Механизм расчета рассеивания вредных выбросов промышленных предприятий

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Регламентирование выбросов вр-х в-в в атмосферу через те или иные источники осущ-ся на основе установления ПДВ. Для того чтобы регламентировать выбросы, следует сначала определить максимально возможную конц-ю вр-х в-в и расстояние от источника выброса, где эта конц-я возникает.

Величина максимальной приземной концентрации загрязняющих веществ С_М (мг/м³) от одиночного (точечного) источника с круглым устьем для выбросов нагретой газо-воздушной смеси, при неблагоприятных метеоусловиях рассчитывается:

С_м = (А·М·F·m·n·h)/(H²· , где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М (г/с) – масса вредного вещ-ва, выбрасываемого в атмосферу в еденицу времени; F – безр-ый коэфф-т, учит-ий скорость оседания вредных в-в в атмосферном воздухе; m и n – коэфф-ты, учит-ие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н (м) – высота источника выброса над уровнем земли (для наземных источников при расчетах принимается H=2 м); h - безр-ый коэфф-нт, учит-ий влияние рельефа местности; V (м³/с) – расход газовоздушной смеси; DТ (⁰С) – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в;

Значения М, Н, V, Т_Г опред-ся по данным инвентаризации выбросов, а при их отсутствии - расчетом. Темп-ра наружного воз-ха прин-ся по среднему значению на 13.00 часов наиболее жаркого месяца года. Значения F принимаются равными: 1- для газообр-х загр-х в-в и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п.); 2-для мелкодисперсных аэрозолей при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки не менее 90%; 2, 5- от 75 до 90%; 3-при стени очистки менее 75% или при отсутствии очистки.

Безразмерный коэффициент m определяется расчетом в зависимости от параметра f:

где w₀ (м/с) – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; D (м) – диаметр устья источника выбросов;

w₀ = V/(0, 785*D).

Значение коэффициента n определяется в зависимости от параметра v_м, рассчитываемого по формуле:

Коэфф-т h=1, в случае равной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышает 50 м на 1 км.

Расстояние Х_М от источника, на котором приземная концентрация С (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения С_м, определяется по формуле:

где d = – безразмерный коэффициент, определяемый расчетным путем согласно ОНД-86.

Значение опасной скорости ветра (м/с) на уровне флюгера (обычно 10 м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных вещ-в , в случае f˂ 100 определяется по формулам:

;

При f≥ 100 или значения вычисляется по формулам6

;

Для f≥ 100 (или ) и при расчете С_м используем ф-лу:

В соответствии с ОНД-86 источник выброса в зависимости от высоты его устья над уровнем земли относится к одному из следующих классов: 1) высокие источники, Н ≥ 50 м; 2) средней высоты, Н = 10-50 м; 3) низкие, Н = 2-10 м; 4) наземные источники, Н ≤ 2 м.

3. Теория образование NO_x при сжигании органического топлива

Оксиды азота состоят из суммы оксида и диоксида азота. При поступлении в атм-ру NO в течение неск-х часов в рез-те фотохимического взаим-я переходит в NO₂. В завис-ти от первоисточников образ-я в топках котлов оксиды азота разделяют:

1 ). Термальные оксиды азота. Основные положения термической теории:

1. Образование NO происходит за фронтом пламени в зоне высоких температур по цепному механизму, формальная кинетика которого хорошо описывается уравнением:

Инициирующей реакцией будет реакция диссоциации свободного кислорода

Первая реакция определяет скорость образования NO в зависимости от концентрации атомарного кислорода.

2. Выход NO определяется максимальной температурой горения и конц-ми азота и кислорода в зоне реагирования.

3. Концентрация образовавшегося NО не превышает равновесную при максим-ой темп-ре в зоне реагирования.

4. При наличии свободного кислорода (а> 1) выход NО определяется макс-ой температурой в зоне реакции, при недостатке (а< 1) - кинетикой разложения NО, т. е. скоростью охлаждения продуктов сгорания (закалкой).

5. При сжигании углеводородных или влажных топлив в процессе реакций горения образуется гидроксильный радикал, который участвует в образовании оксида азота.

2).Топливные оксиды азота образуются ч/з азотсодержащие соединения, которые присутствуют в жидких топливах. Содержание химически связанного азота в сырой нефти до 0, 65 %, в мазуте - до 1, 4 %, в бензине -до 0, 07 %.

Азот в топливе в основном входит в состав соединений, легко распадающихся при нагревании и активно вступающих в реакцию с кислородом. На основании результатов исследований можно сделать ряд практических выводов:

- конверсия азота топлива в NO происходит во фронте пламени при скорости, соизмеримой со скоростью реакций горения;

- степень конверсии уменьшается с увеличением концентрации азота топлива с 20-80 % при N^P< 0, 1 % до 10-20 % при N^P=0, 1 +1, 6%.

- конверсия слабо зависит от температуры пламени;

- конверсия не зависит от вида азотсодержащего соединения, а определяется содержанием в нем азота;

- конверсия увеличивается с увеличением коэффициента избытка воздуха;

- доля топливного NO в суммарном выходе оксидов азота будет тем больше, чем ниже тепловые напряжения и температура в топке.

3). Фронтальные оксиды азота имеют место при сжигании всех видов топлива. Химически индуцированный механизм синтеза NO близок по своему характеру к механизму топливного NO, который происходит с участием промежуточных продуктов и радикалов во фронте пламени. Скорости протекания реакций сопоставимы со скоростями горения.

Основные закономерности механизма образования фронтальных NO следующие:

- фронтальные NO образуются в зоне, характеризующей фронт пламени;

- время образования NO соизмеримо со временем реакции горения;

- образование фронтальных NO слабо зависит от температуры и в основном определяется избытком воздуха;

- в суммарном выходе оксидов азота в условиях, характерных для топок отопительных котлов малой мощности, доля фронтальных NO незначительна и будет уменьшаться с увеличением тепловой мощности котлов и температур в топке.

4.Теория образования сажистых частиц при сжигании органического топлива.

Сажевые частицы – это продукты неполного сгорания, в состав которых входит на 98% углеводород, остальное – водород, входящий в состав сажи или сопутствующих ей сложных углеводородов. В конгломерате, состоящем из золы, кокса и сажи, могут также находиться соединения ванадия, натрия, серы, оксида железа и серы.

Сажа – тв. частицы размером от 0, 04 (канальная сажа) до 0, 2 мкм (термическая сажа). При движении в потоке частицы сажи могут увеличиваться за счет образ-я агрегатов, размер ко-х 10 мкм и более. Кроме того, что сажа яв-ся недожогом, т.е. происходит потеря углеводородов, она обладает вредными св-ми, что объясняется присутствием в ней сложных углеводор-ов типа Б(а)П.

Сажа практически всегда присутствует в дымовых газах, прежде всего, за счет большего, чем нужно кол-ва окислителя в зоне горения. Кол-во сажистых частиц зависит от способа и от качества смешения топлива с окислителем. Сущ-ют и технические факторы, которые влияют на образ-е сажи:

-объем топочного пространства;

- форма топочной камеры;

- степень экранирования топки;

- степень расплывания топлива.

Так частицы, попадая в атм-ру, нах-ся в ней в виде пылей, аэрозолей, летучей золы, коксовых частиц. Тв. частицы составляют около 10% от общей массы техногенных загрязнителей атм-ры, но ущерб от них яв-ся значимым. Тв. частицы поражают легкие человека, снижают прозрачность атм-го воз-ха, увеличивают кол-во осадков, туманов, влияют на почву и растительность. Основной вклад в загрязнение атм-ры вносят частицы размерами от 0, 1 до 10 мкм.

Следует отметить, что до сих пор нет единой теории образования сажи. Классической теорией является теория Теснера. В основе реакции образования лежат процессы полимеризации:

НС º С – С = С – С º СН ® Н – С =С – С = С – С = СН ® зародыш сажи

НС

молекула сажи образуется в результате дальнейшего роста зародыша сажи.

Образование сажи и кокса в ходе топочного процесса происходит параллельно, поэтому образуется на поверхности нагрева конгломерат, собственно сажи и мелкодисперсного кокса, назыв-го котельной сажей.

5. Теория образования газообразного недожога в топках котлов

Горение жидкого топлива начинается с присоединения к углероду кислорода и образования спиртов и альдегидов. Последние расщепляются или окисляются с образованием формальдегида (НСНО), который при недостатке кислорода распадается с образованием СО. Кроме того, при сжигании любых углеводородных топлив в качестве промежуточных продуктов (радикалов) образуются СН, НСО и т. п., через которые также возможно образование оксида углерода.

Завершающими реакциями горения углеводорода (в углеводородных топливах) является образование СО и его переход в СО₂.

Характерные причины образования СО:

1. Отсутствие окислителя или его недостаток в высокотемпературной реакционной зоне.

2. Некачественное смешение горючего и окислителя.

3. Неудачная конструкция горелочного устройства.

4. Снижение температуры в реакционной зоне (или недостаточное время пребывания в реакционной зоне).

5. Слишком большая степень экранирования топки при малом ее объеме.

6. Большой коэффициент избытка воздуха.

7. Неудачное расположение горелочных устройств и колосниковой решетки.

8. Касание пламенем холодных поверхностей нагрева и т. п.

Оксид углерода очень стабилен и в атмосферном воздухе может нахо-диться до 4 месяцев. Суммарная эмиссия СО только в результате деятельности человека составляет около 300 млн т/год, т.е. 20 % всех выбросов СО, поступающих в атмосферу.

Оксид углерода не влияет отрицательно на металлы и другие строительные материалы, не оказывает вредного воздействия на жизнедеятельность растений при концентрации менее 125 мг/м.

Воздействие угарного газа СО на организм человека общеизвестно. Гемоглобин крови НЬ имеет в 210 раз большее родство с СО, чем с кислородом. Таким образом, СО активнее взаимодействует с гемоглобином (в 200 раз и более), образуя карбоксигемоглобин крови СО(НЬ), который снижает поступление кислорода к клеткам организма. Вторичный эффект воздействия СО(НЬ) состоит в том, что он мешает реализации кислорода, переносимого остальным гемоглобином.

6. Теория образования SO_x при сжигании органического топлива

Горючая сера как сумма органической и колчеданной (S° + S^к) содержится в жидком топливе в количестве 0, 05-0, 15 % (керосин) и до 3, 5 % в мазутах.

В процессе сжигания топлива, содержащиеся в нем сернистые соединения, сгорают с окислением серы, в основном, до диоксида серы.

В небольших количествах образуется триоксид серы S0₃. SO₂ образуется при сжигании 98-99%, и около 1% SO₃.

SO₃ более токсичное в-во чем SO₂, пагубно влияет не только на растительность, но и на теплотехническое оборудование.

С увеличением концентрации кислорода количество S0₃ будет увеличиваться до некоторого максимального значения, фиксирующегося при избытке кислорода (коэффициент избытка воздуха 1, 15-1, 30). При последующем увеличении избыточного воздуха S0₃ будет снижаться.

Дальнейшее превращение S0₂ в S0₃ может происходить в атмосфере, но чрезвычайно медленно, однако гетерогенная катализация на поверхности твердых частиц может увеличить скорость превращения. При интенсивном солнечном освещении скорость фотохимической реакции окисления диоксида серы в триоксид составляет 0, 1-0, 2 % в час.

Концентрация SO_x в уходящих газах полностью зависит от содержания в топливе горючей серы. При сжигании жидкого топлива практически вся сера переходит в SO_х.

Влияние различных факторов на образование SO_х

1)с ростом нагрузки степень улетучивания серы увеличивается (связано со временем контакта дымовых газов и летучей золы)

2)с ростом температуры степень улетучивания серы растет, т.к. при t = 1000 – 1200 ⁰С имеет место диссоциация сульфатов

CaSO₄ = CaO + SO₂ + ½ O₂, т.е. обратное выделение SO₂ из сульфатов, образовавшихся в летучей золе в начальных стадиях горения.

3)влияние длины факела. Наиболее существенное изменение с серой топлива происходит на расстоянии 3-4 м от устья горелки. Сера переходит в газообразное состояние.

4)влияние температурного факела на образование серного ангидрида. При увеличении температуры, газы, находящиеся в топке уменьшают содержание SO₃ (т.к. большая часть серного ангидрида образуется в факеле в основном в результате соединения SO₂ с атомарным кислородом).

5)уменьшение избытка воздуха однозначно увеличивает содержание SO₄

6)влияние нагрузки котла не влияет на образование SO₄

Оксиды серы относятся к наиболее опасным загрязнителям. На их долю приходится наибольший ущерб животному миру, растительности и различным сооружениям из металла и камня.

Оксиды серы активно взаимодействуют в атмосфере с оксидами азота, образуя токсичные комплексы, негативное воздействие которых значительно сильнее, чем отдельных компонентов.

В атмосфере оксиды серы способны переходить в сульфат-ион S0₄ и серную кислоту, воздействие которых в 5-10 раз сильнее, чем воздействие S0₂.

7. Снижение эмиссии NO_x

Методы снижения выбросов оксидов азота после сжигания органического топлива разделяются на первичные и вторичные.

Первичные мероприятия связаны с организацией горения топлива, при которой снижается образование NO_x. К ним относят: снижение температуры горения, снижение избытков воздуха в зоне активного горения, снижение парциального давления кислорода в воздухе для горения путем рециркуляции дымовых газов, сокращение времени пребывания топлива в зоне горения, использование принципа организации ступенчатого горения. Первичные мероприятия дают хороший эффект при сжигании природного газа, а также мазута, а при сжигании угля их использование ограничивается появлением продуктов неполного сгорания горючих компонентов, что снижает эффективность котельной установки.

Вторичные мероприятия по очистке дымовых газов включают: селективное термическое восстановление NO_x (ввод NH₃ в высокотемпературную зону, в результате чего образуется безвредный молекулярный азот), селективное каталитическое восстановление (СКВ) оксидов азота, электронно-лучевой способ, абсорбционный способ, применение активированного кокса.

Наибольшее распространение из вторичных мероприятий в мировой практике получили первые два способа. Существуют два варианта СКВ-способа, различающихся по месту расположения каталитического реактора (до и после пылеочистного оборудования), - запыленный и малозапыленный.

Электронно-лучевой способ очистки: с помощью свободных радикалов О, ОН, НО₂, образующихся в электронных пучках, проводится окисление NO_x в присутствии воды до HNO₃, а затем нейтрализация кислоты дозированием аммиака с образованием конечного продукта – нитрата аммония. Этот способ, так же как и применение активированного кокса, ведет к снижению выбросов SO₂ и NO_x.

К абсорбционным, или мокрым, способам очистки относят:

1. окислительно- абсорбционно-редукционный способ связывания при помощи абсорбентов NaOH, NH₃, H₂SO₄, CaO и СaO/CaCO₃ и водного раствора катализатора;

2. абсорбционно-окислительный способ с использованием в качестве окислителя KOH/KMnO₄ или CaCO₃/Ca(OH)₂;

3. абсорбционно-редукционный способ подачи в очищенные от пыли газы ограниченного количества комплексных реагентов с выделением газообразного азота.

8. Снижения эмиссии SO_Х

Одной из наиболее острых проблем защиты ОС от загрязнений выбросами пром. предприятий является защита воздушного бассейна от газообразных примесей, выбрасываемых с продуктами сгорания органических топлив. В процессе сжигания топлива, содержащиеся в нем сернистые соединения сгорают с образованием оксидов серы SO_Х,представляющие собой сумму диоксида и триоксида серы (SO₂+SO₃). Оксиды серы относятся к наиболее опасным загрязнителям.

Снижение эмиссий SO_Х достигаетсяпредварительным извлечением серы в результате механического, химического или иного обогащения топлива. Физическая очистка представляет собой процесс измельчения угля до той окружности кусков, когда колчеданная сера высвобождается из структуры угля. Далее разделяют минеральные и угольные частицы. Для отделения органической серы приходится применять дорогостоящие процессы для разрушения сернистых соединений. Часто используются процессы окисления. При обработке щелочами обеспечивается 55% извлечения колчеданной и 50% органической серы. Еще одним способом может служить предварительная газификация топлива. Так же добиться снижения эмиссии SO_Хможно путем:

- связывания серы в процессе сжигания,

- создания потоков с кипящим слоем,

- создание парогазовых установок с внутри цикловой газификацией,

- сероочистка дымовых газов.

Кроме того существуют некоторые способы десульфации которые позволяют одновременно улавливать SO_Хи NO_Х. В США разработан способ облучения дымовых газов потоком электронов, в качестве реагента используется известь или аммиак, вдуваемые в дымовые газы с последующим облучением потоков электронов. Образуются радикалы, окисляющие SO_Хи NO_Хдо серной и азотной кислот, которые нейтрализуются с образованием сульфатно-нитритных соединений и используются в качестве удобрений.

Снижение эмиссии аэрозолей

Устройства, в которых частицы осаждаются под действием сил тяжести, инерции либо и тех и других, принято называть механическими осадителями. В гравитационных осадителях частицы осаждаются из потока газа под действием собственного веса. В инерционных - поток внезапно подвергается изменению направления движения, при этом возникают инерционные силы, которые стремятся выбросить частицы из потока.

К механическим обеспыливающим устройствам относятся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны

Осадительные камеры предназначены для улавливания грубодисперсных частиц размерами от 50 до 500 мкм и более, движущихся с потоком в горизонтальном направлении.

Рис. - Осадительные камеры: 1-пылеосадительная, 2-камера Гаварда

Для осаждения под действием гравитации газ медленно пропускают через большую камеру. Расстояние, требуемое для осаждения частиц, можно уменьшить путем разделения пространства камеры несколькими горизонтальными параллельными плоскостями.

Недостаток – громоздкость и затруднения при очистке самого аппарата.

В инерционных пылеуловителях очистка производится за счет резкого изменения направления потока, в результате чего частицы пыли по инерции ударяются о поверхность, выпадают и удаляются из аппарата через разгрузочные устройства.

Рис. - инерционные пылеуловители: 1, 2-пылевые мешки; 3-жалюзийный пылеуловитель.

Недостатки - сложность очистки и абразивный износ. Их эффективность не более 70-75 % при размерах пылевых частиц 30-40 мкм. Достоинства - возможность встраивать эти аппараты в газовоздушные тракты технологической системы.

Циклон состоит из двух частей - цилиндрической трубы и суживающегося книзу конуса. Запыленный газ по спирали движется внутри аппарата. Взвешенные частицы под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам циклона и, теряя скорость, опускаются но его конической части.

Циклоны широко используются в цементной, угольной, химической, деревообрабатывающей промышленности, металлургии. Средняя эффективность (или КПД циклона) обеспыливания газа составляет 98 % при размерах частиц пыли 30-40 мкм, 80 % - при 10 мкм и 60 % - при размерах частиц 4-5 мкм. Основной недостаток циклонов - большой абразивный износ проточных частей аппарата пылью.

Мокрые скрубберы - это устройства, в которых для улавливания частиц используется жидкость. В одних скрубберах первичный захват происходит на водной поверхности, в других - водой смывают частицы, осажденные на твердой поверхности. В последнем случае в качестве первой ступени очистки используется циклон или фильтр.

В мокрых скрубберах реализуется тесный контакт газа и жидкости, сопровождающийся генерацией капель.

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒