Защита воздушного бассейна от вредных выбросов промышленных предприятий

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический

университет имени В.И. Ленина»

 

 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

«Защита воздушного бассейна от вредных выбросов промышленных предприятий»

 

 

 

 

                                                                                         Выполнила:

студентка группы 5-7^x

Иванова А.В.

Проверил:  Махов О.Н.

 

 

 

 

 

 

 

Иваново 2012

Вариант №5

 

Исходные данные:

Тип турбин и их количество	Р-50-130
	ПТ-60-130 3шт
Место расположения	Рязань
Месторождение	Сучанский
Марка топлива	Т
Марка мазута	Малосернистый
Тип золоуловителя	Циклон
Степень очистки	75

 

При сжигании топлив в котельных и ТЭЦ в окружающую среду поступает значительное количество золы и дымовых газов, содержащих окислы серы и азота, углекислый газ и др. Это усугубляется тем, что ТЭЦ и котельные расположены в городах и поселках. Различные методы очистки топлива и дымовых газов не позволяют полностью защитить воздушный бассейн от воздействия вредных веществ. Поэтому они сочетаются с рассеиванием последних с помощью дымовых труб.

 

Выбор котельных агрегатов и определение объема продуктов сгорания

 

Производительность и число  энергетических котлов для блочной ТЭЦ выбираем по максимальному пропуску острого пара через турбины Р-50-130 и ПТ-60-130 с учетом собственных нужд и запасом до 3 % по расходу пара. Выбираем к установке четыре паровых котла марки Е-420-14.

Суммарную мощность пиковых котлов определяем по формуле:

МВт.

Выбираем к установке два котла марки КВ-ГМ-50 в качестве пиковых водогрейных.

Расход топлива на паровые котлы  для твердого топлива:

. 

Расход топлива на водогрейные  котлы для жидкого топлива:

.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания подмосковного угля:

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания мазута сернистого:

Определяем объемы продуктов горения для выбранных топлив:

        - объем трехатомных газов при сжигании угля

;

- объем трехатомных газов при сжигании мазута

;

- объем трехатомных газов при сжигании угля

;

- объем трехатомных газов  при сжигании мазута

;

- объем водяных паров при сжигании угля

- объем водяных паров при сжигании мазута

- объем избыточного воздуха при сжигании угля

;

- объем избыточного воздуха при сжигании мазута

.

Рассчитываем суммарный объем  продуктов горения при сжигании угля:

,

а также суммарный объем продуктов  горения при сжигании мазута:

.

Объемный расход продуктов сгорания от паровых котлов при нормальных условиях:       

.

Объемный расход продуктов сгорания от водогрейных котлов при нормальных условиях:

;

Суммарные присосы воздуха в пределах котла:

Da_к=0,05+0,03+0,1=0,18.

Объем присасываемого воздуха в  пределах парового котла при нормальных условиях:

V^ну_к = 54,07× 0,18 × 6,16 = 59,95 м³/с.

Объем присасываемого воздуха в  пределах водогрейного котла при нормальных условиях:

V^ну_к = 2831,3 × 0,18 × 10,21/3600=1,45 м³/с.

Объемный расход газов из парового котла при температуре газов t_ух:

V_г =(V^ну_г + V^ну_к)× (273 +t_ух) / 273= (508,91 + 59,95)× (273+150)/273=881,42 м³/с.

Объемный расход газов из водогрейного котла при температуре газов  t_ух:

V_г =(V^ну_г + V^ну_к)× (273 +t_ух) / 273= (10,54 + 1,45)× (273+150)/273=18,58 м³/с.

Учитываем присосы воздуха в  золоуловителях, внешних газоходах  и в дымовой трубе. Они ориентировочно оцениваются следующими величинами:

- при наличии электрофильтров Da_зу = 0,1;

- при наличии циклонов Da_зу = 0,05;

- во внешних газоходах на каждые 10 м длины при выполнении их из металла

Da_г = 0,01;

- других материалов Da_г = 0,02;

- в дымовой трубе Da_т =0,03.

 Присосы воздуха за пределами котла:

Da' = 0,15 + 0,01 + 0,03 = 0,19.

 Количество присасываемого воздуха в паровых котлах при нормальных условиях:

V^ну_в = В × Da^/ × V^o / 3600=54,07 × 0,19 × 6,16 =63,28 м³/с.

Количество присасываемого воздуха  при нормальных условиях в водогрейных котлах:

V^ну_в = В × Da^/ × V^o / 3600= 2831,3 × 0,19 × 10,21/3600 =1,53 м³/с.

 

Количество присасываемого воздуха  в паровых котлах в летний период при температуре воздуха 25 ^оС :

V_г = V^ну_в× (273 + t_в) / 273=63,28×((273 + 25)/273)= 69,07 м³/с.

Количество присасываемого воздуха  в водогрейных котлах в летний период при температуре воздуха 25 ^оС:

V_г = V^ну_в× (273 + t_в) / 273= 1,53×((273 + 25)/273)= 1,67 м³/с.

Количество присасываемого воздуха  в паровых котлах в зимний период при температуре воздуха 10 ^оС:

V_г = V^ну_в× (273 + t_в) / 273=63,28×((273 + 10)/273)= 63,59 м³/с.

Количество присасываемого воздуха  в водогрейных котлах в зимний период при температуре воздуха 10 ^оС  (3.10.)

V_г = V^ну_в× (273 + t_в) / 273= 1,53×((273 + 10)/273)= 1,59 м³/с.

Объемный расход и температура  газов с учетом присосов за паровыми котлами определяем согласно описанной ранее последовательности.

Плотность газов за паровым котлом:

           r_гк = 1,29 × (273 / (t_ух + 273)) × К_т =1,29×(273/(150+273))×1,03 = 0,8577 кг/м³.

Плотность присасываемого воздуха  в паровые котлы:

r_в =1,29 × (273 / (t_в + 273)) × К_т =1,29 × (273 / (25 + 273) × 1,03 = 1,217 кг/м³.

Массовый расход газов из паровых котлов:

m_г = V_г × r_гк =69,07 × 0,8577 = 59,24 кг/с.

Масса присасываемого воздуха в паровые котлы:

m_в = V_в × r_в =63,28 × 1,217 = 77,01 кг/с.

Пренебрегая влиянием температуры  газов на их теплоемкость, находим температуру газов с учетом присосов за котлом:

°С.

их плотность:

r₁ =1,29 × (273 / (t_в+ 273))× К^/ _т =1,29 × (273 / (79,35+ 273))× 1,013 =1,01 кг/м³,

.

Зная массовый расход газов и  их плотность, находим объемный расход газов из котла в устье дымовой трубы:

 м³/с.

Объемный расход и температуру газов с учетом присосов за водогрейными котлами определяем аналогично.

Плотность газов за водогрейными котлами

           r_гк =1,29 × (273 / (t_ух + 273)) × К_т =1,29 × (273/(150+273))×1 = 0,833 кг/м³.

Плотность присасываемого воздуха  в водогрейные котлы

r_в =1,29 × (273 / (t_в + 273)) × К_т =1,29 × (273 / (25 + 273)) × 1 = 1,181 кг/м³.

Массовый расход газов из паровых котлов:

m_г = V_г × r_гк= 1,67 × 0,833 = 1,39 кг/с.

Масса присасываемого воздуха в водогрейные котлы:

m_в = V_в × r_в =1,53 × 1,181 = 1,81 кг/с.

Пренебрегая влиянием температуры  газов на их теплоемкость, находим температуру газов с учетом присосов за котлом:

                °С.

и плотность

          r₁ = 1,29 × (273 / (t_в+ 273))× К^/ _т =1,29 × (273 / (79,29 + 273))× 1 =0,9997 кг/м³;

.

Зная массовый расход газов и  их плотность, находим объемный расход газов из водогрейного котла в  устье дымовой трубы:

 

Общий расход дымовых газов определяем как сумму дымовых газов после  паровых и водогрейных котельных агрегатов:

 м³/с.

 

Определение величины выбросов вредных веществ от котельных агрегатов ТЭЦ

 

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества с_м, мг/м₃, при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии x_м, м, от источника определяем по формуле:

 

Значение коэффициента А, соответствующее  неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимаем равным 160 - для Европейской территории России и Урала севернее 52° с. ш.       (г. Орел 52° 56΄ с.ш.)

Значения мощности выброса М, г/с, и расхода газовоздушной смеси V₁ ,м³/с, определены по формуле:   

138,1 м³/с.

При определении значения DТ, °С, мы приняли температуру окружающего атмосферного воздуха Т_в, °С, равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01-82 Т_в=24,8°С, а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Т_г,°С, по действующим для данного производства технологическим нормативам равной Т_г=150°С.

°С.

Значение безразмерного коэффициента F принимаем равным F=3, как для мелкодисперсных аэрозолей при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов менее 75 %.

Предварительно выбираем железобетонную дымовую трубу по типовым чертежам института «Теплопроект» с диаметром  D=4,2м, высотой Н=120м.

По найденному значению Н определяем значения коэффициентов m и n в зависимости от параметров f, ,  и f_e по формулам:

0,524;

12;

10,24.

858993,46.

Коэффициент определяем по формуле:

0,984.  

Коэффициент n при f<100 определяем в  зависимости от по рис. 3.2:

 при  ; 

Расстояние x_м, м, от источника выбросов, на котором приземная концентрация с, мг/м³, при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения с_м:

789,6.

где безразмерный коэффициент d при f<100 находится по формуле:

29,7

 при  .                                

Значение опасной скорости u_м, м/с, на уровне флюгера (обычно 10 м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ с_м, в случае f<100:

13,04 ,

при .  

При опасной скорости ветра u_м приземная концентрация вредных веществ с, мг/м³, в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х, м, от источника выброса:

 ,

где s₁- безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения x/x_м и коэффициента F.

Для :                                       

- при х, м, от источника выброса 500 м

0,86;

- при х, м, от источника выброса 789,6 м

1;

        Для  :

- при х, м, от источника выброса 1000 м

0,94;

- при х, м, от источника выброса 2000 м

0,62;

- при х, м, от источника выброса 3000 м

0,39;

- при х, м, от источника выброса 4000 м

0,26;

- при х, м, от источника выброса 5000 м

0,18.

   Для  и                                                                  

- при х, м, от источника выброса 10000 м

0,03;

- при х, м, от источника выброса 20000 м

0,009;

-   при х, м, от источника выброса 30000 м

0,005;

- при х, м, от источника выброса 40000 м:

0,003.

Определяем приземную концентрацию вредных веществ с_м, мг/м³, в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х, м, от источника выброса:

.

Результаты расчета приземной  концентрации вредных веществ в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях от источника выброса представлены в табл. 2.

Мощность выброса М и высота H дымовой трубы, соответствующая заданному уровню максимальной приземной концентрации с_м при прочих фиксированных параметрах выброса, находится следующим образом.

Мощность выброса М, г/с, соответствующая заданному значению максимальной концентрации, мг/м³:

- мощность выброса золы, соответствующая заданному значению максимальной концентрации с_м= 0,07 мг/м³:

 55,16 г/с;

- мощность выброса оксида серы, соответствующая заданному значению максимальной концентрации с_м=0,09 мг/м³ :

 70,95 г/с;

-  мощность выброса оксида азота, соответствующая заданному значению максимальной концентрации с_м=0,012 мг/м³ :

   9,46 г/с.

Таблица 2 - Значения приземной концентрации вредных веществ с_м, мг/м³, в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х, м, от источника выброса

Расстояние от источника X, м	S1	CSO2, г/м3, (0,09)	CNO2,мг/м3, (0,012)	Cзол,мг/м3, (0,07)
500	0,633	0,077	0,0103	0,059
789,6	1	0,09	0,012	0,07
1000	1,266	0,084	0,0112	0,065
2000	2,533	0,055	0,0074	0,043
3000	3,799	0,035	0,0047	0,027
4000	5,066	0,023	0,0031	0,018
5000	6,332	0,016	0,0022	0,012
10000	12,665	0,003	0,0004	0,0023
20000	25,329	0,0008	0,0001	0,0006
30000	37,994	0,0004	0,00005	0,0003
40000	50,659	0,0002	0,00003	0,0002

 

На рис. 1. приведена кривая рассеивания вредных веществ из дымовой трубы.

Высота источника H, соответствующая заданному значению c_м, в случае T 0 определяется по формуле:

233,3 м;

237,7 м.

Рисунок 1 - Кривая рассеивания вредных веществ из дымовой трубы

  Проверяем выполнение условий  расчета.

 Так как  ,то для определения предварительного значения высоты Н:

119,8 м.

Принимаем Н = 120 м.

Диаметр трубы (или ствола трубы) в  первом приближении определяем по формуле:

2,82 м.

Принимаем d=3 м, а скорость газов на выходе из трубы при искусственной тяге 15¸25 м/с или по формуле =15+0,06×Н_о= 22,2.

В соответствии со СНиП II-35-76 к установке принимаются трубы из кирпича и железобетона, имеющие следующие диаметры выходных отверстий: 1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 6,6; 7,2; 7,8; 8,4; 9,0 и 9,6 м. Высота дымовых труб должна приниматься 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 и 180 м.

Окончательно принимаем железобетонную дымовую трубу с диаметром D=4,2 м и высотой Н=120м.

 

Выбор и расчет циклона

 

Оценить эффективность применения указанного в задании типа циклона для очистки дымовых газов после котлоагрегатов, использующих в качестве топлива уголь.   

 Наименьший диаметр улавливаемых  частиц d₅₀=7,5 мкм, значение дисперсии осаждаемых в циклоне частиц составляет lg σ_п =0,65.

Барометрическое давление 101,3 кПа. Плотность  твердых частиц пыли составляет 450 кг/м³. Плотность дымовых газов и кинематическую вязкость дымовых газов при заданной температуре необходимо определить из табл. П 6.1.

По результатам расчета построить  эскиз циклона.

Принимаем к установке циклон типа ЦН-15у для очистки дымовых газов, определяем его гидравлическое сопротивление и эффективность при следующих исходных данных:

 - расход газа V₀ = 497160 м³/ч;

 - температура газа Т = 150 °C;

 - плотность газа с₀ = 0,849 кг/м³;

 - вязкость газа μ= 22,45·10^-6 Па·с;

 - барометрическое давление Р_бар = 101,3 кПа;

 - разрежение в циклоне Р_г = 100 Па;

 - начальная концентрация пыли в газе С=28,5 г/м³;

- характеристика дисперсного состава пыли:  d_m=15мкм;  lg σ_ч = 0,334;

- плотность частиц пыли р_ч = 2100 кг/м³.

Циклон должен работать в сети без  раскручивателя.

Выполняем  расчет.

   Плотность газа при рабочих условиях

0,83 кг/м³.

   Расход газа при рабочих условиях

214,64 м³/с.

 

   Диаметр циклона при оптимальной  скорости W_опт = 3,5 м/с

8,84 м.

   Расчетный диаметр циклона  слишком большой, поэтому необходимо выполнить установку из нескольких циклонов ЦН-15.

  Так как в нашем случае  выбраны 4 паровых котла, то  циклонов выбираем восемь (по два на каждый котел).

   Для увеличения производительности  циклона выбираем циклон с шестью циклонами в группе, тогда расход газа на один циклон составит:

 4,47 м³/с.

   Уточненный диаметр циклона

1,28 м.

  Принимаем  ближайший стандартный диаметр 1200 мм и находим действительную скорость газа в циклоне:

3,95 м/с.

 Ввиду того, что действительная  скорость отличается от оптимальной  менее чем на 15 %, остановимся на  выбранном диаметре циклона.

 Вычислим коэффициент сопротивления циклона:

Величины К₁, К₂ и z₅₀₀ берем из табл. 3.5 – 3.9.

Коэффициент гидравлического сопротивления  группы циклонов определяем по формуле

где К₃ – коэффициент, учитывающий дополнительные потери давления, связанные с компоновкой циклонов в группу прямоугольной компоновки.

Для прямоугольной компоновки, при  организованном подводе запыленного  газа, циклонные элементы расположены  в одной плоскости. Отвод из общей  камеры чистого газа К₃ = 35.

Гидравлическое сопротивление циклона

923,34 Па.

 

Гидравлическое сопротивление  циклонной установки с шестью циклонами в группе определим по следующей формуле:

1152,56 Па.

Размер частиц d₅₀, улавливаемых выбранным циклоном при рабочих условиях с эффективностью 50 %, определим по следующей формуле:

6,04 ,

где D_Т, r_ЧТ, m_Т, w_Т – величины, соответствующие условиям, при которых получена величина d₅₀ = 4,5 мкм;

D_o, r_o, , w_o – величины, соответствующие действительным условиям работы циклона.

Определим параметр х по следующей формуле:

Определим численное значение функции  Ф(х), полный коэффициент очистки газа, выраженный в долях (по табл.3.9), по следующей формуле:

0,896.

Согласно расчету, требуемая степень очистки дымовых газов осуществляется выбранным циклоном.

Если η окажется меньше требуемого, необходимо увеличить количество циклонов или выбрать другой тип циклона с большим значением z_ц.

 

Выбор и расчет электрического  фильтра для очистки дымовых газов

 

Подобрать серийную конструкцию электрофильтра для очистки дымовых газов  паровых и водогрейных котлов на ТЭЦ, если температура уходящих газов  T=150 ^оС, размер частиц в потоке дымовых газов составляет от d_м= 5…40 мкм, объем очищаемого потока дымовых газов от паровых котлов равен V=134,9 м³/с, а от водогрейных – V=3,2 м³/с. Степень очистки должна быть не ниже 65 %.

Определяем величину скорости дрейфа частиц размером 5 и 40 мкм. Напряженность электрического поля в ходе очистки принимаем равной 30^.10⁴ Вт/м, что характерно для электрофильтров сухой очистки:

- скорость дрейфа частиц размером 5 мкм

0,118 м/с;

- скорость дрейфа частиц размером 40 мкм

0,946 м/с.

Скорость газа в активном сечении  v_г = 1 м/с. Определяем время, необходимое для осаждения частиц размером 5 мкм, так как они имеют в восемь раз меньшую скорость дрейфа.

Предварительно выбираем электрофильтр  типа ЭГА с расстоянием между  коронирующим и осадительным электродами 150 мм (прил. 5), с путем движения дымовых  газов в электрофильтре равным L = 8,5 м.

Расчет t_oc проводим по формуле (3.117):

 1,271 c.

 0,159 c.

Определяем   необходимую   величину   активного   сечения   электрофильтра:

34,53 м².

По найденной величине активного  сечения выбираем электрофильтр  ЭГА-1-20-9-6-2-330-5 (1 – количество секций; 20– количество газовых проходов; 9 – высота электродов, м; 6 – количество элементов в осадительном электроде; 2 – количество электродных полей; 330 – температура в электрофильтре, ^оС; 5 – разряжение в электрофильтре, кПа) с фактической площадью активного сечения 49 м² и площадью осаждения F_ос = 2826 м². Удельная поверхность осаждения электрофильтра

20,46 м²/(м^2.с).

Степень очистки дымовых газов  в данном электрофильтре определяем по уравнению

91,06 %.

Полученная величина степени очистки  выше заданной, поэтому выбранный тип электрофильтра обеспечит необходимую степень пылеочистки.

Проверяем необходимое условие  осаждения частиц в данном электрофильтре. Средняя скорость движения в электрофильтре с горизонтальным движением потока запыленного газа лежит в пределах 0,5…1 м/с.  Для проверки необходимого условия осаждения примем верхний предел скорости движения газового потока, тогда

t_п

8,5 с.

Таким образом, t_ос<t_п, что говорит о том, что фильтр выбран правильно.