Расчёт технологических выбросов и экологических показателей рабочего процесса котельной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: " Экология и безопасность жизнедеятельности"

 

 

 

 

 

 

Расчётно-пояснительная  записка к курсовому проекту

на тему:

«Расчёт технологических  выбросов и экологических показателей  рабочего процесса котельной»

 

по курсу:  «Промышленная экология»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Пенза 2011

Оглавление

Задание 3

Введение 4

Теоретическая часть 7

   1. Особенности горения твердого топлива 7

   2. Сжигание топлива в камерных топках 9

   3. Место и роль твердого топлива в энергетики России 12

   4. Снижение выброса золовых частиц из топок котлов конструктивными и технологическими методами 14

   5. Золоулавливание и типы золоуловителей 15

   6. Циклонные (инерционные) золоуловители 15

Расчетная часть 18

   1.  Исходные данные 18

   2. Расчет элементарного состава рабочего топлива 19

   3. Расчет масс и объемов продуктов сгорания топлива при сжигание в котельных 19

   4. Определение  диаметра устья дымовой  трубы. Определение высоты трубы Н 21

   5. Расчёт рассеивания и нормативов предельно допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу 21

   6. Определение требуемой степени очистки. 23

Применяемые устройства 24

Заключение 25

Список использованной литературы 27

 

 

 

 

 

 

 

Задание

 

1. По заданным расчетным характеристикам твердых топлив определить элементарный состав рабочего топлива.
2. Используя результаты п.1 и исходные данные, рассчитать выбросы и объемы продуктов сгорания твердых частиц А, оксидов серы SO_x, оксида углерода CO, оксидов азота NO_x, расход газов, поступающих в дымовую трубу при рабочих условиях котельной установки.
3. По результатам п.2 и исходным данным определить диаметр устья дымовой трубы. Определить высоту трубы H.
4. Определить наиболее ожидаемую концентрацию С_м (мг/м³) вредных веществ: оксида углерода СО, сернистого газа SO₂,  оксидов азота NO_x, пыли, (золы) в приземном слое атмосферы при неблагоприятных условиях рассеивания.
5. Сравнить фактическое содержание вредных веществ в атмосферном воздухе с учетом фоновой концентрации (С_м+С_ф) с санитарно-гигиеническими нормами (ПДК), если ПДК^СО=5 мг/м³, ПДК^NO2= 0,085, ПДК ^SO2=0,5 мг/м³, ПДК^пыли=0,5 мг/м³ .
6. Рассчитать ПДВ отдельно по каждому выбрасываемому веществу с учетом фоновых концентраций C_ф, мг/м³
7. Определить требуемую степень очистки и дать рекомендации по снижению выбросов, если фактический выброс М какого-либо вещества превышает расчетный норматив (ПДВ).
8. Разработать и обосновать применяемые способы и устройства для очистки сбросных вредных веществ.

 

 

 

 

Введение

 

Промышленное  производство и другие виды хозяйственной  деятельности человека сопровождаются выделением загрязняющих веществ в  окружающую природную среду. Одним  из крупномасштабных промышленных загрязнителей  окружающей среды является топливно-энергетический комплекс (ТЭС).

Развитие  промышленного производства, создание новых материалов и технологий, широкое  внедрение управляющей и вычислительной техники требуют увеличения производства электрической энергии. В комплексе  горячее водоснабжение и кондиционирование  воздуха ведут к росту потребления  тепловой и электрической энергии. За счет увеличения количества и ассортимента бытовой техники возросло потребление  электроэнергии в быту. В результате этого возник колоссальный рост потребления  электроэнергии во всех странах.

Использование возобновляемых источников энергии  имеет ограниченные возможности, а  ядерной энергии -  связано с  рядом проблем получения топлива  и утилизации отходов.

Данные  факторы заставляют для получения  энергии использовать во все возрастающих масштабах запасы ископаемых видов  топлива, накопленных на нашей планете  за миллионы лет.

Ископаемые  топлива используют путем их непосредственного  сжигания  или после  их переработки  в более высококачественные топлива.

Значительный  ущерб окружающей среде наносят  котельные установки, использующие сжигание твёрдых, жидких и газообразных топлив при нагреве воды для систем отопления.

Основным  источником негативного воздействия  энергетики являются продукты, образующиеся при сжигании органического топлива.

Рабочая масса органического топлива  состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и золы. В результате полного сгорания топлив образуются углекислый газ, водяные пары, оксиды серы (сернистый газ, серный ангидрид и зола). К числу токсичных относятся оксиды серы, зола. В ядре факела топочных камекотлов большой мощности происходит частичное окисление азота воздуха топлива с образованием  оксидов азота (оксид и диоксид азота).

При неполном сгорании топлива в топках могут  образовываться также оксид углерода СО₂, углеводороды СН₄, С₂Н₆, а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.

Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб электростанций токсичные вещества оказывают вредное  воздействие на весь комплекс живой  природы и биосферу.

Предприятия ТЭК оказывают значительное воздействие  на водные объекты, в основном в форме  теплового загрязнения, которое  приводит к целому комплексу как  прямых, так и косвенных последствий: в 5-16 раз увеличивается испарение  воды, в результате значительно повышается минерализация вод, нарушается карбонатно-кальциевое равновесие,   в подогретых водах  нарушается растворимость кислорода.

Комплексное решение проблемы защиты окружающей среды от воздействия вредных  выбросов при сжигании топлив в котельных  агрегатах включает:

• Разработку и внедрение технологических процессов, снижающих выбросы вредных веществ за счет полноты сгорания топлив и др.;
• Внедрение эффективных методов и способов очистки сбросных газов.

 

 

 

Наиболее эффективный путь решения экологических проблем на современном этапе – создание технологий,  приближенных к безотходным. При этом одновременно решается проблема рационального использования природных ресурсов, как материальных, так и энергетических. Но к сожалению, в настоящее время большинство производств далеки от идеальной безопасности. Поэтому нормирование количества выбрасываемых в биосферу веществ и последующий контроль за соблюдением установленных норм продолжает оставаться основанием для оценки экономической безопасности объектов, тем ограничениям, на который ориентируется проектировщики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

1. Особенности горения твердого  топлива

 

Горение твердого топлива включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение. В процессе тепловой подготовки топливо прогревается, высушивается, и при температуре около 110 начинается пирогенетическое разложение составляющих его компонентов с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц и условий теплообмена между окружающей топочной средой и частицами топлива. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты главным образом на подогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений.

Собственно  горение начинается с воспламенения  летучих веществ при температуре 400-600, а выделяющаяся в процессе горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка.

Горение  кокса начинается при температуре  около 1000 и является наиболее длительным процессом.

Это определяется тем, что часть кислорода в  зоне у поверхности частицы израсходована  на сжигание горючих летучих веществ  и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции  всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

В итоге  общая длительность горения твердой  частицы в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). У молодых  топлив, имеющих большой выход  летучих веществ, коксовый остаток  составляет менее половины начальной  массы частицы, поэтому их сжигание (при равных начальных размерах) происходит достаточно быстро и возможность  недожога снижается. Старые виды твердых топлив обладают крупным коксовым остатком, близким к начальному размеру частицы, горение которого занимает все время пребывания частицы в топочной камере. Время сгорания частицы с начальным размером 1мм составляет от 1 до 2,5 с в зависимости от вида исходного топлива.

Коксовый  остаток большинства твёрдых  топлив в основном, а для ряда твердых топлив почти целиком  состоит из углерода (от 60 до 97 % органической массы топлива). Учитывая, что углерод  обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с  поверхности. Кислород подводится из окружающ0щей  среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии (турбулентного  массопереноса), имеющей достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно  у поверхности частицы сохраняется  тонкий газовый слой (пограничный  слой), перенос окислителя через  который осуществляется по законам  молекулярной диффузии.

Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих  газовых компонентов, выделяющихся с поверхности углерода в ходе химической реакции.

Выделяют диффузионную, кинетическую и промежуточную область горения. В промежуточной и особенно в  диффузионной области интенсификация горения возможна усилением подвода  кислорода, активизацией обдувания  потоком окислителя горящих частиц топлива. При больших скоростях  потока уменьшаются толщина  и  сопротивление ламинарного слоя у поверхности и усиливается подвод кислорода. Чем выше эта скорость, тем интенсивнее перемешивание топлива с кислородом и тем при более высокой температуре происходит переход   из кинетической в промежуточную зону, а из промежуточной -  в диффузионную зону горения.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением  размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют  более развитый тепломассообмен с окружающей средой. Таким образом, при уменьшении размера частиц пылевидного топлива расширяется область кинетического горения. Повышение температуры приводит к смещению в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения  пылевидного топлива ограничена преимущественно ядром факела, отличающимся наиболее высокой температурой горения, и зоной догорания, где концентрации реагирующих веществ  уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива  начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области.

В кинетической области горения  определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность  топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.

2. Сжигание топлива в камерных  топках

 

В мощных паровых котлах применяется сжигание всех видов топлива: газового, жидкого  и твердого в смеси с воздухом в камерных топках.

Приготовление такой смеси требует предварительной  подготовки твердого и жидкого топлива, связанной главным образом с  его измельчением (пылеприготовление  и распыление мазута).

Подготовленное  для сжигания топливо вводится в  топочную камеру через горелки. Окончательный  процесс перемешивания топлива  с воздухом происходит в объеме топки  за счет энергии струй, созданных  в горелочном устройстве.

Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой концентрации горючего, окислителя и при повышенной турбулентности потока, созданной горелкой. Зона топочной камеры, в пределах которой  идет интенсивное горение топлива  до степени выгорания 0,85-0,9 называют зоной  ядра факела. Она отличается высоким температурным уровнем  и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности  нагрева.

По своим  размерам зона ядра факела занимает 1/3-1/5 объема топочной камеры. Остальная  часть топки составляет зона догорания  топлива и охлаждения газов. Здесь  сочетаются низкая концентрация горючего и окислителя и слабая турбулентность газового потока, поэтому догорание  топлива происходит в глубоко диффузионной области и идет медленно.

Степень выгорания топлива в топочной камере обычно относят к условной длине факела l_ф, под которой понимают расстояние  от устья горелки до оси топки по горизонтали, затем расстояние от уровня горелок до уровня середины горизонтального газохода по вертикали и далее по горизонтали до выхода из топки.

Угольная  пыль отличается полифракционным составом. Её горение начинается с мелких  фракций, прогрев которых до воспламенения завершается за сотые доли секунды пребывания в топочной камере. Горение мелких фракций ускоряет прогрев более крупных, но их горение начинается уже тогда, когда значительная часть кислорода в пылевоздушной струе израсходована. Поэтому крупные фракции создают основную долю недожога топлива на выходе из топки. В высокотемпературной области (выше 1700-1800) начинает заметно сказываться диссоциация (расщепление молекул СO₂ и H₂О) с поглощением теплоты.