§ 4. Рациональное распределение топлива с целью уменьшения загрязнения атмосферы

Исследование, проведенное Гипромезом [20], показало, что распределение различных видов топлива по потребителям при одинаковом суммарном расходе оказывает существенное влияние на величину приземных концентраций вредных веществ. Это объясняется различными условиями сжигания топлива в разных металлургических агрегатах, различной высотой дымовых труб, различным расположением относительно жилых массивов и т.п.

Исходя из требований минимальных приземных концентраций была разработана методика оптимального распределения топлива между металлургическими цехами и агрегатами. При разработке методики учитывались технологические ограничения, связанные с допустимостью использования тех или иных видов топлива в каждом из рассматриваемых объектов.

Для решения вопроса об оптимальном распределении топлива между топливопотребляющими источниками вредных выбросов по каждому из них определяются показатели загрязнения воздуха k_i при использовании каждого из имеющихся в распоряжении видов топлива. Далее рассчитываются необходимые расходы каждого вида топлива Q_i - по рассматриваемым топливопотребляющим источникам выбросов.

Вопрос об оптимальном распределении топлива между топливопотребляющими источниками решается аналогично известной транспортной задаче путем минимизации суммы произведений показателей загрязнения воздуха на расходы топлива. Наименьший суммарный показатель

Σ k_iQ_{i min} ≈ k₁Q₁ + k₂Q₂+…+ k_nQ_n

будет соответствовать оптимальному распределению топлива между топливопотребляющими источниками вредных выбросов. Проведенные в Гипромезе по указанной методике расчеты по оптимизации топливного баланса для ряда металлургических предприятий показали, что при подобном перераспределении топлива приземные концентрации вредных выбросов могут быть уменьшены на 30—40 % и более без строительства дополнительных газоочистных сооружений.

Контрольные вопросы

1. Снижение вредных выбросов и совершенствование газоочисток.

2. Как повысить уровень безотходности производства?

3. Оптимизация очередности внедрения природоохранных мероприятий.

4. Как рационализировать распределение топлива между потребителями?

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Давление водяных паров и влагосодержание газов при насыщении и давлении смеси 0,101 МПа

Приложение 2 Основные физические свойства газов

Приложение 3. Формулы для пересчета основных характеристик газов применительно к различным условиям

Плотность газов. Плотность сухих газов, состоящих из нескольких компонентов, при нормальных условиях (Т_ат =273 К, р= 101,3 кПа) равна, кг/м³: ρ_ос = М/22,4;

М = 0,01 (а₁М₁ + а₂М₂ + … + а_пМ_п),

где М, М₁, M₂, ..., М_п — молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов, кг/кмоль; а₁, а₂, ..., а_п — содержание компонентов в смеси, % (объемн.).

Плотность сухих газов при рабочих условиях (температуре Т_г, °С, барометрическом давлении р_бар, кПа, и избыточном давлении ±р_г, кПа) определяют из выражения, кг/м³: ρ_с = ρ_ос273 (p_6sp ± р_г)/101,3·(273 + Т_г).

Плотность влажных газов при содержании в них водяных паров х, кг/м³, при нормальных условиях равна, кг/м³: ρ_о = (ρ_ос + х) 0,804/(0,804 + х),

где ρ_o^H2О = М_H2О/22,4= 18/22,4 = 0,804 — плотность водяных паров при нормальных условиях, кг/м³.

Плотность влажных газов при рабочих условиях находят из выражения кг/м³:

.

Вязкость газов. Динамический коэффициент вязкости смеси газов, состоящей из нескольких компонентов, при нормальных условиях (Т_о = 273 К, р_о = 101,3 кПа) приближенно определяют из выражения, Па·с:

М_см/_см = 0,01 (a₁M₁/₁ + a₂M₂/₂ +.. + a_nM_n/_n), где M_см, M₁, M₂, ..., М_п — молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов, кг/моль; а₁ а₂, ..., а_п — содержание компонентов в смеси, % (объемн.); /_см, ₁, ₂, ..., _n — динамические коэффициенты вязкости смеси газов и отдельных компонентов, Па·с.

При рабочей температуре Т_г, °С, динамический коэффициент вязкости находят из выражения, Па·с:



Значения _о (при 0 °С) и констант С для различных газов приведены в Приложении 2.

Кинематический коэффициент вязкости газов равен, м²/с: v = /ρ_г, где ρ_г —плотность газа.

Влажность газов. В газоочистной технике влажность газов чаще всего характеризуют величиной относительной влажности φ=р_Н2О/р_нас или влагосодержанием, выражаемым в граммах влаги на 1 м³ сухого воздуха (х) при нормальных условиях (Т_о=273 К, р_о== 101,3 кПа). Связь между этими величинами выражается следующими формулами:

х = 0 622 φ р_нас/( р_бар - φ р_нас),.

где р_бар — общее (барометрическое) давление смеси; р_нас — парциальное давление водяных паров при насыщении для данной температуры.

Объем влажного газа, получаемого из 1 м³ сухого газа при нормальных условиях после частичного или полного насыщения его водяными парами, равен, м³:

где Т_г — температура газа при рабочих условиях, °С.

Теплоемкость и энтальпия газов. Теплоемкость смеси газов, состоящей из нескольких компонентов, определяют из выражения

с_см = 0,01 (а₁с₁ + а₂с₂ + … + а_пс_п)

где с_см, с₁, с₂,…, с_п – удельные объемные теплоемкости смеси газов и отдельных компонентов; а₁, а₂, ..., а_п — содержание компонентов в смеси, % (объемн.)

Энтальпию влажных газов i_в.г определяют как сумму энтальпий сухих газов и водяных паров, отнесенных к 1 кг сухих газов:

i_в.г =i_с.г + хi_п = с_гТ_г + хi_п,

где i_с.г – энтальпия сухих газов, кДж/кг; i_п – энтальпия водяных паров при расчетной температуре, кДж/кг; с_г – теплоемкость сухих газов, кДж/(кг·^оС); х – влагосодержание газов, кг/кг.

Энтальпию водяных паров с достаточной для практики точностью можно определять из выражения

i_п = 2480 + 1,96Т_г.

Объем газов. Объем влажных газов при рабочих условиях находят из выражения

,

где V_о – объем влажных газов при нормальных условиях, м³. Если известны объем сухих газов V_ос, м³, при нормальных условиях и содержание в них водяных паров х_вл, кг/м³, то объем влажных газов равен, м³:

V_о = V_ос (1 + х/0,804).

Если влагосодержание х' дано в кг/кг, то объем влажных газов определяют из выражения, м³:

V_о = V_ос (1 + ρ_ох'/0,804).

Приложение 4. Технические характеристики вентиляторов и дымососов

Таблица 4.1. Технические характеристики вентиляторов серии ВЦ

Таблица 4.2. Техническая характеристика вентиляторов серии ВДН

Продолжение табл. 4.2

Таблица 4.3. Техническая характеристика дымососов серии ДН, ДРЦ и ДЦ

Продолжение табл. 4.3

Таблица 4.4. Техническая характеристика вентиляторов серии ВМ

Приложение 5. Примеры расчета циклона и рукавного фильтра

Пример 1. Выбрать циклон типа ЦН-15, определить его гидравлическое сопротивление и эффективность при следующих исходных данных: расход газа при нормальных условиях V_o = 4100 м³/ч; плотность газа ρ_о = 1,29 кг/м³; температура газа T = 110 °С; вязкость газа  = 24,8·10^-6 Па·с; барометрическое давление p_бар = 101,3 кПа; разрежение в циклоне p_г = 30 Па; начальная концентрация пыли в газе z₁ = 50 г/м³; характеристика дисперсного состава пыли: d_m = 10 мкм; lgσ_ч = 0,7; плотность частиц пыли ρ_ч = 3000 кг/м³. Циклон должен работать в сети без раскручивателя.

Решение.

1. Плотность газа при рабочих условиях:

кг/м³.

2. Расход газа при рабочих условиях:

м³/с.

3. Диаметр циклона при оптимальной скорости

м.

Примем ближайший стандартный диаметр 800 мм и найдем действительную скорость газа в циклоне:

м/с

Ввиду того что действительная скорость отличается от оптимальной менее чем на 15 %, остановимся на выбранном диаметре циклона и найдем его остальные размеры в соответствии с нормалью (см. рис. 4.2).

4. Вычислим коэффициент сопротивления циклона:

ζ = К₁К₂ζ₅₀₀ = 1·0,91·155= 141.

Величины К₁, К₂ и ζ₅₀₀ берем из данных на сс. 31-32.

5. Найдем гидравлическое сопротивление циклона:

Па.

6. Определим размер частиц d₅₀, улавливаемых выбранным циклоном при рабочих условиях с эффективностью 50 %:•

мкм,

где D_T, ρ_ч.т, _T, w_T — величины, соответствующие условиям, при которых получена величина = 4,5 мкм; D, ρ_ч, , w_г — величины, соответствующие действительным условиям работы циклона.

7. Величина х равна:

.

8. Степень очистки газа в циклоне по табл. 4.2 будет равна:  = Ф(х)= 0,665.

Пример 2. Рассчитать рукавный фильтр из ткани лавсан, предназначенный для очистки газов электросталеплавильной печи, приняв следующие исходные данные: расход газа при нормальных условиях V_ог = 125000 м³/ч, температура газа перед фильтром Т_г = 145 °С, барометрическое давление р_бар == 101,3 кПа, разрежение перед фильтром р_г = 300 Па, динамический коэффициент вязкости _о = 17,9 Па·с (С=124), плотность газа ρ_г == 1,3 кг/м³. Концентрация пыли в газе перед фильтром z_o = 13,3 г/м³; средний размер частиц d_m = 3 мкм, плотность частиц пыли ρ_ч = 5500 кг/м³. Гидравлическое сопротивление фильтра Δр = 1,4 кПа.

Решение

1. Примем допустимую температуру газа для ткани лавсан 130 °С. Определяем подсос воздуха с температурой 30 °С перед фильтром, необходимый для охлаждения газа с Т₁ = 140 °С до Т_г = 130 °С.

.

2. Полный расход газа, идущего на фильтрование, при нормальных условиях:

м³/ч.

3. Расход газа, идущего на фильтрование, при рабочих условиях:

м³/ч

4. Запыленность газа перед фильтром при рабочих условиях:

г/м³.

5. Допустимая газовая нагрузка на фильтр (скорость фильтрации) в данных условиях:

q_ф = q_нС₁С₂С₃С₄С₅ = 1,2·0,7·1,04·0,9·0,725·1 = 0,57 м³/(м²·мин) (w_ф = 0,0095 м/с).

6. Полное гидравлическое сопротивление фильтра Δр складывается из сопротивления корпуса Δр_к и сопротивления фильтровальной перегородки

Δр = Δр_к + Δр_ф.

7. Плотность газа при рабочих условиях:

кг/м³

8. Гидравлическое сопротивление корпуса фильтра:

Па,

где w_вх = 8 м/с — принимаемая скорость газа при входе в фильтр; ζ = 2 — задаваемый коэффициент сопротивления.

9. Сопротивление фильтровальной перегородки складывается из сопротивления запыленной ткани Δp₁ и сопротивления накапливающегося слоя пыли Δр₂. Постоянные фильтрования принимаем по данным табл. 6.2:

А = 2300·10⁶ м^-1; В = 80·10⁹ м/кг.

10. Динамический коэффициент вязкости газа при рабочих условиях:

Па·с.

11. Гидравлическое сопротивление собственно фильтровальной перегородки при Δр = 1,4 кПа может быть равно:

Δр _ф = Δр — Δр_к = 1400 - 56 = 1344 Па.

12. Продолжительность периода фильтрования между двумя регенерациями по формуле (6.10) равна:

с.

13. Количество регенераций в течение 1 ч:

n_р = 3600/(t_ф + t_р) = 3600/(560 + 40) = 6,

где t_р = 40 с - задаваемая продолжительность процесса регенерации.

14. Расход воздуха на регенерацию, принимая, что скорость обратной продувки равна скорости фильтрования:

м³/ч.

15. Предварительно определяем необходимую фильтровальную площадь:

16. Выбираем для установки фильтр марки ФРО-7000 с поверхностью фильтрования F_ф = 7182 м², состоящий из N_c = 14 секций с поверхностью фильтрования по F_c = 513 м².

17/ Площадь фильтрования F_p отключаемая на регенерацию в течение 1 ч:

F_p = N_cF_cn_pt_p/3600 = 14·513·6·40/3600 = 479 м².

18. Уточненное количество воздуха, расходуемое на обратную продувку в течение 1 ч:

V_p = w_фn_pt_pN_cF_c = 9,5·10^-3·6·40·14·513 = 16375 м³.

19. Окончательная площадь фильтрования:

м^а,

что близко к площади фильтрования для выбранной марки фильтра.

20. Продолжительность периода фильтрования должна быть выше суммарного времени регенерации остальных секций:

t_ф > (N_с — 1) t_p; 560 > (14 — 1)·40 = 520 с.

21. Фактическая удельная газовая нагрузка:

м³/(м²·мин),

т. е. очень близка к расчетной.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алиев Г. М. А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справочник. — М.: Металлургия, 1986. — 543 с.

2. Андоньев С. М., Филипьев О. В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. — М.: Металлургия, 1979. — 192 с.

3. Бережинский А. Я., Циммерман Л. Ф. Охлаждение и очистка газов кислородных конвертеров. — М.: Металлургия, 1983. — 276 с.

4. Газоочистные аппараты сухого и мокрого типов: Каталог. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. — 92 с.

5. Гордон Г. М., Пейсахов И. Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1977. — 455 с.

6. Кричевцов Е. А., Щелоков Я. М. Теплоэнергетика сталеплавильного производства. — М.: Металлургия, 1986. — 104 с.

7. Кропп Л. Я., Харьковский М. С. Мокрое золоулавливание в условиях оборотного водоснабжения. — М.: Энергия, 1980. — 112 с.

8. Мазус М. Г., Мальгин А. Д., Моргулис М. Л. Фильтры для улавливания промышленных пылей. — М.: Машиностроение, 1985. — 239 с.

9. Очистка технологических и неорганизованных выбросов от пыли в черной металлургии. — М.: Металлургия, 1986. — 215 с.

10. Правила технической эксплуатации газоочистных и пылеулавливающих установок. М.: Минхиммаш, 1978. — 37 с.

11. Пылеулавливание в металлургии: Справочник/Под ред. А. А. Гурвица. М.: Металлургия, 1984.- 335 с.

12. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. СН 245-71. — М.: Стройиздат, 1971. — 97 с.

13. Смолдырев А. Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии. — М.: Металлургия, 1985. — 280 с.

14. Сборник нормативно-технических документов по охране атмосферного воздуха поверхностных вод и почв от загрязнения. Т. 1. — М.: Московское отделение Гидрометиздата, 1985. — 132 с.

15. Справочник по пыле- и золоулавливанию. — 2-е изд., перераб. и доп./Под ред. А. А. Русанова. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 312 с.

16. Старк С. Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. — М.: Металлургия, 1977. — 328 с.

17. Теплоэнергетика металлургических заводов/Под ред. Ю. И. Розенгарта. — М.: Металлургия, 1985. — 302 с.

18. Толочко Я. И., Филиппов В. И., Филипьев О. В. Очистка технологических газов в черной металлургии. — М.: Металлургия, 1982. — 278 с.

19. Ужов В. Н., Вальдберг А. Ю., Мягков Б. И., Решидов И. К. Очистка промышленных газов от пыли. — М.: Химия, 1981. — 396 с.

20. Шаприцкий В. Я. Защита атмосферы в металлургии. — М.: Металлургия, 1984, - 215 с.

21. Электрофильтры в цветной металлургии/Под ред. А. Л. Гурвица. — М.: Металлургия, 1982. — 136 с.

22. Юдашкин М. Я. Пылеулавливание и очистка газов в черной металлургии. М.: Металлургия, 1984. — 320 с.

1 В числителе –данные по головной части охладителя, в знаменателе – по хвостовой части.

2 Доценко А.М. Пылегазовые выбросы миксерных отделений металлургических заводов и разработка эффективной системы их отвода и очистки: Диссертация канд. техн. наук. М.,1982. 185 с.