Расчет вредных выбросов паровых котлов

 

АлтГТУ, ФЭАТ,

гр. КиРС-91

 У              2          16

   Лит.      Лист       Листов

Расчет вредных  выбросов 
паровых котлов

  Утв.

  Н. конт.   Пронь Г.П.

  Пров.       Пронь Г.П.

  Разраб.    Ноздрачев А.А             

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Механизм образования окислов серы 4

2 Расчет массовых выбросов вредных веществ. Расчет высоты дымовой трубы и выбор золоуловителя 5

2.1 Расчет выбросов окислов серы 5

2.2 Расчет выбросов окислов азота 6

2.3 Расчет выбросов золы 6

2.4 Расчет высоты дымовой трубы 6

2.5 Выбор золоуловителя 8

2.6 Расчет максимальной приземной концентрации золовых частиц 9

3 Рекомендации по уменьшению вредных выбросов 10

3.1 Рассеивание выбросов с помощью высотных дымовых труб 10

3.2 Способы ограничения вредных выбросов воздействием на процессы сжигания топлив 10

3.3 Очистка продуктов сгорания от вредных примесей 10

3.3.1 Сероочистка дымовых газов 10

Заключение 13

Список литературы 14

Приложение А Задание 15

Изм. Лист     № Докум.       Подп.    Дата

РР 140 502.15.000

 

 

Введение

Сжигание топлива на тепловых электрических  станциях и в котельных приводит к выбросу в атмосферу продуктов сгорания органического топлива, содержащих окислы серы и азота. Эти выбросы оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Тепловые электрические станции  являются существенным источником загрязнения  атмосферы. Поэтому проблемы снижения вредных выбросов ТЭС в атмосферу, контроль и управление его качеством, являются в настоящее время одними из первостепенных задач, которые требуют своего решения.

Количество образующихся окислов  серы и азота зависит от характеристики топлива, сжигаемого в котлах, и от конструктивного исполнения топочной камеры, поэтому на стадии проектирования котлов необходимо провести расчет ожидаемых выбросов и предусмотреть меры по снижению их до величин, максимально приближающихся к санитарным нормам допустимой загазованности атмосферного воздуха.

Основными мероприятиями для снижения выбросов окислов азота и серы в атмосферу являются:

- рассеивание вредных выбросов с помощью высотных дымовых труб на большой площади;

- непосредственное воздействие на механизм образования вредных примесей при горении топлива (сжигание топлив с малыми избытками воздуха, рециркуляция продуктов сгорания, двухступенчатое сжигание топлива и т.д.);

- очистка продуктов сгорания от вредных примесей (очистка дымовых газов от окислов серы и азота);

- удаление вредных компонентов из топлива до его сжигания (очистка топлив от соединений серы и газификация топлив).

В данной расчетной работе необходимо рассчитать массовые выбросы окислов  азота и серы при сжигании конкретного топлива, определить высоту трубы и предложить мероприятия по снижению массовых выбросов вредных примесей в окружающую среду.

 

 

1 Механизм образования окислов серы

Если  образование окислов азота определяется в первую очередь организацией  топочного процесса, то суммарный  выброс окислов серы SO_x зависит только от содержания серы в топливе и практически не связан с конструкцией котлоагрегата.

Сера  S может содержаться в твёрдых топливах в трёх видах: органическая S_ор, колчеданная S_к и сульфатная S_с. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой её соединения с металлами (чаще железный колчедан FeS₂) и входит в минеральную часть топлива. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaSO₄ и FeSO₄ и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается и переходит в золу. В состав газообразных топлив сера входит только в виде сероводорода H₂S или сернистого ангидрида SO₂. Сера в мазуте входит в состав главным образом сероорганических соединений и в меньшей степени она присутствует в виде H₂S  и серы элементарной.

При сжигании сернистых топлив в топках с камерным (факельным) методом сжиганием, практически вся присутствующая в ней сера окисляется до сернистого ангидрида SO₂, содержание которого в продуктах сгорания не превышает 0,3÷0,4% по объёму:

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O,

S_ор SO₂,

4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

Часть SO₂ затем доокисляется до серного ангидрида SO₃:

SO₂ + O + M ⇄ SO₃ + M,

SO₂ + ½O₂ → SO₃.

Степень конверсии  SO₂ в SO₃ зависит от качества топлива, режима горения и составляет 1÷6%. Содержание других окислов серы (SO, SO₄, S₂O₃, S₂O₇) в продуктах сгорания ничтожно.

Сернистый ангидрид SO₂ является одним из наиболее токсичных газообразных выбросов котлоагрегатов ТЭС. Продолжительность его пребывания в атмосфере сравнительно невелика (в чистом воздухе до 15-20 суток). После выхода из дымовой трубы SO₂ принимает участие в каталитических, фотохимических и других реакциях, в результате которых окисляется и выпадает в сульфаты. В присутствии кислорода сернистый ангидрид доокисляется до SO₃ и вступает в реакцию с водой, образуя аэрозоль серной кислоты:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃,

SO₂ + ½O₂ + hν → SO₃,

SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

 

2 Расчет массовых выбросов вредных веществ. 
Расчет высоты дымовой трубы и выбор золоуловителя

2.1 Расчет выбросов окислов серы

Количество  окислов серы SO₂ и SO₃ в пересчете на диоксид SO₂, выбрасываемое в воздушный бассейн в единицу времени, составит, г/с /1/:

,

где B_р = 9,09 кг/с – общий расход топлива, сжигаемого в котлоагрегатах /3/;

S^р = 0,3% – содержание серы в рабочей массе сжигаемого топлива /3/;

= 10% – доля окислов серы, улавливаемой  летучей золой в газоходах  котла /1/;

= 0 – доля окислов серы, улавливаемых  в золоуловителях /1/.

г/с.

При применении специальных методов сероулавливания , а именно магнезитового, можно значительно уменьшить найденную массу , при этом температура газов снизится до = 30 °C, и концентрация составит, г/м³ /1/:

,

где t_г = 125 °C – температура газов на входе в дымовую трубу.

В данном случае выбран магнезитовый способ улавливания окислов серы, описание этого и других методов приведено в третьем разделе.

Для лучшего рассеивания дымовых  газов в атмосфере требуется  дополнительное тепло на подогрев газов  до температуры t_г = 130 °C.

Концентрация окислов серы перед дымовой трубой без применения специальных методов сероулавливания г/м³, определяется по формуле /1/:

,

где V_ух = 7,019 м³/кг – удельный объем уходящих газов при нормальных условиях на один килограмм сгоревшего топлива.

Масса выбросов серы, уменьшаясь на 90%, становится равной = 4,9 г/с.

2.2 Расчет выбросов окислов азота

Массовый  выброс окислов азота  , г/с, определяется пропорционально норме выбросов , зависящей от единичной производительности котлоагрегата Д, вида топлива и других факторов /1/:

,

где = 19,01 МДж/кг – удельная теплота сгорания топлива;

= 0,31 кг/ГДж – удельная норма  выбросов /1/;

β = 35% – снижение выбросов при применении двухстадийного сжигания /1/.

Данный  способ снижения образования окислов  азота и другие методы ограничения вредных выбросов воздействием на процессы сжигания топлив представлены в третьем разделе.

г/с.

Концентрация  окислов азота перед дымовой  трубой /1/:

2.3 Расчет выбросов золы

Количество  золы, уносимое из топок котлоагрегатов, в единицу времени M_зол, г/с /1/:

M_зол = 10·B_р·A^р·a_ун,

где A^р = 33,9% – содержание золы в топливе /3/;

a_ун = 0,95 – доля уноса золы из топок /3/.

M_зол = 10·B_р·A^р·a_ун = 10·9,09·33,9·0,95 = 2927 г/с.

Концентрация  золы в газах на выходе из топок (на входе в золоуловитель):

2.4 Расчет высоты дымовой  трубы

Высота  каждой дымовой трубы H_тр, м, определяется по формуле /1/:

,

где A = 200 мг·с^2/3/K^1/3 – коэффициент, характеризующий климатические условия при самых неблагоприятных погодных факторах (малом ветре, низкой облачности и т.д.) для Сибири;

F = 2 – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных выбросов в атмосферном воздухе для золы при коэффициенте улавливания η_ул > 0,9 /1/;

n, m – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

= 0,49 г/с – массовый выброс окислов серы с объемом дымовых газов, уходящих через рассчитываемую трубу;

= 34,82 г/с – массовый выброс окислов азота;

z = 2 – количество дымовых труб, соответствующее пяти котлам паропроизводительностью менее 320 т/ч каждый (Д_пе = 230 т/ч) /1/;

= 0,5 мг/м³ – предельно допустимая концентрация сернистого ангидрида SO₂;

= 0,005 мг/м³ – фоновая концентрация окислов серы в месте расположения труб /6/;

= 0,06375 мг/м³ – фоновая концентрация окислов азота, уменьшенная на 50% /6/;

ΣV = z_к·V_ух = 5·95,18 = 476 м³/с – суммарный расход уходящих газов всех котлоагрегатов, подключенных на рассчитываемую дымовую трубу;

(t_г – t_в) = Δt = 50 °C – разность температур газов и воздуха в устье дымовой трубы в полдень самого жаркого месяца /1/.

Безразмерные  коэффициенты n и m определяются через вспомогательные параметры V_м и f, определение которых требует предварительной оценки размеров трубы: ее высоты H = 250 м и диаметра устья D₀ = 6 м.

Диаметр устья трубы D₀, м, определяется по суммарному объему удаляемых через нее дымовых газов ΣV = 476 м³/с и принятой скорости выхода W₀ = 45 м/с /1/:

м.

Так как типоразмеры труб не позволяют иметь при высоте H = 250 м диаметр устья менее шести метров, то этот диаметр остается равным D₀ = 6 м.

Тогда скорость выхода W₀ корректируется следующим образом:

Выбрав  D₀, H и W₀, можно найти вспомогательные параметры V_м и f:

Далее определяются значения n и m:

при V_м > 2 коэффициент равен n = 1;

Высота  трубы равна:

По  расчетному значению принимается из стандартного ряда высота трубы H_тр = 250 м.

Высота трубы H_тр проверяется по условию рассеивания золы до предельно допустимых ее концентраций (ПДК_зол = 0,15 мг/м³). Определяется концентрация золы на выходе из трубы, г/м³:

,

где C_ф.зол = 0,0825 мг/м³ – фоновая концентрация золы, уменьшенная на 50%.

Для того чтобы снизить фоновую концентрацию окислов азота NO_x до мг/м³ и фоновую концентрацию золы, другим предприятиям, находящиеся в данном районе, необходимо применить системы очистки и мероприятия по уменьшению вредных выбросов, а также внедрить современные технологические методы производства продукции.

Расчетный коэффициент улавливания золы /1/:

2.5 Выбор золоуловителя

Электрофильтры  как наиболее эффективный тип  золоулавливающего оборудования выбираются для достижения максимального коэффициента улавливания в связи с высоким уровнем фоновой концентрации золы.

Коэффициент улавливания золы у электрофильтров  зависит от ее физико-химических свойств /1/:

,

где w = 0,055 м/с – скорость дрейфа золовых частиц каменных углей;

Удельная  поверхность осаждения на единицу  объемного расхода дымовых газов, м²/(м³/с), при известных величинах = 0,60 и w = 0,055 м/с определяется следующим образом:

Расчетная полная осадительная поверхность электрофильтра равна /1/:

S = f·V_ух = 16,66·95,18 = 1585,7 м².

По  полученной величине поверхности S выбирается электрофильтр УГ2-3-37. Осадительная площадь данного золоуловителя составляет S′ = 3370 м². Активная высота электродов равна 7,46 м, количество полей равно трем. Габариты электрофильтра по длине, высоте и ширине составляют соответственно 14,1; 15,4 и 9 метров.

Удельная  поверхность осаждения выбранного электрофильтра равна:

f′ = S/V_ух = 3370/95,18 = 35,4 м²/(м³/с).

При скорости дрейфа золовых частиц w = 0,055 м/с и удельной поверхности осаждения, равной 35,4 м²/(м³/с), коэффициент улавливания золы электрофильтра УГ2-3-37 составляет:

2.6 Расчет максимальной  приземной концентрации золовых частиц

При неблагоприятных метеорологических условиях на известном расстоянии от дымовой трубы в приземном слое (около 10 метров от поверхности) предполагается накопление золовых частиц с максимальной концентрацией , мг/м³, величина которой составит /1/:

,

где = (1 – 0,86)·2927 = 409,8 г/с – количество золы, которая не улавливается в золоуловителе, а проходит его и выбрасывается в атмосферу;

ΣV = 476 м³/с – общий объемный расход дымовых газов, удаляемых через все дымовые трубы источника теплоснабжения.

Полученная  максимальная концентрация золовых частиц = 0,113 мг/м³ не превышает предельно допустимую концентрацию ПДК_зол = 0,15 мг/м³.

 

3 Рекомендации по уменьшению вредных выбросов