Контрольная работа: Расчет концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах тепловых стан

Министерство Образования Российской Федерации

Архангельский Государственный Технический Университет

Кафедра эксплуатации автомобилей и МЛК

Расчетно–графическая работа

Расчет концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах тепловых станций

Вариант № 5

Студент: Починков А.В.

МФ III-I

Руководитель: доцент

Пугин Б.И.

Архангельск

2004

1. Вредные примеси в дымовых газах

Наибольшие загрязнения атмосферного воздуха поступают от энерге­тических установок, работающих на углеводородном топливе (мазут, уголь, природный газ, бензин и дизельное топливо, керосин и др.).

Количество загрязнений определяется составом и объёмом сжигаемо­го топлива.

Одними из основных источников загрязнений атмосферы являются тепловые станции (ТС).

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в энергоустановках,- нетоксичные диоксид уг­лерода СО₂ и водородный пар Н₂ О. Однако кроме них в атмосферу выбра­сываются такие вредные вещества, как оксид углерода СО, оксиды серы SО_n , азота NO_n , сажа, соединения свинца, канцерогенные вещества (бенз(а)пирен) и др.

При сжигании твердого топлива в котлах ТС образуется большое ко­личество золы, диоксида серы, оксидов азота. В дымовых газах, образую­щихся при сжигании мазута, содержатся оксиды азота, соединения вана­дия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания.

Токсичность при сжигании природного газа обуславливается в основ­ном содержанием оксидов азота и серы.

Для рассеивания вредных веществ с целью уменьшения их концен­трации на поверхности земли все ТС оборудуются дымовыми трубами. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывает состоя­ние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, высота трубы и диаметр её устья. Горизонтальное перемещение примесей обу­словливается в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределе­нием температур в вертикальном направлении.

По мере удаления от трубы в направлении распространения промыш­ленных выбросов можно условно выделить три. зоны загрязнения, атмо­сферы: зона переброса факела, характеризующаяся относительно, невысо­ким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы, зона за­дымления с максимальным содержанием вредных примесей и зона посте­пенного снижения уровней загрязнения (рис. 1).

Рис.1. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере

от организованного высокого источника выбросов.

Зона задымления является наиболее опасной для населения. Ширина этой зоны в зависимости от метеорологических условий находится в пре­делах 10-49 высот трубы.

Максимальная концентрация вредных примесей прямо пропорцио­нальна производительности источника и обратно пропорциональна квад­рату высоты дымовой трубы. Подъём горячих струй обуславливается подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру чем окру­жающий воздух.

При выбросах в условиях безветрия рассеивание вредных веществ про­исходит под действием вертикальных потоков. При наличии ветра переме­шивание примесей с воздухом происходит в направлении ветра, при этом разбавление их происходит пропорционально средней скорости ветра.

Вместе с тем с увеличением скорости ветра уменьшается высота вы­броса факела над устьем трубы, что может привести к увеличению при­земной концентрации вредных веществ. Поэтому на ТС при проектирова­нии устройств для отвода дымовых газов главным условием является дос­тижение превышения скорости выбрасываемого газа более чем вдвое опасной скорости ветра на уровне устья трубы.

Основным документом, регламентирующим расчет высоты дымовой трубы, является "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий". В основу ме­тодики положено условие, при котором суммарная концентрация каждого вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е.

С = (С_{ma х} + С_ф ) < С_ПДК ,

где C_max - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воз­духе, создаваемая источниками выбросов, мг/м³ ;

С_ф - фоновая концентрация одинаковых или однонаправленных вредных ве­ществ, характерная для данной местности, мг/м³ ;

С_ПДК - нормативное значение предельно допустимой концентрации вредного вещества, мг/м;

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих аддитивными свойствами, для каждой точки мест­ности должно выполняться условие

где i — i -я примесь.

2. РАСЧЕТ РАСХОДА ТОПЛИВА

1. Расход топлива одним котлом, г/с,

г/c

где Q_{п i} ^н - номинальная паропроизводительность i -го котла, т/ч;

i _п - энтальпия пара,кДж/кг; при сжигании угля i _п = 2932,5 ;

i _п.в - энтальпия питательной чоды, кДж/кг; в расчетах принимают

i _п.в =420кДж/кг;

Q_н ^р - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

η_к - коэффициент полезного действия котла.

2. Суммарный расход топлива всеми котлоагрегатами тепловой стан­ции В_сум , г/с,

г/с

где n - количество котлов

3. РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

1. Выбросы твёрдых частиц (золы), г/с,

М _з = В _сум А^р f (1- η₃ ) = 656 * 32,5 * 0,0035 * (1- 0,825 ) = 13,06 г/с

где А^р - зольность топлива на рабочую массу, %;

f - безразмерный коэффициент, зависящий от типа топок и вида топлива;

η₃ - коэффициент полезного действия золоуловителей.

2. Выбросы оксидов серы, г/с,

г/с

где S^p - содержание серы в топливе на рабочую массу, %;

η`_{so 2} - доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива (для углей – 0,1);

η``_{so 2} - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе.

3. Выбросы оксидов азота, г/с,

г/с

где К_{NO 2} - количество оксидов азота, образующееся на единицу тепла, выде­ляющегося при горении топлива, кг/ГДж; принимают по графику (рис.2);

β - коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов оксидов азо­та в результате применения технических решений;

Рис.2. Зависимость К_{NO 2} от паропроизводительности котлоагрегата для различных топлив: 1 - природный газ, мазут; 2 - антрацит; 3 - бурый уголь; 4 - каменный уголь

4. Расчет выбросов окиси углерода, г/с,

г/с

где К_CO - количество оксидов углерода, образующееся на единицу тепла, выделяющегося при горении топлива, кг/ГДж;

q ₄ - потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива, %.

4. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

1. Объём дымовых газов, выходящих из трубы за 1 с, м³ /с,

м³ /с

где Т_г - температура уходящих газов, °С ;

К_г - действительный суммарный объём продуктов сгорания, м³ , на 1 кг топлива;

= 1,1 + 4,77 + 0,71 + 0,7*6,02 =10,8

Здесь - теоретический объём продуктов сгорания соот­ветственно трёхатомных газов, азота, водяных паров и воздуха, м³ , на 1 кг топлива; (α-1) = 0,70 для котлов, работающих на угле.

2. Диаметр устья дымовой трубы, м,

м

где ω_o - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья дымовой трубы, м/с; принимается в пределах 7...10 м/с для железобетонных и кирпич­ных труб высотой до 45 м и 12... 15 м/с для металлических труб высотой до 44 м.

3. Предварительное значение минимальной высоты дымовой трубы, м.

м для золы

м для SO₂

м для NO₂

м для СО

где А - коэффициент, учитывающий метеорологические условия местности, для

северных районов А=160;

Mi - масса i-го вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания твердых частиц в атмосфере, для золы при степени очистки менее 90 % F=2,5; при степени очистки более 90 % F =2,0. При расчете Н _min по вы­бросу оксидов азота, серы и углерода F =1;

C _{ПДК i} - максимальная разовая предельно допустимая концентрация i-го вещест­ва в атмосферном воздухе, мг/м³ ;

С_{ф i} , - фоновая концентрация i-го вещества, характерная для данной местности,

мг/м³ ; принимаем C_{ф i} ,= 0;

ΔT - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т _г и средней температурой окружающего атмосферного воздуха самого жаркого месяца Т_а . Значения Т _г приведены в табл. 1, а Т_в для северных районов принимается равной +20 °С.

Высота дымовой трубы Н _min вычисляется по условиям выброса каж­дого вредного вещества в отдельности, а также для групп веществ с сум­мирующимся вредным действием. Из полученных значений H_min принима­ется наибольшее, а затем подбирают близкие к расчетным стандартные размеры трубы (материал, высоту трубы и диаметр устья).

После выбора стандартных размеров дымовой трубы проводят про­верку правильности выбора её высоты по максимальной разовой концен­трации вредных примесей с помощью безразмерных коэффициентов f , V_m , т и п.

ПРИНИМАЕМ:

Высота трубы 35 метров: H=35 м

Диаметр устья трубы: D=1,2 м

Труба кирпичная

5. ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ ВЫБОРА ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

Действительная скорость выхода дымовых газов

ω_д =

для золы

для SO₂

для NO₂

для CO

6. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ

ПРИМЕСЕЙ ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА ВЫБРОСОВ

ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

1. Расстояние X_t (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация i-го вещества при неблагоприятных метеорологических ус­ловиях достигает максимального значения c_{max ;} (мг/м³ ):

м

м

м

м

где d - безразмерный коэффициент, при f <100 находится по формулам:

2. Значение опасной скорости U_max (м/с) на уровне земли, при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных ве­ществ:

м/с

3. Приземная концентрация i-го вредного вещества с_i , (мг/м³ ) в атмо­сфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х(м) от источни­ка выброса при опасной скорости ветра U_max :

C_i = S₁ c_{max i}

где Si - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отноше­ния Х/Х m ах,

Расстояние X при анализе принимают равным 50; 100; 200; 400; 800 и 1200м.

Для золы:

S₁ = 3·0,2⁴ - 8·0,2³ + 6·0,2² = 0,18

S₁ = 3·0,38⁴ - 8·0,38³ + 6·0,38² = 0,49

S₁ = 3·0,76⁴ - 8·0,76³ + 6·0,76² = 0,95

S₁ =

S₁ =
S₁ =

Для NO₂ ; SO₂ ; CO:

S₁ = 3·0,1⁴ - 8·0,1³ + 6·0,1² = 0,05

S₁ = 3·0,24⁴ - 8·0,24³ + 6·0,24² = 0,24

S₁ = 3·0,5⁴ - 8·0,5³ + 6·0,5 = 0,69

S₁ = 3·0,95⁴ - 8·0,95³ + 6·0,95² = 1

S₁ =

S₁ =

4. На основании полученных значений с_i , строят графики зависимости концентраций вредных веществ от расстояний до источника выброса, от­кладывая в масштабе по оси ординат значения c_i (мг/м³ ), а по оси абсцисс - расстояния Х(м).

Литература

Пугин Б.И. Расчет концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах тепловых станций – Арх., изд .АГТУ, 2000