Модернизация котельной Мурманского аэропорта с применением водомазутной эмульсии и конденсационного утилизатора тепла

- коэффициент теплопередачи в экономайзере с учетом мазутных отложений,

- коэффициент теплопередачи без мазутных отложений в экономайзере,

4.2) Коэффициент теплопередачи, который должен был быть при отсутствии мазутный отложений, т.е. при чистых поверхностях нагрева, зависит от скорости дымовых газов. Скорость движения продуктов сгорания:



- расчетный секундный расход топлива, ;

- расчетный расход топлива, ; (см. п. 2.2.2);

- объем дымовых газов на входе в экономайзер,

(см п. 2.2.1.1);

- объем дымовых газов на выходе из экономайзера,

(см п. 2.2.1.1);

- площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, ;

- число труб в ряду, шт.; [8];

- площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания одной чугунной трубы для экономайзера, принимаем:

Тогда:

4.3) Определяем коэффициент теплопередачи для чугунного экономайзера, который имел бы место при отсутствии отложений на поверхностях нагрева:

- поправка, учитываемая при сжигании мазута;

- коэффициент, зависящий от скорости дымовых газов определяется по эмпирической формуле:

- температурный коэффициент; определяется по эмпирической формуле:

4.4) Определяем термическое сопротивление теплопередачи при чистых поверхностях нагрева:

4.5) Определяем коэффициент теплопередачи с учетом мазутных отложений.

Согласно таблице 2.6 фактическому состоянию котла ДКВР 20-13 ГМ соответствует термическое сопротивление теплопередачи, равное

В таком случае, коэффициент теплопередачи с учетом отложений будет равен:

4.6) Коэффициент, характеризующий ухудшение процесса теплообмена в экономайзере при наличии мазутных отложений:

5. Определяем количество теплоты, которое должны отдать продукты сгорания:

- присосы воздуха в экономайзере;

;

- коэффициент сохранения теплоты; (см. п. 2.2.2);

- энтальпия теоретического объема холодного воздуха, ; (см.п. 2.2.2).

6. Температура питательной воды на входе в экономайзер.

Температура питательной воды на входе в экономайзер [8]:

7. Температура питательной воды на выходе из экономайзера:

- непрерывная продувка котла , (см. п. 2.2.2);

- теплоемкость воды, ;

Для удобства анализа полученных значений сведем результаты расчета водяного чугунного экономайзера в таблицу 2.7



Таблица 2.7 ? Расчет водяного чугунного экономайзера ЭП2-236

Величина	Расчетная формула	Значение
1. Энтальпия дымовых газов перед экономайзером,
2. Энтальпия дымовых газов после экономайзера,
3. Средняя температура продуктов сгорания в экономайзере,
4.1. Скорость движения дымовых газов,
4.2. Коэффициент теплопередачи без учета отложений,
4.3. Термическое сопротивление теплопередачи без учета отложений,
4.4. Термическое сопротивление теплопередачи с учетом отложений,
4.5. Коэффициент теплопередачи с учетом отложений,
4.6. Коэффициент, учитывающий ухудшение процесса теплообмена в экономайзере при наличии отложений на поверхностях нагрева
5. Количество теплоты, которое должны отдать продукты сгорания,
6. Температура воды на входе в экономайзер,
7. Температура воды на выходе из экономайзера,

2.2.6 Окончательный тепловой баланс

Произведем расчет окончательного баланса.

1. Располагаемая теплота топлива.

Из расчета предварительного теплового баланса (см. п. 2.2.2):

2. Расход топлива.

Из расчета предварительного теплового баланса (см. п. 2.2.5):

3. Количество теплоты, переданное в топке.

- количество теплоты, переданное в топке, (см. п. 2.2.3).

4. Количество теплоты, переданное в конвективном пучке:

- количество теплоты, переданное в конвективном пучке, (см. п. 2.2.4).

5. Энтальпия питательной воды на входе в экономайзер.

Из расчета водяного чугунного экономайзера для температуры питательной воды на входе в экономайзер энтальпия будет равна:

6. Энтальпия воды за экономайзером.

Из расчета водяного чугунного экономайзера для температуры питательной воды на выходе из экономайзера энтальпия будет равна:

7. Полная производительность котла.

Заданная производительность котла составляет:

8. Количество теплоты, переданное воде в экономайзере:

9. Полученная производительность котла:

- количество теплоты, переданное в фестоне, (фестон отсутствует);

- энтальпия насыщенного пара, (см. п. 2.2.2);

- энтальпия питательной воды, (см. п. 2.2.2);

10. Коэффициент полезного действия:

11. Невязка баланса.

Тогда невязка баланса составит:

12. Энтальпия уходящих газов:

- энтальпия дымовых газов перед экономайзером,

13. Температура уходящих газов.

По диаграмме , изображенной на рисунке 2.1, а также по таблице 2.3 при энтальпии продуктов сгорания после экономайзера температура продуктов сгорания составит:

По итогам расчета был получен к.п.д. котлоагрегата , равный а по предварительному тепловому балансу к.п.д. котла составляет Температура уходящих газов равна , в то время как в предварительном тепловом балансе она составляет . Так как невязка теплового баланса составляет , а расхождение в температуре уходящих газов в предварительном и окончательном тепловых балансах не превышает, расчет можно считать законченным.

Для удобства анализа результатов расчета окончательного теплового баланса котла сведем результаты расчета в таблицу 2.8.

Таблица 2.8 ? Окончательный тепловой баланс котла ДКВР 20-13 ГМ

Величина	Расчетная формула	Значение
1. Располагаемая теплота,
2. Расход топлива,
3. Количество теплоты, переданное в топке,
4. Количество теплоты, переданное в конвективном пучке,
5. Энтальпия питательной воды,
6. Энтальпия воды за экономайзером,
7. Полная производительность,
8. Количество теплоты, переданное воде в экономайзере,
9. Полученная производительность котла,
10. Коэффициент полезного действия
11. Невязка баланса
12. Энтальпия уходящих газов,
13. Температура уходящих газов,

2.3 Теоретический тепловой расчет котла ДКВР 20-13 ГМ, переведенного на использование водомазутной эмульсии

Как говорилось ранее, ВМЭ получается в диспергаторе путем кавитационной обработки исходного обводненного мазута с добавлением к нему продувочной воды.

Произведем теоретический тепловой расчет котла ДКВР 20-13 ГМ при замене мазута на водомазутную эмульсию (далее - ВМЭ).

2.3.1 Расчет объема воздуха для горения, состава и теплосодержания продуктов сгорания

2.3.1.1 Расчет объема воздуха для горения и состава продуктов сгорания ВМЭ

Произведем расчет объема воздуха для горения и состава продуктов сгорания ВМЭ для топочной камеры, в которой с нормализацией процесса распыла топлива коэффициент избытка воздуха Расчет для конвективного газохода с и экономайзера с будет аналогичным.

Поскольку в мазут добавляется 30 % продувочной воды, то химический состав топлива изменится и будет составлять:

углерод - ;

водород - ;

сера - ;

кислород - ;

азот - ;

зольность - ;

влажность - .

Поскольку расчет объема воздуха для горения и состава продуктов сгорания ВМЭ аналогичен расчету при использовании мазута (см. п. 2.2.1.1), то результаты расчета сведем в таблицу 2.9.

Таблица 2.9 ? Расчет объема воздуха для горения и состава продуктов сгорания ВМЭ

Величина	Расчетная формула	Коэффициент избытка воздуха
1. Теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания,
2. Теоретический объем двухатомных газов в продуктах сгорания,
3. Объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания,
4. Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания,
5. Действительный объем водяных паров в продуктах сгорания,
6. Общий объем дымовых газов,
7. Объемная доля сухих трехатомных газов
8. Объемная доля водяных паров
9. Суммарная объемная доля всех трехатомных газов

2.3.1.2 Расчет теплосодержания продуктов сгорания ВМЭ

Расчет продуктов сгорания ВМЭ аналогичен расчету продуктов сгорания мазута (см. п.2.2.1.2).

Таблица 2.10 ? Энтальпии продуктов сгорания ВМЭ

			Топочная камера	Конвективный газоход	Экономайзер
0	0	0
276.32	232.89	299.61	346.19	392.77
558.89	468.73	605.76	699.51	793.25
849.00	708.99	919.90	1061.69	1203.49
1148.12	953.67	1243.49	1434.23	1624.96
1455.29	1204.25	1575.72	1816.57	2057.42
1767.81	1460.73	1913.88	2206.03	2498.17
2089.68	1724.58	2262.14	2607.06	2951.96
2421.30	1989.90	2620.29	3018.27	3416.25
2759.86	2255.22	2985.38	3436.43	3887.47
3103.75	2522.91	3356.54	3862.12	4367.70
3448.74	2807.97	3729.54	4291.13	4852.72
3796.25	3088.03	4105.06	4722.66	5340.27
4152.40	3368.09	4489.21	5162.83	5836.45
4515.49	3655.52	4881.04	5612.14	6343.25
4875.55	3942.95	5269.85	6058.44	6847.03
5241.45	4230.38	5664.49	6510.56	7356.64
5609.86	4517.81	6061.64	6965.20	7868.76
5979.67	4805.24	6460.20	7421.24	8382.29
6355.31	5100.04	6865.32	7885.33	8905.33
6729.05	5394.84	7268.53	8347.50	9426.47
7107.20	5689.64	7676.17	8814.10	9952.02
7486.77	5984.44	8085.21	9282.10	10478.99

2.3.2 Предварительный тепловой баланс котла

При применении ВМЭ улучшается процесс распыла топлива, за счет чего улучшается его сгорание и, как следствие, улучшается процесс теплообмена, что приводит к уменьшению механического недожога до , уменьшению химического недожога до .

Низшая теплота сгорания ВМЭ будет равна:

а располагаемая теплота:

где - физическая теплота ВМЭ, содержащей мазута и воды, ;

- температура топлива, ; согласно исходным данным ;

- удельная теплоемкость топлива, ;

- теплоемкость мазута при

- теплоемкость воды, ;

В остальном расчет предварительного теплового баланса аналогичен расчету, приведенном в п. 2.2.2. Результаты расчета сведем в таблицу 2.11



Таблица 2.11 ? Расчет предварительного теплового баланса

Величина	Расчетная формула	Значение
1.1. Низшая рабочая теплота топлива,
1.2. Физическая теплота топлива,
1.5. Располагаемая теплота,
2. Потери от механической неполноты сгорания,
3. Температура уходящих газов,
4. Потери теплоты с уходящими газами,
5. Потери от химической неполноты сгорания,
6. Потери теплоты от наружного охлаждения,
8. К.п.д. котлоагрегата
9. Расчетный расход топлива,
10. Коэффициент сохранения теплоты

2.3.3 Поверочный расчет топочной камеры

1. Задаемся предварительным значением температуры продуктов сгорания на выходе из топки

Задаемся

Абсолютная температура на выходе из топки

В остальном расчет топочной камеры аналогичен расчету, приведенному в п. 2.2.3 для мазута. Результаты расчета сведем в таблицу 2.12.

Таблица 2.12 ? Расчет топочной камеры

Величина	Расчетная формула	Значение
1.1. Предварительное значение температуры продуктов сгорания на выходе из топки,
1.2. Абсолютная температура продуктов сгорания,
2. Площадь всех стен топки,
3. Лучевоспринимающая поверхность топки,
4. Средний коэффициент тепловой эффективности
5. Объем топки,
6. Эффективная толщина излучающего слоя,
7.1. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами
7.2. Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
7.3. Степень черноты светящегося пламени
7.4. Степень черноты трехатомных газов
7.6. Степень черноты факела
8. Степень черноты топки
9. Полезное тепловыделение в топке,
10. Абсолютная адиабатная температура,		2140
11. Энтальпия дымовых газов на выходе из топки,
12. Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания,
13. Температура на выходе из топки,
14. Уточненная энтальпия дымовых газов на выходе из топки,
15. Тепловосприятие в топке,

2.3.4 Поверочный расчет конвективного газохода

При применении ВМЭ на теплопередающих поверхностях нагрева конвективного газохода будут отсутствовать отложения из-за доброкачественного распыла топлива и его сгорания.

В целом расчет конвективного газохода котла при применении ВМЭ аналогичен расчету, приведенному в п. 2.2.4 для мазута. Результаты расчета сведем в таблицу 2.13.

Таблица 2.13 ? Расчет конвективного газохода

Величина	Расчетная формула	Значение
1.1. Площадь поверхности нагрева конвективного пучка,
1.2. Наружный диаметр труб конвективного пучка,
1.3. Поперечный шаг труб,
1.4. Продольный шаг труб,
1.5. Число труб в ряду, .
1.6. Число рядов труб,
1.7. Относительный поперечный шаг труб
1.8. Относительный продольный шаг труб
1.9. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания,
2.1. Температура продуктов сгорания после газохода,
2.2. Температура сгорания перед конвективным газоходом,
2.3. Энтальпия дымовых газов перед газоходом,
2.4. Энтальпия дымовых газов после газохода,
3. Количество теплоты, отданной продуктами сгорания,
4. Средняя температура потока продуктов сгорания в газоходе,
5. Температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой,
6. Средняя скорость продуктов сгорания в газоходе
7. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева,
8. Степень черноты газового потока
9. Коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева,
10. Суммарный коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева,
11. Коэффициент теплопередачи,
12. Количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева,
13. Расчетная температура на выходе из газохода,
14. Энтальпия продуктов сгорания на выходе из конвективного газохода,

2.3.5 Расчет водяного экономайзера

Благодаря доброкачественному распылу топлива в самом экономайзере, как и в конвективном газоходе, не будет происходить образования злокачественных отложений на поверхностях нагрева.

Расчет экономайзера при применения в качестве топлива ВМЭ аналогичен расчету, приведенному в п. 2.2.5. Результаты расчета сведем в таблицу 2.14.

Таблица 2.14 ? Расчет водяного чугунного экономайзера

Величина	Расчетная формула	Значение
1. Температура продуктов сгорания перед экономайзером,
2. Температура продуктов сгорания после экономайзера,
3. Энтальпия дымовых газов перед экономайзером,
4. Энтальпия дымовых газов после экономайзера,
5. Средняя температура продуктов сгорания в экономайзере,
6.1. Скорость движения дымовых газов,
6.2. Коэффициент теплопередачи,
7. Количество теплоты, которое должны отдать продукты сгорания,
8. Температура воды на входе в экономайзера,
9. Температура воды на выходе из экономайзера,

2.3.6 Окончательный тепловой баланс

Расчет окончательного теплового баланса аналогичен расчету, приведенному для мазута в п. 2.2.6. Результаты расчета сведем в таблицу 2.15.

Таблица 2.15 ? Окончательный тепловой баланс котла ДКВР 20-13 ГМ

Величина	Расчетная формула	Значение
1. Располагаемая теплота,		6714.11
2. Расход топлива,		0.209
3. Количество теплоты, переданное в топке,		893.29
4. Количество теплоты, переданное в конвективном пучке,		339.72
5. Энтальпия питательной воды,		100.07
6. Энтальпия воды за экономайзером,
7. Полная производительность,		3.33
8. Количество теплоты, переданное воде в экономайзере,		150.91
9. Полученная производительность котла,		2.45
10. Коэффициент полезного действия		98.62
11. Невязка баланса
12. Энтальпия уходящих газов,		732.17
13. Температура уходящих газов,		165.38

Сведем все расчеты в итоговую сравнительную таблицу 2.16

Таблица 2.16 ? Итоговая сравнительная таблица до и после модернизации котла

Величина	Обозначение	До применения ВМЭ	После применения ВМЭ
1.Низшая рабочая теплота топлива,		9650.72
2. Располагаемая теплота,		9725.72
3. Потери от механической неполноты сгорания,		5	0
4. Потери теплоты с уходящими газами,		9.90	8.74
5. Потери от химической неполноты сгорания,		1.5	0.5
6. Потери теплоты от наружного охлаждения,		1.3	1.3
7. К.п.д. котлоагрегата		82.29	89.45
8. Расчетный расход топлива,		807.40	753.13
9. Предварительное значение температуры продуктов сгорания на выходе из топки,		970	732.57
10. Полезное тепловыделение в топке,		9584.88
11. Температура на выходе из топки,		838.73	732.57
12. Тепловосприятие в топке,		5413.07
13. Температура сгорания перед конвективным газоходом,		970	732.57
14. Количество теплоты, отданной продуктами сгорания,		500	300	500	300
		1330.24	2356.55	551.44	1653.98
15. Средняя температура потока продуктов сгорания в газоходе,		735	635	616.28	516.28
16. Температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой,		520.77	356.11	426.26	283.76
17. Средняя скорость продуктов сгорания в газоходе		7.12	6.47	4.28	3.79
18. Коэффициент теплопередачи,		24.33	22.02	18.17	15.18
19. Количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева,		4040.11	2501.10
20. Расчетная температура на выходе из газохода,		418	408.37
21. Энтальпия продуктов сгорания на выходе из конвективного газохода,		1993.2	1454.23
22. Энтальпия дымовых газов перед экономайзером,		1993.2	1454.23
23. Энтальпия дымовых газов после экономайзера,		1110.82	670.54
24. Скорость движения дымовых газов,		4.74	2.84
25. Коэффициент теплопередачи,	k	9.73	7.82
26. Расход топлива,		0.224	0.209
27. Количество теплоты, переданное в топке,		1212.52	893.29
28. Количество теплоты, переданное в конвективном пучке,		495.62	339.72
29. Полная производительность,		3.33	3.33
30. Количество теплоты, переданное воде в экономайзере,		167.33	150.91
31. Полученная производительность котла,	D	3.33	2.45
32. Коэффициент полезного действия		88.06	98.62
32. Энтальпия уходящих газов,		1246.19	732.17
33. Температура уходящих газов,		232.5	165.38

Выводы по разделу

Проведя теоретические тепловые расчеты котла ДКВР 20-13 ГМ при использовании в качестве топлива мазута и ВМЭ, можно сделать вывод о полной целесообразности замены мазута на ВМЭ. Как показывают расчеты, по сравнению с фактическим состоянием котла при установке на котел диспергатора для получения ВМЭ путем кавитационной обработки топлива с добавлением продувочной воды улучшается распыл топлива в топочную камеру, улучшается процесс сгорания топлива за счет увеличения площадь поверхности топлива. При использовании ВМЭ на поверхностях нагрева не будут образовываться отложения, что улучшает процесс теплообмена и, как следствие, к.п.д. котла. Вместе с этим уменьшаются затраты топлива мазута.

2.4 Ориентировочный расчет конденсационного утилизатора тепла

Для резкого сокращения расходов органического топлива, выработки дополнительного тепла и продукции за счет совершенствования энергоиспользующего оборудования, разрабатывают и изготавливают вспомогательные теплоутилизационные устройства. В нашем случае мы используем конденсационный утилизатор тепла (далее - КУТ), в основе которого лежат методы рекуперации и использования остаточного тепла.

На рисунке 2.3 представлена секция коррозионостойкого КУТ. Данные секции можно использовать в зависимости от тепловой нагрузки, соединяя из между собой на болтах и прокладках[16].

Рисунок 2.3 - Секция коррозионостойкого КУТ.

Схема обвязки такого котла с КУТ и диспергаторами ВМЭ представлена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4 - Схема обвязки котла с КУТ и диспергаторами ВМЭ.

котел тепловой конвективный газоход

Приведем ориентировочный расчет конденсационного утилизатора тепла уходящих газов для котла ДКВР-20-13 ГМ, работающего на водомазутной эмульсии (30% продувочной воды).

1. Количество добавленной продувочной воды на 1 кг топлива:

2. Объем водяных паров продувочной воды:

3. Общий объем водяных паров:

4. Объем продуктов сгорания:

5. Доля водяных паров в продуктах сгорания:

6. Тепловосприятие поверхностей нагрева без учета конденсации водяных паров:

Конденсация водяных паров (при их доле ) начнется при температуре 44°С, когда концентрация будет 64 г/м³ . При температуре 30°С концентрация будет равна 1 г/м³.

7. Количество сконденсированного пара составит:

8. Расход конденсата:

9. Тепло конденсации:

10. Общее количество тепла, переданное воде:

11. Тепловая мощность утилизатора:

12. Необходимая площадь теплообмена:

13. Площадь теплообмена одной секции:

14. Количество секций:

Стоимость одной секции утилизатора: Ц_1с = 200 000руб.

Цена мазута марки М100 = 13 500руб.

15. Экономия топлива от применения утилизатора в год:

Сведем полученные результаты в таблицу 2.17

Таблица 2.17 - Ориентировочный расчет конденсационного утилизатора тепла

Величина	Обозначение	Значение
1.Колличесто добавленной продувочной воды, м3/кг		0.3
2. Объем водяных паров продувочной воды, м3/кг		0.374
3. Общий объем водяных паров, м3/кг		1.78
4. Объем продуктов сгорания, м3/кг		11.66
5. Доля водяных паров в продуктах сгорания		0.15
6. Тепловосприятие поверхностей нагрева без учета конденсации водяных паров, кДж/кг		3790.08
7. Количество сконденсированного пара составит, кг/кг		0.384
8. Расход конденсата, кг/ч		138.81
9. Тепло конденсации, кДж/кг		956.16
10. Общее количество тепла, переданное воде, кДж/кг		3790.3
11. Тепловая мощность утилизатора, кВт		380.61
12. Необходимая площадь теплообмена, м3		119.30
13. Площадь теплообмена одной секции, м3		16
14. Количество секций		7.45
15. Экономия топлива от применения утилизатора в год, тонн		198.87

Исходя из полученных расчетов можно сделать вывод о том, что установка конденсационного утилизатора тепла уменьшит годовой расход топлива на 198,97 тонн. Расчет технико-экономических показателей данной установки я проведу в соответствующем разделе.



3. Подбор диспергаторов

3.1 Проблема применения обводненного мазута

В настоящее время работа мазутных котлов сопряжена с неблагоприятными условиями, связанными с низким качеством мазута: обводненностью, высокой сернистостью [21]. Такой мазут представляет определенную сложность при его сжигании, так как процесс сжигания становится неустойчивым, а присутствие крупных водяных линз и водяных мешков в мазутохранилищах приводит к резкому перепаду давления в перекачивающих насосах, что, в свою очередь, приводит к аварии последних. Кроме этого могут происходить обрывы факела и останов котлов, а также повышенное загрязнение поверхностей нагрева котлов, недожог топлива, отложения загрязнений по газовому тракту. При сжигании обводненного мазута в топках котлов традиционными способами также образуются повышенные выбросы в окружающую среду оксидов азота, сажи. Помимо этого образуются замазученные и замасленные воды, приводящие к загрязнению окружающей природной среды.

Обводнённость современных мазутов достигает 3%. Отделить воду от мазута практически невозможно, поскольку имеют практически равную плотность. При этом вода в мазуте находится в виде водяных линз и мешков, которые могут спонтанно образовываться практически на любой высоте мазутохранилищ. Поэтому отстаивание воды из мазута является весьма проблемным, так как вода может располагаться линзами не только в нижних слоях, но и произвольно по высоте и даже в нескольких слоях [22].

Необходимым условием повышения надежности работы и экономичности котлов в условиях их промышленной эксплуатации является равномерное распределение воды по всей массе топлива. Для этой цели применяется кавитационная обработка обводненного мазута посредством диспергаторов.

Принцип действия диспергатора для приготовления водомазутной эмульсии (далее - ВМЭ) основан на том, что исходный обводненный мазут, проходя через рабочий участок диспергатора, подвергается кавитационной обработке. При этом процессе вода переходит в паровую фазу, а затем снова возвращается в жидкое состояние, но только в мелкодисперсном виде с равномерным распределением по всей массе полученного нового топлива в виде ВМЭ.

Таким образом, после кавитационной обработки, на выходе диспергатора образуются стойкие ВМЭ, сохраняющие свою структуру и свойства длительное время - от нескольких месяцев до нескольких лет.

После кавитационной обработки мазут, имеющий в исходном состоянии неоднородную "комковатую" структуру (что характерно для мазутов длительного хранения) и плохую способность к перекачиванию, фильтрации, тонкому распыливанию форсунками и надежному горению, преобразуется в однородную тонкодиспергированную субстанцию, у которой указанные свойства соответствуют нормативным требованиям.

На рисунке 2.4 приведены фотографии исходного мазута (слева), не годного к дальнейшему хранению и использованию в качестве топлива, ввиду потери им способности к воспламенению и устойчивому горению, и того же мазута, подвергнутого кавитационной обработке (справа), после которой он обладал высокой тепловой эффективностью и надежностью сжигания [23].



Рисунок 10. Пробы исходного мазута длительного хранения (слева) и этого же мазута, подвергнутого кавитационной обработке в диспергаторе(справа)

3.2 Выбор необходимых диспергаторов

Основой целью данного раздела является выбор диспергаторов для решения двух задач:

получение водомазутной эмульсии путем кавитационной обработки обводненного мазута в системе циркуляции мазута через мазутное хозяйство;

получение водомазутной эмульсии путем кавитационной обработки мазута с добавлением продувочной воды.

Для решения поставленных задач, исходя из простоты конструкции, принципов действия, технических характеристик и стоимости различных диспергаторов, выбираем:

для приготовления водомазутной эмульсии из обводненного мазута в системе циркуляции мазута через мазутное хозяйство - струйный диспергатор МЕССКА;

для приготовления водомазутной эмульсии путем кавитационной обработки мазута с добавлением к нему продувочной воды - гидродинамический диспергатор РДН-10.

Технические характеристики выбранных диспергаторов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 ? Технические характеристика диспергаторов [22, 24]

Параметр	Диспергатор РДН	Диспергатор МЕССКА
Производительность,
Дисперсность
Материал корпуса
Время стабильности эмульсии



4. Охрана окружающей среды

4.1 Воздействие теплоэнергетических предприятий на окружающую среду

Одним из главных источников загрязнения атмосферы считаются ТЭС (теплоэлектростанция) и ТЭЦ (теплоэлктроцентраль). Углекислый газ (CО₂) наряду с водяным паром (H₂O) нетоксичен, однако они являются основными компонентами, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных типов горючего. Помимо них в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бензопирен (С₂₀H₁₂).

При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах ТЭС и ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы (SO₂), оксидов азота.

Современные технология позволяют развивать мощности теплоэлектроцентралей до 2,4 млн. кВт, расходуя при этом до 20 тысяч тонн угля в сутки и выбрасывая в атмосферу: 680 тонн SO₂ и SO₃, 200 тонн оксидов азота, 150-250 тонн золы, пыли и сажи. Данные числовые значения приведены для процентного содержания серы в исходном топливе 1,7% и при эффективности системы пылеулавливания 94-98 %. Также исследования показали, что вблизи мощных теплоэлектростанций в сутки выбрасывается около 300-350 тонн диоксида серы.

Научными деятелями выявлено, что главными «загрязнителями» серным ангидридом (46%), а так же угольной палью (25%), среди всех промышленных предприятий, являются именно ТЭС и ТЭЦ. Стоит отметить, что выбросы серного ангидрида, наряду с диоксидом серы и оксидом азота являются наиболее опасными, поскольку они имеют способность переноситься на большие расстояния, а также осаждаться на поверхности земли, тем самым загрязняя гидросферу и литосферу. Ярким примером того являются кислотные дожди, которые содержат в своем составе слабые растворы серной, а также азотной кислоты, которые в свою очередь могут выпадать в виде осадков.

Еще одним негативным последствием работы теплоэлектростанции и теплоэлектроцентрали является возникновение в крупных городах смога - недопустимого загрязнения наружной воздушной среды, вследствие выделения в нее данных вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях.

Стоит также упомянуть явление «парникового эффекта», которое в свою очередь из-за уменьшения O₂ и увеличения СО₂ будут влиять на изменения климата, причем не в самую лучшую сторону. Молекулы углекислого газа задерживают инфракрасное излучение, испускаемой земной поверхностью, а так же позволяют проникать солнечному излучению сквозь атмосферу Земли.

4.2 Краткая характеристика загрязняющих веществ, выбрасываемых котельными установками в атмосферу

4.2.1 Воздействие оксида углерода

Оксид углерода - это бесцветный газ, не имеющий запаха, делая его особенно опасным. Он образуется при неполном сгорании углеродистых веществ, а в воздух он попадает с выхлопными газами и выбросами от различных промышленных предприятий.

Оксид углерода чрезвычайно ядовит для организма человека из-за того, что воздействует на нервную и сердечно?сосудистую системы, вызывая удушье.

Допустимые содержания оксида углерода в производственных помещениях составляет 20 мг/м³ в течение рабочего дня. Так как он вдыхается вместе с воздухом и поступает в кровь, где конкурирует с кислородом за молекулы гемоглобина, то чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем меньше кислорода получают клетки организма. Поэтому очень важно следить за его концентрацией, ибо в повышенных объемах он представляет собой смертельный яд. Также стоит сказать, что при наличии в воздухе оксидов азота токсичность возрастает, поэтому допустимые концентрации в воздухе должны быть снижены приблизительно в 1.5 раза [25].

4.2.2 Воздействие диоксида углерода

Диоксид углерода представляет собой (в нормальных условиях) газ без цвета и запаха, но имеющий слегка кисловатый вкус. Является одним из парниковых газов.

Он нетоксичен, но содержания его в высоких концентрациях в воздухе сказывается на воздуходышащих живых организмах и поэтому его относят к удушающим газам. Даже небольшое увеличение концентрации до 2?4% в рабочих помещениях приводят к появлению у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7?10% при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания, в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья.

Хотя, фактически, даже концентрация 5?7% не смертельна, уже при концентрации 0.1% (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация сильно влияет на самочувствие.

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья [25].



4.2.3 Воздействие диоксида серы

Диоксид серы (сернистый ангидрид) ? В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Поступает в атмосферу при процессах сгорания серосодержащих видов топлива.

Диоксид серы, в первую очередь, задействован в образовании кислотных дождей, общемировой выброс которых оценивается в 190млн.т в год.

Длительное влияние диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, кашлю, а при вдыхании диоксида серы более высокой концентрации - удушье, рвота, отек легких. [25].

При небольшом по времени вдыхании вызывает кашель и раздражение в горле.

4.2.4 Воздействие серного ангидрида

Серный ангидрид образуется путем окисления сернистого ангидрида . Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Теплоэнергетические предприятия и котельные ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида [25].

4.2.5 Воздействие окислов азота

Окислы азота . При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. т в год, то есть это составляет порядка 28% выбросов окислов азота , приходящихся на долю энергетики.

Основной выбрасываемый оксид - диоксид азота - не имеет цвета и запаха, очень ядовит. При его контакте со слизистой оболочкой глаза, носа или бронхов образуется азотная и азотистая кислоты, которые в свою очередь начинают с раздражительным характером воздействовать на слизистые оболочки и поражать альвеолярную ткань легких.

При высоких концентрациях оксидов азота у человека возникают астматические проявления и отек легких, а при длительном воздействии на организм в таких концентрациях люди заболевают хроническим бронхитом и воспалением слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта.

Также стоит отметить, что оксиды азота ответственны за возникновение смога, а также кислотных дождей. [25].

4.2.6 Воздействие тяжелых металлов

Ванадий - элемент 5 группы четвертого периода периодической системы Д.И. Менделеева. Образуется при сгорании органических топлив. Устойчив на воздухе, но выше 300 ? начинает окисляться.

Недостаток ванадия у людей не выявлен, однако токсичной дозой для человека считается 0.25 мг, летальной 2-4мг. Однако употребление продуктов, с повышенным содержанием белка и хрома способствуют его снижению.

Среднесуточная предельно-допустимая концентрация пентаоксида ванадия в воздухе составляет 0.002 [26].



4.3 Мероприятия для снижения уровня выбросов в атмосферу на котельных

Паровые котлы являются одними из источников выделения загрязняющих веществ в нашу атмосферу. Через дымовые трубы различные дымовые газы отводятся от котлов. На котельных для уменьшения уровня выбросов вредных веществ в атмосферу предусматриваются следующие мероприятия:

повышение экономичности: уменьшение расхода топлива пропорционально уменьшает все вредные выбросы в атмосферу.

модернизация котлов с внедрением двухступенчатого сжигания и увеличения степени рециркуляции газов до ;

модернизация схемы рециркуляции газов и установка новых современных горелок;

с целью постоянного контроля за вредными выбросами с уходящими газами котлов необходимо внедрять в работу газоаналитический комплекс, который позволит непрерывно делать замеры , , , , температуры и расходы уходящих газов во всех газоходах.

При наступлении неблагоприятных метеоусловий, вызывающих ухудшение рассеивания дымовых газов (температурные инверсии, туман, штиль и другое), применяются мероприятия, действующие временно. Такие мероприятия носят организационно-технический характер и не приводят к снижению производительности. К ним относятся:

увеличение контроля за точным соблюдением технического режима;

уменьшение работы оборудования в форсированном режиме;

принятие оперативных мер по подбору работающих котлов в зависимости от степени влияния их на загазованность воздушного бассейна;

частичное уменьшение тепловой нагрузки с отключением неответственных потребителей.

Эти мероприятия позволяют исключить из дымовых газов , , и снизить . [28].

4.4 Мероприятия для снижения уровня выбросов в атмосферу на котельной аэропорта в г. Мурманск

Из проведенного анализа текущего состояния котла в котельной аэропорта я смог выявить причины потерь энергии с уходящими газами, а также предлагаю ряд мероприятий по их снижению и снижению вредных выбросов в атмосферу.

В своей работе я предлагаю заменить мазут, применяемый в качестве основного вида топлива, на водомазутную эмульсию (ВМЭ) путем дополнительной обработки исходного мазута в диспергаторе с применением продувочной воды. За счет добавления 30% продувочной воды снижается расход топлива, как следствие, снижаются вредные выбросы в окружающую среду.

Произведем расчет вредных выбросов с дымовыми газами котла
ДКВР 20-13 ГМ до его модернизации по приведенной ниже методике [30]. Для расчета задаемся данными, а также параметрами, полученными в ходе расчета котла:

низшая теплоты сгорания топлива

содержание серы в мазуте ;

зольность мазута ;

годовой расход топлива

продолжительность отопительного периода в г. Мурманск - сут. ();

расход топлива в самый холодный месяц года (январь) ?

производительность котла ДКВР 20?13 ГМ ?

После сжигания мазута в атмосферу выбрасываются следующие элементы: азот, зола, сера и оксиды углерода.

1. Расход топлива в январе:

2. Расчет валового выброса мазутной золы в пересчете на ванадий:

? содержание оксидов ванадия в мазуте,

? коэффициент оседания оксидов ванадия;

? коэффициент улавливания оксидов ванадия;

Тогда:

2. Расчет выбросов оксидов углерода:

? потери теплоты от механической неполноты сгорания, при нынешнем состоянии котла

? выход оксида углерода при сжигании мазута,

? потери теплоты от химической неполноты сгорания, ; при нынешнем состоянии котла

? коэффициент, учитывающий долю потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, обусловленный наличием в продуктах сгорания оксида углерода; для мазута

Тогда:

3. Расчет выбросов оксидов азота:

? параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 ГДж тепла,

? коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений; для котлов с производительностью до (в т.ч. и для котла ДКВР 20?13 ГМ с производительностью ) коэффициент

В этом случае:

4. Расчет выбросов оксидов серы:

? доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива; для мазута

? доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе;

Тогда:

Произведем расчет вредных выбросов с дымовыми газами котла ДКВР 20-13 ГМ после его модернизации. Для расчета задаемся данными, а также параметрами, полученными в ходе расчета котла:

низшая теплоты сгорания топлива

содержание серы в мазуте ;

зольность мазута ;

годовой расход топлива

продолжительность отопительного периода в г. Мурманск - сут. ();

расход топлива в самый холодный месяц года(январь) ?

производительность котла ДКВР 20?13 ГМ ?

Расчет выбросов котла ДКВР 20-13 ГМ после его модернизации аналогичен выше приведенному расчету. Результаты расчетов вредных выбросов в окружающую среду для удобства сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 ? Выбросы вредных веществ в окружающую среду

Единица измерения	Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу
	Мазут	ВМЭ
	Мазутная зола				Мазутная зола

Выводы по разделу

На основании проведенного выше расчета можно заключить, что применение дополнительной обработки топлива в диспергаторе необходимо. Модернизация позволит уменьшить расход топлива по сравнению с исходным состоянием на 30 %. Пре...