Теоретическая часть

При сжигании топлива в паровых котлах в атмосферу выбрасываются большое количество вредных веществ: диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, твердые частицы  5 . В состав последних входит зола, коксовый остаток, бенз(а)пирен. Бенз(а)пирен относится к классу полициклических ароматических углеводородов, которые имеют высокую температуру кипения и с трудом поддаются разрушению.

Полициклические углеводороды не производятся промышленностью, а образуются в процессе горения. Благодаря чрезвычайной устойчивости при их систематическом образовании существует опасность накопления в природных объектах.

Суммарное массовое количество М_j загрязняющего вещества j, поступающего в атмосферу с дымовыми газами (г / с, т / год), определяется по уравнению

М_{j =}С_jV_сгB_pk_п, (1.56 )

где С_j – массовая концентрация загрязняющего вещества j, в сухих дымовых газах при стандартном коэффициенте избытка воздуха α₀ =1,4 и нормальных условиях, мг / нм³;

V_сг- объем сухих дымовых газов, образующихся пр полном сгорании 1 кг (1 нм³) топлива, при α₀ =1,4, нм³ / кг топлива (нм³/ нм³ топлива);

B_p – расчетный расход топлива; при определении выбросов в граммах в секунду B_p берется в т / ч (тыс. нм³ / ч); при определении выбросов в тоннах в год берется в т / год (тыс. нм³ / год);

k_п – коэффициент пересчета;

при определении выбросов в граммах в секунду k_п =0,278 ^.10^-3 при определении выбросов в тоннах в год k_п = 10^-6.

Расчетный расход топлива B_p, т / ч (тыс. нм³ / ч) или т / год (тыс. нм³ / год), определяется по соотношению

B_p= (1- q₄/100)^.В, (1.57)

где В - полный расход топлива на котел, т / ч (тыс. нм³/ч) или т/год (тыс. нм³ / год);

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, % (q₄ = 10 %).

Значение В определяется по показаниям приборов или обратному тепловому балансу (при проведении испытаний котла). Расчет объема сухих дымовых газов V_сг проводится по нормативному методу по химическому составу сжигаемого топлива  6 . Состав некоторых топлив приведен в Прилож. 2. При этом объем сухих дымовых газов при нормальных условиях определяется по уравнению

V_сг = V_г⁰+ (α – 1) V⁰- V⁰_вод, (1.58)

где V_сг ,V_г⁰ ,V⁰ ,V⁰_вод – соответственно объемы воздуха, дымовых газов и водяных паров при стехиометрическом сжигании одного килограмма (1 нм³) топлива, нм³ / кг (нм³ / нм³).

Для твердого и жидкого топлива расчет выполняют по химическому составу сжигаемого топлива по формулам:

V⁰ = 0, 0889(С^r + 0,375S^r_ор+к) = 0,265 H^r – 00333O^r , (1.59)

V⁰_вод = 0,111 H^r + 0,011124W^r +0,0161 V⁰, (1.60)

где W^r влажностьрабочей массы топлива, % мас.

V_г⁰ = 1,866^. (С^г + 375S^r_ор+к)/100 + 0,79 V⁰ +

+ 0,8 N^г/100 + V⁰_вод, (1.61)

где С^г ,S^r_ор+к , H^r , N^г , О^{г –} соответственно содержание углерода, серы (органической и колчеданной), водорода, азота и кислорода в рабочей массе топлива, % мас.

Для газообразного топлива расчет выполняется по формулам

V⁰ =0,0476 (0,5 CO + 0,5Н₂ +1,5(m +n4) CmHn - O₂), (1.62)

V⁰_вод = 001 (Н₂ + Н₂S + 0,5 nCmHn + 0,124 d_г.тп.) =

= 0,0161 V⁰ , (1.63)

V_г⁰ = 0,01 (CO₂ + CO + Н₂S + 0,5 mCmHn) + 0,79 V⁰ +

+ N₂/100 + V⁰_вод, (1.64)

где CO, CO_2,, Н₂ , Н₂S , CmHn, N₂ , O₂ - соответственно содержание оксида углерода, диоксида углерода, содорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в исходном топливе, % мас.

m и n – число атомов углерода и водорода соответственно;

d_г.тп. – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 нм³ сухого газа, г / нм^3.

Суммарное массовое количество оксидов азота _NОх в пересчете на NО₂ (г/с, т/год), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании природного газа определяются по формуле

М_NОx =В_рQК_NО2 β_к β_t β_α (1- β_г)(1- β_δ)k_n, (1.65)

где В_р – расчетный расход топлива, нм³ / с (тыс. нм³ / год);

Q – низшая теплота сгорания топлива, МДж / нм³, К_NО2 - удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, г / МДж.

Для паровых котлов К_NО2 = 0,01D + 0,03,

где D – фактическая производительность котла, т / ч.

Для водогрейных котлов К_NО2 = 0,0113В_рQ+ 0,03 ,

где β_к - безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки( для дутьевых горелок напорного типа; β_к =1,0_, для инжекционного типа β_к =1,6, для горелок двухступенчатого сжигания β_к =0,7;

β_t – безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения β_t =1+0,002(t_гв –30), где t_гв – температура горячего воздуха;

β_α – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота, в общем случае значение β_α = 1,225 (при сжигании природного газа); β_г- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота, β_г= 0,16√r, где r- степень рециркуляции дымовых газов,%;

β_δ- безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру, β_δ =0,022;

k_n- коэффициент пересчета, при определении выбросов в г / с

k_n =1; при определении выбросов в т / год k_n= 10^-3.

Суммарное количество оксидов азота _NОх в пересчете на NО₂ (г/с, т/год), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании мазута определяются по формуле

М_NОx =В_рQК_NО2 β_t β_α (1- β_г)(1- β_δ)k_n, , (1.66)

где обозначения приняты те же, что и в формуле (1.65);

для паровых котлов К ^м_NО2 = 0,01D + 0,01;

для водогрейных котлов К^м_NО2 = 0,0113В_рQ+ 0,01;

β_г= 0,17√r;

β_α =1,113 (при сжигании мазута);

β_δ =0,018.

Суммарное массовое количество оксидов серы М_so2 выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами (г / с, т / год) при сжигании мазута определяются по формуле

М_so2 =0,02 ВS^r(1-η _so2)(1- η^′ _so2),

где В - расход натурального топлива за рассматриваемый период, г / с (т / год);

S^r- содержание серы в топливе на рабочую массу, % мас.;

η _so2 – доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле;

η^′ _so2 - доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоулавителе попутно с улавливанием твердых частиц. Ориентировочное значение η^′ _so2 при сжигании мазута – 0,02.

Оценка суммарного массового количества выбросов оксида углерода в атмосферу с дымовыми газами (г / с, т / год) при сжигании мазута может бытиь выполнена по соотношению:

М_со = 10^-3В С_со(1-q₄/100),

где С_со – выход оксида углерода при сжигании топлива, г / кг (г / нм³) определяется по формуле

С_{со =} q₃ RQ ,

где q₃ - потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, %. q₃ =0,2;

R – коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, принимается для мазута –0,65, для газа- 0,5.

Концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах промтеплоэнергетических котлов малой мощности при использовании мазута в качестве топлива рассчитывается по формулам:

для α^,,_Т = 1,08 – 1,25

C^м_бп=10^-3 R(0,34 + 0,42 • 10^-3 q_v )/ exp(3,8 (α^,,_Т –1)К_ДК_РК_{СТ ;}; (1.67)

для α^,,_Т > 1,25

C^м_бп=10^-3 R(0,172 + 0,23•10^-3 q_v )/ exp(1,14 (α^,,_Т –1))К_ДК_РК_СТ (1.68)

Концентрация бенз(а)пирена, мг / нм³, в дымовых газах промтеплоэнергетических котлов малой мощности при использовании природного газа в качестве топлива рассчитывается по формулам:

для α^,,_Т = 1,08 – 1,25

С^г_бп= 10^{-3 .} 0,059+0,079 ^.10^-3q_v / exp(3,8 (α^,,_Т –1) К_Д К_р К_ст ; (1.69)

для α^,,_Т > 1,25

С^г_бп= 10^{-3 .} 0,032+0,043 ^.10^-3q_v /exp(1,14 (α^,,_Т –1)) К_Д К_р К_ст . (1.70)

Концентрация бенз(а)пирена , мг/нм³, в сухих продуктах сгорания мазута на выходе из топочной камеры водогрейных котлов определяется по формулам:

для α^,,_Т = 1,05 – 1,25 и q_V = 250 –500 кВт/м³

C^м_бп = 10^-6 R(0,445 q_v –28,0 )/ exp(3,5 (α^,,_Т –1) К_Д К_Р К_СТК₀;(1.71)

для α^,,_Т > 1,25 и q_V = 250 –500 кВт/м³

C^м_бп=10^-6 R(0,52 q_v–32,5)/ 1,16 exp(3,5 (α^,,_Т –1)К_ДК_РК_СТ К₀ ; (1.72)

Концентрация бенз(а)пирена, мг / нм³, в сухих продуктах сгорания природного газа выходе из топочной камеры водогрейных котлов определяется по формулам:

для α^,,_Т = 1,05 – 1,25 и q_V = 250 –500 кВт/м³

С^г_бп= 10^{-6 .}0,11 q_V – 7,0 / exp(3,5 (α^,,_Т –1) К_Д К_Р К_СТ ; (1.73)

для α^,,_Т > 1,25 и q_V = 250 –500 кВт / м³

С^г_бп= 10^{-6 .} 0,13 q_V – 5,0 / 1,3 exp(3,5 (α^,,_Т –1) К_Д К_Р К_СТ ; (1.74)

В формулах (1.67)-(1.74) приняты следующие обозначения:

α^,,_Т – коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания на выходе из топки;

q_V – теплонапряжение топочного объема кВт / м³;

К_Д- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки котла на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания;

К_Р- коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания;

К_СТ - коэффициент, учитывающий влияние ступенчатого сжигания на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания.

R – коэффициет, учитывающий способ распыливания мазута для паромеханических форсунок R =0,75, в остальных случаях R = 1.

Для расчета максимальных и валовых выбросов по формуле (1.56) концентрации бенз(а)пирена, рассчитанные по формулам (1.66)-(1.74) приводятся к избыткам воздуха α = 1,4 по формуле

С_j = С_j^изм α / α₀ (1.75)

Расчетная часть

Цель работы: Определить количество загрязняющих веществ в сухих продуктах сгорания на выходе из топочной камеры.

Задание:

- рассчитать, основываясь на составе используемого топлива, количество диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота в дымовых газах на выходе из топки котла;

- построить графические зависимости коэффициентов, учитывающих влияние различных факторов на содержание бенз(а)пирена в продуктах сгорания;

- определить по графикам значение коэффициентов К_д; К_р;К_ст;

- рассчитать количество бенз(а)пирена в сухих продуктах сгорания на выходе из топочной камеры в зависимости от параметров работы котла, приведенных в индивидуальном задании;

- построить графическую зависимость содержания бенз(а)пирена в сухих продуктах сгорания от варьируемого параметра.

Методика расчета

1. По опытным данным строят графики, иллюстрирующие влияние различных факторов (относительной нагрузки, степени рециркуляции воздуха, доли воздуха, подаваемого помимо горелок) на величину эмпирических коэффициентов К_д, К_р, К_ст. При этом по оси абсцисс откладывается значение фактора, а по оси ординат - значение соответствующего коэффициента.

Исходные данные для построения первого графика:

К_д 2,2 1,8 1,7 1,30 1,0

относительная

нагрузка котла 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Исходные данные для построения второго графика:

К_р 1,0 1,4 1,5 1,7

степень

рециркуляции 0 0,1 0,2 0,3

Исходные данные для построения третьего графика:

К_ст 1,0 1,75 2,55 3,25

доля воздуха,

подаваемого

помимо горелок 0 0,1 0,2 0,3

2. По полученным графикам находят значения коэффициентов К_д, К_р, К_ст в соответствии с условиями индивидуального задания.

3. В зависимости от типа котла и вида используемого топлива выбрать в теоретической части необходимые формулы для расчета и определяют по ним содержание бенз(а)пирена в сухих продуктах сгорания на выходе из топочной камеры.

4. Строят график зависимости изменения содержания бенз(а)пирена в сухих продуктах сгорания от значения одного из параметров работы котла.

Контрольные вопросы

1. Какие загрязняющие вещества образуются при сжигании топлива в водогрейных и промтеплоэнегетических котлах?

2. Чем определяется различие в качественном и количественном составе выбросов?

3. Как рассчитывается суммарное содержание загрязняющих веществ на выходе из топки?

4. По какому соотношению можно найти объем сухих дымовых газов на выходе из топки котла?

5. Для чего проводятся расчеты количества количество диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота в дымовых газах на выходе из топки котла?

Порядок оформления отчета

Отчет должен содержать:

• титульный лист установленной формы;

• цель РГР и задания;

• расчеты и графики в соответствии с заданием;

• выводы о влиянии одного из параметров работы котла на содержание бенз(а)пирена в сухих топочных газах на выходе из топочной камеры.

Таблица 1.9

Варианты индивидуальных заданий

Параметры котла	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Тип и марка котла	Промтеплоэнергетический ДЕ-10-14 ГМ			Промтеплоэнергетический ДЕ-25-14 ГМ				Водогрейный КВ-ГМ-20
Нагрузка от Дн	0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1	0,8	0,7	0,5; 0,7; 0,8; 0,9; 1	1	0,9	1	0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1	0,7
Теплонапряжение qv, КВт/м^3	440	438	430	637	630	635	635	432	422
Коэффициент избытка воздуха, α^//т	1,15	1,10; 1,14; 1,18; 1,22	1,2	1,1	1,10; 1,12; 1,14; 1,16	1,1	1,12	1,2	1,10; 1,13; 1,15; 1,18
Окончание табл. 1.9
Доля воздуха, подаваемого помимо горелок	Нет			0,1	0,12	0,16	0,10 0,12 0,14 0,16 0,18	нет
Тип форсунок	Паромеханиеческие (R=0,75)			Нет				Паромеханиеческие (R=0,75)
Вид топлива	Мазут			Природный газ				Мазут