close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Пьянова Евгения Ивановна. Исследование результативности системы экологического управления и разработка мероприятий по её повышению в теплогенерирующей организации

код для вставки
v>
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени И.С. ТУРГЕНЕВА»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
по направлению подготовки 20.04.01 Техносферная безопасность
Студента Пьяновой Евгении Ивановны
шифр
56707/п
Институт заочного и очно-заочного образования
Тема выпускной квалификационной работы
Исследование результативности системы экологического управления и
разработка мероприятий но её повышению в теплогенерирующей организации
Пьянова Е.И.
Студент
<
Научный
руководитель
<г
,
/
Щербакова Е.В
Зав. кафедрой / РОП
Пчеленок О.А.
Орёл 2017
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ Г'ОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«о р л о в с к и й г о с у д а р с т в е н н ы й у н и в е р с и т е т
имени И.С. ТУРГЕНЕВА»
Институт заочного и очно-заочного образования
Кафедра техносферной безопасности
Направление подготовки (специальность) 20.04.01 З'ехносферная безопасность
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедро^/ РОИ
Пчеленок О. А.
(подпись)
« УР»
/р
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
студента Пьяновой Евгении Ивановны
. Тема В К Р
шныр
56707/п
Исследование результагивности системы экологического
разработка мероприятий по её повышению в теплогенерирующей организации.
управления
и
Утверждена приказом по университету от «10» октября 2017 г. № 2-2791
2. Срок сдачи студентом законченной работы «29» ноября 201 7 г.
3. Исходные данные к работе показатели результативности системы экологического
управления теплогенерирующей организации
4. Содержание В К Р (перечень подлежащих разработке вопросов) введение.
состояние вопроса и задачи исследования, методы и технические средства снижения выбросов в
подсистеме «организация горения», методы и технические средства снижения выбросов в
подсистеме «рассеивание выбросов», обобщение способов повышения результативности
системы экологического управления, выводы, заключение, список литературы.
5. Перечень графического материала слайд №1 - титульный лист, слайд №2 экологические аспекты теплогенерирующей организации, слайд №3 показатели,
характеризующие воздействие предприятия на окружающую среду, слайд №4 - система
«Котельная установка» в технологическом аспекте. слайд№5 - операторная модель системы
«Котельная установка», слайд №6 - цели и задачи работы, слайд №7 —технические средства
снижения выбросов в подсистеме «Организация горения», слайд №8 - методы очистки
выбросов от оксидов азота, слайд №9 - зависимость образования оксидов углерода от
различных параметров горения, слайд №10 — выбор оптимальных способов гювыщения
результативности системы экологического управления, слайд №11 —показатели эффективности
функционирования компании.
Дата выдачи задания «10» октября 2017 г.
Научный
руководитель В К Р
Щербакова Е.В
Задание принял к исполнению
Пьянова Е.И.
л
календарны й план
Н аименование этапов
Срок выполнения
ВКР
этапов работы
10.10.2017-20.10.2017
Анализ
показателей
экологической
результативности
работы
предприятия
Исследование
результативности
системы
управления
охраной
окружающей
среды
на
предприятии
Обработка
полученных
результатов исследований
Примечание
20.10.2017-20.1 1.2017
20.1 1.2017-29.11.2017
Студент
Пьянова Е.И.
г
Научный
руководитель ВКР
Щербакова Е.В
4
АННОТАЦИЯ
В
диссертационной
работе
охарактеризованы
источники
загрязнения
окружающей среды, проанализированы способы защиты ООО от аналогичных
источников,
исследована эффективность
применяемых
организационных
и
технических мероприятий в организации, а также разработаны рекомендации по
повышению эффективности функционирования СУ ООС.
Установлено, что наиболее целесообразным методом для уменьшения
выбросов загрязняющих
теплогенерирующего
веществ
в
предприятия
атмосферный
является
воздух
разработка
при
работе
технологических
мероприятий, направленных на регулирование режима горения топлива, а также
на рассеивание выбросов с целью соблюдения ПДК вредных веществ.
Научная новизна положений, выносимых на защиту.
-
системная
разработка
комплекса
мероприятий,
обеспечивающих
снижение выбросов при эксплуатации теплогенерирующего оборудования;
-
комплексные исследования процесса горения газообразного топлива в
котельных установках и факторов, влияющих на состав дымовых газов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
выявлены
теплогенерирующей
экологически
организации
значимые
аспекты
деятельности
и исследована результативность
системы
экологического управления;
-
разработан
комплекс
мероприятий
по
снижению
выбросов
и
повышению энергосбережения при эксплуатации котельных установок;
-
разработаны
корректирующие
действия
для
повышения
результативности системы экологического управления.
Апробация результатов исследования:
-
некоторые положения работы обсуждены на первой международной
научно-технической интернет-конференции «Ключевые проблемы безопасности
развития природно-промышленных систем»,
-
на заседании Круглого стола.
Диссертационная работа изложена на 82 страницах машинописного текста.
Содержит введение с обоснованием актуальности выбранного направления
исследования, четыре главы с результатами анализа состояния вопроса по данным
литературных источников и результатами собственных исследований, заключение
с основными выводами и предложениями, список использованной литературы,
включающей 18 наименований. В диссертации представлено 12 таблиц и 21
рисунок.
Перечень ключевых слов: управление, экология, результативность, система,
аспекты, котельная, топливо, горение, воздействие, выбросы, очистка, методы.
6
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................... 8
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................... 10
1.1 Анализ
нормативно-технической
документации
по
оценке
результативности системы экологического управления.............................................. 1 0
1.2
Идентификация
экологических
аспектов
и
выбор
показателей
результативности системы экологического управления.............................................. 1 2
1.3 Анализ показателей, характеризующих воздействие предприятий
теплоэнергетики на атмосферный воздух........................................................................16
1.4
Оценка
воздействия
отходов
производства
на
окружающую
природную среду...................................................................................................................19
1.5
Анализ
показателей,
характеризующих
воздействие
теплоэнергетического предприятия на гидросферу...................................................... 2 0
1.6 Постановка задач работы как системного исследования.......................22
2 МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В
ПОДСИСТЕМЕ «ОРЕАНИЗАЦИЯ ЕОРЕНИЯ»........................................................... 28
2.1 Оборудование котельных установок.......................................................... 28
2.2 Сжигание газообразного топлива................................................................ 33
2.3 Еорелки для сжигания газа........................................................................... 37
2.4 Определение расчетных характеристик процесса горения
топлива.................................................................................................................................... 45
2.5 Определение расхода топлива...................................................................... 46
2.6 Определение оптимальной тяги дымовой т р у б ы ....................................47
3 МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В
ПОДСИСТЕМЕ «РАССЕИВАНИЕ ВЫБРОСОВ»....................................................... 51
3.1 Методы очистки выбросов от соединений серы...................................... 51
3.2 Методы очистки выбросов от оксидов азота............................................ 53
3.2.1 Специальные конструкции горелок....................................................63
7
3.3 Методы снижения концентрации оксидов углерода в дымовых газах
котельных установок........................................................................................................... 6 6
4
ОБОБЩЕНИЕ
СПОСОБОВ
П0ВБ1ШЕНИЯ
РЕЗУЛБТАТИВНОСТИ
СИСТЕМБ1 ЭКОЛОЕИЧЕСКОЕО УПРАВЛЕНИЯ...................................................... 69
4.1 Методические подходы................................................................................. 69
4.2 Выбор оптимальных способов повышения результативности системы
экологического управления................................................................................................ 69
ВБ1В0ДБ1.................................................................................................................... 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................79
СПИСОК ИСП0ЛБ30ВАННБ1Х ИСТОЧНИКОВ............................................ 81
СПРАВКА О РЕЗУЛБТАТАХ ПРОВЕРКИ ТЕКСТОВОЕО ДОКУМЕНТА
НА НАЛИЧИЕ ЗАИМСТВОВАНИЙ............................................................................... 82
8
ВВЕДЕНИЕ
Развитие экономики и инфраструктуры сопровождается возрастанием
объемов потребляемых природных ресурсов и, соответственно, усилением
негативного воздействия на окружающую природную среду. При этом вещество
и энергия используются лишь на четверть, а основная их часть рассеивается в
окружающей среде в виде энергетических и химических загрязнений биосферы,
что нарушает ее нормальное существование. Растущие нагрузки уже во многих
случаях превосходят возможность естественного самоочищения почвы, воды,
воздуха.
Предприятия теплоэнергетики оказывают существенное воздействие на все
объекты природной среды, но из всех видов неблагоприятного воздействия
наиболее существенными являются выбросы в атмосферный воздух. В продуктах
горения присутствуют вещества-инициаторы кислотных дождей и парникового
эффекта. Таким образом, продукты сгорания, содержащиеся в дымовых газах,
значительно ухудшают качество среды обитания человека и большинства
экосистем, а также воздействуют на техносферу в целом.
В Центральном федеральном округе доля выбросов от деятельности по
производству и распределению электроэнергии, газа и воды составляет 23%, а в
Орловской
области
около
14%
от
удельных
выбросов
по
всем
видам
экономической деятельности. Штрафы за нарушение законодательства об охране
атмосферного воздуха в области ежегодно составляют около 650 тыс. рублей, что
существенно
снижает
прибыль
предприятий
и
ухудшает
экономическое
положение региона.
Решение задач, направленных на проектирование экологически безопасных
и энергоэффективных производственных процессов обеспечивает, как минимум,
двойной результат: экономический и социальный, а потому должно занимать
приоритетное
значение
при
разработке
экологической
политики
любого
промышленного предприятия.
Система
экологического
менеджмента
является
элементом
9
интегрированной системы управления предприятием и должна постоянно
совершенствоваться на основе анализа текуш,их экологических показателей и
объективной
оценки
результативности.
Правильный
выбор
показателей
результативности системы экологического управления возможен только при
изучении всех экологических и производственных факторов, а также условий их
проявления.
Целью диссертационной работы является повышение результативности
системы
экологического
управления
путем
разработки
комплекса
организационных и технических мероприятий по минимизации негативного
воздействия
на
окружающую
природную
среду
значимых
экологических
факторов.
Исследования проводились с использованием метода системного анализа,
методов теории горения, инструментального контроля выбросов, метода расчёта,
нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, аэродинамического
расчета.
К
защите
представляется
решение
научно-технической
проблемы
воздействия теплогенерирующих организаций на окружающую природную среду
путем совершенствования системы экологического управления.
10
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Е1
Анализ
нормативно-технической
документации
по
оценке
результативности системы экологического управления
Требования к организации и функционированию системы экологического
управления определены стандартами ИСО 9001 и 14001 (Международные
стандарты по экологическому менеджменту). Их совместное применение все
больше распространяется среди современных фирм по всему миру, и в нашей
стране в том числе. Экологический менеджмент, как стандартизированная
система управления природопользованием, является элементом интегрированной
системы управления предприятием. Он направлен, прежде всего, на реализацию
экологических
целей
предприятия,
регламентируемых
ЕОСТ
2452-80,
процессы
должны
европейскими стандартами EMAS, BS7750 и др.
Экологически
безопасные
производственные
соответствовать требованиям минимизации и нейтрализации сбросов (выбросов)
загрязняющих веществ,
безопасности
безотходного и энергосберегающего производства,
для
здоровья
людей,
повышения
эффективности
идентичен
международному
ресурсопотребления.
ЕОСТ
Р
ИСО
14004-2007[1],
который
стандарту ИСО 14004:2004, в контексте систем экологического менеджмента
трактует
понятие
«экологическая
результативность»
как
измеряемые
организацией результаты управления своими экологическими аспектами.
Результаты могут быть измерены в отношении реализации экологической
политики
организации,
достижения
экологических
целей,
выполнения
экологических задач и других требований к экологической результативности.
Показатели
результативности
системы
экологического
управления
организации должны быть измеряемыми, объективными, проверяемыми и
воспроизводимыми.
организации
и
Они
должны
предоставляемым
соответствовать
услугам,
виду
экологической
деятельности
политике,
быть
практичными, экономически оправданными и технологичными. Эти показатели
11
могут быть использованы для анализа текущего состояния управления качеством
окружающей среды, который является важнейшим элементом функционирования
системы
экологического
менеджмента,
и
повышения
экологической
результативности по значимым экологическим аспектам.
Таким образом, показатели экологической результативности являются
важным инструментом для мониторинга постоянного улучшения системы
экологического менеджмента организации.
Ключевым звеном в системе экологического управления и менеджмента
является экологическая служба предприятия, или отдельный квалифицированный
специалист (менеджер), уполномоченный решать соответствующие задачи.
Детальные
указания
по
выбору
и
использованию
показателей
экологической результативности приведены в ИСО 14031 [2] и ИСО/ТО 14032
[3].
Число показателей для оценки экологической эффективности определяется
предприятием с учетом его профиля и масштабов деятельности. Вид показателя
зависит
ОТ
расчетов)
имеющихся данных прямых или косвенных измерений (результатов
значимых
экологических
аспектов,
а
также
индексированных
(относительных) данных. Примером результата прямых измерений или расчетов
может быть количество (в тоннах) выбрасываемых загрязняющих веществ.
Показатели,
экологического
используемые
управления,
в
для
оценки
зависимости
от
результативности
характера
системы
информации
и
практического использования могут быть агрегатированными или взвешенными.
К
агрегатированным
данным
относят информацию
одного
типа из
различных источников, в виде комплексного параметра. Например, суммарный
выброс определенного загрязнителя от предприятия в данном году определяют
суммированием аналогичных выбросов всех источников выбросов данного
загрязнителя в технологическом процессе.
Взвешенные данные получают путем преобразования информации с учетом
коэффициента их значимости.
12
Данные
показатели
эффективность
работы
позволяют
организации,
постоянно
являются
оценивать
экологическую
объективными
критериями
определения областей, требующих повышенного внимания и улучшения.
В связи с этим возникает необходимость в идентификации экологических
аспектов предприятия, исследовании методов уменьшения их воздействия на
окружающую среду и разработке рекомендаций по их применению.
1.2
Идентификация
экологических
аспектов
и
выбор
показателе
результативности системы экологического управления
Связь между различными условиями деятельности организации, значимыми
экологическими аспектами, видами негативных воздействий на окружающую
среду (фактическими и потенциально возможными) может осуществляться по
различным сценариям.
На
этапе
проектирования
и
эксплуатации
котельного
агрегата
прогнозируют воздействие на ОПС, выявляют экологические аспекты, связанные
с отдельными операциями, которые могут быть учтены при организации системы
экологического менеджмента (таблица 1 ).
В таблице 2 представлены возможные взаимосвязи между экологическими
аспектами, целями и задачами, программами, показателями результативности,
управлением операциями, процессами мониторинга и измерений анализируемых
видов деятельности [4].
13
Таблица 1 - Виды деятельности, связанных с ними экологических аспектов и воздействий на окружающую среду
Деятельность
Эффективность использования
топлива (КПД)
Снижение объема выбросов
Использование неопасных
материалов
Работа котла
Хранение жидкого топлива в
подземной емкости
Транспортировка топлива
Экологический аспект
Фактические и возможные воздействия на ОПС
Деятельность: Проектирование котельного агрегата
Расход топлива
Сбережение энергоресурсов (ископаемого топлива)
Выбросы в атмосферу
Утилизация по окончании срока
использования
Деятельность: Эксплуатация
Расход топлива
Выбросы парниковых газов:
двуокиси серы, окислов азота и
углекислого газа
Сброс сточных вод повышенной
температуры
Пролив топлива на землю
Утечки топлива
Улучшение качества воздуха
Исключение опасных отходов
котельного агрегата
Истощение природных ресурсов
Превышение ПДК в атмосферном воздухе.
Негативное воздействие на органы дыхания людей.
Кислотные дожди.
Глобальное изменение климата.
Изменение качества воды.
Негативное действие на экосистемы.
Загрязнение почвы и атмосферы.
Загрязнение поверхностных и подземных вод
Загрязнение поверхностных вод.
Загрязнение почвы
Накопление токсичных веществ в представителях фауны и
флоры
14
Таблица 2 - Связи между экологическими аспектами и элементами системы экологического управления
Аспект
Цель
Задача
Деятельность: Эксплуатация котельного агрегата на
Сокращение
Расход
Снижение
расхода топлива
топлива
расхода
природных
на 10% в год
ресурсов
Сброс
сточных вод
повышенной
температуры
Минимизация
негативного
воздействия
повышенной
температуры
воды на
показатели
качества
водного
бассейна
Снижение
среднесуточной
температуры
сбрасываемой
воды на 0, 5 °С к
2018 г.
Программа
жидком топливе
Внедрение более
эффективного
горелочного
блока
Проектирование
системы отбора и
повторного
использования
тепла от горячей
воды
(когенерация)
Показатель
Способ управления
Мониторинг
измерения
Расход топлива
за час
Процесс внедрения
модифицированных
горелок.
Процесс
регистрации
и
документирования
расхода топлива
Процесс отбора
образцов воды и
анализа.
Процедуры
когенерации.
Управление
проектами
Ежеквартальная
оценка выполнения
плана
Ежеквартальное
измерение расхода
топлива
Среднесуточная
температура
сбросов.
Параметры
качества воды в
водоеме.
Биоразнообразие
морских
организмов
и
Непрерывный
мониторинг
температуры
сбросов.
Ежеквартальный
мониторинг качества
воды в водоеме
15
Для
теплогенерирующей
организации,
осуществляющей
выбросы
загрязняющих веществ в атмосферный воздух, могут быть использованы
следующие
агрегатированные
и
взвешенные
показатели
оценки
экологической эффективности (результативности):
-общее количество выбросов за год;
-концентрация загрязняющих веществ в промышленных выбросах;
-количество
выбросов
в
отношении
значения
относительных
к
объему
производимой
продукции;
-удельные
изменений
количества
загрязняющих веществ за год, по отношению к капиталовложениям в
наилучшие доступные технологии;
-индексированные (относительные) данные - выброс загрязнителя в
текущем году в процентах к выбросам в базовом году.
Кроме перечисленных показателей возможно использование и других
показателей по организации в целом или в ее структурных подразделениях
для других экологических аспектов:
-количество используемого топлива и энергии;
-количество отходов на единицу выпускаемой продукции;
-эффективность использования топлива и энергии;
-количество экологических инцидентов (сверхнормативных выбросов
и сбросов), в том числе связанных с аварийными ситуациями;
-относительная величина переработанных (рециклируемых) отходов;
-инвестиции в реализацию корректирующих и предупреждающих
действий;
-число судебных исков.
Для
оценки
окружающей
среды
результативности
на предприятии
системы
управления
необходимо рассмотреть
охраной
все
её
экологические аспекты, и выбрать из них наиболее значимые, с помощью
которых будет возможным провести анализ экологической эффективности.
16
1.3
Анализ показателей, характеризующих воздействие предприятий
теплоэнергетики на атмосферный воздух
В процессе сгорания органического топлива образуются выбросы
загрязняющих веществ, обуславливающие изменение химического состава
атмосферы
и
теплового
баланса.
В
результате
процессов
добычи,
переработки и сжигания органического топлива образуются примерно 80 %
суммарных объемов антропогенных выбросов в атмосферу, содержащих
90% диоксида углерода - главного парникового компонента атмосферы.
Объемы
пылегазовоздушных
выбросов
теплогенерирующей
организации определяются качеством и количеством сжигаемого топлива,
полнотой его использования, а также эффективностью работы котельного
агрегата в целом. Источники, не имеющие средств очистки дымовых газов в
пределах
небольших
населенных
пунктов,
представляют
наибольшую
опасность для биосферы и здоровья человека.
Теплоснабжение
30%
потребителей
г.
Орла
осуществляется
предприятиями малой энергетики, которые обеспечивают функционирование
промышленного производства, образовательных учреждений, жилых домов и
прочих потребителей. Котельные г. Орла работают на природном газе,
показатели качества которого соответствуют нормированным значениям
основных показателей и представлены в таблице 3.
Для контроля полноты сгорания топлива и оценки влияния продуктов
горения на окружающую среду в теплоснабжающей организации г. Орла
производственный
экологический
контроль
производится
с
помощью
переносного газоанализатора дымовых газов Testo-300 XXL (Германия),
внесенного в Государственный реестр средств измерений РФ.
Измерительная система состоит из газоанализатора и управляющего
модуля, который также может использоваться в качестве самостоятельного
портативного инструмента для измерения дополнительных параметров
окружающей среды. Периодичность отбора проб зависит от категории
сочетания «источник - вредное вещество» и отображается в плане-графике
17
производственного
экологического
контроля,
установленном
проектом
предельно допустимых выбросов (ТТДВ). Контрольные точки отбора проб
организованы
на каждом
источнике
выброса,
выполнение
измерений
производится согласно требованиям допущенных к применению методик
[5,6,7].
Таблица 3 - Показатели качества газа
Наименование показателя
Единица
Нормируемое
Значение
измерения
значение по
показателя
FOCT 5542
Низшая теплота сгорания при 20** С и
МДж/м"
не менее 31,8
34,283
101,325 кПа
(ккал/м")
(7600)
(8188)
Число Воббе высшее
МДж/м"
41,2-54,5
49,918
(ккал/м")
(9850-13 ООО)
(11 923)
%
не более 1,0
0,0067
Массовая концентрация сероводорода
г/м"
не более 0,02
менее 0,010
Массовая
г/м"
не более 0,036
менее 0,010
г/м"
не более 0,001
отсутствует
-
2
Молярная доля кислорода
концентрация
меркаптановой
серы
Масса механических примесей в 1 м"
Температура газа
Молярная доля азота
%
-
0,629
Молярная доля углекислого газа
%
-
0,132
кг/м"
-
0,6980
концентраций
основных
Плотность газа при 20*^ С и 101,325 кПа
Результаты
измерений
загрязнителей
в
дымовых газах котельных, образующихся при работе различных типов
котлов, от исследуемых источников выбросов представлены в таблице 4.
18
Таблица 4 -
Измеренные значения концентраций загрязняющих
веществ в дымовых газах котельных
Источ­
ник
Марка котла
квс
004
065
Logano G
234WS
(55-6)
Контролируемое вещество
наименование
класс
опасности
3
азота оксиды
серы диоксид
3
4
углерода
оксид
3
азота оксиды
серы диоксид
3
4
углерода
оксид
Норматив
выбросов,
мг/м^
211,25
1,10
270,38
Фактическая
концентрация,
мг/м^
197
0
35,67
213,75
0,94
233,18
109
0
11
Как следует из представленных значений фактических концентраций
выбросов от двух источников, основными загрязняющими веществами,
содержащимися в уходящих газах котельных, являются оксид азота и оксид
углерода,
то
есть
основные
инициаторы
фотохимического
смога.
Концентрации основных загрязнителей, как следует из представленных
данных, не превышают установленных нормативов [8 ]. Содержание оксидов
азота в составе дымовых газов составляет более
85% от каждого из
источников. Из всех оксидов азота монооксид (N 0) составляет более 90%,
при высокотемпературном горении он может самопроизвольно переходить в
диоксид азота N 0 при фотохимическом окислении [9].
Наличие диоксида серы в выбросах котельных возможно объяснить
содержанием серы в топливе (таблица 3), однако его присутствие не
отмечается в выбросах от рассматриваемых источников.
Технические характеристики котлов представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Характеристика котлов
Источник
Марка котла
004
065
КВС
Logano G 234WS(556)
Номинальная
мощность котла,
Г кал/час
0,50
0,047
Производительность Коэффициент
котла, Г кал/час
избытка
воздуха, б
0,340
1,43
0,047
1,3
19
Для очистки воздуха от древесной и абразивной пыли при работе
деревообрабатывающих
и
заточных
станков
установлены
пылеулавливающие установки - циклоны. Ежегодно проводится анализ
эффективности их работы, с привлечением сторонней аккредитованной
лаборатории, один раз в полугодие - комиссионный осмотр их состояния,
что позволяет поддерживать высокую степень очистки воздуха от пыли при
работе станков и не допускать ее выбросов в атмосферу.
В
организации
были
проведены
мероприятия
по разработке
и
утверждению проектов ПДВ, что позволило уменьшить плату за негативное
воздействие в Росприроднадзор в 2016 г. на 101,3 тыс. рублей по сравнению с
2015 г.
В 2016 году была проведена постановка объектов предприятия,
оказывающих
негативное
воздействие
на
окружающую
среду,
на
государственный учет, и их категорирование. Из 114 объектов общества 73
объектам была присвоена
111
категория по воздействию на окружающую
среду, 41 - IV категория.
Таким образом, объем и состав атмосферных загрязнителей зависит от
характеристик используемого топлива и теплогенерирующего оборудования,
режимов эксплуатации котельных установок, системы подвода воздуха в
камеру сгорания и отвода продуктов горения, применения эффективных
средств очистки дымовых газов.
1.4
Оценка воздействия
отходов
производства на окружающую
природную среду
В процессе производства образуется 24 вида отходов, такие как лампы
ртутные, ртутно-кварцевые, люминесцентные, утратившие потребительские
свойства,
аккумуляторы
свинцовые
отработанные,
неповрежденные,
с
электролитом, отходы различных масел, покрышки, ТБО и т.д.
Отходы 1- IV классов опасности паспортизированы, лабораторно
подтвержден их компонентный состав.
20
Количество отходов за 2016 г. первого класса опасности(1 вид) - 0,069
т/год, 4 класса(1 вид) - 61,6 т/год, 5 класса (3 вида) - 50,8 т/год. Всего 5
видов в количестве 112,469 т/год. Значения представленных показателей
свидетельтвуют о тенденции к их снижению.
Из них на предприятие по сортировке отходов передается 61,6 т/год, на
спецпредприятия для использования - 50,8 т/год, на спецпредприятия для
обезвреживания - 0,069 т/год.
На
предприятии
накопление
и
временное
хранение
отходов
осуществляется на площадках, специально оборудованных в соответствии с
действующими
санитарными
нормами
и
отвечающих
требованиям
экологической безопасности. Это 26 площадок, из которых 21 - в закрытых
помещениях и 5 открытых. В соответствии с Федеральным законом от
24.06.1998 г. №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» накопление
отходов на них осуществляется в срок до
11
месяцев.
Объекты накопления отходов соответствуют требованиям «Правил
охраны труда, техники безопасности и промсанитарии», СанПиН 2.1.7.1322­
03, «Гигиеническим требованиям к размещению и обезвреживанию отходов
производства и потребления»:
- подъездные пути к площадкам имеют твердое покрытие и содержатся
в исправном состоянии;
- все
площадки
накопления
отходов
имеют твердое
покрытие
(заасфальтированы);
- при накоплении отходов соблюдаются правила противопожарной
безопасности.
Способы накопления и хранения отходов на территории предприятия
соответствуют
требованиям
рекомендаций
«Предельное
количество
накопления токсичных промышленных отходов на территории предприятия».
По отношению к отходам на предприятии осуществляется контроль за
своевременным заключением договоров и вывозом отходов, контроль за
соблюдением правил хранения осуществляет инженер-эколог.
21
Отходы, хранящиеся в производственных, офисных помещениях,
защищены от влияния атмосферных осадков и не воздействуют на почву,
атмосферу, подземные и поверхностные водные источники. Их негативное
воздействие на окружающую природную среду может проявиться только при
нарушении правил их сбора и хранения.
Условия накопления отходов на открытых площадках обеспечивают
защиту окружающей природной среды от негативного воздействия отходов.
Таким образом, анализ рассмотренных экологических показателей
свидетельствует о высокой эффективности управления при работе
с
отходами, только при несоблюдении правил накопления отходов возможно
их негативное воздействие на окружающую природную среду.
1.5
Анализ
показателей,
характеризующих
воздействие
теплоэнергетического предприятия на гидросферу
Весь объем сточных вод, образующихся в процессе эксплуатации
котельных,
деятельности
персонала
в
административных
и
производственных зданиях, сбрасывается предприятием в централизованную
городскую систему водоотведения МПП ВКХ «Орёлводоканал» по договору
на водоотведение.
Согласно
Федеральному
закону
№416-ФЗ
от
07.12.2011
г.
«О
водоснабжении и водоотведении». Постановлению Правительства РФ от
29.07.2013 г. №644 «Об утверждении правил холодного водоснабжения и
водоотведения», организация, осуществляющая водоотведение, производит
контроль состава сбрасываемых абонентом сточных вод не реже одного раза
в квартал. Пробы отбираются из канализационных колодцев, там, где это
технически возможно. Температура отобранных проб определяется при их
отборе, пробы отбираются и транспортируются в лабораторию для анализа в
посуде, не допускающей их дополнительного загрязнения. По результатам
отбора проб на месте составляется акт отбора проб, подписываемый
представителями организации-поставщика и абонента.
22
По результатам анализа выдается протокол. Показатели состава стоков
должны
соответствовать
допустимым
концентрациям,
установленным
разрешением предприятия на сброс сточных вод, а также действующим
законодательством.
Они
также
не
должны
оказывать
негативного
воздействия на систему водоотведения.
Показатели сточных вод от одной из точек отбора представлены в
таблице 6 .
Таблица
6
- Показатели сбрасываемых сточных вод
Наименование
загрязняющего вещества
ед.
измерения
Фактическая массовая
концентрация
1
Взвешенные вещества
БПК
pH
Железо общее
Хлориды
Сульфаты
Нефтепродукты
Фенолы
Азот аммонийный
Азот нитратный
Азот нитритный
Хром +3
Фосфаты
СПАВ
Медь
Никель
Цинк
Свинец
Кобальт
Кадмий
Алюминий
хпк
Фториды
Сульфиды
Марганец
Жиры
Хром +6
Сухой остаток
Соотношение ХПК:БПК5
Температура
2
мг/дм
мг/дм
ед. pH
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
мг/дм
•^С
3
33
32,89
7,36
0,21
35,4
65,1
0,04
0,0035
<0,05
<0,023
<0,006
<0,002
<0,05
<0,01
<0,0025
<0,005
0,0028
<0,002
<0,005
<0,0025
<0,04
73
0,29
<0,02
0,0048
<0,5
<0,01
410
2,4
+18,5
Допустимая
массовая
концентрация
4
280,5085
47,61
9
0,28
119,7358
100
0,1667
0,005
0,4143
0
0
0,2
0,2424
0,142
0,0556
0,01
0,025
0,0028
0,01
0,004
0,0714
0
0,8929
0,6
0,0482
20
0,04
1013,58
2,5
+40
23
Как
видно
из
таблицы,
параметры
стоков
соответствуют
установленным нормативам. В связи с этим такой экологический аспект, как
сбор сточных вод несоответствующих параметров, на предприятии не
выявлен.
Из
этого
следует,
что
главным
экологическим
аспектом
теплогенерирующего предприятия является выброс загрязняющих веществ в
составе дымовых газов котельных в атмосферный воздух.
1. 6 Постановка задач работы как системного исследования
Целью
работы
является
повышение
результативности
системы
экологического управления путем разработки комплекса организационных и
технических мероприятий по минимизации негативного воздействия на
окружающую природную среду значимых экологических факторов.
К
наиболее
эксплуатацией
значимым
котельных
экологическим
агрегатов,
факторам,
следует
обусловленным
отнести
загрязнение
атмосферного воздуха продуктами горения.
Количество образующихся дымовых газов зависит от элементного
состава топлива, необходимого для его сжигания объема воздуха, способа
организации
процесса
горения,
конструктивных
особенностей
газогорелочных устройств и т.д.
Проведенный
обзор
выполненных
исследований
в
направлении
снижения выбросов при работе котельных [ 1 0 , 1 1 , 1 2 ] свидетельствует о
разнообразной природе источников их образования, для исследования
которых необходимо применение методов различных научных дисциплин.
Так, для выявления способов снижения ЗВ в продуктах горения необходимо
использовать методы теории горения как раздела физической химии, а для
проектирования
газовоздушного
тракта
котельных
используют
метод
аэродинамического расчета. Это требует применения системного анализа как
методологической основы объединения разнородных исследований в единый
комплекс.
24
Можно
представить,
что
основные
источники
принадлежат
к
различным подсистемам системы высокого иерархического уровня, которой
является котельная в целом. На рисунке 1 представлена многоуровневая
иерархическая система котельной в технологическом аспекте, а в виде
операторной модели - на рисунке 2 .
В данном представлении первый иерархический уровень образован
подсистемами «Организация горения» и «Рассеивание выбросов». Каждая из
этих подсистем, в свою очередь, разделяется на подсистемы второго
иерархического уровня, включая агрегаты, оборудование и управляющие
устройства, входящие в них. В частности, в подсистеме «Организация
горения» может быть вычислена подсистема второго иерархического уровня
«Сжигание
горючей
представлена
смеси»,
подсистемами
которая
в
третьего
свою
очередь,
может
иерархического
быть
уровня:
«Газогорелочные устройства», «Топочные устройства». Расчленение системы
может быть продолжено в направлении четвертого и более низких уровней.
Вся система «Котельная установка» входит в систему более высокого
иерархического
уровня,
например
в
систему
«Теплогенерирующая
организация» и т.д.
Элементы технологической схемы второго и более низких уровней
решают свои частные задачи, направленные на достижение общей цели,
стоящей перед системой в целом. Общая цель достигается соединением
элементов именно в указанном порядке, согласованием их характеристик и
соответствующими
согласования
управляющими
параметров,
воздействиями.
управляющих
воздействий
При
или
отсутствии
отдельных
элементов цель не достигается. С учетом свойства эмерджентности эффект от
соединения элементов (подсистем) в данную систему превышает сумму
частных эффектов, возникающих при их раздельном функционировании. Это
составляет отличительный признак, по которому указанное соединение
элементов образует систему.
В дальнейших анализах мы будем использовать операторную модель.
25
представленную в виде «черного ящика», на входы которого подаются
управляемые и неуправляемые внешние воздействия и на выходе появляются
выходные параметры. Система обменивается с внешними для нее системами
информационными потоками управляющих воздействий и отчетных данных.
В системе движутся потоки массы, энергии, информации. Представленная в
данной работе задача снижения объема выбросов также, как и возможные
для постановки задачи нормализации других параметров экологической
безопасности, можно рассматривать как соответствующую часть общего
системного исследования котельных установок.
В
операторной
модели
входными
потоками
являются
топливо,
материальные объекты и оборудование, а также вода и энергия. Выходные
потоки
включают
сточные
воды,
выбросы
в
воздух,
продукцию
и
производственные отходы. Эти экологические данные являются основными
данными,
обосновывающими
показатели
для
оценки
экологической
эффективности.
Выбросы загрязняющих веществ, как один из экологических аспектов,
являются управляемым воздействием на систему. В свою очередь, они
являются
выходными
параметрами
для
подсистем
более
низкого
иерархического уровня.
В
соответствии
с
этими
представлениями
для
достижения
поставленной задачи снижения выбросов загрязняющих веществ при работе
теплогенерирующего оборудования необходимо рассматривать способы и
технические средства воздействия на основные причины
образования
больших объемов выбросов.
Из приведенного выше обзора и анализа опубликованных работ
следует, что основные причины загрязнения атмосферного воздуха при
работе теплогенерирующего оборудования выявлены. Ими являются режим
горения, неполное
сгорание топлива, параметры топочного процесса.
Изучение этих процессов с целью выявления способов и средств воздействия
и должно было бы явиться задачами работы. Однако часть из них в
26
достаточной
мере
изучена
и
этими
результатами
необходимо
воспользоваться как достоверными и научно обоснованными.
С учетом этого, задачами диссертации должны стать следующие:
-исследование и разработка способов и технических средств снижения
выбросов при работе теплогенерирующего оборудования;
-обобщение способов и средств очистки отходящих газов котельных и
разработка рекомендаций по их применению.
В такой системной постановке исследования различных источников
негативного воздействия на атмосферу,
существенно разнородные по
объектам и применяемым методам, объединяются единой целью работы,
приведением результатов к сравнимому виду и согласованному выбору
оптимальных
воздействий
в
практических
целях.
Решение
сформулированных задач позволяет достичь поставленной цели работы.
27
Рисунок 1 - Система «Котельная установка» в технологическом аспекте
28
Управляющие
воздействия
Информация 0
работе системы
Информационная связь с подсистемами более высокого
порядка
S
РЗ 1. Потоки:
ё
вещества (вода,
ct воздух),
8РЗ
электроэнергии
SS
и др.
sаз
ts
Ч
P3
С
Й 2. Параметры
C
Gl, безопасности
Система «Котельная уетановка»
SЗ
аО
аЗн
G
2
3к
§
Тепло, выбросы,
сбросы, отходы и др.
m
Неуправляемые возмущающие воздействия
Внутренние
1. Отказы
оборудования
2. Отказы оператора
Внешние
ТСбои
электроснабжения
2. Погодные условия
Рисунок 2 - Операторная модель системы «Котельная установка»
2 МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ
В ПОДСИСТЕМЕ «ОРЕАНИЗАЦИЯ ЕОРЕНИЯ»
2.1 Оборудование котельных установок
Котельная установка представляет собой совокупность оборудования,
предназначенного
для
превращения
химической
энергии
топлива
в
тепловую с целью получения горячей воды или пара установленных
характеристик.
В зависимости от своего назначения котельные установки делятся на
следующие виды:
-отопительные
-
для
обеспечения
теплом
систем
отопления,
вентиляции и горячего водоснабжения;
-отопительно-производственные - для обеспечения теплом систем
отопления,
вентиляции,
горячего
водоснабжения
и технологического
водоснабжения;
-производственные - для технологического теплоснабжения.
Котельная
установка
включает
в
себя
котельный
агрегат,
вспомогательные механизмы и устройства.
Котельный агрегат состоит из топочного устройства, трубной си­
стемы с барабанами, водяного экономайзера, пароперегревателя, воз­
духоподогревателя, а также каркаса с лестницами и помостами для
обслуживания, обмуровки, арматуры и газоходов.
К вспомогательным механизмам и устройствам относятся дымососы
и дутьевые вентиляторы, водоподготовительные, пылеприготовительные и
питательные установки, системы топливоподачи, золоулавливания (при
сжигании твердого топлива), мазутное хозяйство (при сжигании жидкого
топлива), газорегуляторная станция (при сжигании газообразного топлива),
контрольно-измерительные приборы и автоматика.
Для получения горячей воды или пара служат вода, воздух и топливо
(рабочим телом является вода).
30
Котлы классифицируются по различным параметрам. Паровой котел
-
это
установка,
обогреваемая
продуктами
сгорания
топлива
и
предназначенная для выработки используемого вне устройства пара с
давлением
больше
атмосферного,
водогрейный
котел
—
такая
же
установка, предназначенная для нагревания воды, используемой в качестве
теплоносителя вне устройства.
Котел, в котором в качестве топлива используются горячие газы
технологического процесса, называют котлом-утилизатором, а паровой
котел, в естественную циркуляцию которого включен отдельно стоящий
бойлер, а в паровом пространстве размещено устройство для нагревания
воды, называется котел-бойлер.
Устройство,
насыщения,
продуктов
служащее
для
перегрева
соответствующей давлению
сгорания,
называется
пара
в котле,
выше
температуры
с помощью
пароперегревателем,
а
тепла
устройство,
обогреваемое уходящими газами и предназначенное для подогрева или
частичного испарения поступающей в котел воды, - экономайзер.
Для
подогрева
воздуха
теплом
уходящих
газов
перед
его
поступлением в топку предназначен воздухоподогреватель.
Питательные насосы для подачи воды в котел под давлением,
соответствующие трубопроводы и арматура в совокупности представляют
собой
питательную
установку,
тягодутьевое
устройство
состоит
из
дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососа и дымовой
трубы, которые обеспечивают подачу необходимого количества воздуха в
топочное устройство, движение дымовых газов по газоходам и удаление их
за пределы котла.
Контрольно-измерительные приборы и автоматика входят в систему
теплового контроля и автоматического управления. Они обеспечивают
бесперебойную
и
согласованную
работу
котельной
установки
для
выработки необходимого количества пара определенного давления или
нагрева воды до определенной температуры.
31
Устройство для приготовления питательной воды включает в себя
аппараты для обеспечения очистки воды от механических примесей и
накипеобразующих солей, а также удаления из нее растворенных газов
(деаэрации).
Для хранения топлива предназначен топливный склад. Его оборудуют
в зависимости от вида используемого топлива следующими устройствами:
- при использовании твердого топлива - механизмами для разгрузки и
подачи топлива в котельную или топливоподготовительным устройством;
-
при
жидком
топливе
-
приемными
и
подготовительными
устройствами для слива топлива, а также хранилищами;
- при использовании газа - газорегуляторным пунктом (ЕРЕ1) или
газорегуляторной установкой (ЕРУ).
Схема
отопительной
котельной
с
водогрейными
котлами
2,
работающими на жидком и газообразном топливе, приведена на рисунке 3.
Дутьевые вентиляторы 5 подают в топочную камеру необходимый
для горения воздух, насосы 4 - воду в котел, удаление дымовых газов из
котла в атмосферу происходит через трубу 1 за счет естественной тяги.
Топочное устройство оборудовано-горелками 6. Деаэратор 3 смонтирован
на перекрытии здания котельной.
Нагретый в котле теплоноситель поступает к потребителю, где отдает
часть тепловой энергии и с пониженной температурой снова возвращается
в котел для последующего подогрева.
Работу
паровых
котлов
можно
охарактеризовать
паропроизводительностью D, т. е. количеством пара, вырабатываемого в
единицу времени (измеряется в т/ч или кг/с), а также такими параметрами
вырабатываемого пара, как давление Р, температура t и коэффициент
полезного действия рк, определяющего степень использования теплоты
сгорания топлива в котлоагрегате.
32
Рисунок 3 - Схема котельной установки
Работа
величинами:
водогрейных
котлов
теплопроизводительностью
характеризуется
Q
-
следующими
количеством
тепла,
вырабатываемого в единицу времени, температурой нагрева воды и
коэффициентом полезного действия. Через входной всасывающий патрубок
10 уходящие газы засасываются в центральную часть ротора 5, который
вращается в подшипниках 3 с большой частотой. П одшипники вынесены за
пределы кожуха, представляющего собой спиральную камеру. Ротор дымососа
представляет собой устройство, состоящее из диска 6 , по окружности которого
приварены или прикреплены лопатки 7. Диск насажен на втулку 15, через
которую проходит вал 16. Лопатки 7 ротора 5 забирают газы из внутренней
полости дымососа и отбрасывают в обечайку, откуда продукты сгорания через
отводятся в дымовую трубу
19
выходной патрубок 8,
называемый
диффузором.
Дымососом является центробежный вентилятор, который предназначен
для преодоления сопротивления газоходов, дымовых труб и отвода дымовых
газов из котла. Устройство дымососной установки приведено на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема дымососа (1 - электродвигатель, 2 - муфта, 3 и 4 подшипники, 5 - ротор, 6 - диск, 7 - лопатки(крыльчатка), 8 и 10 - выходной и
входной патрубки, 9 - рукоятка поворота лопастей, 11 - центральный
рассекатель, 12,13 - поворотные лопасти механизма и заслонки, 14 - улитка, 15 втулка, 16 - вал.
Уходяш,ие газы должны проходить из дымососа через расширяюпщйся
патрубок с небольшим углом раскрытия. Для возможности регулировки
производительности дымососов во впускном патрубке размещены поворотные
лопасти 72 с ручным управлением.
В котлах средней мощности для дымососа кроме центробежных
вентиляторов
применяются
пропеллерные.
Их преимущество
состоит в
компактности конструкции и более высоком КПД.
В связи с тем, что дымосос работает в более тяжелых условиях,
подвергается воздействию высоких температур дымовых газов и механическому
износу (истиранию) летучей золой, его лопатки выполняют большей толщины, а
для подшипников применяют водяное охлаждение. Дутьевой вентилятор в
отличие от дымососа, работает в облегченных условиях, так как сумма преодоле­
ваемых
им
сопротивлений
(всасывающего
трубопровода,
воздушного
подогревателя, подводящих к топке воздуховодов, топочного устройства
(решетки со слоем топлива) меньше, а также не имеет водяного охлаждения
подшипников.
Для уменьшения расхода электроэнергии на привод дымососа при малых
нагрузках котла осуществляется плавное регулирование напора с помощью
направляющего аппарата [13 .
34
Из всего комплекса оборудования, составляющего котельную установку,
на количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу значительное
влияние оказывают конструктивные особенности таких устройств как дутьевой
вентилятор, система газовоздуховодов, дымосос и дымовая труба. Так как
данные устройства обеспечивают подачу необходимого количества воздуха
в топочное устройство, движение дымовых газов по газоходам и удаление
их за пределы котла, следует подобрать оптимальные параметры их
конструкции с целью уменьшения количества выбрасываемых котельной
загрязняющих веществ.
2.2 Сжигание газообразного топлива
Газообразное топливо представляет собой смесь различных горючих и
негорючих газов. Основой большинства газообразных топлив являются
предельные углеводороды: метан СН4, содержание которого в большинстве
природных газов составляет 90^98 % по объёму, этан СгНб, пропан СзНв,
бутан С4 Н 1 0 , пентан С 5 Н 1 2 , а также водород Н 2 , оксид углерода СО и
сероводород
H 2 S(b редких
случаях
и
в
очень
малых
количествах).
Преобладающее содержание метана в природных газах обуславливается
близостью их физических свойств и теплотехнических характеристик.
Теплота
сгорания
большинства
природных
газов
находится
в
сравнительно узком диапазоне: Qi^ равняется 8000 от 9000 ккал/м^(33,5^37,7
МДж/м^).
(Для сравнения:
теплота сгорания MexaHaQi^=8555 ккал/м^).
Негорючими составляющими газообразного топлива являются азот N 2 ,
двуокись углерода СО 2 и кислород О2 . Плотность природных газов рг близка
к плотности метана -
основного компонента, и изменяется в узких
пределах от 0,7 до 0,8 кг/м^.
В зависимости от теплофизических свойств отдельных компонентов
процесс горения газа протекает по-разному. Теплоустойчивые компоненты,
такие как СО и Н 2 , при нагреве при высоких температурах без доступа
воздуха
сохраняют
свою
молекулярную
структуру.
При
недостатке
35
количества кислорода для полного окисления газа (а < 1 ), или в случае плохо
организованного
углеводородов
компонентам,
смесеобразования,
метанового
в
зоне
ряда,
высоких
большая
относящихся
температур
при
часть
к
предельных
теплонеустойчивым
отсутствии
молекул
окислителя распадаются на более лёгкие соединения и атомы углерода [14].
С увеличением
молекулярной массы
углеводородов температура
начала их термического разложения уменьшается. Например, термическая
диссоциация метана СН4 начинается при температуре 600+800 °С, этана
С2 Н 6 - при 485 °С, пропана CsHg- при 400 °С.
Термическое разложение природных газов, включающих определенное
количество тяжёлых фракций, начинается уже при температурах 300+400 °С
и протекает по сложной цепной схеме преобразований. Схема пиролиза
метана выглядит так:
СН4^
СН2 + Н2
СН2+СН4^С2Нб
С2Нб^С2Н4+Н2
С 2Н 4 ^ С 2 Н 2 + Н 2
С2Н2^2С + Н2
2СН4^2С+4Н2
Атомы углерода, образующиеся вследствие пиролиза, имеют четыре
свободные связи, отдельно не существуют и, объединяясь между собой в
зонах недостатка окислителя, образуют мельчайшие частицы сажи размером
0,3+0,4 мкм - твёрдые кристаллы графита. В зоне активного горения они
образуют ярко светящийся факел, раскаляясь. Температура воспламенения
газа немного ниже температуры термического разложения углеводородов. В
условиях хорошо организованного смешения, при вступлении всех молекул
горючего в реакцию с необходимым для полного горения количеством
молекул окислителя, образуется сравнительно небольшое количество частиц
36
сажи, которые быстро сгорают, попав в зону с достаточным содержанием
окислителя. В этом случае длина факела незначительна.
При
ухудшенном
процессе
смесеобразования
горение
твёрдых
углеродных частиц протекает медленно, тормозится. Светящаяся часть
факела становится длинной, растянутой. Неизбежно попадая в зоны с
недостатком окислителя, некоторое количество сажи не сгорает. Это
приводит к потерям теплоты с механическим недожогом. Кроме этого,
интенсивность теплообмена снижает образующийся на поверхностях нагрева
жирный налёт сажи.
Отношение
содержания углерода к водороду в углеводородном
топливе влияет на количество сажи, образующееся при его термическом
разложении. Для газообразного топлива отношение С/Н можно определить
по составу газа с учётом атомарных масс углерода ( 1 2 ) и водорода ( 1 ):
%
/ Н = ^Е — ■^ i n ^
n
= 0' .1 2^ Е - С ,Н ,"
Для природного газа отношение С/Н равняется 3,0 ^ 3,2.
Результирующие реакции горения метана, водорода и окисла углерода
не отражают действительного хода процесса горения. Фактически, механизм
горения газа более сложен, ступенчат и характеризуется целым рядом
промежуточных химических преобразований, в целом представляющих
собой разветвлённые цепные реакции.
При нагревании природного газа в воздушной среде метан под
действием кислорода сравнительно легко распадается с образованием
неустойчивого радикала СНз и атома водорода:
СН4
СНз + Н.
Образовавшийся при этом атомарный водород вступает в реакцию с
молекулой кислорода. В результате данного взаимодействия образуется
гидроксильная группа ОН и атомарный кислород:
Н+Оз^ОН+О.
Ъ1
Затем
возможны
следующие
химические
реакции:
дальнейшее
отщепление водорода от радикала СНз с образованием СН и образование
неустойчивого формальдегида вследствие взаимодействия с гидроксилом
СН + ОН ^Н С Н О ,
или
реакция
радикала СНз с
гидроксильной
группой,
сопровождающаяся образованием сравнительно неустойчивого метилового
спирта
СНз + О Н ^
СНзО Н ,
при окислении которого образуется формальдегид
СН зО Н +
Вследствие
Н С Н О + Н 2О.
0 ^
непосредственного
окисления
радикала СНз может
образоваться формальдегид:
СНз + 0 2 ^ Н С Н О + ОН.
Формальдегид легко распадается на окись углерода и водород:
С О + Н2
НСНО
или окисляется с образованием диоксида углерода и воды:
НСНО + 0 2 ^
С О 2 + Н 2О .
От температуры и условий смесеобразования топлива и кислорода
зависят, в первую очередь, полнота, интенсивность и устойчивость горения
газов.
Скорость
пропорционально
реакции,
по
закону
Аррениуса,
увеличивается
при
повышении
температуры
величине
газовоздушной смеси. Температура воспламенения, а также нижний и
верхний концентрационные пределы характеризуют отдельные горючие
составляющие газообразного топлива и само топливо в целом.
Температура воспламенения основных горючих компонентов в смеси с
воздухом составляет: у водорода -
410+630 °С , у оксида углерода
610+660 °С, у метана 630+790 °С. Температура воспламенения природного
газа составляет примерно 530 °С .
38
Концентрационным
пределом
считается
соотношение
газа
и
окислителя, при котором аэросмеси не горят. Он зависит от целого ряда
факторов (температуры, давления, содержания примесей и т.д.).
Для
основных
горючих составляющих
нижний
и
верхний
концентрационные пределы в смеси с воздухом составляют, соответственно:
водород - 4 % и 74,2 %, оксид углерода - 12,5 % и 74,2 %, метан- 5 % и 15 %,
природный газ - 4 % и 14 %.
Расширить
концентрационные
пределы
воспламенения
позволяет
обогащение воздуха кислородом.
Следовательно, при сжигании газообразного топлива основными
факторами, влияющими на полноту, интенсивность горения, соответственно,
и количество выбросов загрязнителей в составе уходящих газов, являются
условия смесеобразования и количество окислителя, которые регулируются с
помощью газогорел очных устройств [15
2.3 Горелки для сжигания газа
Процесс смешения газа с кислородом оказывает основное воздействие
на полноту, интенсивность горения и на параметры факела (размер,
светимость, температурный уровень). Неполное перемешиваник топлива с
воздухом замедляет окислительные реакции, что может приводить к
образовыванию продуктов неполного сгорания (химический недожог) и
продуктов термолиза углеводородов. Для того чтобы избежать химического
недожога при недостаточном смешении, необходимо повышать коэффициент
избытка воздуха в топке, но это ведет к увеличению потерь теплоты с
дымовыми газами.
Устройства, с помощью которых осуществляется сжигание топлива,
называют горелками.
Они подают в топку
(или в камеру сгорания)
необходимые для достижения заданной производительности установки
количества топлива и кислорода, создают благоприятные условия их
перемешивания (смешения) до начала горения или при самом процессе
39
горения, воспламенения горючей
смеси и стабилизации факела.
Это
достигается при помощи различных конструктивных приёмов.
Газовые горелки, независимо от их типа, состоят из следующих
конструктивных элементов: устройства для подвода газа и воздуха (топлива
и
окислителя),
смесительной
камеры,
горелочной
насадки
и
стабилизирующего устройства. В зависимости от типа горелки, сферы её
применения и технологических требований, каждый из перечисленных выше
элементов горелки может быть исполнен в различных конструктивных
оформлениях. Например, в некоторых конструкциях отдельные элементы
могут совсем отсутствовать или компоноваться как единое целое.
Природный газ является высококалорийным топливом. В связи с этим
конструкция и аэродинамические характеристики горелочных устройств при
сжигании имеют главное значение, потому что перемешивание газа и
окислителя затрудняет большая разница в их объёмах. В связи с высокой
теплотой
сгорания
соотношение
расходов
коэффициента избытка воздуха равно
Кроме
того,
горелка
1 0
воздуха и газа
с учётом
.
предназначена
для
смесеобразования и
формирования у её устья устойчивого фронта воспламенения для зажигания
выходящей из горелки газовоздушной смеси.
Характер горения газа носит различный характер и зависит от того,
совмещены
или разделены
в пространственном
отношении процессы
смесеобразования, с одной стороны, и процессы подогрева смеси до
температуры воспламенения и собственно горения - с другой стороны.
Основные принципы
организации
процесса
горения и
соответствующие им виды горелок классифицируют в зависимости от
способа поступления в топку газа и окислителя (воздуха) и условий
образования горючей смеси на следующие:
1
)
в том случае, когда газообразное топливо и окислитель подаются в
зону горения отдельными струями или потоками (раздельно), а их смешение
происходит непосредственно за срезом горелки в пределах самого пламени за
40
счёт
эжектирующего
действия
диффузии
(диффузионное
смешения.
На
основе
струи
или
горение),
этого
турбулентно-молекулярной
реализуется
принципа
принцип внешнего
действует
диффузионная
горелка, Цг= О, представленная на рисунке 5;
Воздух
Газ
(Хр ~ О
Рисунок 5 - Диффузионная горелка
2
)
принцип полного внутреннего смешения реализуется в горелке с
полным предварительным смешением (Цг> 1 ), показанной на рисунке
6
.
В этом случае смешение газа со всем эжектируемым или принудительно
подаваемым
воздухом,
непосредственно
в
необходимым
пределах
горелки,
для
при
горения,
этом
в
происходит
зону
горения
поступает однородная газовоздушная смесь (кинетическое горение);
Воздух
Газ
->-Е
ар > 1
Рисунок
6
3)
принципом частичного внутреннего смешения называется смешение
газообразного
- горелка, реализующая принцип полного предварительного
смешения
топлива в пределах горелки лишь
с частью
воздуха,
необходимого для горения (первичный воздух), в то время как остальная
часть воздуха (вторичный воздух) подаётся в топочную камеру отдельным
потоком. Окончательное смешение происходит уже в топке совместно с
41
процессом горения. Данный принцип реализуется в горелке с частичным
предварительным смешением - Цг< 1 (рисунок 7).
Первичный
воздух
Газ
]
--------
II
“
Вторичный
воздух
0
ар <
1
Рисунок 7 - горелка с частичным предварительным смешением
Помимо данных основных видов смешения очень часто реализуется на
практике промежуточный принцип сжигания газа - смешанный, или принцип
неполного предварительного смешения, когда предварительное смешение
газообразного топлива с
окислителем находится на уровне
неполного
завершения (причём степень незавершённости может быть самой различной),
т.е. в зону горения подаётся неоднородная горючая смесь.
От соответствуюхцего принципа образования газовоздушной смеси и
выбранной конструкции горелки зависят параметры
образующегося в
процессе сжигания факела. Он может быть коротким или длинным, а также
светящимся или несветящимся.
Сгорание
топлива
происходит
в
растянутом
факеле
по
мере
смесеобразования топлива и воздуха в условиях их раздельной подачи в
диффузионной горелке или при условии их неполного или частичного
предварительного смешения. При этом факел обычно получается светящимся
(особенно
содержании
в газообразном
топливе большого
количества
углеводородов и местном недостатке воздуха),
что важно
интенсивности лучистого
Образующие видимый
теплообмена в топке.
светящийся факел горелки называются факельными [16 .
с позиции
42
Таким
образом,
при
высоких
температурах
скорость
процесса
смесеобразования, описываемая законами молекулярной и турбулентной
диффузии, замедляет скорость горения газа, то есть горение протекает
в диффузионной области.
В хорошо настроенных горелках скорость кинетического горения при
температуре около 1000 °С достигает скорости смесеобразования. Для того,
чтобы
сильнее
увеличить
скорость
горения,
необходимо
совершенствовать аэродинамику горелок.
Устройство горелки, реализуюш,ей перечисленные принципы горения
газа, должно быть не только связано с конструкцией всей топки, но и
выполнять следующие задачи:
Современные газовые горелки классифицируются на отдельные, чётко
различающиеся группы.
Кроме основной классификации горелок по принципу образования
газогорючей смеси, классификация производится по целому ряду других
признаков
по виду сжигаемого топлива;
по способу подачи воздуха;
по характеру истечения потоков;
по форме (геометрии) устья горелки;
по способу крутки (завихрения);
по методу регулирования крутки потоков;
по уровню давления газа;
по скорости истечения;
по степени автоматизации и т.д.
Кроме того, в зависимости от характера протекающих потоков
дутьевые горелки подразделяются на прямоточные и вихревые.
В прямоточных горелках форма устья горелки, влияющая на структуру
факела, может быть прямоугольной, щелевой или круглой.
43
Регулирование
завихрения
потоков
может
быть
осуществлено
следующими способами:
•
изменением угла наклона лопаток;
•
изменением сечения входного патрубка или живого сечения
лопаточных завихрителей;
•
использованием байпаса - перепуском части воздушного потока
мимо завихрителей.
Ж
о0 оCi
'
г
X
^ L^
б
л
в
Рисунок 8 - Принципиальные схемы завихрителей
а - улиточный; б - тангенциальный лопаточный; в - аксиальный
лопаточный.
Особенно сильно на процесс горения влияет перемешивание газа и
воздуха без их предварительного смешения (раздельная подача в опочную
44
камеру). Данный способ образования горючей смеси используется в тех
случаях,
когда
воздух
и
(или)
газ
подогреваются
до
температуры
воспламенения или близкой к ней. Осуществить предварительное смешение
при этом не представляется возможным, поскольку это вызвало бы
преждевременное воспламенение горючей смеси ещё до поступления её в
топку. Данные факты определяют требования к организации горелочного
устройства и приводят к значительно более длинному факелу, чем в случае
предварительно подготовленной смеси.
Основными задачами конструирования рациональных газогорелочных
устройств
являются
обеспечение
возможности
регулировать
качество
смешения и сообразно с этим изменять длину, форму и излучающую
способность факела.
Существуют
следующие
способы
интенсификации
процессов
смесеобразования в газогорелочных устройствах:
дробление потоков большого размера на более мелкие струи;
повышение масштаба и интенсивности турбулентности
(переход к
закрученным и пульсирующим потокам).
Воздействовать
на
процесс
горения
представляется
возможным,
прежде всего, с помощью соответствующей организации аэродинамики на
начальном участке формирования факела. Аэродинамика потоков топочных
газов и процессы турбулентного переноса тепла и массы зависят от
конструкций газовых горелок и их взаимного расположения в топочной
камере.
Конструкция горелки должна обеспечивать задачи по устойчивому
зажиганию и стабилизации фронта воспламенения в заданных пределах
изменения производительности.
Качественные границы
аэрации
горючей
смеси,
устойчивости
т.е.
пламени зависят
коэффициента
избытка
от
степени
воздуха
в
горелке щ (доли первичного воздуха), и скорости истечения газовоздушной
смеси. Данная зависимость представлена на рисунке 9.
45
степень аэрации смеси
Рисунок 9 - границы устойчивости пламени в зависимости от
коэффициента избытка воздуха и скорости потока на выходе из горелки
Для сжигания газообразного топлива на предприятии применяются
разнообразные виды газогорелочных устройств:
инжекционные
(форкамерные,
низкого
давления
и
щелевые
низкопламенные;
атмосферные - низкого давления с частичным предварительным
смешением газа и воздуха);
диффузионные (подовые и щелевые подовые);
смесительные и современные газоблочные автоматические горелочные
устройства.
Таким образом, регулировать параметры горения горючей смеси можно
с
помощью
подбора
оптимальной
конструкции
и
вида
горелочного
устройства, что позволит сократить образование загрязняющих веществ уже
в подсистеме
«Организация горения»
на начальном
уровне
системы
«Котельная установка».
2.4 Определение расчетных характеристик процесса горения топлива
Состав природного газа:
СН4=97,3%
46
С2Нб=0,8%
С зН8=0,4%
С4Ню=0,085%
C5Hi2=0,105%
СбН14=0,01%
С 0 2 = 0 ,0 8 %
N2=1,28%
Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания
природного газа.
п
цО = 0,0476 0,5СО + 0,6Я2 +1,5Я2^ + Е т + — С Я
т п
4
2
= 0,047б[2 • 97,3 + 3,5 • 0,8 + 5 • 0,4 + 6,5 • 0,085 + 8 • 0,105 + 9,5 • 0 ,0 1] = 9,8
м^ч.
Теоретический объем азота в продуктах сгорания.
дго
F ; , = 0 ,7 9 •
+X
1 9R
= 0 ,7 9 • 9,8 + ^
= 7 ,7 6 м ^ ч
Объем трехатомных газов.
= 0,0l(cO2 + с о + Я 2 5 + у ш . С,„Я,) =
= 0,01(0,08 + 97,3 + 2 •0,8 + 3 • 0,4 + 4 • 0,085 + 5 • 0,105 + 6 • 0,0l) = 1,011 м ^ ч
Теоретический объем водяных паров.
1'н,о=0,01 Я 25 + Я 2 + У + С ,„ Я , + 0Д 24.4„
+ 0,0161-F° =
= 0,01(2 • 97,3 + 3 • 0,8 + 4 • 0,4 + 5 • 0,085 + 6 • 0,105 + 7 • 0 ,0 l)+ 0,0161 • 9,8 = 2 ,1 5 5
м^ч
Теоретический объем продуктов сгорания.
= К 2 + ^ ш 2 + К 2 о = 7 ,7 6 + 1 ,0 1 1 + 2 ,1 5 5 = 1 0 ,9 2 6 м ^ ч
Избыточное количество воздуха.
С
= ^ Ч « - 1 ) = 9 ,8 ( 1 Д 5 - 1 ) = 1 ,9 6
Действительное количество воздуха.
47
= F ° - а = 9,8-1,15=11,27 мД
Действительный объем продуктов сгорания.
Vr = Vro2 + К 2 +
+ 0,0 16 1(а - 1)К“ =
W
= 1,011 + 7,76 + (1,15 - 1 ) •9,8 + 2,155 + 0,0161 • (1,15 - 1 ) •9,8 = 12,41 м Д м^
2.5 Определение расхода топлива
В качестве топлива в котельной используется природный газ.
Расход природного газа м^/м^ определяется по формуле:
Bp =Q„om/Q ; xp
где Qp - низшая теплота сгорания, ккал/м^.
Расход природного газа на котел 0,86 гкал/час (1000 кВт):
Вр = ЮООх860/8000Х 0,92 = 116,8 мДч.
Для экономии топлива на котельной производится режимная наладка
котлов, в ходе которой производится настройка параметров работы котла. По
результатам
составляется режимная
карта,
в которой прописываются
необходимые контрольные параметры. Такие параметры, как давление,
температура, состав уходящих газов определяются с помощью контрольно­
измерительных приборов, потери тепла, удельные расходы топлива рассчитываются на основании известных параметров. Придерживаясь их,
можно обеспечить нормальное полное сгорание топлива.
Основными параметрами регулирования горения топлива являются:
•
соотношение газа и воздуха, подаваемых на горелки;
•
коэффициент избытка воздуха;
•
разряжение в топке;
•
коэффициент полезного действия котла.
При
этом
под
коэффициентом
полезного
действия
котла
подразумевают соотношение полезного тепла к величине всего затраченного
тепла.
Экономия газа достигается за счет вывода котла на такой режим
48
работы, при котором обеспечивается максимальный КПД при минимальном
расходе
топлива.
Соответственно,
при
снижении
расхода
топлива
уменьшаются и выбросы загрязняющих веществ, образующихся при его
сжигании.
2.6 Определение оптимальной тяги дымовой трубы
- Низшая теплота сгорания природного газа 8000 ккал/м^;
- Максимальная нагрузка котла
Q h = 1 0 0 0 кВ т ;
- КПД котла Г! =92 %;
- Коэффициент избытка воздуха а=1,15;
- Температура уходящих газов tyr=210°C;
- Расчетная температура наружного воздуха Ц;
- Холодный период года: 1в=-28 °С;
- Барометрическое давление 99500 Па;
- Диаметр патрубка котла наружный ду 322 мм;
- Диаметр горизонтального участка газоходов
(1 г = 0 ,3 2 5 м ;
- Диаметр дымовой трубы dr=0,450 м;
- Высота дымовой трубы (от места ввода дымовых газов до устья)
Н=11 м;
- Длина горизонтального участка газохода L=2,85 м;
- Коэффициент трения газохода из стали }^=0,02 (приближенное
значение для скоростей <15 м/с)
Охлаждение дымовых газов на один метр дымовой трубы.
В
0,34
V1000
V1000
^
где В - безразмерный коэффициент принимаемый для стальных
изолированных труб 0,34;
Средняя температура дымовых газов
49
= 2 1 0 -^^''^^’^'^=207,5 °С=208
Объем продуктов сгорания.
273 + Т"
K = B ^x(V r+ V ^x((^-l)M (
= 116,8х(10,926+9,8х(1Д5-
1))х(273+208)/273=2550 м^ч
Скорость дымовых газов
Горизонтальный участок ду325 мм
К
2550
Wj =--------^ ^
Dr
3600 X л:
.
^ = 8,54 м/с
. . . . . . . 0,325^
3600 X 3,14 X
4
4
Дымовая труба ду450 мм
V
ws=
2550
=
ЗбООхтгх—D
4
= 4,45м/с (5,62 ддяду400)
3600x3,1 4 х ^ ----4
Плотность воздуха при рабочих условиях зимой (1в=-28 °С).
273
р. = р ; X— ^
= 1,293 х273/((-28)+273)=1,44 кг/ м^
1-00 + 2 / 3
Плотность дымовых газов при tyr=210°C с учетом перепада.
Р. = РнуХ^з
273
^ ^ -^ 3
= 1,27х273/(208+273)=0,72 кг/ м '
где ply - плотность дымовых газов при нормальных условиях, кг/м^.
^
1-0,01А + l , 3 0 6 x a x V °
р" = --------- ^
^
Гну
1 + 1,306x1,2x9,8
^
.
,
^ = 1,27
кг/м
’
з
Потери на трения в газоходе и дымовой трубе.
Зимний период (максимальная работа).
Г оризонтальный газоход ду325 мм
2
2
АР, = XX- X— Xр = 0,02 X
"Р
d
2
0 ,3 2 5
X
2
X0,73 = 6 4 Па
’
Дымовая труба ду450 мм
Н
w"
d
2
АР =Хх — X
„
хр, = 0 ,0 2 Xх
’
11
0 ,4 5
4 ,4 5 "
хX ^ ----- X0,73 = 4,84 Па
2
50
Самотяга дымовой трубы.
Зимний период 1в=-28 °С.
р.
=
X
Зар
g X (р. - р ,) X
10
....
99500
= 1 U 9,8 U (1.44 - 0,72) X
= 76,3 Па
273
Р, =р;>< 1 — ; - ^ = 1,293 х273/((-28)+273)= 1,44 кг/ м’
Перепад полных давлений по газовому тракту
АР„ = р:
- Р _ =0+53,6-0=53,6 Па
где Д - разряжение за котлом по данным производителя, Па, Р.^^з самотяга газового тракта, Па.
Сопротивление котла (согласно данных завода-изготовителя) 294 Па.
Общее сопротивление
=294+53,6= 347,6 Па.
гг
т.
Рбар
р;.у 101325 ^ ^ ^
Проверка тяги Д х
- АР^ х — х — ------> 1 , 2 х
101325
Рдзр
^
где Д- расчетное значение самотяги трубы;
3
8
- суммарное сопротивление дымовой трубы;
„бщ - общее сопротивление.
76,3-12,4 X
Тяга,
1,293
создаваемая
сопротивления
64,2<417,12
> 1,2 X347,6
газового
’
трубой,
тракта.
недостаточна
Устанавливается
’
для
дымосос
преодоления
на
общем
газоходе, перед дымовой трубой.
= 7 ,7 9 + 130 = 137,79 кгс/мГ
Выбирается дымосос Дн11,2, с электродвигателем АИР200М6, N=22
кВт, п=1000 об/мин, Н=1550 Па.
В результате установки дымососа создается эффективный отвод
дымовых газов от тела котла, стабилизируются условия горения, что
позволяет оптимизировать количество выбросов загрязняющих веществ в
промышленных выбросах котельной.
51
3 МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В
ПОДСИСТЕМЕ «РАССЕИВАНИЕ ВЫБРОСОВ»
3.1
На
Методы очистки выбросов от соединений серы
котельной
ист.0065
наблюдается
структура
выбросов,
представленная в таблице 7.
Таблица 7 - Структура выбросов котельной
Наименование вещества
Азота диоксид
Азота оксид
Серы диоксид
Углерода оксид
Бенз(а)пирен
Выброс
г/с
т/г
0,004852
0,000788
0,000024
0,005904
2,00Е-11
0,034343
0,005581
0,000170
0,041825
1,10Е-10
Из данной таблицы следует, что преобладающими загрязняющими
веществами являются оксиды азота и оксид углерода. Выброс диоксида серы
также представляет важную проблему. Следовательно, следует уделить
внимание способам очистки уходящих газов именно от них.
В настоящее время отсутствует промышленный опыт по очистке
дымовых газов котельных от оксидов серы. В связи с этим не представляется
возможным провести оценку эффективности разработанных на сегодняшний
день мероприятий. Для снижения содержания окислов серы существует два
вида очистки: очистка от соединений серы продуктов сгорания топлива или
удаление серы из топлива до его сжигания.
К плюсам первого способа относятся:
- высокая эффективность (90-95%);
- универсальность применения для всех видов топлива.
Минусы
данного
способа - большие
капитальные
вложения и
эксплуатационные расходы. Наибольшую перспективу в технологическом
52
отношении имеют такие методы, как известковый, аммиачно-циклический и
магнезитовый.
В результате обработки уходящих газов с помощью известкового
метода образуется шлам, состоящий из Са80з, летучей золы и не
вступивших в реакцию веществ. После процесса обезвоживания шлам
удаляется в отвал. Степень улавливания серы достигает 90%. Основными
недостатками данного метода являются большое количество шлама и
отсутствие
произведенной
продукции.
Эти
недостатки
препятствуют
применению данного метода даже в крупной теплоэнергетике, например, на
ТЭЦ.
Очень перспективным методом очистки дымовых газов от оксидов
серы является двухцикличный щелочной способ. В его основе лежит
скрубберный
процесс
очистки
дымовых
газов
осветленным
слабым
раствором солей натрия или аммиака с последующей обработкой известью
или известняком. В результате образуется шлам, содержащий Са80з,
идущий в отвал, и щелочной раствор, в дальнейшем используемый для
скрубберного процесса. Эффективность способа достигает 90-95%. К
преимуществам процесса относятся приемлемая стоимость, низкая коррозия
оборудования, минусом является образование большого количества шлама.
В результате очистки уходящих газов магнезитовым методом (с
использованием магнезия MgO) при поглощении диоксида серы образуется
сульфит магния M g 8 0 3 , который после обжига образует исходные продукты:
оксид магния, который снова используется в процессе очистки, и диоксид
серы 80г, который может быть переработан в твердую серную кислоту.
Таким
образом,
конечные
продукты,
образующиеся
в
результате
использования этого метода, могут быть снова использованы, что является
главным достоинством данного способа.
В связи с вышесказанным, наиболее эффективным и практичным
методом снижения выбросов оксидов серы с уходящими газами является
подавление их образования на этапе сжигания низкосернистого топлива.
53
3.2 Методы очистки выбросов от оксидов азота
Основная особенность образования оксидов азота - малая зависимость
от вида и состава топлива, но большая зависимость от режима горения и
организации топочного процесса. По источнику образования окислы азота
делятся на воздушные и топливные (рисунок 10). В первом случае в качестве
источника образования выступает молекулярный азот - окислитель топлива
при его сжигании, содержащийся в воздухе, во втором - компоненты
топлива, включающие в себя азот.
Рисунок 10 - Механизмы образования оксидов азота
Воздушные NOx образуются двумя путями:
- атомарный кислород окисляет молекулярный азот при высоких
температурах. При этом образуются так называемые «термические» оксиды.
Этот механизм называется механизмом Зельдовича;
-
молекулярный
азот
непосредственно
во
фронте
углеводородных
радикалов.
при
сравнительно
пламени
В
низких
разлагается
последующем
температурах
под
действием
атомарный
азот
взаимодействует с гидроксильной группой ОН. При этом образуются так
называемые «быстрые» оксиды. Этот механизм носит название механизма
Фенимора.
Характеристики процесса горения, температура в зоне активного
окисления и доля связанного азота в топливе определяют относительную
54
роль каждого из трёх источников образования окислов азота. Вне сомнения,
что топливные оксиды азота не образуются при сгорании не содержащего
связанного азота природного газа.
Определяемая избытком воздуха в топке концентрация кислорода
также весьма значительно влияет на образование оксидов азота.
Реакции
образования
NOx
носят
эндотермический
характер
(с
поглощением теплоты) и имеют цепной механизм, к примеру: N 2 + 0 2 = 2 N 0 90 кДж/моль. График зависимости равновесной концентрации оксида азота
(NO)p и времени ее установления от температуры приведен на рисунке 11.
30000
150
25000
Ж
I
2^
20000
%
I
N
1
100
I
I
50
I
/
15000
IS 10000
/
/
<5
5000
V
•Эи
о
1000
2000
ОС
Рисунок 11 - Зависимость равновесной концентрации оксида азота и
времени ее установления от температуры
1 - равновесная концентрация NOp, 2 - время установления
концентрации NOp.
Резко снизить равновесную концентрацию окисла азота помогает
уменьшение температуры горения, но одновременно это приводит к
увеличению времени, необходимого для достижения этой концентрации. В
котлах при температурах в топочной камере в диапазоне от 1400 до 1500°С
время пребывания газов в факеле в
1 0 0
раз меньше того, которое
необходимо для достижения равновесной концентрации. Концентрация
образующегося N 0
давление оксида азота.
составляет
-(0,05/0, 15)pno,
где
рмо - парциальное
55
Избыток воздуха приводит к ускорению реакции, но одновременно
снижает температуру горения, что затормаживает скорость реакции. Первый
фактор наиболее существенно влияет при малых избытках воздуха, второй при больших. Скорость охлаждения газов также воздействует на сохранение
N 0. При быстром охлаждении окислы сохраняются из-за обратимости
реакции. Например, для сохранения оксида азота в количестве 0,6 при а=1,3
скорость охлаждения составляет примерно
6
К/с.
Диоксид азота образуется в результате реакции охлажденного оксида
азота с кислородом воздуха. Скорость реакции зависит от концентрации
реагентов и с уменьшением концентрации оксида азота замедляется, при
этом в атмосферном воздухе сохраняется N 0 . При дальнейшем охлаждении
(ниже 140°С) часть NO 2 переходит в тетраоксид диазота N 2 O4 , доля которого
увеличивается по мере охлаждения. В некоторых случаях образуется N 2 O2 .
Следовательно,
в
атмосферном
воздухе
могут
образовываться
и
существовать одновременно различные оксиды азота при преобладающем
содержании NO 2 и N 2 O4 . Содержание окислов азота в дымовых газах
котельных изменяется в широких пределах (в пересчете на N 0 от 0,015 до
0,15%) и зависит от мощности котла, характеристик топлива и организации
процесса горения [17].
Зависимость содержания оксидов азота от коэффициента избытка
воздуха показана на рисунке
1 2
а!
.
S!
Рисунок 12 - Зависимость выхода NOx (а) и С2 0 Н 12 (б) от
коэффициента избытка воздуха
56
В топке образуется в основном оксид азота. После выхода из дымовой
трубы при смешении дымовых газов с атмосферным воздухом происходит
превращение оксида азота в более токсичный диоксид. Для расчета доли
диоксида азота в суммарном содержании NOx в атмосферном воздухе при
расчете загазованности и нормировании выбросов ТЭС условно применяется
коэффициент
0 ,8
X M(N 0 2 ) = 0,8 xM(NOx), M(NO) = 0,13 х M(NOx).
Мероприятия, направленные на уменьшение выбросов оксидов азота,
делятся на первичные и вторичные.
именуемые
активным
способом
внедрении
специальных
Первичные мероприятия (также
снижения выбросов) заключаются во
технологических
методов,
направленных
на
подавление возникновения оксидов азота в процессе сгорания топлива в
топках котлов, на начальном этапе их образования. Вторичные мероприятия
(пассивный
способ)
осуществляются
заключаются
путем
в
разложения
очистке
уходящих
образованных
оксидов
газов
и
азота
в
специальных устройствах, встроенных в тракт котла (в основном между его
последней
тепловоспринимающей
поверхность
Технологические мероприятия в 5-6
и
дымовой
трубой).
раз дешевле установок очистки
дымовых газов, могут быть спроектированы непосредственно в конструкции
котла, а также для их осуществления не требуется химических добавок.
Вместе с этим, вместо мероприятий по очистке дымовых газов, требующих
больших затрат энергии и средств, создаются благоприятные условия для
процесса воспламенения и горения топлива.
Следовательно, вторичные мероприятия по непосредственной очистке
уходящих
газов
должны
выполняться
только
после
выполнения
в
котлоагрегате всех технологических мероприятий по снижению образования
NOx.
Главными факторами, оказывающими первостепенное влияние на
скорость и интенсивность образования оксидов азота, являются температура
и содержание окислителя на начальном участке формирования факела, т.е. в
окологорелочной области.
57
Учеными установлено, что при образовании топливных оксидов азота
важнейшим воздействуюш,им фактором является содержание окислителя в
зоне сгорания летучих веществ, а температура протекания процесса имеет
вторичное значение. Для термических окислов азота, образующихся по
механизму Зельдовича, напротив, уровень температуры является основным
показателем интенсивности образования, хотя и концентрация кислорода
играет очень важную роль.
Данные факты определили основные направления мероприятий по
подавлению выбросов NOx для котлов, работающих на разных видах
топлива. При сжигании газа, не содержащего связанного азота, необходима
разработка мероприятий, уменьшающих образование термических окислов
азота. При сжигании твердого и жидкого топлива в высокофорсированных
топочных
устройствах
и
топках
с
жидким
шлакоудалением,
при
максимальных температурах в топочной камере на уровне 1650-1750 °С,
уменьшение температуры в ядре горения также играет важную роль, хотя не
является столь же эффективной мерой снижения эмиссии оксидов азота.
Рециркуляция газов приводит к снижению температуры NOx, что
влечет за собой уменьшение их концентрации в продуктах сгорания. При
сжигании газообразного топлива, когда в дымовых газах отсутствуют слабо
зависящие
от
температуры
топливные
оксиды
азота,
эффективность
использования метода рециркуляции газов очень высока. Место ввода
рециркуляционных газов (в каналы вторичного воздуха, в шлицы между
горелками, под горелки и т.д.) определяется отдельно в каждом конкретном
случае. Небольшое распространение данного метода состоит в том,
рециркуляция
уходящих
производства
(возрастают
газов
потери
снижает
с
экономические
уходящими
газами
что
показатели
и
расход
электроэнергии на собственные нужды). Также возникает необходимость
установки дымососа рециркуляции и коробов для подачи дымовых газов к
горелкам, что несет за собой дополнительные сложности и затраты.
58
В настоящее время изобретено большое число методов уменьшения
содержания оксидов азота в уходящих газах. Основные методы представлены
на схеме (рисунок 13).
Впрыск
уменьшает
влаги
или
максимум
снижение
температур
и,
температуры
подогрева
следовательно,
может
воздуха
ухудшить
стабильность воспламенения.
Уменьшение избытка воздуха в горелке является простейшим методом
снижения содержания окислителя в факеле. При этом снижаются потери
теплоты с уходящими газами и расход электроэнергии на собственные
нужды. Но применение данного метода ограничено, в связи с тем, что при
достижении некоторого критического значения коэффициента избытка
воздуха Цр, зависящего от вида топлива, способа сжигания, конструкции
топочной камеры и горелки, образуются продукты химического недожога, а
иногда и канцерогенный бенз(а)пирен С2 0 Н 1 2 .
При компоновке большого количества горелок в несколько ярусов
горелки и топочная камера оказывают друг на друга взаимное воздействие.
При многоярусном размещении горелок эффективным способов уменьшения
эмиссии
окислов
азота
является
нестехиометрическое
сжигание
(представлено на рисунке 14).
Оно
происходит
разбаланса по
горелкам
за
или
счет организации
их
ярусам:
топливно-воздушного
прикрытия
индивидуальных
воздушных шиберов (воздушный разбаланс, рисунок 14а) или топливных
клапанов (топливный разбаланс, рисунок 146) перед отдельными горелками.
При этом догорание топлива в обоих случаях происходит при стандартных
коэффициентах избытка воздуха после смешения продуктов сгорания из
окислительной и восстановительной зон. Возможен также комбинированный
разбаланс (рисунок 14в).
Рисунок 13 - Методы уменьшения выбросов оксидов азота
0«1«С1И1С.1кМДЯ
ЭОПА
Ekiuvx
а) воздушный раэбаламс
б) топливный разбаланс
в) комбинированный разбаланс)
Рисунок 14 - Схемы нестехиометрического сжигания (а - воздушный
разбаланс; б - топливный разбаланс; в - комбинированный разбаланс)
Метод ступенчатого
сжигания
является
разновидностью
нестехиометрического сжигания, когда одна часть воздуха, необходимого
для полного сгорания топлива, подается с помощью основных горелок, а
остальная часть подается через специальные сопла далее по высоте факела.
На рисунке 15 представлена схема двухступенчатого сжигания.
Рисунок 15 - Схемы двухступенчатого сжигания топлива
При многоярусном расположении горелок в котлах горелки верхнего
яруса могут быть использованы в качестве сопел третичного дутья (в том
61
случае, если остальные горелки позволяют нести номинальную нагрузку).
При этом в начальной зоне факела воспламенение и горение летучих веществ
происходят при пониженной концентрации окислителя, в результате чего
подавляются как топливные, так и термические окислы азота. На второй
ступени сжигания подавляются термические оксиды.
Ступенчатый подвод воздуха в зону горения приводит к значительному
уменьшению образования оксидов азота. Также, с помощью данного способа
оксид
углерода,
образовывающийся
в
области
нестехиометрического
горения, окисляется до СО 2 , тем самым снижают потери топлива с
химическим недожогом. Для уменьшения возникновения окислов азота
оптимальный коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения
должен поддерживаться на минимально возможном уровне, для того чтобы
не
способствовать
окислению
топливного
азота.
Но
вместе
с
тем,
уменьшение коэффициента избытка воздуха не должно инициировать
излишнее повышение концентрации оксида углерода и других продуктов
химического недожога в продуктах сгорания.
Разновидностью
метода
ступенчатого
сжигания
трёхступенчатое сжигание (рисунок 16):
Рисунок 16 - Трехступенчатое сжигание топлива
является
62
- на первой ступени происходит сжигание при коэффициенте избытка
воздуха, близком к единице, при этом подавляются термические и топливные
окислы азота;
- на второй ступени осуществляется сжигание при избытке воздуха
меньше единицы, при этом происходит восстановление NOx, образовавшихся
в первой ступени, до атомарного азота;
- на третьей ступени на выходе из топки при традиционном сжигании
образуется зона догорания при коэффициенте избытка воздуха, равном 1 .
К вторичным мероприятиям глубокой очистки уходящих газов от
оксидов
азота
относятся
высокотемпературный
гомогенный
и
каталитический методы.
При высокотемпературном гомогенном методе в тракт дымовых газов
вводится аммиак температурой 850-1100°С. Степень очистки газов от
оксидов азота с помощью данного способа составляет примерно 70%.
При использовании каталитического метода в газоход котла перед
каталитическим
реактором
вводится
аммиак, разбавленный
воздухом.
Реактор располагается в зоне уходящих газов с температурой 350-450°С.
Применяются катализаторы
пластинчатой
и сотовой
форм
с малым
аэродинамическим сопротивлением (также они используются для очистки
запыленных газов).
Но
данный
способ
не
применяется
широко
на
производстве по причине того, что отечественные катализаторы не имеют
малого аэродинамического сопротивления, дороги и нуждаются в частой
регенерации.
Следующим способом очистки дымовых газов от окислов азота
является абсорбция.
Щелочная абсорбция представляет собой химическое связывание азота
по реакциям следующего типа:
INO^ + Na^CO^ = NaNO^ + NaNO^ + CO^
При этом поглощению азота должно предшествовать окисление оксида
азота до диоксида, что при концентрациях азота меньше 0,05% требует
63
больших
объемов
технологического
абсорбционных
процесса
колонн.
Принципиальная
каталитической
схема
абсорбционной очистки
уходящих газов от окислов азота показана на рисунке 17.
Рисунок 17 - Принципиальная схема адсорбционной очистки газов от оксида
азота (1-охлаждение газов, 2-сушка газов, 3-каталитическое окисление N 0 d
NO 2 в кипящем слое, 4-подача сорбента, 5-десорбция NO 2 , 6 -производство
азотной кислоты)
Внедрение адсорбционной очистки уходящих газов от оксидов азота
затруднено из-за большого количества недостатков метода. В связи с
высокими температурами дымовых газов слишком сильно снижаются
поглотительные емкости сорбентов. Малые парциальные давления оксидов
азота требуют огромных реакторных емкостей. Также сложно осуществлять
регенерацию адсорбента, т.к. образующийся диоксид азота должен иметь
высокую концентрацию, в противном случае возникает вопрос очистки
воздуха, используемого для восстановления реагента.
3.2.1 Специальные конструкции горелок
Перспективным направлением в сфере уменьшения выбросов NOx
является использование специальных конструкций горелок, обеспечивающих
замедление процесса образования окислов азота.
Применение горелочных устройств со специальной конструкцией
позволяет комплексно технически обеспечить торможение образования
64
ОКИСЛОВ
азота
и
интенсифицировать
восстановительные
реакции
со
сравнительно небольшими затратами (известно, что стоимость горелок не
превышает
2 %
от
суммарной
стоимости
котла),
в
результате
чего
достигается заметное уменьшение выбросов.
Для
уменьшения
образования
NOx
(при
условии
сохранения
нормальной эксплуатации котла) конструктивные решения горелочных
устройств должны выполнять следующие функции:
• замедлять в корне факела подмешивание богатого кислородом
вторичного воздуха к воспламенившейся газовоздушной смеси;
• интенсифицировать тепло- и массообмен между струёй смеси
газа и воздуха и высокотемпературными
продуктами
сгорания,
содержащими мало окислителя, а также между вторичным воздухом и
топочными газами;
• обеспечивать эффективное сжигание топлива при минимально
возможной доле первичного воздуха;
• снижать пик температур в ядре горения без ущерба для
стабильности воспламенения и эффективности выгорания топлива.
Г орелка, обеспечивающая уменьшение эмиссии окислов азота (рисунок
18), разработана на кафедре промышленной теплоэнергетики ЛТИ ЦБП
группой ученых под руководством профессора Р.С.Тюльпанова и была
внедрена на Котласском ЦБК в 1986 г.
Особенностью
данной
горелки
является
ступенчатый
подвод
вторичного воздуха по двум осесимметричным каналам. Это позволяет
производить регулировку процессов горения и смесеобразования. Внешний
кольцевой канал для подвода вторичного воздуха поделен на два кольцевых
канала, при этом сумма площадей сечения двух кольцевых каналов для
подвода вторичного и третичного воздуха превышает первоначальное
сечение канала вторичного воздуха. Это ведет к уменьшению скорости
потока и, следовательно, к снижению коэффициента турбулентного обмена,
что также затормаживает скорость смесеобразования. Таким образом, воздух
65
ПОДВОДИТСЯ
ступенчато, и создаются условия для нестехиометрического
горения на начальном участке формирования факела, т. е. содержание
окислителя снижено. С помощью третичного кольцевого канала, несколько
отдалённого от оси горелки к периферии, подаётся необходимый для полного
горения оставшийся воздух. Он окружает “богатую” смесь, обеспечивая
полное догорание топлива.
Воздух
Канал третичного
воздуха
Аэросм есь
Канал вторичного
воздуха
Рисунок 18 - Г орелка с затянутым смесеобразованием
Основанная на данном принципе горелка, реализующая два принципа
снижения окислов азота: замедленное смесеобразование и ступенчатый
подвод окислителя,- позволяет снизить концентрацию NOx на 50 %.
Методические указания по определению выбросов загрязняющих
веществ в атмосферу (в том числе оксидов азота) разработаны ведущими
специалистами НИИАтмосфера, ВТИ и ЭНИН в 1999 г.
Методика может быть использована для определения выбросов в
атмосферный
воздух
загрязняющих
веществ
с
дымовыми
газами
котлоагрегатов паропроизводительностью до 30 т/ч и водогрейных котлов
мощностью
до 25 МВт (20 Гкал/ч,
сжигающих твердое, жидкое и
газообразное топливо с использованием различных типов газогорелочных
устройств [12].
На практике, на промышленных предприятиях выбросы окислов азота
в
атмосферу
с
уходящими
газами
котельных
наиболее
практично
66
осуществлять путем использования рациональных технологий сжигания
топлива.
3.3 Методы снижения концентрации оксидов углерода в дымовых
газах котельных установок
При
сжигании
всех
видов
топлива
из-за
неполного
сгорания
углеводородов образуются такие вещества, как монооксид углерода (СО),
водород,
непредельные,
предельные
(насыщенные),
ароматические
углеводороды и частицы сажи.
Содержание продуктов неполного сгорания в дымовых газах в больших
количествах приводит к снижению коэффициента полезного действия
установок,
работающих
на природном
газе,
а также
к повышению
содержания в атмосферном воздухе загрязняющих веществ.
К
основным
причинам
неполного
сгорания
топлива
относятся
следующие:
■ сжигание газообразного топлива с недостаточным количеством
воздуха;
■ плохое смесеобразование газа и воздуха до процесса горения и во
время его протекания;
■ избыточное охлаждение пламени до завершения процессов горения.
Реакции горения метана (в зависимости от концентрации окислителя в
реагирующей смеси) описываются следующими уравнениями:
- при стехиометрическом соотношении или при избытке окислителя:
СН
4 + 202 = С О 2 + 2 Н 2 О + б ;
- при недостатке окислителя:
СН4 + 02 = C
0 + H2 + H 20 + Q
67
Рисунок 19 - Зависимость СО от избытка воздуха
В процессе горения углерода также протекают вторичные реакции
догорания оксида углерода в газовом объеме. Данные реакции описываются
следующим уравнением:
2СО + 02 = 2002 + Q
При повышении температуры и неизменном давлении по принципу Ле
Шателье равновесие экзотермической реакции смещается в направлении
распада диоксида углерода на его оксид и кислород.
Заметная
диссоциация
диоксида
углерода возможна
только
при
температурах более 2000 - 2500 К. При температурах до двух тысяч
Кельвинов данная реакция протекает при благоприятных кинетических
условиях до полного исчезновения одного из исходных веществ и считается
практически необратимой [18].
Рисунок 20 - Увеличение СО при увеличении температуры уходящих
дымовых газов
68
Рисунок 21 - Зависимость СО от температуры подогретого воздуха
Наиболее
эффективным
способом
сокращения
выбросов
оксида
углерода является предотвращение его образования. Для этого используются
форсунки, обеспечивающие хорошее смешение с воздухом, разрабатываются
системы
контроля
полноты
сгорания
топлива
и
внедряются
другие
мероприятия. Но меры, направленные на подавление образования окисла
углерода, ведут к повышению концентрации NOx, и наоборот. В связи с этим
следует проводить оценку каждого типа устройств для сжигания по
критериям выбросов отдельных загрязняющих веществ.
Вывод: так как рассмотренные устройства очистки выбросов дымовых
газов
котельных,
а
также
каталитические,
абсорбционные
и
высокотемпературные методы имеют ряд недостатков, дороги, сложны для
введения и редко применяются на практике, то наиболее целесообразным
для уменьшения выбросов
оксидов азота и оксидов углерода является
разработка технологических мероприятий, направленных на регулирование
режима горения топлива, а также на рассеивание выбросов
соблюдения ПДК вредных веществ.
с целью
69
4 ОБОБЩЕНИЕ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПОВБШ ЕНИЯ
РЕЗУЛБТАТИВН0СТИСИСТЕМБ1 ЭКОЛОЕИЧЕСКОЕО УПРАВЛЕНИЯ
4.1 Методические подходы
В соответствии с системной методологией исследования, принятой
нами, в данном разделе должны
повышения
организации
экологической
при
быть рассмотрены общие вопросы
результативности
найденных
выше
и
теплогенерирующей
обобщенных
на
основании
литературного и патентного поиска методах и средствах в отдельных
подсистемах. Должны быть выбраны оптимальные из возможных способы и
определены
пути
обеспечения
высокой
результативности
системы
экологического управления по времени эксплуатации котельного агрегата,
то есть устойчивости к возмущающим факторам.
Для решения этих задач необходимо выполнить описание механизмов
образования
загрязняющих
веществ,
указать
их
источники
и
воздействующие на них возмущающие факторы, критерии и методику
оптимизации выбранных способов, упорядочить способы и средства для
исследуемых
условий
и
выбрать
предупреждающие
действия
для
профилактики неблагоприятного воздействия возмущающих факторов.
4.2
Выбор
оптимальных
способов
повышения
результативности
системы экологического управления
В качестве критериев оптимизации способов снижения выбросов ЗВ
необходимо выбрать следующие:
-возможность реализации данного способа в реальных условиях
эксплуатации котельной установки;
-надежность выполнения функций основного назначения выбираемого
способа;
-экономичность.
70
В
указанной
последовательности
проводится
и
ранжирование
критериев оптимизации. Это означает, в частности, что для реализации
вначале
должны
критерию.
отбираться
После этого
мероприятия,
удовлетворяющие
из отобранного перечня должны
первому
отбираться
мероприятия, лучшие по второму критерию, а уже после этого составляется
окончательный перечень мероприятий, отбираемых по третьему критерию.
Оценки по первому критерию не выражаются в физических единицах
измерения. Следствием этого является то, что оптимизация или отбор
мероприятий по нему может выполняться независимо, то есть при любых
значениях других критериев. Оценки по двум оставшимся критериям также
выполняются независимо вследствие приоритетности второго критерия над
третьим.
Для оптимизации по указанным критериям воспользуемся следующей
процедурой:
a) На основании исследований, приведенных в главах 2 и 3 данной
работы, а также обобщенных опубликованных данных, составим первый
промежуточный перечень возможных способов снижения ЗВ с указанием их
эффективности.
b) Проанализируем
возможности
каждого
из
мероприятий,
включенных в перечень мероприятий в условиях реального производства, и
исключим из перечня невыполнимые. В результате образуется второй
промежуточный перечень мероприятий.
c) Проанализируем
возможности
выполнения
функций
основного
назначения отобранных после предыдущего пункта мероприятий. Будем
считать, что функции выполняются достаточно надежно, если мероприятие
принадлежит к применяемым в теплоэнергетике.
d) Оценим экономические аспекты мероприятий, собранных после
выполнения работ по n.d) включенных в третий промежуточный перечень.
Из альтернативных предложений отберем экономически более выгодные.
Эти мероприятия и составят окончательный перечень.
71
Приступая
к
реализации
этой
процедуры,
составим
первый
промежуточный перечень мероприятий по снижению объема выбросов
(повышению результативности системы экологического управления). Этот
перечень представим в таблице 8.
Таблица 8 - Перечень возможных мероприятий по снижению объема
выбросов
Ожидаемый эффект
Наименование мероприятия
Очистка от соединений серы
Подавление образования оксидов серы на
Высокая эффективность (90-95%),
универсальность применения, опыт
этапе сжигания топлива
использования на практике
Известковый метод очистки дымовых газов
90%-ная эффективность очистки
Двухцикличный щелочной метод очистки
90-95%-ная эффективность очистки,
приемлемая стоимость, образование
щелочного раствора, в дальнейшем
используемого для скрубберного процесса
Магнезитовый метод
Образование конечных продуктов,
пригодных для дальнейшего использования
Очистка от соединений азота
Очень высокая эффективность, снижение
Первичные мероприятия:
экономических показателей производства.
-рециркуляция дымовых газов;
Малозатратность внедрения и
-впрыск влаги;
использования, проектирование
-снижение t горячего воздуха;
непосредственно в конструкции котла, не
-низкотемпературные способы сжигания;
требуется реагентов. Создание
-секционирование
топки
двусветными
котлами;
благоприятных условий для процесса
воспламенения и горения топлива.
-нестехиометрическое сжигание;
-горелки с затянутым смесеобразованием;
-высокотемпературное восстановление NOx;
-ступенчатое сжигание.
Вторичные мероприятия:
-высокотемпературный гомогенный метод;
70%-ная эффективность очистки
-каталитический метод;
-абсорбция.
Очистка от оксидов углерода
Высокая эффективность, практичность,
Предотвращение
образования
ЗВ
с
помощью методов улучшения и контроля
простота внедрения.
полноты сгорания топлива
В реальных условиях производственной деятельности практически
выполнимыми будут являться следующие мероприятия из этого перечня:
-рециркуляция дымовых газов;
72
-впрыск влаги;
-снижение t горячего воздуха;
-низкотемпературные способы сжигания;
-секционирование топки двусветными котлами;
-нестехиометрическое сжигание;
-горелки с затянутым смесеобразованием;
-высокотемпературное восстановление NOx;
-ступенчатое сжигание;
-предотвращение образования ЗВ с помощью методов улучшения и
контроля полноты сгорания топлива.
Методы, исключенные из первичного списка, относятся ко вторичным
(«пассивным») методам уменьшения выбросов ЗВ. Их осуществление не
представляется возможным на практике по причине того, что опыт их
применения в промышленности мал, они требуют больших затрат на
внедрение и эксплуатацию,
а также в результате их использования
образуются продукты очистки в виде шламов, требующих утилизации.
Следующий промежуточный перечень, составленный по критериям
надежности методов, представлен в таблице 9:
Таблица 9 - Промежуточный список возможных методов уменьшения
эмиссии загрязняющих веществ
Критерии отбора
Наименование мероприятия
Очистка от соединений азота и углерода
-рециркуляция дымовых газов;
Высокая эффективность, практичность,
низкая стоимость, простота использования,
-нестехиометрическое сжигание;
-горелки с затянутым смесеобразованием;
распространенность, комплексность,
возможность регулирования процесса
-ступенчатое сжигание.
горения горючей смеси на всем его
-предотвращение
образования
ЗВ
с
протяжении.
помощью методов улучшения и контроля
полноты сгорания топлива.
На предприятии также представляется возможным ряд малозатратных
мероприятий для снижения негативного воздействия на окружающую среду.
1Ъ
Дымовые трубы котельных должны быть спроектированы и исполнены на
высоту, необходимую для рассеивания загрязняющих веществ с целью
соблюдения предельно допустимой приземной концентрации.
Разработка
мероприятий
в
период
неблагоприятных
метеорологических условий (НМУ) также позволит уменьшить выбросы
вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух. Показатели по
сокращению
выбросов
от
одной
из
котельных
с помощью
данных
мероприятий приведены в таблице 10.
Мероприятия при НМУ осуществляются без сокращения объемов
производства. Они носят организационно-технический характер, не приводят
к снижению производительности предприятия, не требуют затрат, их можно
быстро осуществить. Это такие действия, как:
- усиление контроля за точным
соблюдением технологического
процесса производства;
- запрет работы оборудования на форсированном режиме;
-ограничение
погрузочно-разгрузочных
работ,
связанных
со
значительными выделениями в атмосферный воздух загрязняющих веществ;
- интенсификация влажной уборки территории предприятия, там, где
это допускается правилами техники безопасности;
- ограничение движения и использования автотранспорта и других
передвижных источников на территории предприятия;
- обеспечение усиленного контроля за техническим
состоянием
автотранспорта.
Соблюдение
данных
мероприятий
обеспечивает
сокращение
концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного
воздуха на 15%.
Можно сделать общий вывод о том, что выбросы загрязняющих
веществ в составе дымовых газов, образующихся при сжигании природного
газа в котельных установках, представляют значительную опасность для
окружающей среды. Процессы управления данным экологическим аспектом
74
В организации
при
метеоусловиях
будут
проведении
иметь
мероприятий
результативность
при
не
неблагоприятных
менее
15%,
что
подтверждается проведенной оценкой одного из взвешенных показателей
(анализ мощности выброса от источников котельной).
Таблица 10 - Анализ мощности выброса от источников котельной при
обычных условиях и при выполнении мероприятий при НМУ
№ источника
выбросов
0001
0002
0003
6001
Вещество
Азота диоксид
Азота оксид
Серы диоксид
Углерода оксид
Бенз(а)пирен
Азота диоксид
Азота оксид
Серы диоксид
Углерода оксид
Бенз(а)пирен
Азота диоксид
Азота оксид
Серы диоксид
Углерода оксид
Бенз(а)пирен
Азота диоксид
Азота оксид
Серы диоксид
Углерода оксид
диЖелеза триоксид
Марганец и его соед.
Фтористые газ. соед.
ИТОГО:
Показатели
Мощность выброса, г/с
в обычных
при НМУ
условиях
0,78629
0,66835
0,12777
0,10860
0,00476
0,00405
1,1689
0,99357
1,32Е-07
1,12Е-07
0,78629
0,66835
0,12777
0,10860
0,00476
0,00405
1,1689
0,99357
1,32Е-07
1,12Е-07
0,4552
0,38692
0,07397
0,06287
0,00309
0,00263
0,75965
0,64570
8,24Е-08
7,00Е-08
0,05712
0,04855
0,00928
0,00789
0,00069
0,000587
0,29748
0,25286
0,000098
0,0000833
0,000035
0,0000298
0,000020
0,000017
5,832073
4,957277
результативности
системы
Эффективность
мероприятия, %
управления
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
охраной
окружающей среды на предприятии по основным экологическим аспектам с
учетом внедрения рассмотренных мероприятий приведены в таблице 11.
75
Таблица 11 - Показатели эффективности функционирования (ПЭФ)
компании
2016 год
ПЭФ
План на
2018 г.
Валовые выбросы загрязняющих веществ в
749,178
420,7948
0,098
0,070753
749,080
420,7241
Выбросы оксидов азота (в пересчете на NO 2), всего,
тонн
302,214
51,3293
Выбросы оксида углерода (II), всего, тонн
458,144
298,322
0,012
0,045
1,665383
0,209725
Выбросы бенз(а)пирена, всего, тонн
0,0000979
2,7401Е-05
Выбросы диоксида серы, всего, тонн
2,749
1,74663
127,238
106,445
Масса образовавшихся отходов, всего, тонн
91,782
60,05685
Масса отходов, переданных сторонним организациям
91,782
60,05685
222,06
117,756
88 120,569
87 880,495
агмосферный воздух, всего, гони
Выброс твердых загрязняющих веществ, всего, тонн
Выброс газообразных и жидких загрязняющих веществ,
всего, тонн
Выбросы углеводородов (без летучих органических
соединений), всего, тонн
Выбросы летучих органических соединений, всего,
тонн
Водоотведение в центральную систему водоотведения,
тыс.
по договорам, всего, тонн
Плата за негативное воздействие на окружающую
среду, тыс. рублей
Расход газа, тыс. м^
Снизить выбросы загрязняющих веществ при сгорании природного
газа и уменьшить расход топлива позволит установка новых типов
газогорелочных
устройств
-
современных
газо-блочных,
работающих
автоматически.
Следовательно, окончательным перечнем мероприятий по снижению
выбросов загрязняющих веществ с учетом их эффективности, практичности,
надежности и экономического эффекта внедрения станет следующий:
76
Таблица 12 - Окончательный перечень возможных мероприятий по
уменьшению объема выбросов
Критерии отбора
Наименование мероприятия
Очистка от соединений азота и углерода
-рециркуляция дымовых газов;
Высокая эффективность, практичность,
низкая стоимость, простота использования,
-нестехиометрическое сжигание;
-горелки с затянутым смесеобразованием;
распространенность, комплексность,
возможность
регулирования процесса
-ступенчатое сжигание.
горения горючей смеси на всем его
-предотвращение
образования
ЗВ
с
помощью методов улучшения и контроля
протяжении.
полноты сгорания топлива.
Мероприятия по уменьшению выбросов загрязняющих веществ в период
неблагоприятных метеорологических условий
Таким образом, системный анализ направлений снижения выбросов
при работе котельных позволил составить рад ранжированных задач в целях
повышения результативности системы управления охраной окружаюш,ей
среды на теплогенерирующем предприятии. Наиболее целесообразным для
уменьшения
мероприятий
выбросов
при
загрязняющих
НМУ,
а
также
веществ
является
технологических
направленных на регулирование режима горения топлива.
применение
мероприятий,
77
ВЫВОДЫ
1.
Идентификация
экологических
аспектов
позволила
составить
перечень ранжированных задач по улучшению охраны окружающей среды:
снижение выбросов в атмосферу, снижение расхода топлива; утилизация
отходов; контроль за характеристиками сточных вод.
2. Наиболее значимым экологическим аспектом теплогенерирующего
предприятия является выброс загрязняющих веществ в составе дымовых
газов котельных.
3.
Процессы
управления
отходами
в
организации
достаточно
эффективны, негативное воздействие на окружающую природную среду
возможно только при несоблюдении правил накопления отходов.
4. Параметры стоков соответствуют установленным нормативам,
экологический риск несущественен.
5. Из всего комплекса оборудования котельной установки на количество
выбросов загрязняюпщх веществ в атмосферу значительное влияние оказывают
конструктивные особенности таких устройств как дутьевой вентилятор,
система газовоздуховодов, дымосос и дымовая труба.
6. При сжигании газообразного топлива основными факторами,
влияющими
на
полноту,
интенсивность
горения,
соответственно,
и
количество выбросов загрязнителей в составе уходящих газов, являются
условия смесеобразования и количество окислителя, которые регулируются с
помощью газогорелочных устройств.
7. Регулировать параметры горения горючей смеси можно с помощью
подбора оптимальной конструкции и вида горелочного устройства, что
позволит сократить образование загрязняющих веществ уже в подсистеме
«Организация
горения»
на
начальном
уровне
системы
«Котельная
установка».
8. Экономия газа достигается за счет вывода котла на такой режим
работы, при котором обеспечивается максимальный КПД при минимальном
расходе
топлива.
Соответственно,
при
снижении
расхода
топлива
78
уменьшаются и выбросы загрязняющих веществ, образующихся при его
сжигании.
9. В результате установки дымососа стабилизируются условия горения,
что позволяет оптимизировать количество выбросов загрязняющих веществ в
промышленных выбросах котельной.
10.
Наиболее
эффективным
и
практичным
методом
снижения
выбросов оксидов серы с уходящими газами является подавление их
образования на этапе сжигания низкосернистого топлива.
11. Выбросы окислов азота в атмосферу с уходящими газами
котельных
наиболее
практично
осуществлять
путем
использования
рациональных технологий сжигания топлива.
12. Системный анализ направлений снижения выбросов при работе
котельных позволил составить рад ранжированных задач в целях повышения
результативности системы управления охраной окружающей среды на
теплогенерирующем
уменьшения
мероприятий
предприятии.
выбросов
при
Наиболее
загрязняющих
НМУ,
а
также
веществ
целесообразным
является
технологических
направленных на регулирование режима горения топлива.
для
применение
мероприятий,
79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
данной
посвященных
диссертационной
исследованию
работе
выполнен
механизмов
горения
анализ
газа,
работ,
проведен
сравнительный анализ методов очистки дымовых газов котельных от
загрязняющих
веществ.
Установлено,
что
наиболее
целесообразным
методом для уменьшения выбросов оксидов углерода и оксидов азота
является
разработка
технологических
мероприятий,
направленных
на
регулирование режима горения топлива, а также на рассеивание выбросов с
целью соблюдения Е1ДК вредных веществ.
Было
показано, что
для теплоэнергетической
компании
оценка
экологической эффективности и выявление наиболее значимых аспектов
является очень важной. Источники данных и способы сбора информации для
анализа должны постоянно разрабатываться или улучшаться.
С помощью исследования результативности системы управления
окружающей
средой
количественную
определением
на
оценку
наиболее
предприятии
экологической
важных
можно
получить
эффективности
экологических
ее
точную
работы.
аспектов,
С
изучением
современных методов их снижения и выбором оптимальных для своего
предприятия,
экологическую
экологические
появляется
возможность
эффективность
платежи
и
контролировать
организации,
повышать
таким
и
снижать
образом
улучшать
затраты
на
рентабельность
производства продукции.
В результате проведенного исследования было установлено, что
основным
экологическим
аспектом
теплогенерирующего
предприятия
является выброс в атмосферный воздух с дымовыми газами котельных
загрязняющих веществ, образующимися в процессе сгорания природного
газа в котловом агрегате. Основными загрязнителями являются оксиды азота
и оксид углерода. Причинами их образования являются режим горения,
неполное
сгорание топлива, параметры топочного
процесса.
Методы
80
снижения
концентраций
вредных
выбросов
путем
разложения
уже
образовавшихся веш,еств в дымовых газах котельных имеют ряд недостатков
и являются сложными для использования.
Снижение выбросов может решаться путем внедрения специальных
технологических мероприятий (первичные мероприятия), направленных на
подавление образования загрязняюш,их веш,еств в процессе сгорания топлива
в топках котлов. Наиболее целесообразным для уменьшения выбросов
оксидов азота и оксидов углерода является разработка технологических
мероприятий, направленных на регулирование режима горения топлива, а
также на отвод дымовых газов от котла с целью рассеивания загрязняющих
веществ в атмосфере для соблюдения установленных ПДК.
В
связи
с этим
были рассмотрены
конструкции
горелок для
ступенчатого подвода окислителя и замедления смесеобразования, а также
был произведен подбор дымососа для эффективного отвода дымовых газов
от котла и выполнены необходимые расчеты.
Таким
образом,
применение
эффективной
системы
анализа
экологических показателей работы предприятия, внедрение рациональных
технологий
сжигания
значительно
снизить
атмосферный воздух.
топлива
на
воздействие
основании
их
предприятий
анализа
позволяет
теплоэнергетики
на
81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ и с т о ч н и к о в
1 .Г 0 С Т Р ИСО 14004-2007. Системы экологического менеджмента.
Общее руководство по принципам, системам и методам обеспечения
функционирования [Текст]. - Введ. 01.01.2009 - М.: Стандартинформ, 2009.
- 3 5 с.
2. ISO
14031:1999
Управление
окружающей
средой.
Оценивание
характеристик экологичности. Руководящие указания.
3 . 1S0/TR 14032:1999 Экологический менеджмент. Примеры оценки
экологической результативности.
4. ГОСТ Р ИСО 14001-2007. Системы экологического менеджмента.
Требования и руководство по применению [Текст]. - Введ. 12.07.2007 - М.:
Стандартинформ, 2007. - 21 с.
5. Перечень
загрязняющих
методик
веществ
выполнения
в
выбросах
измерений
концентраций
промышленных
предприятий,
допущенных к применению в 2007 году. [Электронный ресурс]/ - Режим
доступа: http://files.stroyinf.ru/lndexl/50/50907.htm.
6. Методическое пособие по расчёту, нормированию и контролю
выбросов
загрязняющих
веществ
в
атмосферу
(дополненное
и
переработанное). [Текст]. - СПБ.: НИИ Атмосфера, 2012. - 222 с.
7. Методика
определения
выбросов
загрязняющих
веществ
в
атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30
тонн пара в час или менее 30 ткал в час. [Электронный ресурс]/ - Режим
доступа:Ь11р://Ьазе.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?base=EXP;n=350301;req=d.
8. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ
в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы. ГН
2.1.6.1338-03.
[Электронный
ресурс]/
-
Режим
доступа:
http ://dioxin.ru/doc/gn2.1.6.1338-03 .htm.
9. Щербакова
Е.В.,
Пьянова
Е.И.
Анализ
результатов
инструментального определения характеристик атмосферных загрязнителей
82
ОТ
организованных источников в теплоэнергетике.
Ключевые проблемы
безопасности развития природно-промышленных систем; сборник статей 1-й
международной научно-технической интернет-конференции, декабрь 2015 г.
-с.113-123.
10.
Девисилов, В.А. Теория горения и взрыва: практикум. Учебное
пособие [Текст]/ В.А Девисилов, Т.И. Дроздова, С.С. Тимофеева. - М.:
Форум, 2012. - 352 с.
П .К укин , П.П. Теория горения и взрыва. Учебное пособие [Текст]/
П.П.Кукин. - М.: Юрайт, 2013. - 435с.
12. Портола, В.А. Расчет процессов горения и взрыва [Электронный
ресурс] : учебное пособие / В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян. —
Электрон, дан. — Кемерово : КузЕТУ имени Т.Ф. Еорбачева, 2012. — 108 с.
— Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pll_id=69507
13. Киселев,
Н.А.
Котельные
установки.
Учебное
пособие
для
подготовки рабочих на производстве [Текст]/Н.А. Киселев. - М.: Высшая
школа, 1979.— 270 с.
14. Семенов, П.П.
Развитие
цепных
реакций
и
теплового
воспламенения [Текст]/П.П. Семенов. -М .: Знание, 1969. - 94 с.
15. Белоусов, В.Н. Основы сжигания газа. [Текст]/ В.Н. Белоусов, О.С.
Смирнова,
С.Н.
Смородин.
-
СПБ.:
НИЦ
Санкт-Петербургского
государственного технологического университета растительных полимеров,
2 0 0 9 .-4 1 с.
16. Белоусов, В.Н. Топливо и ТЕ, часть 1,2 [Текст]/ В.Н. Белоусов. СПБ.:
Санкт-Петербургский
государственный
университет
низкотемпературных и питттевых технологий, 2006. - 136 с.
17. Еубарь, В.Ф. Использование прородного газа в отопительных
котельных
[Текст]/
В.Ф.
Еубарь, В.И.Захаров, В.А.Ольховиченко.
-
Макеевка.: ДЕАСА, 1999. - 123 с.
18. Котлер, В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов [Текст]/ В.Р.
Котлер. - М.: Энергоатом-издат, 1987. - 144 с.
ГУ
АНТИПЛАГИАТ
ТВОРИТЕ СОБСТБЕННЫМ УМОМ
СПРАВКА
О результатах проверки текстового документа
на наличие заимствований
Проверка выполнена в системе
Антиплагиат.ВУЗ
Автор работы
Пьянова Евгения Ивановна
Факультет, кафедра
номер группы
Институт заочного и очно-заочного образования, 31-ТБ(з)-м
Тип работы
Магиаерская диссертация
Название работы
Пьянова Е.И. Исследование результативности системы
Название файла
Пьянова Е.И. Исследование результативности системы.doc
Процент заимствования
22,40%
Процент цитирования
0,00%
Процент оригинальности
77,60%
Дата проверки
20:46:01 11 декабря 2017г.
Модули поиска
Модуль поиска ЭБС "БиблиоРоссика"; Модуль поиска ЭБС "BOOK.ru"; Коллекция РГБ;
Цитирование; Модуль поиска ЭБС "Университетская библиотека онлайн"; Коллекция
eLIBRARY.RU; Модуль поиска ЭБС "Айбукс"; Модуль поиска Интернет; Модуль поиска
ЭБС "Лань"; Модуль поиска "ФГБОУ ВО ОГУ им. И.С.Тургенева"; Кольцо вузов
Работу проверил
Трубин Алексей Сергеевич
ФИО проверяющего
Дата подписи
//
А^^
А
п "’
Подпись
проверяющего
http://univorel.antiplagiat.ru/report/byLink/238?v=1&userId=122&c=0&validationHash=E6A5B214207ABF67DB1DC108EF6760D325DE6A67
Чтобы убедиться
в подлинности справки,
^
используйте QR-код, который
содержит ссылку на отчет.
Ответ на вопрос, является ли обнаруженное заимствование
корректным, система оставляет на усмотрение проверяющего
Предоставленная информация не подлежит использованию
в коммерческих целях.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа