Оценка мощности выбросов бенз(а)пирена при сжигании пылеугольного топлива в топках котлов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 621.311.22

Энергетика

ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ВЫБРОСОВ БЕНЗ(А)ПИРЕНА ПРИ СЖИГАНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ КОТЛОВ М.С. Иваницкий, А.Д. Грига

Статья посвящена теоретическим и опытным результатам механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании твердого углеводородного топлива в котельных установках, а также результатам, касающимся выбросов бенз(а)пирена в атмосферный воздух и построению математической модели для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла

Ключевые слова: бенз(а)пирен, пылеугольное топливо, сжигание

При сжигании органического топлива в котельных установках образуется сильно загрязняющее окружающую среду вещество, относящееся к канцерогенной группе, бенз(а)пирен (БП). Актуальная задача экологии - это изучение и моделирование механизмов образования бенз(а)пирена с целью значимого сокращения выбросов вредных веществ в воздушный бассейн.

Содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов при сжигании твердого топлива зависит от следующих параметров: калорийности сжигаемого угля, типа шлакоудаления, коэффициента избытка воздуха, нагрузки котла, типа и эффективности работы золоуловителей. Исследования показывают, что влияние режимных факторов при сжигании твердого топлива по сравнению с газомазутными котлами выражено в меньшей степени. Изменение избытка воздуха в топке существенно увеличивает образование бенз(а)пирена лишь в области низких значений коэффициента избытка воздуха, при больших значениях а содержание БП в дымовых газах в большинстве случаев нормализуется [1].

Выявлено, что на образование бенз(а)пирена влияниет вид сжигаемого угля и его калорийность. Также на образование бенз(а)пирена влияет конструкция нижней части топки, причем для котлов с жидким шлакоудалением его уровень выше, чем для котлов с твердым шлакоудалением.

Содержание бенз(а)пирена в дымовых газах для котлов средней и большой мощности зависит от вида сжигаемого угля и эффективности работы золоуловителей.

Иваницкий Максим Сергеевич - НИУ «МЭИ», ассистент, тел. (8443) 21-01-78

Грига Анатолий Данилович - НИУ «МЭИ», д-р техн. наук, профессор, тел. (8443) 21-01-78, e-mail: [email protected]

В процессе охлаждения дымовых газов на поверхностях золы и сажистых частиц происходит конденсация паров бенз(а)пирена.

Очевидно, что абсорбция бенз(а)пирена происходит в основном на мелкодисперсных фракциях золы, обладающих большой удельной поверхностью, поэтому повышение степени улавливания бенз(а)пирена в золоуловителях достигается только увеличением эффективности улавливания в них фракций золы. Степень очистки от бенз(а)пирена в современных золоулавливающих устройствах достигает (6080) %.

Концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах пылеугольных котлов до золоуловителей в среднем в 4 раза превышает выбросы котлов, сжигающих мазут, однако за счет улавливания БП в золоуловителях его содержания в дымовых газах уменьшается до значений, соизмеримых с уровнем значений для ТЭЦ, сжигающих мазут.

Таким образом, при эффективной работе золоуловителей выбросы бенз(а)пирена для мазутных и пылеугольных котлов примерно равны, однако в некоторых случаях условия рассеивания выбросов бенз(а)пирена для пылеугольных котлов ТЭЦ хуже, поэтому они создают более высокое локальное загрязнение в районе их месторасположения.

Таким образом, следует отметить, что большая часть бенз(а)пирена вместе с уловленной летучей золой поступает на золоотвалы, вследствие чего происходит вторичное загрязнение почвы и поверхностных вод [1,3].

Концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания при работе котельных установок систем теплоснабжения необходимо определять оперативно, малозатратными методами и с высокой степенью точности. Всё перечисленное представляет собой актуальную, сложную научную и практическую задачу.

В настоящее время существуют

инструментальные методы определения концентрации бенз(а)пирена в уходящих газах котельных установок [1], отраслевые

методики, например, [2]; математические модели, в основе которых приняты эмпирические уравнения [4].

Известны методы для определения

концентрации бенз(а)пирена на основе

функциональных связей технологических параметров, характеризующих сжигание топлива. В отношении снижения выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн городской застройки накоплено мало опыта. Вероятно, что только при комплексном подходе к этой проблеме и комбинации нескольких режимных методов сжигания топлива в котлах ТЭЦ можно будет существенно уменьшить эмиссию бенз(а)пирена. Также отмечается, что определяющие режимные факторы могут самым различным образом влиять на выбросы бенз(а)пирена, например, такие параметры, как коэффициент избытка воздуха и паропроизводительность котла.

Для определения влияния этих определяющих факторов на образование бензапирена можно использовать положение теории планирование эксперимента (ТПЭ).

Экологическую безопасность

атмосферного воздуха можно повысить, если определить оптимальные значения режимных параметров коэффициента избытка воздуха и паропроизводительности при работе котельной установки системы теплоснабжения на минимальные выбросы бенз(а)пирена. Для решения этой задачи можно воспользоваться положениями ТПЭ.

Методика определения бенз(а)пирена в уходящих газах котельных установок [2] основана на обобщении большого количества опытных данных. Погрешность приведенной методики составляет 20%, причем температура газов рециркуляции ограничивается

значениями 280-350 °С.

Концентрация бенз(а)пирена в сухих дымовых газах котлов за золоуловителями при факельном сжигании углей С тш , приведенная к избытку воздуха в газах а = 1,4, рассчитывается по формуле:

(1)

С Б

где А - коэффициент, характеризующий конструкцию нижней части топки в зависимости от вида шлакоудаления; Q Н -теплотворная способность топлива, МДж/кг; а - коэффициент избытка воздуха в дымовых газах на выходе из топки; А „ ,, -

ЦК і = К Д ' К ЗУ і =1

произведение коэффициентов для учета влияния паропроизводительности котла и степени улавливания бенз(а)пирена золоуловителями [1,2].

Анализ формулы (1) показывает, что содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов линейно зависит от D и экспоненциально от а .

Исходя из вышеизложенного,

сформулирована задача: повысить точность

определения концентрации бенз(а)пирена и при этом снизить трудоёмкость процесса.

Для описания нелинейной зависимости можно использовать ортогональный

центральный композиционный план (ОЦКП):

Cбп =bо + 2-Xt + 2bit -Xt -Xt + 2Ьa -X2 (2)

При проведении численного эксперимента было приняты следующие параметры: топливо -уголь Березовского месторождения,

коэффициент избытка воздуха в пределах 1,051,15, паровая нагрузка в диапазоне 250-500 т/ч, котел БКЗ-500-140 с П-образной компановкой топочной камеры и твердым шлакоудалением. Из условия ортогональности матрицы планирования значение звездного плеча при двух факторах (n = 2)D и а равно единице. В табл.1 представлена матрица ортогонального ЦКП при n = 2. Число опытов факторного

эксперимента N = 9 . х, = а ~1,10 , X, = D ~ 375 -

1 0,05 2 125

кодированные значения факторов. а Д

1.15

1.10

1.05

1

250 375 500 О, т/ч

Рис. 1. Схема численного эксперимента

Коэффициенты регрессии определяются по формулам:

b 0 =

b =

1 N J-ZC Б (а )Пj 1 N а II ^ -ч ss W 11

О ; bii = N* X X * • j=1 О П

N 2 X X 2 j=1 N X X 1=1 *2

i=1

N

X

)=1

N 2 2

XV 2 V 2

х ї'х к

! =1

при (і ф к ) (2’)

Значения концентрации С БП , мкг/м для матрицы ОЦКП получены вариацией факторов а = 1,05 ^ 1,15 и О = 250 + 500 т/ч. Схема численного эксперимента представлена на рис.1.

Величины коэффициентов регрессии определены по формулам (2) и равны:

Ь 0 = 0,5941; Ь1 = 0,2136; Ь 2 =-0,0439;

Ь12 = -0,0159 ; Ьп = -0,0052 ; Ь22 = -0,0072

СБП = 0,5941 + 0,2136-(а -1,101-0,0439-Г0 -375 БП 1 0,05 ) I 125

- 0,0072

0,05 I { 125

N 2

Б - 375 125

2

(3)

Оценки дисперсий, с которыми

рассчитаны коэффициенты регрессии

определены по формулам:

- БП

п -8,

N

N

N 2

'X х 22 )=1

= 4

Ьі N

БП

X х )=1

БП

X х)-х2

(1 ф 0);

(і ф к )

(4)

)=1

Значимость коэффициентов регрессии оценена с помощью коэффициента Стьюдента

ф, > (-^ . Адекватность уравнения регрессии

проверена с помощью критерия Фишера

р = Бад

р3 ■ БД .

где

я2 -

Бад

оценка дисперсии

ІС БП С БП .

адекватности я2

н

/ а

СБП - подсчитаны по формуле (1); С БП определены по формуле (5).

При уровне значимости а = 0,05 ,

(вероятность Р=0,95), коэффициенты регрессии Ь0,Ь! ,Ь2 ,Ь 12 ,Ь11 - значимые, Ь22 -незначимый. Число степеней свободы

/ ад = М-(п + 1) = 3,

здесь

(п +1)

число

коэффициентов в уравнении регрессии (5).

получаем

Фишера

/

На основании полученных данных табл. 1 2 _ А пі 1 . ^2 _П мл Критерий

Б2д = 0,011;

БС = 0,031.

СБП

р з = 0,5;

критерий Фишера

Т /

і ад

Так как р 3 < Рт

К\\ = 2,63 (для уровня значимости а= 0,05).

то уравнение регрессии (5) адекватно отражает зависимость концентрации бенз(а)пирена от а и Б :

С ш = 0,5941 + 0,2136-1 а -1,101-0,0439-1Б - 375

0,05 Б - 375

125

2

-0,0159-1 0-1,10|х( 0 - 375 | - 0,0052-1 О-1!10 I (5) 1 0,05 0 1 125 ) 1 0,05 )

Уравнение (5) позволяет оперативно оценивать содержание бенз(а)пирена в дымовых газах. Практическая полезность заключается в том, что для любых режимов работы парового котла ( а и О ) можно легко определить эмиссию бенз(а)пирена.

С БП, нг/м3

Рис. 2. Зависимость концентрации бенз(а)пирена от коэффициента избытка воздуха а при 0 = 500т/ч.

250

375

500 Б, т/ч

Рис. 3. Зависимость концентрации бенз(а)пирена от нагрузки котла О при а = 1,05

Положительная сторона изложенного подхода состоит в том, что уравнение (5) можно уточнить на базе новых опытных данных.

Уравнение (5) получено на основе данных [2]. Использование ТПЭ, как известно, позволяет повысить точность определения, в данном случае, концентрации бенз(а)пирена.

Для примера на рис.2 и рис.3 приведены зависимости концентрации бенз(а)пирена от коэффициента избытка воздуха и

+

8

8

ік

2

паропроизводительности котла, полученные на основании уравнения (5).

Проведенный анализ полученных графических зависимостей позволяет

заключить, что влияние коэффициента избытка воздуха в топке котла более существенно, чем паровая нагрузка котельной установки.

Поэтому в некоторых случаях при проведении наладочных испытаний энергетических котлов рекомендуется повышать значение

коэффициента избытка воздуха при снижении паровой производительности котла.

Рекомендуемое мероприятие может служить малозатратной природоохранной технологией, легко реализуемой на теплоэлектростанции.

Можно сделать вывод о том, что в топочного режима котла системы

направленного на эмиссию бенз(а)пирена, методология получения

процессе наладки энергетического теплоснабжения, минимальную предложена

функциональной зависимости, которая позволяет определить оптимальное сочетание режимных параметров пылеугольной

Матрица о

котельной установки, а именно, коэффициента избытка воздуха и паропроизводительности.

Для снижения негативного воздействия на воздушный бассейн городской застройки, связанной с выбросами бенз(а)пирена при работе пылеугольных котлов, рекомендуется увеличивать значение коэффициента избытка воздуха при снижении эффективности работы золоуловителей или в период неблагоприятных метеорологических условий.

Литература

1. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. - Л.: Недра, 1984. - 283 с.

2. Методика расчета выбросов бензапирена в атмосферу паровыми котлами электростанций. РД 153-34. 1-02. 316-2003

3. Аничков С.Н., Глебов В.П. Экология энергетики. Учебное пособие // Под общей редакцией В.Я. Путилова. М.: Изд-во МЭИ, 2003. -716 с.: ил.

4. Физико-химические процессы механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива / Иваницкий М. С., Грига А. Д., Фокин В.М., Грига С.А. // Вестник ВолгГАСУ. - 2012. - №27(46). - С.28 - 33.

Таблица 1

зтогонального планирования

Система опытов Номер опыта, j 11 I 2 I 1-1 2 >!< 11 >!< I 2 C БП , мкг/м3

Полный факторный эксперимент 1 -1 -1 1 Q,33 Q,33 Q,8614

2 +1 -1 -1 Q,33 Q,33 Q,6277

3 -1 + 1 -1 Q,33 Q,33 Q,5822

4 +1 + 1 1 Q,33 Q,33 Q,3457

Опыт в «звездных» точках 5 Q Q Q -Q,67 -Q,67 Q,54Q2

б +1 Q Q Q,33 -Q,67 Q,4Q18

7 -1 Q Q Q,33 -Q,67 Q,7414

8 Q +1 Q -Q,67 Q,33 Q,3727

Опыт в центре плана 9 Q -1 Q ^,б7 Q,33 Q,7992

Сравнительные значения концентраций СЭШ и C РБП

Таблица 2

С 1 2 3 4 5 б 7 8 9

СЭ ^БП Q,8614 Q,6277 Q,5822 Q,3457 Q,54Q2 Q,4Q18 Q,7414 Q,3727 Q,7992

СР ^БП Q,862Q Q,638Q Q,594Q Q,347Q Q,55QQ Q,4Q3Q Q,743Q Q,375Q Q,8Q2Q

д,% Q,1 1,б 1,9 Q,4 1,8 Q,3 Q,2 Q,6 Q,4

Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Волжский

ASSESSMENT OF THE CAPACITY OF THE EMISSIONS OF BENZ(A)PYRENE DURING THE COMBUSTION OF PULVERIZED COAL FUEL IN BOILER FURNACES M.S. Ivanitskiy, A.D. Griga

The article is devoted to theoretical and experimental results of the mechanisms of formation benz(a)pyrene during the combustion of solid hydrocarbon fuel in boiler plants. And also, the results relating to emissions of benz(a)pyrene in the atmospheric air and the construction of a mathematical model to determine the concentration of benz(a)pyrene at the outlet of the boiler furnace

Key words: benz(a)pyrene, pulverized-coal combustion, fuel