Условия оптимизации процессов сжигания жидкого топлива и газа - Выбросы сажи

Глава пятая
ВРЕДНЫЕ ВЫБРОСЫ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА
15. Выбросы сажи
При сжигании органического топлива образуется значительное количество отработанных газов, которые выбрасываются в атмосферу и в составе которых неизбежно присутствуют различные соединения, обладающие вредными воздействиями на здоровье человека и окружающую его природу.
Советское государство непрерывно проводит комплекс технических, экономических и социальных мероприятий, направленных на предупреждение и устранение загрязнения атмосферного воздуха.
Предприятия, учреждения и организации, деятельность которых связана с выбросами загрязняющих веществ в атмосферу, обязаны осуществлять постоянный учет количества и состава загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. При нарушении требований по предельно допустимым нормам выбросов, а также когда возникает угроза здоровья населения, выброс загрязняющих веществ в атмосферу должен быть ограничен, приостановлен или запрещен по решению органа, осуществляющего государственный контроль за охраной атмосферного воздуха, вплоть до прекращения деятельности отдельных промышленных установок, цехов, предприятий, учреждений и организаций.

При получении предупреждения о возможном повышении концентрации загрязняющих, веществ в атмосферном воздухе в связи с ожидаемыми неблагоприятными метеорологическими условиями предприятия, учреждения и организации обязаны проводить специально разработанные мероприятия по снижению выбросов таких веществ в атмосферу.
Из вышеизложенного следует, что оптимизация условий работы оборудования при сжигании различного топлива с учетом требований по контролю за вредными выбросами в атмосферу представляет собой достаточно сложную проблему.
Выброс вредных веществ регламентируется санитарными нормами [39], которые устанавливают предельно допустимые концентрации (ПДК) этих веществ в населенных пунктах и в рабочей зоне. Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ, присутствующих в продуктах сгорания углеводородного топлива, приведены в табл. 10.
При сжигании жидкого и газообразного топлива наибольшие трудности при эксплуатации и наладке установок связаны главным образом с ограничением выбросов сажи, оксидов серы и оксидов азота. Требования по ограничению этих выбросов часто предъявляются как со стороны органов санитарного надзора, так и непосредственно от населения, проживающего в близлежащей зоне. Повышение содержания частиц сажи легко обнаруживается по цвету газов на выходе дымовой трубы.
Таблица 10

Совершенно прозрачный выхлоп указывает на отсутствие или сравнительно низкое содержание сажистых выбросов, которые по величине могут быть эквивалентны недожогу топлива в 0—0,2%. При достаточно прозрачном сером цвете выбросов сажистый недожог топлива составляет 0,2—0,5%, а когда из трубы идет плотный черный дым, сажистый недожог топлива может быть 0,5—1% и более. Следует отметить, что во всех вышеупомянутых случаях общий механический недожог топлива может превышать приведенные значения из-за наличия недожога в крупных золовых и коксовых частицах, которые слабо влияют на визуальную оценку выбросов.
Для непрерывного качественного контроля за выбросами сажи на всех энергетических установках необходимо устанавливать дымомеры — приборы, работающие на принципе измерения прозрачности выбрасываемых дымовых газов. Более точная оценка выбросов несгоревшего углерода может производиться специальными приборами.
Наиболее точным и достоверным методом измерения недожога топлива по содержанию углерода в уходящих газах является метод, основанный на принципе фильтрации определенного объема анализируемого газа через термостойкий фильтр с последующим дожиганием сажистых частиц, осевших на фильтре. Образующийся при дожигании углекислый газ поглощается децимолярным раствором гидрата окиси бария 0,05 Мр-р Ва (ОН)2. Объем поглощенного углекислого газа определяется методом объемного титрования. Прибор для определения количества сажистых частиц в топочных газах разработан в НПО ЦКТИ имени И. И. Ползунова и широко применяется при испытании топочного оборудования. Прибор собирается из двух узлов — узел отбора пробы и узел определения массы углерода. Узел отбора пробы состоит из зонда и аспиратора для отсоса пробы газа. Водоохлажденный зонд отбора пробы (рис. 28) вводится в заданную точку анализируемого газового потока, где позволяет одновременно отбирать пробу сажистых частиц и газа для анализа, а также измерять температуру потока. В носовой части зонда имеется специальное гнездо, куда устанавливается кварцевый наконечник с фильтром (рис. 29). Кварцевый наконечник из трубки диаметром 8X1, длиной 300 мм имеет на расстоянии около 90 мм от хвостовой части пережим, перед которым располагается фильтр из каолиновой ваты и пористый керамический фильтр. Керамический фильтр устанавливается при больших скоростях отсоса, чтобы исключить возможность выдувания фильтрующего слоя каолиновой ваты. Аспиратор необходим при отборе пробы из объема, находящегося под разрежением или небольшим давлением. В качестве аспиратора может быть использовано любое устройство, способное создать необходимую скорость отсоса и измерить расход отсасываемого газа. Для повышения точности измерения необходимо, чтобы скорость отсоса во входном сечении была приблизительно равна скорости газа в точке отбора пробы. При отборе пробы необходимо измерить расход и время отбора пробы. Оптимальное время отбора пробы определяется опытным путем по цвету фильтра. Наибольшая точность измерений будет в том случае, когда фильтр приобретет со стороны входа газов темно-серый или черный цвет, а со стороны выхода окрашивается незначительно. Если фильтр полностью забивается хлопьями сажи, необходимо уменьшить время отбора.

Рис. 28. Зонд для отбора пробы механического недожога из факела
1 — наконечник термопары; 2 — спай термопары; 3 — корпус зонда; 4—выводы термопары; 5—сальник пылеотборной трубки; 6 — соединительная трубка; 7 — фильтр из коалиновой ваты; 8 — кварцевый наконечник

Рис. 29. Кварцевый наконечник с фильтром:
1 — кварцевый наконечник; 2—каолиновый фильтр; 3 — керамический фильтр; 4 — пережим

Рис. 30. Схема прибора для определения массы углерода:
1 — кварцевый наконечник; 2—фильтр; 3—печь; 4 — ресивер; 5 — побудитель расхода; 6 — емкость поглощения С02

После отбора пробы кварцевый наконечник вытаскивается из зонда, герметизируется при помощи резиновых пробок и отправляется на анализ. Установка для анализа может находиться в другом помещении, здании или городе.

Рис. 31. Сосуд для поглощения СO2
1 — наконечник подвода газа;

1. — наконечник выхода газа (диаметр 8X1 мм); 3 — резервуар поглощения СО2 диаметром 30X1 мм; 4 — керамический фильтр

Узел для определения массы углерода (рис. 30) состоит из электрической печи, емкости поглощения, побудителя расхода и ресивера. При анализе все элементы схемы соединяются последовательно при помощи резиновых трубок. Побудитель расхода необходим для обеспечения циркуляции газа в газовоздушной схеме, а электропечь для прокаливания пробы при температуре около 1000°С. Побудитель расхода может быть механическим (на небольшой расход газа) или ручным (типа «груша»).
Ресивер (расширяющаяся резиновая емкость) устанавливается для компенсации повышения давления в элементах схемы, что может быть причиной неконтролируемых утечек в соединениях схемы.

Емкость поглощения (рис. 31) предназначена для поглощения углекислого газа, образовавшегося в результате дожигания пробы. Эта емкость выполняется из стекла в виде барботера с пористым керамическим фильтром на входе, который обеспечивает более полное поглощение мелких пузырьков газа децинормальным раствором гидрата окиси бария. В емкость заливается 50 мл раствора Ва(ОН)2, подкрашенного раствором фенолфталеина (100 мг фенолфталеина в 100 мл 70% спирта). При приготовлении раствора Ва(ОН)2 и его хранении необходимо учитывать, что при контакте с воздухом, содержащим СO2, Ва(ОН)2 может частично переходить в ВаСO3.
Непосредственно перед анализом в кварцевый наконечник с отобранной пробой засыпается порошок марганцевокислого калия КМnO4. При нагревании в печи порошок КМnO4 разлагается с выделением кислорода. Полученный кислород, соединяясь с углеродом, образует углекислый газ, который направляется в емкость поглощения. В емкости поглощения происходит реакция

По этой реакции из каждого миллиграмма углерода получается 3,67 мг СO2, на поглощение которого необходимо 14,2 мг Ва(ОН)2 или 1,67 мл децимолярного раствора 0,05МР-Р Ва(ОН)2, ВаСО3 выпадает в осадок.
Прокаливание пробы производится в течение 10—15 мин. За этот период необходимо произвести 10—15-кратную циркуляцию газа, так как при однократном пропускании только около 30% углерода превращается в СО, улавливание и измерение концентрации которого

Определение концентрации сажи вышеописанным способом требует значительного времени. Несколько минут требуется для отбора пробы и около 30—50 мин на дожигание и анализ. Кроме этого, анализ пробы необходимо проводить в химической лаборатории, поэтому промышленные испытания не всегда возможно выполнить. В некоторых странах получил распространение экспресс-метод для определения содержания сажи в топочных газах, который известен как метод Бахараха. Метод Бахараха может применяться как для контроля содержания выбросов, так и при наладке топочного процесса в различных энергетических установках. По этому методу пробу газа засасывают из топочного устройства или газохода специальным поршневым насосом, который одновременно дозирует порцию отсасываемого газа. В процессе отсоса газ пропускается через фильтровальную бумагу. После отсоса степень почернения фильтра сравнивают с эталонной шкалой, по которой определяют число Бахараха, которое может изменяться от 0 до 9.

Рис. 32. Шкала для определения числа Бахараха
Количество пропускаемого газа через 1 см2 фильтровальной бумаги должно составлять 5750±250 мл. Фильтровальная бумага должна иметь коэффициент отражения 85±25% и пропускную способность 3 л/мин через 1 см2 при перепаде давления 2000 Па.

Эталонная шкала также наносится на белую бумагу с коэффициентом отражения 85%. Сравнительные цвета наносятся на бумагу в виде фигур круглой формы белого, серого и черного цветов (рис. 32).
Коэффициент отражения первого круга с номером 0 равен коэффициенту отражения чистой бумаги и соответствует числу Бахараха 0. Коэффициент отражения каждого следующего круга с номерами 1—9 на 10% ниже предыдущего, так что отражательная способность последнего круга с номером 9 составляет только 10% отражательной способности первого.
Сравнение полученного сажевого пятна с эталоном может производиться как визуально, так и фотометрическим способом. При отборе пробы прибором Бахараха необходимо, чтобы температура газа перед фильтровальной бумагой была не менее 150—200 °С.
При сопоставлении данных по содержанию сажи, полученных методом непосредственного анализа и методом Бахараха, было установлено, что существует однозначная зависимость между числом Бахараха и концентрацией сажи в г/м3. Однако характер этой зависимости несколько изменяется при переходе от одного вида топлива к другому. Так, например, при сжигании мазута числу Бахараха 3 соответствует μ≈0,15 г/нм3, 5—μ≈0,25 г/нм3, 7 — μ≈0,35 г/нм3, 9 — μ ≈0,5 г/нм3. При сжигании газа эти значения могут быть в два- три раза меньше из-за более высокой дисперсности сажи газового факела. При сжигании топлива для контроля за выбросами сажи часто используются дымомеры, работающие на принципе рассеяния луча света в газоходе. Эти приборы обладают более низкой точностью и при наладке процесса горения могут использоваться только при их тарировке одним из вышеупомянутых методов.
Процесс сажеобразования в топочном устройстве тесно связан с конструкцией топки, видом сжигаемого топлива и режимом горения.
По сажеобразованию можно судить о процессе горения и оптимальности его характеристик. Хотя в ряде случаев наличие сажи в факеле позволяет в какой-то степени оптимизировать работу топочного устройства (увеличить теплоотдачу факела, снизить выбросы ΝΟх), выброс сажи в атмосферу всегда является нежелательным явлением.
Следует считать, что содержание сажи в уходящих газах, как правило, не должно превышать 0,15—0,2 г/м3, что соответствует числам 3 и 4 по шкале Бахараха. Для контроля за выполнением санитарных норм, отчетности и экспертизы проектов часто требуется произвести расчет выбросов твердых частиц в атмосферу. Этот расчет может производиться по формуле

где Gс — выброс твердых частиц, т/ч; В —расход топлива электростанции, котельной или отдельной установки, т/ч; Ар — зольность рабочей массы топлива, %; q4— потери от
механического недожога, %; ηз.у — КПД золоулавливающих установок.