Специальные методы мониторинга безопасности систем и технологий наноинженерии

Расчет количества загрязняющих

Веществ, выделяющихся при горении топлива

При сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива в атмосферу попадают твердые частицы (зола, пыль, сажа), оксиды серы SO₂, SO₃, оксиды азота NO, NO₂, оксиды углерода (I, II) CO, СО₂, а также органические вещества. Выбросы загрязняющих веществ происходят вследствие неполного сгорания топлива и в результате перехода неорганических и других примесей в аэрозоли, пыль.

Выброс твердых частиц при горении топлива зависит от состава топлива, конструкции устройства, где происходит горение, эффективности работы пылеулавливающих установок.

При сжигании угля с содержанием минеральной части до 15% вынос твердых частиц за пределы топочной камеры составляет 10–13% от массы топлива, а остальная зола удаляется со шлаком; при сжигании угля, дров в атмосферу поступает в 10–20 раз больше твердых частиц, чем при сжигании жидкого топлива.

Выброс оксида углерода (II) в основном зависит от неудовлетворительного регулирования процесса горения. В небольших топливных установках, печах выброс оксида углерода (II) достигает 2% от массы топлива.

Содержащаяся в топливе сера переходит в сернистый ангидрид, поэтому количество оксидов серы, поступивших в атмосферу, определяется содержанием серы и ее соединений в топливе.

Оксиды азота образуются от сгорания азотосодержащих соединений и в реакциях взаимодействия кислорода воздуха с азотом.

 В процессе пиролиза углеводородных топлив получается канцерогенное вещество – бензпирен C₂₀ H₁₂. Образование бензпирена зависит от режима горения – температуры и количества кислорода.

 Загрязнение атмосферы бензпиреном значительно возросло в связи с развитием автомобильного транспорта. Ежегодно в атмосферу попадает несколько тысяч тонн бензпирена, одного миллиграмма которого достаточно для того, чтобы вызвать рак легких или кожи. Бензпирен содержится в табачном дыме и является причиной заболевания многих курильщиков.

Запишем формальные схемы химических реакций, протекающих при горении предельных углеводородов топлива:

 

2C _n H_{2 n +2} + (3 n +1)O₂ = 2 n CO₂ + 2(n +1)H₂O – основная реакция горения;

2C _n H_{2 n +2} + (2 n +1)O₂ = 2 n CO + 2(n +1)H₂O – образование оксида углерода (II);

2C _n H_{2 n +2} + (2 n +1)O₂ = n CO₂ + 2(n +1)H₂O + n C – образование сажи;

N₂ + O₂ = 2NO; N₂ + 2O₂ = 2NO₂  – образование оксидов азота;

S + O₂ = SO₂ – образование оксида серы (IV);

C _n H_{2 n +2} + O₂ → CO₂ + H₂O + C₂₀H₁₂ + продукты пиролиза – образование бензпирена.

 

Существуют два метода расчета количества загрязняющих веществ образующихся при горении топлива:

– метод удельных показателей выбросов вредных веществ;

– метод параметров работы технологического оборудования.

Метод удельных показателей выбросов вредных веществ относится к упрощенному расчету. Этот метод дает оценочные суммарные количества вредных веществ, поступающих в атмосферу:

 

M_i = α_i Q_i (1 –η _i),

 

где M_i – масса загрязняющего вещества, кг; Q – количество сжигаемого топлива, кг; α_i – удельный показатель выброса, кг/кг; η _i – КПД газоочистки или золоуловителя.

Удельный показатель выброса вещества зависит от вида топлива, топочного устройства, условий сжигания горючего вещества.

В табл. 7.1 даны значения показателей выбросов веществ для различных видов топлива.

Пример 1. Оценить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу тепловой электростанцией. Годовая потребность ТЭС в угле – 100 000 т. Газоочистные сооружения отсутствуют. ТЭС работает на угле Сахалинского месторождения.

Решение. Для угля Сахалинского месторождения удельные показатели выбросов вредных веществ α(тв), α(SO₂), α(CO), α(NO _x), α_б/п соответственно равны 0,64; 0,0072; 0,049; 0,0019; 2∙10^–5. Рассчитываем массу выбросов:

 

М (тв) = 100 000 ∙ 0,064 = 6400 т/год;

М (SO₂) = 100 000 ∙ 0,0072 = 720 т/год;

М (CO) = 100 000 ∙ 0,049 = 4900 т/год;

М (NO _x) = 100 000 ∙ 0,0019 = 190 т/год;

М _б/п = 100 000 ∙ 2 ∙ 10^-5= 2 т/год.

 

Таблица 5.1

Удельные показатели выбросов вредных веществ

При сгорании топлива

Вид топлива	Удельный показатель,кг/кг (т/т)
	Твердые вещества	Оксиды серы (IV)	Оксид углерода(II)	Оксиды азота	Бензпирен
	αтв·102	αSO2·102	αco·102	αNОx·103	αб/п·105
Уголь (зола 10–40%) Торф Дрова Мазут Газ	3–8 3–5 2–3 5–6 До 0,002	2–1 1–2 1–2 6–6 –	2–7 2–4 3–5 3–4 1–1,5	1–2 1–2 8–1 2–3 2–3	1–3 1–2 1–2 До 1 До 5

 

При неизвестных удельных выбросах вредных веществ для данного вида топлива используют значения табл. 5.1. По табл. 5.1 определяют минимальный и максимальный выброс вредного вещества. Например, при сжигании угля Магаданского месторождения на ТЭС в количестве 100 000 т/год выделится (n_i = 0):

 

– 3000–8000 т/год твердых веществ;

– 200–1000 т/год оксидов серы (IV);

– 2000–7000 т/год оксида углерода (II);

– 100–200 т/год оксидов азота;

– 1–3 т/год бензпирена.

 

Определение выбросов загрязняющих веществ по параметрам работы технологического оборудования основано на учете эксплуатационных характеристик устройств, в которых сжигается топливо.

Количество золы и несгоревшего жидкого и твердого топлива рассчитывают по формуле

 

,

 

где В – расход топлива, г/с, т/год;  – зольность топлива на рабочую массу, %;  – доля частиц, улавливаемых золоуловителями;

 

,

 

где  – доля золы, уносимой дымовыми газами из котла; Г – содержание горючего вещества в газах, %.

Значения А, В, Г принимают по средним показателям, характерным для данного вида топлива и топочного устройства.

Для удобства и простоты расчетов в табл. 5.2 представлены величины параметров в зависимости от типа топок и видов топлива.

 

Таблица 5.2