Общие сведения о процессе рассеивания выбросов

Для прогнозирования загрязнения атмосферы на территории, примыкающей к источнику вредных выбросов, используется математическая модель рассеивания газообразных и аэрозольных примесей в атмосферном воздухе, изложенная в общесоюзном (затем общероссийском) нормативном документе (ОНД-86). Данный документ позволяет рассчитать концентрацию вредных веществ в составе выбрасываемых газов в двухметровом слое на уровне земли, а также в вертикальном и горизонтальном сечениях дымового факела.

В действующей природоохранной нормативно-технической документации в области защиты атмосферы от загрязнения приняты следующие понятия.

Для наиболее часто встречающегося случая одиноко стоящей дымовой трубы круглого сечения приземную концентрацию определяют по формуле

,

где - максимальная приземная концентрация вредных веществ при выбросе нагретой газовоздушной смеси из одиночного (точечного) источника с устьем круглого сечения при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Xm от источника, мг/м³; – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; – коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства атмосфер, которые определяются климатическими зонами (А=140-250, для Самарской области А=180); – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; – безразмерные коэффициенты, зависящие от условия истечения газовоздушной смеси и формы устья источника выброса; – коэффициент, учитывающий рельеф местности выброса; – высота источника выброса (трубы) над уровнем земли, м; – объемный расход газовоздушной смеси, м³/ с; – разность температур выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего атмосферного воздуха, °C.

В настоящее время, несмотря на свои очевидные недостатки, метод рассеивания промышленных выбросов в атмосфере является основным методом улучшения экологической обстановки вблизи промышленных предприятий.

Улучшение достигается разбавлением промышленных загрязнителей более чистым атмосферным воздухом. При этом нейтрализация промышленных загрязнителей перекладывается на природные факторы: солнечное излучение, озон, флору, бактерии и т.д. На природные факторы в данном случае воздействует вся масса образующихся антропогенных загрязнителей, при этом их концентрация в процессе рассеивания обычно снижается от десятков до сотни и тысячи раз. В результате природная система промышленных регионов в какой-то мере сохраняется, хотя и начинает деградировать на больших пространствах.

К преимуществам метода относятся простота реализации, доступность и универсальность.

Любые антропогенные загрязнители могут быть рассеяны в окружающей среде, что предотвращает немедленную гибель природы от концентрированных промышленных выбросов. Перемещение выбросов в атмосфере происходит под действием ветра, а разбавление – в результате турбулентной и молекулярной диффузии.

На эффективность рассеивания влияют такие факторы, как: состояние атмосферы (температура воздуха, окружающего источник выброса; скорость ветра и другие физико – технические характеристики атмосферы); расположение источника загрязнения (высота над поверхностью земли): географическое расположение предприятия; габариты источника выброса (высота трубы, диаметр устоя потока выброса) и другие.

При выбросе газовоздушной смеси из круглого устья одиночного источника приземная концентрация вредного вещества достигает максимального значения на некотором расстоянии от источника (рис. 3).

Рис. 3 – Распределение приземной концентрации вредного вещества в атмосфере на оси факела выброса одиночного точечного источника.

При дальнейшем увеличении расстояния приземная концентрация уменьшается в результате процесса перемешивания. На меньших расстояниях примесь, истекающая из источника, не успевает достичь поверхности земли. При этом существует, так называемая, опасная скорость ветра, U_m, при которой значение максимума приземной концентрации будет наибольшим, т.е. достигается абсолютный максимум приземной концентрации рассеиваемой примеси.

Сущность понятия опасной скорости ветра для источника выражается в следующем: при штиле или малых скоростях ветра дымовой факел беспрепятственно поднимается на большую высоту и не попадает в ближайшие к источнику приземные слои воздуха. При большой скорости ветра дымовой факел активно перемешивается с большим объемом окружающего воздуха; в результате этого, хотя дым и достигает земли, величины приземных концентраций невелики. Следовательно, между штилем и высокой скоростью ветра есть такая опасная скорость Um ветра, при которой дымовой факел на определенном расстоянии прижимается к земле, создавая наибольшую величину приземной концентрации. Для каждой из труб величина опасной зоны скорости ветра разная. Чем больше объем газов, выходящих из трубы, тем больше требуется сила ветра, чтобы прижать дымовой факел к земле. Если эти газы имеют высокую температуру, то для преодоления энергии нагретого газа требуется еще большая скорость ветра.

При опасной скорости ветра расстояние от источника до положения точки, соответствующей максимальной приземной концентрации вредного вещества приблизительно оценивается как (10¸20) H_ист. Если скорость ветра больше опасной, то положение максимума концентрации на графике сдвигается в область больших расстояний, а величина максимума уменьшается из-за лучшего перемешивания. При скорости ветра, меньше опасной, X_m сдвигается в область меньших расстояний, а величина максимума уменьшается, т.к. меньшая, чем при опасной скорости ветра, часть примеси достигает поверхности земли. В этой области скорости ветра существует, так называемая, скорость задувания, когда максимум приземной концентрации наблюдается в непосредственной близости от основания источника. Величина максимальной приземной концентрации в этом случае будет все-таки меньше, чем при опасной скорости ветра.

Процесс переброса факела (задувание) определяется эжектированием (подсасыванием) выброса зоной обратных токов, образующихся при обтекании трубы ветром. Этот процесс неустойчив, зависит от многих трудно контролируемых факторов, поэтому в ОНД-86 не описан. В данной работе переброс факела воспроизведен по приблизительной модели, не претендующей на полную адекватность.

При использовании очень высоких труб, рассеиваемые примеси попадают в стратосферу, где существует постоянная циркуляция атмосферы, перемещающая их с запада на восток (за счет этой циркуляции возможен полет воздушного шара вокруг Земли). В таком случае рассеивание выбросов происходит не в локальной зоне вблизи источника, а в атмосфере Земли в целом. Тогда концентрация примеси вблизи данного источника практически не повышается. Возникает впечатление, что примеси исчезают бесследно. Появились проекты строительства очень высоких мощных источников выбросов, например, «кустовых» электростанций вблизи отдаленных месторождений топлива невысокого качества (высокозольные серосодержащие угли), отправляющих энергию в густонаселенные районы, а выбросы в стратосферу. Подобные проекты серьезно рассматривались многими странами, и их реализация привела бы к быстрому глобальному загрязнению атмосферы. Чтобы этого не допустить было заключено международное соглашение о трансграничном переносе выбросов, подписанное СССР и принятое РФ, в соответствии с которым дальность переноса основного количества выбросов не должно превышать 100 км. Для этого высота труб была ограничена 250 м для энергетики и 200 м для всех других отраслей.

На процесс рассеивания большое влияние может оказать инверсионная характеристика района. При нормальном состоянии атмосферы в дневное время температура воздуха с высотой понижается, что способствует удалению дымовых газов в верхние слои атмосферы (рис. 4, а).

В ночное время земля при ясной погоде отдает в окружающее пространство, как любой нагретый предмет, большое количество лучистого тепла. При этом земля охлаждается сама и за счет конвективного теплообмена охлаждает приземный слой воздуха, который остывает быстрее верхних слоев. В результате этого происходит инверсия (поворот) распределения температур в воздушной оболочке земли - температура воздуха с высотой (до верхних границ инверсионного слоя) повышается вместо обычного понижения (рис. 4, б).

ТЕМПЕРАТУРА ТЕМПЕРАТУРА

а) б)

Рис. 4 - Зависимость температуры воздуха от высоты атмосферного слоя: а) уменьшение температуры с изменением высоты при обычном состоянии атмосферного воздуха; б) увеличение температуры с изменением высоты в пределах инверсионного слоя.

Более опасна приподнятая инверсия, когда инверсионный слой расположен на удалении от поверхности земли, обычно на 300-800м. Приподнятая инверсия образуется во время длительных антициклонов при туманной погоде и малых скоростях ветра. Она может держаться несколько суток, а в застойных зонах, окруженных горами, где скорости ветра малы, непрерывная продолжительность инверсий может продолжаться более месяца.

Разрушение инверсионного слоя происходит тем быстрее, чем больше скорость ветра, создающего турбулентный воздухообмен. Инженерной методики для расчета величины приземных концентраций во время инверсионных явлений разной продолжительности пока не разработано.