Разработка каталитического активатора горения жидкого топлива (мазута) для снижения содержания вредных веществ в промвыбросах котельных установок

В настоящее время минимальная высота дымовой трубы, при которой обеспечивается значение максимальной приземной концентрации вредного вещества С_м, равное предельно допустимой концентрации (ПДК) для нескольких труб одинаковой высоты при наличии фоновой загрязненности С_ф от других источников, рассчитывается по формуле 1.

1). H= ,

где: - А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы для неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, с ^2/3 ґ мг ґ К ^1/3 / г;

- F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; значение безразмерного коэффициента F = 1 т.к. скорость упорядоченного оседания газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей практически равна нулю;

- М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени;

- m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газов из дымовой трубы;

- h - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, h = 1;

- N - число одинаковых дымовых труб;

- V₁ - объем дымовых газов приходящийся на дымовые трубы, м ³ / с;

- DТ = Т_г - Т_в

- разность температур выбрасываемых дымовых газов Т_г и окружающего атмосферного воздуха Т_в, К. Т_в - температура окружающего атмосферного воздуха равная средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца, для г. Иркутска = 27 ⁰С;

- пдк - предельно допустимая концентрация вещества, лимитирующего чистоту воздушного бассейна, мг/м ³. Так ПДКSO₂ = 0.5 мг/м ³, а ПДКNO₂ = 0.085 мг/м ³.

При выбросе сернистого ангидрида и двуокиси серы учитывается их совместное действие на атмосферу. В этом случае выброс приводится к выбросу по сернистому ангидриду по выражению:

М = МSO₂ + 5.88 ґ МNO₂

и, таким образом формула 1), для определения высоты дымовой трубы, принимает следующий вид:

2). H= ,

Для определения коэффициентов и значений, используемых в формуле 2), необходимо произвести расчет теоретически необходимого для полного сгорания топлива воздуха (V₀), теоретического объема азота (VN₂), объема трехатомных газов (VRO₂), теоретического объема водяных паров (VH₂O) исходя из того, что к одной дымовой трубе подключены 3 котла ДКВР 10-13 и 1 котел ПТВМ - 30.

V⁰ = 0.0889 (С^р + 0.375 ґ S^p) + 0.265 ґ H^p - 0.0333 ґ O^p = 0.0889 ґ (83.8 + 0.375 ґ 1.07) + 0.265 ґ 11.2-0.0333 ґ 0.2 = 10.44 м ³ / кг

VN₂ = 0.79 ґ V⁰ + 0.8 ґ (N^p / 100) = 0.79 ґ 10.44 + 0.8 ґ (0.31 / 100) = 8.25 м ³ / кг

VRO₂ = 1.866 ґ ((C^p + 0.375 ґ S^p) / 100) = 1.866 ґ ((83.8 + 0.375 ґ 1.07) / 100) = 1.571 м ³ / кг

VH₂O = 0.111 ґ H^p + 0.0124 W^p + 0.0161 V⁰ = 0.111 ґ 11.2 + 0.0124 ґ 1.41 + 0.0161 ґ 10.44 = 1.43 м ³ / кг

Расчет объема дымовых газов при a--> 1 (т.к. у ДКВР 10-13 a = 1.7, а у ПТВМ - 30 - a = 1.2) определяется по формуле:

V_г = VRO₂ + VN₂ + VH₂O + (a - 1) ґ V⁰ + 0.0161 (a - 1) ґ V⁰.

Для котлов ДКВР 10-13:

V_г = 1.571 + 8.25 + 1.43 + (1.7-1) ґ 10.44 + 0.0161 ґ (1.7-1) ґ 10.44 = 18.7 м ³ / кг.

Для котлов ПТВМ - 30:

V_г = 1.571 + 8.25 + 1.43 + (1.2-1) ґ 10.44 + 0.0161 ґ (1.2-1) ґ 10.44 = 13.5 м ³ / кг.

Расчет объема дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу, определяется по формуле:

V₁ = B ґ (1-0.01 ґ q₄) ґ V_г ґ (Т_г / 273) = В_р ґ V_г ґ (Т_г / 273).

Для котлов ДКВР 10-13:

V_д = 0.5583 ґ 18.7 ґ (467 / 273) = 17.86 м ³ / кг.

Для котлов ПТВМ - 30:

V_п = 0.625 ґ 13.5 ґ (473 / 273) = 14.62 м ³ / кг.

V₁ = V_д + V_п = 32.48 м ³ / кг.

По данным, полученным из предыдущей формулы, считается температура газов в устье дымовой трубы:

Т_г = (V_д ґ T_д + V_п ґ Т_п) / (V_д + V_п) = (17.86 ґ 467 + 14.62 ґ 473) / (17.86 + 14.62) = 469.7 К » 197 ⁰С;

Разность температур выбрасываемых дымовых газов Т_г и окружающего атмосферного воздуха Т_в, К.

DТ = Т_{г -} Т_в = 197-27 = 170.

Т_в - температура окружающего атмосферного воздуха равная средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца, для г. Иркутска = 27 ⁰С;

Средняя скорость дымовых газов в устье дымовой трубы, м/с;

--w₀ = (4 ґ (В_р ґ V_г + В_р ґ V_г) ґ Т_г) / p ґ D² ґ 273 = (4 ґ (0.5583 ґ 18.7 + 0.625 ґ 13.5) ґ 470) / 3.14 ґ 1.8² ґ 273 = 12.8 м/с;

Безразмерные коэффициенты m и n определяются в зависимости от параметров f и n_м:

f = 1000 ґ ((w² ґ D) / (H² ґ DT)) = 1000 ґ ((12.8² ґ 1.8) / (45² ґ 170) = 0.8566, где:

- w² - средняя скорость дымовых газов в устье дымовой трубы, м/с;

- D - диаметр устья дымовой трубы, м.

n_м = 0.65 ґ = 0.65 ґ = 3.23 Ю n = 1.

Коэффициент m определяется в зависимости от f по формуле:

m = = 0.92.

Коэффициент n в случае если n_м і 2, равен 1.

Т.о., подставляя найденные значения в формулу 2), получим следующие результаты:

H= = 44.6 м.

6. Оценка технико-экономической и экологической эффективности применения каталитического активатора горения топлива (КАГТ)

Одним из основных источников загрязнения воздушного бассейна городов России являются топочные устройства ТЭЦ, технологических котельных и печей, сжигающих газовое, жидкое и твердое топливо. Их газовые выбросы характеризуются большими объемами, сильной запыленностью, невысокими температурами, содержанием сажи, оксидов углерода, азота, серы, ванадия и других. Установка каталитических фильтров в этих случаях технически и экономически нецелесообразна. В этом случае, на наш взгляд необходим другой подход. Он состоит в том, что в топочное устройство непосредственно с топливом вводятся микроскопические количества КАГТ - ультрадисперсных каталитических материалов (УДКМ), прошедших предварительную специальную обработку. УДКМ, благодаря очень малым размерам частиц) менее 0.01 мкм), большой удельной поверхности (50-500 м ² / г) и особому фазовому состоянию, обладают высокими каталитическими и химическими свойствами. Введение в топливо КАГТ позволит иметь в каждой капле распыленного топлива и в каждой точке топочного устройства большое количество каталитически и химически активных частиц УДКМ и даст возможность с самого начала управлять механизмами горения топлива, а также образования и ликвидации вредных веществ. Применение КАГТ обеспечит более полное сгорание топлива, позволит реализовывать взаимодействие между собой различных вредных соединений с образованием безвредных или значительно менее вредных веществ, что в обычных условиях неосуществимо. Так в присутствии КАГТ возможно взаимодействие между собой оксидов углерода и азота с образованием безвредных углекислого газа и молекулярного азота. Выполнив свою каталитическую роль КАГТ будет связывать окислы серы с образованием значительно менее вредных сульфатов металлов.

Данный подход может быть применен и для ликвидации вредных веществ топочными устройствами ТЭЦ, котельных установок и технологических печей, работающих на угле и газе.

В таблице 1. приведены расчетные значения дополнительных тепловых эффектов от сгорания (взаимодействия) вредных веществ в топочных устройствах в присутствии КАГТ в пересчете на теплотворную способность мазутного топлива марки М-100.

Таблица 1

В таблице 2. приведены расчетные значения содержания вредных веществ в промвыбросах котельных установок ряда предприятий г. Томска, а также расчетные значения экономии топлива за счет применения КАГТ.

Таблица 2

Это расчетные данные для условий, когда осуществляется качественное распыление топлива и выдерживается оптимальное соотношение воздух / топливо. При реальных условиях эксплуатации эти выбросы (особенно сажи и окиси углерода) могут быть значительно выше. Следовательно, выше будет и экономия топлива.

В настоящее время плановые платежи в местный бюджет за природопользование составляют около одного процента от стоимости 1 тонны топлива. Таким образом, в идеальном случае применение КАГТ даст потребителю экономии. с каждой тонны топлива около 2.5 %.

Следует также иметь ввиду, что плановые платежи за природопользование растут из года в год. Например, в г. Томске эти платежи по сравнению с 1993 г. возросли в 1994 г. в 10 раз, а в 1995 - в 17 раз.

Проведем оценку удорожания одной тонны топлива за счет применения КАГТ. Как видно из таблицы 3, удорожание 1 т. топлива составляет менее 2 % при соотношениях мазут / КАГТ более 20 т. / кг

Таблица 3

Введение КАГТ в топливо не потребует от потребителя дополнительных затрат на переделку имеющегося оборудования. КАГТ представляет из себя пастообразную суспензию, которая долго хранится (не менее года) и достаточно быстро и равномерно " растворяется " при перемешивании в больших объемах топлива. Как правило, топливо приходит потребителю в цистернах (железнодорожных или автомобильных) и перед перекачкой (сливом) в резервуары подвергается в течении 4-10 часов интенсивному прогреву и перемешиванию водяным паром. Ввод КАГТ в цистерны на этой стадии позволит достаточно хорошо смешать его с топливом. Из резервуаров топливо поступает в топочное устройство с помощью топливного насоса. Однако до топочного устройства доходит только часть топлива, большая его часть через " оборотку " постоянно возвращается в резервуар и таким образом осуществляется постоянное дополнительное смещение КАГТ с топливом.

К настоящему времени проведены испытания опытных образцов КАГТ на технологической котельной АО " Сибкабель " (котлы ДЕ - 10), работающей на мазутном топливе, которые показали принципиальную возможность ликвидации вредных веществ в газовых выбросах.

Получен патент Российской Федерации № 2017524 от 15. 08. 94 г. " Способ получения катализатора для очистки отходящих газов технологических процессов и выхлопных газов автотранспорта ".

Окупаемость и сроки освоения продукции. Далее приведена оценка эффективности применения КАГТ для РК " Свердловская ", работающей на мазуте. Данные по эффективности и стоимости КАГТ взяты по информации разработчиков данного катализатора. Расчеты производились на минимальную экономию топлива (1.3 %).

1. Годовой расход топлива по котельной за 1996 г. составил: 29026 тонн мазута.

2. При средней минимальной стоимости мазута 500 тыс. руб./т. годовые затраты на топливо:

U_т = В_год ґ Ц_т = 0.5 ґ 29026 = 14513 млн. руб. / год.

3. Экономия стоимости мазута составит:

Э_м = DВ ґ Ц_м = 377.3 ґ 0.5 = 188.669 млн. руб.

4. Снижение вредных выбросов за счет уменьшения расход топлива составит:

DМ_тв = 0.01 ґ DВ ґ (1 ґ 0.015) = 0.05 т/год.

DМSO₂ = 0.02 ґ 377.3 ґ 1.07 ґ (1-0.02) = 8 т/год.

DМV₂O₅ = 10^-6 ґ 4000 ґ 0.015 ґ 377.3 = 0.02 т/год.

DМNO₂ = 0.001 ґ 40.6 ґ 377.3 ґ 0.08 = 1.2 т/год.

5. Удельная плата за выбросы 1 т вредных веществ:

Ц NO₂ = 14525 руб./т.

Ц SO₂ = 11550 руб./т.

6. Расчетная годовая плата за выбросы вредных веществ при работе котельной на мазуте по составляющим:

U_тв= 0.0066 т/ч ґ 6600 ґ 8.52 ґ 11500 ґ 10^-9=4.26 млн. руб.

U NO₂ = 0.0143 ґ 6600 ґ 8.52 ґ 14525 =11.6 млн. руб.

U SO₂ = 0.09 ґ 6600 ґ 8.52 ґ 11550 ґ 10^-9 = 58.2 млн. руб.

7. Суммарная плата за выбросы

U_вр= U_тв + U NO₂ + U SO₂ = 74.06 млн. руб.

8. Суммарные годовые издержки на топливо и плату за выбросы

U_сум= 74.06 + 14513=14587.06.

Экономия затрат при применении КАГТ.

9. Затраты на КАГТ

U_к=29026 ґ 0.01 ґ 200000=58.52.

10. Экономия мазута за счет более полного его сгорания составит:

DВ_к = 0.013 ґ В_г = 0.013 ґ 29026 = 377.3 т/год.

11. Экономия топлива при повышении к.п.д. котельной до 92 % за счет снижения температуры уходящих газов при снижении концентрации окислов серы в дымовых газах. Приблизительный к.п.д. котельной 89 %.

DВ_кпд=29026-29026 ґ (0.89 / 0.92) =421.26 т/год.

12. Экономия затрат на топливо.

DU_т= (377.3 + 421.26) ґ 0.5 =399.28 млн. руб.

13. Экономия платы за выбросы при снижении выбросов на 60 %

DU_выбр.= 0.6 ґ U_вр = 0.6 ґ 74.06 = 44.436 млн. руб.

14. Суммарная экономия издержек.

DU=DU_т+DU_{выбр. -}U_к=399.28+44.436-58.52=385.196 млн. руб.

Таким образом,

а). Каталитический активатор горения топлива (КАГТ) способен реально снизить выбросы вредных веществ в дымовых газах.

б). Экономия средств, благодаря использованию КАГТ, многократно превосходит затраты на сам КАГТ.

в). Реально использовать КАГТ уже сейчас, т.к. использование КАГТ не требует кардинальной технологической переделки оборудования.

7. Пуск и останов котла ДКВР 10-13