Расчет выбросов загрязняющих веществ

 

При проектировании и реконструкции котельных установок с паровыми котлами производительностью менее 30 т/ч и водогрейными котлами мощностью до 35 МВт (30 Гкал/ч) расчет выбросов загрязняющих веществ проводится в соответствии с нормативными документами [1, 3].

Расчет выбросов токсичных веществ (CO, NO_х, SO₂, твердых частиц, бенз(а)пирена) производится для двух временных промежутков: годовой (валовый) выброс веществ, т/год (необходим для подсчета платы за загрязнение) и секундный выброс загрязняющих веществ, г/c (необходим для расчета рассеивания токсичных веществ в атмосфере).

Результаты расчета рекомендуется сводить в табл. 3.1.

Выбросы загрязняющих веществ котельной

Период года	Ед. изм.	Выброс загрязняющих веществ
		СО	NO2	NO	SO2	Зола	Сажа (Кокс)	Бенз(а)пирен
При сжигании основного топлива:
зимний	г/с
летний (переходный)	г/с
годовой	т/год
При сжигании резервного топлива:
зимний	г/с
годовой	т/год

3.1. Расчет выброса оксида углерода

Выброс оксида углерода, г/с (т/год) определяется по формулам: при сжигании природного газа в соответствии с [3]:

– при определении максимальных выбросов, г/с:

,

(3.1)

где – секундный (зимний, летний/переходный) расход топлива котельной, м³/с;

С _СO – количество оксида углерода  при сжигании топлива, г/м³ (см. ф-лу (3.4)).

 

– при определении валовых выбросов, т/год:

,

(3.2)

где  – годовой расход топлива котельной, тыс. м³/год; С _СO – количество оксида углерода при сжигании топлива, кг/тыс. м³ (см. ф-лу (3.4)).

при сжигании твердого топлива и мазута:

,

(3.3)

где  – секундный (зимний, летний/переходный) или годовой расход топлива на котельную, г/с (т/год); С _СО – количество оксида углерода при сжигании топлива, г/кг (см. ф-лу (3.4)); q ₄ – потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, %.

Количество оксида углерода С _СО, г/кг (г/м³) при сжигании любого топлива рассчитывается по формуле:

,

(3.4)

где q ₃ – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, %; R – коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, обусловленную наличием в продуктах сгорания оксида углерода. Принимается для твердого топлива R = 1,0; для мазута R = 0,65; для природного газа
R = 0,5;   – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м³).

При отсутствии эксплуатационных данных значения q ₃, q ₄ рекомендуется принять по приложению А данных методических указаний.

3.2. Расчет выброса оксидов азота

Суммарное количество оксидов азота (в пересчете на NO₂), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, , г/с (т/год) рассчитывается по формулам (3.7), (3.15), (3.20) при сжигании природного газа, мазута и твердого топлива соответственно. Затем в связи с установленными раздельными ПДК для оксида NO и диоксида азота NO₂ и с учетом трансформации оксида азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота, г/с (т/год) разделяются на составляющие:

	(3.5)
	(3.6)

при сжигании природного газа, г/с (т/год):

,

(3.7)

где  – расчетный секундный (зимний, летний/переходный), м³/с,  или годовой расход топлива котельной установкой, тыс. м³/год;   – низшая теплота сгорания топлива, МДж/м³;  – удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, г/МДж; b_k – безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки; b_t – безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения; b_a – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота; b_r – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на образование оксидов азота; b_d – безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру; k _п – коэффициент пересчета. При определении выбросов в граммах в секунду k _п = 1; при определении выбросов в тоннах в год

k _п = 10^-3. При определении максимальных выбросов оксидов азота (г/с) по данной формуле значения входящих в формулу величин определяются при максимальной тепловой мощности котла; при определении валовых выбросов оксидов азота (т/год) – по средней нагрузке котла за рассматриваемый промежуток времени.

Удельный выброс оксидов азота, г/МДж определяется по формулам:

– для паровых котлов:

,

(3.8)

где D – фактическая паропроизводительность котлоагрегата, т/ч.

– для водогрейных котлов:

,

(3.9)

где Q _т – фактическая тепловая мощность котла по теплоте, введенной в топку, МВт (МДж/с). Определяется по формуле:

,

(3.10)

где   – низшая теплота сгорания топлива, МДж/м³ (МДж/кг);  – секундный расчетный расход топлива на котел, м³/с (кг/с). Определяется аналогично формуле (1.6). При сжигании природного газа ,  м³/с (см. ф-лу (1.1)); при сжигании мазута и твердого топлива, кг/с:

,

(3.11)

где  – фактический секундный расход топлива на котел, кг/с (см. ф-лу (1.1)); q ₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания, %. При отсутствии эксплуатационных данных можно принять по прил. А.

Коэффициент β_k для всех дутьевых горелок напорного типа (т.е. при наличии дутьевого вентилятора на котле) принимается β _k = 1,0; для горелок инжекционного типа принимается β _k = 1,6; для горелок двухступенчатого сжигания (ГДС) β _k = 0,7.

Коэффициент β _t, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения, определяется по формуле (3.12) только в том случае, если на котле имеет место предварительный подогрев воздуха в воздухоподогревателе или осуществляется рециркуляция дымовых газов.

,

(3.12)

где t _гв – температура горячего воздуха, подаваемого для горения °С.

Для всех остальных случаев принимается β _t=1.

Коэффициент b _a в общем случае принимается b _a = 1,225, при работе котла в соответствии с режимной картой b _a = 1. Для котлов с напорными (дутьевыми) горелками или горелками ГДС необходимо использовать формулу (19) [1]. Для котлов с инжекционными горелками влияние избытка воздуха учитывается коэффициентом  по формуле (20) [1].

Коэффициент β _r при подаче газов рециркуляции в смеси с воздухом рассчитывается по формуле:

,

(3.13)

где r – степень рециркуляции дымовых газов, %.

Коэффициент β _δ, определяется по формуле:

,

(3.14)

где δ – доля воздуха, подаваемого непосредственно в топочную камеру, % от общего количества организованного воздуха.

при сжигании мазута, г/с (т/год):

,

(3.15)

где  – секундный (зимний, летний/переходный) или годовой расчетный расход топлива котельной установкой, кг/с (т/год);   – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;   –удельный выброс оксидов азота при сжигании мазута, г/МДж; b_t – безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения; определяется по формуле (3.12)); b_a – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота при сжигании мазута; b_r – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на образование оксидов азота; b_d – безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру; k _п – коэффициент пересчета. При определении выбросов в граммах в секунду k _п = 1; при определении выбросов в тоннах в год k _п = 10^-3.

Удельный выброс оксидов азота, г/МДж, определяется по формулам:

– для паровых котлов:

,

(3.16)

где D – фактическая паропроизводительность котла, т/ч.

– для водогрейных котлов:

,

(3.17)

где Q _т – фактическая тепловая мощность котла по теплоте, введенной в топку, МВт (МДж/с). Определяется по ф-ле (3.10)).

Коэффициент β _α в общем случае принимается β _α = 1,113; при работе котла в соответствии с режимной картой β _α = 1. При наличии результатов испытаний котла с измерением О₂ и СО для более точного учета избытка воздуха используют формулу (27) [1].

Коэффициент β _r при подаче газов рециркуляции в смеси с воздухом рассчитывается по формуле:

,

(3.18)

где r – степень рециркуляции дымовых газов, %.

Коэффициент β _δ  рассчитывается по формуле:

,

(3.19)

где d – доля воздуха, подаваемого непосредственно в топочную камеру, % от общего количества организованного воздуха).

при слоевом сжигании твердого топлива, г/с (т/год):

Для котлов, оборудованных топками с неподвижной, цепной решеткой, с пневмомеханическим забрасывателем и для шахтных топок с наклонной решеткой суммарное количество оксидов азота NO_Х в пересчете на NO₂ (в г/с, т/год), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле:

,

(3.20)

где  – расчетный секундный (зимний, летний/переходный) или годовой расход топлива котельной установкой, кг/с (т/год);  – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; β_r – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов, подаваемых в смеси с дутьевым воздухом под колосниковую решетку, на образование оксидов азота; k _п – коэффициент пересчета: при определении выбросов в граммах в секунду k _п = 1; при определении выбросов в тоннах в год k _п = 10^-3; – удельный выброс оксидов азота при слоевом сжигании твердого топлива, г/МДж.

Величина рассчитывается по формуле:

,

(3.21)

где α_т – коэффициент избытка воздуха в топке; принимается по приложению А; R ₆ – характеристика гранулометрического состава угля – остаток на сите с размером ячеек 6мм, %. Принимается по сертификату на топливо или по опытным данным. При отсутствии характеристики гранулометрического состава: для углей и сланцев значение R ₆ следует принимать равным 40%; при сжигании дров или торфа R ₆ = 50%;  – тепловое напряжение зеркала горения, МВт/м², определяется по формуле (3.22).

,

(3.22)

где Q _т – фактическая тепловая мощность котла, МВт. Определяется по ф-ле (3.10).; F – площадь зеркала горения, м². Определяется по паспортным данным топки котла или принимается по [15].

Коэффициент β _r определяется по формуле:

(3.23)

где r – степень рециркуляции дымовыхгазов, %.

3.3. Расчет выброса оксидов серы

Суммарное количество оксидов серы, выбрасываемых атмосферу с дымовыми газами, г/с (т/год) рассчитывается по формуле:

,

(3.24)

где  – расчетный секундный (зимний, летний/переходный) или годовой расход топлива на котельную, г/с (т/год); S ^r – содержание серы в рабочей массе топлива, %; – доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле, принимается по табл. 3.2 [2]; – доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц.

 

Таблица 3.1

Доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле

Топливо		Топливо
Мазут	0,02	Березовские угли Канско-Ачинского бассейна:
Сланцы эстонские и ленинградские	0,8	для топок с твердым шлакоудалением	0,5
Сланцы других месторождений	0,5	для топок с жидким шлакоудалением	0,2
Торф	0,15	Другие угли Канско-Ачинского бассейна:
Экибастузский уголь	0,02	для топок с твердым шлакоудалением	0,2
Угли других месторождений	0,1	для топок с жидким шлакоудалением	0,05

 

Величина  принимается: для сухих золоуловителей равной нулю; для мокрых – зависит от общей щелочности орошающей воды и приведенной сернистости топлива S ^пр, (%×кг)/МДж. При характерных для эксплуатации удельных расходах воды на орошение золоуловителей (0,1÷0,15 дм³/м³) определяется по рис. 3.1.       

, %

, %·кг/МДж

Рис. 3.1 Определение доли оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе:

1 – щелочность орошающей воды 10 мг-экв/дм³; 2 – щелочность орошающей воды

5 мг-экв/дм³; 3 – щелочность орошающей воды - отсутствует

 

При расчете выбросов оксидов серы в случае наличия сероводорода в газовом топливе необходимо пользоваться рекомендациями [1, 3].

 

3.4. Расчет выброса твердых частиц

При сжигании мазута твердые частицы выделяются в виде золы и сажи. Мазутная зола представляет собой сложную смесь, состоящую в основном из оксидов металлов, в том числе наиболее токсичного пентаксида ванадия (V₂О₅).

Суммарное количество мазутной золы в пересчете на ванадий, г/с (т/год), поступающей в атмосферу с дымовыми газами котла при сжигании мазута, вычисляют по формуле:

,

(3.25)

где G _v – количество ванадия, находящегося в 1 т мазута, г/т;  – часовой (зимний, летний/переходный) или годовой максимальный расход топлива котельной. При определении выбросов в г/с B _ку берется в т/ч; при определении выбросов в т/год B _ку берется в т/год; η_oc – доля ванадия, оседающего с твердыми частицами на поверхности нагрева мазутных котлов, которую принимают равной: 0,07 – для котлов с пароперегревателями, очистка поверхностей которых производится в остановленном состоянии; 0,05 – для котлов без пароперегревателей при тех же условиях очистки;
 – степень очистки дымовых газов от мазутной золы в золоулавливающих установках; k _п – коэффициент пересчета: при определении выбросов в г/с
k _п = 0,278·10^-3; при определении выбросов в т/год k _п = 10^-6.

Количество ванадия на 1 т мазута G _v, г/т может быть определено по результатам химического анализа мазута, либо при отсутствии данных химического анализа по приближенной формуле:

,

(3.26)

где 2222 – эмпирический коэффициент; A ^r – содержание золы в мазуте на рабочую массу, %. При  отсутствии   данных  химического  анализа  значения    A ^r  принимаются  по  данным [17].

Степень очистки газов от мазутной золы (в пересчете на ванадий), , % в случае применения батарейных циклонов при степени очистки  65 % < h_зу.общ < 85 % определяют по формуле:

,

(3.27)

где 0,076 и 2,32 – эмпирические коэффициенты; 1,85 – эмпирический показатель степени; η_зу.общ – общая степень улавливания твердых частиц, образующихся при сжигании мазута в котельных, %. В расчетах можно принять по [15, табл. 11.10, С. 346].

Количество сажи при сжигании мазута, г/с (т/год) определяют по формуле:

,

(3.28)

где  – секундный (зимний, летний/переходный) или годовой максимальный расход топлива на котельную, г/с (т/год); A ^r – зольность топлива на рабочую массу, %; а _ун – доля золы топлива в уносе. При отсутствии данных замеров можно использовать ориентировочные значения, приведенные в [17]; h₃ – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях. При определении максимальных выбросов в г/с используются максимальные значения A ^r фактически использовавшегося топлива. При определении валовых выбросов в т/год используются среднегодовые значения A ^r.

При сжигании дизельного топлива и других легких жидких топлив определяются только выбросы сажи по формуле (3.28).

При сжигании твердого топлива суммарное количество твердых частиц, поступающих в атмосферу с дымовыми газами котлов (г/с, т/год), вычисляют по формуле:

,

(3.29)

где  – секундный (зимний, летний/переходный) или годовой максимальный расход топлива на котельную, г/с (т/год); А ^r – зольность топлива на рабочую массу, %; a _ун – доля золы, уносимой газами из котла (доля золы топлива в уносе). При отсутствии данных замеров можно использовать ориентировочные значения, приведенные в [17];  – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях; q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, %. При отсутствии данных можно использовать ориентировочные значения, приведенные в [17] или по прил. А;  – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; 32,68 – теплота сгорания углерода, МДж/кг.

Твердые частицы при сжигании твердого топлива выбрасываются в виде летучей золыи несгоревшего топлива (кокса). Количество летучей золы, г/с (т/год), входящее в суммарное количество твердых частиц, уносимых в атмосферу, вычисляют по формуле:

,

(3.30)

где обозначения те же, что и в ф-ле (3.29).

Количество коксовых остатков при сжигании твердого топлива, г/с (т/год), образующихся в топке в результате механического недожога топлива и выбрасываемых в атмосферу, определяют по формуле:

,

(3.31)

3.5. Расчет выброса бенз(а)пирена

Суммарное количество бенз(а)пирена, поступающего в атмосферу с дымовыми газами, г/с (т/год) определяется по формуле:

,

(3.32)

где  – массовая концентрация бенз(а)пирена в сухих дымовых газах при стандартном коэффициенте избытка воздуха a₀ = 1,4 и нормальных условиях (температура 273 К и давление 101,3 кПа), мг/м³; V _сг – объем сухих дымовых газов, образующихся при полном сгорании 1 кг (1 м³) топлива при a₀ = 1,4 (см. ф-лу (3.33)), м³/кг (м³/м³);  – часовой (зимний, летний/переходный) расчетный расход топлива котельной*. При определении выбросов в граммах в секунду B _p берется в т/ч (тыс. м³/ч); при определении валовых выбросов в тоннах в год B _p берется в т/год (тыс. м³/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.

Объем сухих дымовых газов, м³/кг (м³/м³) определяется по формуле:

,

(3.33)

где , ,  – теоретические объемы азота, трехатомных газов и воздуха соответственно при сжигании единицы топлива, м³/кг (м³/м³). Принимаются по химическому составу сжигаемого топлива или табличным данным [1, 3, 17]. Также данные объемы можно рассчитать по формулам, представленным в разделе 2 (I способ) для соответствующего вида топлива; α₀ = 1,4 – стандартный коэффициент избытка воздуха.

Массовая концентрация бенз(а)пирена при стандартном коэффициенте избытка воздуха α₀ = 1,4 вычисляется по формуле:

, мг/м3

(3.34)

где a – коэффициент избытка воздуха в расчетном сечении газового тракта; – концентрация бенз(а)пирена  при коэффициенте избытка воздуха на выходе из топки, мг/м³. Рассчитывается при сжигании природного газа или мазута по формулам (3.35) – (3.38) для паровых котлов малой мощности или по формулам (3.40) – (3.43) для водогрейных котлов малой мощности; при сжигании твердого топлива по формуле (3.44).