Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы охраны окружающей среды на нефтеперерабатывающих предприятиях 11
1.1. Концептуальная модель системы «источник загрязнения - атмосферный воздух - здоровье населения» 12
1.2. Анализ источников загрязнения атмосферы на предприятиях нефтепереработки 15
1.3. Технологические особенности трубчатых печей и их влияние на загрязнение атмосферы 19
1.4. Анализ охраны воздушного бассейна от вредных выбросов на Хабаровском НПЗ 26
1.5. Анализ системы промышленного контроля процессов горения и выбросов загрязняющих веществ 37
1.6. Разработка блок - схемы решения проблемы снижения загрязнения атмосферы на НПЗ и задачи дальнейших исследований . 45
1.7. Выводы 47
Глава 2. Теоретические основы образования вредных веществ при сжигании углеводородного топлива в нефтезаводских печах и научное обоснование методов по их снижению 49
2.1. Образование основных вредных веществ при сжигании топлива в печах 49
2.2. Анализ механизмов образования оксидов азота при горении топлива 58
2.2.1. Механизм образования «термического» оксида азота .58
2.2.2. Механизм образования «топливного» оксида азота 65
2.2.3. Механизм образования «быстрого» оксида азота 68
2.2.4 Особенности образования оксидов азота при сжигании нефтезаводских газов различного состава 72
2.3. Обоснование малоотходных технологий эксплуатации трубчатых печей 77
2.3.1. Общая характеристика и сущность малоотходной технологии эксплуатации печей 77
2.3.2. Обоснование метода снижения вредных выбросов при двухступенчатом сжигании топлива в трубчатых печах 79
2.4. Выводы 84
Глава 3. Исследование и разработка метода уменьшения образования вредных веществ в продуктах сгорания трубчатых печей Хабаровского НПЗ 86
3.1 Цель и задачи исследований .86
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 87
3.3. Исследование состава вредных выбросов из трубчатых печей Хабаровского НПЗ 90
3.4. Результаты экспериментальных исследований концентраций вредных веществ, образующихся при сжигании нефтезаводского газа различного состава 93
3.5. Исследование влияния режимных и конструктивных параметров трубчатых печей на выход оксидов азота 94
3.5.1. Влияние тепловой нагрузки горелочных устройств на образование NOx 94
3.5.2. Влияние интенсивности крутки воздушного потока в дутьевых горелках на образование NOx 98
3.6. Исследование способа снижения вредных выбросов при двухступенчатом сжигании топлива в печи 105
3.7. Разработка нового способа снижения вредных выбросов в трубчатых печах и рекомендаций по его использованию на Хабаровском НПЗ 107
3.8. Выводы 114
Глава 4. Экономическая эффективность использования способа снижения вредных выбросов в режиме двухступенчатого горения в технологической печи каталитического риформинга Хабаровского НПЗ 116
4.1. Характеристика методик оценки ущерба атмосферному воздуху от вредных выбросов нефтеперерабатывающих предприятий 116
4.2. Расчёт эколого-экономического эффекта от снижения загрязнения атмосферного воздуха при использовании малоотходной технологии в двухступенчатом сжигании нефтезаводских газов 121
4.3. Выводы 129
Заключение 131
Библиографический список 133
Приложения
- Концептуальная модель системы «источник загрязнения - атмосферный воздух - здоровье населения»
- Образование основных вредных веществ при сжигании топлива в печах
- Методика проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы
Одной из основных проблем охраны окружающей среды от загрязнений является защита атмосферного воздуха. Рост масштабов хозяйственной деятельности человека, бурное развитие техники и технологии способствует усилению отрицательного воздействия на природу, что привело к нарушению экологического равновесия на планете.
Стратегической целью государственной экологической политики является поддержание целостности природных систем и их жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, здоровья населения и обеспечения экологической безопасности страны. В Федеральном законе РФ «Об охране окружающей среды» отмечается, что один из принципов, на основе которого должна осуществляться хозяйственная и иная деятельность - обеспечение снижения негативного воздействия на окружающую среду в соответствии с нормативами в области охраны окружающей среды, которых можно достигнуть на основе использования наилучших существующих технологий с учетом экологических и социальных факторов [1].
Рост масштабов хозяйственной деятельности человека, бурное развитие науки и техники способствует усилению отрицательного воздействия на природу, что привело к нарушению экологического равновесия на планете. За последние десятилетия на дорогах и улицах нашей страны появились огромные массы автомобилей, потребляющие в процессе работы углеводородное топливо (в основном продукты переработки нефти). Рост спроса населения на топливо способствует росту их производства. Поэтому нефтеперерабатывающие заводы, для предотвращения возможного дефицита в топливе, увеличивают свою производственную деятельность, при этом используя, в основном, старые производственные фонды с большим износом и низким КПД. Все это способствует к увеличению загрязнения окружающей среды.
Сейчас нефтеперерабатывающая отрасль в ряду основных загрязнителей атмосферы занимает примерно четвёртое место после цветной и чёрной металлургии и других промышленных производств. При этом основная масса нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) в нашей стране расположена в городской черте или в непосредственной близости от неё. Старость производственных фондов их сильный износ, непосредственная близость заводов к жилым и административным зданиям городов оказывает негативное влияние на экологическую обстановку как в промышленной зоне, так и прилегающей территории.
По данным Госкомстата России нефтеперерабатывающие предприятия в стране ежегодно выбрасывают в атмосферу более 1600 тыс. тонн загрязняющих веществ, среди которых: углеводородов - 1190; оксидов серы - 238: оксидов азота - 32: оксида углерода - 114; тв. частиц и прочих - 30 тыс.т. [40]. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха на НПЗ являются: трубчатые нагревательные печи - 50%; реакторы технологических установок - 12%; факелы - 29% и битумные установки - 9%. Анализ показывает, что наряду с факельными установками, технологические печи и реакторы являются главными загрязнителями воздушного бассейна, что обусловлено сжиганием топлива в печах.
При этом главной задачей для проектировщиков и эксплуатационников является снижение образования вредных веществ непосредственно в источнике их возникновения, что приведёт к уменьшению выбросов загрязняющих веществ. Поэтому разработка и внедрение методов снижения вредных выбросов при сжигании топлива является одной из главных природоохранных задач на НПЗ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с государственной Программой «Человек и биосфера», предусматривающей снижение загрязнения атмосферного воздуха вредными выбросами промышленных предприятий.
Цель работы - разработка метода снижения вредных выбросов из трубчатых печей предприятий нефтепереработки на основе совершенствования сжигания различных газообразных видов топлива.
Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:
Проанализировать источники загрязнения воздушного бассейна на НПЗ.
Провести анализ условий образования вредных веществ в трубчатых печах при сжигании топлива.
Исследовать влияние различных по составу нефтезаводских газов на образование оксидов азота.
Исследовать влияние конструктивных и режимных параметров горе-лочных устройств, включая интенсивность крутки воздуха в них на образование оксидов азота.
Разработать и исследовать способ снижения вредных выбросов при двухступенчатом сжигании нефтезаводского газа в трубчатой печи с ярусной компоновкой горелочных устройств.
Рассчитать эколого-экономическую эффективность от внедрения способа снижения вредных выбросов в режиме двухступенчатого горения в технологической печи каталитического риформинга.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы по проблеме исследования, экспериментально-производственные исследования и математическую обработку результатов.
Достоверность научных результатов исследований подтверждается:
согласованием полученных результатов экспериментальных исследований с данными других работ в области снижения образования вредных выбросов при сжигании топлива в трубчатых печах;
положительными результатами испытания предложенного автором способа снижения вредных выбросов из трубчатой печи нефтепереработки с использованием современных действующих методик и приборов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Особенности образования оксидов азота при сжигании различных по
составу нефтезаводских газов в горелочных устройствах типа ГП, позволяю
щие выявить повышенные концентрации NOx в пламени высококалорийных
газов.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния интенсивности
крутки воздушного потока в дутьевых горелочных устройствах на выход ок
сидов азота, позволяющие установить оптимальные значения крутки воздуха,
при которых обеспечиваются минимальные их выбросы.
3. Способ снижения выбросов вредных веществ в атмосферу при двух
ступенчатом сжигании топлива в трубчатой печи каталитического риформин-
га, позволяющий сократить образование оксидов азота и других сопутствую
щих вредных веществ.
Научная новизна:
1. Установлено влияние различных по составу сжигаемых нефтезаводских
газов на уровень выхода оксидов азота.
Определены оптимальные значения интенсивности крутки воздушного потока в дутьевых горелках, обеспечивающие минимальные выбросы токсичных оксидов азота.
Разработан новый способ снижения вредных выбросов в атмосферу при двухступенчатом сжигании нефтезаводских газов, позволяющий умень-
шить концентрацию оксидов азота и сопутствующих вредных веществ в дымовых газах.
Практическая ценность работы:
Разработаны рекомендации по переводу трубчатых печей с жидкого топлива на нефтезаводские газы с целью снижения вредных выбросов в атмосферный воздух.
Для повышения экологической эффективности работы дутьевых горелок даны рекомендации по их эксплуатации с оптимальным диапазоном интенсивности крутки воздуха п = 0,6 - 0,8.
Разработан и испытан способ снижения вредных выбросов в атмосферу в режиме двухступенчатого горения нефтезаводских газов в трубчатой печи каталитического риформинга.
Реализация и внедрение результатов работы:
Основные материалы диссертации нашли практическое применение в отделе охраны природы Хабаровского НПЗ при планировании воздухоохран-ных мероприятий.
Разработанный и защищенный патентом новый способ сжигания топлива используется в проектных решениях тепломеханического отдела ООО «Лен-гипронефтехим» и применяется на предприятиях нефтепереработки Дальневосточного региона.
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ДВГУПС.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: IV Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (ПГСХА, г. Пенза, 2004); IV Международной научной конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (ДВГУПС г. Хабаровск, 2005); II Региональной конференции «Проблемы экологии, безопасности жизнедея-
тельности и регионального природопользования ДВ и АТР» (ДВГТУ, г. Владивосток, 2005); IV Региональной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности (КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, 2005); III Всероссийской научно-практической конференции «Экология человека: концепция факторов риска, экологическая безопасность и управление рисками» (ПГСХА, г. Пенза, 2006); 44 Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (ДВГУПС, г. Хабаровск, 2006); IV Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (ПГСХА, г. Пенза, 2006); Региональной научно-практической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (ДВГУПС, г. Хабаровск, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии» (ТулГУ, г. Тула, 2006), V Международной научной конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (ДВГУПС, г. Хабаровск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных трудов, в том числе: 1 монография, 16 статей и получен 1 патент на изобретение.
Структура работы и объём диссертации:
Диссертационная работа изложена на 146 страницах печатного текста, содержащего 19 таблиц, 16 рисунков и состоит из введения, четырёх глав, заключения, 3 приложений, списка использованной литературы из 129 наименований.
Концептуальная модель системы «источник загрязнения - атмосферный воздух - здоровье населения»
От правильного и своевременного решения проблемы комплексного подхода к экологической оценке загрязнения воздушного бассейна в районах расположения нефтеперерабатывающих заводов зависит благосостояние и здоровье людей. Именно поэтому вопросам, связанным с защитой окружающей природной среды, придается приоритетное значение в новом Законе РФ «Об охране окружающей среды», введенном в действие с 2002 года [1].
Для получения представления об объекте и предмете исследования как о системе необходимо сформулировать концептуальную модель, создаваемую как на основе авторских исследований, так и на результатах анализа литературных данных. Очевидно, что подобная модель должна включать основные взаимодействующие элементы изучаемого процесса. Видимо, структурные особенности и взаимосвязи отдельных элементов системы будут уточняться в процессе исследования. В то же время отмечается, что системообразующим фактором при проведении экологических исследований будут служить отклонения в состоянии здоровья людей, подвергающихся воздействию исследуемого фактора.
Анализ изучения проблемы защиты атмосферы от загрязнения в районах расположения НПЗ по литературным данным за последние годы позволяет составить концептуальную модель системы «источник загрязнения - атмосферный воздух - здоровье людей» в целях научного обоснования методов решения вопросов обеспечения жизнедеятельности и здоровья населения в районах любых промышленных предприятий, в том числе топливно-энергетического профиля [68].
Модель представлена в виде триады структурных элементов: (А) - основные взаимодействующие элементы (подсистемы): (Aj) - источник загрязнения; (А2) - воздушный бассейн (атмосфера) и (А3) - здоровье людей; (Б) - элементы (подсистемы), характеризующие совокупность факторов, определяющих условия загрязнения атмосферного воздуха (Бі) и условия его воздействия на здоровье человека (Бг); В - элементы, управляющие характером и условиями воздействия вредных выбросов на состояние атмосферного воздуха и здоровье населения [68].
Краткая характеристика названных выше подсистем (элементов)
Подсистема «источник загрязнения» (Аі) может быть представлена как совокупность объектов, загрязняющих атмосферу различными видами выбросов (химическими, физическими, тепловыми и др.).
Подсистему «условия формирования загрязнения» (Бі) можно рассматривать как совокупность метеорологических, физико-химических и планировочных факторов, характеризующих особенности распространения и поведения вредных примесей в воздухе.
Подсистема «атмосферный воздух» (А2) может рассматриваться как совокупность элементов, отражающих состав примесей в атмосфере, ее физические свойства и т.д.
Подсистема «условия воздействия загрязнения на здоровье человека» (Б2) должна представлять собой совокупность элементов, отражающих опосредованное воздействие на человека. К таким элементам можно отнести показатели ухудшения условий жизнедеятельности населения, т.е. воздействия загрязнения на санитарно-бытовые условия и хозяйственную деятельность человека. Эти воздействия являются для человека стрессовыми факторами, поэтому их последствия рассматриваются нами как опосредованное, а не прямое действие загрязнения на организм человека.
В качестве подсистемы «здоровье людей» (Аз) следует рассматривать совокупность элементов, выражающих возможные отклонения различных показателей состояния организма выборочной группы или всего населения, подвергающегося воздействию загрязнения атмосферного воздуха.
Образование основных вредных веществ при сжигании топлива в печах
Количество, состав и свойства продуктов сгорания определяются видом применяемого топлива и воздуха, конструктивными параметрами печей и тарелочных устройств, а также методами сжигания топлива. При сжигании углеводородных топлив нефтяного происхождения дымовые газы на 99 -99,98% состоят из нетоксичных продуктов полного сгорания (НгО, СОг) и избыточного воздуха. Остальные 0,02 - 1% объёма образовавшихся при сжигании топлива газов составляют продукты неполного сгорания и окисления, а также оксиды азота [108]. Большая часть этих веществ обладает токсическими свойствами, а также неприятным запахом, способностью разъедать слизистые оболочки носа и глаз, канцерогенным воздействием и способностью оказывать разрушающее воздействие на металлические конструкции различного оборудования и механизмов.
Источниками преобладающей части химического загрязнения атмосферы являются термохимические процессы в нефтепереработке и, прежде всего, сжигание топлива. На нефтеперерабатывающих предприятиях в качестве топлива используют в основном продукты переработки нефти - мазут, газойль и нефтезаводские газы. При их сжигании в атмосферу поступают следующие вредные вещества: оксиды серы (SO2 и БОз), оксиды азота (N0 и NO2), оксид углерода (СО), углеводороды и твёрдые частицы.
Выбросы вредных веществ из трубчатых печей в значительной мере определяются организацией метода сжигания топлива, конструкцией и компоновкой горелочных устройств на печных агрегатах, их тепловой мощностью, а также видом сжигаемого топлива. По результатам обследования сжигания топлива на Хабаровском НПЗ установлено, что удельные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ составили (кг/т нефти): 0,11 - диоксида серы; 0,06 - оксида углерода; 0,003 - оксидов азота. В табл. 2.1 приведены наиболее характерные выбросы загрязняющих веществ и их доля в суммарном выбросе [36].
Основными источниками выбросов оксидов азота, оксида углерода и диоксида серы являются [36]:
- дымовые трубы технологических печей (выбрасывают 80 - 85% СО от общего количества выбросов, 70 - 80% - S02, 85 - 90% - NOx);
-факельныеустановки (СО-12-15%, S02 -15-20%,NOX -10%).
Экологические исследования процессов сжигания топлива в промышленных печах тесно связаны с теорией горения. К настоящему времени изучены и установлены следующие основные физико-химические закономерности при горении топлива [110,125]:
- в процессе горения между топливом и окислителем (кислород, водяные пары и др.) протекают окислительно-восстановительные химические реакции;
- атомарный кислород образует с топливом промежуточные соединения;
- состав первичных продуктов сгорания топлива зависит от структуры и химического строения промежуточных соединений;
- назначению любого топочно-горелочного устройства должно отвечать завершение всех экзотермических реакций с образованием высших оксидов (СОг, Н20 и др.) и полное отсутствие продуктов неполного сгорания в виде углерода, оксида углерода и горючих газов. К минимуму должны быть сведены экзотермические реакции, приводящие к образованию СО;
- в теории пиролиза топлива следует учитывать одновременное протекание процессов разложения вещества и синтеза новых продуктов. Развивая теорию пиролиза метана и применяя механизм цепных реакций, в работе [77] теоретически исследовано образование технического углерода, бенз(а)пирена и др.
Названные закономерности имеют немаловажное значение для раскрытия механизмов образования вредных веществ при сжигании топлива и разработки рекомендаций по применению тех или иных методов эксплуатации топоч-но-горелочных устройств с минимальным выбросом токсичных продуктов сгорания. В общем случае фактические концентрации различных загрязняющих веществ в продуктах сгорания отличаются от величин, рассчитанных в предположении химического равновесия, что подчёркивает вклад химической кинетики в процессы образования вредных веществ.
Анализ физико-химических аспектов образования загрязняющих веществ является предварительным этапом выбора и разработки эффективных методов их подавления в процессах горения, так как позволяет выявить основные факторы, влияющих на их эмиссию.
Уровень выделения вредных веществ при сжигании топлива в горелочном устройстве зависит от взаимодействия между физическими и химическими процессами, происходящими в этом устройстве. Для некоторых загрязняющих веществ (оксида углерода, углеводородов, сажистых частиц) реакции образования и разложения являются начальной стадией процесса горения. Следовательно, понимание химических аспектов образования этих веществ, требует знания механизма горения. Для других веществ (оксидов азота и серы) реакции образования и разложения не являются этапом процессов горения. В то же время реакции, включающие эти компоненты, протекают в условиях, создаваемых процессами горения, и поэтому химизм их образования непосредственно связан с процессами горения.
Одним из наиболее крупных и трудно поддающихся очистке загрязнителей атмосферы воздуха, вырабатываемых главным образом при сжигании нефтепродуктов, являются оксиды серы (сернистый - SO2 и серный - SO3 ангидриды). Оксиды серы, а также образующиеся при их соединении с водяными парами кислоты (H2SO3 и H2S04) оказывают вредное действие на здоровье людей, вызывают гибель деревьев, посевов, разрушения стальных конструкций и строительных материалов, снижение прозрачности атмосферы. Длительное вдыхание повышенных концентраций оксидов азота оказывает общетоксическое действие на организм человека, вызывает нарушение деятельности нервной системы.
Методика проведения экспериментальных исследований
Анализ литературы по применению двухступенчатого сжигания топлив в различных котлах и печах позволяет сделать вывод, что эффективность его зависит также от конструктивных особенностей горелочных и топочных устройств, площади и относительного расположения экранных поверхностей нагрева. Механический перенос опыта двухступенчатого сжигания топлива с одного агрегата на другой может не дать ожидаемого результата. В связи с этим необходимо для каждого типа котельных и печных агрегатов предварительно определить наиболее рациональный вариант двухступенчатого сжигания путём проведения соответствующих экспериментальных исследований.
Существуют несколько вариантов двухступенчатого сжигания топлива:
1) часть воздуха подаётся в горелки вместе с топливом, а остальная часть поступает в зону дожигания (встречное дутьё);
2) горелки в нижней зоне топки работают с недостатком воздуха, горелки верхней зоны - с избытком воздуха;
3) часть горелок работает с аг 1,0, другая - отключена по топливу и подает только воздух для дожигания горючих компонентов.
Двухступенчатое сжигание легче применить при многоярусном размещении горелок на стенах топки печей и котлов. В этом случае горелки нижних рядов работают с недостатком окислителя, а верхние с его избытком или через них подаётся только воздух. Может применяться также чередование в шахматном порядке верхних горелок, при котором одни горелки выдают обогащенную горючим смесь, а другие - чистый воздух. Снижение образования оксидов азота при таком сжигании достигается за счёт растянутости процесса смешения и горения, снижения температуры факела, уменьшения концентрации кислорода в зонах максимальных температур. Таким образом, ступенчатый подвод воздуха можно осуществлять как в вертикальной плоскости топочной камеры, так и в её горизонтальном сечении в зависимости от числа и компоновки горелок и типа агрегата.
Впервые исследование влияния двухступенчатого сжигания газа в котлах на образование N0 было выполнено американскими компаниями "Эдисон" и "Бабкок - Вилькокс". Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации котельных и печных агрегатов показал все возможности уменьшения почти в 2 раза концентрации N0 при двухступенчатом сжигании газа и мазута по сравнению с обычным сжиганием [105,110].
Для обоснования возможности применения двухступенчатого сжигания нефтезаводских газов в трубчатых печах с многоярусной компоновкой горелок нами были проведены теоретические исследования распределения локальных температур, концентраций компонентов N2 и 02 по длине факела в зависимости от коэффициента избытка воздуха, подаваемого через горелку. При этом одна из горелок нижнего яруса настраивалась на коэффициент избытка воздуха аг = 0,9, а горелка верхнего яруса - на аг = 1,4. Для подтверждения качественного влияния двухступенчатого сжигания газа на уровень образования N0 (при условии, что их основное количество образуется по термическому механизму акад. Я.Б. Зельдовича) произведён расчёт равновесных концентраций [NO] по длине факела. Температурный профиль факела определялся опытным путём, а искомое значение равновесной концентрации оксида азота вычислялось по известной зависимости [32].
