РГР 6. Расчет содержания загрязняющих веществ в продуктах сгорания топлива паровых и водогрейных котлов

 

Теоретическая часть

 

При сжигании топлива в паровых котлах в атмосферу выбрасывается большое количество загрязняющих 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, (1.66)

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 выражается 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 грам-мах 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, (1.67)

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 проводится нормативным методом по химическому составу сжигаемого топлива [6]. Состав некоторых топлив приведен в Прилож. 2. При этом объем сухих дымовых газов (V_сг) при нормальных условиях определяется по уравнению

V_сг = V_г⁰ + (α – 1)V⁰- V⁰_вод, (1.68)

где 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 выполняется по химическому составу сжигаемого топлива:

 

V⁰ = 0,0889(С^r + 0,375S^r_ор+к) = 0,265H^r – 0,0333O^r , (1.69)

V⁰_вод = 0,111H^r + 0,011124W^r + 0,0161V⁰, (1.70)

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, (1.71)

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(0,5CO + 0,5Н₂ +1,5S(m +n4) C_mH_n - O₂), (1.72)

V⁰_вод = 0,01(Н₂ + Н₂S + 0,5S nC_mH_n + 0,124 d_г.тп.) =

= 0,0161V⁰ , (1.73)

V_г⁰ = 0,01(CO₂ + CO + Н₂S + 0,5S mC_mH_n) + 0,79 V⁰ +

+ N₂ / 100 + V⁰_вод, (1.74)

где CO, CO_2,, Н₂ , Н₂S, C_mH_n, 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/нм³. Суммарное массовое количество оксидов азота NО_х выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, в пересчете на NО₂ (г/с, т/год), при сжигании природного газа определяются по формуле

 

М_NОx = В_рQК_NО2β_кβ_tβ_α(1- β_г)(1- β_δ)k_n, (1.75)

 

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 ÖD + 0,03, где D – фактическая производительность котла, т / ч, для водогрейных котлов К_NО2 = 0,0113 ÖВ_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 NО_х в пересчете на NО₂ (г/с, т/год), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании мазута определяются по формуле

М_NОx = В_рQК_NО2β_tβ_α (1- β_г)(1- β_δ)k_n,. (1.76)

Для паровых котлов К^м_NО2 = 0,01 ÖD + 0,01, для водогрейных К^м_NО2 = 0,0113 ÖВ_рQ + 0,01;

β_t = 0,17 √r, β_α = 1,113 (при сжигании мазута), β_δ = 0,018.

Суммарное массовое количество оксидов серы Мso₂ выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами (г/с, т/год) при сжигании мазута определяются по формуле

Мso₂ = 0,02ВS^r(1- η so₂)(1 - η^′ so₂), (1.77)

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:

Мсо = 10^-3ВСсо(1-q₄ / 100), (1.78)

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

Ссо ₌ q₃RQ, (1.79)

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^-3R(0,34 + 0,4210^-3q_v) / exp3,8 (α^,,_Т – 1)]К_ДК_РК_СТ (1.80)

 

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, (1.81)

где α^,,_Т – коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания на выходе из топки; q_V – теплонапряжение топочного объема кВт/м ³; 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.

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

 

для α^,,_Т = 1,08 – 1,25

 

С^г_бп = [10^-3 0,059+0,07910^-3q_v / exp (3,8 (α^,,_Т –1)]К_Д К_рК_ст ; (1.82)

для α^,,_Т > 1,25

 

С^г_бп = [10^-3 0,032 + 0,04310^-3q_v / exp (1,14 (α^,,_Т – 1)]К_Д К_рК_ст (1.83)

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_ДК_РК_СТК₀; (1.84)

для α²_Т > 1,25 и q_V = 250 – 500 кВт/м³

 

C^м_бп = [10^-6R(0,52 q_v –32,5) / 1,16exp (3,5 (α^,,_Т –1)]К_ДК_РК_СТ К₀ ; (1.85)

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

 

для α²_Т = 1,05 – 1,25 и q_V = 250 – 500 кВт/м³

 

С^г_{б п}= [10^-60,11 q_V – 7,0 / exp(3,5 (α^,,_Т –1)К_ДК_РК_СТ; (1.86)

для α_Т > 1,25 и q_V = 250 –500 кВт/м³

 

С^г_бп= [10^-60,13 q_V – 5,0 / 1,3 exp (3,5 (α^,,_Т –1)]К_Д К_Р К_СТ. (1.87)

Для расчета максимальных и валовых выбросов по формуле (1.66) концентрации бенз(а)пирена, рассчитанные по формулам (1.76)-(1.87) приводятся к избыткам воздуха α = 1,4 по формуле

С_j = С_j^изм α / α₀. (1.88)

 

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 значения 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.

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. На оси абсцисс откладывается значение фактора, а на 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 (табл. 1.7)

Т а б л и ц а 1.7

Варианты индивидуальных заданий

 

Параметрв котла
Тип и марка	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;		0,9		0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1	0,7
Теплонапряжение qv, кВт/м3
Коэффициент избытка воздуха, αт	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
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	Паромеханические (R = 0,75)	Нет	Паромеханиеческие (R = 0,75)
Вид топлива	Мазут	Природный газ	Мазут

 

3. В зависимости от типа котла и вида используемого топлива выбрают приведенные 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.

 

Содержание отчета

· Титульный лист установленной формы

· Цель РГР и задания

· Расчеты и графики в соответствии с заданием;

· Выводы в соответствии с поставленной целью

· Список использованных литературных источников.

 

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?

 

 

 

 

Раздел 2