Расчет твердых и газообразных выбросов в атмосферу

Задача 1.1. Среднесуточная концентрация SO₂ в населенном пункте при температуре воздуха t_В =25°С и давлением 1 атм составила 0,415 мг/м³. Какова концентрация SO₂ в ppm.

Решение: молекулярный вес двуокиси серы равен 64,0. Используя для перевода следующее выражение, получим

Задача 1.2. Концентрация NО₂ по наблюдениям на районной станции контроля атмосферы составляет 0,1 ррт. Не превышает ли данная величина норматив ПДК_NO2?

Решение: молекулярный вес NO₂ составляет величину 46 г/моль. Используя уравнение перевода одних величин в другие, получим

ПДК_NO2 в атмосферном воздухе установленная санитарными нормами при двадцатиминутном осреднении составляет величину 0,085 мг/м³. Таким образом, концентрация NO₂ превышает ПДК_NO2=0,085 мг/м³.

Задача 1.3. В дымовых газах электростанции содержится SO₂ 220 ррт. Определить массовый выброс SO₂ в граммах за секунду, если объемный расход газов составил V = 1,8 тыс. м³/мин, а температура дымовых газов 160°С.

Решение: массовая концентрация при условиях отличных от нормальных определяется по формуле

Задача 1.4. На станции сжигается 150 т угля в сутки. Определите массовый выброс золы, если значение минеральной части топлива на рабочую массу А^р =28 %, Q_H^p =33 МДж/кг, а а_ун = 0,95. Значение степени улавливания электрофильтра η_зу=0,99, а значение q₄ = 0,5%.

Решение: расчет массового выброса золы проводится по формуле

где В – расход топлива, г/с;

Задача 1.5. Определить количество оксидов азота (в пересчете на NO₂), выбрасываемые котлом с расходом мазута 200 т/ч при степени рециркуляции 10 и 15%. Котел работает при номинальном режиме, имеет вихревые горелки. Коэффициент избытка воздуха в топке α =1,04. Теплота сгорания Q_H^p =39800 кДж/кг. Паропроизводительность котла D = 2500 т/ч.

Решение: расчет массового выброса оксидов азота проводится по формуле

Учитываем, что для α =1,04 при работе на мазуте β₁ = 0,9. Значение для вихревых горелок β₂ =1,0; β₃ =1,0. Величина ε₂ =1,0, так как весь воздух подается через горелки. Значение ε₁ равно 0,02. Котел работает в номинальном режиме,

В первом случае

Во втором случае

Задача 1.6. Рассчитать максимальную приземную концентрацию золы и диоксида серы, выбрасываемой ТЭС с высоты дымовой трубы Н =120 м, ТЭС работает на кузнецком угле в Московской области. Максимальный расход топлива составляет 400 т/ч. Степень улавливания электрофильтров η_зу=98%. Принять Q_H^p =22836 кДж/кг, зольность А^р =18,2%, содержание серы S_к^р + S^р_ор =0,3%; удельный объем продуктов сгорания без избытка воздуха V_r° =6,58, теоретический объем воздуха V_в° =6,02 м³/кг (при T =273 К и р =0,102 МПа). Температура уходящих газов 140°С, а коэффициент избытка воздуха α=1,4. Диаметр устья дымовой трубы равен 7,2 м. Средняя температура наиболее жаркого месяца в 13 час — 24,5°С.

Решение: выход летучей золы

Количество сжигаемой золы

Выход диоксида серы

где – молекулярные веса диоксида серы и серы.

Безразмерный коэффициент F, учитывающий скорость оседания, равен:

- для диоксида серы F=1;

- для летучей золы F=2.

Учитываем, что ПДК₃=ПДК_SO2=0,5 мг/м³.

Полный объем продуктов сгорания:

Скорость газов на выходе из трубы

Разность температуры между газами и атмосферным воздухом

Максимальная приземная концентрация определяется по формуле

Коэффициент А для Московской области А=140. Коэффициент m равен

где

Находим значения

так как > 2, то n =1.

Максимальная приземная концентрация по золе

По диоксиду серы

Полученные концентрации и меньше значений ПДК для этих веществ.

Задача 1.7. Как изменятся максимальные приземные концентрации вредных веществ от дымовой трубы (задача 1.6), если в результате реконструкции ее высота увеличится до 220 м, а диаметр устья уменьшится до 6,8 м.

Решение: изменение максимальных концентраций вредных веществ от трубы определяется как

Значения коэффициентов

где

Находим значение

так как > 2, то n =1. Значения =0,53, =1 (из задания 1.6).

Задача 1.8. Из условия задачи 1.6 определить опасную скорость ветра u_м и расстояние х_м от трубы по оси факела выброса, при которых достигается максимальная приземная концентрация вредных веществ.

Решение: расстояние от трубы, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ,

где d – безразмерная величина, зависящая от параметра υ_м; Н – высота трубы, м.

При 0,5< υ_м ≤2

υ_м >2

По решению задачи 1.6 υ_м =6,72, т.е. υ_м >2, а f = 3,44

Учитываем, что нетоксичной пыли F≥2, то

Для диоксиды серы

Опасная скорость ветра на уровне флюгера u_м: при υ_м ≤0,5 u_м =0,5; при 0,5< υ_м ≤2 u_м = υ_м; при υ_м >2 определяется по формуле

Задача 1.9. Определить предельно допустимый выброс (ПДВ) летучей золы из дымовой трубы ТЭС Н =150 м с диаметром устья 7,2 м, если фоновая концентрация пыли в воздухе с_ф = 0,1 мг/м³. Разность температур между газовоздушной смесью и атмосферным воздухом ΔТ =150°С. Объемный расход дымовых газов из трубы составляет V =900 м³/с. ТЭС располагается в Московской области.

Решение: при условии непревышения максимальной концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы при неблагоприятных метеорологических условиях предельно допустимый выброс вредного вещества равен

где А =140 с^г/з·мг·К^1/3/г; F =2;

υ_м >2, следовательно, n =1;

Задача 1.10. Определить максимальную приземную концентрацию нетоксичной пыли, выбрасываемой из закрытого механизированного угольного склада топлива длиной L = 30 м. Скорость выхода газовоздушной смеси из аэрационного фонаря ω_о =1,2 м/с. Объем выбрасываемой газовоздушной смеси из аэрационного фонаря V₁ =120 м³/с Масса выбрасываемой нетоксичной пыли М = 8,2 кг/ч. Аэрационный фонарь располагается на высоте Н =12 м. Значение коэффициента принять А = 120, a F =l.

Решение: аэрационный фонарь разбиваем на N одинаковых участков, каждый из которых заменяем одиночным источником выброса. Максимальная концентрация вредных веществ для каждого участка

где — максимальная концентрация вредных веществ для одиночного источника холодных выбросов с круглым устьем диаметром D_экв и эквивалентным объемом газовоздушной смеси V_экв;

Масса выбрасываемых вредных веществ одиночным источником принимается равной суммарному выбросу из всего фонаря.

Определяем D_экв и V_экв:

0,3< υ_м<2;

Приземная концентрация вредного вещества в любой точке местности при наличии N близко расположенных источников определяется как сумма концентраций вредных веществ в этой точке от отдельных источников, т. е. с_т=с_т' = 0,37 мг/м³, что не превышает ПДК.

2. СНИЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

Задача 2.1. Определить параметр золоулавливания П и степень улавливания золы η в горизонтальной камере, работающей по принципу гравитационного осаждения, для различных фракций золовых частиц (5—50 мкм), оценить размеры такой камеры L и Н для энергетического парового котла (D_пе=320 т/ч; V_{ух.газов}=120 м³/с; υ_ух =150°С; ширина газохода уходящих газов а =12 м). Плотность золовых частиц принять равной ρ_ч =2300 кг/м³, скорость газов в камере принять u = 0,5 – 2 м/с, медианный размер частиц принять d₅₀ =5; 10; 20; 30; 40; 50 мкм.

Решение: параметр золоулавливания

где υ — скорость дрейфа, м/с; υ =τg; τ — время релаксации, с; τ=р_чd²/18 μ; μ — коэффициент динамической вязкости, Па·с (для условий задачи μ =22·10⁶ Па·с); и — скорость газов в камере, м/с; Н — высота камеры, м,

L – длина камеры, м. При известных величинах Н, υ и и величину можно оценить как ; например, для фракции d =10 мкм и скорости газов и= 1м/с (что практически невыполнимо), Для ламинарного режима течения η = П и р (проскок) = 1— η; для турбулентного режима р = ехр (— П) и η =1— р.

Задача 2.2. Определить параметр золоулавливания П и степень улавливания золы в циклоне η для энергетического парового котла (D_пе = 320 т/ч; V_{ух.газов} = 120 м³/с; υ_ух =150°С), для различных фракций золовых частиц d₅₀ = 5—50 мкм при плотности ρ_ч =2300 кг/м³. Принять окружную скорость газов в циклоне u =10—20 м/с, скорость газов в поперечном сечении циклона u_ц =4,5 м/с, число циклонов на котел — 4.

Решение: при принятых значениях скоростей газов u_ц = 4,5 м/с и u =15 м/с определяем диаметры наружного D и внутреннего D_o цилиндров циклона

принимаем высоту потока в циклоне h =3,3 м и определяем D_o из уравнения или отсюда D_o = 1,7 м.

Параметр золоулавливания

где τ —время релаксации; τ=p_чd_ч²/18μ; R — радиус циклона; D^’₀=D₀/D = 1,7/2,9=0,586; для золы с d₅₀ =l0 мкм получаем П =0,091, р = ехр(—П) =0,91 и η = 1— р =0,09; для золы с d₅₀ =40 мкм, П =1,45; р =0,23 и η = 0,77. Аналогично проанализировать для золы с другими d₅₀, а также для других значений и из рекомендованного интервала и других размеров циклона.

Задача 2.3. Для условий задачи № 2 определить параметр золоулавливания П и степень улавливания золы η в батарейном циклоне по формулам из теории золоулавливания, а также по эмпирической формуле, учитывающей реальные условия работы батарейного циклона (формула 10.10 из [1]). Размеры циклонных элементов (принять по рис. 10.2 в из [1]) D = 231 мм, D₀=127 мм. Выполнить анализ результатов задачи № 2 и № 3.

Решение: при значении скорости газов u_ц =4,5 м/с (рекомендуемая величина) определяем суммарное поперечное сечение всех элементов батарейного циклона ω и число циклонных элементов z

округляем до 630 штук. Согласно табл. 10.2 [1] выбираем типоразмер батарейного циклона БЦУ-М (4 12 m). Расход газов через 1 циклонный элемент V₁ = V/z = 120/630=0,19 м³/с Сечение для потока газов (в промежутке между цилиндрами)

и окружная скорость газов

Параметр золоулавливания по теоретической формуле (все обозначения как в задаче 2).

Для условий задачи и золы с d₅₀ =10 мкм имеем П =1,02, р = ехр(—П)=0,36, η = 0,64(64%), для золы с d₅₀ =40 мкм имеет П=16,3, р = 0 и η = 100%. Эти результаты показывают преимущество батарейного циклона по сравнению с простым циклоном. Аналогичные результаты получаются и для золы с другими размерами фракций. Параметр золоулавливания по эмпирической формуле [1]

где К — коэффициент, учитывающий тип циклона. Для БЦУ К =0,5. Для золы с d₅₀ =10 мкм имеем П = 2,32; р =0,1 и η = 0,90. Для золы с d₅₀ =40 мкм П = 5,85, р =0,003 и η = 0,997(99,7%).

Задача 2.4. Определить параметр золоулавливания П и степень улавливания золы η в батарейном циклоне для реального топлива с использованием данных по его фракционному составу, определяя проскок для каждой фракции отдельно и общий проскок золы. Исходные данные взять из табл. 10.1 [1] для любого вида топлива.

Решение: параметр золоулавливания для i фракции определяем по формуле

Берем батарейный циклон типа БЦУ (К=0,5), принимаем, что скорость газов, отнесенная к полному сечению циклона u_ц =4,5 м/с.

Проскок для i -й фракции р = ехр(—П_i); общий проскок золы определяем по выражению где - для i-й фракции при входе в золоуловитель, %. Степень улавливания золы η = 1— р.

Задача 2.5. Выбрать типоразмер мокрого золоуловителя с трубой Вентури (МС-ВТИ) для парового котла D_пе = 320 т/ч (можно 640 т/ч), V =120 м³/с, υ_ух =150^оС и определить достигаемую степень улавливания золы η. Сравнить по эффективности циклон батарейный и мокрый золоуловитель.

Решение: определяем суммарное поперечное сечение каплеуловителей

где u_к – скорость газов в сечении каплеуловителя; u_к принимается равной 5 м/с. По таблице 1 [2] выбираем золоуловитель типа МС-ВТИ с внутренним диаметром корпуса D =2,8 м и сечением каплеуловителя ω_ку = 5,72 м². На котел ставим четыре золоуловителя (z =4). Определяем скорость газов в горловине коагулятора Вентури (KB) u м/с,

здесь ω_r — сечение горловины KB (табл. 1 [2]). Полученная величина u удовлетворяет условию (50≤ u ≤70), при котором обеспечивается оптимальная работа KB и всего золоуловителя в целом, поэтому можно остановиться на выбранном типоразмере.

Параметр золоулавливаня П определяем по эмпирическому соотношению (1) Выбираем Q_ж — удельный расход воды на орошение 1 м³ газа равным 0,2 кг/м³ (максимальное из рекомендуемого диапазона 0,12—0,2 кг/м³). При этих условиях получаем параметр золоулавливания П = 3,63, степень проскока золы р = ехр(—П) =0,027 и степень улавливания золы η=1—р=0,973. Далее выполняется сравнительный анализ эффективности золоуловителей различных типов.

Задача 2.6. Определить степень улавливания золы η мокрым золоуловителем типа МС-ВТИ по условию отсутствия интенсивной коррозии в газовом тракте за золоуловителем. Исходные данные как в задаче 2.5.

Решение: выбор типоразмера золоуловителя в соответствии с исходными данными произведен в задаче 2.5. Для выбранного золоуловителя из табл. 2.1 берем все необходимые для расчета величины: D — внутренний диаметр капле-уловителя, м; Н — полная высота корпуса, м; Н_ор — высота орошения, м; L_кв — активная длина коагулятора Вентури, м, и др.

Расчет максимальной величины удельного расхода воды на орошение газов в KB (Q_ж^max) при условии отсутствия интенсивной коррозии газового тракта за золоуловителем выполняется на базе инженерной методики (3) и методических указаний (2).

Задаем минимально допустимое значение температуры газов за золоуловителем Для большинства видов углей t_м.г = 50°С, для влажных бурых углей t_м.т = 55—60°С. Для определения температуры газов перед каплеуловителем (после KB) используем выражение (2, 3)

здесь θ_К — коэффициент, соответствующий охлаждению газов водяной пленкой на стенах каплеуловителя при температурном напоре Δt=l°C, определяется по рис. 2.1 в зависимости от отношения H_op/D и скорости газов на входе в корпус каплеуловителя. Для выбранного типоразмера θ = 0,41 (u_вх =16 м/с; Н_op/D = 2,5); температура воды на входе в аппарат, t_в^вх =15. Привяв t_мт = 55°С, получаем υ_кв^вых =88°С.

Далее рассчитывается средний температурный напор в KВ (принимая t_в^вых=t_м.г)

И значение комплекса

По рис. 2.2 определяется значение Q_ж^max·L_кв ≈1,2 и величина Полученная величина Q_ж^max превосходит рекомендуемые значения (0,12-0,2 кг/м³). Это объясняется высокой температурой уходящих газов υ_ух =150 (в нашем случае) и относительно малой длиной КВ (L_кв =2,95 м). Для большей надежности обеспечения безкоррозионного режима следует уменьшить полученное значение Q_ж^max на 30%, т.е. подавать на орошение порядка 0,28 кг/м³ воды. При таком значении Q_ж и принятых величинах u степень улавливания золы лежит на уровне 98%.

Таблица 2.1

Конструктивные и технико-экономические показатели нормального ряда мокрых золоуловителей МС – ВТИ

Наименование показателя	Показатели
Внутренний диаметр корпуса по металлу D0, м	2,8	3,0	3,2	3,6	4,0	4,5
Сечение, м^2	5,72	6,60	7,54	9,62	11,93	15,20
Полная высота корпуса, Н, м	9,66	10,32	10,98	12,29	13,61	15,2
Высота орошения, Нop, м		7,5	7,8
Активная длина КВ, Lкв,м	2,95	3,27	3,51	3,74	4,13	4,69
Сечение горловины КВ,м^2	0,45	0,53	0,644	0,81	1,00	1,30
Номинальная производительность, тыс. м^3/ч
Расход металла на аппарат, т	7,0	8,0	9,1		14,2	18,0
Удельная металлоемкость, т/(тыс.м^3/ч)	0,078	0,074	0,073	0,072	0,071	0,072
Рабочая масса аппарата, т	15,3	17,2	20,1	24,6	29,9	37,8
Расход воды на орошение корпуса, т/ч	4,4	4,7	5,0	5,7	6,3	7,0
Удельный расход воды на орошение газов в КВ,кг/м^3			0,12-0,18
Номинальная скорость газов в горловине КВ, м/с			50-55
Гидравлическое сопротивление аппарата, Па			800-1100
Степень очистки газов от золы, %			95-97
Удельный расход электроэнергии на очистку газов,Мдж/тыс.м^3			1,2-1,5

Задача 2.7. Определить степень улавливания золы в аппарате типа МС-ВТИ при прекращении подачи воды на орошение в KB и стенки каплеуловителя. Все исходные данные взять как в задаче 2.5.

Эту задачу студентам предлагаем решить самостоятельно. Отметим только, что в этом случае мокрый золоуловитель превращается в циклон. Необходимые для расчета величин П, р и η зависимости имеются в [1], а также в задачах 2.1—2.3.

Задача 2.8. Сравнить величины ступени улавливания золы η в четырехпольном электрофильтре типа ЭГА-1-30-12-6-4 и батарейном циклоне типа БЦУ-М, использую теоретические зависимости для параметра золоулавливания. Считать, что скорости газов в аппаратах обоих типов оптимальны. Принять, что υ_ух =150°С, d₅₀ =15 мкм, величины ρ и μ как в задаче 2.1, считать, что зола имеет высокое удельное электрическое сопротивление (УЭС), а Е_эф= 200 кВ/м.

Выполнить анализ полученных результатов.

Решение. Параметр золоулавливания для циклонного элемента батарейного циклона (БЦУ-М) определяем как в задаче 2.3;

Степень проскока р = ехр(—П) =0,1; степень улавливания золы η=0,9 или 90%; при этом кинематический параметр К=0,164, а параметр формы Ф=13,9. Параметр золоулавливания для электрофильтра скорость дрейфа υ определяем по выражению (1) Скорость газов в сечении u =1,2 м/с, длина одного поля L_п =3,84 м, расстояние между коронирующими и осадительными электродами t=0,15 м/с [1], при этом К =0,125, а Ф =102,4. Степень проскока р = ехр(—П) =0, а η=100%.

Задача 2.9. Определить, во сколько раз и за счет каких факторов параметр золоулавливания электрофильтра типа ЭГА-1-30-12-6-4 (П₁) превосходит параметр золоулавливания электрофильтра типа ЭГА—1—30—75—4—3 (П₂). Принять, что физические свойства золовых частиц и скорости газов одинаковы для обоих типов электрофильтров, поля скоростей газов в сечении электрофильтров равномерны, потоки газов через неактивные зоны отсутствуют.

Решение: параметр золоулавливания при условиях задачи определяется по выражению

Для указанных типов электрофильтров будут различаться величины К_ун и параметры формы Ф=n·L_п/t; поэтому коэффициент, характеризующий вторичный унос, определяется по выражению (1) (коэффициент встряхивания) В итоге

раза. Все размеры различных марок электрофильтров взяты из табл. 10.4 [1].

Задача 2.10. Определить, на какой тип электрофильтра ЭГА—1—30—12—6—4 или ЭГА—1—30—75—4—3 большее влияние оказывает неравномерность поля скоростей по сечению при установке на входе одинаковых газораспределительных устройств (например, газораспределительного устройства МЭИ (с одной решеткой), а также протекание газов через неактивные и полуактивные зоны при установке в бункерах одинакового типа перегородок.

Решение: анализ влияния неравномерности поля скоростей выполняется на основании выражения из [1] р_а = (1+R·Δu²_ср)·р_Р, где р_а и р_р степень проскока при неравномерном и равномерном полях скоростей соответственно, R = 0,125(1+П_р) П_р — коэффициент, отражающий влияние неравномерности, при различных отклонениях скорости, Δu²_ср — средний квадрат отклонения скорости от среднего значения. Для газораспределительного устройства с объемными элементами МЭИ Δu²_ср определяются по табл. 10.7 [1].

Анализ влияния протекания газов через неактивные и полуактивные зоны выполняется по выражению р=(1—φ_п— φ_н)·р_a+φ_п·β·p_a+φ_н, где φ_п и φ_н — для потока через полуактивную и неактивную зоны определяются по рекомендациям [l], β — коэффициент, учитывающий увеличение проскока в полуактивной зоне: р=β·р_а, β = 2 – 3.

Задача 2.11. Определить необходимое количество известняка (СаСОз) для очистки 106 тыс·нм³/час дымовых газов с содержанием SO₂=0,24%, если КПД установки равно η = 0,94.

Решение:

1) Очистка дымовых газов проходит по реакциям

CaCO₃+SO₂=CaSO₃+H₂O;

CaSO₃+1/2 O₂+2 H₂O= CaSO₄·2 H₂O.

2) Найдем массовый расход уловленной серы, учитывая,
что принято выражать количество газообразного загрязнителя в воздухе в частях на миллион (ррm):

При температуре 0°С и 760 мм рт. ст. (1 атм) соотношение между ррm и весовой концентрацией с мг/куб. м равно
1 мг/куб. м = ppm молекулярный вес/22,45

или

Массовый расход оксида серы

Массовый расход уловленного оксида серы

3) Расход известняка найдем как

где , – молекулярные веса СаСОз и SO₂.

Дата добавления: 2015-07-14