Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

 для студентов всех форм обучения

специальности 5В071700 - Теплоэнергетика

 

 

 

 

 

Алматы 2011 

СОСТАВИТЕЛЬ: Султанбаева Б.М. Инженерная экология. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2011. – 41с.

 

          Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для бакалавров специальности 5В071700 – Теплоэнергетика и подготовлены в соответствии с образовательным стандартом для профильных дисциплин по курсу «Инженерная экология».

          Ил. 7, табл. 14, библиогр.- 12 назв.

 

          Рецензент: КазНТУ им. Сатпаева, д-р хим. наук Г.Д. Елигбаева

 

          Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2010 г. 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011г.

 

Введение

Проблема охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов становится одной из актуальных на современном этапе развития общества.

Энергетика, являющаяся базой развития всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства, имеет наиболее высокие темпы развития и масштабы производства. Потребляемое на тепловых электростанциях органическое топливо содержит вредные примеси, поступление которых в окружающую среду в виде газообразных и твердых компонентов продуктов сгорания оказывает неблагоприятное воздействие на воздушную и водную среду.

В данной работе освещены основные проблемы по улучшению качества окружающей природной среды при производстве электроэнергии и теплоты, описаны методы очистки сточных вод и выбрасываемых в атмосферу газов, приведены расчеты для выбора мероприятий по охране окружающей среды.

Методическая разработка, включающая шесть лабораторных работ, предназначена для бакалавров, изучающих дисциплину «Инженерная экология» в объеме двух кредитов.

 

Лабораторная работа №1. Определение компонентного состава исходного топлива

 

Цель работы: изучение химических методов анализа газового состава в воздушной среде на примере содержания .

 

1.1   Содержание работы

 

          1.1.1  Ознакомление с электрохимическим и хемилюминесцентным методами анализа.

          1.1.2 Определение концентрации  в атмосфере и рабочей зоне с использованием электрохимического анализатора. Определение концентрации  в атмосфере и рабочей зоне с использованием хемилюминесцентного газоанализатора.

 

1.2   Теоретическое введение

 

Для разработки эффективных мероприятий в системе управления чистотой атмосферного воздуха требования к средствам измерения концентрации приоритетных загрязнителей, рассеянных в атмосфере, должны быть следующего характера:

-   определение концентрации вредных веществ должно производиться автоматически, непрерывно, круглосуточно;

-  порог чувствительности средств измерения должен обеспечивать определение концентраций вредных веществ на фоновом уровне;

-    диапазон газоанализатора должен перекрывать пределы концентраций газа, рассеянного в атмосферном воздухе.

          В основу работы анализатора окиси углерода  положен электрохимический метод определения концентрации газа. Датчиком газа служит электрохимический сенсор, принцип действия которого основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников (таких, как  и др.) в присутствии активных газов. Измеряемый газ транспортируется с помощью побудителя расхода в камеру с электрохимическим датчиком  и вызывает на электродах датчика электрическую разность потенциалов, пропорциональную концентрации газа. Разность потенциалов вызывает протекание тока через нагрузочный резистор, с которого снимается напряжение, которое затем усиливается, поступает на аналого-цифровой преобразователь и индицируется на цифровом индикаторе (см. рисунок 1.1).

          Газоанализатор  представляет собой газовый компаратор, в основу работы которого положен хемилюминесцентный метод определения концентрации двуокиси азота. Сущность этого метода состоит в том, что химическое взаимодействие молекул двуокиси азота с датчиком сопровождается люминесценцией. Интенсивность хемилюминесценции пропорциональна содержанию двуокиси азота в анализируемой газовой смеси.

 

 

1 – датчик, 2 – усилитель напряжения, 3 – аналого-цифровой преобразователь, 4 – датчик.

 

Рисунок 1.1 -  Блок-схема электрохимического анализатора

             

Свечение при хемилюминесценции вызывается молекулами продуктов реакции в возбужденных электронных, колебательных и вращательных состояниях. Интенсивность хемилюминесценции зависит от многих физических и химических факторов, к числу которых относятся химический состав и строение молекул, энергетическое состояние люминесцирующих веществ, примеси, температура, давление и др.

Свечение при хемилюминесценции вызывается молекулами продуктов реакции в возбужденных электронных, колебательных и вращательных состояниях. Интенсивность хемилюминесценции зависит от многих физических и химических факторов, к числу  которых относятся: химический состав и строение молекул, энергетическое состояние люминесцирующих веществ, примеси, температура, давление и др. Процесс хемилюминесценции проходит в две стадии.       

Стадия возбуждения – это образование в химической реакции богатых энергией частиц (продукта реакции) в том состоянии, из которого возможен излучательный период:

,                                            (1.1)

 

где  и – исходные реагенты;

– возбужденный продукт;

– другие продукты реакции.

Вторая стадия люминесценции – переход возбужденных молекул  в нормальное состояние  с излучением фотона:

 

.                                                 (1.2)

 

          Работа прибора  начинается с продувки хемилюминесцентного датчика, находящегося в первичном измерительном преобразователе (ПИП) «нулевым газом», то есть не содержащем NO2. Для этого атмосферный воздух через поглотитель  для (Ф4,1) попадает на вход «О» электроклапана 8 (см. рисунок 1.2). В режиме продувки вход электроклапана 8 «О» соединен с выходом «В», а входы «К» из «И1» закрыты. С выхода «В» нулевой газ через противопылевой фильтр 10 попадает в ПИП 11. Побудитель расхода 13 обеспечивает прокачку газа со скоростью заданной регулятором расхода 15 и контролируемый по ротаметру 12 во всех циклах работы прибора.

После продувки осуществляется калибровка. Атмосферный воздух через поглотители Ф4 и осушитель 6 прокачивается через термостатированный источник   9, представляющий собой металлическую емкость, заполненную жидким  с мембраной, через которую идет диффузия  в газовый поток. Далее газ, как и в режиме продувки попадает в ПИП, где формируется калибровочный сигнал.

За циклом калибровки следует цикл измерения . Проба попадает на вход «И1» электроклапана 8. В ПИПе в этом режиме формируется сигнал, соответствующий концентрации NO2. В конце каждого измерения на индикатор выводится показание измеренной концентрации.

 

 

1 - фильтр поглотитель, 2 - поглотитель , 3 – побудитель расхода калибратора, 4 – стабилизатор расхода, 5 – ротаметр калибратора, 6 – осушитель, 7 – смеситель, 8 – включение клапана, 9 – калибратор, 10 – противопылевой фильтр, 11 – первичный измерительный преобразователь,

12 – ротаметр прибора, 13 – побудитель расхода прибора, 14,15 – регулятор расхода.

 

Рисунок 1.2 - Пневматическая схема газоанализатора

 

1.3   Экспериментальная часть

 

          В качестве электрохимического анализатора используется газоанализатор МГЛ-19М с диапазоном измерения массовой концентрации окиси углерода в анализируемом воздухе от 0 до 100 мг/м3.

          В качестве хемилюминесцентного анализатора используется газоанализатор диоксида азота Р-310-11 с диапазоном измеряемых концентраций от 0 до 2000мкг/м3.

          1.3.1 В соответствии с инструкцией по эксплуатации приборы готовятся к работе (техническое описание и инструкция по эксплуатации находятся на лабораторном стенде).

          1.3.2 Произвести измерение концентрации газового состава  в рабочем помещении на протяжении 1 часа.

1.3.3  Произвести измерения концентрации газового состава  по указанию преподавателя на улице.

1.3.4 Произвести измерение концентрации газового состава  в течение одного часа в атмосферном воздухе.

 

1.4   Содержание отчета

 

          Отчет по лабораторной работе должен включать:

1)      результаты измерения по п.п. 1.3.2, 1.3.3, 1.3.4.

2)      графическую зависимость концентраций ,, измеренную на улице, от времени.

3)    графическую зависимость концентрации  в рабочем помещении от времени.

5)  расчет погрешности измерений газоанализатора и расход газов, потребляемых на анализ (л/мин).

6)   сравнительный анализ газового состояния воздуха в рабочей зоне и атмосфере с ПДК.

 

1.5       Контрольные вопросы

 

1.5.1 Перечислите требования, предъявляемые к средствам измерения концентрации загрязнителей атмосферы.

1.5.2  Какой метод положен в основу определения концентрации  оксида углерода  в газовых смесях и в чем он заключается?

1.5.3 Опишите последовательность проведения измерения концентрации

оксида углерода .

1.5.4 В чем сущность хемилюминесцентного метода определения концентрации диоксида азота ?

1.5.5 Опишите работу прибора для определения концентрации диоксида азота .

1.5.6 Какой тип газоанализатора используют для измерения концентраций оксида углерода ? Каков диапазон его измерений?

1.5.7 Какой тип газоанализатора используют для измерения концентраций оксида углерода ? Каков диапазон его измерений? 

 

Лабораторная работа №2.  Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании органического топлива

 

Цель работы: расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города с использованием программы кафедры ПТЭ «КОТEL», файл «ТRASH».

 

2.1  Содержание работы

 

2.1.1 Ознакомиться с исходными данными для расчета, приведенными в компьютерной программе «КОТEL» .

2.1.2  Произвести расчет выбросов твердых частиц летучей золы, монооксида углерода , сернистого ангидрида , диоксида азота в атмосферу согласно индивидуальному заданию.

         

2.2  Теоретическое введение

 

В условиях электростанций состояние окружающего района вблизи ТЭС зависит от вида используемого топлива и организации его сжигания, работы пыле - газоулавливающих установок, устройств для эвакуации дымовых газов в атмосферу, организации эксплуатации оборудования и других условий, связанных с организацией работы энергетических установок. Поэтому специалисты по тепловым электрическим станциям должны не только иметь представление о важности принимаемых мер по охране среды, но и должны правильно выбирать оборудование и обеспечивать рациональную его эксплуатацию с точки зрения снижения до минимума внешних выбросов, уметь контролировать состояние окружающей среды.

В качестве экологических характеристик  продуктов сгорания топлива часто используют валовые (массовые) выбросы.

Массовый выброс - это количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу с уходящими газами в единицу времени (за 1 с).

Массовый выброс вредного вещества за определенный период времени (месяц, квартал, год) называется валовым выбросом (например, ).

 

2.2.1  Твердые частицы.

          Твердые частицы, присутствующие в дымовых газах, представляют собой совокупность летучей золы и несгоревшего в топке топлива (кокса). Массовый выброс твердых частиц вычисляется по уравнению:  

,                               (2.1)

где – расход натурального топлива, ;

  -  зольность топлива на рабочую массу, ;

 - доля золы, уносимой газами из котла (доля золы топлива в уносе, принимается в соответствии с данными, приведенными в таблице 2.1);

 - доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях, с учетом залповых выбросов;

 - потери тепла от механической неполноты сгорания топлива,  (для твердых топлив принимается в соответствии с нормативным документом «Тепловой расчет котельных агрегатов», для мазутных котлов ;

 -  низшая теплота сгорания топлива, ;

- теплота сгорания углерода, .

 

          Таблица 2.1 - Величины коэффициента  для различных топочных устройств

Тип топочного устройства

Величина

Открытые топки с ТШУ

0,95

Открытые топки с ЖШУ

0,7…0,85

Полуоткрытые топки с ЖШУ

0,6…0,8

Двухкамерные топки

0,5…0,6

Топки с вертикальными предтопками

0,2…0,4

Горизонтальные циклонные топки

0,1…0,15

Газомазутные топки

1,0

 

2.2.2  Монооксид углерода .

Вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятных тепловых и аэродинамических условий в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, подавляющая доля которых составляет монооксид углерода  (угарный газ). Содержание  в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов обычно не превышает сотых долей процента () и характеризует потери тепла в котлоагрегате от химической неполноты сгорания.

          Концентрацию моноксида углерода  в дымовых газах расчетным путем определить невозможно. Это объясняется существенной зависимостью процессов образования и окисления  от способа сжигания топлива, режимных условий. Поэтому расчет валовых выбросов  следует выполнять по данным  инструментальных замеров. В этом случае массовый выброс монооксида углерода  находится по формуле

                                                   (2.2)

где  - концентрация  в дымовых газах , определенная с помощью газоанализаторов;

- расход дымовых газов  в сечении газохода, в котором производилось определение содержания .      

          В качестве первого приближения массовый выброс монооксида углерода  может быть оценен с помощью следующего выражения:

,                                            (2.3)

          где  - удельный массовый выход монооксида углерода при сжигании твердого, жидкого  и газообразного топлива при эксплуатационных режимах работы котла,  или ;

  -   расход натурального топлива за рассматриваемый период, ;

 -   потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива,.

          В свою очередь, удельный выход монооксида углерода ,  или  или определяется как

,                                                     (2.4)

          где  - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, ;

 - коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленной содержанием  в продуктах сгорания:

-         для твердых топлив ;

-         для газа ;

-         для мазута ;

 -   низшая теплота сгорания натурального топлива, .

          При сжигании газа и мазута с предельно малыми избытками воздуха следует принимать ; при  >  следует принимать . При сжигании мазута рекомендуется принимать

 

2.2.3  Оксиды серы .

При сжигании сернистых топлив практически вся присутствующая в нем сера окисляется до сернистого ангидрида :

.

Часть  затем доокисляется до серного ангидрида в ходе гомогенных реакций непосредственно при горении топлива:

,

А также в результате протекания гетерогенных реакций окисления  на поверхностях нагрева с участием катализаторов, которыми могут быть :                                      .

          Суммарное количество образовавшихся при сжигании сернистых топлив оксидов серы  принято определять в пересчете на диоксид серы . Расчет массового выброса оксидов серы  выполняется  по следующему балансовому стехиометрическому выражению:

=                            (2.5)

где  – расход натурального топлива, ;

 -  содержание серы в топливе на рабочую массу, ;

 доля оксидов серы, связываемых летучей золой в газоотходах котла;  доля оксидов серы, улавливаемых  в золоуловителе;

 доля оксидов серы, улавливаемых в установках сероочистки дымовых газов, величина принимается по паспортным данным установки;

- длительность работы установки сероочистки и котла соответственно, .                                                                                 

          Доля оксидов серы , улавливаемых в сухих золоуловителях (электрофильтрах, батарейных циклонах), принимается равной нулю.

 

2.2.4  Оксиды азота.

При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционноспособным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды:

.

Исследования показали, что основная доля образовавшихся , а именно , приходится на монооксид азота . Диоксид азота  и гемиооксид азота  образуются в образуются в значительно меньшем количестве: - сотые доли процента от общего выброса .

          Суммарный массовый выброс оксидов азота  в пересчете на   ), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котла при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива, рассчитывается по соотношению

              (2.6)

где – расход условного топлива,  ;

- коэффициент, характеризующий удельный выход оксидов азота на 1  сжигаемого топлива, ;

  -  потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, ;

  -  коэффициент, учитывающий влияние на выход оксидов азота качества сжигаемого топлива;

  -  коэффициент, учитывающий конструкцию горелок и равный:

-         для вихревых горелок – 1,0;

-         для прямоточных горелок – 0,85;                                                                  

  -  коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления и равный: 

-         при твердом шлакоудалении – 1,0;

-         при жидком шлакоудалении – 0,85;

- коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов на выход оксидов азота в зависимости от условий подачи их в топку;

 -  коэффициент, характеризующий уменьшение выбросов оксидов азота (при двухступенчатом сжигании) при подаче части воздуха δв помимо основных горелок при условии сохранения общего избытка воздуха за котлом, определяется по рисунку 2.1;

   -   степень рециркуляции дымовых газов;

 -   доля оксидов азота, улавливаемых в азотоочистной установке;

- длительность работы соответственно азотоочистной установки и котла, ;

  -   коэффициент пересчета:

-         при валовых выбросах в граммах в секунду kп = 0,278;

-         при расчете выбросов в тоннах kп = 10-3.

Коэффициент  вычисляется по следующим эмпирическим формулам:

-         для паровых котлов производительностью 30…75 т/ч:

,                                            (2.7)

          где  и  - соответственно номинальная и фактическая паропроизводительность котла, ;

-         для водогрейных котлов мощностью 125…210 ГДж/ч (30…50 Гкал/ч):

,                                            (2.8)

          где Qн и Qф – соответственно номинальная и фактическая тепловая мощность котла, .

 

 

Рисунок - 2.1  Значение коэффициента  в зависимости от доли воздуха, подаваемого помимо основных горелок  (1 – мазут, 2 – уголь, 3 - газ)

 

          Значения коэффициента  принимаются:

-         при сжигании твердого топлива:

при     ;

при    >  ,

где - содержание азота в топливе на горючую массу,;

-         при сжигании жидкого и газообразного топлива:

при    >  ;

при     ;

при    <  .

 

2.3    Экспериментальная часть

 

          Определение выбросов вредных веществ проводится на персональном компьютере. Программа выполняет расчеты выбросов загрязняющих веществ (твердых частиц, оксидов серы, азота и углерода) с дымовыми газами от котлов производительностью свыше 30  и газотурбинных установок тепловых электростанций. Алгоритмы расчетов основаны на математическом аппарате и нормативных материалах, заложенных в ОНД - 86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий».

 2.3.1 Согласно индивидуальному заданию (см. таблицу 2.2) ввести исходные данные в компьютер.

2.3.2  Произвести расчет выбросов вредных веществ в атмосферу города  Казахстана при сжигании  топлива (твердого, жидкого, газообразного) в котельном агрегате (паровой, водогрейный, марка, мощность).

 

2.4    Содержание отчета

 

          Отчет по лабораторной работе должен включать:

1)    исходные данные по топливу, тепловой схеме котельной, типу котельного агрегата, климатологические данные города;

2)   результаты расчета массовых и годовых выбросов загрязняющих веществ;

3)   анализ полученных результатов, предложения мер по снижению выбросов загрязняющих веществ, оценку результатов их внедрения.

 

2.5   Контрольные вопросы

 

2.5.1  Что называют массовым выбросом, валовым выбросом? Какова единица измерения этих величин?

2.5.2  По какой формуле рассчитывается массовый выброс твердых частиц, присутствующих в дымовых газах?

2.5.3   Опишите процесс образования оксида углерода  в продуктах сгорания топлива.

2.5.4  Какова расчетная формула массового выброса  в дымовых газах ?

2.5.5  Какой расчет проводится для определения массового выброса оксида серы в дымовых газах? 2.5.6 В какой последовательности проводят расчет массового выброса диоксида азота ?


Т а б л и ц а 2.2 - Исходные данные, вариант задания

Номер варианта задания

01

02

03

04

05

06

07

08

Город

Алматы

Астана

Актюбинск

Балхаш

Караганда

Костанай

Семей

Уральск

Тепловая схема котельной

с водогрейными котлами

Тип котельного агрегата

камерные топки паровых и водогрейных котлов

Вид топлива

мазут

мазут

мазут

мазут

мазут

мазут

мазут

мазут

Расход топлива, В, т/час

7,350

7,350

7,350

7,350

7,350

7,350

7,350

7,350

Влажность топлива, W, %

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

Зольность топлива, Ар, %

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

Содержание серы S, %

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

Содержание углерода С, %

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

Содержание водорода Н, %

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

Содержание азота + кислорода, %

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, Q, МДж/кг

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

КПД золоуловителя, η, %

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

Коэффициент Х

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

0,010

КСО, кол-во теплоты на 1-цу теплоты, выделяющейся при горении, кг/кДж

0,320

0,320

0,320

0,320

0,320

0,320

0,320

0,320

q4, потеря теплоты от неполноты горения, %

0,020

0,019

0,018

0,017

0,016

0,020

0,019

0,018

Тип горелок

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

Коэффициент избытка воздуха, α

1,250

1,240

1,230

1,220

1,210

1,200

1,190

1,180

Коэффициент рециркуляции прод.сгорания, r

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

Номинальная теплопроизв-ть котла, Q, МВт

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

Действительная теплопроиз-ть котла, Qд, МВт

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

23,200

Число дымовых труб

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

Ориентировочная скорость выхода

дымовых газов из труб, ω0, м/с

25,000

30,000

25,000

30,000

25,000

30,000

25,000

30,000

Число часов работы котельной в году, ч/год

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

Температура уходящих газов, tух, 0С

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

Температура самого жаркого месяца, 0С

23,30

20,20

22,30

24,20

20,30

20,20

22,20

22.60

Продолжение таблицы 2.2

Номер варианта задания

09

10

11

12

13

14

15

16

Город

Алматы

Астана

Актюбинск

Балхаш

Караганда

Костанай

Семей

Уральск

Тепловая схема котельной

с паровыми котлами

Тип котельного агрегата

топки с неподвижной решеткой и ручным забросом угля

Вид топлива

уголь Экибастузский при твердом шлакоудалении

Расход топлива, В, т/час

10,500

10,500

10,500

10,500

10,500

10,500

10,500

10,500

Влажность топлива, W, %

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

Зольность топлива, Ар, %

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

0,050

Содержание серы S, %

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

Содержание углерода С, %

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

84,650

Содержание водорода Н, %

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

11,700

Содержание азота + кислорода, %

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, Q, МДж/кг

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

40,300

КПД золоуловителя, η, % 

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

Коэффициент Х

0,0023

0,0023

0,0023

0,0023

0,0023

0,0023

0,0023

0,0023

КСО, кол-во теплоты на 1-цу теплоты, выделяющейся при горении, кг/кДж

1,900

1,900

1,900

1,900

1,900

1,900

1,900

1,900

q4, потеря теплоты от неполноты горения, %

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

Тип горелок

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

вихревые

прямоточ

Коэффициент избытка воздуха, α

1,250

1,260

1,270

1,280

1,290

1,300

1,310

1,320

Коэффициент рециркуляции прод.сгорания, r

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

Номинальная паропроизв-ть котла,, МВт

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

Действительная паропроизв-ть котла, Dд,МВт

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

50,000

Число дымовых труб

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

1,000

Ориентировочная скорость выхода

дымовых газов из труб, ω0, м/с

25,00

30,000

25,000

30,000

25,000

30,000

25,000

30,000

Число часов работы котельной в году, ч/год

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

8400,000

Температура уходящих газов, tух, 0С

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

155,000

Температура самого жаркого месяца, 0С

23,30

20,20

22,30

24,20

20,30

20,20

22,20

22.60


Лабораторная работа №3.  Расчет рассеивания выбросов вредных веществ в атмосфере и выбор дымовой трубы

 

Цель работы: расчет рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города и минимальной высоты дымовой трубы с использованием программы кафедры ПТЭ «КОТEL», файл «ТRASH».

 

3.1  Содержание работы

 

3.1.1   Ознакомиться с исходными данными для расчета, приведенными в компьютерной программе «КОТEL» .

3.1.2 Произвести расчет минимальной высоты дымовой трубы, построить кривые рассеивания загрязняющих веществ согласно индивидуальному заданию.

 

3.2  Теоретическое введение

 

          В результате распространения (рассеивания) выбросов концентрация вредных веществ, попавших в атмосферу, уменьшается при удалении от дымовой трубы. На процесс рассеивания влияют следующие факторы:

1)     геометрические характеристики источника выброса (высота и диаметр устья дымовой трубы);

2)  свойства выбрасываемой газовоздушной смеси (объем выброса, температура газов и концентрация вредных веществ в них);

3)       метереологические и географические условия в зоне выброса.

Расчет рассеивания производится в соответствии с нормами (ОНД-86) для приземного слоя атмосферы  - на высоте 2,0 м от поверхности земли.

          Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями в атмосферу регламентируются  ГОСТ 17.2.3.02-78.

          Основой нормативного метода является  максимальное значение приземной концентрации . Максимальная приземная концентрация устанавливается на некотором расстоянии от источника выброса  с круглым устьем при наиболее неблагоприятных условиях.

Например, для горячих точечных источников ():

   ,                                                  (3.1)

          где - высота трубы, ;

-  расход выбрасываемого в атмосферу вещества (мощность выбросов), ;

- разность температур выбрасываемых газов и атмосферного воздуха;

  -   полный объем выбрасываемых (дымовых) газов на срезе трубы, ;

  -   коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства атмосферы.

Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метереологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:

1)    250 – для районов Средней Азии южнее 40 с.ш., Бурятской АССР и Читинской области;

2)     200 – для Европейской территории СНГ, для районов России южнее 50 с.ш., для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии, для Азиатской территории СНГ, для Казахстана, Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии;

3)    180 – для Европейской территории СНГ и Урала от 50 до 52 с.ш., за исключением попадающих в зону перечисленных выше районов и Украины;

4)     160 – для Европейской территории СНГ и Урала севернее 52 с.ш., а также для Украины (для расположенных на Украине источников высотой менее 200м в зоне от 50 до 52 с.ш. – 180, а южнее 50 с.ш. - 200).

5)     140 – для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей.

  -   безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности .

 -    безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе:

-          для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость оседания которых практически равна нулю);

-    для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных выше) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90%;

-          при степени очистки от 75 до 90%;

-          при отсутствии очистки.

 - коэффициенты, определение которых дано ниже.

          Для источников, температура выброса которых мало отличается от температуры воздуха (), используется уравнение:

                                              .                                                    (3.2)

          Для горячих источников расстояние  от источника выбросов до точки, где приземная концентрация , достигает максимального значения  определяется по формуле:

                                               .                                                     (3.3)

          Мощность горячих () выбросов, соответствующая заданному значению максимальной концентрации , определяется по формуле:                                                  

                                               .                                                   (3.4)

          Мощность холодных выбросов при  или  находится из выражения:

                                                 .                                                     (3.5)

          Регламентация выбросов в атмосферу  осуществляется путем установления ПДВ вредных веществ в атмосферу. При этом обязательно учитываются фоновые концентрации  и эффект суммирования.

          Для нагретых выбросов

                                       ,                                           (3.7)

          для холодных выбросов

                                       .                                           (3.8)         

          Назначение дымовой трубы – рассеивание содержащихся в дымовых газах вредных веществ так, чтобы их концентрация в приземном слое не превышала предельно допустимых концентраций (ПДК).

          Дымовые трубы стандартизированы. Высота труб выбирается с шагом по высоте в 30м из ряда: 120, 150, 180, 240, 270, 300, 330, 360, 390, 400, 450м. Диаметры устья трубы, м:  6,0;  7,2;  8,4;  9,6;  10,8;  12,0;  13,8.

          Значение высоты дымовой трубы рассчитывается по формуле:

,                                            (3.9)

          где  – фоновая концентрация вредных веществ, характеризующая загрязнение атмосферы, создаваемое другими источниками.    

          Диаметр устья трубы определяют по формуле:

,                                                     (3.10)

          где  – скорость выхода дымовых газов из трубы, м/с, которая определяется в зависимости от высоты дымовой трубы (задается ориентировочно).

          Высота трубы, м: 120, 150, 180, 240, 330 – 420.

          Скорость газов, м/с: 15 – 25, 25 – 30, 25 – 35, 30 – 40, 35 - 45.

          По принятой ориентировочно высоте трубы определяются безразмерные коэффициенты  и , учитывающие условия выхода дымовых газов из трубы. Значения коэффициентов  и  рассчитываются в зависимости от параметров :                                

 ,                                                     (3.12)

 

.                                                   (3.13)

Значение  определяется по формулам:

    при < ,                       (3.14)

 

                                    при  .                      (3.15)

Коэффициент  определяется:

                                                                при   > 2,                           (3.16)

      при 0,5 ≤ < 2,                    (3.17)

                                                         при < 0,5.                          (3.18)

          Высота источника , соответствующая значению  в случае  определяется по формуле                                              

.                                                   (3.19)

          Если правильно рассчитана высота дымовой трубы, то  должна быть меньше ПДК того вредного вещества, по массе выброса которого она определена.

 

3.3  Экспериментальная часть

 

          Проведение расчетов по определению минимальной высоты дымовой трубы, а также концентраций вредных веществ в разных точках площади их рассеивания требует большого числа однотипных расчетов. Поэтому целесообразно такие расчеты выполнять с помощью компьютера.

          В основу алгоритма программы положена методика ручного счета, представленная в ОНД - 86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Так как величина максимальной приземной концентрации вредных веществ см является сложной нелинейной функцией от высоты дымовой трубы Н, то для нахождения и высоты дымовой трубы, и полей концентраций используются численные методы. Программа работает в диалоговом режиме, что позволяет пользователю получать результаты в удобной для него форме в виде таблиц, графиков.         

3.3.1  Согласно индивидуальному заданию (см. таблицу 2.2 предыдущей лабораторной работы) ввести исходные данные в компьютер.

3.3.2 Произвести расчет максимальной приземной концентрации вредных веществ  при опасной скорости ветра, определить расстояние  от источника выброса, на котором достигается максимальная концентрация вредного вещества.

3.3.3   Произвести расчет минимальной высоты дымовой трубы.

3.3.4  На основании расчетных данных построить кривые рассеивания загрязняющих веществ. Графическая зависимость  должна быть представлены в отчете следующим образом:

 

 

Рисунок 3.1 - Зависимость концентрации вредного вещества от расстояния  от источника загрязнения

 

3.4  Содержание отчета

 

          Отчет по лабораторной работе должен включать:

1)   уточняющий расчет коэффициентов ;

2) результаты расчета максимальной приземной концентрации вредных веществ, минимальной высоты дымовой трубы;

3)   расчет концентраций вредных веществ в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях от дымовой трубы;

4)   кривые рассеивания загрязняющих веществ;

5)   анализ полученных результатов, предложения мер по снижению выбросов загрязняющих веществ, оценку результатов их внедрения.

 

3.5   Контрольные вопросы

 

3.5.1    Дайте определение  максимальной приземной концентрации.

3.5.2 Приведите расчетную формулу максимальной приземной концентрации. Охарактеризуйте  величины, входящие в расчетную формулу.

3.5.3 По какой формуле определяют максимальную приземную концентрацию  выбросов, температура которых мало отличается от температуры воздуха?

3.5.4 По какой формуле рассчитывают для горячих источников расстояние  от источника выбросов до точки, где достигается максимальная приземная концентрация?

3.5.5 В чем назначение дымовой трубы? Какова  формула расчета величины высоты дымовой трубы?

3.5.6  Какова расчетная формула диаметра устья дымовой трубы?

3.5.7  По каким формулам определяют величины коэффициентов и ?

Лабораторная работа №4. Определение компонентного состава сточных вод фотоколориметрическим методом

 

Цель работы:  изучение фотоколориметрического метода анализа качества сточных вод на примере определения содержания ионов  в водном растворе.

 

4.1  Содержание работы

 

4.1.1  Ознакомление с принципами фотоколориметрического анализа.

4.1.2 Исследование зависимости оптической плотности от концентрации ионов железа .

4.1.3  Определение концентрации ионов железав контрольном растворе.

 

4.2  Теоретическое введение

 

          Фотоколориметрические методы анализа водных сред относятся к оптическим методам, в основу которых положена зависимость оптических свойств анализируемой среды или свойств проходящего через нее электромагнитного излучения от количества определяемого компонента в анализируемой пробе.

          К оптическим свойствам анализируемой среды относят: интенсивность окраски, цвет, светопоглощение, светорассеяние, преломление света, свечение вещества под действием света.

          Фотоколориметрические методы анализа водных сред основаны на зависимости поглощения света при его прохождении через воду. При этом ослабление светового потока происходит вследствие перехода световой энергии во внутреннюю энергию вещества. Поглощение света является функцией от его длины, и эта зависимость определяет спектр поглощения среды.

          Общие законы поглощения имеют простой вид для монохроматического света. Тонкий слой воды поглощает долю энергии входящего в него параллельного пучка света с длиной волны  пропорционально толщине этого слоя :

     ,                                                   (4.1)

          где - интенсивность светового потока;

-  его уменьшение вследствие поглощения света;

  -  коэффициент, зависящий от химической природы вещества:  не зависит от интенсивности светового потока  при его изменении в пределах, которые используются в фотоколориметрических методах;

С  -  концентрация загрязнителя.

          Интегрирование (4.1) дает интенсивность светового потока, проходящего через слой среды толщиной :

,                                                    (4.2)

где - интенсивность входящего в среду светового потока.

          Убывание светового потока, согласно экспоненциальному закону (4.2), строго справедливо для поглощения монохроматического света. Для не монохроматического света эти зависимости справедливы уже с определенной долей приближения. Закон (4.2) можно записать в виде:

.                                            (4.3)

          Этот закон экспериментально открыт П.Бугером (1729), теоретически выведен И.Г.Ламбертом (1760) и для растворов исследован А.Бером (1852). Величину  называют оптической плотностью (или поглощением).

          Величину пропускания светового потока  определяют экспериментально. Из уравнения (4.3) найдем выражение для определения концентрации загрязняющего вещества:

.                                                      (4.4)

          Выражение (4.4) используется для определения концентрации С загрязнителя, так как в правой его части находятся известные и измеренные величины.

          Измерения оптической плотности раствора в зависимости от длины волны светового излучения производятся на спектрофотометрах. Фотометрические методы основаны на сравнении поглощения света стандартным и исследуемым растворами.

          Оптические анализаторы подразделяются на монохроматические, в которых используют излучение с определенной длиной волны, и немонохроматические с широким спектром длин волн излучения.         

          Оптический анализатор состоит из следующих основных узлов: излучатель, кювета с анализируемой жидкостью и приемник (см. рисунок 4.1).

 

Рисунок 4.1 - Принцип измерения коэффициента пропускания

 

Степень поглощения света анализируемым раствором измеряют с помощью фотоколориметров и спектрофотометров. Оптическую плотность стандартного и исследуемого растворов, предварительно окрашенных, всегда определяют по отношению к растворителю (нулевой раствор). В качестве раствора сравнения в большинстве случаев применяют дистиллированную воду.

          Фотоколориметрический способ измерения заключается в определении концентрации раствора по степени ослабления интенсивности первоначального светового потока с помощью фотоэлементов. Фотоколориметры имеют шкалы, отградуированные в единицах оптической плотности. При анализе используют графики «Оптическая плотность – концентрация», которые строят на основании измерений оптической плотности нескольких стандартных растворов.

 

4.3   Экспериментальная часть

 

4.3.1  В качестве фотоэлектроколориметра используется прибор КФК-2МП. В соответствии с инструкцией по эксплуатации подготовить прибор к работе.

4.3.2  Приготовление растворов.

          Аликвотную часть исследуемого раствора поместить в мерную колбу объемом 100 мл, разбавить дистиллированной водой до 50 мл. Через 2 минуты добавить 15 мл раствора сульфосалициловой кислоты с концентрацией 200 г/л, нейтрализовать раствором аммиака (разбавленным 1:1) до устойчивого желтого цвета и добавить 3 - 4 мл раствора аммиака в избыток. Полученный раствор в колбе довести до метки дистиллированной водой, закрыть пробкой и тщательно перемешать.

          Оптическую плотность раствора измерить на фотоэлектроколориметре (фиолетовый фильтр, длина волны λ=400 нм) в кювете с толщиной  l - 2 см. Для сравнения использовать раствор «холостого опыта». Содержание железа(III) в исследуемом растворе определить по градуировочному графику путем экстраполяции на ось Х.

4.3.3  Построение градуировочного графика.

          В мерные колбы внести соответственно 0,1 , 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 мл Fe(III), далее добавить реагенты согласно приведенной выше методике. После измерения оптической плотности растворов относительно «холостого опыта» построить градуировочный график в координатах «оптическая плотность раствора – концентрация Fe(III)».

4.3.4 Выполнить измерение концентрации ионов железа (Ш) в воде для контрольного образца.

 

4.4  Содержание отчета

 

          Отчет должен содержать:

1)     Результаты измерения при определении градуированной зависимости в виде таблицы и графика; обсуждение влияния концентрации вещества на оптические свойства раствора.

2)    Результат измерения содержания ионов железа (Ш) в анализируемом растворе.

3)       Анализ сравнения  ионов железа (Ш) в анализируемой сточной воде с ПДК (), вывод.

 

4.5   Контрольные вопросы

 

4.5.1 В чем заключается  фотоколориметрические методы анализа водных сред?

4.5.2   Какую зависимость выражает закон Бугера-Ламберта-Бера?

4.5.3  Что представляет собой оптический анализатор? На чем основан принцип его работы?

4.5.4   Приведите последовательность проведения анализа сточной воды на фотоэлектроколориметре.

 

Лабораторная работа №5.  Расчет циклонов

 

Цель работы: приобретение навыков по выбору и расчету газоочистных аппаратов (циклонов).

 

5.1   Содержание работы

 

5.1.1 Ознакомление с теоретическим материалом по устройству, принципам работы обеспыливающих и каплеулавливающих устройств, по расчету газоочистных аппаратов

5.1.2  Выполнение расчета циклона.

5.1.3  Анализ полученных результатов.

 

5.2       Теоретическое введение

 

          Эффективность работы газоочистных устройств в большой степени зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.     

          Аппараты золоулавливания можно разбить на 4 группы. 

-      Сухие инерционные – механические устройства, в которых взвешенные частицы отделяются под действием сил тяжести, инерции или центробежной силы (циклоны Ц, батарейные циклоны, прямоточные батарейные циклоны ПБЦ).

-      Мокрые золоуловители, в которых взвешенные частицы отделяются от газа путем промывки или орошения их водой, либо путем улавливания частиц на водяной пленке. К этой группе относятся центробежные скрубберы ЦС и мокропрутковые золоуловители МП, золоуловители с трубой Вентури.

   Комбинированные золоуловители, в которых используются различные способы очистки (например, БЦ-ПГД).

    Электрофильтры, в которых взвешенные частицы золы отделяются от газа под действием электрических сил. Это вертикальные пластинчатые электрофильтры ДВП и горизонтальные ДГП, ДГПН, ПГЗ, ПГДС, УГ.

          В качестве инерционных (механических) золоуловителей наибольшее применение получили циклоны, в которых осаждение происходит за счет центробежных сил при вращательном движении потока. В настоящее время циклоны устанавливаются на котлах паропроизводительностью до 500 т/ч.

Центробежный эффект сильнее проявляется у крупных частиц, поэтому циклоны предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли.

          Для повышения степени улавливания применяют циклоны небольшого диаметра (0,23 - 0,5м), объединяемые в батареи (батарейные циклоны). Степень улавливания батарейных циклонов находится на уровне 82-90% при гидравлическом сопротивлении 500-700 Па.

          Параметр золоулавливания батарейного циклона рассчитывается по формуле:

,                                              (5.1)

          где  - скорость газов, отнесенная к полному поперечному сечению циклона, ;

– коэффициент, учитывающий тип циклона.

          Из этого выражения следует, что степень улавливания возрастает с ростом скорости газов и уменьшением радиуса циклона.

                 

 

Рисунок 5.1 - Циклон

 

          Для расчета циклона необходимо иметь следующие исходные данные:

-        объем очищаемого газа ;

-        плотность газа при рабочих условиях ;

-        вязкость газа при рабочей температуре ;

-        дисперсный состав пыли ;

-        входная концентрация пыли ;

-        требуемая эффективность очистки .

         Принят следующий ряд внутреннего типового диаметра циклонов

150; 200; 300; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2400; 3000.

         Бункеры циклонов имеют цилиндрическую форму диаметром 1,5 для цилиндрических и 1,2 для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера составляет 0,8.

         Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений.

 

5.3   Экспериментальная часть

 

5.3.1 Методика расчета циклона

1)      Определяют оптимальную скорость движения газа  в зависимости от типа циклона (см. таблицу 5.1).

 

Таблица 5.1 – Оптимальная скорость движения газа  в зависимости от типа циклона

Тип циклона

ЦН-24

ЦН-15

ЦН-11

СДК-ЦН-33

СК-ЦН-34

СК-ЦН-34м

4,5

3,5

3,5

2,0

1,7

2,0

 

2)      Рассчитывают диаметр циклона:

 .                                                     (5.2)

Полученное значение необходимо округлить до ближайшего типового значения. Если значение  превышает максимальное типовое значение, то необходимо применять два или более параллельно установленных циклонов.

3)      Рассчитывают действительную скорость потока в циклоне:

           ,                                                     (5.3)

где - число циклонов.

          Значение   не должно отклоняться от  более, чем на 15%.

4)      Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления:

                       ,                                                     (5.4)

где  - поправочные коэффициенты, зависящие от  и типа циклона (см. таблицу 5.2 и 5.3);

           - коэффициент гидравлического сопротивления при  (см. таблицу 5.4).

5)      Рассчитывают значение гидравлического сопротивления:

                                        (5.5)

Таблица 5.2 - Значения  при различных значениях  и типов циклона

Тип циклона

150

200

300

450

> 500

ЦН-11

0,94

0,95

0,96

0,99

1,0

ЦН-15, ЦН-24

0,85

0,9

0,93

1,0

1,0

СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и 34м

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

 

Таблица 5.3 - Значения  при различных значениях  и типов циклона

Тип

циклона

0

10

20

40

80

120

150

ЦН-11

1

0,96

0,94

0,92

0,90

0,87

-

ЦН-15

1

0,93

0,92

0,91

0,90

0,87

0,86

ЦН-24

1

0,95

0,93

0,92

0,90

0,87

0,87

СДК-ЦН-33

1

0,81

0,785

0,78

0,77

0,76

0,745

СК-ЦН-34

1

0,98

0,947

0,93

0,915

0,91

0,90

СК-ЦН-34м

1

0,99

0,97

0,95

-

-

-

 

Таблица 5.4 - Значения  в зависимости от типов циклона

Тип циклона

Выхлоп в

Тип циклона

Выхлоп в

атмосферу

гидросеть

атмосферу

гидросеть

ЦН-11

245

250

СДК-ЦН-33

520

600

ЦН-15

155

163

СК-ЦН-34

1050

1150

ЦН-24

75

80

СК-ЦН-34м

-

2000

 

6)      Определяют эффективность очистки:

,                                                      (5.6)

          где - табличная функция параметра х (см. таблицу 5.5, 5,6).

                                                      (5.7)

 

Таблица 5.5 – Значение  в зависимости от типа циклона

Тип циклона

ЦН-24

ЦН-15

ЦН-11

СДК-ЦН-33

СК-ЦН-34

СК-ЦН-34м

8,5

4,5

3,65

2,31

1,95

1,3

 

Значение определяется по формуле:

,                                            (5.8)

где - плотность частицы;

 - вязкость среды;

 - скорость потока;

= 600 ;

индекс «т» означает типовое значение параметра.

 

Таблица 5.6 - Значение в зависимости от параметра х

-2,7

-2,0

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,2

0,004

0,023

0,055

0,081

0,115

0,159

0,212

0,274

0,421

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,6

1,8

2,7

0,5

0,579

0,655

0,726

0,788

0,885

0,964

0,964

0,997

 

7)     Осуществляют выбор циклона. Если расчетное меньше требуемого, то необходимо выбрать другой циклон с большим гидравлическим сопротивлением R. Можно пользоваться формулой:

,                                           (5.9)

          где индексы 1и 2 соответствуют двум различным циклонам.

8)    Рассчитывают конструкционные размеры циклона (см. таблицу 5.7) в соответствии с диаметром D выбранного циклона:

,                                                  (5.10)

         

Таблица 5.7 – Значения коэффициента пропорциональности k

Параметр

Тип циклона

ЦН-11

ЦН-15

ЦН-24

СДК- ЦН-33

СК- ЦН-34

СК- ЦН-34м

Диаметр выхлопной трубы d

0,59

0,334

0,34

0,22

Диаметр пылевыпускного отверстия d1

0,3 - 0,4

0,334

0,23

0,18

Диаметр входного патрубка b

0,2

0,264

0,214

0,18

Длина входного патрубка l

0,6

Высота входного патрубка а

0,48

0,66

1,11

0,535

0,515

0,4

Высота выхлопной

трубы (ВТ) hт

1,56

1,74

2,11

0,535

0,515

0,4

Высота внешней части (ВТ) hв

0,3

0,3

0,4

0,2 - 0,3

Высота цилиндрической

части Нц

2,06

2,06

2,11

0,535

0,515

0,4

Высота конуса Нфл

2,0

2,0

1,75

3,0

2,11

2,6

Высота установки фланца hфл

0,1

Общая высота циклона Н

4,38

4,56

4,26

3,835

2,925

3,3

 

          где х – параметр циклона (диаметр, ширина, высота);

k – коэффициент пропорциональности (см. таблицу 5.7).

Радиус улитки:

,                                         (5.11)

          где b – ширина входного патрубка;

φ = 135° = 2,35 рад.

          5.3.2 Согласно индивидуальному заданию ввести исходные данные в компьютер (см. таблицу 5.8).

          5.3.3 С помощью редактора EXEL произвести расчет циклона (файл «Расчет циклона, exl.»).

 

Таблица 5.8 – Исходные данные для расчета циклона

вар.

Тип циклона

Q, м3

Свх, г/м3

ρг, кг/м3

ρч, кг/м3

μ·106, Па·с

η

1

ЦН-11

12

40

1,34

1930

22,2

0,95

2

ЦН-11

15

120

1,35

2230

22,1

0,65

3

ЦН-15

17

80

1,36

1650

22,0

0,75

4

ЦН-15

20

10

1,37

1700

21,9

0,95

5

ЦН-24

25

20

1,38

1750

21,8

0,90

6

ЦН-24

30

40

1,39

1900

21,7

0,85

7

СДК-ЦН-33

8

150

1,33

2130

21,6

0,65

8

СК-ЦН-34

5

80

1,32

2050

21,5

0,75

9

СК-ЦН-34м

1

40

1,31

2100

21,4

0,75

10

ЦН-11

10

80

1,24

1900

21,2

0,90

11

ЦН-11

14

80

1,25

2130

21,1

0,75

12

ЦН-15

16

40

1,26

1750

21,0

0,85

 

5.4  Содержание отчета

 

          Отчет должен содержать:

1)  Краткий теоретический материал по классификации и выбору газоочистных устройств.

2)    Результаты последовательных расчетов параметров циклона согласно индивидуальному заданию

3)       Вывод по результатам расчета.

 

5.5   Контрольные вопросы

 

5.5.1   Приведите классификацию газоочистных устройств.

5.5.2   На каком принципе основано действие батарейного циклона?

5.5.3 По какой формуле рассчитывается параметр золоулавливания батарейного циклона?

5.5.4  От каких величин зависит параметр золоулавливания батарейного циклона?

5.5.5  Приведите последовательность проведения расчета циклона.

Лабораторная работа №6.  Расчет адсорбера

 

Цель работы: приобретение навыков расчета адсорбционных устройств по очистке сточных вод от загрязнений.

 

6.1   Содержание работы

 

6.1.1 Ознакомление с теоретическим материалом по классификации сточных вод, по расчету водоочистных аппаратов.

6.1.2  Выполнение расчета адсорбера.

6.1.3  Анализ полученных результатов.

 

6.2   Теоретическое введение

 

          В настоящее время является актуальным вопрос очистки сточных вод теплоэлектростанций и промышленных предприятий, так как они являются одними из основных загрязнителей водоемов республики.

          С точки зрения любого промышленного предприятия (в том числе и ТЭС) сточной водой может быть названа вода, использованная в технологических процессах и не отвечающая более требованиям, предъявляемым этими процессами к ее качеству. Такая вода должна подвергаться очистке с выделением из нее вредных примесей и использоваться на предприятии (может быть в других технологических процессах) или сбрасываться в водоем.

          Тепловые электростанции являются источниками следующих видов сточных вод:

-    охлаждающие воды, вызывающие в основном тепловое загрязнение водоемов;

-         сточные воды водоподготовительных установок и кондесатоочисток;

-         воды, загрязненные нефтепродуктами;

-      воды от обмывок наружных поверхностей парогенераторов и пиковых водогрейных котлов, работающих на мазуте;

-   отработанные растворы после химической очистки теплосилового оборудования и его консервации;

-         воды систем гидрозолоудаления на ТЭС, работающих на твердом топливе;

-         коммунально-бытовые и хозяйственные стоки;

-         воды от гидравлической уборки помещений тракта топливоотдачи;

-         дождевые (ливневые) воды с территории ТЭС.

          Наиболее значительный ущерб водоемам создается при сбросе сточных вод первых шести видов.

          Обычно методы очистки сточных вод подразделяются на механические (физические), физико-химические и биохимические.

          Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ. В качестве адсорбентов чаще всего используют активные угли, синтетические сорбенты (силикагели, алюмогели) и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.). Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут  при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием ее через слой адсорбента в специальных аппаратах – адсорберах. Адсорбированные вещества из углей извлекают перегретым водяным паром (200-3000С), либо нагретым инертным газом (120-1400С). После десорбции пары конденсируются, и вещество извлекают из конденсата.

 В том случае, если адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию адсорбента химическими реагентами (обрабатывая его сильными окислителями, например хлором, озоном) или нагреванием его до 700-8000С в бескислородной среде.

          Сточные воды образуются на многих участках различных производств. На участках нанесения гальванических покрытий образуется сточная вода, загрязненные кислотами, тяжелыми металлами и их солями и другими веществами, в том числе цианидами. Сточную воду необходимо очистить перед сбросом. При подаче озона в сточную воду цианид-ионы окисляются:

 

CN- + O3 = CNO- + O2.

По мере окисления цианид-ионов в сточной воде появляются цианит-ионы CNO-. Около 30% цианит-ионов окисляются по схеме:

2CNО- + 6O = 2NСO3 + O2.

Остальные цианит-ионы гидролизуются в сточной воде с образованием NH3 и окислением до . Для подачи озоновоздушной смеси в адсорбер и ее равномерного распределения используют шамотно-силикатные пористые элементы в виде патронов с замкнутым дном (наружный диаметр – 50 мм, внутренний – 30 мм, длина – 230 мм, средний размер пор – 0,1 мм).

Для расчета адсорбера необходимы следующие исходные данные: расход сточной воды, концентрация загрязнителя в сточной воды.

 

6.3   Экспериментальная часть

 

6.3.1  Методика расчета адсорбера

1)       Определяют объем адсорбера V, м3:

,                                                  (6.1)

где Q – расход сточной воды, м3/ч;

τ – время цикла очистки (заполнение, обезвреживание, опорожнение);

k – коэффициент запаса (1,15 – 1,2);

у – коэффициент заполнения адсорбера (0,6 – 0,8);

n – количество адсорберов (обычно 2).

Выбирают фактический объем Vн адсорбера по ряду номинальных внутренних объемов сосудов и аппаратов (ближайшее значение к расчетному) (см. таблицу 6.1).

2)      Определяют высоту адсорбера Н, м:

,                                                  (6.2)

где D – диаметр адсорбера, выбирается из конструкционных соображений (отношение высоты к диаметру х =H/D =1,2–1,5; D = (4V/ x·π)1/3).

 

Таблица 6.1 – Ряд номинальных внутренних объемов сосудов и аппаратов Vн, м3

0,010

0,100

0,32

1,00

3,2

10

32

100

320

0,016

0,125

0,40

1,25

4,0

-

40

125

400

0,025

0,160

0,50

1,60

5,0

16

53

160

500

0,040

0,200

0,63

2,00

6,3

20

63

200

-

0,063

0,250

0,80

2,50

8,0

25

80

500

-

 

3)       Определяют расход озона, необходимого для окисления QО, кг/с:

,                                                 (6.3)

          где Q – расход сточной воды, м3/с; СО – необходимая концентрация озона в адсорбере, кг/м3:

,                                          (6.4)

          где MO и MCN – молекулярные массы озона и цианида; ΔCCN – разность концентраций цианидов в сточной и очищенной воде. Обычно:

.                                           (6.5)

4)       Определяют количество аэрируемых элементов:

,                                                 (6.6)

          где QOBмаксимальный расход озоновоздушной смеси, м3/с:

,                                          (6.7)

          где t – температура воздуха на выходе теплообменника;

Ра – давление на входе в адсорбер;

t0, P0 – при нормальных условиях: t0 = 0°; P0 = 0,1 МПа;

Qэ – допустимый расход воздуха через аэрируемый элемент, м3/с:

,                                              (6.8)

где K – коэффициент воздухопроницаемости элемента, м33;

ΔР – перепад давления на элементе, МПа;

h – толщина элемента, м;

 f – площадь фильтрации одного элемента, м2.

5)      Определяют эффективность очистки:

.                                             (6.9)

6.3.2 Согласно индивидуальному заданию ввести исходные данные в компьютер (см. таблицу 6.2).

 

Таблица 6.2 – Исходные данные для расчета адсорбера

№ вар.

Q, м3

СCN, кг/м

k

τ, ч

n

Ра, МПа

Qэ, м3

1, 10

6

0,02

1,15

0,60

1

0,15

0,0020

2, 11

8

0,03

1,16

0,65

1

0,16

0,0025

3, 12

10

0,04

1,17

0,70

2

0,17

0,0030

4, 13

12

0,05

1,18

0,75

2

0,18

0,0035

5, 14

14

0,06

1,19

0,80

2

0,19

0,0040

6, 15

16

0,07

1,20

0,85

2

0,18

0,0045

7, 16

18

0,08

1,15

0,90

2

0,17

0,0050

8, 17

20

0,09

1,16

0,95

2

0,16

0,0055

9, 19

22

0,01

0,17

1,00

2

0,15

0,0020

 

          6.3.3 С помощью редактора EXEL произвести расчет (файл «Расчет адсорбера, exl.»).

 

6.4  Содержание отчета

 

          Отчет должен содержать:

1)   Краткий теоретический материал по классификации сточных вод и методам их очистки.

2)     Результаты последовательных расчетов параметров адсорбера согласно индивидуальному заданию

3)       Вывод по результатам расчета.

 

6.5   Контрольные вопросы

 

6.5.1 Приведите классификацию сточных вод тепловых электростанций.

6.5.2  На каком принципе основано действие адсорбера?

6.5.3  По какой формуле рассчитывается высота адсорбера?

6.5.4  Как рассчитывают степень очистки адсорбера?

6.5.5 Приведите последовательность проведения расчета параметров адсорбера?

Лабораторная работа №7. Очистка сточных вод систем гидрозолоудаления

 

          Цель работы: изучение методов обезвреживания сточных вод систем гидрозолоудаления.

 

7.1  Содержание работы

 

7.1.1 Ознакомление с теоретическим материалом по очистке сточных вод систем гидрозолоудаления.

7.1.2  Выполнение расчета радиального отстойника.

7.1.3  Анализ полученных результатов.

 

7.2    Теоретическое введение

 

      Для осветления сточной воды золоотвалов до состояния, позволяющего использовать се в оборотном водоснабжении системы ГЗУ ТЭС, на золоотвалах устраивают отстойные пруды, в которых должен быть объем воды, необходимый и достаточный для восполнения возможных потерь из системы ГЗУ.

Отстойники воды предназначены для выделения из нее основной массы взвешенных веществ, либо отработанного сорбента - хлопьев гидрооксида алюминия или железа вместе с элементами загрязнения.

Для очистки сточных вод гидрозолоудаления можно предложить радиальные отстойники, которые предназначаются для осветления воды в системе оборотного водоснабжения. При повышенном содержании в сточных водах труднооседающих веществ могут быть применены радиальные отстойники с встроенной камерой хлопьеобразования гидроциклонного типа (см. рисунок 7.1).

Камеры хлопьеобразования предназначены для протекания физико-химических процессов, обуславливающих образование крупных, прочных, быстрооседающих хлопьев гидроокиси алюминия или железа с извлекаемыми из воды примесями. Такой отстойник оборудован водораспределительным устройством и скребковым механизмом.

Водораспределительное устройство обеспечивает равномерную подачу сточной воды в центральную часть отстойника и радиальное распределение ее по всему его сечению. При этом допускается эффективное успокоение потока, уменьшается число водоворотных зон, что улучшает процесс осветления. Сбор осветленной воды периферийными лотками уменьшает вынос взвешенных веществ из отстойника.

Скребковый механизм представляет собой ферму с центральным приводом. Расположение привода в центре позволяет установить ферму под водой, что исключает закручивание потока воды в верхних слоях при движении фермы и тем самым улучшает гидравлические условия осветления. Предусмотрен автоматический подъем фермы при возникающих в скребковом механизме неравномерных перегрузках от большого скопления осадка или тяжелого осадка, что повышает надежность работы и помогает установить оптимальный режим движения и остановки фермы.

Техническая характеристика скребкового механизма:

1)       Высота подъема фермы, мм                               –  150.

2)       Мощность электродвигателя, кВт                     –  1,5.

3)       Мощность гидромуфты подъема фермы, кВт  –  1,5.

4)       Масса общая, кг                                                   –  12100.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - камера хлопьеобразования; 2 - зона осаждения; 3 - подача сточной воды; 4 -отвод осветленной воды: 5 - водосборная система; 6 - скребковая ферма; 7 -распределительной устройство; 8 - отвод осадка; 9 - маслосборное устройство; 10 - отвод масел.

 

Рисунок 7.1 - Радиальный отстойник с встроенной камерой хлопьеобразования гидроциклонного типа

Для отведения осветленной сточной воды предусмотрены два концентрических лотка, связанных между собой радиальными перемычками. Это позволяет уменьшить нагрузку на водослив и создать, таким образом, более благоприятные условия работы. Водосливные кромки сборных лотков имеют зубчатую форму. Для выгрузки осадка в отстойнике предусмотрены илоскребы. Осадок сгребается к кольцевому иловому лотку в середине зоны отстаивания. Такое размещение лотка уменьшает длину пути осадка, сокращает расход энергии на его перемещение, позволяет меньше взмучивать осадок. Днище отстойника имеет уклон 0,02 в сторону кольцевого лотка. Осадок из иловых приямков удаляется по трубам насосами.

      Для эффективной работы отстойников и предотвращения выноса взвешенных веществ имеет большое значение равномерное распределение между отстойниками общего переменного притока сточных вод на сооружения, что достигается автоматическим регулированием положения соответствующих затворов на подводящих каналах.

      Работа насосов, откачивающих осадок, согласуется с режимом работы отстойников и уровнем накопления осадка с помощью АСУ.

      Предусматривается также автоматический контроль за работой механического оборудования отстойников с передачей информации на пульт управления.

          Выбор типа и конструкции отстойников зависит от количества и состава производственных сточных вод, поступающих на очистку, характеристик образующегося осадка (уплотняемость, транспортируемость) и от местных условий строительной площадки очистных сооружений. В каждом конкретном случае выбор типа отстойников должен определяться в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов.

          Для расчета отстойников необходимы следующие данные:

1)       Количество сточных вод  по максимальному притоку.

2)     Концентрация взвешенных веществ тяжелых и легких (масла и нефтепродукты) механических примесей.

3)    Требуемая степень очистки, или допустимое содержание взвешенных частиц в осветленной воде , принимаемое в соответствии с санитарными нормами или обусловленное технологическими требованиями.

4)    Гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемой эффективности очистки , равной 50 – 98%.

5)       Гидравлическая крупность, определяемая по кривым кинетики отстаивания , которые получены в лаборатории в статических условиях при высоте слоя отстаивания  или . Для приведения полученной величины к слою, равному высоте слоя потока воды в отстойнике, производится перерасчет по формуле:

 

                                                       (7.1)

где - глубина проточной части в отстойнике, ;

 - коэффициент использования объема в отстойнике, равный в первом приближении коэффициенту использования объема отстойника выбранной конструкции;

 - продолжительность отстаивания в лабораторном цилиндре при высоте слоя , в течение которого достигается требуемый эффект осветления;

 - коэффициент пропорциональности, зависящий от агломерируемости взвешенных веществ в процессе осаждения, определяемый при >  по формуле:

,                                                       (7.2)

          где  - высота слоев отстаивания в лабораторных условиях, ;

 - продолжительность отстаивания и соответствующих слоях, при которой достигается требуемый эффект отстаивания,

          В случае, когда температура сточной воды в производственных условиях отличается от температуры сточной воды, при которой определялась кинетика отстаивания, необходимо вводить поправку:

,                                                           (7.3)

где  и - вязкость воды при соответствующих температурах в лабораторных и производственных условиях.

 

7.3  Экспериментальная часть

 

7.3.1  Методика расчета радиального отстойника

          Последовательность проведения расчета радиального отстойника оформлена в виде таблицы (см. таблицу 7.1).

          Площадь радиальных отстойников  , при их использовании для первой ступени отстаивания высокомутных вод, определяют по формуле:

,                                             (7.4)

          где - расчетный расход одного отстойника, ;

 -   скорость выпадения взвеси, принимаемая 0,5 – 0,6, ;

  -   площадь вихревой зоны радиального отстойника, .

 

          Таблица 7.1  Расчет радиального отстойника

№ п/п

Рассчитываемые параметры

Расчетная формула

1

Площадь радиального отстойника,

2

Площадь вихревой зоны,

3

Внутренний радиус отстойника,

4

Внутренний диаметр отстойника,

5

Боковая поверхность водораспределительного цилиндра,

6

Площадь отверстия,

7

Суммарная площадь отверстий,

8

Необходимое количество отверстий, шт

9

Площадь затопленных отверстий,

10

Необходимое количество затопленных отверстий, шт

11

Длина кольцевого желоба,

12

Шаг отверстий,

 

          Радиус вихревой зоны принимают на 1 м  больше радиуса водораспределительного устройства, где вследствие вихреобразного движения воды осаждение взвеси почти не происходит.

          Радиус распределительного цилиндра следует принимать 1,5 – 2,5 м, низ его выполняется глухим и располагается на глубине, равной высоте слоя воды у периферийной стенки.

          По вычисленному значению  находят ориентировочный диаметр отстойника  по формуле:

.                                                    (7.5)

          Рекомендуется расчетный диаметр округлять до ближайшего значения.

          Вращающиеся фермы со скребками для радиальных отстойников предусматриваются с периферическим приводом, частота вращения регулируемая, мощность приводного электродвигателя 1,1 – 1,5 кВт.

          Площадь отверстий в боковой стенке водораспределительного устройства определяется из расчета скорости движения воды через них .

              

7.3.2 Согласно индивидуальному заданию ввести исходные данные в компьютер ( см. таблицу 7.2.).

7.3.3 С помощью редактора EXEL произвести расчет радиального отстойника (файл «Расчет радиального отстойника, exl.»).

 

7.4  Содержание отчета

 

          Отчет должен содержать:

1)  Краткий теоретический материал по очистке сточных вод систем гидрозолоудаления.

2)  Результаты расчета радиального отстойника, оформленные в виде таблицы..

3)      Вывод по результатам расчета.

 

          7.5    Контрольные вопросы

 

7.5.1    Дайте характеристику сточных вод системы гидрозоудаления.     

7.5.2  Что собой представляет радиальные отстойники с встроенной камерой хлопьеобразования гидроциклонного типа?  

7.5.3  Для чего используется скребковый механизм и каковы его технические характеристики?

7.5.4 Какими параметрами определяются тип и конструкция радиального отстойника?

7.5.5 Какие величины учитываются при расчете радиального отстойника?  

7.5.6 В какой последовательности проводят расчет радиального отстойника.

 


 Таблица 7.2 – Исходные данные для расчета радиального отстойника

    № варианта

     параметр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Тип отстойника

Ц-5

Ц-6

Ц-7,5

Ц-9

Ц-12

Ц-15

П-15

П-18

П-24

П-30

Диаметр,

5

6

7,5

9

12

15

15

18

24

30

Глубина в центре,

2,5

2,5

3

3

3

3

3

3,6

3,6

3,6

Производительность

500

800

1000

1200

1500

1800

2000

2300

2500

3000

Гидравлическая крупность

частиц

1,5

1,8

2,0

2,3

2,8

3,2

3,6

4,1

4,7

5,0

Радиус распределительного цилиндра,

2,0

2,2

2,5

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

Расчетная скорость движения воды в отверстиях,

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Диаметр отверстий,

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

Действительная скорость движения воды в отверстиях,

0,6

0,8

0,9

1,1

1,3

1,6

1,9

2,3

2,5

2,8

Глубина отстойника у периферии,  принимается как половина от рабочей

1,25

1,25

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1,8

1,8

1,8

 

Список литературы

 

1.    Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов.- М.: Изд-во стандартов, 1992.

2.  Покровский В.Н., Аракчеев Е.П. Очистка сточных вод тепловых электростанций. – М.: Энергия, 1980.-256 с.

3.  Рихтер Л.А. Охрана водного и воздушного бассейна от выбросов ТЭС.- М.: Энергоатомиздат, 1981.- 253 с.

4.    Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина.- М.: Издательство МЭИ, 2004.- 632 с.

5.  Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86.- Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-93 с.

6.    Росляков П.В., Егорова Л.Е., Ионкин И.Л. Расчет вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Учебное пособие.- М.: Издательство МЭИ, 2002.- 84 с.

7.  Еремкин А.И., Квашнин И.М., Юнкеров Ю.И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Учебное пособие.- М.: АСВ, 2000.- 176 с.

8.  Кульский Л.А., Булава М.Н., Гороновский И.Т., Смирнов П.И. Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов. - Киев:
Буддвельник, 1972.- 424 с.

          9.    Алтунин В.С., Белавцева Т.М. Контроль качества воды. Справочник. М.: Изд-во «Колос», 1993.

10. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике.- М.: Издательский дом МЭИ, 2006.- 309 с.

11.   Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка.- М.: АСВ, 2006.-656 с.

12.  Сомов М.А., Квитка Л.А. Водоснабжение.- М.: Инфра-М, 2008.- 287с.

 

Содержание

 

1           Введение                                                                                                   3

2        Лабораторная работа №1. Определение компонентного состава исходного топлива                         

3  Лабораторная работа №2.  Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании органического топлива      

4   Лабораторная работа №3.  Расчет рассеивания выбросов вредных веществ в атмосфере и выбор дымовой трубы    

 5  Лабораторная работа №4. Определение компонентного состава сточных вод фотоколориметрическим методом    

 6     Лабораторная работа №5.  Расчет циклонов       

 7     Лабораторная работа №6.  Расчет адсорбера     

 8 Лабораторная работа №7. Очистка сточных вод систем гидрозолоудаления           

 9    Список литературы                

 

Основной план 2010 г., поз. 7