Министерство Образования Российской Федерации

Архангельский Государственный Технический Университет
Кафедра эксплуатации автомобилей и МЛК
Расчетно–графическая работа
Расчет концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах тепловых станций
                                                        Вариант № 5
Студент: Починков А.В.

МФ III-I

Руководитель: доцент

Пугин Б.И.
Архангельск

2004

1. Вредные примеси в дымовых газах


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

Количество загрязнений определяется составом и объёмом сжигаемо­го топлива.

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

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в энергоустановках,- нетоксичные диоксид уг­лерода СО₂ и водородный пар Н₂О. Однако кроме них в атмосферу выбра­сываются такие вредные вещества, как оксид углерода СО, оксиды серы SО_n, азота NO_n, сажа, соединения свинца, канцерогенные вещества (бенз(а)пирен) и др.

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

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

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

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


Рис.1. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере

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

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

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

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

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



    С = (С_maх + С_ф) < С_ПДК,
где C_max - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воз­духе, создаваемая источниками выбросов, мг/м³;

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

      С_ПДК - нормативное значение предельно допустимой концентрации вредного вещества,     мг/м;
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих аддитивными свойствами, для каждой точки мест­ности должно выполняться условие


где i
 — i
-я примесь.
2. РАСЧЕТ РАСХОДА ТОПЛИВА

1. Расход топлива одним котлом, г/с,

г/c
где Q_пi^н - номинальная паропроизводительность i -го котла, т/ч;

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

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

     
i_п.в=420кДж/кг;

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

      η_к - коэффициент полезного действия котла.
2. Суммарный расход топлива всеми котлоагрегатами тепловой стан­ции В_сум, г/с,


 г/с
где      n - количество котлов
3. РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
1. Выбросы твёрдых частиц (золы), г/с,


М_з = В_сум А^р f
  (1- η₃) = 656 * 32,5 * 0,0035 * (1- 0,825 ) = 13,06 г/с
где     А^р - зольность топлива на рабочую массу, %;

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

          η₃ - коэффициент полезного действия золоуловителей.
2. Выбросы оксидов серы, г/с,
 

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

      η`_so2 - доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива (для углей – 0,1);

      η``_so2 - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе.
3. Выбросы оксидов азота, г/с,



 г/с

       где К_NO2 - количество оксидов азота, образующееся на единицу тепла, выде­ляющегося при горении топлива, кг/ГДж; принимают по графику (рис.2);

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


Рис.2. Зависимость К_NO2 от паропроизводительности котлоагрегата для различных топлив: 1 - природный газ, мазут; 2 - антрацит; 3 - бурый уголь; 4 - каменный уголь
4. Расчет выбросов окиси углерода, г/с,



 г/с

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

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

 
4. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

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



 м³/с

где   Т_г - температура уходящих газов, °С ;

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

= 1,1 + 4,77 + 0,71 + 0,7*6,02 =10,8
Здесь  - теоретический объём продуктов сгорания соот­ветственно трёхатомных газов, азота, водяных паров и воздуха, м³, на 1 кг топлива; (α-1) = 0,70 для котлов, работающих на угле.

2. Диаметр устья дымовой трубы, м,

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

м  для золы
 м для SO₂
 м для NO₂
м для СО
где А - коэффициент, учитывающий метеорологические условия местности, для

северных районов А=160;

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

     F
- безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания твердых частиц в атмосфере, для золы при степени очистки менее 90 % F=2,5; при степени очистки более 90 % F
=2,0. При расчете Н_min

 по вы­бросу оксидов азота, серы и углерода F
=1;

   
C
_ПДК
i
- максимальная разовая предельно допустимая концентрация i-го вещест­ва в атмосферном воздухе, мг/м³;

    С_фi, -  фоновая концентрация i-го вещества, характерная для данной местности,

мг/м³; принимаем C_фi,= 0;

     ΔT -   разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и средней температурой окружающего атмосферного воздуха самого жаркого месяца Т_а. Значения Т_г приведены в табл. 1, а Т_в для северных районов принимается равной +20 °С.
Высота дымовой трубы Н_min
  вычисляется по условиям выброса каж­дого вредного вещества в отдельности, а также для групп веществ с сум­мирующимся вредным действием. Из полученных значений H_min
принима­ется наибольшее, а затем подбирают близкие к расчетным стандартные размеры трубы (материал, высоту трубы и диаметр устья).

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

Высота трубы 35 метров:     H=35 м

Диаметр устья трубы:           D=1,2 м

Труба кирпичная
5. ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ ВЫБОРА ВЫСОТЫ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

Действительная скорость выхода дымовых газов


ω_д =  










 для золы

 для SO₂

 для NO₂

 для CO


6. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ


ПРИМЕСЕЙ ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА ВЫБРОСОВ


ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
1. Расстояние X_t
(м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация i-го вещества при неблагоприятных метеорологических ус­ловиях достигает максимального значения c_max; (мг/м³):


 м

 м

 м

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


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


 м/с
3. Приземная концентрация i-го вредного вещества с_i, (мг/м³) в атмо­сфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х(м) от источни­ка выброса при опасной скорости ветра U_max:
C_i = S₁ c_{max i}



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

Расстояние X
при анализе принимают равным 50; 100; 200; 400; 800 и 1200м.
Для золы:
          
  
S₁= 3·0,2⁴ - 8·0,2³ + 6·0,2² = 0,18

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

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

S₁=

S₁=
S₁=



                

Для NO₂; SO₂; CO:
             
             
S₁= 3·0,1⁴ - 8·0,1³ + 6·0,1² = 0,05

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

S₁= 3·0,5⁴ - 8·0,5³ + 6·0,5 = 0,69

S₁= 3·0,95⁴ - 8·0,95³ + 6·0,95² = 1

S₁=

S₁=

Расстояние Х, м	Концентрация вредных примесей, мг/м3
	Сз	СSO2	CNO2	CCO
50	0,072	0,024	0,001	0,004
100	0,196	0,11	0,007	0,02
200	0,38	0,32	0,02	0,06
400	0,348	0,47	0,03	0,09
800	0,204	0,36	0,02	0,06
1200	0,12	0,26	0,01	0,05

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

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