Основы современной малой энергетики

Методы расчета токсичных выбросов в атмосферу с уходящими газами ТЭО

При расчетном или опытном определении состава продуктов сгорания находятся значения концентраций их отдельных компонентов. Принципиально концентрации веществ разделяются на объемные Сv и массовые Сm.

Объемные концентрации Сv представляют собой отношение объема, занимаемого данным веществом, к объему всей газовой пробы. Поэтому с помощью объемных концентраций описывается содержание только газообразных продуктов сгорания, например, NOx, SOx, COx и др. Объемные концентрации Сv могут измеряться в % об или ррт. Единица измерения 1 ррт (part per million) представляет собой одну миллионную часть объема:

Важным преимуществом измерения содержания газовых компонентов в объемных концентрациях является то, что объемные концентрации не зависят от давления и температуры среды и, следовательно, расчетные или опытные результаты газового анализа, выраженные в % об или ррт, не требуют приведения к каким-либо заданным условиям по температуре и давлению.

Массовые концентрации Сm характеризуют количество (массу) данного вещества в одном кубическом метре продуктов сгорания. С их помощью оценивается содержание в продуктах сгорания как твердых (например, зола, бенз(а)пирен, пентаоксид ванадия), так и газообразных компонентов. Для выражения массовых концентраций используются единицы г/м3 или мг/м3 (реже мкг/м3).

Очевидно, что в отличие от объемной, массовая концентрация зависит от давления и температуры среды. Поэтому, массовую концентрацию приводят в пересчете на нормальные условия (0 оС, ро = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа), для чего используется следующее выражение:

,

где – массовая концентрация, полученная опытным путем при температуре и давлении рг газовой пробы.

С учетом температуры и давления рг газовой пробы перед газоанализатором (последнее приравнивается к фактическому атмосферному давлению) связь между объемными (ррт) и массовыми (г/м3) концентрациями устанавливается следующим соотношением:

,

где ki – коэффициент пересчета, равный

,

где – молекулярная масса i-го вещества, г; – его молярный объем, л (в качестве первого приближения за может быть принят объем идеального газа равный 22,4 л).

Значения коэффициента пересчета ki для некоторых реальных газообразных веществ и нормальных условий приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения коэффициента пересчета для реальных газов

при нормальных условиях (0 оС; 101,3 кПа)

В соответствии с нормативами и для корректного сопоставления опытных данных полученные при измерениях массовые или объемные концентрации необходимо пересчитывать на стандартные условия, в качестве которых приняты следующие: αух = 1,4, 0°С и 101,3 кПа (760 мм pт ст.). В зависимости от применяемых методов измерения и расчетных методик определение содержания газовых компонентов производится в мокрых или сухих продуктах сгорания. При этом под сухими продуктами сгорания (сухие газы) подразумеваются дымовые газы, в которых произошла конденсация образовавшихся в процессе горения топлива водяных паров из-за их остывания до температур ниже температуры насыщения. Поэтому для пересчета расчетных и опытных концентраций на стандартные условия используются разные формулы:

– при пересчете концентраций (С), полученных для сухих газов, на стандартные условия (Сст. у) для сухих газов:

;

;

– при пересчете концентраций, полученных для мокрых газов, на стандартные условия для сухих газов:

– при пересчете концентраций, полученных для мокрых газов, на стандартные условия для мокрых газов:

;

,

где α – расчетный или опытный коэффициент избытка воздуха в сечении отбора газовой пробы; – теоретические объемы соответственно воздуха и мокрых газов, – теоретический объем сухих газов (определение производится по химическому составу сжигаемого топлива или табличным данным по нормативному методу [4]).

Кроме концентраций вредных веществ, в качестве экологических характеристик котлов, часто используют удельные или валовые (массовые) выбросы.

Массовый выброс Мi (г/с) – это количество i- го вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу с уходящими газами в единицу времени (за 1 секунду). Массовый выброс вредного вещества за определенный период времени (месяц, квартал, год) называется валовым выбросом (например, т/год).

Удельный массовый выброс mi, (г/кг или г/м3) представляет собой количество i- го вредного вещества в граммах, образовавшегося при сжигании 1 кг (или м3) топлива. Часто этот показатель пересчитывают на единицу массы условного топлива (г/кг у. т. или кг/т у. т.):

или ,

где – теплота сгорания условного топлива, равная 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг); – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м3).

Под удельными выбросами (по теплу) Кi (г/МДж) понимается количество i-го вредного вещества в граммах, отнесенного к 1 МДж освобожденной в топке котла химической энергии топлива:

,

где – располагаемый расход топлива (кг/с).

Для пересчета указанных параметров используются следующие соотношения:

;

; ; ; ,

где Сi – массовая концентрация i-го вещества при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт. ст.), г/м3, Vr – объем дымовых газов м3/кг (м3/м3), определяемый следующим образом:

– если концентрация Сi определена в мокрых газах, то

– если концентрация Сi определена в сухих продуктах сгорания, то

,

где α – коэффициент избытка воздуха для условий, при которых производилось определение концентрации Сi.

Удельные выбросы вредных веществ являются основными параметрами, которые должны контролироваться с целью проверки соблюдения утвержденных нормативов выбросов и оценки результатов внедрения природоохранных мероприятий.

ТЭО являются одними из крупнейших источников загрязнения атмосферы. С дымовыми газами котлов, сжигающих органическое топливо, выбрасывается большое количество вредных продуктов сгорания. Обладая высокой токсичностью, они наносят значительный вред окружающей среде и здоровью людей.

Современные условия работы ТЭО отличаются ужесточением требований к предельно допустимым выбросам загрязняющих веществ и введением платы за их выбросы в атмосферу. Плата за выбросы определяется по результатам инструментального контроля концентраций вредных веществ в уходящих газах котлов, либо расчетным путем. Для расчета используются отраслевые методики определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок.

Разработка нового энергетического оборудования в настоящее время производится с учетом современных экологических нормативов. Поэтому уже на стадии проектирования новых котлов необходимо оценить возможные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и разработать мероприятия, направленные на снижение их уровня до нормативных значений

Недостаточное внедрение на ТЭО средств инструментального контроля вредных продуктов сгорания в дымовых газах, а также необходимость оценки выбросов токсичных веществ на стадиях проектирования и реконструкции котлов являются причинами широкого использования различных расчетных методик. Последние используют балансовые, эмпирические или физические модели, базирующиеся на известных проектировщикам и эксплуатационному персоналу традиционных теплотехнических характеристиках.