2. Расчет выбросов в атмосферный воздух от

теплоэнергетической установки

Во время сжигания органического топлива в энергетических установках в атмосферный воздух вместе с дымовыми газами поступают загрязняющие вещества и парниковые газы. По методике [1] учитываются такие загрязняющие вещества и парниковые газы:

- вещества в виде суспензированных твердых частиц;

- оксиды серы SO_x в пересчете на диоксид серы или сернистый ангидрид SO₂ ;

- оксиды азота NO_x в пересчете на диоксид азота NO₂;

- оксид углерода CO;

- тяжелые металлы и их соединения;

- диоксид углерода CO₂;

- метан CH₄;

- азота (I) оксид или оксид диазота N₂O.

Расчетные методы определения выброса загрязняющего вещества базируются на использовании показателя эмиссии. Показатель эмиссии характеризует массовое количество загрязняющего вещества, которое выбрасывается энергетической установкой в атмосферный воздух вместе с дымовыми газами, отнесенное к единице энергии, которая выделяется во время сгорания топлива. Он зависит от многих факторов. Существуют два показателя эмиссии: обобщенный и специфический.

Обобщенный показатель эмиссии загрязняющего вещества является средней требуемой величиной выброса для определенной категории энергетических установок, определенной технологии сжигания топлива, определенного вида топлива с учетом мероприятий по снижению выброса загрязняющего вещества. Он не учитывает особенностей химического состава топлива.

Специфический показатель эмиссии является требуемой величиной выброса, которая определяется для конкретной энергетической установки учетом индивидуальных характеристик топлива, конкретных характеристик процесса сжигания и мероприятий по снижению выброса загрязняющего вещества.

При наличии двух показателей эмиссии загрязняющего вещества необходимо использовать специфический.

Валовый выброс j-го загрязняющего вещества Ej т, который поступает в атмосферу с дымовыми газами энергетической установки за промежуток времени Р, определяется как сумма валовых выбросов этого вещества во время сжигания разных видов топлива, с том числе и во время их одновременного общего сжигания и рассчитывается по формуле (2.1):

, (2.1)

где: - валовый выброс j-го загрязняющего вещества во время сжигания i-го топлива за промежуток времени Р, т;

- показатель эмиссии j-го загрязняющего вещества для i-го топлива, г/КДж;

– расход i-го топлива за промежуток времени Р, т;

– низшая рабочая теплота сгорания i-го топлива, МДж/кг.

По данным элементного и технического анализа состав рабочей массы угля, % такой:

углерод (C^r) – 64,0

водород (H^r) – 1,0

кислород (O^r) – 1,2

азот (N^r) – 0,6

сера (S^r) – 1,8

зола (A^r) – 22,7

влага (W^r) – 8,7

летучие вещества (V^r) – 3,8

Низшая теплота сгорания рабочей массы угля составляет 21,3 МДж/кг.

Технический анализ золы и шлака показал, что массовое содержание горючих веществ в летучей золе Г_вин составляет 1,1%, а в шлаке Г_шл – 0,35 %.

По данным таблицы Г.3 (приложение Г) [1] состав горючей массы мазута, % такой:

углерод – 87,50;

водород – 11,50;

кислород и азот – 0,60;

сера – 0,40.

Низшая теплота сгорания горючей массы мазута составляет 41,24 МДж/кг, влажность рабочей массы топлива - 2,00 %, зольность сухой массы - 0,15 %, содержание ванадия (V) – 333,3 мг/кг (= 2222 * 0,15).

По данным таблицы Г.4 (приложение Г) [1] объёмный состав сухой массы природного газа составляет, %:

метан (CH₄) – 94,29;

этан (C₂H₆) – 2,80;

пропан (C₃H₈) – 0,73;

бутан (C₄H₁₀) – 0,15;

пентан (С₅Н₁₂) – 0,03;

углекислый газ (CO₂) – 1,00;

азот (N₂) – 1,00.

Объёмная низшая теплота сгорания газа составляет 34,21 МДж/м³, плотность – 0,764 кг/м³ при нормальных условиях.

Пересчитанная тепловая мощность при номинальной паропроизводительности 950 т/ч составляет 950/1,35 = 704 МВт (приложение Ж) [1] при средней фактической паропродуктивности 630т/ч – 630/1,35 = 466,7 МВт.

2.1 Выбросы во время сжигания угля

При использовании угля необходимо рассчитать выбросы оксидов азота, серы и углерода, твёрдых частиц и тяжёлых металлов, а также N₂O и CH₄.

2.1.1 Валовые выбросы оксидов азота

Обобщенный показатель эмиссии окислов азота k_NOx рассчитывается по формуле (2.1.1.1):

, г/ГДж, (2.1.1.1)

где: (k_NOx)₀ – показатель эмиссии окислов азота без учета мероприятий по уменьшению выбросов, г/ГДж;

f_н - степень уменьшения выброса NOx во время работы на низкой нагрузке;

- эффективность первичных (режимно - технологических) мероприятий сокращения выбросов;

- эффективность вторичных мероприятий (азотоочисной установки);

β - коэффициент работы азотоочисной установки.

Показатель эмиссии окислов азота каменного угля без учета мероприятий по уменьшению выбросов (k_NOx)₀ составляет 420 г/ГДж (таблица Д.5 приложение Д) [1]. Как видно из таблицы Д.6 (приложение Д) [1], соответствующий эмпирический коэффициент для расчета степени снижения выбросов NO_x во время работы на низкой нагрузке z = 1,15. В соответствии с начальными данными и согласно таблице (Д.7 приложение Д) [1] эффективность первичных мероприятий по уменьшению выбросов окислов азота η_I составляет 0,3.

Азотоочисной установки на энергетической установке нет, потому эффективность η_II и коэффициент работы β равняются нулю. Показатель эмиссии k_NOx окислов азота:

г/ГДж.

Валовый выброс рассчитывается по формуле (2.1.1.2):

, (2.1.1.2)

где: E_ji – валовый выброс j-го загрязняющего вещества во время сжигания i-го топлива за промежуток времени P, т;

k_ji – показатель эмиссии j-го загрязняющего вещества для i-го топлива, г/ГДж;

B_i – расход i-го топлива за промежуток времени P, т;

- низшая рабочая теплота сгорания i-го топлива, МДж/кг.

Тогда валовый выброс:

т.

2. Валовый выброс серного ангидрида

Показатель эмиссии окислов серы (в пересчете на диоксид серы SO₂), которые поступают в атмосферу с дымовыми газами за промежуток времени P, есть специфичным и рассчитывается по формуле (2.1.2.1):

г/ГДж, (2.1.2.1)

де: - низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

S^r – содержание серы в топливе на рабочую массу за промежуток времени P, %;

η_I– эффективность связывания серы золой или сорбентом в энергетической установке;

η_II– эффективность очистки дымовых газов от окислов серы;

β – коэффициент работы сероочистной установки.

Эффективность связывания окислов серы золой или сорбентом в энергетической установке η_I (таблица Д.2 приложения Д) [1] составляет 0,05. Сероочистная установка отсутствует, потому эффективность η_II и коэффициент работы β равняются нулю. Показатель эмиссии оксида серы:

г/ГДж.

Тогда по формуле (2.1.1.2) валовый выброс:

т.

2.1.3 Валовые выбросы оксидов углерода

По данным таблицы Е.1 приложения Е [1] показатель эмиссии окисла углерода k_CO составляет 11,4 г/ГДж.

т.

Показатель эмиссии углекислого газа при сжигании органического топлива определяется по формуле:

, г/ГДж, (2.1.3.1)

где: C^r - массовое содержание углерода в топливе на рабочую массу, %;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

ɛ_C - степень окисления углерода топлива (приложение А)[1];

k_C- показатель эмиссии углерода топлива, г/ГДж.

При жидком шлакоудалении часть золы, которая выделяется в виде летучей золы a_вин составляет 0,80 (таблица Д.1 приложение Д) [1]. В котле происходит неполное сгорание топлива, в первую очередь механически. Степень окисления углерода для рабочей массы топлива ɛ_C в энергетической установке рассчитывается по формуле (2.1.3.2) [1]:

, (2.1.3.2)

где: A^r– массовое содержание золы в топливе на рабочую массу, %;

C^r– массовое содержание углерода в топливе на рабочую массу, %;

a_вин – часть золы, которая удаляется в виде летучей золы;

Г_вин - массовое содержимое горючих веществ в выносе твердых

частиц,%;

Г_шл – массовое содержимое горючих веществ в шлаке, %.

Показатель эмиссии углекислого газа:

г/ГДж.

т.

2.1.4 Валовый выброс твёрдых частиц

Показатель эмиссии твердых частиц определяется как специфический и рассчитывается по формуле (2.1.4.1) [1]:

, (2.1.4.1)

где :k_тв - показатель эмиссии твердых частиц, г/ГДж;

A_r - массовое содержание золы в топливе на рабочую массу, %;

Г_вин - массовое содержимое горючих веществ в выбросах твердых

частиц, %;

η_зу - эффективность очистки дымовых газов от твердых частиц;

k_твS - показатель эмиссии твердых продуктов взаимодействия сорбента и окислов серы и твердых частиц сорбента, г/ГДж.

a_вин - часть золы, которая выходит из котла в виде летучей золы;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг

Сероочистная установка отсутствует, поэтому выброса твердых частиц сорбента и продуктов взаимодействия сорбента и окислов серы нет. Эффективность золоулавливающей установки η_зу по данным последних испытаний составляет 0,958. Показатель эмиссии твердых частиц:

г/ГДж.

Тогда по формуле (2.1.1.2) валовый выброс равняется:

т.

2.1.5 Валовый выброс тяжелых металлов

По данным таблицы Г.2 приложения Г [1] содержимое тяжелых металлов в рабочей массе угля составляет, мг/кг:

свинец (Pb) – 20;

ртуть (Hg) – 0,28;

хром (Cr) – 47;

никель (Ni) – 26;

медь (Cu) – 29;

цинк (Zn) – 40;

арсен (As) – 20.

При сжигании угля показатель эмиссии тяжелого металла определяется по формуле (2.1.5.1) [1]:

г/ГДж, (2.1.5.1)

где: с_вм- массовое содержимое тяжелого металла в топливе, мг/кг;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

a_вин - часть золы, которая выходит из котла в виде летучей золы;

f_зб - коэффициент обогащения тяжелого металла;

η_зу - эффективность золоулавливающей установки;

f_г - часть тяжелого металла, которая выходит в газообразной форме;

η_гзу - эффективность улавливания газообразной фракции тяжелого металла в золоулавливающей установке.

Из имеющихся в угле тяжелых металлов ртуть и арсен частично выходят из топлива в газообразном виде. По данным таблицы Д.9 приложения Д [1] эта часть составляет 0.9 (для Hg) и 0.005 (для As). Для остальных тяжелых металлов она равняется нулю. Эффективность улавливания в золоулавливающей установке газоподобной ртути составляет 0,35 (таблица Д. 11). За данными таблицы Д.9 (приложение Д) при эффективности золоулавливателя 0,95 коэффициент обогащения тяжелых металлов составляет: арсен – 1,93, хром – 1,0, медь – 1,09, ртуть – 1,0, никель – 1,37, свинец – 2,4, цинк – 2,8. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. – Рассчитанные значения выбросов тяжелых металлов

Тяжелый металл	As	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
Показатель эмиссии, г/ГДж	0,075	0,088	0,059	0,008	0,067	0,09	0,21
Валовый выброс, т	1,381	1,62	1,086	0,147	1,234	1,657	3,867

2.1.6 Валовый выброс оксида диазота

Валовые выбросы оксида диазота N₂O во время сжигания угля рассчитываются по данным таблицы Е.3 по формуле (2.1.1.2):

т.

2.1.7 Валовый выброс метана

Валовый выброс метана CH₄ во время сжигания угля рассчитываются по данным таблицы Е.4 (приложение Е) по формуле ( 2.1.1.2):

т.

2. Выбросы во время сжигания мазута

При использовании мазута нужно рассчитать выбросы окислов азота, серы и углерода, твердых частиц и мазутной золы (в пересчете на ванадий или пятиокиси ванадия), а также N₂O та CH₄.

2.2.1 Пересчет характеристик мазута

Для пересчета состава топлива на рабочую массу применяются множители согласно таблице В.1 (приложение В) [1]. Состав рабочей массы мазута таков:

углерод – 87,50·(100 – 2,0 – 0,15)/100 = 85,62%;

водород – 11,5·(100 – 2,0 – 0,15)/100 = 11,25 %;

кислород и азот – 0,6·(100 – 2,0 – 0,15)/100 = 0,59 %;

сера – 0,4·(100 – 2,0 – 0,15)/100 = 0,39 %;

зола – 0,15·(100 – 2,0)/100 = 0,15 %;

ванадий (V) – 333,3·(100 – 2,0)/100 = 326,6 мг/кг.

Согласно таблице В.2 (приложение В) [1] низшая теплота сгорания из горючей массы на рабочую пересчитывается по формуле (2.2.1.1):

МДж/кг (2.2.1.1)

МДж/кг

2.2.2 Валовый выброс оксидов азота

Показатель эмиссии окислов азота (k_NOx)₀ без учета первичных мероприятий согласно данным таблицы Д.5 (приложение Д) [1] равняется 200 г/ГДж.

В соответствии с начальными данными и согласно таблице Д.7 (приложение Д) [1] эффективность первичных мероприятий уменьшения выбросов окислов азота η_I составляет 0.3. Эмпирический коэффициент z равняется 1,25 (таблица Д.6 приложения Д) [1]. Азотоочистительная установка отсутствует, потому эффективность η_II и коэффициент работы β равняются нулю. Показатель эмиссии k_NOx окислов азота:

г/ГДж.

Валовый выброс оксидов азота E_NOx за отчётный период расчитывается по формуле (2.1.12):

т.

2.2.3 Выброс сернистого ангидрида

Показатель эмиссии окислов серы (в пересчете на диоксид серы SO₂), которые поступают в атмосферу с дымовыми газами за промежуток времени P, является специфическим и рассчитывается:

г/ГДж,

где: - низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

S ^r – содержание серы в топливе на рабочую массу за промежуток времени P, %;

η_I – эффективность связывания серы золой или сорбентом в энергетической установке;

η_II – эффективность очистки дымовых газов от окислов серы;

β – коэффициент работы сероочистной установки.

Эффективность связывания окислов серы η_I по данным таблицы Д.2 (приложение Д) [1] составляет 0,02, а эффективность улавливания окислов серы вместе с твердыми частицами в золоулавливающей установке равняется нулю. Сероочистительная установка отсутствует, потому эффективность η_II и коэффициент работы β равняются нулю. Показатель эмиссии E_SO2 окисла серы:

г/ГДж.

Согласно формуле (2.1.1.2) валовый выброс равен:

т.

2.2.4 Валовые выбросы оксидов углерода

За данными таблицы Е.1 (приложение Е)[1] показатель эмиссии оксида углерода k_CO составляет 15 г/ГДж. Тогда валовый выброс оксида углерода:

т.

Показатель эмиссии углекислого газа во время сжигания органического топлива определяется по формуле:

, г/ГДж.

где: C_r - массовое содержание углерода в топливе на рабочую массу, %;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

ɛ_C - степень окисления углерода топлива (додаток А);

k_C - показатель эмиссии углерода топлива, г/ГДж

Степень окисления углерода ɛ_C во время сжигания мазута в энергетической установке по данным приложения А[1] составляет 0,99. Показатель эмиссии углекислого газа:

т.

Тогда по формуле (2.1.1.2) валовый выброс равняется:

т.

2.2.5 Валовый выброс твёрдых частиц

Показатель эмиссии твердых частиц определяется как специфический и рассчитывается по формуле (2.2.5.1):

, г/ГДж (2.2.5.1)

где: k_тв - показатель эмиссии твердых частиц, г/ГДж;

A^r - масовий вміст золи в паливі на робочу масу, %;

Г_вин - массовое содержание золы в топливе на рабочую массу, %;

η_зу - эффективность очистки дымовых газов от твердых частиц;

k_твS - показатель эмиссии твердых продуктов взаимодействия сорбента и окислов серы и твердых частиц сорбента, г/ГДж.

a_вин - часть золы, которая выходит из котла в виде летучей золы;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг

Сероочистительная установка отсутствует, поэтому выбросов твердых частиц сорбента и продуктов взаимодействия сорбента и окислов серы нет. Массовое содержимое горючих веществ в выбросах твердых частиц Г_вин составляет 0 %. Эффективность золоулавливающей установки η_зу, по данным последних испытаний отсутствует. Показатель эмиссии твердых частиц согласно формуле (2.2.5.1):

т.

Тогда валовый выброс:

т.

2.2.6 Валовый выброс ванадия

Показатель эмиссии мазутной золы в пересчете на ванадий рассчитывается по формуле (2.2.6.1):

, г/ГДж, (2.2.6.1)

где : - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

C_V - массовое содержание ванадия в топливе, мг/кг;

η_ос – часть ванадия, который оседает с твердыми частицами на поверхностях нагрева котла;

η_зу(V) – эффективность улавливания ванадия золоулавливающей установкой.

Часть ванадия η_ос, который оседает с твердыми частицами на поверхностях нагрева, для котла с промежуточными пароперегревателями, очистка поверхностей которых осуществляется во время остановки, составляет 0,07. Эмпирический коэффициент f_V для электростатических фильтров составляет 0,6 (приложение Д) [1]. Эффективность улавливания ванадия электрофильтром во время общего сжигания угля и мазута определяется согласно формуле (2.2.6.2):

(2.2.6.2)

Показатель эмиссии мазутной золы в пересчете на ванадий согласно формуле (2.2.6.1):

г/ГДж.

Тогда валовый выброс:

т.

Показатель эмиссии пятиокиси ванадия:

г/ГДж.

т.

2.2.7 Валовый выброс оксида диазота

Валовые выбросы оксида диазота N₂O во время сжигания мазута рассчитываются по данным таблицы Е.3 (приложение Е) по формуле (2.1.1.2):

т.

2.2.8 Валовый выброс метана

Валовые выбросы метана CH₄ во время сжигания мазута рассчитываются по данным таблицы Е.4 (приложение Е) по формуле (2.1.1.2):

т.

3. Выбросы во время сжигания природного газа

При использовании природного газа нужно рассчитывать выбросы окислов азота, серы и углерода, окисла диазота и метана.

2.3.1 Перерасчёт характеристик природного газа, кг/нм³

Удельная масса каждого индивидуального газа в сухом топливе определяется по формулам, приведенным в приложении Б[1]:

;

;

;

;

;

;

,

где: m_i – удельный вес i-го индивидуального газа в 1 нм³ сухого газообразного топлива, кг/нм³;

(i)_v – объёмное содержание i-го индивидуального газа, %.

Массовый элементный состав сухого газообразного топлива определяется по формулам (2.3.1.1 – 2.3.1.4):

, (2.3.1.1)

, (2.3.1.2)

,

, (2.3.1.3)

, (2.3.1.4)

где :C^daf – массовое содержание углерода в топливе на горючую массу, %;

H^daf – массовое содержание водорода в топливе на горючую массу, %;

N^daf – массовое содержание азота в топливе на горючую массу, %;

O^daf– массовое содержание кислорода в топливе на горючую массу, %;

ρ_н – плотность сухого газообразного топлива, кг/нм³.

Таким образом, получено значение, % массового элементного состава природного газа:

углерод – C^r = C^daf = 73,72;

водород – H^r = H^daf = 23,74;

кислород – O^r = O^daf = 1,9;

азот – N^r = N^daf = 1.64.

Массовая низшая теплота сгорания рассчитывается согласно формуле (2.3.1.5):

(2.3.1.5)

Массовый расход природного газа по формуле (2.3.1.6) равен:

т (2.3.1.6)

2.3.2 Валовый выброс оксидов азота

Показатель эмиссии окислов азота (k_NOx)₀ без учета первичных мероприятий согласно данным таблицы Д.5 (приложение Д)[1] равняется 150 г/ГДж. В таблице Д.6 (приложение Д)[1] эмпирический коэффициент z для природного газа составляет 1,25. В соответствии с выходными данными и согласно таблице Д.7 (приложение Д) [1] эффективность первичных мероприятий уменьшения выбросов окислов азота η_I составляет 0,3. Азотоочистительная установка отсутствует, поэтому эффективность η_II и коэффициент работы β равняются нулю. Показатель эмиссии k_NOx окислов азота:

г/ГДж.

Тогда по формуле (2.1.1.2):

т.

2.3.3 Валовые выбросы оксидов углерода

По данным таблицы Е.1 (приложение Е)[1] показатель эмиссии окисла углерода k_CO составляет 17 г/ГДж. Валовый выброс оксида углерода E_CO:

т.

Показатель эмиссии углекислого газа во время сжигания органического топлива:

г/ГДж, (2.3.3.1)

где: C^r - массовое содержание углерода в топливе на рабочую массу, %;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

ɛ_C - степень окисления углерода топлива (приложение А)[1];

k_C - показатель эмиссии углерода топлива, г/ГДж.

Степень окисления углерода ɛ_C во время сжигания природного газа в энергетической установке по данным приложения А [1] составляет 0,995. Показатель эмиссии углекислого газа:

г/ГДж.

Валовый выброс согласно формуле (2.1.1.2) равен:

т.

2.3.4 Валовый выброс ртути

Валовые выбросы ртути во время сжигания природного газа рассчитываются по данным таблицы Д.12 (приложение Д):

т.

2.3.5 Валовый выброс оксида диазота

Валовые выбросы оксида диазота N₂O при сжигании природного газа рассчитываются по данным таблицы Е.3 по формуле (2.1.1.2):

т.

2.3.6 Валовый выброс метана

Валовые выбросы метана CH₄ во время сжигания природного газа рассчитываются по данным таблицы Е.4 (приложение Е) по формуле (2.1.1.2):

т.

В таблице 2.2 приведены значения выбросов всего рассматриваемого спектра загрязняющих веществ касательно каждого топлива и в общем.

Таблица 2.2 — Валовые выбросы, т, загрязняющих веществ

Выброс	Уголь	Мазут	Природный газ	Всего
1	2	3	4	5
SO2	29564,35	4495,6	0	34059,95
NOX	3374,2	198,5	151	3723,7
CO	209,9	35,6	40,85	286,35
CO2	2022543,6	182785	144340,6	2349669,2
Твёрдые частицы	2380,8	4,41	0	2385,21
Pb	1,657	0	0	1,657
Hg	0,147	0	0	0,147
Cr	1,62	0	0	1,62
Ni	1,234	0	0	1,234
Cu	1,086	0	0	1,086
Zn	3,867	0	0	3,876
As	1,381	0	0	1,381
V2O5	0	2,68	0	2,68
N2O	25,8	1,42	0,24	27,46
CH4	18,4	7,1	2,4	27,9
Расход топлива, (т у.п.)	2058130,042	187533,31	144539,09	2390198,451

2.4 Расчет удельного объёма сухих дымовых газов

Общая формула определения удельного объёма сухих дымовых газов при нормальных условиях (приложение А) имеет вид:

.

Во время сжигания угля удельный объём сухих дымовых газов:

Во время сжигания мазута удельный объём сухих дымовых газов:

Во время сжигания природного газа удельный объём сухих дымовых газов:

а если удельный объём сухих дымовых газов отнести к единице объёма природного газа, то

нм³/кг.