Расчет приземных концентраций загрязняющих веществ от одиночного источника

РАСЧЕТНАЯ РАБОТА №1

«РАССЕИВАНИЕ В АТМОСФЕРЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ»

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проблема охраны окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами стала в ряд важнейших задач современности. Воздействия промышленных предприятий, энергетических систем, транспорта на атмосферу, водоёмы и недра достигли таких размеров, что сейчас в крупных промышленных центрах уровни загрязнений существенно превышают допустимые санитарные норм.

Источники выбросов загрязняющих атмосферу веществ могут быть подвижными (транспорт) и стационарными. Выбросы из стационарных источников подразделяются по нескольким критериям (рис.1):

Рис.1. Классификация выбросов в атмосферу

 

Аэрозоли – это системы, характеризующиеся наличием в газовой среде твердых или жидких частиц. Пыли содержат твердые частицы размером до 800 мкм, дымы - твердые частицы размером 0,1 - 5 мкм, туманы - жидкие частицы (капли) размером 0,3 - 5 мкм.

Неорганизованный промышленный выброс - выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования. К неорганизованным относятся выбросы, не имеющие фиксированного устья: выделения вредных веществ с открытых складов строительных материалов, карьеров, хранилищ отходов и т.д.

Организованный промышленный выброс - выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы, шахты и т.п. устройства. Организованные выбросы имеют фиксированное устье и подразделяются на точечные или одиночные (трубы промышленных предприятий, выбросные шахты систем вентиляции, газоотводные трубы от аппаратов и т.п.) и линейные (аэрационные фонари, близко расположенные вытяжные шахты, открытые окна, через которые удаляются вредные вещества, и т.п.).

Одиночные выбросы из стационарных источников в зависимости от высоты трубы (Н) подразделяются на

- высокие, при Н> 50 м;

- средние при Н = 10...50 м;

- низкие при Н = 2...10 м;

- наземные при Н < 2 м (в этом случае в расчетах принимают Н = 2м).

Промышленные выбросы считаются нагретыми, если их температура выше температуры окружающего атмосферного воздуха.

Без очистки могут выбрасываться как неорганизованные, так и организованные выбросы, после очистки - только организованные.

С целью регламентации загрязнений атмосферы установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов (ПДК) и предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ из источников (ПДВ). ПДК - максимальная допустимая концентрация примеси в атмосфе­ре, отнесенная к определенному времени усреднения. Существует два вида ПДК для нормирования выбросов в атмосферу для населенных пунктов:

- среднесуточная ПДК_с.с (мг/м³) - это максимальная концентрация вещества, при которой оно не оказывает прямого или косвенного воздействия на человека в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания;

- максимальная разовая ПДК_м.р (мг/м³) - это максимальная концентрация вещества, при которой оно при кратковременном (до 20 мин.) воздействии не вызывает рефлекторных реакций организма. Под рефлекторными реакциями понимается ощущение неприятных запахов, появление аллергического состояния, чихания и т.д.

Действующими нормативными документами[1], [2] установлены ПДК для большинства вредных газов, паров, аэрозолей.

Величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы (слой высотой в 2 м от поверхности земли) не должна превышать величины максимальной разовой ПДК_м.р..

ПДВ для данного источника (группы источников) - это максимальное количество вредного вещества, допустимое к выбросу из источника в единицу времени при соблюдении условия, чтобы содержание этого вещества в приземном слое воздуха вокруг источника или совокупности источников не превышало нормативов качества воздуха для населения, животного и растительного мира.

Основными критериями качества атмосферного воздуха при установлении ПДВ для источников загрязнения атмосферы являются максимальные разовые ПДК_м.р..При этом должно выполняться условие: отношение расчетной концентрации С_м. вредного вещества в приземном слое воздуха к величине ПДК_м.р. данного вещества не должно превышать единицы:

 

.

(1.1)

 

При установлении ПДВ учитывают значения фоновых концентраций С_ф вредных веществ в воздухе (суммарное загрязнение атмосферы от остальных источников города или другого населенного пункта, в том числе и от автотранспорта, за исключением рассматриваемого источника).

Таким образом, величина ПДВ (г/с) из источника для каждого вещества устанавливается, исходя из условия:

 

,

(1.2)

или

.

(1.3)

 

При одновременном присутствии в атмосфере некоторых вредных веществ они могут обладать суммацией вредного действия. Эффектом суммации обладают, например, ацетон и фенол, сернистый ангидрид и двуокись азота, сернистый ангидрид, окись углерода, фенол и пыль конверторного производства, а также целый ряд других веществ [1];

Величина ПДВ подобных веществ устанавливается, исходя из условия:

 

.

(1.4)

 

РАСЧЕТ ПРИЗЕМНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ОДИНОЧНОГО ИСТОЧНИКА

 

После выхода из устья источника загрязняющие вещества начинают рассеиваться в атмосфере в направлении оси факела выброса. Часть веществ перемещается вверх, часть - горизонтально, часть направляется в нижние воздушные слои. Существенное влияние на характер рассеивания оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, особенности местности, свойства выбросов, высота трубы, скорость ветра и другие факторы.

Скорость горизонтального перемещения загрязнений в основном определяется скоростью ветра U (м/с). На скорость вертикального перемещения оказывает влияние целый ряд факторов.

Форма струи, вытекающей из устья трубы, и уровень загрязненности приземного слоя атмосферы вокруг источника зависят от степени вертикальной устойчивости атмосферы. Существует 3 типа степеней вертикальной устойчивости атмосферы: конвекция, изотермия и инверсия.

При конвекции нижние слои воздуха теплее верхних, происходит интенсивное вертикальное перемешивание слоев, что препятствует концентрированию загрязнений в приземном слое.

При изотермии. развивающейся чаще в пасмурную погоду, температура воздуха почти одинакова во всех слоях в 20-30 м от поверхности земли. Концентрации загрязняющих веществ в приземном слое выше, чем при конвекции.

При инверсии, возникающей при ясной погоде и малых скоростях ветра, нижние слои воздуха холоднее верхних, в результате чего почти полностью отсутствует вертикальное перемешивание слоев. Это наиболее неблагоприятные условия, при которых происходит интенсивное скопление загрязняющих веществ у поверхности земли.

Существует 5 форм струй, выходящих из устья трубы. Наиболее опасна задымленная струя (образующаяся при инверсии), когда вредные вещества стремятся к земле вдоль всей струи. Эта форма струи использована в схеме распределения концентраций вредных веществ в атмосфере при выбросе через высокие трубы (см. рис.2).

По мере удаления от источника выброса концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, постепенно уменьшается, что говорит о наличии трех зон загрязнения атмосферы:

- зона переброса факела выброса, характеризующаяся невысокой концентрацией вредных веществ в приземном слое;

- зона задымления, т.е. зона максимального содержания вредных веществ;

- зона постепенного снижения концентраций вредных веществ.

Направление ветра

 

 

Рис. 2. Распределение приземной концентрации вредных

веществ в атмосфере

С – концентрация вредного вещества в приземном слое, мг/м³

Х – расстояние от трубы (источника выброса), м

H – высота трубы (источника выброса), м

 

По ОНД-86 [3] рассчитываются возможные концентрации вредных веществ при «неблагоприятных» метеоусловиях, продолжительность которых не превышает 150 часов в течении года. Реальные концентрации вредных веществ в течение года будут значительно ниже расчетных.

Основной расчетной величиной является максимальная приземная концентрация вредного вещества См [мг/м³].

Величину максимальной приземной концентрации С_м (мг/м³) вредного вещества при выбросе нагретой газопылевоздушной смеси из точечного источника с круглым устьем на расстоянии Х_м (м) от источника определяют по формуле (1.5)

(1.5)

 

где А - коэффициент, учитывающий вероятность возникновения «неблагоприятных» метеоусловий в различных регионах страны (с^2/3*мг*град^1/3/г).

Для Нижнего Поволжья, Сибири, Дальнего Востока принимают А=200; для севера и северо-запада европейской территории России, Среднего Поволжья и Урала принимают A=160; для центральной части европейской территории А=140;

М - мощность выброса - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, (г/с). Принимается в соответствии с действующими для данного производства нормативами, определяется расчетом или с помощью анализа. Если известна концентрация вещества С*(мг/м³) в выбрасываемой из устья источника пылегазовоздушной смеси, то величина М определяется по формуле:

.

(1.6)

 

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе. Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п.), скорость оседания которых не превышает 0,05 м/с, принимается F=1. Для остальных аэрозолей, выбрасываемых с предварительной очисткой или без нее, коэффициент F принимается следующим образом:

 

F=2 F=2,5 F=3

при эффективности очистки более 90%; при эффективности очистки 75…90%; при эффективности очистки менее 75% (или при отсутствии очистки)

 

m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

h - безразмерный коэффициент, учитывающий рельеф местности (для равнинной местности = 1);

DТ - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в (°С); последняя принимается как средняя максимальная температура наружного воздуха в 13 часов наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика";

V₁ - расход пылегазовоздушной смеси из устья источника, (м³/с):

 

.

(1.7)

 

D - диаметр устья источника выброса (диаметр верхней части трубы) (м);

- средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса (м/с):

. (1.8)

Величина коэффициента m определяется по формуле

 

,

(1.9)

где

.

(1.10)

 

Величина коэффициента n определяется по формулам (1.12) - (1.14) в зависимости от значения параметра V_м вычисляемого по формуле

.

(1.11)

 

При Vм£0,5 При 0,5<Vм£2 При Vм>2

n=4,4Vм n=0,532V2 м-2,13Vм+3,13 n=1

(1.12) (1.1.13) (1.14)

 

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ С_м достигается на оси факела выброса (по направлению среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии Х_м (м) от источника выброса:

 

,

(1.15)

 

где d - безразмерная величина, определяемая по формулам

При Vм <0,5 При 0,5£Vм£2 При Vм>2

d=2,48 (1+0,28 ). d=4,95 Vм(1+0,28 ). d=7 (1+0,28 ).

(1.16) (1.17) (1.18)

 

После расчета максимальной приземной концентрации загрязнений С_м в точке, расположенной на расстоянии Х_м от источника, можно определить приземные концентрации вредных веществ в любой точке в направлении факела выброса (рис.3):

 

Рис.3. К определению приземных концентраций вредных веществ в направлении факела выброса; 1 - источник выброса

 

Для расчетов концентраций С на различных расстояниях Х по оси факела выброса используется формула

 

.

(1.19)

 

Здесь S₁ – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения X/X_м

 

При X/Xм£1 При 1<X/Xм£8     При X/Xм>8

. . .

(1.20) (1.21)     (1.22)

 

С наветренной стороны источника выброса (Х<0) значения концентраций вредных веществ принимают равными нулю.

Значение приземной концентрации Су вредного вещества на расстоянии у по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле

(1.23)

 

где S₂ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра U (м/с) и аргумента t_y:

 

,	При U£5;
,	При U>5.

 

(1.24)

 

РАСЧЕТ ПДВ

(для действующих предприятий)

 

Величину ПДВ можно найти, заменив в формуле (1.2) концентрацию С_м на разность (ПДК_м.р-С_ф) и приравняв мощность выброса М к значению ПДВ. В итоге из формулы (1.5) получим расчетное выражение:

 

.

(1.25)

 

В реальных случаях в ПДВ вводятся поправки: на аварийный выброс, на существующую и проектируемую жилую застройку, на перспективы развития производства.

ПДВ устанавливается отдельно для каждого стационарного источника выбросов, отдельно для каждого вещества при условии полной загрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы.

По каждому веществу ПДВ для предприятия в целом равен сумме ПДВ от отдельных источников.