Расчет массы выброса загрязняющих веществ

Практическая работа № 1-3

Расчет загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух от стационарных источников

Расчет массы выброса загрязняющих веществ

Расчёты предназначены для определения выброса загрязняющих веществ в атмосферу с газообразными продуктами сгорания при сжигании органического топлива (например, в котлоагрегатах котельной, в плавильных печах металлургических предприятий).

Энергетические установки работают на различных видах топлива (твердом, жидком и газообразном). Выбросы загрязняющих веществ зависят как от количества и вида топлива, так и от типа устройства.

Учитываемыми загрязняющими веществами, выделяющимися при сгорании топлива, являются: твердые частицы, оксид углерода, оксиды азота, сернистый ангидрид (диоксид серы), пентоксид ванадия.

На энергетических установках используется твердое, жидкое и газообразное топливо.

Твердое топливо. В теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.

Угли подразделяются на марки: А – антрацит; Б – бурый; Г – газовый;

Д – длиннопламенный; Ж – жирный; ГЖ – газовые жирные; КЖ – коксовые жирные;

К – коксовый; ОС – отощенный спекающийся; СС – слабоспекающийся; Т – тощий.

  В основу такого подразделения положены параметры характеризующие поведение углей в процессе термического воздействия на них. Самая низкая теплота сгорания у бурых углей, а самая высокая – у антрацитов.

По фракциям различают: П – (плита) более 100 мм; К – (крупный) 50–100 мм;

О – (орех) 25–50 мм; М – (мелкий) 13–25 мм; С – (семечка) 6–13 мм; Ш – (штыб) 0–6 мм; р – (рядовой) шахтный 0–200 мм, к – карьерный 0–300 мм.

Фракция данной марки угля определяется исходя из меньшего значения самой мелкой фракции и большего значения самой крупной фракции, указанной в названии марки угля. Так, например, фракция марки ДКОМ (Д – длиннопламенный, К – 50–100,

О – 25–50, М – 13–25 мм) составляет 13–100 мм.

Марки угля Д, Г и антрациты находят свое применение, как правило, в котельных, т.к. они могут гореть без поддува.

В черной металлургии используются обычно марки Г, Ж для производства сталей и чугуна. Марки угля СС, ОС, Т применяются для получения электрической энергии, т.к. они имеют большую теплоту сгорания, но сжигание данного вида углей связано с технологическими трудностями, которые оправданы лишь в случае необходимости большого количества угля.

Тощие трудновоспламеняемые угли используют как топливо для электровозов.

Для полукоксования и производства цемента, извести, кирпича предназначены угли марок Б (3Б), Д и ДГ.

В процессе сжигания топлива часть его переходит в оксиды серы (SO₂  SO₃), азота (NO и  NO₂) и углерода (СО и СО₂), основная часть минеральной составляющей превращается в летучую золу или сажу, уносимую дымовыми газами, а меньшая часть минеральной составляющей образует шлак.

Источником оксидов азота NO_x на ТЭС, кроме азотосодержащих компонентов топлива, является молекулярный азот воздуха.

Жидкое топливо. В теплоэнергетике применяются мазут (малосернистный, сернистый, высокосернистый), сланцевое масло, дизельное и котельно-печное топливо.

В жидком топливе отсутствует пиритная сера, сера находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода H₂S. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой получен мазут. В состав золы мазута входят пентоксид ванадия V₂O₅, а также Ni₂O₃, AL₂O₃, Fe₂O₃, Si₂O₃, MqO и др. оксиды. Зольность энергетических мазутов значительно ниже, чем углей (<0,3%). При неполном сгорании жидкого топлива в дымовых газах образуются липучие частицы сажи, которые способны адсорбировать бенз(а)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенные свойства.

Газообразное топливо. Природный газ – топливо беззольное, как правило, не содержит и соединений серы. При полном его сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота (NO и  NO₂) и диоксид углерода СО₂, при неполном сгорании - оксид углерода СО и некоторые углеводороды (С_хН_у, бенз(а)пирен).

Водород. В настоящее время развивается водородная энергетика, поскольку водород (Н₂) является наиболее экологически чистым видом топлива.

Теплотворная способность различных видов топлива неодинакова:

Q_угля  = 19600 кДж/кг

Q_мазут = 38800 кДж/кг

Q_газа = 36100 кДж/кг

Q_{водорода} = 143000 кДж/кг

Следовательно, 1 кг угля в энергетическом отношении равноценен 0,51 кг мазута,  0,54 кг газа и 0,13 кг водорода.

Масса выбрасываемых котельным агрегатом или другим видом теплогенератора токсичных веществ в общем случае рассчитывается по формуле:

,                                             (1.1)

где М – количество загрязняющего вещества, г/с;

V – объем выбросных газов, м³/с;

q – концентрация загрязняющего вещества в газе, г/м³.

При сжигании топлива объем выбросных (дымовых) газов зависит от вида и качества топлива, а также от коэффициента избытка воздуха – a (приложение, табл. 1). Объем продуктов сгорания на единицу массы сжигаемого топлива рассчитывается по эмпирическим уравнениям, приведенным в табл.1, либо берется из технических характеристик используемого топлива в % (приложение, табл. 2).

Количество оксидов азота в дымовых газах находится в сложной зависимости от энергетических свойств топлива, температуры сгорания, времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне, коэффициента избытка воздуха.

В первом приближении для котельных агрегатов его можно принять равным (в мг NO₂ на каждый м³ дымовых газов): 120–150 (каменный уголь), 160–220 (мазут), 200–250 (природный газ).

Далее, исходя из объема продуктов сгорания и количества сжигаемого топлива, рассчитывается количество образовавшихся оксидов азота.

Таблица 1 – Расчетные характеристики различных видов топлива

Вид топлива	Марка топлива	Объем продуктов сгорания при нормальных условиях, 1V0 м3/кг	Содержание				Низшая теплота сгорания QpН, кДж/кг
			серы ,%	золь-ность 2 ,%	азота Np, %
1	2	3	4	5	6		7
Уголь:
Донецкий бассейн	Д	5,86+5,44(a-1)	4,6	10,0	1,0	19600
	Г	5,65+5,19(a-1)	3,3	23,0	1,0	22100
	Ж	5,16+4,77(a-1)	2,5	35,5	0,9	18000
	АШ	6,32+6,04(a-1)	1,7	27,0	0,6	22600
Кузнецкий бассейн	Д	6,58+6,02(a-1)	0,3	13,2	1,9	22300
	Г	7,42+6,88(a-1)	0,5	11,0	1,7	26100
	СС	6,73+6,26(a-1)	0,3	13,2	1,5	23900
	Т	7,22+6,83(a-1)	0,4	16,8	1,5	26200
Подмосковный бассейн	2Б	3,62+3,03(a-1)	2,7	25,2	0,6	10400
Экибастузский бассейн	СС	4,96+4,67(a-1)	0,8	32,6	0,8	15800
Торф	-	3,30+2,38(a-1)	0,1	6,3	1,1	8110
Мазут:
малосернистый	-	12,50+10,62(a-1)	0,5	0,02	-	39700
высокосернистый	-	12,10+10,46(a-1)	2,8	0,02	-	38800
Природный газ:
ставропольский	-	10,49+9,49(a-1)	-	-	2,6	37000
шебелинский	-	10,46+9,52(a-1)	-	-	1,5	37000
саратовский	-	10,73+9,52(a-1)	-	-	3,0	36100

¹V – летучие вещества, являются показателем качества, характеризующими пригодность топлива для энергетических или технологических целей, воспламеняемость топлива и быстроту его сгорания (чем выше в топливе выход летучих веществ, тем оно имеет меньшую температуру воспламенения);

²А – зола, является негорючим остатком минеральных примесей, получающимся после сгорания топлива, ее наличие понижает качество топлива, увеличивает расходы на транспортировку и удаление золы из топок.

Пример 1.Рассчитать объем (в м³/с) дымовых газов и массу (выброс в г/с) NO₂, содержащегося в продуктах сгорания 2,3 т/час высокосернистого мазута, если коэффициент избытка воздуха равен 1,23.

Решение. Рассчитаем объем (в м³/с) дымовых газов при нормальных условиях, используя данные табл.3:

V=V₀·B=[12,10+10,46(a-1)]·В = [12,10+10,46(1,23-1)]·  = 9,27 м³/с

Определим секундный выброс диоксида азота, принимая, что в каждом кубическом метре дымовых газов содержится 200 мг NO₂:

M (NO₂) =  = 1,85 г/с

Расчет количества оксидов серы в пересчете на SO₂ (т/год, т/ч, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании органического топлива в технологическом процессе в единицу времени выполняется по формуле:

,         (1.2)

где В – расход топлива (т/год, т/ч, г/с);

– содержание серы в топливе (масс, %), приведенное в табл.1;

– доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле (табл. 2);

– доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц. Доля оксидов серы, улавливаемых в сухих золоуловителях (электрофильтрах, батарейных циклонах), принимается равной нулю, в мокрых золоуловителях (скрубберы) эта доля зависит от общей щелочности орошающей воды и приведенной сернистости топлива Sⁿ = 10³·S^r/Q^P_H. Для принятых на ТЭС удельных расходов воды на орошение золоуловителей 0,1–0,15 л/м³.

Таблица 2 – Ориентировочные значения при сжигании различных видов топлива

Пример 2.Рассчитать теоретически возможную массу SO₂ (выброс в г/с), образующегося при полном сгорании 240 т/ч каменного угля Донецкого бассейна марки Г при отсутствии очистки.

Решение.

Переведем расход топлива из т/ч в г/с: 240 т/ч = г/с

Используя формулу (1.2) и данные табл. 1 ( = 3,3%) и 2 ( =0,1), находим массу SO₂ (секундный выброс):

 = 0,02· ·3,3·(1-0,1) = 3960 г/с.

Пример 3. Котельная сжигает 200 т/сут. Донецкого угля марки Д, коэффициент избытка воздуха (α) равен 1,25. Рассчитать количество SO₂ (в г/с), выделяющееся при работе котельной. Сравнить и оценить с экологической точки зрения целесообразность замены топлива на мазут высокосернистый с сохранением производственной мощности котельной (сравнение только по SO₂).

Решение.

1. Определим количество диоксида серы в пересчете на SO₂ (в г/с) в дымовых газах котельной:

Пересчитаем расход топлива В из т/сут. в г/с: 200 т/сут. =  = 2314,8 г/с

S^r – содержание серы в топливе (масс,%), по табл. 1 для Донецкого угля марки Д = 4,6 %. Низшая теплота сгорания Q^p_НУ = 19600 кДж/кг.

η (SO₂) – доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива, по табл. 2 

η (SO₂) при сжигании угля равна 0,1

M (SO₂) = 0,02 ∙ 2314,8 г/с ∙ 4,6 (1-0,1)= 191,66 г/с или ~0,19 кг/с

2. Определим, учитывая теплотворную способность топлива, эквивалентный углю расход мазута и количество SO₂, образующегося при сжигании последнего. Зная, что низшая теплота сгорания мазута высокосернистого составляет Q^p_НМ = 38800 кДж/кг. Определим теплотворность мазута по отношению к указанному углю:

Q^p_НУ / Q^p_НМ = 19600/38800 = 0,505

В_мазута= 2314,8 г/с·0,505 = 1168,97 г/с или 1,18 кг/с

М_мазут (SO₂) = 0,02 ∙ 1168,97 г/с ∙ 2,8 ∙ (1-0,02) = 64,15 г/с или ~0,064 кг/с

3. Количество SO_2,  образовавшегося при сгорании Донецкого угля марки Д, составило ~0,19 кг/с, а при сгорании эквивалентного количества высокосернистого мазута - ~0,064 кг/с, что почти в 3 раза меньше. Следовательно, с экологической точки зрения замена Донецкого угля марки Д на высокосернистый мазут целесообразна.

Пример 4.Определить количество диоксида серы, которые образуются в процессе работы предприятия черной металлургии, если в сталелитейной печи используют уголь Печорского бассейна марки Д (табл. 2 в приложении). Потребление топлива составляет 10000 г/с. Перед выбросом в атмосферу газы проходят очистку в мокром золоуловителе с щелочностью оросительной воды равной 5 мг-экв./л.

Решение. Для расчета используем формулу 1.6:

Из таблицы 2 в приложении 2 сернистость S^r =0,38; η (SO₂) - доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива, по табл. 2 η (SO₂) при сжигании угля равна 0,1; низшая теплота сгорания Q^P_H = 26177 кДж/кг.

Для определения η^/_SO2 находим Sⁿ = 10³·S^r/Q^P_H = 10³·0,38/26177 = 0,0145. По графику на рис. 1. определяем . Подставляя все значения в формулу 1.2, получим:

Количество оксидов углерода (г/с, т/год), выбрасываемое в атмосферу с дымовыми газами при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива, вычисляется по формуле:

                           (1.3)

где С_СО – выход оксида углерода при сжигании топлива, кг/т, кг/тыс.м³;

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, % (табл. 1 в приложении).

Выход оксида углерода определяется по формуле

                                              (1.4)

где R – коэффициент, учитывающий долю потерь теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленную содержанием СО в продуктах сгорания; R принимает равным: для твердого топлива – 1,0; для газа – 0,5; для мазута – 0,65;

q₃ – потери тепла от недожога, % (табл. 1 в приложении).

Рис. 1. Зависимость степени улавливания оксидов серы в мокрых золоуловителях от приведенной сернистости топлива и щелочности орошаемой воды.

Щелочность орошаемой воды: 1 – 10 мг-экв./л; 2 – 5 мг-экв./л; 3 – 0 мг-экв./л.

Пример 5.Определить количество оксида углерода (в г/с), которое образуется при сжигании 20 тонн за час каменного угля марки АС Донецкого бассейна (табл. 2 в приложении) в камерной топке.

Решение.

1. Определим выход оксида углерода по формуле 1.4:

2. По формуле 1.3 определим массу оксида углерода:

Суммарное количество твердых частиц (летучей золы и несгоревшего топлива), выбрасываемое в атмосферу с дымовыми газами при отсутствии эксплуатационных данных о содержании горючих частиц в уносе, рассчитывается по формуле:

,                (1.5)

Количество летучей золы, выбрасываемой в атмосферу с дымовыми газами от теплогенератора при сжигании твердого и жидкого топлива, рассчитывается из соотношения:

                           (1.6)

При отсутствии необходимости в более точных расчетах количества летучей золы можно воспользоваться более краткой формулой:

                                       (1.7)

В формулах 1.5-1.7:

В – расход топлива (т/год, т/ч, г/с);

 – зольность топлива, % (табл. 1 в приложении);

Q^P_H – низшая теплота сгорания, кДж/кг (табл. 2 в приложении);

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, % (табл. 1 в приложении);

η₃ – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителе, зависит от типа золоуловителя, марки топлива и мощности ТЭС. Для ТЭС мощностью 500 МВт и выше η₃ равна 0,99–0,995, при меньших мощностях η₃ = 0,93–0,97 (большие цифры относятся к многозольным топливам).

Q_УН – доля золы, уносимой из котла, зависит от конструкции топки: для топок с твердым шлакоуловителем составляет 0,95 и 0,70–0,75 для открытых и полуоткрытых топок с жидким шлакоудалением (табл. 1 в приложении).

 – доля золы, уносимой дымовыми газами. Зависит от вида, марки топлива и от типа топки. Для угольных топок  колеблется в интервале 0,002–0,008. В случае мазутных топок  составляет 0,02.

Количество твердых частиц несгоревшего топлива М_НТ, т/год, г/с, образующихся в топке в результате механического недожога топлива (несгоревшее топливо) и выбрасываемых в атмосферу в виде коксовых остатков (при сжигании твердого топлива) или в виде сажи (при сжигании мазута), определяют по формуле:

                                                          М_НТ = М_ТВ – М_ЛЗ                                     (1.8)

Пример 6.Рассчитать количество летучей золы (в г/с), выбрасываемой в атмосферу с дымовыми газами от котельной при сжигании 130 т/час высокосернистого мазута.

Решение.

Пересчитаем расход топлива из т/час в г/с: В = 130 т/час =  = 36,11·10³ г/с.

Для мазутных топок β = 0,02; по табл. 1 зольность топлива А^р = 0,02

Определим количество летучей золы (в г/с) в дымовых газах котельной по формуле 1.7:

 = 36,11·10³ ·0,02·0,02 = 14,44 г/с.

Для веществ, обладающих суммацией вредного действия, аналогично рассчитывается суммарный выброс М_сум, (г/с), условно приведенный к выбросу одного из них:

,           (1.9)

где – мощности выброса каждого из n веществ;

ПДК₁, ПДК₂,...,ПДК_n – максимальные разовые предельно допустимые концентрации этих веществ.

К вредным веществам, обладающим суммацией действия, относятся, как правило, близкие по химическому строению и характеру влияния на организм человека, например:

· диоксид серы и аэрозоль серной кислоты;

· диоксид серы и сероводород;

· диоксид серы и диоксид азота;

· диоксид серы и фенол;

· диоксид серы и фтористый водород;

· диоксид и триоксид серы, аммиак, оксиды азота;

· диоксид серы, оксид углерода и диоксид азота.

Пример 7.Котельный агрегат работает на высокосернистом мазуте. Расход топлива составляет 10,5 т/час. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми теплогенератором, являются диоксид серы и диоксид азота. Коэффициент избытка воздуха равен 1,23. Рассчитать суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу. Определить долю каждого загрязняющего вещества в приведенных выбросах.

Решение. Диоксид серы и диоксид азота относятся к одному ЛПВ, следовательно, обладают суммацией вредного воздействия. Определим суммарный выброс этих веществ, условно приведенный к выбросу диоксида серы по формуле (1.9)

=

ПДК(NO₂) = 0,2 мг/м³, ПДК (SO₂) = 0,5 мг/м³.

Определим секундный выброс SO₂ при сжигании 10,5 т/час высокосернистого мазута:

М (SO₂) = 0,02· ·2,8·(1-0,02) = 160,25 г/с.

(S^r = 2,8 %, η (SO₂) = 0,02 из табл. 1 и 2).

Определим секундный выброс NO₂, принимая, что в каждом м³ дымовых газов содержится 200 мг NO₂.

М (NO₂) = (12,10+10,46(1,23-1))· ·200·10^-3  = 8,47 г/с

 = 160,25+8,47·  = 181,425 г/с.

Доля SO₂, содержащаяся в условно приведенных выбросах, составляет:

 =

Доля NO₂: .