Дипломная (вкр): Проект котельной установки для теплоснабжения военного городка

3.2 Разработка мероприятий по охране окружающей среды; оценка вредных выбросов

.2.1 Общие положения

При сжигании различных органических топлив в котельных установках, наряду с основными продуктами сгорания (СО₂, Н₂О и N₂) в атмосферу поступают загрязняющие твердые частицы (зола и сажа), а также газообразные токсичные вещества: сернистый и серный ангидриды (SO₂ и SO₃), окислы азота (NO и NO₂), некоторые другие соединения. В случае недостаточно полного сгорания топлива в топке уходящие газы могут содержать, кроме того, окись углерода СО (угарный газ), углеводороды СН₄, С₂Н₆ и т.п. Анализ токсичности вредных веществ с учетом их валового выброса показал, что наиболее значимыми являются выбросы двуокиси серы и азота, твердых частиц и угарного газа. Данные вещества, попадая в приземный слой, наносят ущерб здоровью населения, сельскому и лесному хозяйству, промышленности, жилым зданиям и техническим сооружениям. Так твердые частицы привносят в почву, окружающую источник вредных выбросов, такие вредные химические элементы, как кобальт (Co), никель (Ni), мышьяк (As), свинец (Pb), уран (U), причем в концентрациях, в десятки раз превышающих концентрацию данных веществ в земной коре. Окислы серы и азота, соединяясь с атмосферной влагой, вызывают выпадение так называемых «кислотных дождей». Следствием этого является окисление почвы, грунтовых и поверхностных вод, оказывающее отрицательное влияние на их флору и фауну. В условиях городов частицы дыма, сажи, пыли и других веществ, скапливающиеся над ними, образуют «дымовую шапку», которая поглощает часть солнечной радиации и способствует дополнительному нагреванию воздуха (созданию «парникового эффекта»). Поэтому из всей палитры вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу котельной, на практике чаще всего определяют количество твердых частиц и окислов азота, серы и углерода.

3.2.2 Определение количества топлива, потребляемого котельной

Величина выбросов вышеуказанных загрязняющих веществ прямо пропорциональна количеству сжигаемого в котельной топлива. В связи с этим при расчете вредных выбросов, прежде всего, необходимо определить максимальный секундный (г/с, дм³/с) расход топлива на котельной.

Максимальный секундный расход  топлива, потребляемого котельной, (г/с, дм³/с газа), определяется по известному из курса котельных установок выражению через установленную мощность котельной , МВт:

, (74)

для котельных с водогрейными котлами по выражению:

= 5,815∙3= 17,45 МВт,

_n- тепловая мощность водогрейного котла, МВт;

- низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг, МДж/нм³;

η_к - средний к.п.д котлов.

.2.3 Расчёт выбросов

Расчёт выброса твердых частиц (сажи):

М_тв= 0,01·В·q₄ (1-η₃) = 0,01·435·0,5 (1-0) =2,83 г/с (75)

Расчет выбросов окиси углерода:

Мощность выброса окиси углерода , г/с, определяется по формуле:

, (76)

- количество окиси углерода, образующееся на единицу теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, кг/ГДж.

Расчёт выбросов окислов серы:

Мощность выброса окислов серы при сжигании твердого или жидкого топлива , г/сек, находится по формуле:

 (77)

Расчет выбросов окислов азота:

Мощность выброса окислов азота , г/с, находится по формуле:

 (78)

=0,15 -параметр, характеризующий количество окислов азота, образующихся на 1 ГДж теплоты, кг/ГДж;

b =0 - коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов окислов азота в результате применения технических решений; при отсутствии последних может быть принят равным 0.

3.2.4 Расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере

Общие положения

Основным показателем загрязнения атмосферного воздуха является концентрация вредного вещества, т.е. его количество в единице объема атмосферного воздуха; концентрация измеряется в мг/м³ .

В расчетах используются значения приземных концентраций вредных веществ, которые определяются как концентрации примесей в двухметровом слое над поверхностью земли. Схема распространения примесей из точечного источника приведена на рисунке 4. Чтобы определить степень загрязнения приземного слоя, максимальные значения приземных концентраций вредных веществ сравнивают со значениями максимально разовых предельно допустимых концентраций (ПДК).

Расчеты максимальных значений приземных концентраций проводятся отдельно по каждому компоненту.

Максимальные значения приземных концентраций отдельных компонентов можно получить расчетным путем, если допустить, что источник загрязнения имеет максимально-возможный выброс вредных веществ, а климатические условия являются самыми неблагоприятными для их рассеивания.

К метеорологическим факторам, влияющим на условия рассеивания вредных веществ в приземном слое, относятся: направление и скорость ветра, температура воздуха, солнечная радиация, атмосферные осадки и др.

Направление ветра учитывается при проектировании размещения промышленных предприятий и жилых кварталов в зависимости от повторяемости различных направлений ветра («розы ветров»).

Скорость ветра определяет расстояние, на которое переносятся вредные примеси от места выброса. Дымовые газы, образующиеся при сжигании органического топлива, имеют более высокую температуру, чем окружающий воздух, поэтому они поднимаются вверх и вместе с вредными примесями уносятся в верхние слои атмосферы. При слабых ветрах подъем «факела» увеличивается, и примеси почти не достигают земли. При сильных ветрах наблюдается рассеивание примесей на значительной площади вокруг места выброса. Но имеется некоторая промежуточная скорость ветра, при которой факел опускается к земле (наблюдается эффект «задымления»), и в приземном слое формируется наибольший уровень загрязнения. Эта скорость называется максимально опасной. Ее значение зависит от высоты, скорости и температуры выбросов из источника.

Максимальная концентрация вредных веществ наблюдается на линии, являющейся проекцией дымового факела (шлейфа) на земную поверхность на некотором расстоянии х_м от основания дымовой трубы. Расстояние х_м, на котором концентрация вредных веществ достигает максимальной величины, называется максимально опасным расстоянием. Обычно величина х_м лежит в пределах 7¸20 высот дымовой трубы.

Распределение температуры в атмосфере с высотой, т.е. вертикальный градиент температуры на единицу расстояния (обычно на 100 м) определяет характер переноса примесей в верхние слои атмосферы. Обычно в атмосфере происходит падение температуры с высотой, при этом частицы теплого воздуха поднимаются вверх, а холодные - опускаются вниз. Таким образом, чем выше температура дымовых газов, тем на большую высоту они поднимутся, тем на большей площади будет наблюдаться выпадение примесей, следовательно, тем меньше концентрация вредных веществ будет наблюдаться в приземном слое. Количественно влияние температуры воздуха на условия рассеивания определяется безразмерным коэффициентом, зависящим от температурной стратификации атмосферы.

Предельно допустимой концентрацией вредного вещества называют такое его количество в единице объема или массы воздуха, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений в организме человека, неблагоприятных наследственных изменений у потомства, а также ухудшения условий его обитания. Другими словами, ПДК характеризуют такое состояние вредных веществ в атмосферном воздухе, при котором на человека и окружающую среду не оказывается ни прямого, ни косвенного вредного воздействия.

Под прямым воздействием имеется в виду нанесение организму временного раздражающего действия, вызывающего кашель, ощущение запаха, головной боли и подобных явлений, которые наступают при превышении пороговой величины концентрации вещества. К прямому воздействию на организм также относится влияние тех вредных веществ, которые, накапливаясь в организме, при превышении определенной дозы могут вызвать патологические изменения.

Под косвенным воздействием имеются в виду такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая вредного воздействия на организм, ухудшают обычные условия обитания (например, увеличивают число туманных дней, поражают зеленые насаждения и т.п.).

Пороговая концентрация устанавливается на основе реакции у наиболее восприимчивых людей. Нормативные величины ПДК устанавливаются по отношению к пороговым величинам обычно с двукратным запасом.

Различают максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДК_м.р.) и среднесуточные (ПДК_с.с.), при этом имеются в виду среднесуточные концентрации за год, а не в отдельные сутки.

ПДК_м.р. устанавливаются для тех веществ, которые оказывают немедленное, но временное раздражающее действие, а ПДК_с.с. - для веществ, оказывающих вредное воздействие при накоплении в организме.

Нормативы ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе едины для всей территории России. Их величины приведены в приложении 7. В необходимых случаях для отдельных районов устанавливаются более строгие нормативы ПДК, например, для отдельных заповедных зон. Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также зон отдыха городов ПДК установлены на 20% меньше, чем для жилых районов.

Определение максимальной величины приземной концентрации вредного вещества:

Величина максимально возможной концентрации вредного вещества зависит не только от условий его рассеивания в атмосфере, но и от ряда других факторов, среди которых необходимо выделить следующие: скорость газов на выходе из трубы, различие в температурах газов и воздуха, объем газов и величина выброса, скорость оседания вредных веществ в атмосфере, рельеф местности. Наибольшее же влияние на величину , как показывают наблюдения за оседанием различных веществ после их рассеивания в атмосфере, оказывает высота дымовой трубы. С изменением высоты дымовой трубы Н меняется площадь рассеивания вредных примесей, а их концентрация увеличивается или уменьшается обратно пропорционально величине Н². С учетом этого максимальное значение приземной концентрации i-го вредного вещества (мг/м³) достигается при опасной скорости ветра u_м (м/с) и неблагоприятных метеорологических условиях на максимально опасном х_м(м) расстоянии от источника и определяется по формуле:

 (79)

 мг/м³

мг/м³

 = 36 мг/м³

 = 41 мг/м³

где: А         - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы в данном регионе, с^-2/3 · ^оС^1/3;

М_i               - секундный выброс вредного вещества, г/с;

F       - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода продуктов сгорания из устья источника выброса. Величина этих коэффициентов зависит от диаметра и высоты дымовой трубы, скорости и температуры продуктов сгорания в устье источника выбросов;

Н       - высота источника выброса над уровнем земли (высота дымовой трубы), м;

h       - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; в случае ровной или слабопересеченной местности принимается h=1;

DТ     - разность между температурой выбрасываемых продуктов сгорания и температурой окружающего атмосферного воздуха, ^оС;

V_г      - расход продуктов сгорания, м³/с.

А=200 - коэффициент, значение которого соответствует неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна.

Значения секундных выбросов М_i по отдельным видам загрязнений определены ранее.

Для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) значение безразмерного коэффициента F принимается = 1;

При определении значения DТ (^оС) следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха Т_в (^оС), или равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01-99, а температуру выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания Т_г (^оС) .

Количество образовавшихся продуктов сгорания котельной на один килограмм твердого и жидкого или один нм³ газообразного сжигаемого топлива (м³/кг или м³/нм³) в соответствии может быть определен из выражения:

 (80)

a - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах котельной. При отсутствии эксплуатационных данных ориентировочно может быть определен по формуле:

a=a_т+Da, (81)

где: a_т = 1,1         - коэффициент избытка воздуха в топке;

Da = 0,4     - суммарная величина присосов в газоходах котлоагрегата и котельной, может быть принята в зависимости от типа котла и вида сжигаемого топлива в пределах Da=0,25¸0,4.

 - теоретический объем продуктов сгорания и теоретически необходимое количество воздуха, м³/кг, м³/нм³.

 (82)

Секундный расход продуктов сгорания (м³/с) рассчитывается по формуле:

 (83)

Значения коэффициентов m и n определяются по эмпирическим формулам в зависимости от безразмерных параметров f и, полученных опытным путем: