Загрязняющих веществ одиночного промышленного источника в приземном слое атмосферного воздуха»

Рекомендовано редакционной комиссией по двигателям летательных аппаратов и энергомашиностроению

в качестве методических указаний к лабораторной работе

Самара 2015

УДК 551.510.04

Составители: Ю.А. Копытин, Г.Ф. Несоленов

Рецензент: д-р техн. наук, профессор Н.Д. Проничев

Исследование процесса рассеивания выбросов загрязняющих веществ одиночного промышленного источника в приземном слое атмосферного воздуха: Метод. ука­зания к лаб. раб. / Сост. Ю.А. Копытин, Г.Ф. Несолёнов – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та.;., 2015. – 25 с.:ил.

Рассматриваются вопросы определения уровня загрязнения атмосферного воздуха в районе действующего одиночного источника выбросов загрязняющих веществ в зависи­мости от характеристик источника и метеорологических усло­вий на основе моделирования процесса на компьютере.

© Самарский государственный

аэрокосмический университет, 2015

Исследование процесса рассеивания выбросов загрязняющих веществ одиночного промышленного источника в приземном слое атмосферного воздуха

Цель лабораторной работы:

Научить студентов проводить самостоятельные исследования закономерностей изменения загрязнения атмосферного воздуха в процессе рассеивания промышлен­ных выбросов в подфакельной зоне стационарного одиночного источника в зависимости от изменения его геометрических и технологических параметров на основе моделирования процесса рассеивания на компьютере.

Задачи, решаемые в результате выполнения лабораторной работы:

1. Ознакомление с некоторыми закономерностями загрязнения атмосферного воздуха в процессе рассеивания промышлен­ных выбросов в подфакельной зоне стационарного одиночного источника.

2. Проведение исследования распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха от выбросов стационарного одиночного источника в зависимости от изменения его геометрических и технологических параметров.

3. Формирование обоснованных предложений по уменьшению концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха от выбросов стационарного одиночного источника за счет изменения его геометрических и технологических параметров.

4. Использование полученных результатов при выполнении последующих работ, составляющих единый цикл по изучению воздействия одиночного промышленного источника на загрязнение атмосферного воздуха.

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Однако человек использует его нерационально в результате неразумного загрязнения воздушного бассейна промышленными выбросами, выбросами всевозможных транспортных средств, вследствие значительных испарений при заправке техники рабочими жидкостями.

В настоящее время основным методом улучшения экологической обста­новки вблизи промышленных предприятий, несмотря на свои очевидные недостатки, является метод рассеивания промышленных вы­бросов в атмосфере. Уменьшение загрязнения дости­гается разбавлением промышленных загрязнителей более чис­тым атмосферным воздухом. При этом функция нейтрализации промышленных загрязнителей перекладывается на природные факторы: солнечное излучение, озон, флору, бактерии и т.д. Природные факторы в таком случае подвергаются дейст­вию всей массы образующихся антропогенных загрязнителей хотя их концентрация в процессе рассеяния обычно снижается в сотни и тысячи раз. В результате природная среда промышлен­ных регионов в какой-то мере сохраняется, хотя и начинает де­градировать на больших пространствах.

К преимуществам метода рассеяния относятся простота реализации и доступность. Любые антропогенные загрязнители могут быть рассеяны в окружающей среде, что предотвращает немедлен­ную гибель природы от концентрированных промышленных выбросов.

После выхода из источника выбросов загрязняющих веществ, последние не остаются в атмосфере в неизменном виде. Прежде всего, происходят физичес­кие изменения, особенно в процессе динамических явлений, таких как перемещение и распространение в пространстве, турбулентная диффузия, разбавление и т.д. Кроме того, загрязняющие вещества способны вступать в химическое взаимодействие с другими компо­нентами атмосферного воздуха, изменяя во времени и пространстве свой количественный и качественный состав.

Выбросы вредных веществ, содержащихся в отходящих газах про­мышленных предприятий, осуществляются через дымовые трубы, глав­ное назначение которых - отводить выбросные газы в верхние слои атмосферы (во всяком случае за пределы приземного слоя) и рассеивать их.

Эффективность рассеивания зависит от многих факторов, и прежде всего, от высоты трубы Н (которая может достигать 300 мет­ров) и от высоты подъема дымовых (выбросных) газов над устьем грубы.

При использовании очень высоких труб, рассеиваемые примеси попа­дают в стратосферу, где существует постоянная циркуляция атмосферы, перемещающая их с запада на восток со скоростью порядка 150 км/ч.

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 должна превышать 100 км. Для этого высота труб была ограничена 250 м для энер­гетики и 200 м для всех других отраслей.

Высота подъема газов обеспечивается направленным вверх движением со скоростью V, а также всплыванием теплых газов, вы­пускаемых в более холодный окружающий воздух. На высоту подъёма су­щественное влияние оказывает горизонтальное движение ветра, умень­шающее действие и вертикальной скорости, и эффекта всплывания.

Струя газа, выходя из дымовой грубы, разбавляется незагрязнен­ным воздухом. Поэтому имеет место снижение концентрации вред­ных компонентов дымовых газов, составляющее суть явления рассеи­вания.

Вредные вещества, содержащиеся в выбросе, распространяют­ся по направлению ветра в пределах сектора, ограниченного довольно малым углом раскрытия факела вблизи выхода из трубы в 10 – 20⁰. Если принять, что угол раскрытия факела не меняется с расстоянием, то площадь поперечного сечения факела должна возрастать пропорци­онально квадрату расстояния и, следовательно, концентрация вредных веществ должна падать обратно квадрату расстояния.

При построении картины рассеивания вредных компонентов ды­мовых газов следует иметь в виду, что наибольший практический ин­терес представляет не вертикальное распределение концентрации в пространстве, в частности, по высоте факела, а изменение концент­рации в приземном слое атмосферы, т.е. в двухметровом слое над поверхностью земли, где обитают люди. Динамика распределения концентрации в этом слое на различных расстояниях от дымовой тру­бы представлена на рис.1. У основания трубы и далее вплоть до приземления дымового факела концентрация вредных компонентов равна нулю. Затем она быстро растет до максимальной величины С_м, хотя в газовой струе продолжает неуклонно падать. После чего по мере отдаления от трубы медленно убывает за счет дальнейшего раз­бавления выбросов незагрязненным воздухом.

Рис. 1. Схема изменений приземной концентрации загрязняющих

веществ от стационарного одиночного источника.

Вышеизложенное в полной мере относится к теоретически ожи­даемой картине распределения концентрации. Однако, как показы­вают натурные замеры, в ближайшей к предприятию зоне всегда об­наруживаются вредные компоненты выбросных газов. Причиной этого чаще всего являются не какие-то другие промышленные предприятия расположенные в данной местности и формирующие фоновое загрязнение атмосферного воздуха, а неорганизованные источники выбросов рассматрива­емого предприятия (неплотности в газовых трактах, площадки для перевалки сырья, топлива и складирования отходов).

Влияние различных факторов на приземное распределение

загрязня­ющих веществ

Вредные вещества, выбрасываемые с дымовыми газами промышленных предприятий, переносятся и рассеиваются в атмосфе­ре по-разному в зависимости от ряда факторов: метеорологических, климатических, рельефа местности и характера расположения на ней объектов предприятия, высоты дымовых труб и гидродинамических па­раметров истечения выбросных газов. При этом к важнейшим метео­рологическим и климатическим факторам относя скорость ветра, тем­пературную стратификацию (распределение температур окружающего воздуха в вертикальном направлении вблизи дымовой трубы), темпе­ратуру окружающего воздуха. Особая роль их проявляется в нижнем слое атмосферы до высоты 50 – 250 м над поверхностью земли.

Поступившие в атмосферу частицы перемещаются благодаря мо­лекулярной и турбулентной диффузии. Рассеивание газовой струи, осуществляемое за счет молекулярной диффузии, незначительно. Основная доля диффузионного переноса приходится на турбулентную диффузию.

Каждому источнику выбросов в зависимости от высоты его, объе­ма выбросов и температуры газов соответствует своя, так называемая опасная скорость ветра U_м когда имеет место наибольшая приземная концен­трация вредных веществ С_м.

Сущность понятия опасной скорости ветра для источника выражается в следующем: при штиле, малых скоростях ветра, а так же при высоком атмосферном давлении 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 рассеиваемая примесь и достигает земли, величины приземных концентраций невелики. Следовательно, между шти­лем и высокой скоростью ветра есть такая опасная скорость U_м ветра, при которой дымовой факел на определенном расстоянии Х_м 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, чтобыприжать дымовой факел к земле. Если эти газы имеют высокую температуру, то для преодоления энергии нагретого газа требуется еще большая скорость ветра.

Если скорость ветра больше опасной, то положение максимума концентрации сдвигается в область больших расстояний, а величина максимума умень­шается из-за лучшего перемешивания. При скорости ветра меньше опас­ной, Х_м сдвигается в область меньших расстояний, а величина максимума концентрации уменьшается, так как меньшая, чем при опасной скорости ветра часть примеси достигает поверхности земли.

В этой области скорости ветра существует, так называемая, скорость задувания Uзад, 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.

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

Процесс переброса факела (задувание) определяется эжектированнем (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 настоящей работе переброс факела воспроизведен по приблизительной модели, не претен­дующей на полную адекватность.

Методики расчета приземных концентраций вредных веществ даже для одиночного источника выбросов довольно громоздки. Они на­много усложняются в случае нескольких близко расположенных источников выбросов.

Ре­ально на промышленных предприятиях число источников достигает нескольких десятков или даже сотен. Поэтому подобного рода расче­ты, как правило, выполняются с использованием компьютерной тех­ники, требующей соответствующего программною обеспечения. Из­вестно много программ («Воздух-2», «Гарант-1», «Универсал-1», «Эфир-6.03», «Эколог» и др.).