Раздел 4. Энергетика и окружающая среда

Задача 4-1. Произвести расчет рассеивания вредных выбросов в атмосфере при работе котельной, оборудованной тремя котлами ПТВМ-50. Топливо-мазут с содержанием серы S^р = 3 %; климатическая зона – Северо-Запад; мощность котлов N = 43 · 10⁶ Вт; КПД котла брутто η_бр = 86 %; высота дымовой трубы Н = 70 м; диаметр устья трубы Д_у = 2,5 м; температура уходящих газов t_ух = 190 ^оС; коэффициент избытка воздуха в топке α_т = 1,07; коэффициент избытка воздуха на выходе из газового тракта α_ух = 1,4; расчетный удельный расход дымовых газов V^о = 10,3 м³/кг; фоновая концентрация загрязнений, приведенная к диоксиду серы С_ф = 0,03 мг/м³; понижение температуры дымовых газов на 1 пог. м трубы принять равным 0,2 К/м; температура зимняя расчетная t_воз = -26 ^оС.

РЕШЕНИЕ:

Расход топлива для водогрейных котлов определяется по формуле

где - низшая рабочая теплота сгорания топлива, = 39,6 МДж/кг.

Для 3-х котлов

кг/с.

Расход дымовых газов

t_вых = t_ух – Δt = 190 – 0,2Н = 176 ^оС;

ΔТ = t_вых – t_возб = 176 – (-26) = 202 ^оС;

м³/с.

Определяем скорость выхода газов из устья трубы:

где м².

м/с.

Находим массовый выброс диоксида серы:

г/с.

Находим массовый выброс диоксида азота:

Коэффициент к = 2,12 (выбирается по типу котла и его производительности).

При α > 1,05 коэффициенты равны единице.

г/с.

Массовый суммарный выброс

г/с.

Определяем максимальную концентрацию вредных веществ:

где А – климатический коэффициент, А = 160;

F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе, F = 1;

ΔТ – разность температур выбрасываемого газа и окружающего воздуха, ΔТ = 202 ^оС;

Коэффициенты: m = 0,95, n = 1.

мг/м³.

Расстояние от источника выбросов до точки с максимальной концентрацией

Х_m = d · H;

;

Х_m = d · H = 1242 м, при опасной скорости ветра

или

м.

Определяем опасную скорость ветра

W_воп = ν_м(1 + 0,12f^0,5) = 4,5 м/с.

При W_в = 6 м/с, коэффициенты r и р равны r = 0,9; р = 1,1.

Максимальная концентрация вредных веществ в зоне диффузии факела

С_м = r · С_max = 0.9 · 0.352 = 0,32 мг/м³.

Расстояние, на котором достигается максимальная приземная концентрация вредных веществ,

Х_м = р · Х_моп = 1,1 · 1242 = 1366,2 м.

Для снижения концентрации выброса вредных веществ самая простая мера – увеличение высоты дымовой трубы.

Задача 4-2. Произвести расчет очистки дымовых газов котла на твердом топливе от золы с помощью серийных батарейных циклонов ЦБ-2. Внутренний диаметр циклона 231 мм, число циклонов в секции 20, 25, 30, паропроизводительность котла Д = 10 т/ч, избыточное давление острого пара Р_изб = 1,4 МПа, температура перегретого пара t_пп = 250 ^оС, температура питательной воды t_п.в = 100 ^оС, температура дымовых газов t_ух = 145 ^оС, КПД брутто котла η_бр = 82 %, коэффициент избытка воздуха α = 1,45, унос золы из топки α_ун = 0,82, механический недожог топлива q₄ = 1,5 %, газовая постоянная R = 284 Дж/кг·К. Низшая теплота сгорания топлива = 10,5 · 10⁶ Дж/кг, А^р = 25,2 %, V^о = 3,57 м³/кг, h₁ = 2690 кДж/кг, h₂ = 419 кДж/кг.

РЕШЕНИЕ:

Расход топлива в котле

кг/с.

Объемный расход дымовых газов

м³/с.

Сечение батарейного циклона

м².

Оптимальное количество циклонов

м/с;

Выбираем одну батарею по 30 штук в секции.

Расход через один циклон

м³/с.

Реальная скорость течения отработавших газов через циклон

м/с.

Масса золы, попавшей в циклон,

кг/с.

Подсчитав проскок частиц разных фракций золы в атмосферу ε = Σε_iФ_i, он равен ε = 7,5 %.

Расход твердых частиц в атмосфере

С_з = М_з · ε = 0,142 · 0,075 = 0,011 кг/с.

Улавливается в батарее циклонов твердых частиц золы

М_ул = М_з – С_з = 0,142 – 0,011 = 0,131 кг/с

или

η = 100 – 7,5 = 92,5 %.

Одна батарея из 30 циклонов очищает дымовые газы на 92,5 %.

Потеря давления в циклонах

где ξ = 80 – гидравлический коэффициент сопротивления;

ρ – плотность, кг/м³.

кг/м³,

Па.

Задача 4-3. Узкитй пучок j-излучения с энергией Е_о проходит через экран толщиной d из свинца или бетона (линейные коэффициенты ослабления для свинца μ_св, для бетона μ_б).

Какую долю составит интенсивность проходящего излучения от первоначального? Какую толщину должны иметь экраны из свинца или бетона для ослабления излучения в 100 раз? Е_о = 0,7 МэВ, μ_св = 0,8 1/см, μ_б = 0,15 1/см, d = 2 см.

РЕШЕНИЕ:

Отношение интенсивности прошедшего излучения к начальному

При снижении излучения в 100 раз

где d – толщина стенки, при которой интенсивность излучения уменьшится в 100 раз.

Для свинца

%,

Е_с = 0,26 · 0,7 = 0,185 МэВ,

см.

Для бетона

%,

Е_б = 0,142 · 0,7 = 0,52 МэВ,

см.

Задача 4-4. Произвести расчет горизонтальной нефтеловушки (отстойника) для очистки сточных вод от нефтепродуктов. Расход сточных вод Q = 0,06 м³/с, скорость всплывания частиц нефти W_ч = 0,35 мм/с. Ширина лотка нефтеловушки В = 2 м, глубина Н = 0,5 м. В результате расчета определить длину проточной части отстойника и число секций нефтеловушки.

РЕШЕНИЕ:

Для эффективной работы нефтеловушки в ней должен обеспечиваться ламинарный режим течения, при котором число Рейнольдса

где W_ср – средняя скорость течения в лотке;

ν – коэффициент кинематической вязкости воды, ν = 1,05 · 10^-6 м²/с;

Н – глубина лотка, Н = 0,5 м.

Определим среднюю скорость течения в лотке

м/с.

Время всплывания частиц τ

с.

Длина отстойника L = 1,1 W_срτ

L = 1,1 · 0,01 · 1430 = 15,75 м.

Расход воды Q = W_ср · В · Н = 0,01 · 2 · 0,5 = 0,01 м³/с.

По условию задачи Q = 0,06 м³/с, следовательно, необходимо 6 нефтеловушек (отстойников).