В судовых котельных установках

Горение любых видов топлива всегда сопровождается образованием таких продуктов окисления, как оксиды углерода (СО и СО₂), азота (NO и NO₂) и вода. При сжигании твердого топлива в воздух поступают, кроме перечисленных загрязняющих веществ, летучая зола с частицами несгоревшего горючего, оксиды серы (SO₂ и SO₃) и тяжелых металлов, наиболее опасными из которых являются ртуть, свинец, кадмий и стронций.

Использование в качестве топлива мазута приводит к загрязнению атмосферного воздуха оксидами серы и азота, продуктами неполного сгорания компонентов мазута и соединениями ванадия.

Природный газ – самый экологически-чистый вид топлива: при его сгорании образуются только оксиды углерода и азота и вода.

Предлагаемая методика предназначена для расчета выбросов в воздух вредных веществ в составе отходящих дымовых газов, образующихся при сжигании твердого топлива, мазута и природного газа в топках промышленных и коммунальных котлоагрегатов и теплогенераторов производительностью до 30 т/ч.

Подавляющее большинство судов торгового флота во всем мире оснащено дизельными энергетическими установками. Эти суда оборудованы вспомогательными котельными установками, которые включают вспомогательный котел, работающий на топливе, и утилизационный котел, где используется тепловая энергия выпускных газов главных двигателей.

В судовых установках используют жидкое топливо. В главных котлах применяют мазут, а во вспомогательных – в основном, топочный мазут, иногда другие сорта нефтяного топлива. Все виды жидких топлив для морских судов получают путем фракционной перегонки сырой нефти при температуре около 300^оС. Мазуты, применяемые в судовых котлах, получают путем смешивания (компаундирования) с маловязкими компонентами нефти тяжелых остатков перегонки нефти или крекинга (разложения) нефтепродуктов. Характерной особенностью мазутов является повышенное (до 10 ÷ 15%) содержание в них асфальтосмолистых веществ (асфальтенов, карбенов и карбоидов), являющихся продуктами окисления нейтральных смол. Карбены и карбоиды содержатся в мазутах в твердом состоянии и характеризуются высокой зольностью. Карбоиды часто называют коксом, так как они не растворяются ни в каких растворителях, имеют высокую температуру окисления и являются основой образования сажи при сгорании топлива. Выход золы при сжигании мазутов составляет от 0,1 до 0,3%. Зола мазутов представляет собой продукт окисления органических соединений металлов, входящих непосредственно в структуру компонентов нефти или попавших в нее из пластовых вод и перешедших в тяжелые остатки нефти при ее перегонке.

2.2.1. Расчет выбросов твердых частиц

Количество золы и несгоревшего топлива М_{тв .}, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами при сжигании твердого и жидкого топлива, рассчитывают по формуле:

(2.5)

где B – расход натурального топлива, г/c (кг/ч, т/г);

– зольность топлива в рабочем состоянии, %;

– коэффициент, зависящий от типа топки и вида топлива (для паровых и водогрейных котлов, работающих на мазуте, f = 0,02);

– доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях (поскольку судовые котельные установки не оборудованы золоуловителями, принимается равной нулю).

2.2.2. Расчет выбросов оксидов серы

Для расчета количества оксидов серы (IV и VI) в пересчете на сернистый газ SO₂, (), которые выбрасываются с дымовыми газами котлоагрегата при сжигании твердого или жидкого топлива, пользуются следующей формулой:

(2.6)

где расход натурального топлива, г/c (кг/ч, т/г);

содержание серы в топливе на рабочую массу, %;

‑ доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива(при сжигании мазута принимается равной 0,02);

‑ доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе.

2.2.3. Расчет выбросов диоксида азота

Поскольку при горении топлива развивается высокая температура, создаются условия для окисления азота в составе воздуха, подаваемого в топку котла. Содержание оксидов азота в отходящих газах быстро возрастает с повышением температуры горения топлива и при 1750^оС достигает существенных значений. При этом в смеси оксидов азота(II и IV) преобладает низший, т.е. NO, в то время как концентрация диоксида азота NO₂ является незначительной. Окисление азота происходит по стадиям, что можно представить следующим образом:

N₂ + O₂ = 2NO (I)

2NO + O₂ = 2NO₂ (II)

Образовавшийся в ядре горения топочной камеры оксид азота NO практически не успевает далее окислиться кислородом дымовых газов за то короткое время, измеряемое секундами, в течение которого газы движутся в пределах парогенератора внешних газоходов и дымовой трубы. Таким образом, в атмосферу поступает в основном NO, который может постепенно окисляться до NO₂ при движении в атмосферном воздухе. Количество оксидов азота (в пересчете на NO₂), выбрасываемых в единицу времени (), рассчитывают по формуле:

(2.7)

где расход топлива за рассматриваемый период времени, кг/ч (т/г);

теплота сгорания топлива, МДж/кг;

параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся в расчете на 1 ГДж теплоты, кг/ГДж;

коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов оксидов азота в результате примененных технических решений (для судовых энергетических установок принимается равным нулю).

2.2.4. Расчет выбросов оксида углерода

При сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч количество оксида углерода, выбрасываемого в единицу времени (), можно рассчитать с помощью следующей формулы:

(2.8)

где расход топлива за рассматриваемый период времени, кг/ч (т/г);

С_СО – выход оксида углерода при сжигании топлива, кг/г;

q_м – потери теплоты, из-за неполного сгорания топлива, вызванного механическими затруднениями, %.

Выход оксида углерода зависит от нескольких параметров и рассчитывается по формуле:

(2.9)

Здесь – потери теплоты из-за неполного окисления топлива, %;

R – коэффициент, учитывающий потери теплоты, обусловленные присутствием в продуктах неполного сгорания оксида углерода (принимается для твердого топлива равным 1,0. для мазута – 0,65, для природного газа – 0,5);

– низшее значение теплоты сгорания топлива, МДж/кг.

При проведении расчетов, если отсутствуют другие, экспериментально полученные, данные, для топки камерного типа, работающей на мазуте, характеристики q_x и q_м принимаются соответственно 0,5% и 0,0%.

2.2.5. Расчет выбросов оксидов ванадия

Количество оксидов ванадия (в пересчете на V₂O₅), поступающее в атмосферу с дымовыми газами котлов за единицу времени вычисляют по формуле:

(2.10)

где – содержание оксидов ванадия в жидком топливе, г/т;

– коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева котлов; для котлов с промежуточными пароперегревателями, поверхности нагрева которых в остановленном состоянии очищают, = 0,07; для котлов без промежуточных пароперегревателей при тех же условиях очистки = 0,05; для остальных случаев = 0;

– доля твердых частиц продуктов сгорания жидкого топлива, улавливаемых в устройствах для очистки отходящих газов.

Если анализ топлива на содержание оксидов ванадия не проводился, то в сжигаемом топливе ориентировочно определяют по нижеприведенной формуле:

(2.11)

Здесь S^p – содержание серы в мазуте, приведенное на рабочую массу, %.

Эта формула справедлива для S^p > 0,4%.

Воспользовавшись формулами 2.5 – 2.11 и данными табл. 2.8 и 2.9, можно рассчитать количество выбрасываемых в атмосферу твердых и газообразных продуктов горения разных видов топлива при эксплуатации различных типов котлов.

Таблица 2.8

Характеристики жидких топлив, используемых на судах

№ п/п	Тип топлива	Зольность Ар, %	Сернистость Sp, %	Низшая теплота сгорания , МДж/кг
1. 2. 3.   4. 5.   19.	Флотский мазу Ф5, вид II Ф5, вид IV Ф12, вид II Топочный мазут марка 40, вид I марка 40, вид II марка 40, вид III марка 40, вид IV марка 40, вид V марка 40, вид VI марка 40, вид VII марка 100, вид I марка 100, вид II марка 100, вид III марка 100, вид IV марка 100, вид V марка 100, вид VI марка 100, видVII Топливо моторное дизельное	0,05 0,05 0,10   0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,04/0,12* 0,05/0,14* 0,05/0,14* 0,05/0,14* 0,05/0,14* 0,05/0,14* 0,05/0,14* 0,05/0,14*   0,05 0,01	1,0 2,0 0,6   0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5   0,4 0,3

Таблица 2.9

Технические характеристики судовых котлов

№ п/п	Тип котла	Паропроизводительность номинальная, кг/ч	Расход топлива(В), кг/ч	КПД, %	кг/ГДж
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.	КВ1-1 КВ-2 КАВ 1,6/7 КАВ 2,5/7 КАВ 4/7 КАВ 6,3/7 КАВ 10/16 КАВ 16/16 КВА 1,0/5-М КВА 0,63/5 КВА 0,25/3-М КВК 1,5/1,7 КВК 2,5 КВК 6/5			95,0 84,0 81,0 80,0 80,7 80,5 78,0 77,5 82,0 76,0 72,0 80,0 76,0 81,0	0,093 0,091 0,068 0,072 0,075 0,078 0,081 0,090 0,063 0,060 0,058 0,068 0,068 0,078