ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
АКАДЕМИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА им. К.Д. ПАМФИЛОВА

Утверждаю

Директор

АКХ им. К. Д. Памфилова

В. Ф. Пивоваров

21 сентября 1990 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
В АТМОСФЕРУ С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ
ОТОПИТЕЛЬНЫХ И ОТОПИТЕЛЬНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
КОТЕЛЬНЫХ

Сектор научно-технической информации АКХ

Москва 1991

Настоящие методические указания содержат перечень ингредиентов, формулы для расчета выбросов, практические рекомендации и вспомогательные таблицы, необходимые для проведения расчетов. В указания введены методы определения содержания в дымовых газах количества таких вредных веществ, как пятиокись ванадия, формальдегид, 3,4-бензпирен, сажа; преобразованы и упрощены используемые ранее формулы расчетных количеств окиси углерода и окислов азота; изменены и введены новые расчетные графики и вспомогательные таблицы.

Настоящие методические указания выпускаются взамен разработанных в 1986 г. «Методических указаний по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами отопительных и отопительно-производственных котельных МЖКХ РСФСР (кандидаты техн. наук А.Л. Максимов, М.А. Плотников и Д.Я. Борщов), за основу которых ранее были приняты «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч» (1985) и «Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых электростанций» (1984).

Разработаны отделом коммунальной энергетики АКХ им. К.Д. Памфилова (канд. техн. наук В.З. Пономарева). Согласованы Всесоюзным НИИ охраны природы и заповедного дела (ВНИИприроды, С.-Петербург, письмо № 374/33 от 7.06.90 г.) и Госкомприроды СССР (письмо № 09-2-8/1206 от 31.08.90 г.).

Предназначены для использования в теплоэнергетических предприятиях местных Советов, а также служб Госкомприроды СССР при проведении инвентаризации источников выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.

Замечания и предложения по настоящим указаниям просьба направлять по адресу: 123371. Москва, Волоколамское шоссе, 116. АКХ им. К.Д. Памфилова, отдел коммунальной энергетики.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основным техническим процессом является нагревание теплоносителя (воды или пара) в котельной установке за счет теплоты сгорания топлива в топке.

Теплопроизводительность парогенераторов соответствует паропроизводительности по коэффициенту пересчета (прил. 1).

Перечень вредных веществ, выбрасываемых с дымовыми газами включает следующие ингредиенты: твердые частицы, окислы серы, окись углерода, окислы азота, пятиокись ванадия и некоторые продукты неполного сгорания топлива.

Предполагается отсутствие улетучивания твердых частиц из отвалов и складов.

Выбросы вредных веществ рассчитываются в массовых единицах за рассматриваемый период времени, например, т/год или г/с.

Необходимо учитывать периодичность работы котельной установки в рассматриваемый период времени и различные виды применяемых топлив. Для этого рассматриваемый период времени (год) делится на промежутки времени, в течение каждого из которых производилась работа на одном виде топлива. Рассматриваются выбросы в каждом промежутке времени и суммируется количество выбросов за год.

При использовании нескольких видов топлива в одной котельной установке одновременно, выбросы рассчитываются как сумма выбросов от раздельного использования этих топлив.

Текущие выбросы в рассматриваемый момент времени, как правило, измеряются в г/с.

Максимальные текущие выбросы соответствует режиму номинальной (установленной) мощности.

Наиболее распространенный случай - работа котельной установки в режиме установленной мощности в течение отопительного периода в году на одном виде топлива. В этом случае выбросы за год равны выбросам за отопительный период года.

Основные условные обозначения

В - массовый расход натурального топлива за рассматриваемый период времени (т/год или г/с), масса - рабочая; - низшая теплота сгорания натурального топлива (в пересчете на рабочую массу), МДж/кг или ккал/кг; А^р - зольность топлива на рабочую массу, %; S^р - сернистость топлива на рабочую массу, %; q₃ - потери теплоты от химической неполноты сгорания, %; q₄ - потери теплоты от механической неполноты сгорания, %; М_i - массовое количество выбросов за рассматриваемый период времени ингредиента i; a - коэффициент избытка воздуха; Q - теплопроизводительность котельной установки (тепловая мощность), МВт или Гкал/ч или т пара/ч.

РАСЧЕТ РАСХОДА ТОПЛИВА

Расход топлива В_уст (кг/ч) в режиме номинальной (установленной) тепловой мощности определяется по формуле

                                         (1)

где h - КПД котельной установки, в долях; [Q_ном] = [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 t_от - отопительный период, ч/год.

Для определения весового расхода природного газа рекомендуется использовать формулы

                                                                (4)

                                                       (5)

где V - расход природного газа, м³/год; r - плотность природного газа, кг/м³ (r = 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 В_факт.

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 М_п (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 h₃ - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях (КПД золоуловителя); а_ун - доля уноса золы, %; Г_ун - содержание горючих в уносе, %.

Значения А^Р, Г_ун, а_ун, h₃ 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 h₃ = 0,75 - 0,85, батарейные циклоны ЦКТИ имеют КПД h₃ = 0,8 - 0,9.

В случае возврата уноса, применяющегося в стальных котлах производительностью более 1,2 Гкал/ч (1,392 МВт), а_ун должна быть уменьшена на 10 % от первоначальной величины.

Величина Г_ун 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 К_CO в зависимости от типа топки и вида топлива

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 G_V - 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 S^P - содержание серы в мазуте на рабочую массу, % (S^P > 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 М_СО, г/с (т/год) (по размерности расхода топлива), вычисляется по формуле

г/с (т/год),                               (12)

где С_СО - 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. С_СО можно определить также по данным табл. 1, используя формулу С_СО = К_СО , где [К_СО] = [кг/ГДж], а [] = [МДж/кг]; [С_СО] = [кг/т].

Формула для расчета выражения (12) может быть упрощена с учетом выражений (1), (13) и численных значений q₃, q₄ и R.

При размерности Q_ном в Гкал/ч  = 2420 ккал/кг, расчетное секундное количество выбросов  (г/с) равно

          (14)

в том числе для газа М_СО, г/с, равно без системы автоматики  г/с; при отлаженной работе системы (q₃ = 0,15 %).

г/с,                     (15)

для мазута  - без системы автоматики М_СО = 0,37 г/с, с автоматикой -

 = 0,111  г/с,                                          (16)

для каменного угля

                        (17)

для бурого угля

                    (18)

Валовое количество выбросов М_СО (т/год) при работе котельной t_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 (Q_факт/Q_ном)^0,25, где Q_ном и Q_факт - соответственно номинальная и фактическая производительность котельного агрегата; b - коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов окислов азота в результате применения технических решений. В настоящее время для малых котлов b = 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 Q_ном в [Гкал/ч], то формула для расчета  (г/с) с учетом выражения (1) и b = 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 t_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 a = 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 С_с по высоте факела L_ф/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 V_г г/с,

где С - концентрация вредного вещества в уходящих газах, г/м³; V_г - объем уходящих газов, м³/с.

Валовое количество выбросов М (т/год) равно

 т/год.

Рис. 4. Изменение концентрации сажи С_с в зависимости от коэффициента избытка воздуха на выходе из топки a_т:

а - при сжигании газа в чугунных секционных котлах "Энергия-3"; б - НР_ч 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 С_с:

а - от коэффициента избытка воздуха на выходе из топки a_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 q_F 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]

РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ВАЛОВЫХ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ

Расчетные формулы концентраций вредных веществ в дымовых газах в зависимости от количества текущих выбросов необходимы, главным образом, при сопоставлении расчетных и измеренных экспериментально величин концентраций, а также для определения выбросов при известных величинах концентраций.

Расчет объема дымовых газов

Объем уходящих газов без влаги при нормальных условиях  (температура 0 °С, давление 760 мм рт. ст. (0,1013 МПа) от сгорания 1 кг натурального топлива можно приближенно определить по формуле

 нм³/кг,                                                                 (27)

где  - объем стехиометрического количества воздуха при нормальных условиях для сгорания 1 кг натурального топлива.

Приближенно можно определить

 нм³/кг,                                                           (28)

где  - в ккал/кг, или по табл. 1, 2 прил. 3 (точнее).

При температуре газов t выше 0 °С удельный объем уходящих газов определяется по формуле

 м³/кг.                                               (29)

Расчет массовой концентрации

Массовая концентрация ингредиента i в уходящих газах определяется по формуле

 г/м³,                                     (30)

где размерность [] соответствует размерности [В], [] - м³/кг.

Расчет объемной концентрации

Объемная концентрация ингредиента i в уходящих газах определяется по формуле

 чнм*(млн^-1),                               (31)

* чнм - части на миллион (единицы измерения объемной концентрации).

где  - молекулярный вес ингредиента i;

 = 64; m_CO = 28;  = 46.

Пересчет объемных концентраций в весовые и наоборот представлен в прил. 5.

Расчет валовых выбросов вредных веществ

Валовый выброс ингредиента i определяется как сумма выбросов ингредиента i по всем единичным источникам выбросов (котельным установкам):

М_валi = ,                                                                    (32)

где j - порядковый номер единичной котельной установки (котлоагрегата). Валовые выбросы вредных веществ при сжигании различных видов топлив в котлах ЖКХ представлены в прил. 6.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Определить количество выбросов вредных веществ с дымовыми газами от котельной установки концентрации окислов серы в дымовых газах. Исходные данные для расчета приведены ниже.

Тип котельной установки......................................................................... "Универсал-6"

Режим работы в году t_ог, ч/год.................................................... 5350 (отопительный

период года)

Топливо:

зольность А^Р, %............................................................................................................... 14

сернистость S^Р, %............................................................................................................ 2

низшая теплота сгорания Q, МДж/кг (ккал/кг)............................................ 27 (6448,5)

Теплопроизводительность в режиме установленной мощности Q_ном, Гкал/ч 0,5

КПД котельной установки h.............................................................................................................................................. 0,74

Потери теплоты от неполноты сгорания, %:

механической q₄.............................................................................................................. 7

химической q₃.................................................................................................................. 1

Доля золы, уносимой газами, a_ун................................................................................... 0,3

Содержание горючих в уносе Г_ун, %............................................................................. 40

Доля , связываемых летучей золой........................................................................ 0,1

Доля , улавливаемых в мокрых золоуловителях................................................... 0

КПД золоуловителя h_з.................................................................................................... 0,8

Удельное количество образующихся окислов азота , кг/Гдж............................................................................................................................................. 0,105

Коэффициент избытка воздуха a.................................................................................. 1,5

Температура уходящих газов (после золоуловителей) t_ух, °С..................................... 60

Определение параметров

1. Расход топлива за рассматриваемый период по формуле (1)

 кг/ч = 29 г/с.

2. Годовой коэффициент нагрузки по формуле (3):

К = 5360 : 8766 = 0,61.

3. Расход топлива за год по формуле (4):

В = 104,77 ´ 0,61 ´ 8766 ´ 10^-3 = 560,2 т/год.

4. Расчетное количество выбросов пыли М (г/с) по формуле (6):

 г/с.

5. Валовое количество выбросов пыли (т/год) по формуле (6), где В = 560,2 т/год или по формуле:

 т/год.

6. Расчетное количество выбросов сернистого ангидрида М (г/с) по формуле (11):

М = 0,02 ´ 29 ´ 2(1 - 0,1)(1 - 0) = 1,044 г/с.

7. Валовое количество выбросов сернистого ангидрида  (т/год) по формуле (11) или

 = 1,044 ´ 3,6 ´ 10^-3 ´ 5360 = 20,14 т/год.

8. Расчетное количество выбросов окиси углерода М (г/с) по формуле (14):

 г/с.

9. Валовое количество выбросов окиси углерода М_СО (т/год) по формуле (19):

М_СО = 0,72 ´ 3,6 ´ 10^-3 ´ 5360 = 13,9 т/год.

10. Расчетное количество диоксида азота М (г/с) по формуле (22):

 г/с.

11. Валовое количество диоксида азота  (т/год) по формуле (26):

 = 0,0767 ´ 3,6 ´ 10^-3 ´ 5360 = 1,48 т/год.

12. Удельный объем стехиометрического количества воздуха V (нм³/кг) по формуле (28):

 нм³/кг.

13. Удельный объем уходящих газов при нормальных условиях по формуле (27) или, точнее, по табл. 1 прил. 3:

V = 1,5 ´ 7,22 = 10,8 нм³/кг.

14. Удельный объем уходящих газов V_г (м³/кг) по формуле пересчета на фактическую температуру газов:

 м³/кг.

15. Массовая концентрация сернистого ангидрида С (г/м³) в уходящих газах по формуле (30):

 г/м³.

16. Объемная концентрация сернистого ангидрида С в уходящих газах по формуле (31):

 чнм

или, точнее, по таблице прил. 5.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Следует предъявлять требования к поставщикам топлива в части записи в отгрузочных документах характеристик топлива: зольность, содержание серы, азота, тяжелых металлов.

2. Расчетом выбросов вредных веществ, как правило, пользуются при перспективном планировании и прогнозе в крупном масштабе региона (область, край, республика).

3. При контроле за выбросами отдельных производственных предприятий предпочтение следует отдавать наиболее достоверному экспериментальному методу измерений выбросов (концентраций) вредных веществ в дымовых газах.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Паропроизводительность, эквивалентная 1 МВт тепловой мощности

Примечание. 1 кал = 4,187 Дж; 1 Гкал/ч = 1,16 МВт; 1 т/год = 3,17 ´ 10^-2 г/с; 1 ГДж = 10³×МДж = 10⁶×КДж = 10⁹×Дж.

Приложение 2

Некоторые показатели топок и применяемых топлив [11]

Примечания: 1.  - приведенная зольность топлива,  (% кг)/ккал.

2. При отсутствии в гр. 2 марки сжигаемого топлива значения показателей рекомендуется выбирать по приведенной зольности , интерполируя в пределах «Вид топлива».

3. Топки типа: механическая цепная = 0,1 - 0,15 %; камерная с сухим шлакоудалением q₃ = 0,05 - 0,1 %; с жидким шлакоудалением q₃ = 0 (см. прил. 4).

Приложение 3

Расчетные характеристики твердых, жидких и газообразных топлив

Таблица 1

Расчетные характеристики твердых и жидких топлив [9]