РАСЧЕТ РАСХОДА ТОПЛИВА
Расход топлива Вуст (кг/ч) в режиме номинальной (установленной) тепловой мощности определяется по формуле
 (1)
где - КПД котельной установки, в долях; [Qном] = [Гкал/ч]; [ ] = [ккал/кг].
Расход топлива за рассматриваемый период определяется по действующим нормам расхода на выработку теплоты или по формуле
 (2)
где К - коэффициент нагрузки. В рассматриваемом распространенном частном случае для годового периода
 (3)
где от - отопительный период, ч/год.
Для определения весового расхода природного газа рекомендуется использовать формулы
 (4)
 (5)
где V - расход природного газа, м3/год; - плотность природного газа, кг/м3 ( = 0,76 - 0,85);  - то же, что и , но в ккал/м3 или кДж/м3.
Расчет приземных концентраций проводится на резервный вид топлива. Плата за годовые выбросы рассчитывается по фактическому расходу топлива Вфакт.
РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Расчет выбросов твердых частиц
Состав выбрасываемых твердых частиц включает: SiO2 - 30 - 60 %, Al2O3 - 15 - 28 %, Fe2O3 - 2 - 10 %, СаО, MgO, K2O, Na2O, TiO2, MnO2, P2O5, сажу, углеводороды.
Количество летучей золы и несгоревшего топлива Мп (г/с, т/год, по размерности расхода топлива), выбрасываемое с дымовыми газами от каждой отдельной котельной установки в рассматриваемый период, определяется по формуле
 (6)
где 3 - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях (КПД золоуловителя); аун - доля уноса золы, %; Гун - содержание горючих в уносе, %.
Значения АР, Гун, аун, 3 принимаются по фактическим средним показателям, при отсутствии этих данных определяются по характеристикам сжигаемого топлива (прил. 2). Значение показателя f, равного
 (7)
можно принимать по табл. 1.
При сухом золоулавливании блок-циклоны типа НИИОгаз имеют КПД 3 = 0,75 - 0,85, батарейные циклоны ЦКТИ имеют КПД 3 = 0,8 - 0,9.
В случае возврата уноса, применяющегося в стальных котлах производительностью более 1,2 Гкал/ч (1,392 МВт), аун должна быть уменьшена на 10 % от первоначальной величины.
Величина Гун может быть определена при отсутствии экспериментальных данных по формуле
 (8)
где  - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива в уносе, %. Для приближенного расчета = 0,5 q4 % (см. прил. 2); - ккал/кг (см. табл. 1 прил. 3).
Таблица 1
Значение коэффициентов f и КCO в зависимости от типа топки и вида топлива
Тип топки
|
Вид топлива
|
f
|
КCO, кг/ГДж
|
1
|
2
|
3
|
4
|
С неподвижной решеткой и ручным забросом топлива
|
Бурые и каменные угли
|
0,0023
|
1,9
|
|
Антрациты:
|
|
|
|
АС и АМ
|
0,003
|
0,9
|
|
АРШ
|
0,0078
|
0,8
|
С пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной решеткой
|
Бурые и каменные угли:
|
0,0088
|
0,6
|
|
Антрациты:
|
|
|
С цепной решеткой прямого хода
|
АРШ
|
0,0088
|
0,6
|
|
АС и АМ
|
0,002
|
0,4
|
С забрасывателями и цепной решеткой
|
Бурые и каменные угли
|
0,0035
|
0,7
|
Шахтная
|
Твердое топливо
|
0,0019
|
2
|
Шахтно-цепная
|
Торф кусковой
|
0,0019
|
1
|
Наклонно-переталкивающая
|
Эстонские сланцы
|
0,0025
|
2,9
|
Слоевые топки бытовых теплогенераторов
|
Дрова
|
0,005
|
14
|
|
Бурые угли
|
0,0011
|
16
|
|
Каменные угли
|
0,0011
|
7
|
|
Антрацит, тощие угли:
|
0,0011
|
3
|
Камерные топки
|
Мазут
|
0,01
|
0,32
|
Топки паровых и водогрейных котлов
|
Газ природный, попутный и коксовый
|
-
|
0,25
|
Топки бытовых теплогенераторов
|
Газ природный
|
-
|
0,08
|
|
Легкое жидкое (печное) топливо
|
0,01
|
0,16
|
Расчет выбросов пятиоксида ванадия
При использовании жидкого топлива (мазута) количество окислов ванадия  , г/с (т/год) (по размерности расхода топлива), рассчитывают по формуле
 г/с (т/год). (9)
или в пересчете на пятиоксид ванадия (аэрозоль)
 г/с (т/год).
где GV - содержание ванадия (или  - в пересчете на пятиокись ванадия) в жидком топливе, г/т; В - массовый расход натурального топлива за рассматриваемый промежуток времени, (г/с) т/год.
По эмпирической формуле ВТИ им. Ф.Э. Дзержинского (г/т) равен
 (10)
где SP - содержание серы в мазуте на рабочую массу, % (SP > 0,4 %).
Расчет выбросов окислов серы
Количество окислов серы  , г/с (т/год) (по размерности расхода топлива), в пересчете на SO2 вычисляется по формуле
 г/с (т/год), (11)
где  - доля окислов серы, связываемых летучей золой топлива (см. ниже);  - доля окислов серы, улавливаемых в золоуловителях попутно с улавливанием твердых частиц. Для сухих золоуловителей принимается равной нулю. В мокрых золоуловителях она зависит от приведенной сернистости топлива  , (% кг) / МДж, и от расхода и общей щелочности орошаемой воды (рис. 1).
Ориентировочные значения при факельном сжигании различных видов топлив [6]
Торф 0,15
Сланцы эстонские и ленинградские 0,8
Остальные сланцы 0,5
Экибастузский уголь 0,02
Березовские угли Канско-Ачинского (КА) бассейна для топок с
твердым шлакоудалением 0,5
Остальные угли КА бассейна для топок с твердым шлакоудалением 0,2
Прочие угли 0,1
Мазут 0,02
Газ 0
Рис. 1. Степень улавливания окислов серы в мокрых золоуловителях при щелочности орошаемой воды: 1 - 10 мг-экв/дм3; 2 - 5 мг-экв/дм3; 3 - 0 мг-экв/дм3
Расчет выбросов окиси углерода
Количество окиси углерода МСО, г/с (т/год) (по размерности расхода топлива), вычисляется по формуле
 г/с (т/год), (12)
где ССО - выход окиси углерода при сжигании 1 т топлива (кг/т), определяется по формуле
 (13)
где размерность выражается в КДж/кг;  = 10,13 МДж/кг; q3 - для мазута и газа при отсутствии системы автоматического регулирования горения равно 0,5 (q3 = 0,5 %), при отлаженной системе q3 равно 0,15 (q3 = 0,15 %); R - безразмерная доля q3, обусловленная наличием продукта неполного сгорания окиси углерода. Для твердого топлива R = 1; газа R = 0,5; для мазута R = 0,65. Величина q4 равна для мазута и газа 0,5 (q4 = 0,5 %). Значения q3 и q4 для угля см. в прил. 2. ССО можно определить также по данным табл. 1, используя формулу ССО = КСО , где [КСО] = [кг/ГДж], а [] = [МДж/кг]; [ССО] = [кг/т].
Формула для расчета выражения (12) может быть упрощена с учетом выражений (1), (13) и численных значений q3, q4 и R.
При размерности Qном в Гкал/ч = 2420 ккал/кг, расчетное секундное количество выбросов  (г/с) равно
 (14)
в том числе для газа МСО, г/с, равно без системы автоматики  г/с; при отлаженной работе системы (q3 = 0,15 %).
 г/с, (15)
для мазута  - без системы автоматики МСО = 0,37  г/с, с автоматикой -
 = 0,111 г/с, (16)
для каменного угля
 (17)
для бурого угля
 (18)
Валовое количество выбросов МСО (т/год) при работе котельной cm (ч/год) с учетом (2) и (3) равно
 (19)
Расчет выбросов окислов азота
Количество окислов азота  , г/с (т/год) (по размерности расхода топлива), в пересчете на NO2 вычисляется по формуле
 (20)
где В - расход топлива, г/с (т/год);
где - низшая теплотворная способность топлива, МДж/кг [для газа - МДж/м3];  - количество окислов азота, образующихся на 1 ГДж тепла, кг/ГДж, в зависимости от вида сжигаемого топлива и номинальной производительности котельной установки, определяется по графику на рис. 2.
При нагрузке, отличающейся по номинальной, на значение следует вводить поправку, равную (Qфакт/Qном)0,25, где Qном и Qфакт - соответственно номинальная и фактическая производительность котельного агрегата; - коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов окислов азота в результате применения технических решений. В настоящее время для малых котлов = 0.
Рис. 2. Зависимость от тепловой мощности котельной установки для различных видов топлив:
1 - природный газ, мазут; 2 - антрацит; 3 - бурый уголь; 4 - каменный уголь
При размерности в ккал/кг (ккал/м3)
 (21)
где [М] = [В], [4,187 10-6] = [ГДж/ккал].
Если размерность Qном в [Гкал/ч], то формула для расчета  (г/с) с учетом выражения (1) и = 0 приобретает вид
 (22)
где , кг/ГДж - по графику на рис. 2.
С учетом изложенного расчетное количество выбросов диоксида азота (г/с) при сжигании
газа и мазута (q4 = 0,5 %)
 (23)
каменного угля (q4 = 7 %)
 (24)
бурого угля (q4 = 9 %)
 (25)
Валовое количество выбросов окислов азота (т/год) для котельных, работающих в отопительный период от (ч/год), равно
 (26)
Ориентировочное определение выбросов некоторых продуктов неполного сгорания топлива
Вместе с окисью углерода от котельных агрегатов в атмосферу поступают формальдегид НСНО, сажа и 3,4-бензпирен [2, 3, 8]. Диапазон изменения содержания формальдегида может отличаться на порядок в зависимости от режимных и конструктивных особенностей топок. Содержание его колеблется от 0 до 70 мг/м3. При коэффициенте избытка воздуха = 1,1 - 1,7 (прил. 4) в котлах ДКВР-10-13 с горелками ГМГ наблюдалось количество формальдегида, равное 0,2 - 0,5 мг/м3, с горелками ГА-110 - 0,7 - 1 мг/м3 [8]. Рекомендуемая для ориентировочных расчетов концентрация (в уходящих газах) для котлов Q < 10 т/ч - 17,35 мг/м3.
По данным литературы [8], наиболее вероятные значения количества формальдегида за котлами производительностью менее 10 т/ч составляют 3,7 - 31 мг/м3 продуктов сгорания.
Сажеобразование в газоходах котла до 90 мг/м3 наблюдается в осенний и весенний период, особенно за малогабаритными топками секционных отопительных котлов МГ-2, МГ-2Г, «Универсал» при диффузионных подовых горелках (рис. 3 - 5) [3] и отсутствии автоматики горения. При отлаженной работе системы автоматики горения концентрация как сажи, так и других продуктов неполного сгорания меньше в 3,33 раза (q3 = 0,15).
В саже и дымовых газах содержатся канцерогенные вещества - полициклические углеводороды, такие, например, как 3,4-бензпирен (С20Н12). Максимальное содержание характерно для топок с неподвижной решеткой. Количественные характеристики приведены в табл. 2 [2]. При сжигании природного газа 3,4-бензпирен содержится в единичных случаях.
При сжигании донецких углей в котлах ТП-230 и львовско-волинских в ТП-100 количество бенз(а)пирена без очистки газов составляло 0,8 - 16,5 Мкг/м3.
Рис. 3. Изменение концентрации сажи Сс по высоте факела Lф/а подовой диффузионной горелки при сжигании природного газа в котле «Тула-3» (без автоматики горения)
При камерном сжигании пылевидного топлива бензпирен отсутствует. При сжигании твердого топлива в слое на ручной и механической топках бензпирен содержится в большом количестве - 2,2 - 379 г/т сжигаемого угля [13].
При сжигании мазута в котлах ТГПМ-314А и ПК-19, оборудованных горелками ХФ ЦКБ-ВТИ, был обнаружен бензпирен в концентрации 0,02 - 0,5 мкг/м3 [12].
Количество выбросов рассмотренных продуктов неполного сгорания топлива М (г/с) определяется по формуле
М = С Vг г/с,
где С - концентрация вредного вещества в уходящих газах, г/м3; Vг - объем уходящих газов, м3/с.
Валовое количество выбросов М (т/год) равно
 т/год.
Рис. 4. Изменение концентрации сажи Сс в зависимости от коэффициента избытка воздуха на выходе из топки т:
а - при сжигании газа в чугунных секционных котлах "Энергия-3"; б - НРч с однощелевыми горелками; в - МГ-2Т с двухщелевой горелкой; 1 - 3 - нагрузка горелки соответственно 60, 80 и 90 % (без автоматики горения)
Рис. 5. Зависимость концентрации сажи Сс:
а - от коэффициента избытка воздуха на выходе из топки т (при сжигании газа с помощью подовой диффузионной однощелевой горелки в котле "Универсал-6" при разной нагрузке Q; б - от теплового напряжения огневого сечения щели qF при сжигании газа с помощью однощелевой горелки котла "Универсал-6" (1) и двухщелевой горелки котла МГ-2Т (2) (без автоматики горения)
Таблица 2
Образование токсичных веществ в процессе выгорания топлив в отопительных котлах мощностью до 85 кВт [2]
Тип котла
|
Топливо
|
Режим горения
|
С20Н12, мгк/100 м3
|
 , мг/м3
|
CNO, мг/м3
|
CCO, %
|
КС-2
|
КУ (каменный уголь)
|
Начало выгорания
|
8,97
|
5
|
205
|
-
|
Основной период горения
|
33,55
|
25
|
180
|
-
|
КЧМ-3 (7 секций)
|
А (антрацит)
|
Розжиг дров
|
111,2
|
6 - 8
|
110
|
-
|
Догорание дров
|
346,1
|
30 - 40
|
70 - 80
|
-
|
Начало погрузки угля
|
13,6
|
10
|
120
|
0,11
|
Конец погрузки угля
|
53,6
|
20
|
110
|
0,28
|
Основной период горения
|
17,2 - 13,4
|
30
|
100
|
0,08
|
Природный газ
|
= 1,2
|
8 - 2
|
2,5
|
140
|
0,008
|
= 1,4
|
-
|
3,5
|
150
|
-
|
= 1,8
|
-
|
50
|
150
|
-
|
= 2,2
|
-
|
60
|
160
|
-
|
= 2,8
|
-
|
80
|
180
|
0,065
|
кс-3
|
ТБП (легкое жидкое топливо)
|
= 1,25
|
60
|
25
|
250
|
0,07
|
= 1,4
|
350
|
80
|
140
|
0,02
| |
