Примеры решения задач. Задача 2.1. Определить валовой выброс оксида углерода, оксидов азота, оксидов серы и твердых частиц при сжигании 845 т/год высокосернистого мазута в камерной

Задача 2.1. Определить валовой выброс оксида углерода, оксидов азота, оксидов серы и твердых частиц при сжигании 845 т/год высокосернистого мазута в камерной топке котельной. Котельная вырабатывает 6 тонн пара в час и оборудована центробежным скруббером ЦС-ВТИ.

Решение. Валовой выброс твердых частиц М_т, т/год, в воздушный бассейн определяем по формуле

(2.1)

где q_т – зольность топлива, % (табл. 2.1); m – количество израсходованного топлива за год, т; c – безразмерный коэффициент (табл. 2.2); h _т – эффективность золоулавливателей, % (табл. 2.3);

.

Валовой выброс оксида углерода, т/год, рассчитываем по формуле

(2.2)

где С_СО – выход окиси углерода при сжигании топлива, кг/т, кг/тыс. м³;
m – количество израсходованного топлива, т/год, тыс. м³/год; q₁ – потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания, % (табл. 2.4).

Таблица 2.1Характеристика топлив (при нормальных условиях)

Наименование топлива	qт, %	Sг, %	,МДж/кг
Угли
Донецкий бассейн	28,0	3,5	18,50
Днепровский бассейн	31,0	4,4	6,45
Подмосковный бассейн	39,0	4,2	9,88
Экибастузский бассейн	32,6	0,7	18,94
Кузнецкий бассейн	13,2	0,4	22,93
Канско-Ачинский бассейн	6,7	0,2	15,54
Горючие сланцы
Эстонсланец	50,5	1,6	11,34
Ленинградсланец	54,2	1,5	9,50
Торф:
Росторф в целом	12,5	0,3	8,12
Другие виды топлива
Мазут малосернистый	0,1	0,5	40,30
Мазут сернистый	0,1	1,9	39,85
Мазут высокосернистый	0,1	4,1	38,89
Дизельное топливо	0,025	0,3	42,75
Солярное масло	0,02	0,3	42,46
Природный газ из газопроводов
Саратов–Москва	–	–	35,80
Саратов–Горький	–	–	36,10
Ставрополь–Москва	–	–	36,00
Серпухов–Ленинград	–	–	37,43
Брянск–Москва	–	–	37,30

Выход окиси углерода при сжигании топлива, кг/т, определяем по формуле

(2.3)

где q₂ – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, % (табл. 2.4); R – коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, R=1 – для твердого топлива, R=0,5 – для газа, R=0,65 – для мазута [1]; – низшая теплота сгорания натурального топлива (табл. 2.1);

;

Таблица 2.2 Значение коэффициента c в зависимости от типа топки и топлива

Тип топки	Топливо	c
С пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной решеткой	Бурые и каменные угли	0,0026
С неподвижной решеткой и ручным забросом	Бурые и каменные угли	0,0023
С забрасывателями и цепной решеткой	Бурые и каменные угли	0,0035
Слоевая топка бытовых теплоагрегатов	Бурые угли	0,0011
Каменные угли	0,0011
Антрацит, тощие угли	0,0011
Шахтная	Твердое топливо	0,0019
Шахтно-цепная	Торф кусковой	0,0019
Наклонно-переталкивающая	Эстонские сланцы	0,0025
Камерные топкипаровых и водогрейных котлов	Мазут	0,010
Газ природный, попутный и коксовый	–

Таблица 2.3 Средняя эксплуатационная эффективность аппаратов газоочистки и пылеулавливания

Аппарат, установка	Эффективность улавливания твердых частиц h т, %
Батарейные циклоны типа БЦ-2
Батарейные циклоны на базе секции СЭЦ-24
Батарейные циклоны типа ЦБР-150У	93–95
Электрофильтры	97–99
Центробежные скрубберы ЦС-ВТИ	88–90
Жалюзийные золоуловители	75–85
Групповые циклоны ЦН-15	85–90
Дымосос-пылеуловитель ДП-10

Таблица 2.4 Характеристика топок котлов малой мощности

Тип топки и котла	Топливо	q2, %	q1, %
Топка с цепной решеткой	Донецкий антрацит	0,5	13,5/10
Шахтно-цепная топка	Торф кусковой	1,0	2,0
Топка с пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной решеткой	Донецкий антрацит	0,5–1	13,5/10
Бурые угли типа подмосковных	0,5–1	9/7,5
Бурые угли типа бородинских	0,5–1	6/3
Угли типа кузнецких	0,5–1	5,5/3
Слоевая топка котла паропроизводительностью более 2 т/ч	Эстонские сланцы
Камерная топка с твердым шлакоудалением	Каменные угли	0,5	5/3
Бурые угли	0,5	3/1,5
Фрезерный торф	0,5	3/1,5
Камерная топка	Мазут	0,5	0,5
Природный газ	0,5	0,5

Валовой выброс оксидов азота, т/год, определяем по формуле

, (2.4)

где – параметр, характеризующий количество окислов азота, образующихся на 1 ГДж тепла, кг/ГДж (табл. 2.5); b – коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов NO₂ в результате применения технических решений, принимаем b = 0,

.

Таблица 2.5 Зависимость К_NO2 от паропроизводительности котлоагрегатов

Паропроизводительность котлоагрегатов, т/ч	Значение КNO2
Природный газ, мазут	Антрацит	Бурый уголь	Каменный уголь
4,0	0,099	0,13	0,198	0,215
6,0	0,1	0,135	0,165	0,225
8,0	0,102	0,138	0,213	0,228
10,0	0,103	0,14	0,215	0,235
15,0	0,108	0,15	0,225	0,248
20,0	0,109	0,155	0,23	0,25
25,0	0,11	0,158	0,235	0,255
30,0	0,115	0,16	0,24	0,26

Валовой выброс оксидов серы, т/год, только для твердого и жидкого топлива:

, (2.5)

где S^г – содержание серы в топливе, % (табл. 2.1); – доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива. Для эстонских или ленинградских сланцев принимается равной 0,8; остальных сланцев – 0,5; углей Канско-Ачинского бассейна – 0,2; Березовских – 0,5; экибастузских – 0,02; прочих углей – 0,1; торфа – 0,15; мазута – 0,2 [1]; – доля оксидов серы, улавливаемых в золоулавливателе; для сухих золоулавливателей принимается равной 0.

Тогда

.

Центробежный скруббер ЦС-ВТИ улавливает 90% твердых частиц, что обеспечивает незначительный валовой выброс твердых частиц в атмосферу – 0,85 кг/год. Газообразные вредные вещества не улавливаются сухим фильтром и попадают в атмосферу без очистки. Для снижения выбросов СО, NO_x, SO_х необходима разработка малотоксичных горелочных устройств.

Задача 2.2. Рассчитать массу выбросов (СО) в сутки от автомобилей на территории автопредприятия в зимнее время. Парк автомобилей состоит из 7 легковых машин и 25 автомобилей КАМАЗ грузоподъемностью 15 тонн. Средний пробег грузового автомобиля по территории предприятия в стуки равен 600 м, легкового – 400 м.

Решение. Объем i-го вещества, г, от j-го автомобиля на территории автопредприятия определяется по формуле

, (2.6)

где – удельный выброс i-го вещества при прогреве двигателя, г/мин (табл. 2.6); t_прог – время прогрева двигателя автомобиля, мин; – удельный выброс i-го вещества при поддержании постоянной скорости автомобиля 10–20 км/ч, г/км (табл. 2.6); L – пробег автомобиля по территории автопредприятия (въезд, выезд) в режиме поддержания постоянной скорости 10–20 км/ч; – удельный выброс i-го компонента при работе двигателя на холостом ходу, г/мин (табл. 2.6); t_х.ход = 5 мин – время работы двигателя на холостом ходу при выезде и возврате с автопредприятия, мин.

Время прогрева двигателя легкового автомобиля в зимнее время принимаем равным 20 мин. Выбросы оксида углерода от одного легкового втомобиля

. Таблица 2.6 Выбросы загрязняющих веществ автомобилями [1]

Время прогрева двигателя грузового автомобиля в зимнее время принимаем равным 30 мин. Выбросы оксида углерода от одного КАМАЗа на территории предприятия

.

Выброс оксида углерода в сутки на территории автопредприятия всеми автомобилями

Объем выбросов оксида углерода в сутки на территории автопредприятия значителен – 8,02 кг/сутки. ПДК_с.с оксида углерода (СО) равен 1 мг/м³. Для предотвращения превышения уровня СО над ПДК_с.с и вредного влияния СО на организм рабочих необходимо поочередное прогревание двигателей и выезд автомобилей с территории автопредприятия.

Задача 2.3. Рассчитать валовой выброс частиц абразивной пыли от трех круглошлифовальных станков с диаметрами круга 300, 350, 400 мм. Станки работают в сутки по 6 часов, в год – 258 дней. Участок оборудован аппаратом сухой очистки воздуха циклон ЦН-15.

Решение. Валовой выброс абразивной пыли М, кг/год, одного станка рассчитываем по формуле

(2.7)

где g_i – удельное выделение загрязняющих веществ при работе единицы оборудования в течение 1 с, г (табл. 2.7); t – время работы станка в день, ч; n – количество дней работы в году; k – количество станков данного типа,

;

;

.

Валовой выброс абразивных частиц от участка

(2.8)

где А – коэффициент, учитывающий исправную работу очистного устройства за год; h _т – эффективность очистки, % (табл. 2.8).

Таблица 2.7 Удельный выброс загрязняющих веществ при работе единицы оборудования в течение 1 с, г [1]

Тип станка	Наименование загрязнителя	Диаметр шлифовального круга, мм	Удельный выброс, г/с
Круглошлифовальный	Абразивная пыль		0,0325
	0,043
	0,047
	0,05
	0,065
	0,075
	0,086
Плоскошлифовальный	Абразивная пыль		0,036
	0,042
	0,05
	0,055
	0,059
	0,063
Бесцентрошлифовальный	Абразивная пыль	30–100	0,0126
400–500	0,019
480–600	0,025
Заточный	Металлическая пыль		0,0097
	0,01
	0,02
	0,037
	0,038
	0,041
	0,0475
	0,054
	0,06
	0,067

Таблица 2.8 Средняя эксплуатационная эффективность аппаратов

сухой очистки воздуха [1]

Аппарат, установка	Эффективность улавливания твердых частиц h т, %
Циклоны ЦН–15	80–85
Циклоны СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34	85–93
Групповые циклоны	85–90
Батарейные циклоны	82–90
Рукавные фильтры	99 и выше
Сетчатые фильтры (для волокнистой пыли)	93–96
Индивидуальные агрегаты типа ЗИЛ-900, АЭ212
Циклоны ЛИОТ	70–80

Коэффициент, учитывающий исправную работу очистного устройства,

, (2.9)

где N = 256 – количество дней исправной работы очистных сооружений в год; N₁ – количество дней работы станков в год,

;

.

Аппарат очистки воздуха улавливает 80% абразивной пыли, выделяющейся при работе станков. Поэтому загрязнение атмосферного воздуха – в пределах нормы. Рабочим необходимо применять респираторы.

Задача 2.4. Определить количество NO₂, образующейся при сжигании угля. Максимальная температура факела в топке 1653 К, коэффициент избытка воздуха на выходе из топки составляет 1,07. Расход топлива – 10,85 кг/с, содержание азота в топливе N^р = 0,5%. Теоретически необходимый объем воздуха V⁰ = 2,86 м³/кг. Объемы составляющих продуктов сгорания: = 0,56 м³/кг, = 2,27 м³/кг, = 0,60 м³/кг. Объем топки составляет 918 м³.

Решение. Объем сухих газов, м³/кг,

(2.10)

м³/кг.

Полный объем дымовых газов, м³/кг,

, (2.11)

м³/кг.

Определяем константу скорости реакции для различных топлив, м³/(моль? с),

(2.12)

где R = 8,31441 10³ – постоянная газовая универсальная, Дж/(К кмоль);

.

Концентрация кислорода в зоне реакции, моль/м³,

(2.13)

где Р = 9,81 10⁴ Па – давление в топке.

.

Рассчитываем концентрацию азота в зоне реакции, моль/м³,

(2.14)

.

Находим константу равновесия, моль/м³,

(2.15)

.

Определяем равновесную концентрацию оксидов азота, моль/м³,

(2.16)

.

Начальная концентрацию атомарного азота, моль/м³,

(2.17)

где b – поправка на степень конверсии азота топлива, b = 0,02 для угля; b = 0,4 для торфа в топке с амбразурами; b = 0,5 для мазута [3];

.

Время пребывания продуктов сгорания в топке, с,

(2.18)

Определяем безразмерное время:

; (2.

.19)

Безразмерная концентрация NO

, (2.20)

.

Действительная концентрация NO, моль/м³,

(2.21)

.

Действительная концентрация NO₂ при переходе всего NO в NO₂, кг/м³,

(2.22)

.

При таких условиях работы топки в окружающую среду выделяется около 474 мг/м³ двуокиси азота. На эмиссию оксидов азота сильное влияние оказывает коэффициент избытка воздуха и температура в топочной камере.