Страница 9: Технические решения по использованию утилизаторов в котельных малой мощности (54158)

Средние удельные концентрации основных вредных веществ, выбрасываемых при сжигании различных топлив котельными, приведены ниже.

Зависимость удельных вредностей от вида топлива

Из приведенных данных видно, что наибольший экономический вред может быть от выбросов котельных, работающих на твердом топливе.

Одним из основных вредных элементов топлив является сера и азотосодержащие элементы соединения. Для отопительных котельных топливо должно содержать минимальное количество этих соединений, на практике же это часто нарушается. Десульфация угля и жидкого топлива - это дорогостоящий процесс, в результате которого резко возрастает стоимость топлива, полной же очистки достичь невозможно. Очистка дымовых газов также требует больших капитальных вложений.

Применение утилизаторов тепла равносильно повышению КПД котельных, следствием которого является снижение расхода топлива, а пропорционально этому снижается выброс вредных веществ, т.е. практически любые мероприятия, направленные на энергосбережение, способствуют снижению поступления в атмосферу загрязняющих веществ. Защита атмосферы от загрязнения имеет не только технико-экономическое, но и большое социальное значение. Сернистый ангидрид даже в сравнительно малых концентрациях раздражающе действует на слизистые оболочки дыхательных путей человека и животных. В то же время он является ядом для многих растений. Оксид углерода и диоксид азота вступают в соединения с гемоглобином крови, и при больших концентрациях возникает угроза жизни человека. Наличие обычных для промышленных городов аэрозолей диоксида азота в сочетании с повышенной влажностью и запыленностью приводит к снижению видимости, затрудняет проникновение ультрафиолетовых лучей и снижает число солнечных дней. Выброс высокотемпературных газов и углекислого газа увеличивает «парниковый эффект».

Для улавливания золы котельные, работающие на твердом топливе, должны оборудоваться системами газоочистки. Наиболее эффективные способы - электрофильтры с КПД 97,6-99,9 % - очень дороги и могут быть использованы только на крупных ТЭЦ и ТЭС.

В котельных малой мощности сухая газоочистка позволяет улавливать частицы размером 3 мкм менее 50 %. Частицы же меньшего размера представляют наибольшую угрозу для здоровья, а уловить удается только порядка 10 %. В котельной малой мощности с 2-3 котлами на практике часто совсем отсутствуют золоуловители.

Применение утилизации приводит к снижению температуры выброса, что, в свою очередь, вызывает увеличение приземной концентрации вредных веществ. Для обеспечения равнозначной концентрации возникает необходимость снижения количества выбросов или увеличения высоты дымовой трубы, т.е. увеличения капитальных вложений, или увеличения скорости газов в устье дымовой трубы, что потребует дополнительных затрат электроэнергии.

Зависимость количества выбросов вредностей от температуры имеет вид:

,                                                 (5)

где М1 и М2 - количество вредных веществ соответственно до и после утилизации, г/с; Т1 и Т2 - температура уходящих газов до и после установки утилизаторов, ºС; ΔТ1, ΔТ2 - разность температур между температурами уходящих газов и окружающей среды соответственно до и после установки утилизаторов, ºС.

Когда

,                                                (6)

дополнительных затрат на обеспечение приземной концентрации вредных веществ, создаваемой без учета влияния утилизации теплоты, не требуется.

В том случае, когда

,                                                 (7)

необходимо проведение дополнительных мероприятий:

увеличения высоты дымовой трубы

,                                                 (8)

где H1, H2 - высота дымовой трубы до и после утилизации, м;

изменения скорости выброса

,                                                 (9)

где W1, W2 - скорость газов в устье дымовой трубы соответственно до и после утилизации, м/с; D1, D2 - диаметр дымовой трубы соответственно до и после утилизации, м;

изменения диаметра трубы

.                                             (10)

Расчетные зависимости изменения относительного количества вредных веществ и относительной высоты трубы от изменения температуры выбрасываемых газов со 150 до 40 °С и при температурах окружающей среды 20, 0, -20, -40 ºС приведены на рис. 19.

Из приведенных графиков можно видеть, что снижение вредности на 30 % позволяет снизить температуру уходящих газов примерно до 100 ºС, а снижение вредности на 50 % - до 40-50 ºС без дополнительных капитальных вложений.

Снижение температуры уходящих газов без снижения объемов вредных выбросов требует увеличения высоты дымовой трубы примерно на 12-15 % при снижении температуры до 100 ºС и на 40-50 % при снижении до 50 °С.

Таким образом, при снижении температуры выбрасываемых газов необходимо предусмотреть мероприятия по снижению приземной концентрации вредных веществ. Если при проектировании нового объекта это учитывается в расчетах, то при установке теплоутилизаторов на действующих теплоэнергетических предприятиях необходимо провести проверочные расчеты и принять необходимые меры по обеспечению той же величины приземной концентрации, что и до установки утилизатора.

Рис. 19. Зависимость изменения относительного количества вредных веществ  и относительной высоты трубы  от изменения температуры уходящих газов:

1 и 1′ - температура окружающей среды 20 °С; 2 и 2′ - 0 ºС; 3 и 3′ - (-20) ºС; 4 и 4′ - (-40) ºС

Использование контактных теплообменников с орошение дымовых газов водой позволяет снизить концентрацию вредных веществ, растворенных в воде, и твердых включений.

При сжигании газообразного топлива образуется диоксид NO2, моноксид азота NO. Диоксид азота, имеющий в 7,6 раза больше токсичность, чем монооксид, полностью растворим в воде. Монооксид имеет растворимость 7,38 мл / 100 г при 0 °С, снижается с увеличением температуры и при 100 °С его растворимость 2,6 мл / 100 г [3].

Исследования, проведенные на контактном экономайзере за котлом ДКВР-10-13, показали, что в номинальном режиме нагрузки контактного экономайзера через него проходило 10 тыс. м3/ч газов, из которых растворялось до 700 г/г монооксида азота. При содержании оксидов азота в уходящих газах около 160-170 м2/м3 содержалось NO2 и до 150 мг/м3 NO. После прохождения через контактный экономайзер концентрация NO2 в газах была близка к нулю, а монооксида - снижалась до 65-70 мг/м3.

Эффективность использования контактного аппарата для очистки выбросов соединений азота может быть определена:

.                          (11)

Годовой экономический ущерб, предотвращаемый в результате снижения вредных выбросов в окружающую среду источником, можно определить по укрупненным данным [10]:

ΔП = γ σ f Δm,                                                           (12)

где γ - константа, численное значение которой для атмосферы равно 2,4 руб/усл.т; σ - безразмерный показатель относительной опасности загрязнения; f - коэффициент, учитывающий характер рассеивания загрязняющих выбросов; Δm - снижение приведенной массы выбросов в окружающую среду, усл.т.

Значения показателя σ относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территориями различного функционального назначения приведены ниже.

Значения коэффициента f в зависимости от высоты источника загрязнения Н и среднегодового значения разности температур в устье источника и в окружающей атмосфере ΔТ приведены ниже.

Примечание. При выбросе пыли после очистки: с коэффициентом улавливания свыше 90 % принимаются значения f, стоящие в числителе; с коэффициентом улавливания 70-90 % - значения f, стоящие в знаменателе; с коэффициентом улавливания до 70 % - значения f, равные 10.

Величину снижения приведенной массы выброса загрязняющего вещества в окружающую среду определяют по формуле

Δm = m1 - m2,                                                         (13)

где m1 и m2 - приведенные массы выброса вещества источником загрязнения до и после ввода в действие сооружения, усл. т.

Величины приведенных масс выброса загрязняющих веществ определяют по формулам:

                                                        (14)

где Ai - показатель относительной агрессивности сбрасываемого вещества, усл. т/т; Мi,  - массы сброса загрязненного вещества до и после ввода в действие сооружения, т/год; i - количество видов загрязняющих веществ.

Значения величины А для некоторых веществ, выбрасываемых в атмосферу, приведены ниже.

Вещество                                                               А усл.т/т

Окись углерода............................................................................. 1

Сернистый ангидрид SO2............................................................ 22

Серная кислота, ангидрид SO3................................................... 49

Окислы азота в пересчете (по массе) на NO2............................ 41,1

3-4-бенз(а)пирен.......................................................................... 12,6×105

Сажа без примесей...................................................................... 41,5

Пятиокись ванадия...................................................................... 1225

Примечание. Указанные значения А соответствуют случаю выброса примесей в зонах с количеством осадков свыше 400 мм в год. В более засушливых районах эти значения следует увеличить в 1,2 раза для всех твердых аэрозолей.

На основе экспериментальных данных [3] и приведенных на стр. 70 и формул (12-14) определены величины снижения выбросов вредных веществ для газовых котлов типа КВГМ, оснащенных теплоутилизаторами типа КТАН (табл. 12). Учитывая, что при конденсации влаги из дымовых газов образуется около 1 кг/м3 воды, а предельная растворимость около 0,11 г/л, можно полагать, что при тех же условиях для конденсационных теплоутилизаторов на базе биметаллических калориферов типа КСК результаты будут близки к данным, полученным для контактных теплоутилизаторов. Более точные данные могут быть получены экспериментальным путем.

Таблица 12

Экологические показатели контактных утилизаторов

Отношение M2 / M1 составляет в среднем 0,7, что согласно рис. 19 позволяет снизить температуру уходящих газов до 90 °С без увеличения приземной концентрации.

Средняя величина относительного снижения головой массы выбросов составила 0,056 т/МВт мощности котлоагрегата, величина предотвращенного годового экономического ущерба 16,4 руб/МВт.

Анализ взаимозависимости процессов утилизации тепловой энергии и выбросов вредных веществ показывает необходимость в каждом конкретном случае обоснования применения утилизаторов как с экономической, так и экологической точки зрения.