ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ГЕВЛИЧ ІВАН ГЕННАДІЙОВИЧ

УДК 697.32

Зниження вмісту бенз(о)пірену у димових газах теплогенераторів малої потужності і його розсіювання в атмосфері

05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри “Теплотехніка, теплогазопостачання і вентиляція”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Висоцький Сергій Павлович, Автомобільнодорожній інститут Донецького національного технічного університету, завідувач кафедри “Екологія та БЖД”;

кандидат технічних наук, доцент Шушляков Олександр Васильович, Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, доцент кафедри “Теплогазопостачання, вентиляція та використання теплових вторинних енергоресурсів”.

Ведуча установа: Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра “Експлуатація газових і теплових мереж”.

Захист відбудеться 1 липня 2004 р. у 13.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.085.01 при Донбаській державній академії будівництва й архітектури за адресою: 86123, Донецька область, м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька область, м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий 28 травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Україна є країною з могутнім промисловим потенціалом і напруженою екологічною обстановкою. Одним з найбільших споживачів органічного палива є комунальна енергетика, де на цілі теплопостачання витрачається близько 50% всіх енергоресурсів паливно-енергетичного комплексу країни. В останні роки в Україні, як і в більшості країн Західної Європи, США та у Японії, намітилася стійка тенденція, спрямована на децентралізацію систем теплопостачання з використанням високоефективних і маневрених теплогенераторів малої (до 3 МВт) потужності. Показано, що в цьому випадку реальна економія енергії в порівнянні з централізованим теплопостачанням складає 50%, а капітальні вкладення не перевищують витрат на теплові мережі центрального опалення від районних котелень.

Проблемою виробництва теплової енергії є забруднення атмосфери шкідливими викидами (NOx, СО, HCN, широкий спектр вуглеводнів), серед яких за ступенем токсичності виділяється бенз(о)пірен (С20Н12). Кількість викидів характеризує ступінь досконалості технологій використання органічного палива, а тривалість окислювання вуглеводнів в атмосфері визначає дальність їхнього поширення від місця викиду.

У котельних установках великої потужності застосовується система зниження викидів канцерогенних речовин і збирається детальна інформація про склад і кількість забруднювачів у димових газах. Однак для котлоагрегатів малої потужності немає даних щодо викидів канцерогенних речовин, а відсутність контролю в даному питанні може значно загострити і без того небезпечну екологічну обстановку, що склалася в Україні в даний час. Тому моніторинг стану навколишнього середовища з метою зниження викидів, що утворюються в процесі горіння газоподібного палива та призводять до порушення екологічної рівноваги навколишнього середовища в Україні, особливо актуальний у науковому і прикладному аспектах.

Крім потреби в реєстрації складу і кількості викидів, у тому числі канцерогенних, урахування впливу їх на екологію регіону, існує необхідність і безпосередньо істотного коректування організації процесів спалювання палив у напрямку зменшення утворення канцерогенних речовин, що докладно розглядається в роботах вітчизняних і закордонних дослідників у даному напрямку. Канцерогенні речовини є сильними забруднювачами атмосферного повітря, і проблеми їхнього утворення при спалюванні вуглеводневого палива, а також викидів в атмосферу в науковій літературі тільки ставляться.

Недостатня розробка рішення питань дотримання встановлених норм викидів на конкретному об'єкті і при розгляді екологічної ситуації окремого регіону в цілому переводить дану проблему в розряд найактуальніших як у теоретичному, так і в практичному аспектах.

Сучасні підходи до створення інформаційних систем аналізу екологічного стану атмосфери засновані на залученні методів математичної фізики, статистичної гідромеханіки, обчислювальної математики і програмування і дозволяють моделювати процес розсіювання забруднюючих речовин у багатовимірній області, проводити аналіз максимально разових і середньодобових концентрацій забруднюючих речовин на виділеній локальній території, моделювати зони максимальних середньодобових концентрацій домішок у приземному шарі.

Усе вищесказане визначає актуальність даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до пріоритетних науково-технічних напрямків науки і техніки України “Екологічно чиста енергетика й енергозберігаючі технології” у рамках держбюджетних науково-дослідних тем К-2-4-96 “Розробка засобів підвищення ефективності теплотехнічних пристроїв з використанням енергозберігаючих технологій” (1996-2000 рр.), К-3-08-01 “Розробка й удосконалення екотехнологічних процесів утилізації теплоти та використання нетрадиційних джерел енергії” (2001-2004 рр., номер держ. реєстрації 0102U002850), Д-2-3-03 (замовник - Міністерство освіти і науки України) “Створення теоретичних та технологічних засад розробки систем автономного теплопостачання та заходів поліпшення якості води у споживачів” (2003-2004рр., номер держ. реєстрації 0103U000585).

Метою роботи є зниження вмісту бенз(о)пірену в повітрі селитебної зони житлової забудови на основі розробки раціональних режимів спалювання палива в теплогенераторах малої потужності і забезпечення його розсіювання в атмосфері.

Задачі дослідження:

-

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження - жаротрубні теплогенератори малої потужності і території замкнутої багатоповерхової житлової забудови.

Предмет дослідження - процеси емісії бенз(о)пірену в топковій камері жаротрубних теплогенераторів при спалюванні природного газу і його розсіюванні в атмосфері.

Методи дослідження. Процеси утворення бенз(о)пірену в топковій камері і характер впливу технологічних параметрів спалювання природного газу вивчалися на дослідницькому вогневому стенді з використанням сучасних технологій, універсального газоаналізатора “EcoLine Plus” і визначення концентрації бенз(о)пірену спектрально-флуоресцентним методом. При виконанні експериментальних досліджень використовувалися методи математичного планування експериментів і статистичної обробки дослідних даних.

Процеси розсіювання викидів бенз(о)пірену в атмосфері досліджувалися за допомогою методів чисельного моделювання.

Обґрунтованість і вірогідність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується коректним використанням математичного апарата, а також експериментальними дослідженнями і досвідом експлуатації. Адекватність математичних моделей доведена експериментально, перевірка адекватності математичної моделі виконувалася за критерієм Фішера при довірчій імовірності 0,95.

Наукова новизна отриманих результатів:

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

-

-

Упровадження роботи здійснене на підприємствах ДКП “Артемовсктепломережа” і “Макіївтепломережа” з річним економічним ефектом більш ніж 34 тис. грн. і при підготовці фахівців у ДонДАБА за фахом “Теплогазопостачання і вентиляція”.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

-

-

-

-

-

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи повідомлено, обговорено і схвалено на міжнародних науково-технічних конференціях: “Екологія промислового регіону” (м. Донецьк, 1995 р.); “Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ” (м. Мелекіно, 2002 р.); “Енергозбереження, безпека, екологія в промисловості і комунальній енергетиці” (м. Ялта, 2003 р.); на науково-практичній конференції “Донбас-2020. Охорона навколишнього середовища й екологічна безпека” (м. Донецьк, 2001 р.), а також на науково-технічних конференціях ДонДАБА (м. Макіївка, 1996, 1998, 2000 рр.).

У повному обсязі результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися на розширеному засіданні кафедри “Теплотехніка, теплогазопостачання і вентиляція” ДонДАБА (2004 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 статей у наукових журналах і збірниках, з яких 2 роботи - без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаної літератури з 175 найменувань на 16 сторінках і 4 додатки на 44 сторінках. Має 147 сторінки основного тексту, 35 малюнків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика, актуальність і новизна роботи, обґрунтований вибір об'єкта і предмета досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячений аналізу стану і проблем зниження забруднення бенз(о)піреном повітряного басейну викидами з димовими газами теплогенераторів малої потужності.

Зниження викидів в атмосферу з продуктами згоряння палива забруднюючих речовин є важливим напрямком удосконалення опалювальної техніки та технологічних топкових процесів, розробками яких займалися ряд вчених (Р.Б. Ахметов, С.Н. Батуєв, С.П. Висоцький, В.Ф. Губар, Я.Б. Зельдович, І.Я. Сігал, Л.М. Цирульников, О.В. Шушляков та інш.).

Обґрунтовано виділення в якості об'єкта розгляду бенз(о)пірену як найбільш небезпечного інгредієнта в складі поліциклічних ароматичних вуглеводнів, що утворюються при горінні палив, як сильного канцерогенного компонента, найбільш розповсюдженого в навколишнім середовищі і такого, що легко виявляється за характерним спектром флуоресценції.

Технологічні заходи, спрямовані на підвищення экологічності спалювання газу, не забезпечують одночасного зниження вмісту шкідливих речовин різного класу в продуктах згоряння. Різноплановий характер заходів, що сприяють підвищенню теплотехнічних показників і зниженню викидів шкідливих інгредієнтів окремих класів, припускає визначення в кожнім випадку оптимального режиму спалювання палива з урахуванням економічних і екологічних показників роботи теплогенераторів. Досягнення зазначеної задачі можливо шляхом визначення технологічних параметрів, що дозволяють здійснити регулювання процесу спалювання палива в широких межах і встановити зв'язок теплотехнічних характеристик факела із вмістом шкідливих речовин різного класу в продуктах згоряння.

Відомі механізми утворення 6енз(о)пірену у полум'ї вуглеводневих палив запропоновані в роботах Г.П. Коміна, В.Н. Лаврова, Н.Л. Стаскевича. За даними робіт В.С. Авдуєвського, С.Н. Батуєва утворення 6енз(о)пірену при горінні метану відбувається шляхом ущільнення за радикально-ланцюговим механізмом. Це призводить до утворення триацетилена, що взаємодіє з ацетиленом і радикалом С2Н з утворенням 6енз(о)пірену. Відповідно до робіт Д. Беджера утворення 6енз(о)пірену походить з ацетилену як процес подовження ланцюга із синтезом бутадієну і надалі - стиролу.

Використання технологічних режимів топкового процесу теплогенераторів малої потужності, що мінімізують емісію бенз(о)пірену, не дозволяє зовсім виключити наявність даної канцерогенної речовини в складі димових газів. Відсутність на локальних котельних пристроїв, що уловлюють бенз(о)пірен, і розташування їх у безпосередній близькості від споживача призводять до перевищення бенз(о)піреном ГДК у селитебній зоні. Проблеми антропогенного забруднення міст вивчалися у роботах таких вчених, як Ю.А. Ізраель, Ф.Я. Ровинський, Г.І. Марчук.

Натурні дослідження забруднення територій забудови практично нездійсненні, а дослідження в аеродинамічній трубі вимагають значних фінансових і часових витрат, тому найефективнішим представляється чисельне моделювання за допомогою ЕОМ. Створені за офіційно прийнятою методикою моделі не дозволяють враховувати вплив забудови і дають значні розбіжності між розрахунковими та виміряними величинами забруднень, що обумовлює необхідність побудови більш адекватної моделі для вивчення ступеня розсіювання забруднень на територіях замкнутої забудови.

На основі аналітичного вивчення літературних джерел визначене коло невирішених питань, сформульовані задачі і напрямки досліджень.

В другому розділі наведена характеристика об'єктів і методів досліджень. З метою підвищення екологічної ефективності роботи жаротрубних котлоагрегатів малої потужності, призначених для локального теплопостачання, у роботі був вивчений характер впливу технологічних параметрів спалювання природного газу на емісію без(о)пірену, його перенос і розсіювання в селитебній зоні житлової забудови. Для рішення поставлених задач розроблена логіко-структурна схема досліджень (рис. 1).

Робота виконувалася за двома напрямками: вивчався вплив визначальних факторів на вихід бенз(о)пірену з продуктами згоряння природного газу в жаротрубних теплогенераторах малої потужності; виявлявся вплив житлової забудови на ефективність розсіювання бенз(о)пірену в атмосфері.

Для проведення експериментальних досліджень на базі жаротрубного теплогенератора КВ-ГМ-1,6-95СН, виробленого ДКП “Артемовсктепломережа”, була створена експериментальна установка, що забезпечує виконання наступних досліджень:

-

-

-

-

-

-

Вимір температури газів, коефіцієнтів надлишку повітря і неповноти змішання газу з повітрям виконано за допомогою універсального електронного газоаналізатора “EcoLine Plus” (погрішність виміру температури ± 0,25%, газових компонентів ± 4%).

Виявлено, що необхідність проведення масових аналізів вимагає експресності виконаних визначень, мінімальної кількості проміжних операцій між одержанням екстракту і визначенням у ньому концентрації, високої відтворюваності результатів, простої формалізації для комп'ютерної техніки, використання доступного і надійного в експлуатації устаткування. У роботі надан критичний аналіз методів добору й обробки проб, зокрема, спектрофотометрії і спектрофлуориметрії при кімнатній температурі, газорідинної хроматографії, у тому числі з мас-спектрометричним детекторуванням, тобто хроматомас-спектрометрії, високоефективної рідинної хроматографії, низькотемпературної спектрофлуориметрії і квазілінійних спектрів люмінесценції (ефект Шпольського). Останній є найбільш прийнятним за співвідношенням простоти і якості отриманих результатів, чим обумовлене його використання в роботі.

Рис. 1 Логіко-структурна схема досліджень.

Для одночасного вивчення впливу надлишку повітря, неповноти змішання газу з повітрям у пальнику, кута установки завихрувача в пальнику, відносної теплової потужності теплогенератора; типу газовипускаючого насадка на ступінь утворення бенз(о)пірену був обраний планований багатофакторний експеримент.

В якості плану експерименту використовувався ортогональний план другого порядку, що забезпечує рівність нулю всіх коваріацій між коефіцієнтами в рівнянні регресії і найвищу точність поблизу центра плану. Аналіз літературних джерел і результатів попередніх досліджень дозволив обрати наступні інтервали варіювання і нульові значення основних факторів, що впливають на ступінь утворення бенз(о)пірену: ступінь неповноти змішання газу з повітрям у пальнику ?=0...0,8; коефіцієнт надлишку повітря ?Т=1,03...1,30; кут установки завихрувача в пальнику ?=0...45°; теплонапруженість об’єму топки теплогенератора Qv=150...450 квт/м3; тип газовипускаючого насадка трьох видів; кількість водяної пари Gп=0...0,2 кг/м3 природного газу.

Результати експерименту оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики з довірчою імовірністю 0,95. Значимість коефіцієнтів рівнянь регресії і довірчий інтервал визначалися за допомогою числа Стьюдента, адекватність математичних моделей перевірялася за допомогою числа Фішера.

В третьому розділі наводяться результати дослідження викидів бенз(о)пірену з продуктами згоряння природного газу в котлоагрегатах малої потужності.

Аналіз стану питання утворення бенз(о)пірену при спалюванні природного газу в котельних установках показав, що основними факторами, що визначають емісію цієї канцерогенної речовини, є: час перебування вихідних компонентів паливно-повітряної суміші в зоні горіння; температурний рівень і концентрація в ній кисню.

Дослідження виходу бенз(о)пірену з продуктами згоряння в залежності від неповноти змішання газу з повітрям у пальнику при різних значеннях коефіцієнта надлишку повітря бТ вироблялися при теплонапруженості топкового об’єму QV=300 квт/м3. Вплив неповноти змішання газу з повітрям на вміст бенз(о)пірену в димових газах має однаковий характер при всіх значеннях коефіцієнта надлишку повітря і призводить до зниження виходу бенз(о)пірену у 3-5 разів (рис. 2).

Рис. 2 Вплив неповноти змішання газу з повітрям у пальнику на концентрацію бенз(о)пірену у продуктах згоряння при різних коефіцієнтах надлишку повітря (?Т):

1 - бТ = 1,03;

2 - бТ = 1,1;

3 - бТ = 1,2;

4 - бТ = 1,3;

Отримані криві можна розбити на три характерні ділянки: 1) зі зміною о ?ід 0,8 до 0,4 концентрація бенз(о)пірену зменшується в середньому на 20 %; 2) при ? від 0,4 до 0,2 відбувається зниження виходу бенз(о)пірену на 70-75 % від максимальної кількості; 3) від ? = 0,2 до 0, незважаючи на підвищення інтенсивності вигоряння палива і ріст температури, не відбувається помітного зменшення концентрації бенз(о)пірену в продуктах згоряння. Зниження виходу бенз(о)пірену із продуктами згоряння при поліпшенні суміші пояснюється скороченням локальних зон горіння з нестачею кисню, де відбуваються піроліз палива та утворення продуктів неповного горіння. При великому надлишку повітря якість змішання значно не впливає на вихід бенз(о)пірену (крива 4).

Має місце аналогічний характер впливу ? на вихід бенз(о)пірену для різних значень теплонапруженості об’єму топки (рис.3).

Рис. 3 Концен-трація бенз(о)пірену в продуктах згоряння в залежності від неповноти змішання при різних значеннях тепло-напруженості об’єму топки (QV):

1-

2-

3-

Спостерігається закономірне зменшення вмісту бенз(о)пірену із збільшенням QV, яке пояснюється тим, що зниження теплового навантаження при незмінних розмірах топкової камери призводить до зменшення турбулентності факельного потоку і зниження його температури, що визначає підвищення концентрації бенз(о)пірену.

Досліджувалися методи зниження емісії бенз(о)пірену в процесі спалювання природного газу в жаротрубних теплогенераторах, такі, як турбулізація газоповітряної суміші в пальнику, дроблення природного газу на окремі струмені; вплив домішок водяної пари у факел полум'я.

При дослідженні впливу ступеня турбулізації газоповітряного потоку був випробуваний аксіальний завихрувач, установлений на зрізі пальника. Дані досліджень показують, що збільшення кута установки лопаток аксіального завихрувача призводить до зниження концентрації бенз(о)пірену практично лінійно (рис. 4). Причому при ? = 0,8 зниження виходу бенз(о)пірену відбувається дуже інтенсивно. Це пояснюється тим, що крутка, підвищуючи турбулентність у факелі, збільшує число зіткнень між молекулами палива й окислювача, а також усуває (при ?>0,2) початкову нерівномірність розподілу природного газу в потоці повітря. При ?<0,2 із збільшенням ц вміст бенз(о)пірену практично не змінився.

Рис. 4 Вплив кута установки лопаток аксіального завихрувача на вміст бенз(о)пірену в продуктах згоряння:

1-о=0,8;

2-о=0,2;

3-о=0,0.

Для вивчення впливу засобів подавання природного газу на вихід бенз(о)пірену випробувані три типи газовипускних насадків, в перших з яких (А, Б) провадилася попутна подача газових струменів в різні зони повітряного потоку, а в третьому (В) газ подавався під кутом 90° із розосередженим підводом скрізь 8 отворів. За результатами експериментів виявлено, що концентрація бенз(о)пірену у продуктах згоряння при однакових значеннях ? (о>0) ?ає більше значення при використанні газовипускного насадка з центральним виходом газу (тип А), зменшується при розосередженій подачі газу (тип Б) і ще більш знижується в експериментах з газовипускним насадком типу В. З поліпшенням якості змішання до значення ?=0,2 у дослідах з використанням різних газовипускних насадків концентрація бенз(о)пірену відрізнялася незначно і практично стабілізувалася на одному рівні.

Експериментальні дослідження з впливу домішок водяної пари у дутьєве повітря з метою перевірки позитивного ефекту даного заходу на зниження виходу бенз(о)пірену вироблялися при різних значеннях ?, бТ = 1,03 і QV=150 кВт/м3. Результати дослідження наведені на рис.5.

Можна визначити, що домішки водяної пари, що надходять з повітрям у зону горіння для зниження виходу шкідливих речовин найбільш ефективні при ?>0,4. При цьому максимальне зниження концентрації бенз(о)пірену відбувається в 1,5-2 рази. Величина домішок водяної пари для різних значень ? має оптимальне значення, що визначається виходом бенз(о)пірену. Для ? = 0 - 0,2 вона складає 0,1 - 0,14 кг/м3 газу, причому з погіршенням змішання домішки водяної пари повинні зменшуватися.

Рис. 5 Залежність концентрації бенз-(о)пірену у продуктах згоряння від домішок водяної пари, що надходить у топку з повітрям при різних значеннях неповноти змішання.

1 – о = 0,8;

2 – о = 0,6;

3 – о = 0,4;

4 – о =0,2;

5 – о =0.

Зіставлення результатів щодо зниження виходу шкідливих речовин методом регулювання неповноти змішання і при введенні водяної пари з повітрям у зону горіння показує, що величина, на яку зменшується концентрація вмісту бенз(о)пірену при зміні ?, досягає більших значень, ніж від впливу пари, навіть якщо його витрата дорівнює 0,16 кг/м3 газу, при цьому концентрація бенз(о)пірену при введенні вологи менше на 15 - 20 нг/м3.

За результатами багатофакторного експерименту отримана математична модель впливу технологічних параметрів на вихід бенз(о)пірену у вигляді (1):

, (1)

де ?Т- коефіцієнт надлишку повітря в топковій камері, ? - кут установки завихрувача, рад., QV - теплонапруженість об’єму топкової камери, кВт/м3.

У четвертому розділі наводиться чисельна модель розсіювання бенз(о)пірену з урахуванням житлової забудови. Математична постановка задачі

, (2)

де f(x,y,z,t) - функція, що описує джерела викидів бенз(о)пірену (ц).

Рівняння (2) описує два принципово різні фізичні процеси, один із яких є процесом переносу субстанції з її збереженням уздовж траєкторії (), другий представлений дифузією (мДц ) і поглинанням субстанції в процесі поширення (уц). За допомогою методів розщеплення за фізичними параметрами послідовно вирішені поставлені задачі.

Задача переносу забруднень уздовж траєкторій зведена до перебування в кожний дискретний момент часу інтенсивностей приєднаних (тих, що моделюють геометричну конфігурацію забудови) та вільних (тих, що задають картину обтікання цієї забудови) вихрів.

, (3)

де - інтенсивність приєднаної завихреності, - інтенсивність вільної завихреності, - інтенсивність вихрового сліду.

Наведене інтегрально-диференціальне рівняння (3) вирішується чисельно за допомогою методу дискретних вихрів, який є найбільш зручним при використанні ЕОМ, після чого визначається розташування часток забруднень, що вийшли з джерел і переміщуються за траєкторіями. Дифузія розраховується в кожний момент часу як функція, пропорційна градієнту концентрацій розрахункової речовини в частці і концентрації в навколишнім просторі.

У п’ятому розділі за наданою математичною моделлю розроблені чисельний алгоритм і програма, що дозволяє: обчислювати за геометричними параметрами забудови її вихрову схему; розраховувати векторні поля швидкостей вітрового потоку в різних перетинах; визначати траєкторії переміщення забруднень від їхніх джерел в нестаціонарному режимі за часом; розраховувати дифузію забруднень від траєкторій їхнього переміщення; визначати концентрацію забруднень на території замкнутої забудови, будувати лінії рівних концентрацій у різних перетинах; одержувати інформацію в зручному для використання вигляді, масштабі і т.п.

Чисельний експеримент проводився за розробленою матрицею планування експерименту, з метою зменшення забруднень території замкнутої багатоповерхової забудови при різних параметрах вітрового потоку (швидкість, напрямок) визначалися оптимальні місця розташування джерел забруднень.

Результати експерименту показали, що з метою кращого розсіювання забруднень їхні джерела варто розташовувати з зовнішньої сторони чи на торцевих сторонах споруд забудови. Дотримання даного принципу зменшує приток забруднень у циркуляційні зони вітрових тіней замкнутої забудови і сприяє їхньому розсіюванню (рис. 6, 7).

Результати чисельного моделювання переносу бенз(о)пірену показують його накопичення у селитебній зоні при розташуванні джерел викидів на внутрішніх сторонах та на території замкнутої забудови (рис. 6).

Рис. 6 Поле концентрації бенз(о)пірену в селитеб-ній зоні при розташу-ванні джерел викидів на внутрішніх сторонах замкнутої забудови.

1, 2, 3, 4 – місця викидів бенз(о)пірена.

А - напрям вітрового потоку.

Лініями позначені зони перевищення ГДК.

При розташуванні джерел викидів на зовнішніх сторонах забудови бенз(о)пірен не влучає усередину замкнутої забудови та добре розсіюється вітровими потоками (рис. 7).

Рис. 7 Поле кон-центрації бенз(о)піре-ну в селитебній зоні при розташуванні джерел викидів на зовнішніх сторонах замкнутої забудови.

1, 2, 3, 4 – місця викидів бенз(о)пірена.

А - напрям вітрового потоку.

Лініями позначені зони перевищення ГДК.

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний режим роботи теплогенераторів малої потужності, що забезпечує мінімальні викиди бенз(о)пірену з димовими газами, упровадження якого у виробництво на підприємстві КП “Макіівтепломережа” дозволило отримати річний економічний ефект у розмірі більш ніж 34 тис.грн.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

(Здобувачем створена і реалізована чисельна модель визначення вертикального профілю швидкостей вітру в житловій забудові).

2.

(Здобувачем створена чисельна модель нестаціонарного обтікання повітряним потоком багатоповерхової житлової забудови, проведений чисельний експеримент).

3.

4.

(Здобувачем створена і реалізована чисельна модель переносу забруднень з урахуванням гравітаційного осадження, вимивання опадами й іншими факторами, проведені чисельні дослідження переносу домішок).

5.

6.

(Здобувачем експериментально визначена залежність концентрації бенз(о)пірену у димових газах котлів від технологічних параметрів спалювання палива, подібних до кута установки лопаток завихрувача, домішок водяної пари).

АНОТАЦІЯ

Гевлич І.Г. Зниження вмісту бенз(о)пірену у димових газах теплогенераторів малої потужності і його розсіювання в атмосфері. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання - Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2004.

Комплексними експериментальними дослідженнями, проведеними на натурній моделі жаротрубного теплогенератора, з використанням універсального газоаналізатора “EcoLine Plus” для теплових вимірів і аналізу продуктів згоряння спектрально-флуоресцентним методом, установлений вплив технологічних параметрів спалювання природного газу на рівень концентрації бенз(о)пірену.

Розроблено математичну модель впливу на інтенсивність утворення бенз(о)пірену в жаротрубних теплогенераторах малої потужності кута установки завихрувача, ступеню неповноти змішання газа з повітрям у пальнику, коефіцієнта надлишку повітря, теплонапруженості топкового об’єму.

Розроблено чисельний алгоритм і програму “BENZOPYRENE”, що дозволяє: обчислювати за геометричними параметрами забудови її вихрову схему; розраховувати векторні поля швидкостей вітрового потоку в різних перетинах; визначати траєкторії переміщення забруднень від їхніх джерел в нестаціонарному режимі за часом; розраховувати дифузію забруднень від траєкторій їхнього переміщення; визначати концентрацію забруднень на території замкнутої забудови; будувати лінії рівних концентрацій у різних перетинах; одержувати інформацію в зручному для використання вигляді, масштабі і т.п.

На основі проведених у даній роботі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний режим топкового процесу, який забезпечує мінімальні викиди бенз(о)пірену теплогенераторами малої потужності.

Ключові слова: теплогенератор, бенз(о)пірен, неповнота змішання, коефіцієнт надлишку повітря, теплонапруженість, турбулізація, чисельне моделювання, замкнута багатоповерхова забудова, технологічний режим, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Гевлич И.Г. Снижение содержания бенз(а)пирена в дымовых газах теплогенераторов малой мощности и его рассеивание в атмосфере. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 – Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2004.

Диссертация посвящена повышению экологической эффективности жаротрубных теплогенераторов малой мощности и исследованию рассеивания загрязнений с учетом современной застройки. Комплексными экспериментальными исследованиями, проведенными на натурной модели жаротрубного теплогенератора, с использованием универсального газоанализатора “EcoLine Plus” для тепловых измерений и анализа продуктов сгорания спектрально-флуоресцентным методом, установлено влияние технологических параметров сжигания природного газа на уровень концентрации бенз(а)пирена.

Разработана математическая модель влияния на интенсивность образования бенз(а)пирена в жаротрубных теплогенераторах малой мощности угла установки завихрителя, степени смешения газа с воздухом в горелке, коэффициента избытка воздуха, теплонапряженности топочного объема. Исследование показало, что для жаротрубных теплогенераторов наиболее рациональными значениями характеристик топочного процесса, минимизирующими эмиссию бенз(а)пирена, являются коэффициент избытка воздуха 1,05-1,10, неполнота смешения газа с воздухом в горелке не более 0,2, угол установки лопаток завихрителя 15°, теплонапряженность топочного объема не менее 350 кВт/м3.

Разработан численный алгоритм и программа “BENZOPYRENE”, позволяющая: вычислять по геометрическим параметрам застройки ее вихревую схему; рассчитывать векторные поля скоростей ветрового потока в различных сечениях; определять траектории перемещения загрязнений от их источников в нестационарном режиме по времени; рассчитывать диффузию загрязнений от траекторий их перемещения; определять концентрацию загрязнений на территории замкнутой застройки; строить линии равных концентраций в различных сечениях; получать информацию в удобном для использования виде, масштабе и т. п.

Результаты эксперимента показали, что в целях лучшего рассеивания загрязнений их источники следует располагать с внешней стороны или на торцевых сторонах зданий застройки, что уменьшает попадание загрязнений в циркуляционные зоны ветровых теней замкнутой застройки и способствует их рассеиванию.

На основе проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический режим топочного процесса, обеспечивающий снижение выбросов бенз(а)пирена теплогенераторами малой мощности. Методы и способы повышения экологической эффективности жаротрубных теплогенераторов внедрены в производство при разработке технологического режима их эксплуатации.

Ключевые слова: теплогенератор, бенз(а)пирен, неполнота смешения, коэффициент избытка воздуха, теплонапряженность, турбулизация, численное моделирование, замкнутая многоэтажная застройка, технологический режим, эффективность

ABSTRACT

Gevlich I.G. Decrease of the benzo(a)pyrene contents in smoke gases low power generators and its dispersion in an atmosphere. - The thesis.

The thesis on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Scien. on a speciality 05.23.03 - Ventilation, illumination and heat-gas supply. - Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2004.

The complex experimental researches which have been carried out on natural model heat-tube generator, with use of a universal gas analyzer “EcoLine Plus” for thermal measurements and the analysis of products of combustion, a spectrum-fluorescent method, establish influence the technological parameters of natural gas burning to a level of benzo(a)pyrene concentration.

The mathematical model of the influence of technological parameters, such as factor of air surplus, warm intensity burner volume, other, to intensity of benzo(a)pyrene formation in heat-tube low power generators is developed.

The numerical algorithm and the program “BENZOPYRENE” are developed. Its allowing: to calculate geometrical parameters of a building structure and its vortical circuit; to expect a wind stream vector fields of speeds in various sections; to determine trajectories of pollution moving from their sources in a non-stationary mode on time; to expect diffusion of pollution from trajectories of their moving; to define pollution concentration in volume of domestic spaces; to build lines of equal concentration in various sections; to receive the information in a kind convenient for use, scale etc.

On the basis of carried out in the given work theoretical and experimental researches the technological mode of burner process to decrease of benzo(a)pyrene emissions for low power generators is developed.

Key words: heat generator, benzo(a)pyrene, incompleteness of mixture, factor of surplus of air, warmly intensity, turbulence, numerical modelling, domestic multi-storey building, a technological mode, efficiency.