Методы расчета токсичных выбросов:твердые частицы — ростепло энциклопедия теплоснабжения
Твердые частицы, присутствующие в дымовых газах, представляют собой совокупность летучей золы и несгоревшего в топке топлива (кокса). Массовый выброс твердых частиц ({М}_{text{тв}})(г/с или т) вычисляется по одному из нижеприведенных балансовых уравнений [9]:
или при отсутствии экспериментальных данных о содержании горючих в уносе:
где В – расход натурального топлива, г/с (т); ({A}^{p}) – зольность топлива на рабочую массу, %; аун – доля золы, уносимой газами из котла (доля золы топлива в уносе, принимается в соответствии с данными, приведенными в табл. 7.4.1); ({eta }_{text{зу}}) – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, с учетом залповых выбросов (в расчетах не учитывается влияние сероулавливающих установок); Гун – содержание горючих в уносе, %; (?_{4}) – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, % (для твердых топлив принимается в соответствии с нормативными данными [7], для мазутных котлов (?_{4}) = 0,02% [10]); ({Q}_{н}^{р}) – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; 32,68 – теплота сгорания углерода, МДж/кг.
При этом количество летучей золы ({М}_{з}) в г/с (т) (так называемая минеральная часть твердых продуктов сгорания), входящее в суммарное количество твердых частиц, уносимых в атмосферу, вычисляется по формуле:
| ({М}_{text{тв}}=mathrm{0,}text{01}B{а}_{text{ун}}{A}^{p}left(1-{eta }_{text{зу}}right)). | (7.4.3) |
В свою очередь количество твердых (коксовых) частиц ({М}_{к}), в г/с (т), образующихся в топке в результате механического недожога топлива и выбрасываемых в атмосферу в виде коксовых остатков при сжигании твердого топлива или в виде сажи при сжигании мазута (органическая часть твердых продуктов сгорания), определяют по формуле
| ({М}_{к}={М}_{text{тв}}-{М}_{з}). | (7.4.4) |
Приведенные формулы весьма чувствительны к погрешности измерения КПД золоуловителя ({eta }_{text{зу}}). Так, например, переход с ({eta }_{text{зу}})= 0,99 на 0,98 означает удвоение массы выбросов твердых частиц.
Таблица 7.4.1. Величины коэффициента аун для различных топочных устройств [ 7 ]
| Тип топочного устройства | Величина аун |
| Открытые топки с ТШУ | 0,95 |
| Открытые топки с ЖШУ | 0,7…0,85 |
| Полуоткрытые топки с ЖШУ | 0,6…0,8 |
| Двухкамерные топки | 0,5…0,6 |
| Топки с вертикальными предтопками | 0,2…0,4 |
| Горизонтальные циклонные топки | 0,1…0,15 |
| Газомазутные топки | 1,0 |
Расчет выбросов твердых частиц — киберпедия
Суммарное количество твердых частиц (летучей золыи несгоревшего топлива) Мтв, поступающих в атмосферу с дымовыми газами котлов (г/с, т/год):
(27)
гдеВ–фактический расход топливатоплива, т/год;
АР – зольность топлива на рабочую массу, %;
aун – доля золы, уносимой газами из котла (доля золы топлива в уносе);
ηз – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях,ηз=0,8;
q4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, %;
Qрн– низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
32,68 – теплота сгорания углерода, МДж/кг.
т/год
г/с
Для пяти котлов:
т/год
г/с
2.7 Расчет выбросов бенз(а)пирена
Бенз(а)пирен – это химическое соединение,которое относится к первому классу опасности. Данное соединение образуется при сгорании любого органического топлива (дрова, солома, торф, уголь, нефтепродукты и газ).
Концетрациюбенз(а)пирена в сухих дымовых газах котлов малой мощности при слоевомсжиганиитвердыхтоплив СБ(а)п (мг/ 
), приведенную к избыткувоздуха в газах 
, рассчитывают по формуле:
(28)
где 
– коэффициент, характеризующий тип колосниковой решетки и вид топлива; принимаемыйравным
для углей и сланцев ………………. 2,5
для древесины и торфа ………….. 1,5
Qрн– низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
– коэффициент, характеризующийтемпературныйуровеньэкранов:
для 
………………. R=350;
для 
………………. R=290;
гдеtн– температура насыщения при давлении в барабане паровых котлов или на выходеиз котла для водогрейных котлов;
КД– коэффициент, учитывающий нагрузку котла, в данномслучаепринимаем равным единице;
КЗУ– коэффициент, учитывающий степеньулавливаниябенз(а)пиреназолоуловителем и определяемый по соотношению
(29)
гдеηЗУ – степень очистки газов в золоуловителем по золе, %
z – коэффициент, учитывающий снижение улавливающей способности золоуловителем бенз(а)пирена:
при температуре газов перед золоуловителем 
z=0,8 – для сухих золоуловителей
z=0,9 – для мокрых золоуловителей
при температуре газов перед золоуловителем 
z=0,7 – для сухих золоуловителей
z=0,8 – для мокрых золоуловителей
Суммарноеколичествобенз(а)пирена, выбрасываемого в атмосферу с дымовыми газами (г/с, т/год):
(30)
где 
– концентрациябенз(а)пирена в сухих дымовых газах при стандартномкоэффициентеизбыткавоздухаα= 1,4 и нормальныхусловиях, мг/м3;
VСГ–объем сухих дымовыхгазов, образующихся при полномсгорании 1 кг (1 м3) топлива;
Вр– расчетныйрасход топлива,т/год;
– коэффициент пересчета.
при определениивыбросов в граммах в секунду kп= 0,278⋅10-3;
при определениивыбросовв тоннах в годkп = 10-6.
мг/м3
т/год
г/с
Для пяти котлов:
т/год
г/с
Таблица 7 – Итогирасчетавалових выбросовзагрязняющихвеществ в атмосферныйвоздух.
| Название загрязняющего вещества | Суммарноекол-вовыбросов от одного котла, т/год | Суммарноекол-вовыбросов от одного котла, г/с | Суммарноекол-вовыбросов от пяти котлов, т/год | Суммарноекол-вовыбросов от пяти котлов, г/с |
| Оксид азота | 1,592 | 0,050 | 7,960 | 0,250 |
| Диоксидазота | 9,799 | 0,310 | 48,995 | 1,550 |
| Оксид углерода | 65,155 | 2,065 | 325,775 | 10,320 |
| Диоксидсеры | 772,882 | 24,508 | 3864,410 | 122,540 |
| Бенз(а)сирен | 0,071∙10-6 | 2,260∙10-9 | 0,355∙10-6 | 11,300∙10-9 |
| Твердыеча-цы | 120,606 | 3,822 | 603,03 | 19,110 |
§
Расчет рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах рассматриваемого предприятия, производится по специальной методике – ОНД-86.Общероссийский нормативный документ базируется на численных и аналитических решениях основного уравнения турбулентной диффузии примеси.
ОНД-86 устанавливает требования в части расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе при размещении и проектировании предприятий, нормировании выбросов в атмосферу реконструируемых и действующих предприятий, а также при проектировании воздухозаборных сооружений.
Эта методика является нормативной. С её помощью можно сделать расчет рассеяния примесей от любых стационарных источников выбросов промышленного объекта.
Методика расчета концентраций действует при проектировании предприятий, а также при нормировании выбросов в атмосферу реконструируемых и действующих предприятий. Также следует отметить, что данная методика предназначена для расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределения концентраций.
Степень опасности загрязнения атмосферного воздуха характеризуется наибольшим рассчитанным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным (особо опасным) метеорологическим условиям, в том числе опасной скорости ветра.
Источникрассеиваниязагрязняющихвеществявляетсяодиночным, выброс в атмосферу осуществляетсяпосредствомдымовойтрубы. Расчётамиопределяютсяразовыеконцентрации, относящиеся к 20–30-минутному интервалуосреднения. При расчётеприземныхконцентрацийучитываютсякоэффициенты, определяющиеусловиярассеиваниязагрязняющихвеществ в атмосферу городаТюмень
Расчет высоты дымовой трубы
Минимальную высоту дымовой трубы, обеспечивающую приземную концентрацию загрязняющих веществ ниже ПДК, рассчитывают по формуле:
(31)
где 
– коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;принимаю равным 160 – для Европейскойтерритории РФ и Ураласевернее 52° с. ш.
– масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;
– безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;значениеF=1 принимается для газообразныхвредныхвеществ и мелкодисперсныхаэрозолей (пыли, золы и т.п., скоростьупорядоченногооседаниякоторыхпрактическиравна нулю);F=3 для мелкодисперсных аэрозолей, а также при отсутствии очистки;
– разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси 
и температурой окружающего атмосферного воздуха 
, ºС;
– расход газовоздушной смеси, м³/с;
°С (32)
°С
м
м
м
м
Принимаем высоту дымовой трубы равной 65 м, а ее диаметр 1,0 м.
§
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества 
(мг/м3) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии 
(м) от источника и определяется по формуле:
(33)
– коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;
– высота источника выброса над уровнем земли, м;
– безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, 
;
Расход газовоздушной смеси (м³/с)определяется по формуле:
(34)
где 
– диаметр устья источника выброса, м;
– средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.
м/с
Значения коэффициентов m иn определяются в зависимости от параметров
(35)
(36)
(37)
(38)
Коэффициент 
определяется в зависимости от 
по формуле:
при 
< 100 (39)
Коэффициентnпри 
< 100 определяется в зависимости от 
:
при 
(40)
Максимальные приземные концентрации вредных веществ, выбрасываемых дымовой трубой котельной по формуле (33):
Для оксида азота:
мг/м3
Для диоксида азота:
мг/м3
Для оксида углерода:
мг/м3
Для диоксида серы:
мг/м3
Для бенз(а)пирена:
мг/м3
Для твердых частиц:
мг/м3
Расстояние xм (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения см, определяется по формуле:
(41)
где безразмерный коэффициент d при f< 100 находится по формуле:
Рассчитаем расстояние от источников выбросов, на котором приземная концентрация достигает максимального значения:
для газообразных выбросов:
м
для твердых частиц:
м
Приземная концентрация вредных веществ С (мг/м3) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х (м) от источника выброса определяется по формуле:
(42)
где s1 – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения x/xм и коэффициента Fпо формуле:
(43)
(44)
Определим концентрацию вредных веществ на различных расстояниях от источника выброса
1) для оксида азота:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
2) для диоксида азота:
При x= 200 м: 
; 
мг/м3
При x= 400 м: 
; 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
; 
мг/м3
При x= 800 м: 
; 
мг/м3
При x= 1000 м: 
; 
мг/м3
3) для оксида углерода:
При x= 200 м: ;
мг/м3
При x= 400 м: ;
мг/м3
При x= 626,6 м: ;
мг/м3
При x= 800 м: ;
мг/м3
При x= 1000 м: ;
мг/м3
4) для диоксида серы:
При x= 200 м: ;
мг/м3
При x= 400 м: ;
мг/м3
При x= 626,6 м: ;
мг/м3
При x= 800 м: ;
мг/м3
При x= 1000 м: ;
мг/м3
5) для бенз(а)пирена:
При x= 200 м: ;
мг/м3
При x= 400 м: ;
мг/м3
При x= 626,6 м: ;
мг/м3
При x= 800 м: ;
мг/м3
При x= 1000 м: ;
мг/м3
6) для твердых частиц:
При x= 100 м: 
; 
мг/м3
При x= 200 м: 
; 
мг/м3
При x= 313,3 м: 
; 
мг/м3
При x= 400 м: 
; 
мг/м3
При x= 500 м: 
; 
мг/м3
Таблица 8 – Итоги расчетов приземной концентрации для твердых частиц
Таблица 9 – Итоги расчетов приземных концентраций для газообразных выбросов
| Наим-ие ЗВ | Оксид азота | Диоксид азота | Оксид углерода | Диоксид серы | Бенз(а)пирен | |
| Конц-ия ЗВ (мг/м3)на определенных расстояниях (м) | 0,000534 | 0,003347 | 0,022281 | 0,264653 | 0,024396∙10-9 | |
| 0,001218 | 0,007554 | 0,050219 | 0,597201 | 0,054988∙10-9 | ||
| 626,6 | 0,001413 | 0,008763 | 0,058326 | 0,692808 | 0,063865∙10-9 | |
| 0,001317 | 0,008167 | 0,054360 | 0,645697 | 0,059522∙10-9 | ||
| 0,001201 | 0,007440 | 0,049519 | 0,588194 | 0,054221∙10-9 |
Таблица 10 – Итоги расчетов максимально-приземной концентрации загрязняющих веществ
| Наименование ЗВ | Максимальное значение приземной концентрации  (мг/м  ) | Расстояние от источника выбросов, на котором приземная концентрация достигает максимальногозначения  (м) |
| Оксид азота | 0,001413 | 626,6 |
| Диоксид азота | 0,008763 | 626,6 |
| Оксид углерода | 0,058326 | 626,6 |
| Диоксидсеры | 0,692808 | 626,6 |
| Бенз(а)пирен | 0,063865∙10-9 | 626,6 |
| Твердые ч-цы | 0,324015 | 313,3 |
§
Если в местности, где расположено исследуемое предприятия, находятся другие источники вредных выбросов, то вклады этих источников могут учитываться через фоновые концентрации сф (мг/м3). Фоновая концентрация для отдельного источника выброса характеризует загрязнение атмосферы в городе или другом населенном пункте, создаваемое другими источниками, исключая данный.
Фоновая концентрация относится к тому же интервалу осреднения (20 – 30 мин), что и максимальная разовая ПДК. По данным наблюдений сф определяется как уровень концентраций, превышаемый в 5 % наблюдений за разовыми концентрациями.
В случае, когданетвозможности получить данные о фоновыхконцентрацияхизопределенныхисточников, еезначениенаходитсякак:
(45)
Для оксида азота:
мг/м3
Для диоксида азота:
мг/м3
Для оксида углерода:
мг/м3
Для диоксида серы:
мг/м3
Для бенз(а)прирена:
мг/м3
Для твердых частиц:
мг/м3
Значение приземной концентрации с учетом фоновой концентрации можно рассчитать с помощью формулы:
(46)
Для удовлетворительной экологической обстановки атмосферы города на предприятиях, которые выбрасывают вредные вещества, должны выполняться условия:
(47)
Исходя из вышеуказанных данных, рассчитаем значение приземных концентраций с учетом фоновых концентраций для веществ:
1) для оксида азота:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
мг/м3условие 
выполняется
2) для диоксида азота:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
мг/м3условие 
не выполняется
3) для оксида углерода:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
мг/м3 условие выполняется
4) для диоксида серы:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
мг/м3 условие не выполняется
5) для бенз(а)пирена:
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 626,6 м: 
мг/м3
При x= 800 м: 
мг/м3
При x= 1000 м: 
мг/м3
мг/м3 условие выполняется
6) для твердых частиц:
При x= 100 м: 
мг/м3
При x= 200 м: 
мг/м3
При x= 313,3 м: 
мг/м3
При x= 400 м: 
мг/м3
При x= 500 м: 
мг/м3
мг/м3 условие не выполняется
Учитывая вышеуказанные данные можно сделать вывод о соотношении максимальных приземных концентраций и ПДК вредных веществ.Значение максимальной концентрации диоксида серы и твердых частиц не соответствует условиям и превышает значение ПДК.
В приложении на карте-схеме изображены изолинии распределения равных концентраций загрязняющих веществ по мере удаления их от объекта.
Расчет долей ПДК
Расчет доле ПДК позволяет наглядно увидеть превышает ли предприятия нормативы по выбросам загрязняющих веществ.
Расчет происходит по формуле:
(47)
где Сiм – максимальный выброс загрязняющего вещества от источника выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения;
Сiф– концентрация выбросов загрязняющих веществ, от всех остальных предприятий;
ПДКi– значения предельных допустимых концентраций данного вещества (В данной работе использовались ПДКм.р веществ, загрязняющих атмосферный воздух).
Если данное условие не соблюдается,следовательно предприятие превышает ПДК.
Таблица 11 – Сравнение концентраций со значениями ПДКм.р
| Наименование вещества |  | ПДКм.р | Доли ПДК от | Выполнение условия  |
| Оксид азота | 0,361413 | 0,4 | 0,904 | выполняется |
| Диоксид азота | 0,188763 | 0,2 | 0,944 | выполняется |
| Оксид углерода | 4,558326 | 5,0 | 0,912 | выполняется |
| Диоксидсеры | 1,142808 | 0,5 | 2,286 | не выполняется |
| Бенз(а)пирен | 9,000639∙10-7 | 0,000001 | 0,900 | выполняется |
| Твердые частицы | 0,594015 | 0,3 | 1,980 | не выполняется |
Заключение
В данной работе было рассчитано образование и рассеивания основных вредных веществ в атмосферном воздухе при работе котельной, оборудованной пятью двухбарабанными паровыми котлами марки КЕ-6,5-14С.
Основным источником загрязнения является дымовая труба от котельной, расположенной в городе Тюмень. Для сжигания используется каменный уголь Кизеловского месторождения. В процессе сжигания в топке выделяются такие вещества как оксид азота, диоксид азота, оксид углерода, диоксиды серы, твердые частицы, бенз(а)пирен. Загрязняющие вещества выделяются в виде аэрозоля.
В результате проведения расчета рассеивания по методике ОНД-86 от дымовой трубы были определены максимальные расстояния, на которых наблюдаются максимальные концентрации загрязняющих веществ при неблагоприятных условий: для твердых частиц – 626,6 м, для газообразных 313,3 м.
Максимальные концентрации диоксид серыи твердых частиц превышают предельно допустимую концентрацию на максимальных расстояниях. Остальные выбросы не превышают значения ПДКм.р. Расчеты проводилисьс учетом фоновой концентрации каждого загрязняющего вещества.
Котельная малой мощности является не самым грязным промышленным объектом, но тем не менее она вносит негативный вклад в атмосферу.
Для снижения значений выбросов диоксида серы и твердых частиц можно использовать следующие методы:
1) Для уменьшения количества твердых частиц в дымовых газах возможно применение конических циклонов в комплексе с фильтрами. Коэффициент полезного действия конических циклонов обычно составляет до 95 %. Он зависит от крупности частиц пыли.
Фильтры используют для тонкого пылеулавливания и когда затруднено применение электрофильтров. Фильтры классифицируют по типу и материалу фильтрованной перегородки, конструкции, назначению и другим признакам.
2) Для снижения количества оксидов серы применяют предварительное (перед сжиганием) снижение серы в исходном топливе (десульфуризация топлива); также применимы методы основанные на адсорбции, абсорбции и хемосорбции серы в дымовых газах. Также, к примеру, можно усовершенствовать технологическую цепочку установив дополнительные скрубберы или циклоны.
приложение «Изолинии распределения равных концентраций Загрязняющих веществ по мере удаления их от объекта»
