Загрязнения атмосферного воздуха и расчет объемов выброса вредных веществ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭКОЛОГИЯ

Грищук М.Е., доцент НТУ «ХПИ», г. Харьков, Украина Круглов О.А., Полуянов В.П. ИЭСЗ, г. Харьков, Украина

ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ ВЫБРОСА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Непременным элементом коммунально-бытового хозяйства современного населенного пункта является котельная, которая обеспечивает отопление жилых и промышленных зданий, подачу горячей воды в квартиры. В котельных для нагрева воды используется твердое (каменный уголь), жидкое (мазут) или газообразное топливо (природный газ). Наиболее распространение в сельской местности получили котельные на жидком топливе, которые постепенно заменяются котельными, использующими природный газ, что обусловливается экономическими и экологическими преимуществами.

Образующиеся при сгорании топлива продукты в виде дымовых газов выбрасываются в атмосферу, вы-зыв ая ее з агрязнение.

Основным вредным компонентом дымовых газов для всех видов топлива является двуокись углерода (СО2). Образование двуокиси углерода неизбежно, так как в процессе окисления органического углерода (топлива) кислородом основано получение тепла в котельных установках:

С+02=С0^ (тепло).

Существенное влияние на степень загрязнения атмосферного воздуха дымовыми газами котельных оказывают примеси, содержащиеся в топливе. Основной примесью в мазуте, влияющей на загрязнение атмосферного воздуха, является сера, а также зольность. Содержание серы в мазуте достигает 3.5 %, его зольность составляет до 0.3 %. Количество сернистого ангидрида в дымовых газах пропорционально содержанию серы в топливе. При сжигании одной тонны мазута с содержанием серы 3.5 % с дымовыми газами будет выброшено 70 кг сернистого ангидрида, а его предельно допустимая среднесуточная концентрация в воздухе населенных пунктов составляет всего 0.05 мг/м3 воздуха

При сгор ании топлива в условиях высоких темпер а-тур и при избытке воздуха образуются окислы азота. Их концентрация в дымовых газах может достигать 2 г/м3.

Данная методика предназначена для расчета объемов выбросов вредных веществ (твердых частиц и окислов серы, углерода и азота) в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегатов котельных, работающих на твердом (уголь, торф, дрова), жидком (мазут, солярка, дизельное топливо) и газообразном топливе. Исходными

данными для расчета объемов выбросов являются:

• вид топлива: уголь, мазут, газ, торф, дрова и т.д.;

• расход топлива в единицу времени, тонн/год, тонн/ сутки, кг/час, кг/сек, тыс.м /час, м3/секунда;

• тепловая нагрузка на котельную, Гкал/час;

• коэффициент полезного действия котлоагрегатов.

РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ ВЫБРОСОВ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Количество летучей золы и недогоревшего топлива, выбрасываемого в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегатов при сжигании твердого и жидкого (мазута) топлива, определяется по следующей формуле:

Мтч=В ■ Эт ■ Ф ■ (1-Дтчзу), тонн/год,

где В - расход топлива в единицу времени, тонн/год, г/ сек; Эт - зольность топлива на рабочую массу, %; Дтчзу -доля твердыхчастиц, улавливаемых в золоуловителях (ЗУ).

Ф = Д :(100-Г ),

зун ун

где Дзун - доля золы топлива в уносе, %; Г - содержание горючих в уносе, %.

Значения Э , Г , Д принимаются по фактическим

т' ун' ' 'зун г т

средним показателям, при отсутствии этих данных Эт определяется по характеристикам сжигаемого топлива (по табл. 4), а Д^ определяется по техническим данным применяемых золоуловителей, при слоевом сжигании топлива принимаются следующие значения: -сухие инерционные золоуловители (ЗУ), Д = 70 - 85-%;

тчзу

-орошаемые ц/б скрубберы, Дтчзу = 80-95 %; -ЗУ с турбулентными (вентуры), Дтчзу = 95-97 %.

РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ ВЫБРОСОВ ОКИСЛОВ СЕРЫ

Количество окислов серы Мос, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегатов в единицу времени - тонн/год, тонн/сут., г/сек., при сжигании твердого или жидкого топлива определяется по формуле:

М =0,02-В-С-(1-Д )-(1-Д ), тонн/год,

ос ' с у ''осун' у 'юсул-"

где В - расход топлива в единицу времени, твердого или

жидкого -тонн/год, тонн/час, г/сек или газообразного -тыс.м3/год, тыс.м3/час, литр/сек; Сс - содержание серы в топливе на рабочую массу, % (для газообразного топлива в кг/100 м3); Досун - доля окислов серы, связываемых летучей золой топлива, принимается при сжигании сланцев эстонских и ленинградских 0.8, остальных сланцев - 0.5, для углей Канско-Ачинского бассейна -0.2, Березовских - 0.5, Экибастузских - 0.02, прочих углей - 0.01, для торфа - 0.15, мазута - 0.02 и газа - 0; Досул -доля окислов серы, улавливаемых в золоуловителе, принимается равной нулю для сухих золоуловителей, для мокрых ЗУ - в зависимости от щелочности протекающей воды.

При наличии в топливе сероводорода (Св) расчет выбросов дополнительного количества окислов серы (Мос), в пересчете на СО2, ведется по формуле:

М =1,88 ■ С : 100, тонн/год,

ос ' в ' '

где: Св -с одержание сероводорода в топливе, %.

РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ОКИСИ УГЛЕРОДА

Количество окиси углерода (М^), выбрасываемое в атмосферу вместе с дымовыми газами котлоагрегатов в единицу времени: тонн/год, тонн/сутки, г/сек при сжигании топлива, определяется по формуле:

М = 0,001- С ■ В ■ (1- 0,01-Т), тонн\год,

со ' со v ' м7' '

где В - расход топлива в единицу времени, тонн/год, тыс. м3/год, г/сек, л/сек; С^ - выход окиси углерода при сжигании топлива, кг/тонн или кг/тыс. м3 топлива.

Ссо можно определить по формуле:

С =Т ■ К ■Т,

со нс нс и'

где Тнс - потери тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива, %; К - коэффициент, учитывающий

долю потери тепла вследствие химическои неполноты сгорания топлива, обусловленную наличием в продуктах неполного сгорания окиси углерода, принимается: для твердого топлива 1.0; для газа - 0.5 и для мазута - 0.65; Тн - низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг. МДж/м3; Тм - потери топлива вследствие химической неполноты сгорания топлива, %.

Ориентировочная оценка выброса окиси углерода может производиться по формуле:

М = 0,001 ■ В ■ Т ■ К ■ (1-0,01 ■ Т), тонн/год ,

со ' н со v ' м7' '

где Ксо - количество окиси углерода, образующееся на единицу тепла, выделяющегося при сгорании топлива, кг/ГДж.

РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ОКИСЛОВ АЗОТА

Количество окислов азота (МОА), выбрасываемых в единицу времени: тонн/год, г/сек с дымовыми газами котлоагрегатов, определяется по формуле:

М = 0,001 ■ В ■ Т ■ К ■ (1-К ) , тонн/год ,

оа ' н оа v сс' ' '

где В - расход натурального топлива в единицу времени: тонн/год, тыс. м3/год, г/сек, л/сек; Тн - низшая теплота сгорания натурального топлива. МДж/кг, МДж/ м3; Коа - параметр, характеризующий количество окислов азота, образующихся на 1 ГДж тепла, кг/ГДж; Ксс -коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов окислов азота в результате применения технических решений.

Значения Код определяется по графикам рисунков 1 и 2 р азличных видов в зависим ости от номинальной нагрузки котлоагрегатов:

• для котлоагрегатов мощностью более 70 тонн/час при сжигании газа и мазута во всем диапазоне нагрузок, а также при высокотемпературном сжигании твердого

Рис. 1. Зависимость КОА от тепловой мощности теплоагрегата для различных топлив, а) до 100 кВт и б) от 100 кВт и более: 1 - природный газ, мазут; 2 - антрацит; 3 - бурый уголь; 4 - каменный уголь

топлива с нагрузками более 75 % номинальной, определяется по формуле

коа = 12 ■ Пф : (200 + Пн ),

где Пн и Пф - номинальная и фактическая производительность котла, тонн/час;

• для котлоагрегатов мощностью менее 70 тонн/час значение

коа = 2,5 ■ тф : (20 + Тн), где Тн и Тф - номинальная и фактическая тепловая производительность котла, Гкал/час.

При высокотемпературном Сжигании твердого топлива с нагрузками котла ниже 75 % номинальной, в вышеуказанной формуле вместо П0 и Тф подставляются значения 0.75*ПН и 0.75*ТН, а при низкотемпературном сжигании твердого топлива в формулы всегда подставляются значения П и Т .

нн

Если имеются фактические данные по содержанию окислов азота (СОА) в дымовых газах, %, то выброс (М ) в кг/год определяется по формуле.

МОА =20.4 ■ СОА ■ V ■ В ■ (1-0.01 ■ ТМ), тонн/год,

где СОА - известное содержание окислов азота в дымовых газах (значения СОА для маломощных котлов даны в табл. 3); V - объем продуктов сгорания топлива, м3/кг; В - расход топлива, тонн/год, тыс. м»/год; Тм - потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива, %.

Рис. 2. Зависимость КОА от паропроизводительности котлоагрегатов для различных топлив: 1 - природный газ, мазут; 2 - антрацит; 3 -бурый уголь; 4 - каменный уголь

Для расчета содержания окислов азота при сжигании мазута и газа на стадиях проектных разработок рекомендуется следующий метод:

• определяются исходные данные для расчета содержания окислов азота:

Вг - расход топлива на горелку, кг/сек для газа, если расход топлива известен в тонн/час или 1000 м3/час, то эта величина делится на 3.6:

Дг - диаметр амбразуры горелки (свободное сечение) в метрах;

К„, - коэффициент избытка воздуха в горелке;

• определяется информация оналичии или отсутствии подогрева воздуха, подаваемого на горелку;

• производится расчет содержания окиси азота в дымовых газах в следующем порядке:

1) на диаграмме (рис.3) на шкале, обозначенной как Дг-диаметр горелки, берется точка, соответствующая диаметру амбразуры горелки в метрах и из нее проводится вертикальная линия (на рис. 3 она показана стрелкой 1);

Рис. 3 Диаграмма для определения окислов азота

в продуктах сгорания жидкого и газообразного топлива

2) после этого на шкале, обозначенной Вг - расход газа или мазута на горелку, берется точка, соответствующая расходу топлива на горелку в кг/сек - для мазута или в м3/сек - для газа, и проводится кривая параллельно нарисованным, до пересечения с прямой 1 (на рис. 3 она показана стрелкой 2);

3) из точки пересечений 1 -ой и 2-ой линий проводится горизонтальная кривая (на рис.3 она показана стрелкой 3), до пересечения с той кривой, которая соответствует имеющимся условиям (на рис.3 показан вариант сжигания газа в смеси с холодным воздухом);

4) из точки пересечения прямой 3 с кривой опускается вертикальная линия до пересечения шкалы КОА - концентрации окислов азота в % при Кт = 1, на рис. 3 она показана стрелкой 4.

В случае, если коэффициент избытка воздуха и Кт в горелках не равен единице, то проводится перерасчет

ai ii to ïj Jf

Рис. 4. Определение поправочного коэффициента Кк.

полученной концентрации окислов азота по формуле:

мо2/=/ш2/ ■ кк,

где /N0,/ - концентрация окислов азота при Кш = 1: Кк -поправочный коэффициент, определяемый по графику (рис. 4).

Значение /МОг/ может быть пересчитано в единицы г/м3 продуктов сгорания топлива или в кг/ГДж по формуле:

Ст=20,4 ■ /NO2/1, гр/м3,

или

КОА=20,4 ■ /NO2/1 -V : Тн, кг/ГДж,

где V - объем продуктов сгорания единицы топлива при имеющихся условиях, м3/кг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тищенко Н.Ф. Справочник. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распространение в воздухе.- М.: Химия. 1991.

2. Полуянов В.П. Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу на предприятиях.- Харьков: МО Украины. ХВУ. 1995.-24с.

3. Полуянов В.П. Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании в котельных.- Харьков: МО Украины. ХВУ. 1995.-20с.