Расчет вредных выбросов паровых котлов

Принципиально существует несколько подходов к  решению проблемы ограничения вредных выбросов в атмосферу с дымовыми газами тепловых электростанций /4/:

• рассеивание выбросов с помощью высотных дымовых труб на большой площади;
• непосредственное воздействие на образование вредных примесей при горении топлива;
• очистка продуктов сгорания от вредных примесей;

3.1 Рассеивание выбросов с помощью высотных дымовых труб

Основной  задачей рассеивания вредных  веществ в атмосфере является снижение их концентраций до такого уровня, когда они становятся безопасными для живой природы. Для этого на ТЭС используются дымовые трубы, высота которых (по мере укрупнения электростанций и ухудшения качества топлив) постоянно увеличивалась. В настоящее время используются трубы высотой 180, 250, 320-360 и 420 м.

Концентрация  токсичных веществ при увеличении высоты дымовых труб значительно падает в непосредственной близости от электростанции, с увеличением же расстояния относительное снижение концентрации уменьшается. Высоту дымовых труб ТЭС необходимо рассчитывать с учетом рассеяния токсичных примесей до норм ПДК.

Высотные  трубы не следует противопоставлять  другим способам защиты окружающей среды. Пока будут существовать вредные  выбросы (как следствие несовершенной  технологии сжигания топлива), дымовые  газы необходимо выбрасывать в верхние  слои атмосферы, где их вредные компоненты будут обезвреживаться в ходе процессов естественного самоочищения воздушного океана. Высоту дымовых  труб ТЭС следует выбирать после  того, как использованы все возможности, связанные с уменьшением количества вредных выбросов ТЭС в атмосферу.

3.2 Способы ограничения  вредных выбросов воздействием на процессы сжигания топлив

1. Двухступенчатое сжигание топлива

Под двухступенчатым или двухстадийным сжиганием подразумевается такая организация процесса горения, когда через горелки с топливом подается воздух в количестве, меньшем теоретически необходимого (обычно α = 0,8-0,95), а остальное, необходимое по балансу количество воздуха вводится в топочную камеру далее по длине факела. Таким образом, на первом этапе горения осуществляется сжигание топлива при недостатке окислителя, а на втором – дожигание продуктов газификации при пониженных температурах. Благодаря этому в начале факела из-за пониженной концентрации кислорода уменьшается образование топливных окислов азота, а снижение температурного уровня на второй стадии уменьшает образование термических NO_x.

Основная  трудность реализации двухступенчатого сжигания состоит в правильном определении места подвода воздуха второй ступени и его количества, которые для разных конструкций котельных агрегатов не являются тождественными.

При правильной организации двухступенчатое  сжигание топлива позволяет на 20-35% снизить выбросы NO_x и на 10-15% уменьшить образование бензапирена.

3.3 Очистка продуктов  сгорания от вредных примесей

3.3.1 Сероочистка дымовых газов

Образующиеся  в процессе сжигания сернистых топлив дымовые газы содержат окислы серы с относительно небольшой концентрацией (0,1-0,3%), но выброс дымовых газов на ТЭС достигает нескольких миллионов  кубометров в год. Очистка таких  больших объемов газов при  довольно низкой концентрации в них  окислов серы не только является технически сложной задачей, но и связана с дополнительными затратами. В числе основных достоинств сероочистки газов следует отметить ее высокую эффективность (удаляется 90-95% серы) и возможность применения практически вне зависимости от вида топлива. К недостаткам сероочистки следует отнести сравнительно большие капиталовложения и практически невозможность определить на сегодняшний день для большинства методов их эксплуатационную надежность, велики также эксплуатационные расходы.

Организация сероочистки дымовых газов по любому из известных способов увеличивает  себестоимость вырабатываемой на ТЭС  энергии на 15-20%, а стоимость 1 кВт  установленной мощности возрастает на 30-45%.

На  рисунке 1 приведена принципиальная схема магнезитового метода очистки  дымовых газов от окислов серы, работающего на угле.

1 - скруббер; 2 - напорный бак; 3 – циркуляционный сборник; 4 - нейтрализатор; 5 - гидроциклоны; 6 - ленточный вакуум-фильтр; 7 - фильтр-пресс; 8 - сборник осветленного раствора; 9 - обжиговая печь

Рисунок 1 – Магнезитовый метод очистки дымовых газов от SO₂

При всех мокрых способах очистки дымовых  газов от окислов серы температуры уходящих газов понижаются с 130-170 до 30-50 °С. При столь низкой температуре удаляемых газов резко ухудшается рассеивание остаточных  вредностей в атмосфере, так как дымовые газы слабо поднимаются над устьем дымовой трубы.

Наибольшие  трудности возникают из-за необходимости остановки сероулавливающей установки для очистки аппаратуры от кристаллических отложений CaSO₃ и брызгоуловителей от отложений, содержащихся в каплях взвешенных веществ.

Магнезитовый  метод

При данном методе связывание двуокиси серы (рисунок 1, в) происходит при взаимодействии ее с магнезитом по реакции MgO + SO₂  → MgSО₃.

Окись магния возвращается в процесс, а  концентрированный SO₂ может быть переработан в серную кислоту или элементарную серу. Степень очистки газов от SO₂ составляет 90-92%.

Достоинством  магнезитового способа является возможность достижения высокой степени очистки газов без предварительного их охлаждения. Основным недостатком магнезитового способа является наличие многочисленных операций с твердыми веществами (кристаллами сульфита, окиси магния, золы), что связано с абразивным износом аппаратуры и пылением. Для сушки кристаллов и удаления гидратной влаги требуется значительное количество тепла.

При сухих методах сероочистки в  качестве адсорбента применяются окиси алюминия, марганца, железа, калия, активированный уголь, полукокс.

Выбор типа сероулавливающей установки должен производиться на основании технико-экономического расчета. Выбор варианта сероочистки  для той или иной ТЭС зависит  от большого количества параметров: концентрации SO₂ в дымовых газах, мощности ТЭС, характера нагрузки и других факторов.

Расчетные затраты у магнезитового способа оказываются несколько меньшими, что свидетельствует о большей его экономической эффективности для данных конкретных условий по сравнению с аммиачно-цикличным методом /5/.

Заключение

В данной расчетной работе в соответствии с заданием приведен механизм образования окислов серы SO₂ при сжигании топлива в котлоагрегатах.

Из  расчета массовых выбросов вредных веществ пяти одинаковых котлов, теплотехнические характеристики которых представлены в приложении А, получены следующие результаты:

- масса  выбросов серы составляет = 4,9 г/с;

- массовый  выброс окислов азота  г/с;

- количество  золы, уносимое из топок котлоагрегатов, в единицу времени M_зол = 2927 г/с.

Данные  результаты получены при применении аммиачно-циклического способа улавливания окислов серы SO₂ и двухстадийного сжигания, необходимого для снижения образования окислов азота NO_x.

Использование мер, направленных на снижение выбросов вредных веществ, обусловлено высокой фоновой концентрацией окислов азота и твердых частиц, превышающей ПДК, и минимизацией влияния выбросов станции на окружающую среду. Кроме того, применение данных мер необходимо для снижения высоты дымовых труб, что приводит снижению их стоимости. Для снижения фоновой концентрации окислов азота и фоновой концентрации золы необходимо предприятиям в данной зоне применить системы очистки и мероприятия по уменьшению вредных выбросов, а также внедрить современные технологические методы производства продукции. Без данных мероприятий строительство станции недопустимо.

Расчеты показали, что для данной станции  необходимо установить две дымовой  трубы высотой H_тр = 250 м с диаметром устья D₀ = 6 м.

В качестве золоуловителя выбран электрофильтр  УГ2-3-37. Коэффициент улавливания золы равен Осадительная площадь данного золоуловителя составляет S′ = 3370 м². Активная высота электродов равна 7,46 м, количество полей равно четырем. Габариты электрофильтра по длине, высоте и ширине составляют соответственно 14,1; 15,4 и 9 метров. Электрофильтр выбран как наиболее эффективный тип золоулавливающего оборудования для достижения максимального коэффициента улавливания в связи с высоким уровнем фоновой концентрации золы.

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

В данной работе представлены различные рекомендации по ограничению выбросов в атмосферу с дымовыми газами вредных веществ.

 

Список литературы

1. Дураченко Л.И., Пронь Г.П. Потребители и источники систем теплоснабжения: Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Энергетические установки» для студентов специальности 10.04 дневного отделения/ Алт. политехн. ин-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Б.И., 1990. – 36 с.
2. РД 34.02.304 – 88 Методические указания по расчету выбросов окислов азота с дымовыми газами котлов.
3. Смолин В.С. Котел паровой Е-390-13,8-565КТ: Пояснительная записка к курсовому 
   проекту по дисциплине основы конструирования паровых и водогрейных котлов. – Барнаул: АлтГТУ, 2004. – 74 с.
4. Токсичные продукты сгорания ТЭС и ограничение их выброса в атмосферу/ Под ред. М.А. Изюмова. – М.: МЭИ, 1986. – 56 с.
5. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций: Учебник для вузов/ Л. А. Рихтер, Э. П. Волков, В. Н. Покровский; Под ред. П.С. Непорожнего. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с., ил.
6. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области: /Доклад/ Администрация Кемеровской области. – Кемерово, 2011. – 74 с.

 

Приложение А 
Задание

Студенту                               

Группы                                

Задание по расчету вредных выбросов из парового котла 
по дисциплине Методы защиты окружающей среды

Исходные  данные

1 Характеристика топлива:

Таблица А.1 – Основные свойства топлива

Характеристика топлива			Значение
Бассейн, месторождение
Марка
Класс или продукт обогащения
Состав  рабочей массы топлива, %	Влажность
	Зольность	Ar
	Сера пиритная
	Сера органическая
	Углерод	Cr
	Водород	Hr
	Азот	Nr
	Кислород	Or
Низшая теплота сгорания		, МДж/кг
Зольность на сухую массу		Ad, %
Влага гигроскопическая		Wги, %
Приведенные значения, %·кг/МДж	Влажность
	Зольность
	Сера пиритная и   органическая
Выход летучих веществ		Vdaf, %
Коэффициент размолоспособности по ВТИ		GrVTi
Температура  плавкости  золы, °С	Начала деформации	tA
	Плавления	tB
	Жидкоплавкого состояния	tC
Элементный состав золы на бессульфатную массу, %	Кислые компоненты	SiO2
		Al2O3
		TiO2
	Основные компоненты	Fe2O3
		CaO
		MgO
		K2O
		Na2O

2 Теплотехнические  характеристики котла:

- тип  котла –

- компоновка  котла – 

- паропроизводительность Д_пе =

- давление  перегретого пара p_пе =

- температура  перегретого пара t_пе =

- температура  питательной воды t_п.в =

- способ  шлакоудаления –

- коэффициент  полезного действия η_к =

- расчетный  расход топлива B_р =

- горелочные  устройства –

- температура газов в конце зоны активного горения составляет =

- температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры =

- температура  уходящих газов J_ух =

- объем дымовых газов у дымососа V =

3 Количество  котлов: z_к =

4 Фоновая  концентрация вредных выбросов:

- окислов  серы 

- окислов  азота 

- окислов  углерода 

- твердых  частиц 

5 Содержание  пояснительной записки:

- Введение

- Механизм образования                                      ;

- Расчет  выбросов вредных веществ и высоты дымовой трубы, выбор золоуловителя;

- Рекомендации  по уменьшению вредных выбросов  в атмосферу;

- Литература;

- Приложение.

 

Исполнитель ______________

 

Руководитель ______________

Лист

Изм. Лист    № Докум.      Подп.    Дата

РР 140502.15.000