Основы современной малой энергетики

Расчет выбросов монооксида углерода СО

Концентрацию монооксида углерода в дымовых газах расчетным путем определить невозможно. Это объясняется существенной зависимостью процессов образования и окисления СО от способа сжигания топлива, режимных условий и даже отдельных конструктивных факторов. Поэтому расчет валовых выбросов СО следует выполнять по данным инструментальных замеров. В этом случае массовый выброс монооксида углерода Мсо (г/с) находится по формуле:

,

где Qсо – концентрация СО в дымовых газах (г/м3), определенная с помощью газоанализаторов; Qг – расход дымовых газов (м3/с) в сечении газохода, в котором производилось инструментальное определение содержания СО.

В качестве первого приближения массовый выброс монооксида углерода Мсо (г/с) может быть оценен с помощью следующего выражения:

,

где Qсо – удельный массовый выход монооксида углерода при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива при эксплуатационных режимах работы котла, г/кг или кг/г (г/м3); В – расход натурального топлива за рассматриваемый период, кг/с (м3/с); q4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, %.

В свою очередь удельный выход монооксида углерода Qсо, г/кг или кг/т (г/м3 или кг/103 м ) определяется как:

,

где q3 – потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива, %; R – коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленной содержанием СО в продуктах сгорания:

– для твердых топлив R=1;

– для газа R=0,5;

– для мазута R=0,65;

– низшая теплота сгорания натурального топлива МДж/кг (МДж/м3).

Значения q3 и q4 принимаются по эксплуатационным данным или нормативному методу. При сжигании газа и мазута с предельно малыми избытками воздуха (d=1,01–1,05) согласно данных следует принимать q3= 0,15 %; при α>1,05 следует принимать q3=0. При сжигании мазута рекомендуется принимать q4=0,02 %.

Для расчета валового выброса монооксида углерода МСО (т) за какой-либо определенный период времени (месяц, год) удобнее использовать следующее выражение:

,

где В – расход натурального топлива за рассматриваемый период времени, т (тыс. м3).

Бенз(а)пирен С20Н12

Бенз(а)пирен Б(а)П является одним из самых токсичных продуктов сгорания, принадлежащих к группе полициклических ароматических углеводородов или ПАУ Б(а)П, представляет собой твердое кристаллическое вещество желтого цвета с температурами плавления 179 °С и кипения 500–570 °С. Поэтому в газовом тракте котлов бенз(а)пирен в зависимости от температуры продуктов сгорания может находиться в газообразном, жидком (аэрозоли) или твердом состояниях. Вместе с твердыми частицами возможно его частичное удаление из дымовых газов в системах золоулавливания.

Определение содержания Б(а)П в дымовых газах, также как и СО, проводится только путем инструментальных замеров. Однако непосредственное измерение содержания бенз(а)пирена С20Н12 в уходящих газах котлов сопряжено с большими трудностями и в настоящее время производится только в некоторых специализированных организациях. Поэтому были предложены выражения для приблизительного расчетного определения содержания Б(а)П в уходящих газах котлов, полученные путем анализа и обобщения большого числа экспериментальных данных.

Для номинальной нагрузки энергетических котлов, сжигающих мазут, в диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха за пароперегревателем αпп=1,0–1,1, содержание бенз(а)пирена СмБП (мкг/м3) в сухих уходящих газах при коэффициенте избытка воздуха в них dзн=1,3 – удовлетворительно описывается следующей эмпирической зависимостью

,

где qv – тепловая нагрузка объема топочной камеры (кВт/м2), определяемая как:

,

где – расчетный расход топлива, кг/с; – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; VТ – объем топочной камеры, м3; Кд, Кσ, KR, Квл – коэффициенты, учитывающие влияние соответственно нагрузки котла, ступенчатого сжигания топлива, ввода газов рециркуляции и влаги.

С уменьшением нагрузки концентрации Б(а)П в продуктах сгорания возрастает, что объясняется главным образом снижением температурного уровня в топочной камере и, как следствие этого, увеличением протяженности зоны выгорания топлива:

,

где D, Dном – соответственно фактическая и номинальная нагрузка котла.

Качественно аналогичным образом на концентрацию Б(а)П воздействует и ступенчатое сжигание «по вертикали», когда часть вторичного воздуха подается в хвостовую область факела (выше основных горелок):

.

Наоборот, если ступенчатое сжигание организуется «по горизонтали», путем подачи вторичного воздуха в область факела, предшествующую зоне максимального тепловыделения, процесс выгорания топлива интенсифицируется, что способствует разрушению бенз(а)пирена. В этом случае

.

В этих выражениях σ – доля вторичного воздуха, подаваемого в топку через дополнительные шлицы, сопла или отключенные по топливу горелки (σ = 0–0,3).

Ввод газов рециркуляции увеличивает концентрацию Б(а)П в дымовых газах при реализации любого способа подачи рециркулирующих газов в топочную камеру. Это следствие снижения максимального температурного уровня при вводе более холодных продуктов сгорания. Конкретная величина увеличения выхода Б(а)П зависит от места ввода газов рециркуляции в топочную камеру:

при подаче газов рециркуляции в воздушный короб или вокруг амбразур горелок:

– при подаче в шлицы под горелками:

– при вводе в подгонки:

,

где R – доля газов рециркуляции (R = 0–0,3).

Ввод небольших количеств влаги вне зависимости от способа подачи ее в топочную камеру (в виде воды или пара) снижает содержание Б(а)П в уходящих газах благодаря увеличению скорости выгорания топлива. Значения коэффициента Квл в зависимости от количества вводимой влаги gвл (в долях от массы сжигаемого топлива) приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Величины коэффициента Квл

Анализ результатов экспериментов, проведенных на котлах при сжигании природного газа, показал, что в этом случае сохраняется общий вид эмпирических зависимостей основных факторов, влияющих на выход Б(а)П при сжигании мазута. Однако концентрация Б(а)П в дымовых газах при аналогичных условиях значительно ниже.

Расчет содержания бенз(а)пирена в сухих уходящих газах для котлов, сжигающих газообразное топливо при α"пп = 1,0–1,1, можно производить по формуле

,

где – содержание Б(а)П в сухих уходящих газах по формуле (17).

Анализ экспериментальных данных по содержанию бенз(а)пирена в уходящих газах энергетических котлов, сжигающих твердое топливо, показал, что выход Б(а)П в большой степени зависит от теплоты сгорания топлива. Для расчета концентрации бенз(а)пирена (мкг/м3) в сухих уходящих газах пылеугольных котлов после золоуловителей при αух =1,5 можно использовать следующее выражение:

,

где – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг, – степень улавливания бенз(а)пирена в золоуловителях, %, которая в зависимости or ЗУ составляет:

– электрофильтры и комбинированные ЗУ – 60–80 %;

– мокрые золоуловители – 60–70 %.