CC BY
17
УДК 504.3.054
DOI: 10.24412/1728-323X-2021-6-108-112
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ ОТ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
Н. В. Костылева, кандидат технических наук, начальник отдела прикладной экологии ФГБУ УралНИИ «Экология», М. С. Дьяков, кандидат технических наук, директор ФГБУ УралНИИ «Экология», К. Р. Кварцхава, младший научный сотрудник ФГБУ УралНИИ «Экология», adm@ecologyperm.ru, г. Пермь, Россия
Аннотация. В статье приведены результаты научного поиска по нормативному и информационному обеспечению расчета выбросов в атмосферный воздух от индивидуальных теплогенераторов. Приведены результаты сравнительного анализа расчетных формул из выявленных литературных источников, применимых для расчета выбросов в атмосферный воздух при сжигании топлива в теплогенераторах различной мощности, а также результаты модельных проверочных расчетов, выполненных с целью оценки сопоставимости результатов расчетов мощности выбросов (г/с) оксидов азота, вычисленной по формулам из различных литературных источников. Представленные результаты расчетов показали, что значения мощности выбросов (г/с), полученные при расчете по формулам из разных литературных источников, отличаются между собой. По результатам исследования видно не только отсутствие единообразия в расчетных формулах по определению выбросов диоксида азота, приведенных в разных литературных источниках, но и имеет место низкая сходимость результатов расчетов.
Abstract. The article presents the results of scientific search on normative and information support calculation of the emissions into atmospheric air from low power heat generators calculation. The results of comparative analysis of the calculation formulas from the revealed literary sources applicable for calculation of emissions into atmospheric air during combustion of fuel in heat generators of different power, as well as the results of the calculations checking, performed in order to estimate comparability of the results of the calculations of emissions (g/s) of nitrogen oxides, calculated from formulas from various literary sources, are given in the paper. The presented calculation results showed that the emission power values (g/s) obtained, when calculating from formulas from different literary sources, differ. The presented calculation results showed that the emission power values (g/s) obtained, when calculating from formulas from different literary sources, are differ. The results of the research show that there is neither uniformity in the calculation formulas for determining nitrogen dioxide emissions given in different literary sources, no a low convergence of the calculation results.
Ключевые слова: индивидуальные теплогенераторы, расчет выбросов от индивидуальных теплогенераторов, отопление жилого сектора.
Keywords: individual heat generators, calculation of emissions from individual heat generators, heating of the residential sector.
При отсутствии централизованного отопления и горячего водоснабжения в домах индивидуальной застройки населением используются индивидуальные (автономные) теплогенераторы: печи, котлы, отопительные агрегаты и другое оборудование, в котором сжигаются различные виды топлива, доступные для жителей. При этом выбросы от сжигания топлива в индивидуальных теплогенераторах создают в зоне дыхания людей высокие концентрации загрязняющих веществ. Это обусловлено, с одной стороны, большим количеством индивидуальных теплогенераторов, локализованных на ограниченной территории, относительно низкими трубами, через которые осуществляются выбросы, так как индивидуальная застройка имеет чаще всего низкую высотность (1—3 этажа), одновременностью выбросов, которые осуществляются чаще всего в утренние и вечерние часы.
Изучение загрязнения атмосферного воздуха за счет выбросов индивидуальных теплогенераторов стало особенно актуальным при выполнении сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха, выполнение которых осложнилось недостаточной изученностью и методической обеспеченностью для решения данной проблемы.
В 2021 году в рамках темы государственного задания на 2021 год ФГБУ УралНИИ «Экология» выполнило научный поиск по нормативному и информационному обеспечению расчета выбросов в атмосферный воздух от индивидуальных теплогенераторов, систематизацию сведений о технических характеристиках применяемых и предлагаемых промышленностью к использованию индивидуальных теплогенераторов. Выполнен также поиск литературных источников и сравнительный анализ расчетных формул, применимых для расчета выбросов в атмосферный воздух при сжигании топлива в теплогенераторах различной мощности.
По расчетным формулам проведен ряд модельных проверочных расчетов с целью оценки сопоставимости результатов расчетов по формулам из выявленных литературных источников, которые можно было бы применить для расчета выбросов индивидуальных теплогенераторов.
Следует отметить, что действующая нормативная база не содержит отдельной методики расчета выбросов от индивидуальных теплогенераторов, а расчеты выбросов индивидуальных теплогенераторов выполняются по «Методике определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжига-
нии топлива в котлах производительностью менее 30 т пара в час или менее 20 Гкал в час. Москва, 1999 г.» [7], ориентированной в основном на котлы небольших котельных, то есть устройства более мощные, нежели индивидуальные теплогенераторы. При этом данная методика не содержит ссылок на литературные источники, из которых заимствованы расчетные формулы, или на публикации, содержащие пояснения по методологии разработки методики [7] и формированию расчетных формул и показателей для расчета. Отсутствуют также указания о том, подходит ли данная методика для расчета выбросов от таких маломощных теплогенераторов, как оборудование для отопления индивидуальных жилых домов. Вышеуказанные причины привели к необходимости выполнения исследования в виде модельных проверочных расчетов с последующим сравнительным анализом их результатов, целью чего является последующая разработка предложений по формированию методологии расчета выбросов индивидуальных теплогенераторов.
Для сравнимости результатов модельных проверочных расчетов в качестве исходных данных был выбран расход топлив различных видов, эквивалентный 3,8 кг в час каменного угля средней теплотворной способности 22,2 МДж/кг — значение средней часовой потребности каменного угля для отопительного котла «Енисей 14» мощностью 14 кВт. Для других видов топлива значение потребности топлива, равное 3,8 кг/час, пересчитано через значения теплотворной способности и приведено в таблице 1.
Так как при сгорании органического топлива в теплогенераторах всегда, не зависимо от вида сжигаемого топлива, образуются оксиды азота [6], в настоящей статье приводится сравнительный анализ результатов модельных проверочных расчетов значений мощности выбросов (г/с) оксидов азота, вычисленных по формулам из различных источников.
Предварительно по итогам научного поиска отобрано 12 источников литературы, отраженных в таблице 2. Каждому источнику присвоен номер.
Как видно из таблицы 2, ряд литературных источников предлагает для расчета мощности выбросов диоксида азота идентичные формулы: это источники № 4 [3] и № 9 [9], источники № 6 [5] и № 7 [6], источники № 11 [11] и № 12 [12]. Однако в приведенных парах источников более ранними являются источники № 9 [9] (1985 г.), № 7 [6] (1987 г.), № 11 [11] (1981 г.), из которых, видимо, эти формулы были заимствованы в более поздние источники, однако сведения о заимство-
вании формул и ссылки в более поздних источниках — не указаны. В источниках № № 1 [7], 2 [1], 4 [3], 6 [5], 9 [9] предложены расчетные формулы для котлов, производительностью менее 30 т пара в час, или 20 Гкал/ч, однако сами формулы не идентичны. В источнике № 10 [10] приведены формулы для котлов мощностью 30—50 Гкал/ч. Источники № 3 [2], 5 [4], 8 [8], 11 [11], 12 [12] не указывают пригодность или же непригодность представленных расчетных формул для теплогенераторов малой мощности. Источник № 7 [6] предлагает упрощенную методику расчета выбросов оксидов азота для статистической отчетности.
Модельные проверочные расчеты были выполнены для трех видов котлов, предлагаемых промышленностью к использованию:
• Котел стальной водогрейный RSA мощностью 20 кВт — для газообразного топлива (топливо — природный газ);
• Котел водогрейный RSD мощностью 200 кВт — для жидкого топлива (мазут, бытовое печное топливо);
• Котел отопительный «Енисей 14» мощностью 14 кВт — для твердого топлива (антрацит, бурый уголь, каменный уголь, торф, дрова). Результаты модельных проверочных расчетов
приведены далее в таблице 3.
В таблице 3 указаны номера л итературных источников из таблицы 2.
Таблица 1
Расход топлива различных видов, равный расчетному расходу каменного угля, принятого для настоящего исследования
№ Наименование вида топлива Средняя расчетная теплотворная способность, МДж Ед. изм. Количество топлива вида, равное расчетному расходу твердого топлива, принятого для настоящего исследования (3,8 кг)
1 Антрацит 27,56 кг 3,061
2 Бурый уголь 19 кг 4,440
3 Каменный 22,2 кг 3,800
уголь
4 Торф 8,2 кг 10,288
5 Дрова 10,6 кг 7,958
6 Газ 34,9 м3 2,417
7 Мазут 40,29 кг 2,094
8 Бытовое печ- 41,5 кг 2,033
ное топливо
9 Условное 29,3 кг 2,879
топливо
Поскольку в настоящее время для расчета выбросов теплогенераторов малой мощности применяется именно источник № 1 [7], определено и представлено в таблице 3 отклонение от значений выбросов, рассчитанных по формулам из источника № 1 [7], результатов расчетов значений выбросов оксидов азота, рассчитанных по формулам из других источников.
Как видно из таблицы 3, значения мощности выбросов (г/с), полученные при расчете по раз-
ным литературным источникам, отличаются между собой. Более близкими являются результаты расчетов по формулам из источников № 5 [4], 11 [11], 12 [12] и 4 [3], 9 [9] и 2 [1].
Анализ показал, что при сжигании газообразного топлива меньшее отклонение от значения, рассчитанного по источнику № 1 [7], наблюдается у источников № 5 [4], 11 [11], и 12 [12], при сжигании жидкого топлива — у источников № 4 [3] и 9 [9], 8 [8], при сжигании углей — у источ-
Таблица 2
Расчетные формулы для определения мощности выбросов диоксида азота из различных
литературных источников
№ источника Наименование источника Предложенная в источнике формула
1 Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в Щох = вд' К^о2 Ра№(1 - Рг)(1 - РзК — для газа
котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час, Москва, 1999 г. [7] Щох Щох = вдг К^о2 Ргкя — для твердого топлива = вдг К^о2 РгРй(1 - Рг)(1 - Рз)кя — для жидкого
топлива
2 Бондалетова Л. И., Новиков В. Т., Алексеев Н. А. (сост.) Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлоагрегатах котельных. Томск: Изд. ТПУ, 2000. 39 с. [1] Щох = т дГ К^о2(1 - Р)10"3
3 Бузников Е. Ф., А. А. Верес, В. Б. Грибов. Паро-водогрейные котлы для электростанций и котельных. М.: Энергоатомиздат, 1989. 206 с. [2] Щох = 4'1° 5дГ [(КпарВпар) + (КводВвод)]
4 Внуков А. К. Защита атмосферы от выбросов Щох = 0,001вдГ К^о2(1 - Р)
энергообъектов. М.: Энергоатомиздат, 1992.
176 с. [3]
5 Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки. 2-е изд. М.: ООО «Бастет», 2010. 625 с. [4] Щох = 0,034р1кВдГ (1 - <74/100)(1 - Р2Г)Р3
6 Жабо В. В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1992. 240 с. [5] мкох = 0,034-10"7р1кВдг (1 - ?4/100)(1 - Рхг) р2р382
7 Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 144 с. [6] Щох = 0,034-10"7р1кВдГ (1 - ?4/100)(1 - Р1Г) Р2Р3В2
8 Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами отопительных и отопительно-производст-венных котельных. Сектор научно-технической информации АКХ. Москва, 1991 г. [8] Щох = 0,001вдГ К^о2(1 - Р)(1 - ?4/100)
9 Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч. Москва, Щох = 0,001вдГ К^о2(1 - Р)
Московское отделение Гидрометиздата, 1985 г. [9] РД 34.02.305—98. Руководящий документ. Методика определения валовых выбросов загрязняю-
10 Щох = вК^о2(1 - ?4/100)Р1(1 - Р1Г)Р2Р3^2 х
щих веществ в атмосферу от котельных установок X (1 - ^азп/пк)кп
ТЭС [10]
11 Рихтер Л. А., Волков Э. П. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. М.: Энергоиздат, 1981. 296 с. [11] Щох = 0,034р1квдг (1 - ?4/100)(1 - Р2Г)Р3
12 Эстеркин Р. И. Котельные установки: учеб. пособие для техникумов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 280 с. [12] Щох = 0,034рхквдГ (1 - ?4/100)(1 - Р2Г)Р3
Таблица 3
Результаты расчетов выбросов диоксида азота по формулам из различных
литературных источников
Природный газ Мазут Бытовое печное топливо Антрацит
Номер источника Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, %
ный вы- ный вы- ный вы- ный вы-
брос, г/с брос, г/с брос, г/с брос, г/с
№ 1 0,0009108 0 0,0026532 0 0,0026532 0 0,00451003 0
№ 2 0,0010210 12,10 0,0015788 40,50 0,0015788 40,50 0,00133408 70,42
№ 3 0,0000056 99,38 0,0000078 99,71 0,0000078 99,71 0,00776123 72,09
№ 4 и № 9 0,0013798 51,49 0,0018459 30,43 0,0018459 30,43 0,00151102 66,50
№ 5 0,0009783 7,41 0,0000110 99,59 0,0000127 99,52 0,00046143 89,77
№ 6 и № 7 0,0000048 99,47 0,0000647 97,56 0,0000065 99,76 0,00000350 99,92
№ 8 0,0009960 9,35 0,0018367 30,78 0,0018367 30,78 0,00104692 76,79
№ 10 0,0002050 77,49 0,0012018 54,71 0,0012018 54,71 0,00017911 96,03
№ 11 и № 12 0,0009760 7,15 0,0000127 99,52 0,0000127 99,52 0,00046024 89,80
Среднее отклоне- 47,45 70,94 71,33 83,41
ние от источника
№ 1,%
Источники, наибо- № 2,5, 8 11 и 12 № 4 и 9, 8 № 4 и 9, 8 № 2, 4 и 9, 8
лее близкие к № 1
Бурый уголь Каменный уголь Торф Дрова
Номер источника Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, % Получен- Отклонение от источника № 1, %
ный вы- ный вы- ный вы- ный вы-
брос, г/с брос, г/с брос, г/с брос, г/с
№1 0,00410952 0 0,00427258 0 0,00290632 0 0,00309813 0
№2 0,00210900 48,68 0,00224695 47,41 Не определено Не определено Не определено Не определено
№3 0,00077611 81,11 0,00776112 81,65 0,00776278 167,10 0,00776112 150,51
№4 и №9 0,00215858 47,47 0,00259029 39,37 Не определено Не определено Не определено Не определено
№5 0,00046142 88,77 0,00057516 86,54 0,00117478 59,58 0,00045666 85,26
№6 и №7 0,00000350 99,91 0,00000342 99,92 0,00000350 99,88 0,00000346 99,89
№8 0,00209382 49,05 0,00246078 42,41 Не определено Не определено Не определено Не определено
№ 10 0,00014872 96,38 0,00022006 94,85 0,00022475 92,27 0,00011710 96,22
№ 11 и № 12 0,00046023 88,80 0,00057367 86,57 0,00117175 59,68 0,00045549 85,30
Среднее отклоне-ние,% Источники, наибо- 76,03 73,14 91 ,15 100,34
№ 2, 4 и 9, 8 № 2, 4 и 9, 8 № 5, 11 и 12 № 5, 11 и 12
лее близкие к № 1
ников № 2 [1], 4 [3] и 9 [9], 8 [8], другого твердого топлива - № 5 [4], 11 [11], 12 [12].
По результатам исследования видно, что не только отсутствует единообразие в расчетных формулах по определению выбросов диоксида азота, приведенных в разных литературных источниках, но и имеет место низкая сходимость результатов расчетов.
Для выявления причин различий в формулах и результатах расчетов, вывода о пригодности формул из рассмотренных литературных источников для расчета выбросов от индивидуальных теплогенераторов необходимо продолжить начатые исследования. Есть надежда, что результаты натурных инструментальных измерений позволят внести ясность в исследуемую проблему.
Библиографический список
1. Бондалетова Л. И., Новиков В. Т., Алексеев Н. А. (сост.) Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлоагрегатах котельных. — Томск: Изд. ТПУ, 2000. — 39 с.
2. Бузников Е. Ф. Пароводогрейные котлы для электростанций и котельных / Е. Ф. Бузников, А. А. Верес, В. Б. Грибов. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 206 с.
3. Внуков А. К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 176 с.
4. Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки. 2-е изд. — М.: ООО «Бастет», 2010. — 625 с.
5. Жабо В. В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС: учебник для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1992. — 240 с.
6. Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. — М.: Энергоатомиздат,1987. — 144 с.
7. 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. — Москва, 1999 г.
8. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами отопительных и отопительно-производственных котельных. Сектор научно-технической информации АКХ. — Москва, 1991.
9. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч. — Москва, Московское отделение Гидрометиздата, 1985 г.
10. РД 34.02.305—98. Руководящий документ. Методика определения валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок ТЭС.
11. Рихтер Л. А., Волков Э. П. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. — М.: Энергоиздат, 1981. — 296 с.
12. Эстеркин Р. И. Котельные установки: учебник для техникумов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 280 с.
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE APPROACHES TO CALCULATING ATMOSPHERIC EMISSIONS FROM INDIVIDUAL HEAT GENERATORS
N. V. Kostyleva, Ph. D. (Engineering), Head of the Department of Applied Ecology of the Ural Environmental Research Institute, M. S. Dyakov, Ph. D. (Engineering), Director of the Ural Environmental Research Institute,
K. R. Kvartskhava, Research Assistant of the Ural Environmental Research Institute, adm@ecologyperm.ru, Perm, Russia References
1. Bondaletova L. I., Novikov V. T., Alekseyev N. A. Raschet vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv pri szhiganii topliva v kotloagregatakh kotelnykh [Calculation of emissions of pollutants during fuel combustion in boiler units of boiler installations]. Tomsk, TPU. 2000. 39 p. [in Russian].
2. Buznikov E. F. Parovodogreynyye kotly dlya elektrostantsiy i kotelnykh [Steam-water boilers for power plants and boiler installations]. Moscow, Energoatomizdat. 1989. 206 p. [in Russian].
3. Vnukov A. K. Zashchita atmosfery ot vybrosov energoobyektov [Protection of the atmosphere from emissions from power facilities]. Moscow, Energoatomizdat. 1992. 176 p. [in Russian].
4. Delyagin G. N., Lebedev V. I., Permyakov B. A. Teplogeneriruyushchiye ustanovki [Heat generating plants]. 2 izd. Moscow, Bastet. 2010. 625 p. [in Russian].
5. Zhabo V. V. Okhrana okruzhayushchey sredy na TES i AES [Environmental protection at thermal power plants and nuclear power plants]. Moscow, Energoatomizdat. 1992. 240 p. [in Russian].
6. Kotler V. R. Oksidy azota v dymovykh gazakh kotlov [Nitrogen oxides in boiler flue gases]. Moscow, Energoatomizdat. 1987. 144 p. [in Russian].
7. Metodika opredeleniya vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v atmosferu pri szhiganii topliva v kotlakh proizvoditelnos-tyu meneye 30 tonn para v chas ili meneye 20 Gkal v chas [Methodology for determining emissions of pollutants into the atmosphere during fuel combustion in boilers with a capacity of less than 30 tons of steam per hour or less than 20 Gcal per hour]. Moscow. 1999 [in Russian].
8. Metodicheskiye ukazaniya po raschetu vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v atmosferu s dymovymi gazami otopitel-nykh i otopitelno-proizvodstvennykh kotelnykh [Methodological guidelines for calculating emissions of pollutants into the atmosphere with flue gases from heating and heating-industrial boiler installations]. Moscow, Sektor nauchno-tekhnicheskoy informatsii AKKh. 1991 [in Russian].
9. Metodicheskiye ukazaniya po raschetu vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv pri szhiganii topliva v kotlakh proizvoditel-nostyu do 30 t/ch [Guidelines for calculating pollutant emissions during fuel combustion in boilers with a capacity of up to 30 t/h]. Moscow, Moskovskoye otdeleniye Gidrometizdata. 1985 [in Russian].
10. RD 34.02.305—98. Rukovodyashchiy dokument. Metodika opredeleniya valovykh vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v atmosferu ot kotelnykh ustanovok TES [Guiding document. Methodology for determining gross emissions of pollutants into the atmosphere from boiler plants of TPPs] [in Russian].
11. Rikhter L. A., Volkov E. P. Okhrana vodnogo i vozdushnogo basseynov ot vybrosov TES [Protection of water and air basins from emissions from thermal power plants]. Moscow, Energoizdat. 1981. 296 p.
12. Esterkin R. I. Kotelnyye ustanovki [Boiler plants]. Leningrad, Energoatomizdat. 1989. 280 p.
