Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ условий загрязнения воздушного бассейна котельными городского хозяйства 15
1.1. Характеристика котельных как объектов городского хозяйства
1.2. Анализ экологических особенностей сжигания различных видов топлива котельными городского хозяйства 19
1.3. Анализ распространения загрязняющих веществ, содержащихся в отходящих газах котельных в воздушном бассейне городских территорий 26
1.4. Разработка физической модели процесса загрязнения воздушной среды для котельных городского хозяйства 31
1.5. Анализ существующих технологий очистки токсичных компонентов отходящих газов котельных городского хозяйства 45
1.6. Анализ существующих методических подходов к оценке и выбору оптимальной технологии очистки токсичных компонентов отходящих газов котельных городского хозяйства 48
Выводы. Цели и задачи исследования 54
2. Формирование системы борьбы с загрязняющими веществами для котельных городского хозяйства 57
2.1. Разработка физической модели процесса снижения загрязнения воздушной среды для котельных 57
2.2. Роль и место системы борьбы с загрязняющими веществами для котельных в системе обеспечения нормативных параметров воздушной среды 62
2.3. Совершенствование методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных 65
2.4. Совершенствование математического описания процесса очистки отходящих газов котельных 69
2.4.1 Совершенствование математического описания эффективности процесса очистки отходящих газов орошением 70
2.4.2. Совершенствование математического описания энергоемкостного показателя процесса очистки отходящих газов орошением 81
2.5. Реализация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных городского хозяйства 85
2.5.1. Формирование блока исходных данных для реализации методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств
очистки отходящих газов котельных 85
2.5.2. Разработка и описание алгоритма реализации методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных 87
2.6. Совершенствование очистки отходящих газов гидроорошением 88
Выводы 90
3. Экспериментальные исследования процесса очистки воздуха для котлоагрегата котельных 92
3.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения экспериментов 92
3.2. Предварительный этап экспериментальных исследований 94
3.3. Основной этап экспериментальных исследований 95
3.4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 97
Выводы 98
4. Практическая апробация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных городского хозяйства 100
4.1. Реализация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов для условий эксплуатации производственно-отопительной котельной ООО «Азовский завод упаковки» г. Азова Ростовской области 101
4.2. Реализация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов для условий эксплуатации отопительной котельной ООО «Дельта» г. Ростова-на-Дону 111
4.3 Использование результатов исследований в учебном процессе 122
Заключение 124
Список литературы
- Анализ экологических особенностей сжигания различных видов топлива котельными городского хозяйства
- Совершенствование методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных
- Основной этап экспериментальных исследований
- Реализация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов для условий эксплуатации отопительной котельной ООО «Дельта» г. Ростова-на-Дону
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных условиях развития
городов остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна. Наиболее
значимыми по вкладу в загрязнение воздушного бассейна городов объектами
являются предприятия жилищно-коммунальной сферы, в первую очередь,
котельные городского хозяйства, которые размещены на территории городов и не
могут быть вынесены за ее пределы. Снижения концентрации загрязняющих
веществ (ЗВ), содержащихся в отходящих газах котельных, можно достичь на
основе реализации комплекса мероприятий, в рамках которого значимое место
занимают специальные инженерно-экологические мероприятия – очистка
отходящих газов и их рассеивание (в случае необходимости). При этом выбор методов, способов и технических средств очистки отходящих газов в настоящее время определяется простотой технической реализации на основе, как правило, экономического сравнения альтернативных вариантов.
В условиях современного производства необходимо контролировать
обеспечение максимальной экологической эффективности при экономичной организации процессов. При этом оценка экологичности и экономичности процесса очистки может быть проведена на основе изучения и определения энергетических параметров и устойчивости загрязняющего аэрозоля при его разрушении как дисперсной системы в процессе очистки отходящих газов.
Таким образом, актуальность исследований, направленных на обоснование и разработку технических решений по снижению загрязнения воздушного бассейна городов от выбросов котельных до нормативных значений (ПДКс.с.) обусловили выбор темы диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Инженерная защита
окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный
университет» в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских
работ по теме: «Разработка методологических основ создания безопасных и
экологически чистых систем защиты населенных мест от антропогенных факторов»,
№ гос. регистрации 01.99.0006443; с Программой Стратегического развития
университета на 2012-2016 гг. по теме научно-образовательного проекта 2.5.6
«Решение комплексных проблем по разработке методологии выбора комплекса
высокоэффективных и экономичных градостроительных, технологических и
специальных инженерных мероприятий по обеспечению экологической
безопасности территорий городских застроек», а также с заданием №2014/172 на
выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой
части государственного задания Минобрнауки России по проекту №1827 «Научное
обоснование концепции и разработка методологии оценки, расчета и
проектирования экологически эффективных и энергетически экономичных способов и средств снижения загрязнения выбросов предприятий строительной индустрии и
объектов городского хозяйства для обеспечения экологической безопасности территорий населенных мест».
Степень разработанности темы. Вопросами исследования и оценки негативного воздействия котельных на компоненты окружающей среды, изучением задач, связанных с очисткой и рассеиванием ЗВ, совершенствованием техники и технологии очистки и рассеивания отходящих газов занимались и занимаются многие ученые - Белик С.Е., Беспалов В.И., Богуславский Е.И., Вальдберг А.Ю., Внуков А.К., Глузберг В.Е., Гращенков Н.Ф., Дьяков В.В., Журавлев В.К., Журавлев В.П., Забурдяев Г.С., Ионкин И.Л., Ищук И.Г., Кирин Б.Ф., Клебанов Ф.С., Котлер В.Р., Кудряшов В.В., Ливчак И.Ф., Логачев И.Н., Луговской СИ., Лукьянов А.Б., Менковский М.А., Минко В.А., Мишнер Й, Мягков Б.И., Никитин В.С., Перцев Н.В., Пирумов А.И., Поздняков Г.А., Рекун В.В., Росляков П.В., Саранчук В.И., Сигал И.Я., Сидоренко В.Ф., Соколова Г.Н., Страхова Н.А., Тугов А.Н., Ужов В.Н., Цыцура А.А., Шварцман Л.А., Шмиголь И.Н., Штокман Е.А., Javris J., Khan S., Rigby A., Soud N. и другие.
Однако, энергетические параметры и устойчивость загрязняющего аэрозоля, характеризующие условия его зарождения, развития и разрушения, остаются мало изученными, что обусловило выбор направления исследования. Кроме того, важной задачей является правильный выбор конструктивных особенностей и рабочих характеристик каждого функционального элемента систем борьбы с ЗВ еще на стадии его проектирования.
Цель работы - повышение степени экологической безопасности городских территорий на основе применения высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных, выбор которых базируется на положениях теории устойчивости дисперсных систем, позволяющих при учете параметров свойств и энергетических параметров управлять поведением загрязняющих аэрозолей с целью уменьшения устойчивости и, в конечном счете, их разрушения.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
построена физическая модель процесса загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных, которая раскрывает взаимосвязь между основными физическими объектами, участвующими в этом процессе, и позволяет определить направления изменения устойчивости ЗВ как основного объекта на каждом этапе загрязнения;
выполнен анализ основных методик выбора очистного оборудования с целью выявления наиболее приемлемой для дальнейшего совершенствования и возможности применения для условий эксплуатации котельных;
построена физическая модель процесса снижения загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных, выявляющая взаимосвязь между основными физическими объектами, участвующими в этом процессе, и
позволяющая предложить структуру специальной инженерно-экологической системы, в которой на ЗВ последовательно и целенаправленно оказывают внешние воздействия с целью снижения загрязнения воздушной среды за счет снижения их устойчивости;
определены роль и место способов и средств очистки отходящих газов котельных в классификационной схеме систем обеспечения нормативных параметров воздушной среды;
усовершенствовано математическое описание результирующих параметров (экологической эффективности и энергоемкостного показателя) процесса очистки отходящих газов от загрязняющих веществ для условий эксплуатации котельных;
усовершенствована методика выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов и расчета их оптимальных рабочих параметров для условий эксплуатации котельных;
проведены экспериментальные исследования процесса очистки для котельных и сопоставлены результаты теоретических и экспериментальных исследований;
выполнена практическая апробация методики выбора высокоэффективных и экономичных систем борьбы с загрязняющими веществами для условий эксплуатации котельных.
Научная новизна работы:
получена новая параметрическая зависимость эффективности перехода молекулы газа в область на границе раздела фаз «газ-жидкость» за счет абсорбционных сил Епмбс при расчете эффективности процесса очистки отходящих газов котельных путем учета в формуле коэффициента абсорбции для газов и воды и коэффициента ускорения абсорбции в жидкой фазе в случае протекания в ней химической реакции;
в результате исследования энергетических параметров процесса очистки отходящих газов котельных получены новые параметрические зависимости энергии абсорбционного взаимодействия молекул газа и жидкости Wa6c. и энергии химического взаимодействия WXUM. при расчете энергии, расходуемой на взаимодействие газового потока с диспергированной жидкостью энергоемкостного показателя за счет введения в формулы соответственно коэффициента абсорбции и коэффициента ускорения абсорбции в жидкой фазе в случае протекания в ней химической реакции;
усовершенствована методика выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных путем формирования блока исходных данных для выбора способов и расчета функциональных элементов системы очистки и создания алгоритма реализации предлагаемой методики.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- предложена методика, позволяющая осуществлять выбор высокоэффективных
и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных, а также
расчет оптимальных рабочих параметров процесса очистки для котлоагрегатов котельных;
полученные параметрические зависимости эффективности и энергоемкостного показателя позволяют определять пути совершенствования процесса очистки отходящих газов котельных с целью максимально экономичного обеспечения нормативного загрязнения городских территорий на основе анализа и управления функционально независимыми параметрами процесса, изменение которых влечет за собой одновременное повышение значений эффективности и энергоемкостного показателя;
результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» при проведении практических занятий со студентами направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» профиля «Инженерная защита окружающей среды» по курсам «Системы жизнеобеспечения населенных мест», «Теоретические основы защиты окружающей среды», «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Управление охраной окружающей среды».
Методология и методы исследования базируются на основных положениях теории дисперсных систем, системного анализа и теории моделирования систем, аналитическом обобщении известных научных и практических результатов, методах теории вероятности и математической статистики, экспертных оценках, и других методах.
Положения, выносимые на защиту:
введенные при расчете параметрических зависимостей экологической эффективности и энергоемкостного показателя процесса очистки отходящих газов котельных коэффициент абсорбции для газов и воды, учитывающий степень растворения газов в жидкости, и коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе в случае протекания в ней химической реакции, учитывающий химическое взаимодействие газообразных ЗВ с каплями орошающей жидкости, более полно отражают особенности взаимодействия газообразных загрязняющих веществ с орошающей жидкостью, позволяют оптимизировать рабочие параметры и прогнозировать степень экологической безопасности различных вариантов системы очистки отходящих газов котельных;
параметрический анализ экологической эффективности и энергоемкостного показателя процесса очистки отходящих газов котельных позволяет определить пути дальнейшего совершенствования технологий ее реализации на основе анализа и управления функционально независимыми параметрами процесса;
методика выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных позволяет сформировать систему очистки с максимальными значениями экологической эффективности и энергетической экономичности для обеспечения экологической безопасности городских территорий.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и обоснована использованием в исследованиях основополагающих законов фундаментальных наук: коллоидной и физической химии, физики, статистики, математики. Достоверность результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью теоретических обоснований и практических результатов лабораторных экспериментов с учетом погрешностей полученных данных.
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на Международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 2009-2013г.г.); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной Году охраны окружающей среды и 65-летию Уфимского государственного нефтяного технического университета «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность» (г. Стерлитамак, 2013г.); Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в образовании и науке» (г. Тамбов, 2013г.); Международной научно-практической конференции «Теоретико-методологические и прикладные аспекты науки» (г. Уфа, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований2014» (г. Одесса, 2014г.); Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития технических наук» (г. Уфа, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований2015» (г. Одесса, 2015г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании2015» (г. Одесса, 2015г.).
Основная идея работы заключается в применении теории дисперсных систем к описанию свойств и поведения загрязняющих веществ, содержащихся в отходящих газах котельных, в выборе рациональных средств очистки на основе математического описания и последующей оптимизации эффективности и энергетической экономичности процесса снижения загрязнения воздушного бассейна городских территорий.
Вклад автора в проведенное исследование состоит в:
непосредственном участии на всех этапах исследования процессов загрязнения и снижения загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных;
разработке физических моделей процессов загрязнения и снижения загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных;
получении новых параметрических зависимостей при расчете эффективности и энергоемкостного показателя процесса очистки отходящих газов котельных;
совершенствовании методики выбора высокоэффективных и экономичных
способов и средств очистки отходящих газов, расчета их оптимальных рабочих параметров для условий эксплуатации котельных и создании алгоритма ее реализации;
проведении экспериментальных исследований процесса очистки для котельных и сопоставлении результатов теоретических и экспериментальных исследований;
личном участии в апробации результатов исследования;
- подготовке основных публикаций по выполненной работе.
Реализация результатов работы:
разработаны и внедрены системы очистки отходящих газов от газообразных загрязняющих веществ для производственно-отопительной котельной ООО «Азовский завод упаковки» г. Азова Ростовской области, отопительных котельных ООО «Дельта» и ООО «Строй-инжиниринг» г. Ростова-на-Дону;
результаты исследований использованы при проведении учебных занятий в ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (чтение лекций, проведение практических занятий со студентами направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» профиля «Инженерная защита окружающей среды» по курсам «Системы жизнеобеспечения населенных мест», «Теоретические основы защиты окружающей среды», «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Управление охраной окружающей среды»);
результаты исследований приняты к рассмотрению и могут быть применены в практической деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-Ростовэнерго» г. Ростова-на-Дону.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 37 работах, в том числе в 6 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК России, 2 статьях, индексируемых в «Scopus», 1 патенте на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 173 страницы, в том числе: 125 страниц - основной текст, содержащий 10 таблиц на 7 страницах, 12 рисунков на 9 страницах; список литературы из 134 наименований на 16 страницах; 15 приложений на 32 страницах.
Анализ экологических особенностей сжигания различных видов топлива котельными городского хозяйства
Загрязнение воздушного бассейна городских территорий выбросами оксидов серы от котельных происходит из-за присутствия серы в органическом топливе [50, 101, 109]. Топливо содержит серу в виде неорганических сульфидов или органических соединений. Среди оксидов серы, образующихся в процессе сжигания, преобладает диоксид серы (SO2). Диоксид серы (сернистый ангидрид) – бесцветный, со специфическим неприятным запахом газ, поражающий преимущественно органы дыхания. При вдыхании воздуха, загрязненного диоксидом серы, поражается пищевой канал, нарушаются окислительно-восстановительные процессы, угнетается ферментативная активность, снижается иммунобиологическая реактивность организма и наблюдаются нарушения со стороны высшей нервной деятельности. Диоксид серы негативно влияет на зеленые насаждения, особенно чувствительны к нему хвойные и фруктовые деревья. Этот газ может также вызывать коррозию металлических покрытий (крыш, памятников) [120, 122, 124].
При сжигании твердого и жидкого видов органического топлива 1-3% серы также окисляется до триоксида серы (SO3) при наличии в топливе переходных металлов, катализирующих реакцию. Триоксид серы адсорбируется соединениями, входящими в состав твердых частиц, и, в случае жидкого топлива, участвует в формировании кислой сажи.
Принято считать [50, 91], что природный газ не содержит серы. Из оксидов азота, образующихся при сжигании органических видов топлива на котельных, основными являются монооксид азота NO и диоксид азота NO2 (их смесь – NOx – составляет более 90% всех выбросов оксидов азота) [50, 99, 101, 109]. Оксиды азота образуются в результате реакции между кислородом и азотом воздуха («термические » NOx), формируются из азота, содержащегося в топливе («топливные» NOx) или в результате преобразования молекулярного азота во фронте пламени в присутствии промежуточных углеводородных соединений («быстрые» NOx).
Оксиды азота в ряду загрязнителей атмосферного воздуха занимают особое место. При попадании в атмосферу оксид азота NO в результате фотохимических реакций переходит в диоксид азота NO2.
Оксид азота – бесцветный газ. При вдыхании человек может его не почувствовать, так как не происходит раздражение дыхательных путей, однако попадая в кровь, он связывается с гемоглобином, вызывая кислородное голодание тканей и органов [32, 120, 122, 124].
Диоксид азота – бурый газ с характерным неприятным острым запахом. Он сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Попадая в организм человека, диоксид азота взаимодействует с влагой с образованием азотной и азотистой кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких. Даже небольшие концентрации диоксида азота вызывают кашель, нарушение дыхания, увеличивают число детей с учащенным дыханием и больных бронхитом [32, 120, 122, 124].
Под воздействием солнечной радиации оксид и диоксид азота участвуют в фотохимических процессах, происходящих в тропосфере и стратосфере. На растения оксиды азота могут воздействовать непосредственно, вызывая пожелтение или побурение листьев и игл в результате окисления хлорофилла, через кислотные осадки и косвенно, участвуя в фотохимических реакциях образования таких сильных окислителей, как озон и пероксиацетилнитрат (ПАН). Озон и ПАН, в свою очередь, также влияют на процесс фотосинтеза растений, их рост и развитие. Негативное воздействие оксидов азота в атмосфере усиливается в присутствии диоксида серы, так как эти вещества обладают синергизмом [99, 120, 122, 124].
Наличие оксида углерода СО в выбросах от работы котельных незначительно. Образование СО при сжигании твердого топлива происходит при выгорании летучих веществ и при горении кокса. Оксид углерода не имеет цвета и запаха, не раздражает слизистую оболочку, что усиливает опасность отравления им. Обладая повышенным сродством к гемоглобину крови, оксид углерода связывает его, образуя карбоксигемоглобин, вследствие чего в тканях развивается кислородное голодание. Особенно чувствительны к кислородному голоданию клетки нервной системы. Оксид углерода легче воздуха, поэтому значительная часть его уносится в верхние слои воздуха и приземный слой атмосферы загрязняется сравнительно мало.
Сжигание органического топлива приводит к появлению диоксида углерода – газа без цвета и запаха, который является одним из основных парниковых газов и способствует развитию парникового эффекта. Диоксид углерода является основным продуктом реакции горения всех видов органического топлива. Количество выбрасываемого диоксида углерода связано с содержанием углерода в исходном органическом топливе, причем при сжигании газообразного топлива в воздушный бассейн выделяется значительно меньшие СО2, чем при сжигании твердого и жидкого топлива [32, 120, 122, 124].
Другими парниковыми газами, образующимися при работе котельных, являются метан (СН4) и закись азота (N2O). Парниковая активность этих газов гораздо выше, чем у диоксида углерода, однако, содержание в отходящих газах незначительно.
Твердые частицы, выбрасываемые через дымовую трубу котельной, состоят из золовых частиц, несгоревшего топлива и сажи, причем основную долю составляют золовые частицы.
Летучая зола на 55-77% состоит из твердых частиц размером до 5 мкм, причем ее количество зависит от зольности исходного органического топлива. Зола включает в себя 42-49% оксида кремния (IV), 23-37% алюмосиликата, 9,8-16% соединений железа, кальция, магния. В летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных примесей. Частицы золы способны глубоко проникать в легкие и являться причиной возникновения силикоза. Зола, обладая удовлетворительными аутогезионными свойствами, в большинстве случаев образует агрегаты. Наличие золовых частиц приводит к повреждению поверхностей нагрева котла, так как зола обладает абразивными свойствами. Оседая на площади поверхности нагрева котла, зола снижает теплопередачу от газов к стенке котла, уменьшая тем самым КПД котла [32, 120, 122, 124].
Коксовые и сажевые частицы – это продукты недожога, в состав которых входит 98% углерода, остальное составляет водород, входящий в состав сажи или сопутствующих ей сложных углеводородов. Хотя частицы сажи составляют менее 10% общей массы загрязнителей атмосферы от котельной, ущерб от данного вида загрязнителей существенен. Сажистые частицы могут вызвать поражение легких. Сажа сама по себе не обладает токсичностью, но из-за наличия в ней смолистых веществ (бенз(а)пирена) приобретает свойства канцерогена, длительное воздействие которого может способствовать развитию рака легких [32, 120, 122, 124].
Присутствие сажи в воздушном бассейне городских территорий способствуют ускорению химических и фотохимических реакций, снижает прозрачность воздуха, увеличивает количество осадков, туманов, влияет на почву и растительность.
Совершенствование методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов котельных
В соответствии с общепринятыми представлениями [19] система обеспечения нормативных параметров воздушной среды (СОНПВС) представляет собой упорядоченный комплекс специального оборудования, предназначенного для снижения содержания ЗВ в воздушной среде. Принцип построения классификационной схемы СОНПВС базируется на основных положениях теории дисперсных систем с учетом ФМП снижения загрязнения воздушной среды и трансформации дисперсных систем в этом процессе.
Назначение СОНПВС заключается в организации процесса снижения загрязнения воздушной среды на каждом этапе процесса ее загрязнения в конкретных функциональных элементах. В основе формирования СОНПВС заложен принцип достижения максимальных значений экологической эффективности и энергетической экономичности реализации процесса снижения загрязнения воздушной среды каждым элементом [19]. Основное назначение каждого элемента заключается в создании соответствующей «дополнительной» дисперсной системы, подготовке е свойств к организации активного воздействия на ЗВ с целью уменьшения их устойчивости.
Первый уровень СОНПВС связан с инженерно-экологическими системами (ИЭС), отвечающими за поддержание параметров воздушной среды в пределах нормативных: система борьбы с загрязняющими веществами (СБЗВ), система обеспечения нормативных параметров микроклимата (СОНПМ) и система вспомогательной защиты (СВЗ).
Второй уровень схемы соответствует системам, обеспечивающим норматив 63 ное состояние воздушной среды по каждому е параметру. Этому уровню соответствуют системы борьбы с промышленной пылью (СБПП), газообразными веществами (СБГВ) и жидкостными аэрозолями (СБЖА).
Физическая сущность направленных на загрязняющий аэрозоль внешних воздействий на соответствующем этапе реализации процесса снижения загрязнения воздушной среды обуславливает выбор метода реализации каждого функционального элемента СОНПВС, т.е. третий уровень схемы характеризует функциональные элементы технологических процессов в соответствующих системах: связывание ЗВ, задержание ЗВ, улавливание ЗВ, очистку воздуха от ЗВ и рассеивание ЗВ в воздушной среде.
Физическая сущность направленных на загрязняющий аэрозоль внешних воздействий на соответствующем этапе реализации процесса снижения загрязнения воздушной среды обуславливает выбор метода реализации каждого функционального элемента СОНПВС, поэтому четвертый уровень содержит перечень методов (аэродинамический метод, гидродинамический, электромагнитный, механический и т.д), позволяющих реализовать этапы снижения загрязнения воздушной среды. Он строго соответствует выделенным направлениям устойчивости дисперсных систем.
В свою очередь, физическая форма направленных на загрязняющие вещества внешних воздействий («дополнительных» дисперсных систем) определяет выбор способа, с помощью которого может быть реализован метод, т.е. пятый уровень характеризует способы реализации каждого из перечисленных методов.
Дальнейшая классификация предполагает рассмотрение в каждом способе технологических видов реализации процесса, характеризуемыми технологическими параметрами организации внешнего воздействия на загрязняющие вещества. Последним уровнем классификации являются технические средства реализации, представляющие собой конкретные устройства, в которых реализуется определенная комбинация «метод – способ – вид – технические средства» [19].
Применительно к котельным городского хозяйства в СОНПВС (приложение Е) рассматриваем только СБЗВ, а, учитывая агрегатное состояние ЗВ, поступаю 64 щих в воздушный бассейн с отходящими газами, используем СБГВ и СБПП (в случае сжигания твердого органического топлива), где в качестве функциональных элементов технологических процессов выступают процесс очистки воздуха от ЗВ и, при необходимости, процесс рассеивания ЗВ в воздушной среде. Получаем, что в нашем случае, СБЗВ сводится практически всегда к элементу очистки, что мы и будем подразумевать далее, заменяя СБЗВ на более точное название -способы и средства очистки отходящих газов котельных.
Для очистки воздуха от ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных, преимущественно используют следующие основные методы [58]:
1. Гидродинамический метод, основанный на использовании жидкости в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью газообразных и твердых ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных;
2. Аэродинамический дымовых метод, основанный на использовании газовых (воздушных) потоков в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью твердых ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных;
3. Электромагнитный метод, основанный на использовании электромагнитного поля в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью твердых и газообразных ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных;
4. Теплофизический метод, основанный на использовании теплового поля в качестве внешних воздействий, управляющих устойчивостью твердых и газообразных ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных.
Реализацию аэродинамического метода очистки отходящих газов от твердых частиц (золы, сажи) целесообразно осуществлять следующими способами (и техническими устройствами): - линейными потоками (пылеосадительные камеры, жалюзийные аппараты); - вихревыми потоками (циклонные аппараты); - комбинацией линейных и вихревых потоков. Реализацию гидродинамического метода очистки отходящих газов от газообразных веществ осуществляют следующими способами (и техническими устройствами): - применение пара, тумана (паровые камеры, туманообразователи); - применение пены (пенные аппараты); - барботажем через слой жидкости (барботеры различного типа); - поверхностно-контактным со статическим слоем жидкости; - орошением диспергированной жидкостью (низконапорное, высоконапорное, пневмогидроорошение, орошаемые газоходы); - комбинацией перечисленных способов (скрубберы, мокрые циклоны) в рамках этого метода.
Электромагнитный метод очистки отходящих газов ионизацией чаще всего реализуют в ионизаторе, причем для газообразных ЗВ метод преимущественно выступает в качестве вспомогательного с целью перевода веществ в более химически активное состояние с последующим применением гидродинамического метода очистки.
Теплофизический метод реализуют термическими способами - прямого сжигания и дожигания.
Таким образом, классификационная схема СБЗВ является основой для формирования методики выбора оптимальной для условий конкретной городской территории технологии очистки отходящих газов котельных.
Основной этап экспериментальных исследований
К контрольно-измерительной аппаратуре относятся: электронный секундомер, термометр ртутный (воздушный и водяной), амперметр, вольтметр, микроманометр, микропроцессорный иономер И-510, переносной мультигазовый газосигнализатор ГС «КОМЕТА-М» серии ИГС-98 и пульт управления стендом.
Экспериментальный стенд работает следующим образом. Движение газового потока в системе осуществляется с помощью побудителя тяги 9, подключенного к блоку энергоснабжения 10, через трансформатор ОСО – 25 позволяющий изменять напряжение побудителя тяги, так что в системе варьируется расход газового потока. Газовый поток проходит последовательно через ионизатор 2 и камеры орошения 3, 4.
При прохождении загазованного воздуха через ионизатор малореакционно способные газообразные ЗВ переводятся в более химически активное состояние.
В камерах орошения 3, 4 установлены форсунки, диспергирующие жидкость до капель размером 100-150 мкм, что приводит к увеличению площади взаимодействия орошающей жидкости и газового аэрозоля. Орошение может осуществляться двумя классами жидкости – щелочной и кислотной активированной водой; предварительно подготовленной в баке 6 электролизом. Активированная вода под давлением насосов 5 раздельно поступает к форсункам щелочной и кислотной камер орошения, образуя соответственно щелочной и кислотный факелы орошения. В полости камер газовоздушный поток взаимодействует с факелом орошения жидкости, образуя газожидкостной аэрозоль.
После прохождения системы очистки газовый поток направляется на выброс в атмосферу.
Отбор проб воздуха с целью замера концентраций производится в четырех точках: 1 – на выходе газовоздушной смеси из печи 1, 2 – после модели ионизатора 2, 3 – после первой камеры орошения 3, 4 – перед выходом газового потока в атмосферу. Определение аэродинамических характеристик экспериментального стенда (скорость, расход газового потока, геометрические характеристики газоходов) производилось в соответствии с [33]. Измерение температуры и давления газового потока производилось в соответствии с [34]. Погрешность измерений оценивали по [35].
Целью предварительного этапа экспериментальных исследований являлось выявление возможностей стенда по созданию требуемого диапазона изменения измеряемых параметров; определение варьируемых и результирующих параметров работы стенда. На предварительном этапе экспериментов определяли расходные характеристики стенда: а) расчет параметров для газовоздушного аэрозоля.
Варьируемые параметры: напряжение Uпт, В (U=0-220В), подавляемое на побудитель тяги; последовательность включения в систему элементов стенда (только ионизатор, ионизатор и одна камера орошения, ионизатор и две камеры орошения, одна камера орошения, две камеры орошения).
Измеряемые параметры: динамическое давление Нд, Па и полное давление Нп, Па в точках до и после каждого элемента, температура воздуха [34,35].
Расчетные параметры: скорость воздушного потока wг, м/с в точках замеров, потери напора Н, Па в системе, расход воздуха Qг, м3/с в системе.
Результат: получены графики, свидетельствующие о том, что чем больше расход загрязненного воздуха в системе, тем более высокое напряжение необходимо подавать на побудитель тяги (приложение М, рисунок М.1). б) исследование свойств воды. На предварительном этапе варьировали следующими параметрами: - напряжением, подаваемым на выпрямительное устройство, U, В, с помощью трансформатора (36 и 220 В); - расстоянием между графитовыми электродами, l, м, перемещая ползуна с закрепленным электродом по крышке емкости (от 0,1 до 0,14 м); - объемом рабочей жидкости в баке, Vб, м3 (от 6 до 8 л). Результирующие параметры следующие: - водородный показатель рабочей жидкости рН для щелочной и кислотной фаз; - температура рабочей жидкости, tж, C; - сила тока в электрической цепи I,А; - время, , мин.
Водородный показатель рН рабочей жидкости определяли с помощью микропроцессорного иономера И-510 по соответстветствующей методике. Для этого пипеткой отбирали пробы отдельно щелочной и кислотной воды в химические стаканы, в которых проводили замеры рН. Температуру рабочей жидкости tж фиксировали с помощью ртутного термометра со шкалой 0…100 C. Силу тока определяли по амперметру со шкалой 0…30 А.
Основной этап экспериментальных исследований Цель основного этапа экспериментальных исследований - определить значения результирующих параметров в соответствующих диапазонах изменения варьируемых параметров. На основном этапе экспериментов производили исследование и оптимизацию процесса очистки воздушного потока от оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода.
Подготавливали к работе микропроцессорный иономер И-510 и переносной мультигазовый газосигнализатор ГС «КОМЕТА-М» серии ИГС-98.
Включали блок энергоснабжения для бака приготовления щелочной и кислотной воды. Производили сжигание антрацитового штыба в печи. Включали побудитель тяги. Включали блок энергоснабжения для ионизатора. Включали питательные насосы щелочной и кислотной воды. В качестве варьируемых параметров нами выделены: - расход газов Qг, м /с; - рН щелочной воды (7, 8, 9, 10); - рН кислотной воды (7, 6, 5, 4). Измеряемые параметры: - концентрация оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода после ионизатора; - концентрация оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода после камеры орошения щелочной водой; - концентрация оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода после камеры орошения кислотной водой; - рН щелочной и кислотной воды; - температура tп, C, газовоздушного потока на выходе из системы. Рассчитываемые параметры: эффективность очистки ЕЭФ, %, газовоздушного потока от оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода и энергоемкостный показатель ЕЭ
Реализация методики выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов для условий эксплуатации отопительной котельной ООО «Дельта» г. Ростова-на-Дону
Устройство гидродинамической очистки состоит из камер орошения щелочной и кислотной водой, блока приготовления, подачи и сбора орошающей жидкости. В устройстве гидродинамической очистки создается активная зона взаимодействия и очистки потока газов от газообразных ЗВ в щелочной и кислотной средах, а также организуется частичный дифференцированный сбор отработанной щелочной и кислотной воды.
С учетом обеспечения минимального расхода и давления орошающей жидкости, компактности установки очистки в системе очистки приняты две камеры орошения (щелочного орошения и кислотного орошения), расположенные последовательно по ходу движения газов. В каждой камере прямоугольного сечения принято низконапорное перекрестное (по расположению оросителей) и поперечное (по отношению к газовому потоку) орошение форсунками типа КФ 3,3-75 с длиной активной зоны факела орошения 1,5 м (при давлении 0,4 МПа) (1,425 м при давлении 0,38 МПа) и углом раскрытия факела 75.
Расчет и построение полей концентраций ЗВ (оксидов азота и оксида углерода) (рисунок 4.4, 4.5), содержащихся в отходящих газах исследуемой котельной после внедрения системы очистки отходящих газов, выполнены с применением программы для расчета концентраций загрязняющих веществ в атмосфере УП-РЗА «Эколог». Анализ полей концентраций ЗВ показал, что в расчетных точках (на границе санитарно-защитной зоны предприятия) в воздухе приземного слоя атмосферы максимальные концентрации: по диоксиду азота – 0,39 ПДК; по оксиду азота – 0,18 ПДК; по оксиду углерода— 0,43 ПДК. Таким образом, расчет рассеивания ЗВ в атмосферном воздухе не выявил превышений ПДК в расчетных точках ни по одному из веществ.
Экономический результат от внедрения системы очистки отходящих газов на отопительной котельной ООО «Дельта» составил 21334,5 руб./год.
Аналогичным образом разработаны и внедрены системы очистки отходящих газов отопительной котельной ООО «Стройинжниринг». При этом результаты практической реализации предложенной автором методики, таковы: эффективность очистки для оксидов азота – 39,6%, обеспечивая соблюдение ПДКс.с.=0,04 мг/м3 (по диоксиду азота), для оксида углерода – 55,0%, обеспечивая соблюдение ПДКс.с.=3 мг/м3 при экономическом результате от внедрения – 18590,5 руб./год.
С целью расширения области практического применения диссертационной работы методика оценки и выбора высокоэффективных и экономичных способа и средств очистки отходящих газов котельных апробирована в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров направления 20.03.01 «Техносферная безопасность» профиля «Инженерная защита окружающей среды» в курсе лекций и на практических занятиях по дисциплинам «Системы жизнеобеспечения населенных мест», «Теоретические основы охраны окружающей среды», «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Управление охраной окружающей среды» (приложение Т).
Целью проведения практических работ является освоение студентами принципов построения физических моделей процессов загрязнения и снижения загрязнения воздушной среды для котельных, а также методики расчета и выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов для обеспечения экологической безопасности городских территорий.
Преподавание направлено на развитие умения ориентироваться в нормативных документах, документах государственной статистической отчетности, статистических данных территориального комитета по охране ОС и анализировать полученные результаты.
На практических работах проверяется уровень теоретических знаний, уме 123 ние анализировать полученные результаты на примере условной или реальной городской территории и предлагать пути совершенствования управленческих и конструктивных решений.
Использование методика оценки и выбора высокоэффективных и экономичных способа и средств очистки отходящих газов котельных в учебном процессе направленно на совершенствование, углубление и расширение знаний, подготовку высококвалифицированных специалистов.
При решении задачи повышения степени экологической безопасности городских территорий необходимо обеспечивать снижение загрязнения воздушной среды котельными городского хозяйства. Важным условием решения задачи обеспечения экологической безопасности городских территорий является высокоэффективная и энергетически экономичная реализация очистки отходящих газов котельных.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса очистки отходящих газов котельных достигнута возможность обеспечения нормативных санитарно-гигиенических условий в воздушном бассейне территорий за счет снижения концентрации загрязняющих веществ, содержащихся в отходящих газах, до значений ПДК путем повышения эффективности и экономичности процесса, а также совершенствования технических средств очистки.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: - с целью детального анализа особенностей влияния процесса сжигания различных видов органического топлива в котлоагрегатах на загрязнение воздушного бассейна городских территорий построена физическая модель процесса загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных; - выполнен анализ основных методик выбора очистного оборудования с целью выявления наиболее приемлемой для дальнейшего совершенствования и возможности применения для условий эксплуатации котельных; - построена физическая модель процесса снижения загрязнения воздушной среды для условий эксплуатации котельных, раскрывающая взаимосвязь между основными физическими объектами, участвующими в процессе очистки воздушной среды; - определены роль и место способов и средств очистки отходящих газов котельных в классификационной схеме систем обеспечения нормативных параметров воздушной среды; - усовершенствовано математическое описание результирующих параметров (экологической эффективности и энергоемкостного показателя) процесса очистки отходящих газов от загрязняющих веществ для условий эксплуатации котельных; - усовершенствована методика выбора высокоэффективных и экономичных способов и средств очистки отходящих газов и расчета их оптимальных рабочих параметров для условий эксплуатации котельных; - проведены экспериментальные исследования процесса очистки для котельных и сопоставлены результаты теоретических и экспериментальных исследований; - выполнена практическая апробация методики выбора высокоэффективных и экономичных систем борьбы с загрязняющими веществами для условий эксплуатации котельных.