OCHRONA POWIETRZA. Opracował: Damian Wolański

OCHRONA POWIETRZA Policzenie aktualnej emisji pyłu, dwutlenku siarki SO2, tlenku węgla CO i tlenku azotu NO przeliczanego na dwutlenku azotu NO2 Opracował: Damian Wolański

Wzory wykorzystywane w projekcie Ei = Ci Vsp B n Ei emisja zanieczyszczenia [kg/h] Vsp objętość spalin suchych [Nm3/kg paliwa] Ci stężenie i-tego zanieczyszczenia [kg/nm3 spalin suchych] B godzinowe zużycie paliwa [kg/h] n liczba kotłów B= W η Q W wydajność cieplna kotła [kj/h] η sprawność kotła [%] Q wartość opałowa paliwa [kj/kg] W = D (h p h w ) D wydajność kotła [ton pary/h] hp entalpia pary [kj/kg] hw entalpia wody [kj/kg] 2

wvsp = Vsp (1 X w ) wvsp objętość spalin wilgotnych [Nm3/kg paliwa] Xw zawartość wilgoci w spalinach [%] w Vsp = Vsp,w + (λ 1) + λ V pow,t 1,602 y w Vsp,w jednostkowa objętość spalin [Nm3/kg paliwa] λ współczynnik nadmiaru powietrza [-] yw zawartość wilgoci w powietrzu [kg/kg powietrza suchego] Vpow,t teoretyczna objętość powietrza do procesu spalania [Nm 3/kg paliwa] Vsp,w = 0,212 Q + 1,65 1000 V pow,t = 0,241 Q + 0,5 1000 C pylu = a u Vsp Cpyłu stężenie pyłu [kg/nm3 spalin suchych] a zawartość popiołu [%] u unos popiołu z paleniska [%] 3

C SO2 = 2 s Vsp CSO2 stężenie dwutlenku siarki [kg/nm3 spalin suchych] s zawartość siarki [%] C NO 2 = c NO 2 M NO 2 Vm 10 6 CNO2 stężenie dwutlenku azotu [kg/nm3 spalin suchych] cno2 stężenie dwutlenku azotu [ppm] MNO2 masa molowa NO2 [kg/kmol] 46,01 Vm objętość molowa [Nm3/kmol] 22,41 C CO = c CO M CO 10 6 Vm CCO stężenie tlenku węgla [kg/nm3 spalin suchych] cco stężenie tlenku węgla [ppm] MCO masa molowa CO [kg/kmol] 28,01 Vm objętość molowa [Nm3/kmol] 22,41 C i6% = C i 0,21 x 2 0,21 x 1 Ci6% - stężenie i-tego zanieczyszczenia przy 6% zawartości O2 [mg/nm3] x1 zawartość tlenu w gazach odlotowych [%] 4

x2 standardowa zawartość tlenu w gazach odlotowych [%] x 2 = 6% x1 = 0,21 (λ 1) V pow,t 100% XwwVsp (1 ) 100 M= W 3600 M moc cieplna źródła [MW] C i6% D i ηi = 100% C i6% Tabela 1.Dopuszczalne stężenia gazów i pyłów wprowadzanych do powietrza Substancje zanieczyszczające pył SO2 NO2 CO Dopuszczalne stężenia [mg/nm3] 350 850 460 350 Tabela 2.Jednostkowe stawki opłat za gazy lub pyły wprowadzane do powietrza Substancji zanieczyszczające pył SO2 NO2 CO Wysokość opłat i kar [zł/kg] 0,25 0,38 0,38 0,1 5

DANE : PARAMETR LICZBA KOTŁÓW WYDAJNOŚĆ KOTŁA SPRAWNOŚĆ KOTŁA UNOS POPIOŁU Z PALENISKA WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA PARAMETRY CIŚNIENIE PARY ŚWIEŻEJ TEMPERATURA TEMPERATURA WODY ŚWIEŻEJ WARTOŚĆ OPAŁOWA WĘGLA ZAWARTOŚĆ SIARKI ZAWARTOŚĆPOPIOŁU ZAWARTOŚĆ WILGOCI W SPALINACH ZAWARTOŚĆ WILGOCI W POWIETRZU ENTALPIA PARY PERWONIE OGRZEWANEJ ENTALPIA WODY ZASILAJĄCEJ STĘŻENIE TLENKÓW AZOTU W ĆWICZENIE NR 1 5 110 t pary/h 82% 80% 1,23 13,5 MPa 540ºC 200ºC 22000 kj/kg 0,9% 15% 10% 10% 3350 kj/kg 852,45 kj/kg 240 ppm ĆWICZENIE NR 2 3 82 t pary/h 78% 70% 1,23 13MPa 540ºC 200ºC 15000 kj/kg 15% 10% 7% 7% 3350 kj/kg 852,45 kj/kg 190 ppm SPALINACH W PRZELICZENIU NA NO2 STĘŻENIE CO W SPALINACH 140 ppm 150 ppm CHARAKTERYSTYKA PRACY KOTŁÓW W CIĄGU ROKU 10 DNI maksymalne obciążenie 5 kotłów 70 DNI pracują 5 kotły z obciążeniem 80% 100 DNI pracują 4 kotły z obciążeniem 80% 60 DNI pracuje 3 kotły z obciążeniem 80% 60 DNI pracują 3 kotły z obciążeniem 90% 60 DNI pracują 3 kotły z obciążeniem 70% 6

Obliczenie ćwiczenie numer 1 1. Obliczenie stężeń zanieczyszczeń w spalinach wprowadzanych od powietrza Obliczenie wydajności kotła W W = 110000 kg h (3350 kj kg 852,45 kj kg) W = 274730500 kj h Obliczenie godzinowego zużycia paliwa B= 274730500 kj h 0,82 22000 kj kg B = 15228,96 kg h Obliczenie jednostkowej objętości spalin Vsp,w = 0,212 22000 kj kg + 1,65 1000 Vsp, w = 6,314 Nm 3 / kg paliwa Obliczenie teoretyczna objętość powietrza do procesu spalania V pow,t = 0,241 22000 kj kg + 0,5 1000 V pow,t = 5,802 Nm 3 / kg paliwa Obliczenie objętości spalin wilgotnych wvsp = 6,314 Nm 3 kg + (1,23 1) + 1,23 5,802 Nm 3 kg 1,602 0,1 wvsp = 7,68 Nm 3 kg paliwa Obliczenie objętości spalin suchych Vsp = 7,68 Nm 3 kg (1 0,1) Vsp = 6,912 Nm 3 / kg paliwa 7

Obliczenie stężenia pyłu C pylu = 0,15 0,8 6,912 C pylu = 0,01736kg / Nm 3 = 17000mg / Nm 3 Obliczenie stężenia dwutlenku siarki C SO2 = 2 0,009 6,912 C SO2 = 2,60 10 3 kg / Nm 3 = 2600mg / Nm 3 Obliczanie stężenia dwutlenku azotu C NO2 = 240 46,01 kg kmol 10 6 322,41 Nm kmol C NO2 = 0,496 10 3 kg / Nm 3 = 496mg / Nm 3 Obliczenie stężenia tlenku węgla CCO = 140 28,01 kg kmol 10 6 322,41 Nm kmol CCO = 0,174 10 3 kg / Nm 3 = 174mg / Nm 3 Emisja zanieczyszczenia pyłem E pyły = 0,0173 kg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 E pyły = 9105,21kg / h Emisja zanieczyszczenia dwutlenkiem siarki ESO2 = 2,60 10 3 kg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 ESO2 = 1368,41kg / h 8

Emisja zanieczyszczenia tlenkiem węgla ECO = 0,174 10 3 kg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 ECO 91,58kg / h Emisja zanieczyszczenia dwutlenkiem azotu E NO2 = 0,493 10 3 kg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 E NO2 = 259,47kg / h Zbiorcze zestawienie wyliczonej emisji: E pylu = 9105,21kg / h ESO2 = 1368,41kg / h ECO = 91,58kg / h E NO2 = 259,47kg / h Obliczanie mocy cieplnej źródła M = 274730500 3600 10 3 M = 76,314 Obliczanie zawartości tlenu w gazach odlotowych 0,21 (1,23 1) 5,802 Nm 3 kg x1 = 100% 0,137,68 Nm kg (1 ) 100 x1 = 4% 9

2. Obliczanie stężeń substancji w gazach odlotowych przy standardowej zawartości tlenu w gazach 6%C pylu = 17000 mg Nm 3 = 15000 mg Nm 3 6%C SO2 = 2600 mg Nm 3 = 2294,117 mg Nm 3 6%C NO2 = 496 mg Nm 3 = 437,64 mg Nm 3 6%CCO = 174 mg Nm 3 = 153,53 mg Nm 3 Tabela 3.Porównanie wyliczonych stężeń emitowanych zanieczyszczeń ze stężeniami dopuszczanymi. Pogrubione liczby oznaczają przekroczenie normy. Cpyłu CSO2 CNO2 CCO emitowane zanieczyszczenia przy standardowej zawartości tlenu [mg/nm3] 15000 2294,117 437,64 153,53 dopuszczalna emisja zanieczyszczeń [mg/nm3] 350 850 460 200 3. Określenie stopnia redukcji emisji zanieczyszczenia w przypadku przekroczenia dopuszczalnych emisji η pylu 15000 mg Nm 3 350 mg Nm 3 = 100% 15000 mg Nm 3 η pylu = 97% η SO 2 2294,117 mg Nm 3 850 mg Nm 3 = 100% 2294,117 mg Nm 3 η SO = 61% 2 10

4. Wyznaczenie rocznej wartości opłat za wprowadzanie zanieczyszczeń do powietrza oraz kar w wysokości 10-krotnej wysokości jednostkowej stawki opłat za wprowadzenie zanieczyszczeń do powietrza. Opłata za wprowadzanie pyłu do powietrza D pylu = 350 mg Nm 3 E pylu = 350 mg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 E pylu = 208156735,2 mg h = 208,17 kg h O pyl = 0,25 zl kg 208,17 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] O pyl = 811863zł Kara za wprowadzanie pyłu do powietrza D pylu = 350 mg Nm 3 6%C pylu = 15000 mg Nm 3 E pylu = 15000 ( mg Nm 3 350 mg Nm 3 ) 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 E pylu = 8712846201mg h = 8712,85 kg h O pyl = 10 0,25 zl kg 8712,82 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] O pyl = 366985242 zł Opłata za wprowadzanie dwutlenku siarki do powietrza DSO2 = 850 mg Nm 3 E SO2 = 850 mg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 ESO2 = 505523499,7 mg h = 505,52 kg h 11

OSO2 = 0,38 zl kg 505,52 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] OSO2 = 2996722,56 zł Kara za wprowadzanie dwutlenku siarki do powietrza DSO2 = 850 mg Nm 3 6%C SO2 = 2294,12 mg Nm 3 ( E SO2 = 2294,12 mg Nm 3 850 mg Nm 3 6,912 Nm 3 kg 15228,96 kg h 5 ESO2 = 858866584 mg h = 858,87 kg h ) OSO2 = 10 0,38 zl kg 858,87 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] OSO2 = 50913813,60 zł Opłata za wprowadzanie dwutlenku azotu do powietrza E NO2 = 259,47 kg h ONO2 = 0,38 zl kg 259,47 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] ONO2 = 1538138,16 zł Opłata za wprowadzanie tlenku węgla do powietrza ECO = 91,58 kg h OCO = 0,1 zl kg 91,58kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] OCO = 142864,8 substancja zanieczyszczająca pył SO2 NO2 CO opłata [zł] 811 863 2996722,56 1 538 138,16 142 864,8 kara [zł] 366 985 242 50 913 813,60 ----- ----- suma 367 797 105 53 910 536,60 1 538 138,16 142 864,8 55 591 539,12 12

Obliczenie ćwiczenie numer 2 1. Obliczenie stężeń zanieczyszczeń w spalinach wprowadzanych od powietrza Obliczenie wydajności kotła W W = 82000 kg h (3350 kj kg 852,45 kj kg) W = 204799100 kj h Obliczenie godzinowego zużycia paliwa B= 204799100 kj h 0,78 15000 kj kg B = 17504,20 kg h Obliczenie jednostkowej objętości spalin Vsp,w = 0,212 15000 kj kg + 1,65 1000 Vsp,w = 4,4,83Nm 3 / kg paliwa Obliczenie teoretyczna objętość powietrza do procesu spalania V pow,t = 0,241 15000 kj kg + 0,5 1000 V pow,t = 4,115Nm 3 / kg paliwa Obliczenie objętości spalin wilgotnych wvsp = 4,83 Nm 3 kg + (1,23 1) + 1,23 4,115 Nm 3 kg 1,602 0,07 wvsp = 5,41 Nm 3 kg paliwa Obliczenie objętości spalin suchych Vsp = 5,41 Nm 3 kg (1 0,07) Vsp = 5,03Nm3 / kg paliwa 13

Obliczenie stężenia pyłu C pylu = 0,10 0,70 5,03 C pylu = 0,013916kg / Nm 3 = 13916mg / Nm 3 Obliczenie stężenia dwutlenku siarki C SO2 = 2 0,15 5,03 C SO2 = 0,0596kg / Nm 3 = 59600mg / Nm 3 Obliczanie stężenia dwutlenku azotu C NO2 = 150 46,01 kg kmol 10 6 322,41 Nm kmol C NO2 = 0,28788 10 3 kg / Nm 3 = 287,88mg / Nm 3 Obliczenie stężenia tlenku węgla CCO = 190 28,01 kg kmol 10 6 322,41 Nm kmol CCO = 0,237 10 3 kg / Nm 3 = 237mg / Nm 3 Emisja zanieczyszczenia pyłem E pyły 0,013916 kg Nm3 5,03 Nm3 kg 17504,20 kg h 3 E pyły 3675,75kg / h Emisja zanieczyszczenia dwutlenkiem siarki ESO2 = 0,0596 kg Nm3 5,03 Nm3 kg 17504,20 kg h 3 ESO2 15742,65kg / h 14

Emisja zanieczyszczenia tlenkiem węgla ECO = 0,237 10 3 kg Nm3 5,03 Nm3 kg 17504,20 kg h 3 ECO = 62,60kg / h Emisja zanieczyszczenia dwutlenkiem azotu E NO2 = 0,287 10 3 kg Nm3 5,03 Nm3 kg 17504,20 kg h 3 E NO2 = 75,81kg / h Zbiorcze zestawienie wyliczonej emisji: E pylu = 3675,75kg / h ESO2 = 15742,65kg / h ECO = 62,60kg / h E NO2 = 75,81kg / h Obliczanie mocy cieplnej źródła M= 204799100 3600 103 M = 56,89 Obliczanie zawartości tlenu w gazach odlotowych 0,21 (1,23 1) 4,115 Nm 3 kg x1 = 100% 0,135,41 Nm kg (1 ) 100 x1 = 4% 15

2. Obliczanie stężeń substancji w gazach odlotowych przy standardowej zawartości tlenu w gazach 6%C pylu = 13916 mg Nm 3 = 12246,08 mg Nm 3 6%CSO2 = 59600 mg Nm 3 = 52448 mg Nm 3 6%C NO2 = 287,88 mg Nm 3 = 253,33 mg Nm 3 6%CCO = 237 mg Nm 3 = 208,56 mg Nm 3 Tabela 4.Porównanie wyliczonych stężeń emitowanych zanieczyszczeń ze stężeniami dopuszczanymi. Pogrubione liczby oznaczają przekroczenie normy. Cpyłu CSO2 CNO2 CCO emitowane zanieczyszczenia przy standardowej zawartości tlenu [mg/nm3] 12246,09 52448 253,33 203,56 dopuszczalna emisja zanieczyszczeń [mg/nm3] 350 850 460 200 3. Określenie stopnia redukcji emisji zanieczyszczenia w przypadku przekroczenia dopuszczalnych emisji η pylu 12246,08 mg Nm 3 350 mg Nm 3 = 100% 312246,08 mg Nm η pylu = 97% η SO 2 52448 mg Nm 3 850 mg Nm 3 = 100% 52448 mg Nm 3 η SO = 98% 2 208,56 mg Nm 3 200 mg Nm 3 η co = 100% 208,56 mg Nm 3 η SO = 4% 2 16

4. Wyznaczenie rocznej wartości opłat za wprowadzanie zanieczyszczeń do powietrza oraz kar w wysokości 10-krotnej wysokości jednostkowej stawki opłat za wprowadzenie zanieczyszczeń do powietrza. Opłata za wprowadzanie pyłu do powietrza D pylu = 350 mg Nm 3 E pylu = 350 mg Nm 3 5,03 Nm 3 kg 17504,20 kg h 3 E pylu = 1044667228,5 mg h = 104,47 kg h O pyl = 0,25 zl kg 104,47 kg h [60 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] O pyl = 87629,44 zł Kara za wprowadzanie pyłu do powietrza D pylu = 350 mg Nm 3 6%C pylu = 12246,08 mg Nm3 ( ) 0,,21 0,,04 5,03 Nm0 21 E pylu = 12246,08 mg Nm 3 350 mg Nm 3 0 06 E pylu = 3550658172 mg h = 3550,66 kg h 3 kg 17504,20 kg h 3 O pyl = 10 0,25 zl kg 3550 kg h [0 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] O pyl = 29782936,08zł Opłata za wprowadzanie dwutlenku siarki do powietrza DSO2 = 850 mg Nm 3 ESO2 = 850 mg Nm 3 5,03 Nm 3 kg 17504,20 kg h 3 ESO2 = 253704912,1mg h = 253,70 kg h 17

OSO2 = 0,38 zl kg 253,70 kg h [0 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] OSO2 = 323461,41zł Kara za wprowadzanie dwutlenku siarki do powietrza DSO2 = 850 mg Nm 3 6%CSO2 = 52448 mg Nm3 ( ) 0,,21 0,,04 5,03 Nm0 21 ESO2 = 52448 mg Nm 3 850 mg Nm 3 0 06 ESO2 = 1,5 1010 mg h = 15400,78 kg h 3 kg 17504,20 kg h 3 OSO2 = 10 0,38 zl kg 15400,78 kg h [0 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] OSO2 = 196356294,60 zł Opłata za wprowadzanie tlenku węgla do powietrza DCO = 200 mg Nm3 ECO = 200 mg Nm 3 5,03 Nm 3 kg 17504,20 kg h 3 ECO = 59695273,4 mg h = 59,70 kg h OCO = 0,1 zl kg 59,70 kg h [0 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] O pyl = 20030,54 zł Kara za wprowadzanie tlenku węgla do powietrza DCO = 200 mg Nm3 6%CCO = 208,56 mg Nm3 ( ) 0,,21 0,,04 5,03 Nm0 21 ECO = 208,56 mg Nm 3 200 mg Nm 3 0 06 3 kg 17504,20 kg h 3 18

ECO = 2554928,51mg h = 2,56 kg h OCO 10 0,1 zl kg 2,56 kg h [0 24h 3 0,8 60 24h 3 0,9 60 24h 3 0,7] O pyl = 8589,312 zł Opłata za wprowadzanie dwutlenku azotu do powietrza E NO2 = 75,81kg h ONO2 = 0,38 zl kg 75,81kg h [0 24h 3 0,8 + 60 24h 3 0,9 + 60 24h 3 0,7] ONO2 = 96655,93zł substancja zanieczyszczająca pył SO2 NO2 CO opłata [zł] 87 629,44 196 356 294,60 96 655,93 20 030,54 kara [zł] 29 782 936,08 323 461,41 ----- 8 589,31 suma 29 870 565,52 196 679 756 96 655,93 22 619,85 226 675 597,3 Na podstawie powyższych ćwiczeń i zastosowaniu podanych wzorów ustaliliśmy opłaty za emisję poszczególnych zanieczyszczeń dla wybranej miejscowości w odniesieniu do danych zawartych w projekcie. Wyniki wykazują następująco: - SO2-129,15 Mg/rok 129,15 - CO 35,86 Mg/rok 35,86 1000 kg1000 = 129,15 = 14,74kg / h 365 24 h8760 1000 kg1000 = 35,86 = 4,09kg / h 365 24 h8760 - NO2 79,03 Mg/rok 79,03 1000 kg1000 = 79,03 = 9,02kg / h 365 24 h8760 - CO2-54524,13 Mg/rok brak danych o dopuszczalnej emisji 19

Bazując na danych mogliśmy obliczyć stężenia Ei = Ci Vsp B n Vsp = 5,03Nm3 / kg paliwa B = 15228,96 kg h n = 5 kotłów nie przekroczono nie przekroczono nie przekroczono Opłaty za wprowadzanie dwutlenku siarki do powietrza ESO2 = 14,74 kg h ONO2 = 0,38 zl kg 14,74 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] ONO2 = 87378,72 zł Opłata za wprowadzanie dwutlenku azotu do powietrza E NO2 = 4,09 kg h ONO2 = 0,38 zl kg 4,09 kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] ONO2 = 24245,52 zł Opłata za wprowadzanie tlenku węgla do powietrza ECO = 9,02 kg h OCO = 0,1 zl kg 9,02kg h [10 24h 5 + 70 24h 5 0,80 + 100 24h 4 0,8] OCO = 14071,20 zł 20