Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы экологической безопасности технологических процессов на асфальтобетонных заводах 19
1.1. Характеристика источников и состава вредных веществ, отходящих от АБЗ в атмосферу 19
1.2. Характеристика состояния топочных систем 28
1.3. Характеристика состояния пылеулавливающих устройств 50
1.4. Цели и задачи исследования 94
2. Организация высокоэффективных процессов смесеобразования и горения 98
2.1. Математическое моделирование процессов, разработка модели оценки точки смыкания спутных струй 98
2.2. Исследование истечения струй компонентов топлива методами математического и физического моделирования 115
2.3. Оценка качества смесеобразования на основе гидродинамической модели процесса горения 136
2.3.1. Метод гидроаналогии газовых струй натурных компонентов. 136
2.3.2. Метод газодинамического подобия 140
2.3.3. Выбор метода моделирования процесса смесеобразования 150
2.3.4. Методика пересчета результатов холодных модельных испытаний на характеристики натурного рабочего процесса 154
Выводы 157
3. Определение дисперсного и химического состава пыли 159
3.1. Ситовой и седиментационный анализ 163
3.2. Рентгеноспектральний микроанализ 184
Выводы 190
4. Нормирование выбросов АБЗ 191
4.1. Принцип нормирования выбросов и основные нормативные параметры 191
4.2. Номограммный метод расчета основных экологических показателей 203
4.2.1. Определение ПДВ. Определение ПДВ при нулевом фоновом загрязнении атмосферы 203
Выводы 212
5. Разработка методов определения параметров рассеивания твердых атмосферных примесей 213
5.1. Определение максимальных приземных концентраций (См) и расстояний до них от источника загрязнения (Хм).. 213
5.2. Учет подъема струи над геометрической высотой выброса в оценке параметров рассеивания См и Хм 222
5.3.Метод построения линий (эпюр) равных концентраций 230
Выводы 237
6. Методы и средства экспериментальных исследований и оценка погрешностей эксперимента 238
6.1. Определение концентрации пыли и ее дисперсности в выбросах 23 8
6.2. Количественный химический анализ газов 247
6.3. Определение расхода, скорости, температуры и относительной влажности газов 252
6.4.Определение основных параметров газовоздушных топок 260
6.5.Оценка погрешности экспериментов 267
Выводы 272
7. Технико-экономическая эффективность и менеджмент инновационных технологий очистки вредных выбросов в атмосферу от АБЗ. 273
7.1. Общие положения менеджмента природоохранных технологий по очистке выбросов в атмосферу от АБЗ 273
7.2. Технико-экономическая оценка проектных вариантов технологий природоохранных мероприятий 284
Выводы 291
Основные выводы и рекомендации. 292
Литература 295
Приложения:
- Характеристика источников и состава вредных веществ, отходящих от АБЗ в атмосферу
- Математическое моделирование процессов, разработка модели оценки точки смыкания спутных струй
- Ситовой и седиментационный анализ
Введение к работе
Проблема снижения экологического ущерба от выбросов загрязняющих веществ на данном этапе привлекает особое внимание в связи с организацией системы мониторинга атмосферы и экономическими требованиями природопользования. Снижение объема выбросов промышленных предприятий стало необходимым и возможным в середине 1990-х годов в связи с интенсификацией промышленного производства, развитием транспорта, ускорением научно-технического прогресса, реорганизацией экологических организаций и более активным и ответственным участием нашего государства в международных природоохранных структурах.
Стало постоянным участие Госкомгидромета при Главной геофизической обсерватории им. А.И. Войкова в работе Всемирной метеорологической организации. Активно работают в области защиты атмосферы институты гигиены им. Ф.Э. Эрисмана, им. А.Н. Мирзеева, им. А.П. Сысина, НИИОГаз, Гипрогазо-очистка, НИИ им. Д.И. Менделеева и др.
Решение задач, связанных с разработкой экологически чистых технологий в дорожной отрасли, является одним из наиболее приоритетных направлений, связанных с организацией и управлением оптимальным природопользованием, что и нашло свое отражение в Законе РФ «О защите окружающей природной среды».
Сведения, представленные в государственном докладе «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации» [269], говорят о том, что автомобильный транспорт занимает лидирующее положение в загрязнении атмосферы. Его доля в транспортных выбросах превышает 91 % (табл.1) и ежегодно увеличивается на 4 %. Годовой объем выбросов составляет около 12000 тыс. т при доминирующей роли автотранспорта.
Развитие сети автомобильных дорог увеличивает потребление строительных материалов (табл.2). Объем вредных выбросов от базовых предприятий по их производству имеет такие же тенденции (табл. 3 и рис.1).
? ?
Таблица 1
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу транспортными средствами в 1998 г., тыс. т
Таблица 2 Потребление строительных материалов
Анализ современного опыта показывает, что, несмотря на успехи в области экологии автомобильных дорог, открытыми остаются экологические проблемы базовых предприятий отрасли, в том числе и многочисленных асфальтобетонных заводов (АБЗ), входящих не только в инфраструктуру «Росавтодора», но и «Минкоммунхоза», а также «Агродорспецстроя».
Одной из существенных проблем технологии АБЗ в области экологии является отсутствие специальных устройств по очистке выбросов от вредных газов (топочных оксидантов, углеводородов, альдегидов и т.п.) в отечественных комплектах АБЗ.
Усложняет задачу защиты атмосферы неоднозначность нормирования выбросов в разных странах. Социальный и экономический аспекты защиты воздушного бассейна являются приоритетными и должны базироваться на концепции, в которой предотвращенный экологический ущерб должен быть больше затрат на предотвращение выбросов, а плата за использование атмосферы должна в основном быть направлена на мероприятия по дальнейшему снижению объемов выбросов.
Факторами, подтверждающими актуальность данной работы, являются:
многочисленность (более 2500 шт.) функционирующих смесителей АБЗ в России и токсичность их выбросов в атмосферу (оксиданты, высокомолекулярные углеводороды, в том числе канцерогены);
решение сырьевой проблемы, связанной с утилизацией пыли смесителей АБЗ и ее последующим использованием вместо минерального порошка;
экономическая и экологическая целесообразность, так как совершенствование топочных процессов в АБЗ обеспечивает экономию углеводородного топлива и снижает экологический ущерб.
Таблица З Валовые выбросы загрязняющих веществ от предприятий дорожного
хозяйства
Годы
Рис. 1. Динамика валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от предприятий дорожного хозяйства, тыс.т/год
Постоянно возрастающее потребление строительных материалов, следовательно, увеличение объема выбросов, а также увеличение потребления энергоресурсов (табл.4 и рис.2) определяют комплексный характер исследования технологических процессов АБЗ, в частности, процессов сжигания топлива и очистки выбросов.
Таблица 4
Объемы потребления топливно-энергетических ресурсов
Рис.2. Диаграмма потребления энергоносителей
Большое потребление строительных материалов и энергоносителей базовыми предприятиями отрасли и, в частности, АБЗ определяет значительную экологическую нагрузку на атмосферу от выбросов загрязняющих веществ (ЗВ).
По данным В.Н.Луканина и Ю.В.Трофименко [101] по прогнозу к 2020 году увеличение сети автодорог обеспечит двухкратный рост потребления топливно-энергетических ресурсов (рис.3).
Мазута
П П риродш
ВДге
щ Электроэ) иргян
О Ввод всех мероприятий
18000 17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 1110( ю 9000 8000
Резервы экономии:
Рис.3. Прогноз энергопотребления дорожным хозяйством при реализации программы энергосбережения, ГДж/год.
Прогноз роста потребления природных ресурсов при строительстве дорог также потребует расширения ресурсной базы в соответствии с рис.4.
В Щебень (расширение
Щебень [расширен и< ресурсной базы)
ресурсно» базы) Щебень
Рис.4. Прогноз потребления природных ресурсов при строительстве дорог с учетом вовлечения местных материалов, млн. т
Прогноз приведенных выбросов вредных веществ дорожными хозяйствами имеет резервы, определяемые прогрессивными технологиями отрасли (рис.5).
-Р?зещм_сокЕащения_вьібврсрвза_?чеп
МПеревода АБЗ на гаї
Установки нейтрализаторов на дизели
Экономии угля
Установки нейтрализаторов на бенз. автомобили
Ввода всед мероприятий
Годы
Рис.5. Прогноз приведенных выбросов вредных веществ дорожным
хозяйством, т/год
На данном этапе затраты (экологические платежи) предприятий дорожного хозяйства не компенсируют экологического ущерба и составляют 98,5 млн. руб (около 1,15 %) от общих затрат отрасли.
При этом ущерб, наносимый атмосфере только АБЗ, исчисляется миллиардами рублей. В табл. 5 представлены затраты (экологические платежи) предприятий дорожного хозяйства.
Таблица 5 Затраты (экологические платежи) предприятий дорожного хозяйства
* - субвенции и дотации
В качестве примера можно привести данные ДРСУ ФАД «Москва -С.-Петербург».
Степень загрязнения атмосферного воздуха на АБЗ зависит от технического состояния оборудования и качества проведения регламентных работ.
Л.'мти їл jip:jpo:i!inC ресурсы
143.0
(61.5%)
Штрафные camqWfT 32.9
Плити ju ламати її фікпі> чсскисвьзоросм 52.3
22'.
„Плата six сзсрх норми шімімс ""--- нмбросм 4.7 <2%)
Рис.6. Структура платежей на примере ДРУСУ ФАД «Москва-С-Петербург», руб./км год (средневзвешенные данные)
Анализ технического состояния пылеочистительного оборудования
АБЗ, находящегося в эксплуатации, показывает, как правило, что оно не
соответствует нормативным требованиям, определяющим эффективность
очистки выбросов [73, 111, ,123]. Специальное газоочистительное
оборудование в комплектах АБЗ отсутствует [8].
Асфальтобетонные заводы являются одним из наиболее многочисленных источников загрязнения атмосферы. Согласно санитарным нормам, асфальтобетонные заводы относятся к четвертой группе промышленных предприятий, выбросы в атмосферу которых содержат канцерогенные вещества [125, 131].
При производстве асфальтобетонной смеси выделяются неорганическая пыль, сажа, углеводороды, оксиды серы, оксиды углерода и азота, толуол, стирол, фенол, бенз(а)пирен, смолистые вещества, пятиокись ванадия и формальдегид.
АБЗ оснащены комплектами оборудования различной производительности. Производительность асфальтосмесительной установки принята равной 12, 25, 50, 100, 200, и 400 т/ч.
Анализ состава выбросов АБЗ показал высокое содержание в них свободной двуокиси кремния SiCb (от 40 до 45 % от общего количества пыли) [194].
Сравнительные нормы регламентируют содержание пыли в воздушной среде рабочей зоны в зависимости от содержания в перерабатываемой горной породе свободной двуокиси кремния. При переработке горных пород, в составе которых содержится более 70 % свободной двуокиси кремния, предельная концентрация пыли в зоне установок допускается не более 1 мг/м (ПДК для известняков- не более 6 мг/м). По дисперсному составу предположительно пыль АБЗ относится к III-IV группе, т.е. содержит до 50 % пыли размером частиц менее 5 мкм [284].
В рабочей зоне битумоплавильной установки авторами работы [194] зафиксированы концентрации толуола и стирола, превышающие допустимые в связи с использованием в битуме кубовых остатков ректификации стирола.
Вывод авторов работы [194] о том, что наибольшие концентрации пыли отмечены в воздухе рабочего места машиниста, представляется сомнительным, так как многочисленные исследования ДИЛ при ВИСИ [122] показывают, что в зоне дымогарной коробки содержание пыли значительно выше, чем в зоне работы машиниста.
Работа транспортных средств на территории предприятий отрасли также ухудшает состояние атмосферы.
Комплексный подход к проблеме очистки газов АБЗ при пылегазоулавливании и очистке организованных выбросов является определяющим при решении проблемы защиты атмосферы на АБЗ.
Несмотря на значительный вклад в решение проблем дорожной экологии Артюхова В.Г., Трофименко Ю.В., Резванцева В.И., Евгеньева И.Е., Порадека СВ., Подольского В.П., и др., определенные позитивные результаты достигнуты лишь в отношении автотранспортного загрязнения, а разработки научно - технических основ и методов, обеспечивающих экологически чистые технологии на АБЗ, немногочисленны и не носят комплексного характера.
Комплексное исследование взаимосвязанных технологических процессов подготовки компонентов топлива к сжиганию, горения, очистки выбросов и их рассеивания в смесителях АБЗ может обеспечить разработку рекомендаций по снижению эмиссии загрязняющих веществ (ЗВ).
Целью работы является развитие научно-технических основ и разработка методов, обеспечивающих экологически чистые и экономически обоснованные технологии АБЗ на основе комплексного исследования процессов горения в топках смесителей, очистки и рассеивания выбросов.
На основании цели работы были поставлены следующие задачи:
Разработать методы расчета параметров сжигания топлив АБЗ на основе физического и математического моделирования процессов подготовки и горения топлива;
На основе современных методов исследовать дисперсный и элементный состав пыли АБЗ;
3. Установить экспериментально удельные показатели выбросов для раз
личных смесителей АБЗ;
Развить теорию и методы расчета параметров рассеивания выбросов АБЗ;
Разработать практические рекомендации по снижению экологической опасности технологических процессов на АБЗ.
Методика исследования: построена на сочетании теоретических и экспериментальных методов. В работе использовались методы физического (гидроаналогия, газодинамическое подобие) и математического моделирования, стандартные и оригинальные лабораторные исследования с использованием современных измерительных средств и ПЭВМ. С целью визуализации процессов и увеличения степени достоверности результатов применялись интерферограммометрия, рентгеноспектральный микроанализ, дублирование методов экспериментальных исследований. Полученные результаты были обработаны по программам с использованием методов теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна;
Разработан метод расчета параметров перемешивания компонентов топлива и выведено на основе статистической теории турбулентной диффузии уравнение для оценки «точки смыкания струй»;
Определено экспериментально поле турбулентных пульсаций при распределенной подаче компонентов топлива и подтверждены экспериментально (с визуализацией) основные расчетные параметры диффузионных процессов при распространении турбулентных струй компонентов топлива;
3. Методами полидисперсного, седиментационного и
рентгеноспектрального микроанализа (с визуализацией) установлен
элементный и дисперсный состав пыли;
Экспериментально определены удельные показатели выбросов от смесителей ЛБЗ для газообразных контаминантов и твердых частиц;
Развита теория рассеивания для низких нагретых факельных выбросов, дан анализ влияния скоростей ветра, импульса, потока газа, истекающего из трубы, гравитационных сил на эффективную высоту выброса;
6. Разработаны модели расчета параметров рассеивания выброса для
газообразных контаминантов и твердых частиц. Разработан метод
построения изолиний концентраций загрязняющих веществ;
7. Разработаны практические рекомендации по усовершенствованию систе
мы подачи топлива с целью увеличения эффективности его сжигания и
облегчения запуска топок АБЗ в холодный период года. Разработан
номограммный метод определения предельно-допустимого выброса и
параметров рассеивания;
Практическая ценность. Данная работа выполнялась в соответствии с целевыми программами НИОКР Минавтодора РСФСР, по программам «Строительство», «Человек, окружающая среда» РФ, фантам по проблемам
нормирования выбросов в дорожной отрасли.
Автором настоящей диссертации разработки в области совершенствования процессов смесеобразования и горения были начаты в 1967 г., в 1972-1974 г.г. в МВТУ им. Н.Э. Баумана. Эта проблема получила свое дальнейшее развитие в работах на объектах отрасли «Дорожное хозяйство», с 1975 г. в частности на асфальтобетонных заводах (АБЗ).
С 1983 г. работы выполнялись в соответствии с планами НИОКР отрасли (1983-1992 г.г.) на основании приказов Минавтодора РСФСР (от 04.05.83 г. № НА-4/263 и от 30.05.83 г. № НА-4/364) в рамках дорожно-исследовательской лаборатории, находившейся в статусе головной организации по нормированию выбросов вредных веществ в атмосферу и сбросов в водные объекты Минавтодора РСФСР.
Реализация работы состоит в развитии теории и совершенствовании методов определения параметров процессов горения и рассеивания выбросов вредных веществ в атмосферу, разработке отраслевой методической базы по нормированию выбросов АБЗ (5 отраслевых методуказаний), внедрении результатов на 227 АБЗ Минавтодора, 27 АБЗ «Воронежавтодора», 15 АБЗ «Воронежагродорспецстроя». Это позволило улучшить санитарные условия на промплощадках, снизить экологический ущерб от загрязнения атмосферы, повысить экономическую эффективность за счет экономии ресурсов. Использование разработок в подготовке комплексного нормативного документа по охране окружающей среды (ООС) Федерального дорожного агентства позволяет значительно сократить сроки его подготовки, а также уменьшить трудоемкость и стоимость расчетов в разделах проектов ООС базовых предприятий отрасли с целью более обоснованного проектирования систем пылеулавливания АБЗ. Экспериментально подтверждена целесообразность замены минерального порошка утилизованной пылью. Реализация мероприятий по системе топливоподачи позволила сэкономить энергоресурсы и эксплуатировать АБЗ в холодный период года.
Достоверность научных результатов и основных выводов, сформулированных в диссертации, подтверждена использованием в разработках обоснованных, точных и проверенных методов, сходимостью и апробацией полученных результатов, а также визуализацией основных экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
- теория и методы расчета параметров выбросов ЗВ и их рассеивания в
атмосфере;
- методы физического, математического моделирования процесса подго
товки (смесеобразования) и горения топлив в условиях АБЗ;
экспериментальные разработки дисперсности и элементного состава пыли методами полидисперсного, седиментационного и рентгеноспектрального микроанализа;
метод комплексной оценки экологической безопасности технологических процессов АБЗ и пакет программ для ЭВМ по расчету экологических параметров;
- математические модели оценки «точки смыкания струй» компонентов с
учетом и без учета разряжения;
- экспериментальные данные по удельным показателям выбросов раз
личных смесителей АБЗ;
- номограммные методы расчета экологических показателей АБЗ (ПДВ и
основных параметров рассеивания: максимальной приземной
концентрации и расстояния до нее от источника выбросов);
метод построения изолиний концентраций загрязняющих веществ;
рекомендации по совершенствованию систем подачи топлива и пылеулавливания.
Апробация результатов диссертационных разработок проходила на ежегодных международных, всесоюзных республиканских и региональных конференциях и семинарах во ВГАСУ в период с 1975 по 2003 г.г., в том
числе: «Проблемы микроэнергетики» (г. Куйбышев, 1973 г.), «Управление микроклиматом» (Челябинск, 1979 г.), на шести международных конференциях «Высокие технологии» (г. Воронеж, 1998-2003 г.г.), на совещаниях комитета экологии и СЭС г. Воронежа в 1989, 1991, 1993, 2000 г.г., коллегиях Минавтодора РСФСР в 1983, 1985 г.г.. (г. Москва), школах передового опыта (г. Владимир 1983 г., 1984 г.) и (г. Воронеж, 1983, 1987 г.г.)
Публикации. Автор имеет 142 (87 по теме диссертации) публикаций, в том числе 16 авторских свидетельств и патентов, 6 монографий и отраслевых методуказаний по проблема*м дорожной экологии, статьи в журналах центральных изданий и межвузовских сборниках научных трудов.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, семь глав, основные результаты и выводы, список литературы из 306 наименований и пять приложений. Объем работы - 429 стр., в том числе 320 страниц основного машинописного текста, 47 иллюстраций и графиков. Автор выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры Э— 1 МВТУ им. Н.Э. Баумана, кафедры безопасности жизнедеятельности, проектирования и строительства автодорог ВГАСУ, оказавшим помощь в разработках.
С чувством глубокой благодарности, в знак памяти автор посвящает свою работу своим первым научным руководителям доценту Мелодиеву Евгению Анатольевичу и профессору Добровольскому Мстиславу Владимировичу (МВТУ им. Н.Э.Баумана).
Автор выражает свою благодарность дорожникам строителям Воронежавтодора, АД «Москва - Воронеж», а также инженерно -техническому персоналу ФДА России и персонально начальнику управления ФАМ «Москва - Минск» Левдикову В.И., а также профессорам Резванцеву В.И., Подольскому В.П., Канищеву А.Н., Турбину B.C., доценту Черных Е.М. ( все ВГАСУ ) за ценные консультации, помощь и содействие в работе.
Характеристика источников и состава вредных веществ, отходящих от АБЗ в атмосферу
Технологические процессы на асфальтобетонных заводах (АБЗ) характеризуются значительным объемом вредных веществ, выделяемых в атмосферу, и представляют угрозу окружающей среде. Выделения вредных веществ сопровождают все стадии приготовления асфальтобетона [27]. Загрязняющие атмосферу вещества, отходящие от АБЗ, наносят огромный ущерб народному хозяйству и здоровью людей.
Допустимое содержание вредных веществ в атмосфере населенных пунктов и воздухе рабочей зоны помещений регламентируется нормативами, указывающими предельно допустимые концентрации (ПДК) или ориентировочно безопасные уровни вредности (ОБУВ) веществ. Данные нормативы узаконены и обязательны для выполнения [5, 37].
Контроль над состоянием атмосферы проводится по результатам инвентаризации источников загрязнения атмосферы (ИЗ А), которая проводится как для организованных, так и для неорганизованных выбросов.
Источники загрязнения воздушного бассейна подразделяются на источники выделения и источники выбросов вредных веществ в атмосферу [251].
Источником выделения вредных веществ называется технологический агрегат, установка, устройство, аппарат и т.п., выделяющий в процессе эксплуатации вредные вещества.
Источником выбросов вредных веществ называется устройство (труба, аэрационный фонарь, вентиляционная шахта и т.п.), посредством которого осуществляется выброс вредных веществ в атмосферу.
Выбросы вредных веществ подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованными являются выбросы, отводимые от мест выделения системой газоотводов, что позволяет применить для их улавливания соответствующие установки. Неорганизованными являются выбросы, возникающие за счет негерметичности технологического оборудования, газоотводных устройств, резервуаров при хранении сырья и т.д.
К неорганизованным источникам выделения вредных веществ на АБЗ можно также отнести:
- места выгрузки нерудных материалов из транспортных средств;
- узлы загрузки и разгрузки материалов в сушильный барабан;
- горячие элеваторы;
- места хранения угля, песка и щебня.
Неорганизованные источники выделения вредных веществ, возникающие из-за негерметичности технологического оборудования и газоотводных устройств (сушильных барабанов, топочных устройств, грохотов, элеваторов, мешалок минерального порошка), к моменту проведения инвентаризации должны быть устранены в соответствии с нормативными документами, но практически это требование не реализуется [40].
Примерный перечень характерных источников выделения и выбросов вредных веществ приведен в табл. 1.1.
Основные вредные вещества, отходящие от АБЗ - это пыль, содержащая свободную двуокись кремния Si02, и газы, являющиеся продуктами сгорания мазута (или другого используемого топлива) и продуктами испарения битума. При неполном сгорании топлива может образоваться сажа.
Анализ инвентаризационных данных показывает, что отход пыли на АБЗ составляет от 1 до 5 % от производительности асфальтобетонной установки [105, 109].
Для предотвращения сверхнормативных выбросов в атмосферу на АБЗ необходима организация надежной работы местных отсосов от неорганизованных источников пылевыделения, очистка удаляемых газов и рассеивание выбросов.
Основной причиной пылевыделения от асфальтобетонных установок является превышение давления в их агрегатах над атмосферным. Следовательно, необходимо обеспечивать разряжение в технологических агрегатах установок.
Основными причинами отсутствия разряжения являются: повышение давления в момент загрузки материала в бункеры, негерметичность соединения узлов установок, пульсирующие режимы работы топок и сушильных барабанов, повышение гидравлического сопротивления по узлам пылеочистительного тракта, в том числе слишком высокий уровень воды в системах мокрой очистки, засорение узлов и агрегатов системы пылеулавливания.
В состав выделяемых вредных веществ, сопровождающих технологический процесс на АБЗ, входят пыль, окислы серы (SO2, SO3), окислы азота (N02, NO), окись углерода (угарный газ СО), углекислый газ (С02), фенол, формальдегид (НСНО), углеводороды (СпНм), в том числе бенз(а)пирен (С20Н12), пятиокись ванадия (V205), сажа (С), стирол (С8Н8), толуол (С7Н8). Класс опасности и ПДК выделяемых вредных веществ представлены в табл. 1.2.
Математическое моделирование процессов, разработка модели оценки точки смыкания спутных струй
При определении критериев подобия для анализа процессов в топочных системах целесообразно применение классической эйлеровской системы координат для законов сохранения количества движения, массы и тепла в трехмерном пространстве топки [71, 88, 100].
Решение системы дифференциальных уравнений в общем виде невозможно, это обусловило использование теории подобия [65, 89, 218].
Использование предложений Дамкеллера, Пеннера, Дьяконова с учетом геометрического подобия (F) приводит к учету следующих критериев, описывающих в общем виде рабочие параметры в топках [72, 90, 91, 273]:
Re - число Рейнольдса;
Fr - число Фруда;
Sc - число Шмидта;
Аг - число Архимеда;
Gr - число Грасгофа;
Ре - число Пекле;
Ка - число Кармана;
М - число Маха;
К - константа скорости химической реакции;
Qn - мера обратимости процесса;
Ко - отношение времени контакта к времени распада исходных продуктов процесса превращения; критерии пропорциональности полей температур и концентраций.
Поскольку решение системы дифференциальных уравнений в общем виде представляет сложную задачу, целесообразно использование методов приближенного моделирования.
Учет гидродинамических и тепловых явлений при наличии физико-химических превращений и высоких скоростях химических реакций позволяет для сравнительно простых случаев рассчитать распределение в потоке газа в топке основных параметров: скоростей, температуры, концентраций реагирующих веществ [98].
Для стационарных диффузионных экзотермических процессов при допущениях об отсутствии в турбулентном потоке сжигаемого топлива теплообмена теплопроводностью и излучением и одинаковых коэффициентах турбулентной диффузии при переносе теплоты и вещества решающее значение приобретают процессы материального обмена.
Установлено, что значение критерия Ре мало изменяется в пределах широкой области значений Re. Таким образом, процесс турбулентного перемешивания газа и воздуха можно считать автомодельным в отношении критериев движения и обмена.
В итоге для вынужденного движения вязкого газа в критериальное уравнение войдут числа: Re, Ка, М, К, F ( все критерии относятся к числу определяющих).
Определяемый критерий найдем из уравнения энергии в форме теплосодержания для случая, когда химическая энергия продуктов сгорания равна 0.
Ситовой и седиментационный анализ
Закон об охране атмосферного воздуха предусматривает установление нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) для организованных и неорганизованных источников. С 1 января 1980 г. действует ГОСТ 17.2.3.02-78 "Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями" [41, 199, 283].
ПДВ устанавливается для проектируемых, строящихся, реконструируемых и эксплуатируемых промышленных предприятий, при этом используется расчетный метод определения ПДВ [243, 260].
Если нет возможности провести натурные измерения, применяют также балансовый метод определения ПДВ, который основан на оценке материального баланса исходных продуктов, участвующих в технологическом процессе, итоговой продукции с отходами производства [22, 242, 245, 270, 271].
На предприятиях отрасли "Дорожное хозяйство" ПДВ устанавливается для асфальтобетонных и цементобетонных заводов, окислительных установок по приготовлению битума, заводов и мастерских по изготовлению и ремонту дорожной техники, гаражей, стоянок дорожных машин, предприятий по производству сборного железобетона, карьеров, предприятий по добыче, переработке и обогащению каменных материалов и т.п.
ПДВ определяют для каждого источника загрязнения атмосферы. Для близко расположенных одиночных источников, для которых характерны небольшие секундные величины выбросов (г/с), а также для неорганизованных выбросов (выбросы через неплотности в агрегатах смесителя, вентиляционные выбросы) устанавливают суммарный ПДВ [267, 270, 271]. ПДВ и временно согласованные выбросы (ВСВ) пересматриваются не реже 1 раза в 5 лет с учетом новейших достижений в области создания эффективных пылегазоочистительных устройств и передовой технологии.
Величины ПДВ и ВСВ в г/с, установленные на основании значений максимально разовых ПДК, являются основными нормами выбросов.
Разработка норм ПДВ (ВСВ) осуществляется в два этапа. На первом этапе эти работы выполняются головными ведомственными организациями (ГВО). В отрасли "Дорожное хозяйство" головными ведомственными организациями являются автодоры, Автомобильные дороги, РПО.
Ожидаемые максимальные выбросы (г/с) устанавливаются с учетом: осуществления мероприятий по уменьшению выбросов в атмосферу за счет основной деятельности предприятия; ввода в эксплуатацию объектов; организации текущих и капитальных ремонтов газоочистительных установок и технологического оборудования, коммуникаций, газовых трактов, дымовых труб и т.п. по графикам, обеспечивающим наименьшие разовые выбросы; непредотвратимых нарушений технологии производства в сочетании с другими факторами, неблагоприятно влияющими на выбросы; графиков работы периодически действующего оборудования, обеспечивающих наименьшие выбросы; работы части технологического оборудования с отключенными газоочистительными установками по объективным причинам (отсутствие резервных газоочистительных установок, недостаточная обеспеченность ремонтными службами и т.д.); выбросов от транспортных средств, работающих на промышленной площадке в наиболее напряженную смену; пиковых нагрузок, создающих наибольшие выбросы при загрязнении системы очистки (отключении ее) воздуха и неэффективной работе системы сжигания мазута; неблагоприятных метеоусловий; неорганизованных выбросов; увеличения выбросов за счет изменения состава сырья и цикличности технологических процессов.
Ожидаемые среднегодовые выбросы (т/год), подсчитанные с учетом длительности работы технологического оборудования в реальных режимах эксплуатации, заносятся в форму статистической отчетности «№2-ТП-воздух» [271].
