Строительство и архитектура/5. Теплогазоснабжение и вентиляция

Д.т.н. А.И. Еремкин

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

К.т.н. М.Г. Зиганшин

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

К.т.н. А.В. Дмитриев

Нижнекамский химико-технологический институт

 

Комплексные показатели совершенства очистки воздуха и производственных выбросов при наличии «парниковых» газов

 

Разработаны методика и параметры, позволяющие проводить комплексную оценку санитарно – гигиенической и энергетической эффективности систем газоочистки.

В работах многих авторов отмечается отсутствие оптимального комплексного показателя оценки эффективности очистных систем. Г.П. Беспамятновым, Ю.А. Кротовым [1] был предложен показатель «санитарной эффективности СЭ», учитывающий и техническую эффективность аппаратов:

,                                        (1)

где ПДК, Cb, Ce – соответственно предельно допустимая, начальная и конечная концентрации загрязнителя, кг/м3.

Однако в представленном виде он имеет ряд неудобств. В частности, выразив Ce через интенсивность выброса W, м3/с и предельно допустимый выброс ПДВ, кг/с, можно видеть, что СЭ растет пропорционально интенсивности выброса. Это позволяет увеличивать показатель, разбавляя выброс и не совершенствуя очистное устройство. Выброс загрязнителя всегда сопровождается ущербом в виде потери качества атмосферного воздуха, на восстановление которого требуется затрата определенного количества энергетических и материальных ресурсов. С учетом этого на основе рекомендаций [2] по периоду осреднения концентраций загрязнителей получен комплексный безразмерный показатель санитарно-гигиенического, экологического и технического совершенства газоочистных систем:

,                   (2)

где Т1= τ1/τ0 ; Т2=τ2/τ0 –безразмерные характеристики времени; τ0 – период осреднения концентраций, с, равный времени отбора проб при контроле ПДКмр; τ1, τ2– время заполнения, с, области V, м3, соответственно, загрязнителем до ПДКмр при ПДВ и выбросом интенсивностью W, м3/с.

Показатель Н характеризует влияние выброса загрязнителя очистным сооружением на качество атмосферы. В нем устранена отмеченная выше несогласованность, имеющая место в выражении (1): интенсификация выброса W снижает значения Т2 и H. Устраняются и другие недостатки, сдерживавшие распространение методов комплексной оценки средств газоочистки.

Вместе с тем еще остается нерешенной задача их оценки при наличии в обрабатываемых выбросах «парниковых» газов. В связи с обязательствами России по Киотскому протоколу, предусматривающему замену существующего очистного оборудования на более совершенное с точки зрения выброса «парниковых» газов, теперь становится неотложной разработка объективного критерия такого совершенства. Он должен базироваться на теоретически обоснованных показателях, обеспечивающих единство и простоту оценки различных типов очистных систем, а также ясность и однозначность определяемых параметров. С этой целью понятие «энергоэкологический показатель», использованное А.Л. Шкаровским ([3]) для глобальной оценки состояния окружающей среды, конкретизируется далее для систем очистки вентиляционных выбросов. Метод оценки систем представлен применительно к самому распространенному среди «парниковых» газов диоксиду углерода СО2.

Предлагаемый безразмерный параметр получен посредством сравнения энергетических затрат на гипотетическое снижение концентрации СО2 в выбросах и эталонной газовой смеси до среднего фонового содержания в незагрязненной атмосфере. Анализ затрат энергии в возможных способах удаления СО2 показал, что за расчетный удобно принять вымораживание при атмосферном давлении. Затраты такого процесса весьма высоки и, к счастью, пока нет надобности реализовать его на практике, но их величина оптимальна для энергетической оценки эффективности очистных устройств. Корректным эталоном для сравнения с выбросами могут служить продукты полного сгорания газового топлива (метана), т.к. содержание и физико-химические характеристики продуктов стехиометрической реакции окисления метана достаточно хорошо известны. Это обеспечивает однозначность определения теплоотвода от исследуемого выброса и сравниваемого объекта, и оценки очистного устройства в целом. Использование продуктов сгорания газа в качестве объекта сравнения диктуется и тем, что производство энергии на настоящее время основано преимущественно на сжигании топлива.

Количество сжигаемого метана принимается эквивалентным тепловой энергии, отводимой при гипотетическом снижении концентрации СО2 в исследуемых выбросах. Оценочные показатели в виде степени энергоэкологичности EER (Energy and Ecology Ratio) основываются на сопоставлении теплоты конденсации СО2 и Н2О в выбросах и энергии, необходимой для охлаждения продуктов сгорания с целью удаления СО2 и Н2О.

Расчет EER представляется достаточно громоздким, однако его несложно автоматизировать. Алгоритм расчета базируется на следующих этапах.

 1. Анализируются исходные данные выбросов - температура ta, ºC, расход Wa, м3/с, состав. Определяются физико-химические характеристики, объемные Wi, м3/с, и массовые Mi, кг/с, расходы компонентов выбросов.

2. В пределах каждого из температурных диапазонов, связанных с изменением состава выбросов вследствие конденсации СО2 и Н2О, определяются энергозатраты на теплоотвод при охлаждении выбросов кВт, при конденсации водяных паров ,кВт и диоксида углеродакВт, подсчитывается суммарный теплоотвод  кВт.

3. Определяется эквивалентный полученному значению Ea расход метана Wf с учетом его низшей теплоты сгорания Ql, кДж/м3 и КПД использования топлива. Затем по реакции окисления метана в воздухе определяются расходные характеристики компонентов продуктов сгорания.

4. Начальная температура продуктов сгорания принимается равной калориметрической температуре горения метана tc = 1930 ºC. Далее выполняются расчеты, аналогичные п. 2, в отношении продуктов сгорания. Суммарный теплоотвод от продуктов сгорания Efg, кВт, в окончательном в виде

,                         (3)

где,,– интенсивность отвода теплоты, кВт, соответственно, при охлаждении продуктов сгорания, а также при конденсации содержащихся в них паров воды и диоксида углерода.

5. Степень энергоэкологичности очистного устройства

.                              (4)

Расчеты EER, проведенные для вентиляционных выбросов ряда технологических процессов, показали достаточную чувствительность и универсальность этого показателя, а также возможность его использования как параметра оценки экологического совершенства очистных систем при наличии «парниковых» газов в обрабатываемых выбросах.

 

Литература:

 

1.     Беспамятнов Г.П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. — Л.: Химия, 1985. — 528 с.

2.     Еремкин А.И., Квашнин И.М., Юнкеров Ю.И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.– М.: изд. АСВ, 2000. – 176с.

3.     Шкаровский А.Л. Повышение эффективности защиты воздушного бассейна при сжигании газообразного  и  жидкого  топлива.  Автореф.  дисс…д.т.н. С.-Пб., 1997. – 48с.