Мониторинг и экспертиза. Безопасность технологических процессов и производств и бакалавров направления 280700 Техносферная безопасность Белгород 2013 3
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
F 1 F 2 F 3 F 4 F 1 F 2 F 3 F 4 Рис. 6.3. Примеры устойчивого (аи неустойчивого развития систем (б) Все процессы, происходящие в природе, можно представить в виде колец обратных связей с различным смысловым наполнением факторов, влияющих на развитие системы, но необходимо различать желаемое, воспринимаемое, действительное состояния системы. Между желаемым, воспринимаемыми реальным состояниями существуют различия. Предположим, необходимо довести наблюдаемое состояние до определенного уровня F 1 . Для достижения этого уровня предпринято воздействие на систему. В зависимости от условия воздействия состояние системы снизится на более низкий уровень или 108 приблизится к желаемому уровню F 1 . Наблюдаемое состояние F 2 может не отражать реальных процессов, протекающих в системе. Сформулируем наиболее общие положения, позволяющие привести реальное состояние к желаемому – воздействовать на систему необходимо путем изменения структуры, отвечающей за нежелательную динамику развития – постоянное усиление действия одних и тех же параметров приводит к неустойчивому развитию и гибели системы – поддерживать нормативы, стандарты, не допуская выхода процессов из равновесия – снизить запаздывание при переходе от действия к реальному и воспринимаемому состоянию – добавить действие противоположного типа (контур с отрицательной связью – использовать такие методы анализа и наблюдения, которые дают небольшие отклонения реального состояния от воспринимаемого. Применение общих принципов экологической экспертизы к развитию биосферы позволили построить различные модели развития человеческого общества. Экспериментальной основой послужили статистические данные производства продуктов потребления, роста населения, загрязнения окружающей среды. Модель с неустойчивым развитием по сценарию жизни примитивных микроорганизмов рассмотрена ранее на примере брожения гексоз под действием дрожжей. Поясним этот процесс подробнее. Производство продуктов питания, объем промышленного производства, численность народонаселения возрастает до тех пор, пока истощение ресурсов не приведет к замедлению развития производства. Наличие запаздывания в системе причинно-следственных связей производства рост населения, загрязнение окружающей среды – приведет к гибели системы из-за загрязнения окружающй среды и нехватки продуктов питания. Можно предположить, что при неисчерпанных природных и энергетических ресурсах модель предскажет устойчивое развитие. В действительности моделирование показало, что при неисчерпаемых природных и энергетических ресурсах коллапс и гибель системы наступит кг. Модель предсказывает устойчивое развитие человеческого общества при определенных ограничениях параметров экологической системы – ограничение роста производства, перераспределение материальных благ в сторону менее развитых стран – контроль над рождаемостью 109 – комплексное использование вторичных ресурсов, возврат в производство отходов не менее чем на 80%; – рациональное использование энергетических ресурсов, установление пределов максимального потребления энергии. Важность комплексного регулирования перечисленных выше параметров иллюстрируется следующим примером. Допустим, нам удалось возвращать в производство 75% вторичных материалов, но рост производства неограничен. Урожайность сельскохозяйственных культур удвоили, осуществили контроль за уровнем рождаемости. Гибель цивилизации в данном случае неизбежна из-за истощения природных ресурсов и загрязнения окружающей среды. 7. Специальные методы расчетов количества загрязняющих веществ, поступающих в экологические системы 7.1. Расчет количества загрязняющих веществ, выделяющихся при горении топлива При сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива в атмосферу попадают твердые частицы (зола, пыль, сажа, оксиды серы SO 2 , SO 3 , оксиды азота NO, NO 2 , оксиды углерода (I, II) CO, СО, а также органические вещества. Выбросы загрязняющих веществ происходят вследствие неполного сгорания топлива ив результате перехода неорганических и других примесей в аэрозоли, пыль. Выброс твердых частиц при горении топлива зависит от состава топлива, конструкции устройства, где происходит горение, эффективности работы пылеулавливающих установок. При сжигании угля с содержанием минеральной части до 15% вынос твердых частиц за пределы топочной камеры составляет 10– 13% от массы топлива, а остальная зола удаляется со шлаком при сжигании угля, дров в атмосферу поступает враз больше твердых частиц, чем при сжигании жидкого топлива. Выброс оксида углерода (II) в основном зависит от неудовлетворительного регулирования процесса горения. В небольших топливных установках, печах выброс оксида углерода (II) достигает 2% от массы топлива. 110 Содержащаяся в топливе сера переходит в сернистый ангидрид, поэтому количество оксидов серы, поступивших в атмосферу, определяется содержанием серы и ее соединений в топливе. Оксиды азота образуются от сгорания азотосодержащих соединений ив реакциях взаимодействия кислорода воздуха с азотом. В процессе пиролиза углеводородных топлив получается канцерогенное вещество – бензпирен C 20 H 12 . Образование бензпирена зависит от режима горения – температуры и количества кислорода. Загрязнение атмосферы бензпиреном значительно возросло в связи с развитием автомобильного транспорта. Ежегодно в атмосферу попадает несколько тысяч тонн бензпирена, одного миллиграмма которого достаточно для того, чтобы вызвать рак легких или кожи. Бенз- пирен содержится в табачном дыме и является причиной заболевания многих курильщиков. Запишем формальные схемы химических реакций, протекающих при горении предельных углеводородов топлива 2C n H 2n+2 + (3n+1)O 2 = 2nCO 2 + 2(n+1)H 2 O – основная реакция горения 2C n H 2n+2 + (2n+1)O 2 = 2nCO + 2(n+1)H 2 O – образование оксида углерода (II); 2C n H 2n+2 + (2n+1)O 2 = nCO 2 + 2(n+1)H 2 O + nC – образование сажи образование оксидов азота S + O 2 = SO 2 – образование оксида серы (IV); C n H 2n+2 + O 2 → CO 2 + H 2 O + C 20 H 12 + продукты пиролиза – образование бензпирена. Существуют два метода расчета количества загрязняющих веществ образующихся при горении топлива – метод удельных показателей выбросов вредных веществ – метод параметров работы технологического оборудования. Метод удельных показателей выбросов вредных веществ относится к упрощенному расчету. Этот метод дает оценочные суммарные количества вредных веществ, поступающих в атмосферу M i = α i Q i (1 –η i ), где M i – масса загрязняющего вещества, кг Q – количество сжигаемого топлива, кг α i – удельный показатель выброса, кг/кг; η i – КПД газоочистки или золоуловителя. 111 Удельный показатель выброса вещества зависит от вида топлива, топочного устройства, условий сжигания горючего вещества. В табл. 7.1 даны значения показателей выбросов веществ для различных видов топлива. Пример 1. Оценить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу тепловой электростанцией. Годовая потребность ТЭС в угле – 100 000 т. Газоочистные сооружения отсутствуют. ТЭС работает на угле Сахалинского месторождения. Решение Для угля Сахалинского месторождения удельные показатели выбросов вредных веществ α(тв), α(SO 2 ), α(CO), α(NO x ), α б/п соответственно равны 0,64; 0,0072; 0,049; 0,0019; 2∙10 –5 . Рассчитываем массу выбросов М(тв) = 100 000 ∙ 0,064 = 6400 т/год; М) = 100 000 ∙ 0,0072 = 720 т/год; М) = 100 000 ∙ 0,049 = 4900 т/год; М) = 100 000 ∙ 0,0019 = 190 т/год; М б/п = 100 000 ∙ 2 ∙ 10 -5 = 2 т/год. Таблица 7.1 Удельные показатели выбросов вредных веществ при сгорании топлива Вид топлива Удельный показатель,кг/кг (т/т) Твердые вещества Оксиды серы (IV) Оксид углерода) Оксиды азота Бензпи- рен α тв ·10 2 α SO2 ·10 2 α co ·10 О 3 α б/п ·10 Уголь зола 10–40%) Торф Дрова Мазут Газ 3–8 3–5 2–3 5–6 До 0,002 2–1 1–2 1–2 6–6 – 2–7 2–4 3–5 3–4 1–1,5 1–2 1–2 8–1 2–3 2–3 1–3 1–2 1–2 До 1 До 5 При неизвестных удельных выбросах вредных веществ для данного вида топлива используют значения табл. 7.1. По табл. 7.1 определяют минимальный и максимальный выброс вредного вещества. Например, при сжигании угля Магаданского месторождения на ТЭС в количестве 100 000 т/год выделится (n i = 0): – 3000 – 8000 т/год твердых веществ – 200 – 1000 т/год оксидов серы (IV); – 2000 – 7000 т/год оксида углерода (II); 112 – 100 – 200 т/год оксидов азота – 1 – 3 т/год бензпирена. Определение выбросов загрязняющих веществ по параметрам работы технологического оборудования основано на учете эксплуатационных характеристик устройств, в которых сжигается топливо. Количество золы и несгоревшего жидкого и твердого топлива рассчитывают по формуле тв 1 η r i M B A f , где В – расход топлива, гс, т/год; r A – зольность топлива на рабочую массу, %; η i – доля частиц, улавливаемых золоуловителями ун 100 Га, где ун а – доля золы, уносимой дымовыми газами из котла Г – содержание горючего вещества в газах, %. Значения А, В, Г принимают по средним показателям, характерным для данного вида топлива и топочного устройства. Для удобства и простоты расчетов в табл. 7.2 представлены величины параметров в зависимости от типа топок и видов топлива. Таблица 7.2 Параметры, характеризующие выбросы загрязняющих веществ Тип топки Вид топлива f k co q 3 ,% q 4 ,% Топки с неподвижной решеткой С пневматическими забрасывателя- ми топлива Шахтная Теплогенератор, слоевая топка Котлы водогрейные Уголь Уголь Антрацит Уголь, торф, дрова Уголь Дрова Мазут газ 0,0023 0,0026 0,0088 0,0019 0,001, 0,005 0,02 0 1,0 0,7 0,7 2,0 16, 14 0,32 0,25 0,5 0,5–1 0,5–1 1–2 1–3, 1–3 0,5 0,5 10–40 3–6 3–6 1–2 1–3, 1–3 0 0 Пример 2. Определить количество твердых веществ, поступающих в атмосферу при сжигании каменного угля в топке с неподвижной решеткой. Расход топлива 200 кг/ч. Коэффициент полезного действия золоуловителя равен 0,7; Ар = 28%. 113 Решение. Коэффициент для угля и топки с неподвижной решеткой равен 0,0023. Рассчитываем количество твердых веществ, поступающих в атмосферу М тв = 200 · 0,0023 ∙ 28 (1 – 0,7) = 3,86 кг/ч. Количество оксида углерода (II) рассчитывают по формуле CO 4 0, 001 1 0, 01 M B C q , где B – расход топлива, кг/с, т/год; C – коэффициент, учитывающий выход вредного вещества при сгорании 1 т топлива или 1000 м газа 4 q – потери тепла вследствие механической неполноты сгорания топлива н, где 3 q – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, %; R – коэффициент, учитывающий потери теплоты, обусловленные наличием в топливе оксида углерода (II); н – теплота сгорания топлива (обычно берут низшую теплоту сгорания, МДж/кг, МДж/м 3 Коэффициент R принимается для твердого топлива 1,0, для газа, для мазута – 0,65. В отсутствие эксплуатационных данных значения 3 q , 4 q берут по табл. 4.2. Ориентировочную оценку выбросов оксида углерода (II) проводят по формуле н 0, 001 1 0, 01 M B Q k q , где К – количество оксида углерода (II), образующегося на единицу тепла при горении топлива, кг/МДж (см. табл. 7.2). Пример 3. Определить количество оксида углерода (II), выделяемого при сжигании природного газа в камерной топке. Расход топлива м 3 /ч. Теплота сгорания топлива 35 МДж/м 3 Решение. Количество окcида углерода, образующегося на единицу тепла, равно 0,25 кг/МДж (табл. Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива g 4 = 0. 114 М = 0,001∙200∙35∙0,25 = 1,75 кг/ч = 0,49 гс. Методы расчета количества оксидов азота зависят от вида топлива, мощности топочного устройства и его конструкции. Рассмотрим наиболее простой метод, основанный на учете трех параметров работы – теплотворной способности топлива, расхода топлива, мощности установки NO NO 0, 001 н Q k , где NO x k – параметр, характеризующий выход оксидов азота на 1 МДж теплоты, кг/МДж; i n – КПД газоочистных устройств. Коэффициент NO x k находят по табл. 7.3. Таблица 7.3 Значение параметра NO x k , характеризующего количество оксидов азота, выделяющихся при горении топлива Вид топлива Тепловая мощность устройства 2 кВт 10 кВт 20 кВт 100 кВт 1000 кВт 1000 кВт Природный газ, мазут Антрацит Бурый уголь Каменный уголь Дрова 0,02 0,06 0,08 0,08 0,06 0,04 0,07 0,09 0,11 0,07 0,05 0,08 0,12 0,12 0,08 0,08 0,09 0,14 0,15 0,09 0,09 0,12 0,17 0,90 0,12 0,12 0,13 0,23 0,25 0,20 Пример 4. Рассчитать количество оксидов азота, выделяющихся при сжигании каменного угля в топке мощность 80 кВт. Теплотворная способность топлива 25 МДж/кг. Расход топлива 200 кг/ч. Газоочистка отсутствует, Решение В табл. 7.3 нет значения для топки мощностью 80 кВт. Необходимо уплотнить табл. 4.3 расчетным путем. Делают это следующим образом. Значение мощности, равное 80 кВт, лежит в интервале 20–100 кВт. Величины x NO k соответственно равны 0,05; 0,08 кг/МДж. Таким образом, на 80 кВт приходится интервал 0,03 кг/МДж, на 1 кВт мощности горелки – 0,03/80. Определяем коэффициент для мощности 80 кВт NO x k = 0,05 + 0,03/80 (80–20) = 0,073 кг/МДж. Рассчитываем количество оксидов азота 115 М = 0,001∙200∙25∙0,073 = 0,37 кг/ч. Выброс от котлоагрегатов находят по формуле NO 2 1 3 0, 034 1 0, 01 1 β β β x н н M K B Q q r , где К – коэффициент выхода оксидов азота на 1 т топлива, 2 1 200 12 D D K – паропроизводительность более 70 т/ч; 20 1 D K – паропроизводительность менее 70 т/ч, здесь 1 D , 2 D – фактическая и номинальная производительность котла на пару, т/ч; 1 β = 0,5…2,0 – коэффициент, учитывающий эффективность рециркуляции топочных газов 2 β = 0,01–0,03 – коэффициент, учитывающий конструкцию горелок 3 β = 0,85–1,0 – коэффициент, учитывающий условия горения r – степень рециркуляции дымовых газов, %. Пример 5. Оценить погрешность расчета выбросов оксидов азота от котла ДКВР-10-13, работающего на природном газе, если прямые измерения показали массу выбросав количестве 2,54 кг/ч. Расход топлива мс, теплотворная способность газа 36 МДж/м 3 Решение. Мощность тепловой установки составляет N = 0,17∙36000 = 6120 кВт. Уплотняем табл. 7.3 и находим значение коэффициента NO x k = 0,107 кг/МДж. Определяем расчетный выброси погрешность расчета Δ: NO x M = 0,107∙36∙0,17∙3600 = 2,36 кг/ч; Δ = (2,54–2,36)/2,54=0,07. Массу оксидов серы, выделяющихся при сжигании жидкого или твердого топлива, рассчитывают по формуле 2 SO 1 2 0,02 (1 η )(1 η МВ S 116 где P S – содержание серы в топливе, %; η 1 – для оксидов серы, связываемых золой топлива сланцы – η 1 = 0,5–0,8; угли – η 1 = 0,2–0,5; торф – η 1 = 0,15; мазут – η 1 = 0,02; газ – η 1 = 0; η 2 – КПД газоочистки. При наличии в топливе сероводорода дополнительное выделение оксидов серы связано с окислением сероводорода 2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O 2 2 SO 2 1,88 10 H S , М В где S H 2 – содержание сероводорода в газе, жидком топливе, %. В отличие от промышленных энергетических установок, в которых сжигается топливо, в автомобильном транспорте выброс вещества не связан с определенными площадями, так как автомобиль – нестационарный источник загрязнения. Автомобильные газы представляют собой сложную смесь токсичных веществ, основными из которых являются оксиды азота, оксиды углерода (СО, углеводороды, бензпирен, альдегиды. Состав выхлопных газов зависит от типов двигателя, режима работы, технического состояния, качества топлива, а также уровня обслуживания. Для оценки загрязнения атмосферного воздуха установлены удельные значения газовых выбросов (табл. 7.4). Таблица 7.4 Выброс вредных веществ при сгорании 1 кг топлива Наименование вредного вещества Выброс вредных веществ, кг Карбюраторные двигатели Дизельные двигатели Оксид углерода (II) Оксиды азота Оксиды серы Углеводороды Сажа Бензпирен, мг/кг 0,05–0,1 0,03–0,05 0,001–0,002 0,03–0,05 0,005–0,07 0,2 0,01–0,05 0,04–0,06 0,01–0,02 0,03–0,05 0,05–0,1 0,3 Вредные вещества поступают в экологические системы не только при сжигании топлива, но ив ходе различных технологических процессов, таких, как сварка, производство и механическая обработка металла, древесины, производство строительных материалов. Количество вредных веществ определяют по расходным нормам вещества, используемого в данном производстве 117 i i i Q M α , где i α – расходная норма потерь вредного вещества, кг/кг, кг/шт. и т.д.; i Q – количество продукции, выпускаемой предприятием, кг, шт. и т.д. Так, при разгрузке цемента расходные нормы составляют 0,2– 0,4% от массы цемента и равны 0,002–0,004. По каждой отрасли, виду продукции установлены расходные нормы веществ, попадающих в атмосферу, воду, почву. При отсутствии расходных норм их рассчитывают в соответствии с регламентом или по технологической карте производства. Масса вредных веществ, поступающих в окружающую природу, зависит от наличия установок по очистке выбросов. С учетом эффективности очистки количество вредных веществ оценивают по формуле α 1 М , где η – КПД очистных сооружений. |