М.И. Дайнов, Н.С. Кудрявцева - Оценка затрат на защиту атмосферы и очистку сточных вод от промышленных выбросов, страница 10

, м², (2.1.50)

где q − количество теплоты, отводимой от отходящих газов, Вт;
K_s − коэффициент теплопередачи между охлаждаемым потоком отходящих газов и нагреваемым потоком, Вт/м² К. Поскольку теплообмен обычно происходит между двумя потоками газов, то значения K_s малы и составляют:

K_s = 30 Вт/м² К − для перекрестноточных теплообменников;

K_s = 180…240 Вт/м² К − для теплообменников с U-образными трубками;

T_ср [К] − средний логарифмический температурный напор в виде:

, (2.1.51)

где T_б и T_м − больший и меньший температурные напоры между теплоносителями (потоками газов).

Например, в случае прямотока T_б = Т₂ - T₁, T_м = T₂ - T₁;

в случае противотока T_б = Т₂ - T₁, T_м = T₂ - T₁, где индексы 1 и 2 относятся к охлаждаемому и нагреваемому потокам, а индексы  и  означают температуры на входе и выходе из теплообменника.

Тогда стоимости теплообменников вычисляют по формуле:

при 18,5  А_s  4645 (м²)

, у.е. (2.1.52)

Наибольший вклад в годичную стоимость дожигателя (до 80%) вносит топливо. Стоимость топлива зависит от его цены, температуры на входе и выходе, скорости течения отходящих газов и эффективности дожигания. Хотя для корректности необходимо учитывать нагрев за счет сгорания загрязнителя, при расчете потребности в топливе можно, однако, пренебречь этим вкладом. Предполагается дополнительно, что эффективность сгорания составляет 100%, потери теплоты пренебрежимо малы и количества воздуха в отходящих газах достаточно для сжигания. В этом приближении получается следующее выражение для расхода топлива в дожигателе [2,10]:

, [моль/ч]. (2.1.53)

Здесь n_i − поток через дожигатель, моль/ч; c_pi − средняя теплоемкость входящего потока газа, Дж/(моль К); c_pj − средняя теплоемкость j-го компонента сгорания топлива, Дж/(моль К); H_f − теплотворная способность топлива, Дж/моль; m_j − количество молей продуктов сгорания j-го компонента на 1 моль топлива, моль/моль; T_i, T₀, T_f − температуры на входе и выходе потоков газа и температура топлива, К.

Расход топлива можно рассчитать приближенно. Расход дополнительного топлива при сжигании газообразных отходов, нагретых до 50 ⁰С, составляет 25-40 кг условного топлива на 1000 м³ обрабатываемых газов. Теплота сгорания условного топлива равна 29,33 МДж/кг.

Воздух для горения берется извне (т.е. 100% начального воздуха), и объемная скорость течения после сгорания больше на количество добавленного горючего

. (2.1.54)

Поэтому размер камеры в (2.1.47) оценивается по n_o, а не по n_i.

В энергию, потребляемую дожигателями, входит также энергия, необходимая для работы вентилятора. Потребление энергии пропорционально перепаду на дожигателе, который, в свою очередь, зависит от степени рекуперации теплоты. Руководством могут служить следующие данные, представленные в табл. 2.1.22.

Таблица 2.1.22

Кроме теплообменников, вспомогательное оборудование, используемое с дожигателями, включает систему засоса, вентиляторную подсистему и дымовую трубу.

2.1.14. Каталитические дожигатели

Каталитические дожигатели очень близки к термическим по конструкции и эксплуатации. Подобно термическим дожигателям, они окисляют горючие органические и другие примеси до СО₂ и Н₂О, при этом используется изменяющееся количество дополнительного топлива в камере сгорания. Можно применять или не применять рекуперацию теплоты отходящих газов. Однако в отличие от термических систем при использовании катализатора для интенсификации кинетики горения возможно значительное понижение температуры горения до 366-643 К против 1040-1260 К для термических дожигателей. Катализатор обычно представляет собой благородный металл на носителе из активированного оксида алюминия; размещают катализатор на металлической сетке перед выходом из камеры. Как и во всех случаях катализа, действие катализатора основано на наличии на поверхности активных центров, на которых протекает реакция окисления. Единственная проблема состоит в том, что эти центры могут быть отравлены примесями к газовому потоку, а именно свинцом, галогенами и сухими дисперсными частицами.

Требуемое количество катализатора и его стоимость зависят от эффективности очистки  и объемной скорости газа Q [м³/с]. Требуемое количество катализатора колеблется в пределах 0,3-1,2 м³ на 1 м³/с потока.

Стоимость катализатора для обеспечения эффективности =90% выражается в виде [2]

, у.е. (2.1.55)

Стоимость катализатора для обеспечения эффективности =99% [2]

, у.е. (2.1.56)

Уравнения (2.1.55) и (2.1.56) справедливы при 0,24  Q  47,2 (м³/с).

Заметим, что стоимость катализатора, необходимого для 99%-ной эффективности, почти вдвое больше его стоимости при 90%-ной эффективности очистки.

В процессе работы катализатор изнашивается, и его следует заменять. Обычный срок службы n = 3 года. Дополнительные расходы, связанные с заменой катализатора, подсчитываются следующим образом

Цена замены катализатора = первоначальная цена * ФВК,

где ФВК − фактор возмещения капитала.

Фактор возмещения капитала является функцией процентной ставки i и времени жизни n в годах:

. (2.1.57)

Стоимость дожигателя, оснащенного проводкой, трубопроводами, горелкой, контрольно-измерительными приборами, связана с объемом очищаемого потока выражением:

при 0,24  Q  47,2 (м³/с)

, у.е. (2.1.58)

В отличие от термических дожигателей стоимость каталитических выражается через объемную скорость газа, а не через объем камеры.

Совместно с каталитическими и термическими дожигателями применяют теплообменники-рекуператоры одних и тех же типов. Их стоимость рассчитывают по уравнению (2.1.52).

Для расчета потребности в топливе используют уравнение (2.1.53). Однако величина Т₀ в случае действия катализатора значительно ниже. Значения температуры вспышки, которые обеспечивают 90%-ную эффективность в каталитических дожигателях, представлены в табл. 2.1.23.

Таблица 2.1.23

Приближенный расход вспомогательного топлива (природного газа) составляет 3,5-4 м³ на 1000 м³ очищаемого воздуха.

Перепад давления на дожигателе р  150-180 Па
при 800  Q  900 м³/ч.

2.1.15. Факелы

В отличие от других устройств для сжигания факелы применяют обычно в случае периодических потоков и аварийных ситуаций, а не для постоянных выбросов. Это исключительно простые устройства, представляющие собой горелки со встроенной камерой сгорания; использовать их можно для различных сжигаемых веществ, газообразных или парообразных, с различной теплотой сгорания.

Различают факелы двух основных типов: возвышенные и закрытые наземные. В первом случае факел и вспомогательные устройства располагают на вершине трубы (свободно стоящей или опирающейся на поддерживающие конструкции). Цель такого расположения − обеспечение безопасности и уменьшение шума. Необходимое дополнительное оборудование − обратный клапан, предотвращающий затекание воздуха в трубу, отсечной резервуар для удаления унесенной жидкости, система зажигания и, естественно, обычный газоход, система засоса, вентиляторная подсистема.

Возвышенные факелы бывают трех типов − дымные, бездымные и эндотермические; использование тех или иных зависит от типа и теплоты сгорания сжигаемого материала.

В отличие от возвышенных факелов с помощью закрытых наземных факелов можно сжигать и газообразные, и жидкие отходы; такие факелы более гибки в отношении эксплуатации и утилизации энергии. Они состоят из нескольких горелок; для сжигания материала служит футерованная камера или открытая яма. Несмотря на то, что в случае наземных факелов нет необходимости ни в трубах, ни в поддерживающих конструкциях, они требуют несколько больших капиталовложений из-за большей сложности конструкции, что отчасти компенсируется меньшей потребностью в объеме услуг.

Стоимость факелов зависит от конструкции, высоты возвышения и массовой скорости потока отходящих газов M [кг/ч]. Зависимость стоимости факела при 1134М113400 (кг/ч) характеризуется выражением

, у.е., (2.1.59)

где коэффициенты a, b, c определяются из табл. 2.1.24.

Стоимость возвышенных факелов должна включать также стоимость лестниц, платформ и стоимость трубы достаточной высоты, обеспечивающей максимально допустимый уровень теплового излучения на поверхности земли, равный 4780 Дж/(м²с).

Таблица 2.1.24

Расходы на эксплуатацию факелов очень велики вследствие потребления значительных количеств природного газа в случае бездымных факелов и пара. Стоимость энергии, потребляемой вентилятором, может также оказаться высокой, поскольку общий перепад давления на газоходе, отсеченном резервуаре, трубе и самом факеле может достигать 15 КПа.

Потребность в природном газе для работы и продувки наземных факелов может быть оценена в функции расхода отходящего газа:

, (2.1.60)