2 и более или при увеличении гидравлического сопротивления котла в 1,5 раза по сравнению с гидравлическим сопротивлением чистого котла

[3]. Обычно химическая очистка котлов производится в период летней остановки систем теплоснабжения, т. е. не чаще чем раз в отопительный сезон. В течение отопительного сезона котлы эксплуатируются при наличии отложений накипи на внутренних поверхностях водогрейных труб, что ведет к перерасходу топлива и росту вредных выбросов в атмосферу.

Остановимся на некоторых оценках.

Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании 1000 тонн твердого топлива

Расчет выбросов в атмосферу твердых частиц летучей золы и недогоревшего топлива с дымовыми газами из водогрейного котла мощностью до 30 Гкал/ч при сжигании твердого топлива выполняется по формуле [4]:

Птв = ВАр%(1 -п)/100 =

=1000 15 0,0023 (1-0,9)=34,5 т, где В = 1000 т - расход топлива; Ар - зольность топлива, %; ц- доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, определяется по техническим данным применяемых золоуловителей;^ = вспомогательная величина. При сжигании бурых и каменных углей в топках с неподвижной решеткой и ручным забросом топливах=0,0023 [4].

Выброс в атмосферу с дымовыми газами оксидов серы Мо оценивают по формуле [4]:

МЮг = 0,02В£т (1 - П02 ) - ПО2 )1 - Пюг ^

V пк

= 0,02 1000 1,0(1 -0,1)/100 = 0,18 т , где = 1,0 %- содержание серы в топливе; П5О2 =0,1 - доля оксидов серы, связываемых

летучей золой в котле; г/ю = 0 - доля оксидов

серы, улавливаемых в мокром золоуловителе поС

путно с улавливанием твердых частиц; Пю = 0 -доля оксидов серы, улавливаемых в сероулавли-

вающей установке; пс , пк длительность работы рассеивания примеси; МП7 - приведенная масса

сероулавливающей установки и котла соответственно, ч/год.

Расчет расхода выбросов оксидов азота в пересчете на диоксид (М02) осуществляется по формуле [4]:

ПNO2 = 0,001ВЙНКЛ02(1 - Р) =

=0,001 1000-23,0-0,15-1 = 3,45 т, где = 23 МДж/кг - теплота сгорания топлива; К N0 = 0,15 - параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на ГДж теплоты (кг/ГДж); в = 0 - коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений.

Расчет выбросов оксида углерода выполняется по формуле:

44 1 =

пр./

годового выброса примеси /-го вида из источника, усл. т/год; т - общее число видов примесей в выбросе.

Значение безразмерного коэффициента Г находят по формуле:

ПСО = 0,001ССОВ| 1 -СО СО { 100

= 0,001-11,5-1000(1 - 5/100) = 19,93 т, где =5 - потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива; для каменных углей, сжигаемых в камерной топке с твердым шлакоудалением; Ссо - выход оксида углерода при сжигании топлива, кг/т:

ССО = 43 ЯйР = 0,5-1,0-23 = 11,5,

здесь = 0,5- потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива; для каменных углей, сжигаемых в камерной топке с твердым шлакоудалением; Я - коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленной наличием в продуктах сгорания оксида углерода; для твердого топлива Я=1.

Экологический ущерб, наносимый атмосфере выбросами котельной, сжигающей 1000 т угля

Загрязнителями являются летучая зола, оксид серы (802 ) и оксиды азота (в пересчете на М02 ), поступающие в атмосферу с дымовыми газами из трубы котельной.

Укрупненная оценка ущерба от загрязнения атмосферы производится по формуле [5]:

Уатм = УауГг2 М, / =1

атм

пр./

тГатм

где У уд - удельный ущерб от выброса в атмосферу условной тонны загрязняющих веществ; Уатм = 3,3 руб./усл.т (в ценах 1990 г.); Г- безразмерный коэффициент, учитывающий относительную опасность загрязнения атмосферного воздуха над территориями различных типов; / -безразмерная поправка, учитывающая характер

1 к

Г =—У Я £ ^ ■

}ЗАЗ у=1

где Язаз - общая площадь зоны активного загрязнения (ЗАЗ); к - общее число типов территорий, попавших в ЗАЗ; у - тип территории; Я у -

площадь загрязненной территории у -го типа; Г у

- коэффициент относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территорией у -го типа.

Котельная размещена в городской черте. Высота дымовой трубы принята равной 80 м. Зона активного загрязнения такой градирни имеет форму кольца с внутренним диаметром загрязнения равным

= 2рН и внешним диамет-

Т)внешн. ЛЛ,Л7Г ром - Я3А3 = 20рН.

Здесь р безразмерная поправка, учитывающая тепловой подъем факела в атмосфере:

р = 1 + АТ/75 = 1 + 50/75 = 1,67 ,

где АТ - среднегодовая разность температур в устье дымовой трубы и в атмосфере, оС.

Площадь активного загрязнения:

Я

ЗАЗ

= П

= 3,14[(20 • 1,67 • 80)2 - (2 • 1,67 • 80)2

=22,810 104 (м2) = 706,82 га Площадь активного загрязнения не превышает площади промышленного предприятия. Поэтому количество территорий в уравнении безразмерного коэффициента Г равно у = 1, значение Я у = Я заз , а коэффициент относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территорией промышленного предприятия СГ=4.

Величина поправки / учитывающая характер рассеивания примеси, составляет для газообразных и мелкодисперсных примесей со скоростью оседания 1 см/с < и < 20 см/с:

/ =

1000

12

4

60 + рН ) 1 + и

1000

12

4

= 2,27

ч60 +1,67 • 80 ) 1 + 3

где и- среднегодовое значение скорости ветра на уровне флюгера; если скорость ветра неизвестна,

то принимается и = 3 м/с; Н- высота источника выбросов (охлаждающей градирни), м; р - безразмерная поправка, учитывающая тепловой подъем факела в атмосфере.

Приведенная масса годового выброса примеси I -го вида (М,) вычисляется по уравнению:

мартм=ам атм

где Матм- масса годового выброса, т; А, (усл.

т/т) - показатель относительной агрессивности загрязняющего вещества:

А = , где а, - показатель относительной опасности присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком; а - поправка, учитывающая накопление примеси и образование вторичных загрязнителей (а = 1^5); 5г- - поправка, учитывающая воздействие примеси на другие реципиенты, кроме населения (5 = 1 ^ 2); Аг- - поправка, учитывающая вторичное попадание загрязнителя в атмосферу (для пыли Аг = 1,2); в - поправка, учитывающая возможность образования более токсичных загрязнителей (в = 1 + 5).

Поправка а, вычисляется как:

( ™ V/2

а, =

60

кПДКс.с.і ■ ПДКр.з.і J

где ПДКс с і - среднесуточная предельно-

допустимая концентрация і -го вещества в воздухе населенных пунктов; ПДКр з і - предельнодопустимая концентрация і -го загрязняющего вещества в воздухе рабочей зоны, мг/дм3.

Таблица 1 . Показатели относительной опасности аі для загрязняющих веществ выбрасываемых в атмосферу при сжигании угля

Наименование загрязнителя пдксс, мг/м3 ПДКрз а і, усл. т/т

Зола (пыль) 0,02 4 27,39

802 0,05 10 10,95

да2 0,04 2,0 27,39

СО 3,0 20 1,0

Значения показателя относительной активности аг- представлены в табл. 1, значения поправок

а , в, Л, Ь для загрязняющих веществ выбрасываемых в атмосферу при сжигании угля - в табл. 2. Экологический ущерб, наносимый атмосферному воздуху при сжигании 1000 т угля при-

веден в табл. 3. При отсутствии отложений накипи на внутренних поверхностях водогрейных труб он составляет 146 тыс. руб.

Таблица 2. Показатели для загрязняющих веществ выбрасываемых в атмосферу при сжигании угля

Наименование загрязнителя а в Ь Л

Зола (пыль) 2 1 1,2 1

802 1 1 1,5 1

N02 1 1 1,5 1

СО 1 1 1 1

Таблица 3. Экологический ущерб, наносимый атмосферному воздуху при сжигании 1000 т угля

Наимено вание загрязнителя М°тм т/год А, усл. т/т матм пр.і , усл.т/год д мо ат /го аб ^ £

Летучая зола 34,5 65,74 2268,03 135918,50

8О2 0,18 16,42 2,96 177,39

да2 3,45 41,08 144,21 8642,22

СО 19,93 1,0 19,93 1194,36

Всего 145932,47

В случае, когда на внутренних поверхностях водогрейных труб отлагается накипь, увеличивается термическое сопротивление тепловому потоку от газов к нагреваемой воде, т.к. их теплопроводность накипи значительно меньше теплопроводности металла. Это приводит к перерасходу топлива и соответственно к увеличению экологического ущерба, наносимого котельными установками атмосфере. Величина перерасхода топлива

[4] и экологического ущерба в зависимости от толщины отложений накипи приведены в табл. 4.

Таблица 4 . Влияние толщины слоя отложений накипи на внутренних поверхностях водогрейных труб на расход топлива и экологический ущерб,

Толщина отложений накипи мм Потери топлива, % Расход топлива, т Экологич/ ущерб, тыс.руб

0 0 1000 145,93

1,5 15 1150 167,82

3,0 25 1250 182,41

7,0 39 1390 202,84

10,0 50 1500 218,89

13,0 70 1700 248,01

Из табл. 4 следует, что отложения накипи оказывают существенное влияние на расход топлива и увеличивают экологический ущерб наносимый окружающей среде котельными установками не оснащенными установками водоподготовки и с установками водоподготовки, работающими недостаточно эффективно. Поэтому необходимы

разработка и внедрение процессов и аппаратов, рудование в системах теплоснабжения от отложе-

позволяющих защитить теплофикационное обо- ний накипи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ушаков Г.В. Обеспечение жизнедеятельности поселков и сельских населенных пунктов Кузбасса // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово, 2000. - С. 193 - 196.

2. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" (с изменениями от 7 августа 2000 г.).

3. Гужулев Э.П., Шалай В.В., Гриценко В.И., Таран М.А. Водоподготовка и водно-химические режимы в теплоэнергетике. - Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. - 384 с.

4. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. - М.: Энергоиздат, 1981. - 296 с.

5. Фридланд С.В., Ряписова Л.В., Стрельцова Н.Р., Зиятдинов Р.Н. Промышленная экология. Основы инженерных расчетов. - М.: КолосС, 2008. - 176 с.

□ Автор статьи:

Ушаков Геннадий Викторович

- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ ЕшаП : [email protected]