Приложение А (обязательное). Расчет содержания загрязняющих веществ в выбросах энергетической установки

Приложение А
(обязательное)

Расчет
содержания загрязняющих веществ в выбросах энергетической установки

А.1 Расчет концентраций оксидов азота в выбросах энергетической установки

А.1.1 Расчет концентраций оксидов азота для энергетических установок, сжигающих твердое топливо

А.1.1.1 Исходными данными для расчета являются:

А^r - зольность топлива, % на рабочую массу;

W^r - влажность топлива, % на рабочую массу;

N^r - содержание азота в топливе, % на рабочую массу;

- теплота сгорания топлива, МДж/кг;

V^daf - выход летучих на горючую массу, %;

- коэффициент избытка воздуха в горелках;

- доля первичного воздуха по отношению к теоретически необходимому;

R - степень рециркуляции дымовых газов через горелки, %;

- отношение скорости вторичного воздуха на выходе из внутреннего канала (ближайшего к первичному) к скорости первичного воздуха;

- доля третичного воздуха, подаваемого в топку помимо горелок;

- доля сбросного воздуха (сушильный агент) при транспорте пыли к горелкам горячим воздухом;

Т''_ЗАГ - температура на выходе из ЗАГ, К;

В_р - расчетный расход топлива, кг/ч.

тип горелок (вихревые, прямоточные, с подачей пыли высокой концентрации);

А.1.1.2 Массовую концентрацию оксидов азота NO_x, рассчитанную для стандартных условий в сухих дымовых газах при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха в дымовых газах  = 1,4, г/м³, вычисляют по формуле

,

(А.1)

где - удельные выбросы оксидов азота в пересчете на диоксид азота NO₂, г/МДж.

V_сг - объем сухих дымовых газов при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха в дымовых газах  = 1,4; м³/кг твердого топлива, вычисляемый по формуле

,

(А.2)

где - теоретический объем дымовых газов, м³/кг (м³/м³);

- теоретический объем водяных паров, м³/кг (м³/м³);

 = 1,4 - коэффициент избытка воздуха в дымовых газах;

- теоретический объем воздуха, м³/кг (м³/м³).

Определение , , проводят по справочным данным или по химическому составу сжигаемого топлива с использованием формул (А.3)-(А.5) для твердого топлива

;

(А.3)

;

(А.4)

,

(А.5)

где С^r, , Н^r, О^r, N^r - соответственно содержание углерода, серы (органической и колчеданной), водорода, кислорода и азота в рабочей массе топлива, % по массе;

- объем трехатомных газов (RO₂ = СO₂ + SO₂).

Удельный выброс оксида азота вычисляют по формуле

,

(А.6)

где - удельные выбросы топливных оксидов азота, г/МДж;

- удельные выбросы воздушных оксидов азота, г/МДж.

При этом удельные выбросы топливных оксидов азота рассчитывают по формуле

,

(А.7)

где - безразмерный коэффициент, учитывающий характеристики топлива, вычисляемый по формуле

,

(А.8)

где N^d - содержание азота в сухой массе топлива, %;

FR - топливный коэффициент, %, вычисляемый по формуле

,

(А.9)

где V^r - выход летучих на рабочую массу, %;

С^св - связанный углерод, %, вычисляемый по формуле

.

(А.10)

Значения других коэффициентов из формулы (А.7) приведены в таблице А.1.

Таблица А.1 - Значения коэффициентов

Фактор, который учитывается коэффициентом	Зависимость	Диапазон пригодности зависимости
Влияние коэффициента избытка воздуха в вихревой горелке		0,9  1,3
Влияние коэффициента избытка воздуха в прямоточной горелке		0,9  1,3
Влияние доли первичного воздуха в горелке		0,15  0,55
Влияние рециркуляции дымовых газов в первичный воздух (без учета снижения температуры в ЗАГ)		0  R 30 %
Влияние максимальной температуры на участке образования топливных оксидов азота		1250 K Т''ЗАГ 2050 K
Влияние смесеобразования в корне факела вихревых горелок
Влияние смесеобразования в корне факела прямоточных горелок

При подаче в горелки пыли высокой концентрации значение рассчитанное по формуле (А.7), умножают на коэффициент 0,8. При этом долю первичного воздуха и принимают равными тем значениям, которые были бы выбраны при обычной подаче пыли к горелкам первичным воздухом.

Удельные выбросы воздушных оксидов азота вычисляют по формуле

,

(А.11)

где - коэффициент избытка воздуха в ЗАГ, условно принимаемый как сумма организованно подаваемого воздуха через горелки и присосов через нижнюю часть топочной камеры , вычисляемый по формуле

.

(А.12)

Формула (А.11) справедлива в диапазонах коэффициентов избытка воздуха и температуры в ЗАГ соответственно 1,05    1,4 и 1800  T''_ЗАГ  2050 К. При T''_ЗАГ < 1800 К значением можно пренебречь.

В отсутствие рециркуляции дымовых газов в горелке температуру на выходе из ЗАГ , °С, вычисляют методом последовательных приближений в соответствии с [2] по формуле

,

(А.13)

где q₄ - потери тепла от механической неполноты сгорания топлива (принимаются по тепловому расчету котла [3]), %,

для чего предварительно задается значение Т''_ЗАГ =  + 273, которое входит в правую часть. Если расчетное значение , вычисленное по формуле (А.13), будет более чем на 50 °С отличаться от предварительно выбранной величины (), то необходимо сделать второе приближение.

В формуле (А.13):

Q_в - теплосодержание воздуха, поступающего через горелки, МДж/кг;

(V_С)_Г - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, ;

- степень выгорания топлива в ЗАГ;

i_тл - удельная энтальпия топлива, МДж/кг;

- произведение коэффициента эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую ЗАГ, м²;

- степень черноты топки в зоне максимального тепловыделения, определяемая в соответствии с [3].

При наличии рециркуляции дымовых газов расчет следует выполнять в соответствии с руководящими указаниями по проектированию топок с твердым шлакоудалением.

А.1.2 Расчет концентраций оксидов азота для энергетических установок, сжигающих газообразное топливо

А.1.2.1 Исходными данными для расчета являются:

а) конструктивные параметры:

а_Т - ширина топки (в свету), м; при наличии двусветного экрана принимается ширина одной ячейки;

b_Т - глубина топки (в свету), м;

h_яр - расстояние между осями соседних (по высоте) горелок, м; при неравенстве расстояний между ярусами (при Z_яр  3) определяют расстояния между первым и вторым ярусами горелок h_1, 2, вторым и третьим h_2, 3 и т.д.;

- расстояние между осью верхнего яруса горелок и осью сопел вторичного дутья (в случае двухступенчатого сжигания топлива);

тип горелок - унифицированные и оптимизированные:

- двухпоточные стадийного сжигания;

- многопоточные стадийного сжигания;

- многопоточные стадийного сжигания с подачей части топлива в инертные газы;

D_а - диаметр амбразуры горелок, м;

n_Г - количество горелок;

Z_э - число двусветных экранов;

б) характеристики топлива:

- теплота сгорания топлива, МДж/м³;

- теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива при  = 1,0 м³/м³;

- объем продуктов сгорания, образовавшихся при стехиометрическом ( = 1,0) сжигании топлива, м³/м³;

- объем трехатомных газов, полученных при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, м³/м³;

- теоретический объем азота, полученный при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, м³/м³;

в) режимные параметры:

В_р - расчетный расход топлива, м³/с, при наличии двусветного экрана В_р принимают на одну ячейку;

Т_гв - температура горячего воздуха, °С;

- коэффициент избытка воздуха в горелке;

- присосы холодного воздуха в топку;

R - доля рециркуляции дымовых газов в зону активного горения (0-0,35);

- коэффициент избытка воздуха в месте отбора дымовых газов на рециркуляцию;

t_гр - температура газов в месте отбора на рециркуляцию, °С;

- доля воздуха, поступающего во вторую ступень горения при двухступенчатом сжигании (0-0,35).

А.1.2.2 Массовую концентрацию оксидов азота (в пересчете на NO₂), рассчитанную для стандартных условий в сухих дымовых газах при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха  = 1,4), , г/м³, вычисляют по формуле

,

(А.14)

где - массовая концентрация оксидов азота (в пересчете на NO₂) во влажных продуктах сгорания при коэффициенте избытка воздуха в ЗАГ, г/м³;

- объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 м³ газообразного топлива при вводе в ЗАГ газов рециркуляции, м³/м³;

R - доля рециркуляции дымовых газов в зону активного горения (0-0,35);

- теоретический объем сухих дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха  = 1,4 по формуле (А.2), м³/м³.

Определение , , осуществляют по справочным данным или по химическому составу сжигаемого топлива с использованием формул (А.15)-(А.17) для газообразного топлива:

;

(А.15)

;

(А.16)

;

(А.17)

где СО, СO₂, Н₂, Н₂S, С_mH_n, N₂, O₂ - соответственно содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в исходном топливе, % по объему;

m и n - число атомов углерода и водорода, соответственно;

d_гт - влагосодержание газообразного топлива, г/м³.

Массовую концентрацию оксидов азота (в пересчете на NO₂) во влажных продуктах сгорания при коэффициенте избытка воздуха в зоне активного горения, г/м³, для нормальных условий (0 °С, 101,3 кПа или 760 мм рт. ст.) вычисляют по формуле

,

(А.18)

где - среднеинтегральная температура продуктов сгорания в ЗАГ, К;

- отраженный тепловой поток в ЗАГ, МВт/м²;

- коэффициент избытка воздуха в ЗАГ;

- время пребывания продуктов сгорания в ЗАГ, с;

К_г - коэффициент, учитывающий конструкцию тарелочного устройства, определяемый по таблице А.2.

Таблица А.2 - Значения коэффициента К_г в зависимости от конструкции тарелочного устройства при сжигании газообразного топлива

Место ввода газов рециркуляции	Значение Кг
Унифицированные и оптимизированные горелки	1,0
Двухпоточные горелки стадийного сжигания	0,75
Многопоточные горелки стадийного сжигания	0,65
Многопоточные горелки стадийного сжигания с подачей части топлива в инертные газы	0,5

Среднеинтегральную температуру продуктов сгорания в ЗАГ вычисляют по формуле

,

(А.19)

где Т_ад - адиабатная температура горения топлива, К;

- средний коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева, ограничивающих ЗАГ.

Адиабатную температуру горения Т_ад вычисляют методом последовательных приближений по формуле

,

(А.20)

где - степень выгорания топлива в ЗАГ, определяемая по таблице А.3 в зависимости от вида сжигаемого топлива.

Таблица А.3 - Зависимость степени выгорания топлива от коэффициента избытка воздуха в ЗАГ

Топливо	Зависимость степени выгорания топлива от коэффициента избытка воздуха в ЗАГ
	0,7	0,8	0,9	1,0	1,01	1,02	1,03	1,04	1,05	1,06	1,07	1,08	1,09
Газ	0,609	0,696	0,783	0,87	0,88	0,9	0,915	0,93	0,95	0,965	0,98	0,98	0,98

- теплота сгорания топлива, МДж/м³;

- избыток воздуха в горелке;

- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре горячего воздуха, МДж/м³;

- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре холодного воздуха, МДж/м³;

Q_гр - теплота, вносимая в зону активного горения с газами рециркуляции, МДж/м³;

и - теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания, м³/м³;

с_г - средняя теплоемкость продуктов сгорания, ;

с_в - теплоемкость воздуха при температуре горячего воздуха, ;

K_R - коэффициент, зависящий от способа ввода газов рециркуляции, определяемый по таблице А.4.

Таблица А.4 - Значения коэффициента K_R в зависимости от способа ввода газов рециркуляции в ЗАГ

Способ ввода газов рециркуляции	KR
В под топки	0,05
В шлицы под горелки	0,15
Снаружи воздушного потока горелки	0,85
В дутьевой воздух	1,0
Между воздушными потоками горелки	1,2

R - доля рециркуляции дымовых газов в зону активного горения (0-0,35);

- коэффициент избытка воздуха в месте отбора газов из конвективного газохода на рециркуляцию.

Теплоту, вносимую в зону активного горения с газами рециркуляции Q_гр, вычисляют по формуле

,

(А.21)

где I_гр - энтальпия газов рециркуляции, подаваемых в ЗАГ, МДж/кг (МДж/м³), вычисляемая по формуле

,

(А.22)

где - энтальпия газов рециркуляции при температуре газов рециркуляции МДж/кг (МДж/м³), рассчитываемая в соответствии с тепловым расчетом котельных агрегатов по [3].

Коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения вычисляют по формуле

.

(А.23)

Среднюю теплоемкость продуктов сгорания при сжигании природного газа с_г вычисляют по формуле

,

(А.24)

где - температурный коэффициент изменения теплоемкости;

- ожидаемая адиабатная температура, °С.

Теплоемкость воздуха при температуре горячего воздуха с_в вычисляют по формуле

.

(А.25)

Средний коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева, ограничивающих ЗАГ , вычисляют по формуле

,

(А.26)

где F_ст, F_верх, F_ниж - соответственно полная поверхность экранированных стен ЗАГ, площадь поперечного сечения топки, ограничивающего ЗАГ сверху и снизу, м² (рисунок А.1).

В-х - воздух; Т-во - топливо

Рисунок А.1 - Схемы определения зоны активного горения при различных вариантах ввода топлива и воздуха в топку

- высота зоны активного горения без учета ввода в нее газов рециркуляции и влаги, м;

, - площадь i-го участка стены ЗАГ м², и тепловая эффективность этого участка;

- коэффициент, характеризующий отдачу теплоты излучением в вышерасположенную зону (для топок, работающих на газе,  = 0,1).

Коэффициент характеризует отдачу теплоты в сторону пода топки:

- если под не включен в объем ЗАГ:

,

(А.27)

где , , , - соответственно площади фронтового, боковых и заднего экранов, расположенных ниже ЗАГ, и пода, м²;

, , , - соответственно тепловая эффективность фронтового, боковых и заднего экранов, расположенных ниже ЗАГ, и пода;

- если под включен в объем ЗАГ:

.

(А.28)

Отраженный поток в зоне активного горения , МВт/м², вычисляют по формуле

,

(А.29)

где q_ЗАГ - теплонапряжение зоны активного горения, МВт/м², вычисляемое по формуле

,

(А.30)

где В_р - расчетный расход топлива, м³/с (при наличии в топке двусветного экрана В_р принимается на одну ячейку);

Q_в - теплота, вносимая в зону активного горения с воздухом, МДж/м³, вычисляемая по формуле

;

(А.31)

f_ЗАГ - полная поверхность зоны активного горения, м², вычисляемая по формуле

,

(А.32)

где а_Т, b_Т - ширина фронта и глубина топочной камеры, м (при наличии в топке двусветных экранов ширина одной ячейки принимается равной , где Z_э - число двусветных экранов);

h_ЗАГ - высота зоны активного горения, м, вычисляемая по формуле

,

(А.33)

где - высота зоны активного горения без учета ввода в нее газов рециркуляции и влаги, м;

- объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 м³ газообразного топлива при вводе в ЗАГ газов рециркуляции, м³/м³;

V_г - объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 м³ газообразного топлива в ЗАГ, м³/м³.

При настенной компоновке горелок высоту вычисляют из геометрических характеристик топки по формуле (А.34) - при обычном сжигании и по формуле (А.35) - при ступенчатом сжигании

;

(А.34)

,

(А.35)

где - расстояние между осями горелок по высоте между ярусами, м;

n - количество ярусов;

h_б - расстояние между осями горелок верхнего яруса и сопел вторичного дутья, м;

D_а - диаметр амбразуры горелок, м.

Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 м³ газообразного топлива в ЗАГ, V_г, вычисляют по формуле

.

(А.36)

Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 м³ газообразного топлива в случае ввода в ЗАГ газов рециркуляции, , вычисляют по формуле

.

(А.37)

Время пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения вычисляют по формуле

,

(А.38)

где - коэффициент заполнения топочной камеры восходящими потоками газов:

- при фронтальном расположении горелок  = 0,75;

- при встречном расположении горелок  = 0,8;

- при подовой компоновке  = 0,9.

А.2 Расчет концентраций твердых частиц в выбросах энергетической установки

Массовую концентрацию твердых частиц для стандартных условий (в сухих дымовых газах при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха  = 1,4), г/м³, вычисляют по формуле

,

(А.39)

где М_тв.ч - массовый расход твердых частиц (летучей золы и несгоревшего топлива), поступающих в атмосферу с дымовыми газами при работе котла на номинальной нагрузке, г/с;

B_p - расчетный расход топлива на котел из теплового расчета котла, кг/с;

V_сг - объем сухих дымовых газов при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха в дымовых газах  = 1,4; м³/кг, рассчитанный по формуле (А.2).

Массовый расход твердых частиц (летучей золы и несгоревшего топлива) М_тв.ч поступающих в атмосферу с дымовыми газами котлов, при наличии экспериментальных данных по содержанию горючих в уносе (Г_ун, %), вычисляют по формуле

,

(А.40)

где В - полный расход топлива на номинальной нагрузке, кг/с;

А^r - зольность топлива на рабочую массу, %;

Г_ун - содержание горючих в уносе, %;

а_ун - доля золы, уносимой газами из котла (доля золы топлива в уносе); для котлов с твердым шлакоудалением (ТШУ) принимается равной 0,95, для котлов с жидким шлакоудалением (ЖШУ) - 0,85;

- доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях без учета влияния сероулавливающих установок.

При отсутствии экспериментальных данных о содержании горючих в уносе расчет проводят по формуле

,

(А.41)

где - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

32,68 - теплота сгорания углерода, МДж/кг.

Полный расход топлива В, кг/с, вычисляют по формуле

.

(А.42)

А.3 Расчет концентраций оксидов серы SO₂ в выбросах энергетической установки

Массовую концентрацию оксидов серы SO₂ для стандартных условий (в сухих дымовых газах при нормальных условиях и коэффициенте избытка воздуха  = 1,4), г/м³, вычисляют по формуле

,

(А.43)

где - массовый расход оксидов серы, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, г/с;

V_сг - объем сухих дымовых газов, образующихся при полном сгорании 1 кг топлива, при стандартном коэффициенте избытка воздуха  = 1,4 м³/кг топлива, рассчитанный по формуле (А.2);

В_р - расчетный расход топлива из теплового расчета котла, г/с.

Массовый выброс оксидов серы , г/с, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, вычисляют по формуле

,

(А.44)

где S^r - содержание серы в топливе на рабочую массу, %;

- доля оксидов серы, связываемых летучей золой в газоходах котла (см. таблицу А.5);

- доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителях попутно с твердыми частицами;

- доля оксидов серы, улавливаемых в сероулавливающей установке (при наличии);

n_o и n_x - длительность работы сероулавливающей установки и котла соответственно, ч/год.

Ориентировочные значения при факельном сжигании различных видов топлива приведены в таблице А.5.

Таблица А.5 - Ориентировочные значения

Топливо
Торф	0,15
Сланцы эстонские и ленинградские	0,8
Сланцы других месторождений	0,5
Экибастузский уголь	0,02
Березовские угли Канско-Ачинского бассейна для топок:
с твердым шлакоудалением	0,5
с жидким шлакоудалением	0,2
Другие угли Канско-Ачинского бассейна для топок:
с твердым шлакоудалением	0,2
с жидким шлакоудалением	0,05
Угли других месторождений	0,1

Долю оксидов серы , улавливаемых в сухих золоуловителях (электрофильтрах, батарейных циклонах, рукавных фильтрах), принимают равной нулю. В мокрых золоуловителях типа МС и МВ эта доля зависит от общей щелочности орошающей воды и от приведенной сернистости топлива S^пр;

,

(А.45)

где - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

При принятых на тепловых электростанциях удельных расходах воды на орошение золоуловителей 0,1-0,15 л/нм³ определяют по рисунку А.2.

Щелочность орошающей воды, мг-экв/л: 1 - 10,0; 2 - 5,0; 3 - 0

Рисунок А.2 - Степень улавливания оксидов серы в мокрых золоуловителях в зависимости от приведенной сернистости топлива и щелочности орошающей воды

Величину принимают по паспортным данным установки сероочистки дымовых газов.