Расчет расходов токсичных выбросов энергетическими котлами по конструктивным и режимным параметрам
Отсутствие средств автоматического измерения концентраций, а также необходимость оценивать выбросы на стадии проектирования были причиной создания так называемого «расчетного метода». Расчетный метод использует балансовые и эмпирические модели, опирающиеся на известные проектировщику и персоналу эксплуатации традиционные теплотехнические параметры. Излагаемый ниже математический аппарат разработан сотрудниками ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского Л. А. Мамруковой, А. Ф. Гавриловым, Г. М. Крейдиной, А. Д. Горбаненко и В. Р. Котляром. О точности этого аппарата будет сказано применительно к каждому виду выбросов.
Твердые частицы. Расход выбрасываемых в атмосферу летучей золы и несгоревшего топлива (г/с, т/год) осуществляется по балансовому уравнению

где В расход натурального топлива, т/год, г/с; Av зольность топлива на рабочую массу, %; аун- доля золы в уносе; ц доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях (принимается по результатам измерений не свыше годичной давности); Гуи  -содержание горючего в уносе, % масс.
При отсутствии эксплуатационных данных о содержании горючего в уносе количество выбрасываемых твердых частиц рассчитывается по формуле

где q₄^ун - - потери теплоты с уносом от механической неполноты сгорания топлива, % (для мазутных котлов q₄^ун = 0,02%. Если отсутствуют эксплуатационные  данные   о  q₄^ун  при   сжигании   твердого   топлива,   то   для приближенного расчета в формулу подставляется нормативное значение ql"): - -низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг. Достоверность полученного результата в условиях эксплуатации слагается из погрешностей определения отдельных параметров, а именно Д5= + 1%; ЛЛ„=±2% аба; ЛЛр= + 1%; Даун=±0,02 абс. Формула наиболее чувствительна к погрешности измерения КПД золоуловителя т|, где, например, переход с 13 = 0,99 на 0,98 означает удвоение выбросов и наоборот. Таким образом, в целом погрешность выброса пыли определяется погрешностью разности Л(1— т|) и тем выше, чем ближе КПД золоуловителя к единице.
Диоксид серы. Определение расхода выбросов диоксидов серы (т/год, г/с) в пересчете на S02 выполняется по балансовой стсхиометрической формуле

где Sp—содержание серы в топливе, %; г)4о., -доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле; п,ю=_ доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе попутно с твердыми частицами (в долях).
Доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле, зависит от зольности топлива и содержания свободной щелочи в летучей золе. Ориентировочные значения riso, при факельном сжигании различных видов топлива: торф 0,15; сланцы эстонские и ленинградские 0,8; остальные сланцы — 0.5; экибастузский уголь - 0,02; березовские угли Канско-Ачинского бассейна: для топок с твердым шлакоудалением 0.5; для топок с жидким шлакоудалением при низкотемпературном сжигании 0.2; остальные угли Канско-Ачинского бассейна; для тонок с твердым шлакоудалением- 0,2; для топок с жидким шлакоудалением при высокотемпературном сжигании --0,5; прочие угли -0,1; мазут- 0.02; газ — 0.
Здесь и далее под низкотемпературным сжиганием понимается сжигание всех углей с (2н < 23 050 кДж/кг в топках с твердым шлакоудалением при температуре факела ниже 1500 С. Под высокотемпературным сжиганием понимается сжигание всех углей в топках с жидким шлакоудалением, а также углей с Ql > 23 050 кДж/ki в топках с твердым шлакоудалением при температуре факела выше 1500° С.
Доля оксидов серы (r)sbi)> улавливаемых в сухих золоуловителях (электрофильтрах, батарейных циклонах), принимается равной нулю. В мокрых золоуловителях типа MB и МС она зависит в основном от расхода и общей щелочности орошающей воды и от приведенной сернистости топлива при принятых на тепловых электростанциях удельных расходах воды на орошение золоуловителей 0,1 -0,15 л/м3 (рис. 1.1).
При сжигании высокосернистого мазута и некоторых уитей до 5*/о S02 доокиеляется до S03. Соответствующие методы пересчета пока не утверждены.
Оксид углерода. Расчет выбросов оксида углерода (т/год, г/с) производится по формуле

где Ссо выход оксида углерода при сжигании твердого, жидкого или газообразною топлива, кг/т, кг/тыс. м3, определяется но формуле

Степень улавливания оксидов серы в мокрых золоуловителях в зависимости от приведенного серосодержания топлива и щелочности орошаюшей воды:

где q_з, q₄ -потери теплоты соответственно от химической и механической неполноты сгорания топлива, %; R коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленной содержанием оксида углерода в продуктах сгорания. Для твердого топлива Л=1, для газа Л = 0,5, для мазута Л = 0,65; Ql— теплота сгорания натурального топлива, кДж/кг, кДж/м3. Значения q3 и q₄ принимаются по эксплуатационным данным или по [20]. При сжигании газа и мазута с предельно малыми избытками воздуха (а = 1,01-И ,05) следует принимать д3 = 0,15% согласно «Руководящим указаниям по переводу котлов, работающих на сернистых топливах, в режим сжигания с предельно малыми избытками воздуха» (М., СПО Союзтехэнерго, 1980); при а>1,05 следует принимать q3 = 0.
Оксиды азота. Расчет расхода выбросов оксидов азота производится по эмпирической формуле, связывающей генерацию оксида (NO) с конструктивными и режимными параметрами котла. В котле воздушный и топливный азот связывается в NO и только 1—5% успевает перед выходом газов в атмосферу доокислиться до N02. Тем не менее по сложившейся традиции расчет выбросов (г/с, т/год) ведут в пересчете на N02:

где К- -коэффициент, характеризующий выход оксидов азота (кг/т условного топлива); ß1 - коэффициент, учитывающий влияние содержания азота в топливе на выход оксидов азота; р2 коэффициент, учитывающий конструкцию горелок (для вихревых горелок ß2=1, для прямоточных ß2 = 0,85); ß3 — коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления (при жидком шлакоудалении ß3 = 1,4, во всех остальных случаях ß3 = J); s, коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов в зависимости от условий их подачи в топку; е2 —- коэффициент, характеризующий снижение выброса оксидов азота при подаче части воздуха помимо основных горелок (при двухступенчатом сжигании), определяется по рис. 1.2 при условии сохранения общего избытка воздуха за котлом; г -степень рециркуляции дымовых газов, %.

Рис. 1.2. График для определения значений коэффициента е2: 1 — газ, мазут; 2 уголь ; 6 доля воздуха, подаваемого помимо основных горелок.

Рис. 1.3. Безразмерный коэффициент  в зависимости от паропроизводительности котла.

Коэффициент К для котлов паропроизводителыюстыо более 70 т/ч при сжигании газа и мазута во всем диапазоне нагрузок, а также при высокотемпературном сжигании твердого топлива с нагрузками выше 75% номинальной определяется по формуле

где D и Dф—номинальная и фактическая паропроизводительность котла, т/ч.

Для водогрейных котлов мощностью более 125 ГДж/ч (30 Гкал/ч) коэффициент К определяется по формуле

где Q, Qф    номинальная и фактическая тепловая мощность котла, ГДж/ч.
При высокотемпературном сжигании твердого топлива с нагрузками котла ниже 75% номинальной в формулы (1.7) (1.9) вместо Qф подставляется 0,75/X При низкотемпературном сжигании твердого топлива в формулы (1.7) (1.9) вместо Qф и Qф подставляются D и Q. Значения ß1, для энергетических котлов, в которых сжигается твердое топливо, определяются по формуле

где Np- содержание азота в топливе, %.
При сжигании жидкого и газообразного топлива с различными коэффициентами избытка воздуха в топочной камере aт коэффициенты ß1 принимаются равными:

При одновременном сжигании в топках энергетических котлов двух видов топлива с расходом одного из них более 90% значение коэффициента ß1 должно приниматься по основному виду топлива. В остальных случаях коэффициент ß1  определяется как средневзвешенное значение. Так, для двух видов топлива

где ß1' ß1''  В' В" соответствуют значениям коэффициентов и расходам каждого вида топлива на котел.
Значения коэффициента e1 при номинальной нагрузке и г<30% принимаются равными:
при сжигании газа и мазута и вводе газа рециркуляции в подтопки (при расположении горелок на вертикальных экранах)—0,002; через шлицы под горелками -0,015; по наружному каналу горелок -0,02; в воздушное дутье -0.025; в рассечку двух воздушных потоков- 0,03;
при высокотемпературном сжигании твердого топлива и вводе газов рециркуляции в первичную аэросмесь    0,01; во вторичный воздух    0,005.
При нагрузках, меньших номинальной, коэффициент Ci умножается на коэффициент /, определяемый по графику (рис. 1.3).
Официальных оценок, даваемых формулой погрешностей, нет. По мнению экспертов погрешность может достигать +10—30%.
Оксиды ванадия при сжигании жидкого топлива. Расчет выбросов оксидов ванадия в пересчете на пентаксид ванадия (т/год, г/с) выполняется по формуле

где Gv2o5 — содержание оксидов ванадия в жидком топливе в пересчете на V205, г/т; т)ос коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева котлов.
Для котлов с промежуточными пароперегревателями, очистка поверхностей нагрева которых производится в остановленном состоянии, г|ос = 0,07; для котлов без промежуточных пароперегревателей при тех же условиях очистки tio<. = 0,05, для остальных случаев г|оС = 0; т\у- доля твердых частиц продуктов сгорания жидкого топлива, улавливаемых в устройствах для очистки газов мазутных котлов. Значение цу оценивается для средних условий работы улавливающих устройств за год.
В случаях, когда содержание ванадия в мазуте не определялось, для мазутов с Sp>0,4% используется эмпирическая формула
GVl0s = 95,4Sp-31,6, (1.13)
где Sp-- содержание серы в мазуте, %. Относительная погрешность эмпирической формулы достигает по экспертной оценке 30%.