Расчеты выбросов тепловых электрических СТАНЦИЙ

3. РасчетЫ выбросов тепловых электрических

СТАНЦИЙ

3.1. Основные положения

На тепловых электростанциях в зависимости от вида используемого топлива, способа его сжигания, совершенства технологии производства электроэнергии и типа очистных сооружений имеет место не зарегулированный выход отходов: газовых, твердых, жидких. Количество их определяется по данным периодических или постоянных измерений концентраций вредных веществ, либо путем расчетов по нормативным методам. Расчетные методы [16-21] применяются только при отсутствии на ТЭС приборов для непрерывного автоматического контроля отходов. Расчет вредных выбросов используется для:

– контроля вредных веществ;

– планирования мероприятий по снижению вредных отходов;

– составления статистической отчетности;

– определения норм предельно допустимых и временно согласованных выбросов.

Расчеты валовых отходов проводятся исходя из номинальной тепловой и электрической нагрузок электростанций при стационарном режиме работы оборудования и наихудших характеристиках топлива за рассматриваемый период.

3.2. Расчет выбросов твердых частиц

Суммарное количество твердых частиц летучей смеси и несгоревшего топлива , т/год, г/с, выбрасываемого в атмосферу с уходящими газами от каждого котла, определяется по одному из уравнений:

(3.1)

где В – расход топлива, т/год, г/с;

М_з – количество летучей золы в выбросах, т/год, г/с;

М_с.ч – количество твердых частиц, образующихся в результате механического недожега и выбрасываемых в атмосферу в виде сажи или коксового остатка, т/год, г/с;

– зольность топлива на рабочую массу [6], %;

– доля золы, уносимая газами из котла [6];

– коэффициент полезного действия золоуловителя;

– низшая теплота сгорания топлива [6], кДж/кг;

– содержание горючих в уносе, %;

– потери от механической неполноты сгорания топлива [6], %;

32680 – теплота сгорания углерода, кДж/кг.

Содержание горючих в уносе принимается в зависимости от избытка воздуха за пароперегревателем (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Содержание горючих в уносе

	1,01	1,02	1,04	1,06	1,08
, %	0,80	0,60	0,35	0,25	0,20

Количество твердых отходов, т/год, г/с, направляемых от котла на золоотвалы, в этом случае определяются по уравнению

где М_тв._S – суммарное количество твердых отходов, образующихся при сжигании топлива в котле, т/год, г/с.

3.3. Расчет содержания диоксида углерода в уходящих газах

Основным продуктом сгорания топлива в котлах ТЭС является диоксид углерода. Содержание диоксида углерода в уходящих газах котлов, , т/год, г/с, определяется по уравнению

, (3.2)

где – содержание углерода в топливе, %;

– выделение диоксида углерода в различных улавливающих установках;

– содержание оксида углерода в уходящих газах, определяется по методике, представленной выше;

– коэффициент, учитывающий различие в плотностях углекислого и угарного газов при расчетной температуре; можно принимать = 1,36.

3.4. Расчет выбросов оксидов серы

Количество оксидов серы определяется в пересчете на содержание в уходящих газах только . Количество диоксида серы, , т/год, г/с, выбрасываемого в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле

, (3.3)

где – содержание серы на рабочую массу, %;

– доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле;

– доля оксидов серы, улавливаемых в мокрых золоуловителях попутно с улавливанием твердых частиц летучей золы;

– доля оксидов серы, улавливаемых в сероочистных установках;

– длительность работы сероочистных установок и котла соответственно, ч/год.

В табл. 3.2 приведены ориентировочные значения при факельном сжигании различных топлив в камерных топках.

Таблица 3.2

Доля оксидов серы в летучей золе котла

Вид топлива, тип шлакоудаления
Торф Сланцы: - Ленинградские, - других месторождений Березовский уголь для топок: - с сухим шлакоудалением - с жидким шлакоудалением Другие угли КАТЭК для топок: - с сухим шлакоудалением; - с жидким шлакоудалением. Угли других месторождений Мазут Газ	0,15 0,8 0,5 0,02 0,5 0,2 0,2 0,05 0,1
0,02 0,0

В сухих золоуловителях (электрофильтрах, батарейных циклонах) оксиды серы не улавливаются. В мокрых золоуловителях улавливаемая доля оксидов серы () зависит от общей щелочности орошающей воды и от содержания серы в топливе. На рис. 3.1 приведена зависимость величины от приведенной сернистости топлива при различной степени щелочности воды, где находят по уравнению.

S^п, %кг/МДж

Рис. 3.1. Доля SO₂, улавливаемая в мокрых золоуловителях при щелочности орошающей воды:1 – 10 мг-экв/дм³; 2 – 5 мг-экв/дм³; 3 – 0 мг-экв/дм³

3.5 Расчет выбросов азота на тепловых электростанциях

Нормативный метод расчета выбросов азота [21] базируется на эмпирических зависимостях, которые имеют погрешность до 20 %, и применим для энергетических котлов с паропроизводительностью более 30 т/ч и для водогрейных котлов с теплопроизводительностью 125 ГДж/ч.

Суммарное количество оксидов азота в пересчете на двуокись азота , т/год, г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании в котлах твердого жидкого или газообразного топлива, определяется из уравнения

, (3.4)

где – коэффициент, учитывающий влияние качества топлива на выход оксидов азота, находится из табл. 3.3;

– коэффициент, учитывающий конструкцию горелок; для вихревых горелок = 1,0; для прямоточных – = 0,85;

– коэффициент, учитывающий систему шлакоудаления: при жидком шлакоудалении = 1,6, в остальных случаях – = 1,0;

– коэффициент, характеризующий условия подвода в топку и эффективность воздействия рециркулирующих газов при номинальной нагрузке (табл. 3.5); при уменьшении нагрузки , f – коэффициент, учитывающий уменьшение паропроизводительности котла: f = 0,4 + 0,6 D_ф/D_н;

– коэффициент, учитывающий ступенчатую подачу воздуха в горелки: если часть воздуха (, %) подается помимо основных горелок (например, при двухступенчатом сжигании топлива), определяется из рис. 3.2;

r – степень рециркуляции дымовых газов, %;

– эффективность действия азотоочистных установок;

– длительность работы азотоочистных установок котла, ч/год;

К – коэффициент, характеризующий выход оксидов азота, кг/т условного топлива; при сжигании газа и мазута коэффициент К определяется по формуле

– фактическая и номинальная паропроизводительность котла, т/ч; для водогрейных котлов при сжигании твердого топлива в расчетах используется фактическая и номинальная теплопроизводительности Q_ф и Q_н, ГДж/ч;

а, в – коэффициенты, выбираемые в зависимости от мощности котла (приведены в табл. 3.4.).

Рис. 3.2. Коэффициент при сжигании в котле: 1 – мазут; 2 – уголь; 3 – газ.

Таблица 3.3

Значение коэффициента

Вид топлива	Коэффициент избытков воздуха	Коэффициент
Твердое	1,25 > 1,25	0,178 + 0,47 (0,178 + 0,47)
Жидкое	>1,05= 1,05…1,03 < 1,03	1,0 0,9 0,75

Таблица 3.4

Значение коэффициентов а, в

Энергетические Водогрейные 200 30…200 - 7,5 2,5

Таблица 3.5

Значение коэффициента

Характеристики процесса сжигания топлива	Коэффициент
1. Газ, мазут (горелки на вертикальных экранах):
рециркуляция < 20 % – в под топки	0,0025
- через шлицы под горелками	0,015
- по наружному каналу горелок	0,025
- в воздушное дутье и рассечку двух воздушных потоков	0,035
2. Твердое топливо:
а) высокотемпературное сжигание; ввод газов рециркуляции (< 20%) в первичную аэросмесь	0,01
- во вторичный воздух	0,005
б) низкотемпературное сжигание с твердым шлакоудалением (< 23050 кДж/кг;Т_ф< 1500 ⁰С)	0,0

3.6. Расчет выбросов оксидов азота на выходе из

газотурбинной установки (ГТУ)

Расчет выбросов оксида азота от газотурбинных установок несколько отличается от расчета выбросов для обычных котлов. Суммарное количество оксидов азота , г/с, в пересчете на диоксид азота , выбрасываемое в атмосферу с уходящими газами ГТУ, определяется по формуле

где – удельный выброс , г/кг, топлива, ;

– концентрация оксидов азота в уходящих газах в пересчете на , г/м³; при номинальном режиме для большинства ГТУ = 0,1…0,3, г/м³; для высокофорсированных ПГУ = 0,1…0,2, г/м³;

– объем сухих уходящих газов за турбиной, м³/кг; при номинальном режиме величина определяется по уравнению

Здесь – теоретический объем газов, м³/кг ;

– теоретически необходимый объем воздуха, м³/кг;

– коэффициент избытка воздуха в уходящих газах за турбиной; для ГТУ =3…8 (см. табл.3.5);

– теоретический объем водяных паров, м³/кг.

Влагосодержание атмосферного воздуха учитывается коэффициентом, равным 0,984.

Снижение выбросов в уходящих газах ГТУ без изменения конструкции камеры сгорания можно добиться впрыском воды или водяного пара в зону горения. Концентрация оксидов азота при подаче влаги в зону горения определяется по уравнению

где – концентрации оксидов азота при подаче влаги в камеру сгорания и без нее соответственно, г/м³;

К_вл – коэффициент, учитывающий влияние влаги на изменение концентрации оксидов азота; определяется по рис.3.3.

G_вл/В

К_вл

Рис. 3.3. Значение коэффициента К_{ВЛ ,}учитывающего влияние влаги

В зависимости от количества вводимой влаги = 0,2…1,0), содержание оксидов азота в уходящих газах уменьшается в 1,4…4 раза. Здесь G_вл и В – количество вводимой влаги, кг/с, и расход топлива, кг/с, соответственно.

3.7. Расчет выбросов оксидов азота за ГТУ при

переменных режимах

Газовые турбины являются более маневренными установками, чем другие теплоэнергетические агрегаты. Поэтому они широко используются в пиковых и полупиковых режимах работы при покрытии суточных графиков нагрузок.

Характеристики энергетических ГТУ, работающих на различных газообразных и жидких топливах и использующих разные типы камер сгорания, приведены в табл.3.6.

Удельные выбросы оксидов азота при неноминальном режиме работы рассчитывается по уравнению

где – коэффициенты избытков воздуха в отработавших газах ГТУ, соответствующие условиям измененного и номинального режимов; для номинального режима данные для определения можно найти в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Характеристики энергетических газовых турбин

При использовании в энергетических ГТУ высокофорсированных камер сгорания с последовательным вводом воздуха в зону горения и микрофакельных камер… , где а – коэффициент, учитывающий вид топлива и конструкцию камеры сгорания (находится по табл.3.7.);

Значение коэффициента а

КТ – коэффициент, учитывающий влияние температуры газов перед турбиной (ТГТ) на образование оксидов азота; для высокофорсированных и микрофакельных… КР – коэффициент, учитывающий давление в камере сгорания, рассчитывается по… ,

Таблица 3.8

Значение коэффициентов , , ,

Вид топлива
Газ	22,8	5,01	0,6	1,2
Дизельное и газотурбинное	30,8	2,5	1,0	1,0

3.9. Расчет выбросов оксидов ванадия

Соединения ванадия являются составной частью мазутной золы. Количество оксидов ванадия в пересчете на пятиокись ванадия , т/год, кг/с, выбрасываемое с уходящими дымовыми газами котла, сжигающего жидкое топливо, определяется по уравнению

где – содержание оксидов ванадия в жидком топливе в пересчете на , г/т;

– коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева котлов: при очистке поверхностей нагрева только на остановленном котле с промперегревом – = 0,07, без промперегрева – = 0,05, в других случаях – = 0,00;

– доля твердых частиц продуктов сгорания жидкого топлива, улавливаемого в золоуловителях мазутных котлов.

Содержание оксидов ванадия можно ориентировочно определять по эмпирической формуле , где – содержание золы в мазуте на рабочую массу, %.

3.10. Расчет выбросов малых элементов или

других любых ингредиентов

Количество выбросов i -го элемента М_i, г/с, за установленный период определяется по одному из следующих уравнений:

где – средняя концентрация рассчитываемого элемента в единице объема уходящих потоков газа, г/;

– объем среды на единицу количества топлива в сечении, для которого определена величина , /кг;

– концентрация i -го элемента в единице массы золы, г/кг;

– степень выноса элемента с уходящими потоками ;

– зольность топлива на сухую массу, %;

– содержание i -го элемента в топливе, г/кг;

– коэффициент, учитывающий долю элемента, остающегося в котле;

– коэффициент, учитывающий улавливание элемента в очистных установках.

Эти уравнения можно применять как для элементов, покидающих котел, так и для элементов, выбрасываемых из котельной установки вместе с водными потоками и золошлакоудалением.

3.11. Основы управления качеством окружающей среды

В настоящее время управление качеством окружающей среды производится установлением стандартов качества атмосферы, на базе которых и планируется как развитие промышленности, так и сокращение вредных выбросов. Наличие стандартов качества воздуха стимулирует усилия по улучшению экономической обстановки в регионе.

По рекомендациям Всемирной организации по вопросам здравоохранения при ООН количественные характеристики концентраций делятся на четыре уровня:

1-й – невозможно обнаружить прямое или косвенное влияние на человека, животных или растительность;

2-й – возможно раздражение органов чувств, вредное воздействие на растительность, уменьшение прозрачности воздуха и др.;

3-й – нарушение жизненно важных физиологических функций и возникновение хронических заболеваний у человека и животных;

4-й – возникновение острых заболеваний и гибель людей и животных.

Контрольные величины ПДК всех стран мира не выходят за рамки первого уровня рекомендованных ООН концентраций. Разные страны в нормировании качества окружающей среды имеют различный подход: одни устанавливают нормативы на выбросы вредных веществ, другие имеют стандарты на качество исходного сырья, третьи нормируют качество атмосферного воздуха. Наиболее распространен третий вариант, при котором устанавливаются предельно допустимые концентрации вредных веществ на уровне дыхания человека.

В нашей стране ПДК устанавливаются двух степеней:

1. Среднесуточные предельно допустимые концентрации, которые при длительном воздействии на организм человека не вызывают каких-либо патологических изменений или заболеваний.

2. Максимально разовые ПДК, допускающие единовременное в пределах 20-30 мин. воздействие более высоких уровней загрязнения воздуха, которые также не вызывают патологических изменений в организме человека или заболеваний. Существуют ограничения по повторяемости повышенных выбросов вредных веществ.

ПДК вредных веществ являются санитарно- гигиеническими нормами, превышение которых может оказать вредное воздействие на человека. В настоящее время ПДК разработаны для более, чем 300 вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отходами промышленности. ПДК некоторых вредных веществ, выбрасываемых на электростанциях, приведены в табл. 3.9. В табл. 3.10 для сравнения даны ПДК вредных выбросов для США, Германии и Японии.

При воздействии нескольких вредных выбросов определяется суммарный показатель вредности:

Таблица 3.9

ПДК веществ, выбрасываемых на электростанциях

	ПДК, мг/м³	Класс
Вредные вещества	максимально разовые	среднесуточные	опасности
Оксид серы	0,5	0,05
Оксид азота	0,6	0,06
Диоксид азота	0,085	0,04
Окись углерода
Бенз(а)пирен	–	0,1…10^-5
Летучая зола:
с содержанием CaO менее 35 %	0,3	0,1
с содержанием CaO более 35 %	0,05	0,02
Пыль неорганическая (летучая зола):
с содержанием более 70 %	0,15	0,05
с содержанием в пределах 70…20 %	0,3	0,1
с содержанием менее 20 %	0,5	0,15

Таблица 3.10

ПДК вредных выбросов в некоторых странах мира

Для соблюдения норм качества атмосферы (ПДК) для каждого источника или группы источников загрязнения применяют нормативы их предельно допустимых… Нормы ПДВ устанавливаются из такого расчета, чтобы суммарное загрязнение… Расчет ПДВ для продуктов сгорания ТЭС производится по формуле

Таблица 3.11

Значение коэффициента А

Наименование регионов	Климатическая зона, метеорологические условия	Коэффициент А
Средняя Азия	субтропический
Казахстан, Нижнее Поволжье, Кавказ, Молдавия, Сибирь, Дальний Восток, Средняя Азия	умеренный
Север, Северо- Запад европейской части России, Среднее Поволжье, Урал, Украина	умеренно- континентальный
Центральная часть европейской территории России	континентальный

Коэффициент m рассчитывается по формуле

Параметр n определяется при следующих условиях:

при = 0,3…2,0 м/с n = ;

при < 0,3 м/сn = 3;

при > 2,0 м/сn = 1.

По этим уравнениям может определяться либо Н при заданном V, либо наоборот – V по Н.

По данным о ПДВ можно также определять допустимые концентрации того или иного вещества, мг/, в устье дымовой трубы

ПДВ оксидов азота и серы нормируют: массовую концентрацию веществ в дымовых газах, мг/, при определенном содержании воздуха (коэффициенте избытка воздуха ); массу вредных веществ по отношению к удельной теплоте сгорания, мг/МДж. При определении ПДВ оксидов азота их масса принимается отнесенной к сухим дымовым газам.

Биологическая активность летучей золы при попадании в дыхательные пути и легкие зависит от дисперсности частичек пыли и ее способности к растворению. Крупные частицы менее токсичны; наиболее токсичными являются мелкие частицы (меньше 5 мкм), которые переносятся на большие расстояния, поэтому при определении ПДВ твердых частиц золы в энергоустановках учитывается приведенная зольность топлива, %_кг/М_ГДж:

В табл. 3.12 даны ПДВ летучей золы, оксидов азота и серы из дымовых труб электрических станций РФ. В табл.3.13 для сравнения при-

ведены ПДВ вредных веществ в некоторых странах мира.

При суммарном воздействии нескольких вредных веществ одного лимитирующего показателя вредности должно соблюдаться условие

где – концентрация загрязняющего i-го вещества на уровне дыхания человека;

– предельно допустимая концентрация i-го вещества на уровне дыхания человека.

Таблица 3.12

ПДВ в Российской Федерации

Наименование	Тепловая мощность объекта, МВт	ПДВ, мг/м³
Зола	Оксиды серы	Оксиды азота
Новые котельные установки: - бурые угли - каменные угли	³300 <300 ³300 <300			340…445
Существующие котельные установки: - бурые угли - каменные угли	³300 <300 ³300 <300
Газотурбинные установки: существующие новые на топливе - газообразном - жидком	- - -	- - -	- - -	<150 <50 <100
Котлы, разрабатываемые по условиям конкурса «Экологически чистая ТЭС»	-	50…	200…	150…200

Таблица 3.13

ПДВ вредных веществ в других странах мира

Страна	Тепловая мощность, МВт	ПДВ, мг/м³
оксиды серы	Оксиды азота
Австрия	³300	улавливание до 90 %
Бельгия	³300 <300
Великобритания	³700	улавливание до 90 %
Германия	³300	улавливание до 83 %
Дания	³50
Италия	³100
Нидерланды	³300	улавливание до 85 %
США	³73	улавливание до 90 %
Финляндия	³150