Добавил:
ajieiiika26@gmail.com Делаю контрольные работы, курсовые, дипломные работы. Писать на e-mail. Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
69
Добавлен:
18.01.2018
Размер:
307.62 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Кафедра тепловых электрических станций

СБОРНИК ЗАДАЧ по курсу «Природоохранные технологии

тепловых электрических станций»

Методические указания для решения задач по курсу «Природоохранные технологии ТЭС» для студентов специальности 140104.65 очной и заочной форм обучения

Иваново 2009

Составители: А.В. Мошкарин А.А. Коротков Е.Б. Юрчевский

Редактор С.И. Шувалов

Методические указания (МУ) предназначены для получения студентами навыков расчета выбросов вредных веществ с дымовыми газами ТЭС и их концентраций в атмосфере.

Впервой части МУ даются расчетные зависимости для определения вредных выбросов ТЭС в атмосферу.

Во второй части изложена методика расчета концентрация вредных веществ в атмосфере.

Третья часть содержит задачи для самостоятельного решения.

Вчетвертой части приводятся примеры решения типовых задач. Последняя часть предназначена студентам, обучающимся заочно.

Для них составлены варианты заданий к контрольной работе.

МУ рекомендуются к использованию при дипломном проектировании студентам специальности 140104.65.

Утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ.

Рецензент кафедра тепловых электрических станций ГОУВПО «Ивановский го-

сударственный энергетический университет им. В.И. Ленина»

2

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Природоохранные технологии ТЭС», обучающихся по специальности «Тепловые электрические станции». Приводятся теоретическая база, формулы и справочная информация, необходимые для решения задач.

Впроцессе работы студенты смогут закрепить теоретические знания, полученные из курса лекций и применить навыки расчета котельных установок.

Методические указания могут быть использованы студентами во время дипломного проектирования при разработке соответствующего раздела проекта.

Впрактических заданиях подробно рассматривается вопрос загрязнения атмосферы вредными веществами, выбрасываемыми котельными установками ТЭС с дымовыми газами при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлив, – расчет валовых выбросов оксидов азота и серы, твердых частиц, в том числе мазутной золы, и их концентраций в атмосферном воздухе.

Типовые задачи приводятся с подробным решением.

Для студентов, обучающихся по заочной форме, разработаны варианты заданий для самостоятельной работы.

Вприложении содержатся различные справочные данные, которые могут потребоваться при решении задач, и словарь основных терминов

иопределений.

Более подробную информацию по рассматриваемой теме можно найти в литературе, включенной в библиографический список.

3

ρNO2
ρCO
ρSO2

1. РАСЧЕТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЭС В АТМОСФЕРУ

При эксплуатации ТЭС основная масса загрязнителей поступает в атмосферу с дымовыми газами котельных агрегатов, которые представляют собой многокомпонентные газовоздушные смеси (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Процентное содержание некоторых веществ в дымовых газах котельных установок ТЭС

Вещество

 

Содержание в дымовых газах

Кислород

5

÷ 12 %

Углекислый газ

6

÷ 16 %

Оксид углерода

0

÷ 1 %

Водород

0

÷ 1 %

Метан

0

÷ 1 %

Диоксид серы

0,03 ÷ 0,55 %

Серный ангидрид

0

÷ 0,008 %

Оксид и диоксид азота (в сумме)

0,05 ÷ 0,14 %

Содержание твердых частиц

До 8 г/м3 (перед золоуловителем)

В дымовых газах возможно присутствие сероводорода, бензапирена, соединений тяжелых металлов (в частности, ванадия), хлоридов, значительного количества влаги – испаренной или котельной (поступающей в топку с воздухом, вводимым в факел для распыла мазута и подавления оксидов азота; содержащейся в продуктах сгорания угле-

водородов и выносе из мокрых золоуловителей).

Объемные концентрации CV представляют собой отношение объема, занимаемого данным газообразным веществом, к объему всей газовой пробы. Объемные концентрации CV могут измеряться в % объема или ppm (part per million). Единица измерения 1 ppm представ-

ляет собой одну миллионную часть объема:

1 ppm = 10-6 = 10-4 % об = 1 см33.

Для основных газообразных загрязняющих веществ, содержащихся в выбрасываемых в атмосферу дымовых газах котельных установок, значения удельной массы составляют:

= 2, 05 кг/м3, = 1, 25 кг/м3,

= 2,86 кг/м3.

Массовые концентрации Cm характеризуют количество (массу) данного вещества в одном кубическом метре продуктов сгорания. С их

4

помощью оценивается содержание в продуктах сгорания как твердых, так и газообразных компонентов. Массовые концентрации измеряются

вг/м3 или мг/м3.

Вотличие от объемной массовая концентрация зависит от давления и температуры среды, поэтому ее приводят в пересчете на нор-

мальные условия (0 ° С, p = 760 мм рт.ст. = 101,3 кПа).

Мощность выброса M (г/с) – это количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу с уходящими газами в единицу времени:

 

M j = CjVс.г.Bр ,

(1.1)

где Сj

массовая концентрация загрязняющего вещества j в сухих ды-

мовых

газах при стандартном коэффициенте избытка воздуха

α0 = 1,4 и нормальных условиях, мг/м3; Vc.г

объем сухих дымовых

газов, образующихся при полном сгорании

1 кг (1 м3) топлива

при α0 = 1,4, м3/кг топлива (м33 топлива); Вр

расчетный расход топ-

лива, т/ч (тыс. м3/ч), т/год, т/квартал, т/мес. (тыс. м3/год, тыс. м3/квартал, тыс. м3/мес.).

Расчетный расход топлива Вр, определяется по соотношению

 

 

 

 

q4

 

 

Bp

= 1

 

 

B ,

(1.2)

100

 

 

 

 

 

где В – расход топлива на

 

котел, т/ч (тыс. м3/ч)

или т/год

(тыс. м3/год) и т.д.; q4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, %.

Мощность выброса вредного вещества за определенный период времени (месяц, квартал, год) называется валовым выбросом (напри-

мер, т/год).

1.1.Оксиды азота

Вуходящих газах паровых и водогрейных котлов монооксид азота NO составляет 95–99 % общего выброса NOx, в то время как содержание более токсичного диоксида азота NO2 не превышает 1–5 %. После выброса дымовых газов в атмосферу под воздействием природных

факторов большая часть NO конвертирует в NO2. Поэтому расчет массовых концентраций и выбросов оксидов азота NOx ведется в пересче-

те на NO2.

При расчете выбросов для пылеугольных котлов используются следующие зависимости[8].

Удельные выбросы оксидов азота (в пересчете на NO2) KNO2

(г/МДж) складываются из топливных KтплNO2 и воздушных KвздNO2 окси-

дов азота:

5

 

KNO

2

= KNOтпл

+ KвздNO

.

(1.3)

 

 

 

2

 

2

 

Топливные оксиды азота подсчитывают по формуле

 

где ξNO

KNOтпл2 = 0,12ξNOx βαг βα1 βR βϑβсм ,

(1.4)

– безразмерный коэффициент, учитывающий характеристики

 

x

 

 

 

 

 

 

топлива:

= FR0,6 + (1 + Nd ) .

 

 

ξNO

(1.5)

 

 

x

 

 

 

 

 

Здесь FR – топливный коэффициент, равный отношению связанного углерода к выходу летучих на рабочую массу: FR = Cсв/Vr, где Cсв = = 100 – W r – A r – V r; a Nd – содержание азота в сухой массе топлива, %.

Значения других коэффициентов из формулы (2.4) определяются так:

вхр

= (0,35αг + 0,4)

2

 

– учитывает влияние коэффициента избытка

βαг

 

 

воздуха в вихревой горелке;

прм

= (0,53αг + 0,12)

2

– учитывает влияние коэффициента избытка

βαг

 

воздуха в прямоточной горелке;

βα1

= 1,73α1 + 0,48 –

учитывает влияние доли первичного воздуха в

горелке;

 

 

 

βR

= 1 − 0, 016

 

 

 

 

 

R

 

учитывает влияние рециркуляции дымовых

газов в первичный воздух.

Коэффициент, характеризующий влияние максимальной температуры на участке образования топливных оксидов азота βϑ , при реше-

нии задач можно принять равным 0,9.

Коэффициенты, учитывающие влияние смесеобразования в корне факела вихревых и прямоточных горелок ( βвхрсм и βпрмсм ), можно принять равными соответственно 1,0 и 1,7.

Величины αг (коэффициент избытка воздуха в горелках), α1 (доля первичного воздуха по отношению к теоретически необходимому),и R (степень рециркуляции дымовых газов через горелки, %) указываются в исходных данных задачи.

Содержание азота в сухой массе топлива и выход летучих на рабо-

чую массу, %, определяются по формулам

 

Nd =

100Nr

 

,

(1.6)

(

)

 

 

100 − Wr

 

 

 

 

Vr =

100Wr – A r

.

(1.7)

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

При решении задач, приведенных в данных методических указа-

ниях, значением Kвзд

можно пренебречь.

 

 

 

 

 

NO

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Объем, м3/кг, сухих дымовых газов Vсг при нормальных условиях

(н.у.) и a = 1,4 находится по формуле

 

 

 

 

 

 

 

Vсг = Vг0 + (1, 4 -1) Vв0 - VH0

2

O ,

(1.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где V0

теоретический объем газов, м3/кг;

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V0

теоретический объем воздуха, м3/кг;

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

– объем водяных паров, м3/кг.

 

 

 

 

H2 O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концентрация NOx в сухих дымовых газах при н.у. и a = 1,4 CNO2 ,

г/м3,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

NO

Qr

,

 

 

 

 

 

 

CNO2 =

 

2

i

 

 

(1.9)

 

 

 

 

Vсг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Qir – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Характеристики топлива необходимые для расчетов можно найти в справочной литературе. Также они даны в приложении к «Тепловому расчету котлов (нормативный метод)»[1].

Ниже рассмотрена методика определения концентрации оксидов азота при сжигании газа и мазута[8].

Массовая концентрация оксидов азота (в пересчете на NO2) во влажных продуктах сгорания при коэффициенте избытка воздуха в зоне активного горения (ЗАГ) (г/м3) для нормальных условий определяется по формулам:

при сжигании газа

NOг2 = 2, 05 ×10-3 KГ

 

 

 

0,26×

TЗАГ -1700

 

 

 

отр

-1

´

 

26 e

 

100

- 4, 7

eqЗАГ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(1.10)

13 - 79,8(aЗАГ -1, 07)4

+18,1(aЗАГ -1, 07)3 +

 

 

´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tЗАГ

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+59, 4 (aЗАГ -1, 07)

+ 9, 6 (aЗАГ -1, 07)

 

 

 

 

 

 

 

 

при сжигании мазута

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

0,19×

TЗАГ -1650

 

 

q

отр

 

 

м

= 2, 05 ×10

 

 

 

 

 

100

 

-12,3

ЗАГ -1

´

NO2

 

KГ 24,3e

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

´

15,1-131, 7

(aЗАГ -1, 09)4 + 72, 3(aЗАГ -1, 09)3 +

(1.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+73(aЗАГ -1, 09)2 + 2,8(aЗАГ -1, 09) tЗАГ + DNO2тпл},

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

где TЗАГ – среднеинтегральная температура продуктов сгорания в ЗАГ, К; qотрЗАГ – отраженный тепловой поток в ЗАГ, МВт/м2; αЗАГ – коэффи-

циент избытка воздуха в ЗАГ; τЗАГ – время пребывания продуктов сго-

рания в ЗАГ, с; КГ

коэффициент, учитывающий конструкцию горе-

лочного устройства,

определяемый по табл. 1.2; NOтпл

– член, учи-

 

2

 

тывающий количество топливных оксидов азота при превышении содержания азота в составе мазута 0,3 % (г/м3), рассчитываемый как

 

NO2тпл =

650 (Nr − 0, 3)

,

(1.12)

 

 

 

 

Vг

 

где Vг

объем продуктов сгорания в ЗАГ, определяемый по формулам

(1.15) и (1.16).

 

Избыток воздуха в зоне активного горения

 

где Δαт

αЗАГ = αг + 0,5Δαт,

(1.13)

присосы холодного воздуха в топку.

 

Отраженный поток в зоне активного горения, МВт/м2,

 

 

qЗАГотр = qЗАГ (1− ψЗАГ ) ,

(1.14)

где ψЗАГ – средний коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева, ограничивающих ЗАГ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2

 

 

Значения коэффициента КГ в зависимости от конструкции

 

 

 

 

 

 

горелочного устройства

 

 

 

 

 

 

Место ввода газов рециркуляции

 

 

Топливо

 

 

 

 

 

Газ

Мазут

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Унифицированные и оптимизированные

 

 

1,0

1,0

 

 

 

Двухпоточные горелки стадийного сжигания

 

 

0,75

0,8

 

 

 

Многопоточные горелки стадийного сжигания

 

 

0,65

0,7

 

 

 

Многопоточные горелки стадийного сжигания

 

 

0,5

0,6

 

 

 

с подачей части топлива в инертные газы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объем продуктов сгорания Vг, образовавшихся при сжигании 1 кг

жидкого (1 м3 газообразного) топлива в ЗАГ, м3/кг (м33),

 

 

 

 

 

Vг

= βсгVг0 +1, 0161(αЗАГ − βсг ) Vв0 .

 

 

(1.15)

 

 

 

То же в случае ввода в ЗАГ газов рециркуляции и/или влаги VR ,g ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

м3/кг (м33),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VгR ,g = βсгVг0 + 0, 0161(αЗАГ − βсг ) Vв0 +1, 24g +

(1.16)

 

 

 

+K

 

R V0

+ 0, 0161

(

α

 

−1 V0 +1, 24g

 

,

 

 

 

R

отб

 

 

 

 

 

 

 

г

 

 

) в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

g = Gвл / Gтпл ;

где βсг – степень выгорания топлива в ЗАГ, определяемая по табл. 1.3 в зависимости от вида сжигаемого топлива; αотб – коэффициент избытка воздуха в месте отбора газов из конвективного газохода на рециркуляцию; g – водотопливное отношение, зависящее от расхода влаги и топлива, поступающих в ЗАГ,

KR – коэффициент, зависящий от способа ввода газов рециркуляции, определяемый по табл. 1.4; R – доля рециркуляции дымовых газов.

Если в задаче не указано водотопливное соотношение g, значит, ввод влаги в ЗАГ не производится, то есть g = 0.

Пересчет массовой концентрации оксидов азота, г/м3, на стандартные условия, (сухие продукты сгорания и α = α0 = 1,4) производится по формуле

 

 

NOст.у = NOг,м

 

 

 

 

VгR ,g

 

 

 

 

 

 

.

 

(1.17)

 

 

г

H2 O

 

(

)

 

 

(

+ R

)

 

 

 

 

2

2

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V0 − V0

+ 1, 4

−1 V0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость степени выгорания топлива bсг

Таблица 1.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

от коэффициента избытка воздуха в ЗАГ

 

 

 

 

 

 

Топ-

 

 

 

 

 

 

 

 

aЗАГ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ливо

0,7

0,8

0,9

1,0

1,01

1,02

1,03

1,04

1,05

1,06

1,07

1,08

³1,09

 

Газ

0,609

0,696

0,783

0,87

0,88

0,9

 

0,915

0,93

0,95

0,965

0,98

 

0,98

0,98

 

Мазут

0,588

0,672

0,756

0,84

0,85

0,87

0,88

0,9

0,915

0,93

 

0,95

0,965

0,98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.4

 

 

 

 

Значения коэффициента KR в зависимости

 

 

 

 

 

 

 

 

от способа ввода газов рециркуляции в ЗАГ

 

 

 

 

 

Способ ввода газов рециркуляции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KR

 

 

В под топки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,05

 

 

В шлицы под горелки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,15

 

 

Снаружи воздушного потока горелки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,85

 

 

В дутьевой воздух

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,0

 

 

Между воздушными потоками горелки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

 

При пересчете концентраций, полученных для влажных газов, на стандартные условия для сухих газов используют следующую зависимость:

ст.у

= Cm

273 + ϑ

г

 

p

0

 

V0

+1, 0161(α −1) V0

 

 

 

 

 

 

г

 

в

 

 

Cm

 

 

 

 

 

 

 

,

(1.18)

273

 

 

pг

Vг0 − VH0

2O + (1, 4 −1) Vв0

где α – коэффициент избытка воздуха в сечении отбора газовой пробы.

9

1.2. Оксиды серы

Суммарное количество оксидов серы MSO2 (т/с, т/год, т/мес.

и т.д.), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, вычисляют по формуле[7]

 

 

 

 

 

 

n

0

 

 

MSO2

= 0, 02BSr (1 − ηSO2

)(1 − ηSO′′ 2

) 1

− ηSOc

 

 

,

(1.19)

2

nк

 

 

 

 

 

 

 

 

где В –

расход натурального топлива за рассматриваемый период, г/с

(т/год и т.д.); Sr

– содержание серы в топливе на рабочую массу, %;

η′

доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле

SO2

 

 

 

 

(табл. 1.5); η′′

– доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золо-

 

 

SO2

 

 

уловителе попутно с твердыми частицами; ηSOc

2 – доля оксидов серы,

улавливаемых в сероулавливающей установке; n0 и nк – длительность работы сероулавливающей установки и котла соответственно, ч/год.

Ориентировочные значения η′

Таблица 1.5

 

 

SO2

 

при факельном сжигании различных видов топлива

Топливо

η′

SO2

Торф

 

0,15

Сланцы эстонские и ленинградские

0,8

Сланцы других месторождений

 

0,5

Экибастузский уголь

 

0,02

Березовские угли Канско-Ачинского бассейна для топок:

 

с твердым шлакоудалением

0,5

с жидким шлакоудалением

 

0,2

Другие угли Канско-Ачинского бассейна для топок:

 

с твердым шлакоудалением

0,2

с жидким шлакоудалением

 

0,05

Угли других месторождений

 

0,1

Мазут

 

0,02

Газ

 

0

Доля оксидов серы η′′

, улавливаемых в сухих золоуловителях

SO2

 

(электрофильтрах, батарейных циклонах), принимается равной нулю. В мокрых золоуловителях эта доля зависит от общей щелочности орошающей воды и от приведенной сернистости топлива Sпр – при

решении задач можно принять значение в диапазоне η′′ = 2 ÷ 5 %.

SO2

10