Расчет выбросов угольной пыли

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Расчет выбросов загрязняющих веществ

2.1. Расчет выбросов угольной пыли

2.2. Расчет выбросов загрязняющих веществ топлива в котлоагрегатах

2.3. Расчет выбросов оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива

2.4. Расчет выбросов диоксида серы

2.5. Расчет выбросов оксида углерода

2.6. Расчет выбросов твердых частиц (зола угольная)

2.7. Расчет параметров газовоздушной смеси от источников выбросов

3. Рекомендации по системам защиты среды обитания

4. Литературные источники

1. Введение

Негативные изменения атмосферы Земли связаны главным образом с изменением концентрации второстепенных компонентов атмосферного воздуха.

Глобальное загрязнение атмосферного воздуха сказывается на состоянии природных экосистем, особенно на зеленом покрове нашей планеты. Одним из самых наглядных показателей состояния биосферы служат леса и их состояние.

Кислотные дожди, вызываемые главным образом диоксидом серы и оксидами азота, наносят огромный вред лесным биоценозам. Установлено, что хвойные породы страдают от кислотных дождей в большей степени, чем широколиственные.

Только на территории нашей страны общая площадь лесов, пораженных промышленными выбросами, достигла 1 млн. га. Значительным фактором деградации лесов в последние годы является загрязнение окружающей среды радионуклидами. Так, в результате аварии на Чернобыльской АЭС поражено 2,1 млн. га лесных массивов.

Особенно сильно страдают зеленые насаждения в промышленных городах, атмосфера которых содержит большое количество загрязняющих веществ.

Воздушная экологическая проблема истощения озонового слоя, в том числе появление озоновых дыр над Антарктидой и Арктикой, связана с чрезмерным применением фреонов в производстве и быту.

За последние десятки лет в результате антропогенного воздействия атмосфера претерпела значительные изменения. Вещества, выбрасываемые в атмосферу в результате хозяйственной деятельности, не просто изменяют ее состав, но оказывают существенное влияние на сложившиеся в результате длительной эволюции процессы, протекающие в ней.

Существует два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный.

Источники естественных «загрязнений»: извержение вулканов, космическая пыль, выдуваемый ветром верхний слой почвы, содержащий бактерии, грибки, простейшие организмы, органические остатки, и т. д. Эти компоненты являются важной частью атмосферы, они определяют оптические свойства воздушной оболочки Земли, способствуют рассеиванию ультрафиолетовых и космических лучей.

Антропогенное загрязнение атмосферы начали регистрировать со второй половины XIX века в связи с изменением ее пылевого и газового состава.

К основным антропогенным источникам загрязнения атмосферы относятся предприятия топливно-энергетического комплекса, транспорт, различные машиностроительные предприятия.

Основными загрязняющими веществами в выбросах являются твердые частицы. Это пыль, копоть и сажа. Большую опасность таит загрязнение природной среды тяжелыми металлами. Свинец, кадмий, ртуть, медь, никель, цинк, хром, ванадий стали практически постоянными компонентами воздуха промышленных центров.

Помимо пылеобразных загрязняющих веществ, в атмосферу поступают различные газы. Газовое загрязнение происходит в результате сжигания угля, нефти, газа, поскольку в ходе их горения выделяется большое количество сернистых соединений. При взаимодействии с водой, находящейся в воздухе, сернистый газ образует мелкие капельки серной кислоты, которые приносят огромный вред природе, губя растения и живые существа. Они наносят вред и народному хозяйству, так как разъедают металлы, синтетические материалы, лакированные и окрашенные поверхности.

В целом, все антропогенные источники загрязнения атмосферы можно разделить на точечные, линейные и площадные.

В городах выбросы пыли, окислов азота, двуокиси серы могут достигать десятков тысяч тонн в год, окислов углерода — даже сотен тысяч. Глобальные выбросы пыли составляют в год около 200 млн. т, окиси углерода — 700 млн. т, двуокиси серы — 210 млн. т, окислов азота в пересчете на двуокись азота — 55 млн. т. В сумме это превышает 1 млрд. т/год.

Перечисленные, так называемые, основные загрязняющие вещества в определенных количествах содержатся в выбросах тепловой котельной. Количество выбросов вредных веществ, поступающих в атмосферу от котельной, рассчитывается по балансу технологического процесса. Например, по количеству сжигаемого топлива и содержанию в нем серы можно установить количество выбросов двуокиси серы.

2. РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ КОТЕЛЬНОЙ

2.1 Расчет выбросов угольной пыли

Максимально разовый выброс угольной пыли при разработке и сдуве материалов рассчитывается следующим образом (формула (1)):

G = А_М + В_М, (1)

где G- максимально разовый выброс угольной пыли при переработке и сдуве материалов, г/с;

А_М –максимально разовый выброс при переработке материала (ссыпка, перевалка, перемещение), г/с;

В_М - максимально разовый выброс при статистическом хранении материала, г/с.

Максимально разовый выброс при переработке материала рассчитывается следующим образом (формула (2)):

А_М = (К₁∙К₂ ∙К₃∙К₄∙К₅ ∙К₇∙ Т∙10⁶∙В')/3 600, (2)

где А_М - максимально разовый выброс при переработке материала

(ссыпка, перевалка, перемещение), г/с;

К₁ - весовая доля пылевой фракции в материале, 0,052;

К₂ - доля пыли, переходящая в аэрозоль, 0,02;

К₃ – коэффициент, учитывающий местные метеоусловия (преобладающая скорость ветра), 1,4;

К₄ - коэффициент, учитывающий степень защищенности узла от внешних воздействий, условия пылеобразования, 0,2;

К₅ -коэффициент, учитывающий влажность материала, 0,01;

К₇ - коэффициент, учитывающий крупность материала, 0,4;

Т - суммарное количество перерабатываемого материала, 4,11 т/час;

В' - коэффициент, учитывающий высоту пересыпки, 0,7.

Максимально разовый выброс при статистическом хранении материала рассчитывается следующим образом (формула (3)):

В_М = К₃∙К₄ ∙К₅∙К₆∙К₇ ∙С∙П, (3)

где В_М - максимально разовый выброс при статистическом хранении материала, г/с;

К₃– коэффициент, учитывающий местные метеоусловия (преобладающая скорость ветра), 1,4;

К₄ - коэффициент, учитывающий степень защищенности узла от внешних воздействий, условия пылеобразования, 0,2;

К₅- коэффициент, учитывающий влажность материала, 0,01;

К₆ - коэффициент, учитывающий профиль поверхности складируемого материала, 1,3;

К₇ - коэффициент, учитывающий крупность материала, 0,4;

С - удельный унос пыли с 1 м² фактической поверхности складируемого материала, 0,005;

П- поверхность опыления, 510 м².

Валовый выброс при переработке и сдуве материалов рассчитывается следующим образом (формула (4)):

М = А_В+В_В, (4)

где М – валовый выброс при переработке и сдуве материалов, т/год;

А_В – валовый выброс при переработке материалов, т/год;

В_В - валовый выброс при сдуве материалов, т/год.

Валовый выброс от переработки материалов рассчитывается следующим образом (формула (5)):

, (5)

где А_В– валовый выброс при переработке материалов, т/год;

А_М - максимально разовый выброс при переработке материала (ссыпка, перевалка, перемещение), г/с;

t₁ – годовое время по переработке материалов, 284 часа.

Валовый выброс от переработки материалов рассчитывается следующим образом (формула (6)):

, (6)

Качество выбрасываемой угольной пыли:

А_М = (0,0052∙0,02∙1,4∙0,2∙0,01∙0,4∙4,11∙10⁶∙0,7)/ 3600 = 0,000927 г/с;

В _М = 1,4∙0,2∙0,01∙1,3∙0,4∙0,005∙510 = 0,0037128 г/с;

G = 0,000927+0,0037128 = 0,0046398 г/с;

А_В = 0,000927∙3600∙284 / 10⁶ = 0,0009477 т/год;

В_В = 0,0037128 ∙3600∙6816 / 10⁶ = 0,0911032 т/год;

Всего по угольной пыли в год:

М = 0,0009477 + 0,0911032 = 0,0920509 т/год.

2.2 Расчет выбросов загрязняющих веществ топлива в котлоагрегатах

Котельная МК-151 работает на топливе апсаткского угля марки СС и угля других месторождений.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Выбросы загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлоагрегатах «КВСМ-1,25»

2.3 Расчет выбросов оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива

Расчетный расход топлива рассчитывается следующим образом (формула (7)):

, (7)

где В_ρ – расчетный расход топлива, т/год;

В - фактический расход топлива, 1166,5 т/год;

q₄ – потеря тепла от механической неполноты сгорания, 9,8%.

Расчетный расход топлива рассчитывается следующим образом (формула (8)):

, (8)

где В'_ρ – расчетный расход топлива, кг/с;

В' - фактический расход топлива, 80,83184 г/с;

q₄ – потеря тепла от механической неполноты сгорания, 9,8%.

В_ρ = 1166,5 ∙ (1- 9,8/100)= 1052,183 т/год;

В'_ρ = 80,83184 ∙ (1- 9,8/100) = 0,07291 кг/с.

Фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу определяется следующим образом (формула (9)):

Q_Т = В_ρ/Time/3,6∙Q_r , (9)

где Q_Т – фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку тепла, МВт;

В_ρ – расчетный расход топлива, т/год;

Time- время работы котла за год, 6816 час;

Q_r – низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

Фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу определяется следующим образом (формула (10)):

Q'_Т = В'_ρ∙Q_r , (10)

где Q_Т – фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку тепла, МВт;

В'_ρ – расчетный расход топлива, кг/с;

Q_r – низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

Q_Т = 1052,183: 6816 : 3,6∙26,4 = 1,13204 МВт,

Q'_Т = 0,07291∙26,4= 1,924824 МВт.

Тепловое напряжение зеркала горения рассчитывается следующим образом (формула (11)):

, (11)

где q_r – тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м²;

F – площадь горения, 5 м².

Тепловое напряжение зеркала горения рассчитывается следующим образом (формула (12)):

, (12)

где q'_r – тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м²;

F – площадь горения, 5 м².

q_r = 1,13204/5= 0,2264 МВт/м²;

q'_r = 1,924824/5= 0,38496 МВт/м².

Удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива рассчитывается следующим образом (формула (13)):

К_no2 = 0,11∙α_Т(1+5,46∙()∙( q_r ∙ Q_r ) ∙0,25, (13)

где К_no2 – удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж;

α_Т - коэффициент избытка воздуха в топке, 1,35;

R6 - характеристика гранулометрического состава угля, 40%;

q_r - тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м²;

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

Удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива рассчитывается следующим образом (формула (14)):

К_no2' = 0,11∙α_Т(1+5,46∙()∙( q'_r ∙ Q_r ) ∙0,25, (14)

где К_no2' – удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж;

α_Т - коэффициент избытка воздуха в топке, 1,35;

R6 - характеристика гранулометрического состава угля, 40%;

q'_r - тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м²;

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

К_no2 = 0,11∙1,35(1+5,46∙∙( 0,2264∙ 26,4) ∙0,25 = 1,38498 г/МДж

К_no2 = 0,11∙1,35(1+5,46∙∙( 0,38496∙ 26,4) ∙0,25 = 2,35495 г/МДж

Выброс оксидов азота определяется следующим образом (формула (15)):

М_nох = В_ρ∙ Q_r ∙ К_no2 ∙ß_r ∙k_П, (15)

где В_ρ – расчетный расход топлива, т/год;

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг;

К_no2 – удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж;

ß_r - коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов, подавляемых в смеси сдутьевым воздухом под колосниковую решетку, на образование оксидов азота, 1;

k_П – 0,001 (для валового выброса);

Выброс оксидов азота определяется следующим образом (формула (16)):

М_nох' = В_ρ'∙ Q_r ∙ К_no2' ∙ß_r ∙k_П, (16)

где В'_ρ – расчетный расход топлива, кг/с;

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг;

К_no2' – удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж;

ß_r - коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов, подавляемых в смеси сдутьевым воздухом под колосниковую решетку, на образование оксидов азота, 1;

k_П^/– 1 (для максимально-разового выброса).

М_nох = 1165,3568 ∙26,4 ∙ 1,38498 ∙1∙0,001= 42,60949 т/год;

М_nох' = 0,0751736∙ 26,4 ∙ 0,1632252 ∙1= 5,020444 г/с.

2.4 Расчет выбросов диоксида серы

Выброс диоксида серы определяется следующим образом (формула (17)):

М_so2 = 0,02∙B ∙S_r ∙ (1-η_so2') ∙(1-η_so2''), (17)

где B- расход натурального топлива за рассматриваемый период, 1166,5 т/год;

S_r - содержание серы в топливе на рабочую массу, 1,62% (для валового содержания);

η_so2'- доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле, 0,1 (тип топлива: угли других месторождений);

η_so2''- доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц, 0.

Выброс диоксида серы определяется следующим образом (формула (18)):

М_so2 '= 0,02∙B' ∙S_r '∙ (1-η_so2') ∙(1-η_so2''), (18)

где B' - расход натурального топлива за рассматриваемый период,

80,86184г/с;

S_r ' - содержание серы в топливе на рабочую массу, 1,62% (для максимально-разового содержания);

η_so2'- доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле, 0,1 (тип топлива: угли других месторождений);

η_so2''- доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц, 0.

М_so2 = 0,02∙1166,5∙1,62∙ (1-0,1) ∙(1-0)=34,01564 т/год;

М_so2 '= 0,02∙80,83184 ∙1,62∙ (1-0,1) ∙(1-0)=2,3575345 г/с.

2.5 Расчет выбросов оксида углерода

Расчет выбросов оксида углерода определяется следующим образом (формула (19)):

М_со = 0,001∙В ∙ С_со ∙ (), (19)

где В – фактический расход топлива, 1166,5 т/год;

С_со –выход оксида углерода при сжигании топлива;

q₄ - потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива, 9,8 %.

Расчет выбросов оксида углерода определяется следующим образом (формула (20)):

М_со' = 0,001∙В ∙ С_со ∙ (), (20)

где В – фактический расход топлива, 1166,5 т/год;

С_со – выход оксида углерода при сжигании топлива;

q₄ – потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива, 9,8 %.

Выбросы углерода при сжигании топлива определяются следующим образом (формула (21)):

С_со = q₃ ∙R∙ Q_r , (21)

где С_со – выход оксида углерода при сжигании топлива;

q₃ – потери тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива, 2%;

R – твердое топливо, 1;

Q_r – низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

С_со = 2∙1∙ 26,4=52,8 г/кг.

Всего по оксиду углерода в год:

М_со = 0,001∙1166,5 ∙ 52,8 ∙ (1- 9,8/100)= 55,5553 т/год;

М_со '= 0,001∙80,83184∙ 52,8 ∙ (1- 9,8/100)= 3,84966 г/с.

2.6 Расчет выбросов твердых частиц (зола угольная)

Расчет количества летучей золы определяются теоретическим методом следующим образом (формула (22)):

М_з = 0,01∙В∙А_r∙А_ун∙(1-V_з ) (22)

где В – фактический расход топлива, 1166,5 т/год;

А_r – зональность топлива на рабочую массу (для валового выброса), 12,9%;

А_ун – доля золы, уносимой газами из котла, 0,6;

V_з - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, 0,76.

Расчет количества летучей золы определяются следующим образом (формула (23)):

М_з '= 0,01∙В'∙А_r'∙А_ун∙(1-V_з ) (23)

где В' - фактический расход топлива, 80,83184 г/с;

А_r' –зональность топлива на рабочую массу (для максимально- разового продукта), 12,9%;

А_ун–доля золы, уносимой газами из котла, 0,6;

V_з - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, 0,76.

Расчет количества коксовых остатков при сжигании твердого топлива определяется следующим образом (формула (24)):

М_к = 0,01∙В∙(1-V_з )∙(q⁴_уноса ∙ ) (24)

где В – фактический расход топлива, 1166,5 т/год;

V_з - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, 0,76;

q⁴_уноса – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, 3,9%

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

Расчет количества коксовых остатков при сжигании твердого топлива определяется следующим образом (формула (25)):

М_к '= 0,01∙В'∙(1-V_з )∙(q⁴_уноса ∙ ) (25)

где В' - фактический расход топлива, 80,83184 г/с;

V_з - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, 0,76;

q⁴_уноса – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, 3,9%

Q_r - низкая теплота сгорания топлива, 26,4 МДж/кг.

Всего по угольной золе в год:

М_з = 0,01∙1166,5∙12,9∙0,6∙(1- 0,76) = 21,668904 т/год;

М_з' = 0,01∙80,83184∙12,9∙0,6∙(1- 0,76) = 1,5015322 г/с;

Всего по саже в год:

М_к = 0,01∙1166,5∙(1-0,76)∙(3,9 _уноса ∙ 26,4/32,68) = 8,820603 т/год;

М_к' = 0,01∙80,83184∙(1-0,76)∙(3,9_уноса ∙ 26,4/32,68) = 0,6114841 г/с.

2.7 Расчет параметров газовоздушной смеси от источников выбросов

Источник № 1 (гараж) оборудован самовытяжкой. При самовытяжении от источников выбросов рассчитываются параметры: плотность наружного воздуха, плотность газо-воздушной смеси, параметр, характеризующий равность плотностей и высоту трубы, параметр, характеризующий сопротивление трубы, скорость газо-воздушной смеси на выходе из источника, объем газо-воздушной смеси, площадь сечения устья источника выброса.

Плотность наружного воздуха рассчитывается следующим образом (формула (26)):

Р_Н=, (26)

где Р_Н- плотность наружного воздуха, кг/м³;

t - средняя температура наружного воздуха для времени года, 23,6⁰С.

Плотность газо-воздушной смеси рассчитывается следующим образом (формула (27)):

Р_УХ=, (27)

где Р_УХ - плотность газо-воздушной смеси, кг/м³;

t₁ – температура на газо-воздушной смеси, отходящей от источника выделения, 35⁰С.

Параметр, характеризующий равность плотности и высоту трубы рассчитывается следующим образом (формула (28)):

H=h∙(P_Н-Р_УХ), (28)

где H- параметр, характеризующий равность плотности и высоту трубы;

h – высота трубы, 3м.

Параметр, характеризующий сопротивление трубы рассчитывается следующим образом (формула (29)):

Z= , (29)

где Z - параметр, характеризующий сопротивление трубы;

h – высота трубы, 3м;

d – диаметр трубы, 0,2 м.

Скорость газо-воздушной смеси на выходе из источника рассчитывается следующим образом (формула (30)):

S= , (30)

где S – скорость газо-воздушной смеси на выходе из источника, м/с;

H – параметр, характеризующий равность плотности и высоту трубы;

Z – параметр, характеризующий сопротивление трубы;

Р_УХ – плотность газо-воздушной смеси, кг/м³.

Объем газо-воздушной смеси рассчитывается следующим образом (формула (31)):

V=S∙F, (31)

где V– объем газо-воздушной смеси;

S – скорость газо-воздушной смеси на выходе из источника, м/с;

F – площадь сечения устья источников выбросов, м.

Площадь сечения устья источника выброса рассчитывается следующим образом (формула (32)):

F=(32)

где F – площадь сечения устья источников выбросов, м;

d – диаметр трубы, 0,2 м.

Р_Н = 353/(273 + 23,6) = 1,190155 кг/м³,

Р_УХ = 353/(273 + 35) = 1,146104 кг/м³,

H= 3∙(1,190155 – 1,146104) = 0,132153,

Z= 0,04∙3/0,2 = 0,6,

S= ((0,132153∙2∙9,8)/ = 2,14793 м/с,

V= 2,14793 ∙ 0,0314 = 0,067445 м³/с;

F= 3,14∙0,2²/4 = 0,0314 м².

На источнике № 4 – котельная МК-151 – установлен дымосос ДН-10. При использовании тягодутьевого оборудования рассчитываются следующие параметры газо-воздушной смеси: производительность тягодутьевого оборудования, площадь сечения источника выброса, скорость газо-воздушной смеси, исходящей от источника выброса, объем газо-воздушной смеси.

Производительность тягодутьевого оборудования рассчитывается следующим образом (формула (33)):

P=(33)

где P- производительность тягодутьевого оборудования, м³/с;

R- производительность тягодувного оборудования, 14650 м³/час.

Скорость газо-воздушной смеси, исходящей от источника выброса рассчитывается следующим образом (формула (34)):

(34)

где W- скорость газо-воздушной смеси, исходящей от источника выброса, м/c;

F – площадь сечения источника выброса, м², по формуле (32);

K- КПД электродвигателя тягодувного оборудования, 0,83 доли единиц;

Р = 14650 / 3600 = 4,069 м³/с;

W = 4,069 / 0,5024∙0,83 = 6,723 м/с;

по формуле (31) V = 2,14793 ∙ 0,0314 = 0,067445 м³/с.

Сводные данные по загрязняющим веществам приведены в таблице 2

Таблица 2 – Перечень загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу котельной МК-151

4. Литературные источники

1. Э.Ю. Безуглая, Г.П. Расторгуева, И.В. Смирнова. Чем дышит промышленный город. «Гидрометеоиздат», 2001.

2. Т.А. Хван. Промышленная экология. Высшее образование. «Феникс», 2003.

3. Инженерная защита окружающей среды: Учебное пособие/Под ред. О.Г. Воробьева. «Лань», 2002.