Перемещение загрязняющих веществ в атмосфере

Теоретические основы рассеивания выбросов. Когда отходящие газы покидают дымовую трубу и поступают в атмосферу, на них начинают воздействовать внешние условия — метеорологические условия (давление, температура, скорость и направление движение воздуха), расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ и т. п. (рис. 2.1). Все эти факторы влияют на распространение дыма от трубы и перенос загрязняющих веществ на дальние расстояния Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное — распределением температур в вертикальном направлении. Прогнозирование поведения факела в атмосфере — крайне сложная физико-математическая задача, решение которой затрудняется еще и тем, что в атмосфере процессы нестабильны и могут очень быстро изменяться во времени.

В зависимости от атмосферных условий, внешний вид факела может отличаться большим разнообразием. Он может выглядеть как вертикальный столб над трубой, тянуться компактной струей в горизонтальном направлении, быстро размываться в горизонтальном, вертикальном или обоих направлениях и т. д.

Рис. 2.1. Схема факторов, влияющих на рассеивание выбросов

Основной эффект рассеивания может достигаться за счет молекулярной и турбулентной диффузии, обеспечивающей одинаковое течение процесса переноса тепла, вредных газов, мелких аэрозолей, водяных паров и т. д. Роль молекулярной диффузии в рассеивании пренебрежительно мала; основную роль играет турбулентная диффузия. Она вызывается двумя группами факторов: динамическими и термическими. Первые связаны с движение воздушных масс независимо от распределения температур. В нижних слоях атмосферы динамическая диффузия возникает или усиливается за счет макронеровностей рельефа, высокой плотности растительности или искусственных сооружений. Термическая диффузия связана с градиентами температур воздуха по высоте. В большинстве случаев атмосферная диффузия имеет комплексную природу, т. е. турбулентность создается как термическими, так и динамическими факторами. Существует несколько теорий турбулентной диффузии в атмосфере, однако ни одна не дает более или менее точного количественного описания процесса рассеивания.

В соответствии с теорией массопереноса, рассеивание, в общем виде, описывается дифференциальным уравнением:

, (2.1)

Рис. 2.2. Факел выбросов в осях координат х–у–z

где dС/dt — производная по времени концентрации загрязнителя в точке с координатами x, y, z; ¶С/¶t₀ — градиент по времени концентрации загрязнителя в точке с координатами x = y = z = 0 (это может быть центр устья трубы или точка, учитывающая возвышение факела над устьем, или вообще какая-либо точка, которую в данном случае целесообразно принять за начало координат); u, v, w — скорости распространения загрязнителя вдоль осей x, y, z; ¶С/¶х, ¶С/¶у, ¶С/¶z — градиенты концентраций загрязнителя по отношению к осям координат.

Уравнение составлено в трехмерной системе координат, причем ось х совпадает с направлением основ­ного движения факела, ось у — горизонтальна и перпендику­лярна к оси х ось z вертикальна. Положение осей иллюстри­руется рис. 2.2. Толкование уравнения неоднозначно. Некоторые иссле­дователи отождествляют величину и со скоростью ветра и счи­тают, что вектор и совпадает с вектором-скоростью ветра. Другие располагают вектор и по оси факела. И то и другое — част­ные случаи. В рассматриваемой зоне ветер может дуть не горизон­тально, а с наклоном вверх или вниз; ось факела может на доволь­но значительном участке не совпа­дать с общим направлением ветра. Ряд трудностей связано определе­нием градиентов концентраций вдоль осей координат. Тем не менее, уравнение (2.2) позволяет в первом приближении качественно оценить условия выброса и распространения факела. Градиент ¶С/¶t₀ может иметь знак плюс — если на протяжении данного отрезка времени выброс возрастает, знак минус — если выброс уменьшается, или быть равным нулю — при стабильном во времени выбросе. Осталь­ные градиенты всегда имеют знак минус, поскольку по мере удаления от источника выброса концентрация загрязнителя всегда падает.

Поскольку градиенты концентрации вдоль осей координат сами по себе непостоянны во времени, необходимо ввести в уравнение вторые производные, после чего оно принимает следующий вид:

.

Очевидно, что если ¶С/¶t₀ имеет знак плюс, и при этом

,

то концентрация загрязнителя в данной точке возрастает; при обратном соотношении она снижается. Концентрация остается неизменной, если

(2.2)

или если условия рассеивания в точности компенсируют изме­нения величины ¶С/¶t₀.Однако последнее крайне маловероятно на практике.

Принципиальная разница между правой и левой частью урав­нений состоит в том, что абсолютная величина и знак левой части определяются режимом источника выброса и, таким образом, поддаются контролю и управлению. Величина и знак правой части определяются только условиями рассеивания.

Решение приведенных здесь первичных уравнений рассеива­ния связано с очень большими трудностями. Говоря формально, они могут быть решены для условий, существующих в един­ственный данный момент времени. Но такое решение не имеет никакой практической ценности.

Практически приемлемое решение возможно на базе ряда упрощений и усреднений. Рассмотрим влияние некоторых факторов (рис. 2.1) на процесс рассеивания

Влияние метеорологических факторов на рассеивание. Общая метеорологическая ситуация — важнейший фактор, определяющий поведение выбросов в атмосфере. Она должна тщательно анализироваться еще при решении вопроса о месте размещения нового промышленного предприятия или развитии (реконструкции) существующего. До сих пор такой анализ про­изводится не в полном объеме и нередко с ошибочными выво­дами. К анализу очень часто не привлекаются специалисты-ме­теорологи, не рассматриваются возможные изменения микро­климата в связи с хозяйственной деятельностью. Результат — непрогнозируемое загрязнение атмосферы в селитебных зонах. Лишь в последние годы внимание к изложенному вопросу несколько усилилось. Что же касается ранее построенных предприятии, то ошибки приходится исправлять, оснащая их все более крупными и мощными газоочистительными сооружениями

Особо следует выделить вопрос о так называемых технологических резервах. Например, можно соорудить электрофильтр с пятью-шестью последовательными электрическими полями, но обычно держать в работе три или четыре поля, остальные же включать при ухудшении условий рассеивания или при нежела­тельном изменении направления ветра. Такие решения являются альтернативой по отношению к снижению мощности предприя­тия в аналогичных ситуациях. Экономически они в большинстве случаев выгодны, поскольку требуют сравнительно небольшого увеличения капитальных затрат, но зато гарантируют устойчи­вую работу основного производства независимо от погодных факторов.

Картина общей метеорологической ситуации в данной мест­ности складывается из следующих элементов:

1. Ветер. Направление и скорость движения ветра не остаются постоянными. Вследствие этого меняется степень загрязнения. Зависимость концентрации загрязняющих веществ от направления движения ветра имеет важное значение при решении вопросов размещения промышленных предприятий в плане города и выделении промышленной зоны. При выборе площадки для строительства предприятий необходимо учитывать среднегодовую и сезонную розу ветров.

Скорость движения ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. У поверхности земли скорость движения ветра больше днем, а на высоте — ночью. Неоднократно предпринимались попытки выявить зависимость между содержанием вредных веществ в городском воздухе и скоростью движения воздуха. При выбросах из низких источников наибольшее загрязнение наблюдается при слабых ветрах в пределах 0–1 м/с. При выбросах из высоких источников максимальная концентрация загрязнения наблюдаются при опасных скоростях движения ветра в пределах 3–6 м/с в зависимости от скорости выхода газовоздушной смеси из устья источника.

2. Осадки. Осадки, в общем, способствуют удалению загрязнителей из атмосферы. Однако есть обратная сторона: дождь переносит загрязнители из атмосферы в почву, водоемы и на растительность, а также на искусственные сооружения. Особенно опасен захват дождевыми каплями хи­мически агрессивных компонентов выбросов. Такие дожди мед­ленно, но разрушительно действуют на все, расположенное на земной поверхности. Из-за отсутствия надежных критериев для оценки захвата дождевыми каплями хи­мически агрессивных веществ, этот фактор не учитывается при расчете рассеивания. Однако контакт дождя с выбросами яв­ляется реальным физическим процессом и в принципе поддается количественному расчету. Практически следует ориентироваться на годовое (сезонное) количество осадков и их характер. Наи­более активно контактируют с выбросами дожди с размерами капель 1000–3000 мкм. Это — дожди средней интенсивности, не ливневые и не моросящие. Снег тоже захватывает выбросы, но значительно слабее дождя.

3. Длительные и плотные туманы. Туманы свидетельствуют о застойных явлениях в приземном слое. Они являются неблаго­приятным метеофактором. Во-первых, они способствуют образованию температурных инверсий, во-вторых, мо­гут быть причиной образования смога — смеси естественного тумана с летучими промышленными выбросами. Известны мно­гочисленные случаи, когда устойчивый смог приводил к траги­ческим последствиям для населения. Например, печально знаменитый лондонский смог (см. гл. 1.2).

4. Температурная стратификация атмосферы. Температурная стратификация атмосферы определяет одно из ее состояний: неустойчивое, безразличное и устойчивое. Для рассеивания наиболее благоприятно неустойчивое состояние, сопровождаемое интенсивным перемешиванием воздушных объемов в вертикальном направлении. При безраз­личном состоянии рассеивание заметно ухудшается. Наиболее неблагоприятным является устой­чивое состоянии — инверсия.

Рассмотрим понятие инверсии. В тропосфере с увеличением высоты температура обычно понижается (в среднем на 4–8°С на 1 км) (рис. 1.2). Однако в нижних слоях атмосферы (до 1–2 км) температура может повышаться с увеличением высоты в течение более или менее существенных периодов времени, т. е. холодный воздух «подтекает» под теплый. Этот эффект называется инверсией (рис. 2.3). Инверсия — сложное явление, рассматриваемое в специальной метеорологической ли­тературе. При инверсии каждый элементарный объем воздуха с содержащимися в нем загряз­нителями совершает лишь незначительные вертикальные коле­бания, оставаясь в диапазоне высот до 500–600 м. В результате загрязняющие вещества накапливаются над землей. Образова­нию инверсий способствуют штили, плотные туманы, густая низкая облачность, холодная, покрытая снегом почва. Опасны горные долины и ложбинные места. Инверсионные яв­ления, связанные с охлаждением и оседанием воздушных масс, нередко возникают над крупными водоемами.

Для учета этого фактора необходимо располагать общей характеристи­кой данного района с точки зрения возможности возникновения инверсий, их повторяемости и длительности. Недостаточное вни­мание к информации такого рода приводит к отрицательным, а иногда и катастрофическим последствиям. Не следует думать, что инверсия — явление редкое и исключительное. В Лос-Андже­лесе инверсии случаются в среднем до 270 раз в году, причем до 60 из них сопровождается совершенно недо­пустимой концентрацией вредных примесей в атмосфере. Инверсии, в том числе сопровождаемые смогом, наблюдаются и в ряде городов России, насыщенных промышленными пред­приятиями.

Различают приземную и приподнятую инверсии. Приземные инверсии характеризуются отклонениями непосредственно у поверхности земли, приподнятые — появлением более теплого слоя воздуха на некоторой высоте относительно земли.

Рис. 2.3. Распределение температуры по высоте: А — нормальное распределение; Б — инверсия

Инверсии имеют локальный характер, поэтому в местах, где намечается строительство необходимо проводить тщательные исследования, определяющие вероятность частоты инверсии, повторяемость, характер, мощность. Данные об инверсии должны учитываться при определении высоты трубы, через которую выбрасываются вредные вещества. Основной выброс должен производиться выше инверсионного слоя.

Инверсии всегда опасны, хотя степень их опасности раз­лична. В зимнее время возможно сочетание приземной инверсии с оседанием холодного воздуха из верхних слоев атмосферы. В результате возникает единый инверсионный слой большой мощности, практически исключающий рассеивание выбросов.

Наиболее опасными условиями загрязнения воздуха являются:

1) для высоких источников:

— приподнятая инверсия, нижняя граница которой находится над источником выбросов, что увеличивает mах приземную концентрацию на 50–100%;

— приземная инверсия, когда высота трубы выше инверсионного слоя, сочетающаяся наличием штилевого слоя, расположенного ниже источника выбросов, когда на уровне выбросов скорость движения ветра в 1,5–2 раза превышает величину скорости выбросов.

2) для низких источников:

— сочетание приземной инверсии со слабым ветром;

— сочетание приподнятой инверсии, расположенной непосредственно над источником, со слабым ветром при холодных выбросах.

Характерное для инверсий распространение выбросов в приземном слое показано на рис. 2.4. В литературе предлагаются формулы для оценки загрязнения воздуха в инверсионной области, однако их практическое использование затруднительно, поскольку для этого требуется достаточно точно знать вид инверсии, ее глу­бину и происхождение.

Влияние характеристики местности на рассеивание.Естественная специфика местности определяется следующими параметрами.

1. Рельефом местности. Неровности рельефа при отсутствии инверсий и наличии ветра, в общем, благоприятны для рассеивания выбросов, по­скольку они способствуют вертикальной турбулентности атмо­сферы. Резко выраженные топографические особенности (вы­сокие холмы и складки, глубокие долины) способны вызвать сильные вертикальные флуктуации воздуха, которые тем зна­чительнее, чем больше скорость ветра. Вместе с тем, особенно­сти рельефа необходимо рассматривать в увязке с суточными колебаниями температуры. Например, когда долина нагревается солнцем, воздух поднимается вверх по ее склонам и вновь опу­скается в центре долины. При вечернем охлаждении воздушные потоки устремляются по склонам вниз, и при наличии в долине источника выбросов там могут возникнуть очень высокие мест­ные концентрации вредных компонентов. Описанное явление особенно важно иметь в виду в местности с малооблачной погодой и высокой повторяемостью типичных суточных температур­ных изменений. Что касается горных районов, то в них движе­ние воздуха носит сложный характер и в каждом случае должно изучаться особо, с обязательным привлечением специалистов-метеорологов.

Другим аспектом влияния является тот факт, что направление и сила ветровых потоков в приземном слое атмосферы на холмистой местности может значительно отличаться от ветра в свободной атмосфере над возвышенностями. Отсюда можно заключить, что при строительстве новых объектов в районах со сложным рельефом, для которых имеются только данные о направлении движения ветра в свободной атмосфере, на стадии проектирования необходимы специальные исследования.

2. Лесными массивами. Лесные массивы, оказывая влияние на распростране­ние выбросов, в то же время сами требуют защиты от атмо­сферных загрязнений. В определенной мере лес служит филь­тром, задерживающим распространение аэрозольных частиц в самой нижней части приземного слоя. Однако, фильтрующая роль леса невелика. Несколько большее значение имеет тот факт, что при ветре лес, особенно густой и высокий, способ­ствует вертикальной турбулизации воздуха. Как объект защиты, лес требует к себе избирательного внимания. Так, характерные для алюми­ниевых заводов выбросы фтороводорода губят хвойные де­ревья в радиусе десятков километров. Некоторые породы гиб­нут при частом выпадении упоминавшихся ранее кислотных дождей.

3. Крупными водоемами. Крупные водоемы обладают значительной термической инерционностью, чем и определяется их влияние на поведение воздушных масс. При резком похолодании после теплой погоды над водоемами происходит восходящее движение воздуха, при резком потеплении картина обратная. Влияние широкого вод­ного пространства хорошо прослеживается, например, в Ново­российске. Там по одну сторону Цемесской бухты расположены цементные заводы, по другую — основная жилая часть города. При неблагоприятном направлении ветра выбросы движутся в сторону города. Над акваторией бухты они оседают и при подходе к городу оказываются в самых нижних слоях атмо­сферы.

Рис. 2.4. Зависимость типов дымовых хвостов от температурного градиента по вертикали

4. Общим характером земной поверхности. Общий характер земной поверхности, незави­симо от наличия на ней четко выраженных неровностей рельефа и других местных особенностей, оказывает определенное воз­действие на состояние атмосферы и поведение летучих выбро­сов. Степень воздействия может быть сравнительно охарактери­зована через коэффициенты шероховатости, представлен­ные ниже:

Вид поверхности

Ровная, гладкая (лед, плотный снежный покров, оголенная почва) 1

Луга с травами высотой:

до 1 см 100

до 5 см 1000–2000

до 60 см 4000–9000

Растительный покров максимальной высоты (лес) 14000

Шероховатость вызывает флуктуации скорости ветра. Но мас­штабы флуктуаций не связаны прямой зависимостью с коэффи­циентами шероховатости и изменяются значительно слабее по­следних. Практически важную турбулизацию атмосферы может вызвать только высокий и достаточно плотный лес.

Влияние искусственных сооружений на рассеивание.Искусственные сооружения пренебрежимо мало влияют на распространение выбросов, если расположены достаточно далеко. Что касается промплощадок предприятий, то на них действуют свои закономер­ности, связанные со способами вывода выбросов в атмосферу (через низко расположенные вентиляционные отверстия, фонари и т. д.). Рассмотрим некоторые вопросы проектирования газоочистки в условиях крупных населенных пунктов (городов), особенно с плотной за­стройкой.

В городе аэродинамический режим носит весьма сложный характер. Считается, что местные турбулентности над террито­рией города прослеживаются до высоты равной в среднем трехкратной высоте зданий. Крупный город имеет свой тепловой микрорежим, отличный от окружающей местности. Рассматри­вать обычными способами рассеивание примесей от предприя­тия, расположенного внутри городского массива, можно лишь в случае очень высокого выброса, гарантирующего, что зона максимальной концентрации в приземном слое всегда будет за городской чертой. Но строительство высоких дымовых труб в черте города обычно находится в противоречии с архитектур­ными требованиями и вызывает категорические возражения со стороны градостроительных служб. Если в результате этого эффект рассеивания не может фигурировать как один из крите­риев, его необходимо компенсировать особо высокой степенью очистки выбросов в газоочистительных сооружениях. Но это часто наталкивается на другую проблему: стесненность промплощадок, особенно на предприятиях старой постройки (в свое время они сооружались далеко за границами города, но затем постепенно были обстроены городскими кварталами).

Рис. 2.5. Рассеивание и осаждение выбросов: а — общая картина; б — различия в расположении зон максимальной приземной концентрации отдельных компонентов выбросов

Особенности современных крупных городов порой приво­дят к парадоксальным ситуациям, полностью исключающим формальные решения. Сказанное иллюстрируется на примере загрязнения воздуха выбросами ваграночных печей. Большое количество вагранок расположено внутри городов, на террито­рии предприятий, окруженных многоэтажными жилыми здания­ми. Выбросы вагранок (СО, SO₂, тонкодисперсная пыль) посту­пают в атмосферу на высоте 15–20 м от уровня земли, на уровне 4–7 этажей жилых домов. Строить над вагранками вы­сокие трубы, как уже отмечено выше, не разрешают архитек­турно-планировочные органы. Высокоэффективные газоочисти­тельные сооружения требуют капиталовложений, значительно превосходящих стоимость собственно вагранки. К тому же, из многочисленных систем газоочистки для вагранок, предложен­ных к настоящему времени разными НИИ и КБ, ни одна не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Небольшой и не сложный агрегат, при определенном сочетании местных условий оказывается опасным загрязнителем воздуха, требующим исклю­чительного внимания как со стороны лиц, готовящих задания на проектирование газоочистительных сооружений, так и со сто­роны разработчиков проекта. Радикальное решение проблемы вагранок через строительство газоочистки не просматривается. Очевидно, следует идти по пути замены мелких ведомственных вагранок централизо­ванными чугунолитейными заводами либо создавать взамен вагранки принципиально новый экологически чистый агрегат. Аналогичные проблемы возникают в городских условиях и в отношении ряда других источников выбросов. Это отопи­тельные котельные, работающие на угле или мазуте, сушиль­ные и смесительные барабаны асфальтобетонных заводов и т. п.

Расположение источников выбросов и защищаемых объектов. На некотором расстояний от источника возникает зона максимальной приземной концентрации выбросов С_max (рис. 2.5). Если расчетная макси­мальная концентрация не превышает ПДК, то положение рас­сматривается как удовлетворительное. Но из-за характерного для данной местности сочетания условий зона максимума мо­жет совпадать с местом расположения жилого массива или дру­гих объектов, требующих повышенной защиты от атмосферных загрязнений. Даже если исключить экстремальное сочета­ние неблагоприятных факторов, само по себе частое совпадение зоны максимума концентраций (не превышающих ПДК) с ме­стами расположения объектов, требующих повышенной чистоты воздуха, не должно быть допущено.

Взаимное расположение источников выбросов и защищаемых объектов должно оцениваться по вертикали и горизонтали. Ва­рианты благоприятного и неблагоприятного расположения по вертикали иллюстрирует рис. 2.6. Оба варианта часто встре­чаются в практике проектирования. В случае, показанном на рис. 2.6, а, необходимо принимать решение, исключающее или сводящее до минимума возможность совпадения зоны макси­мальной концентрации выбросов с территорией жилого массива. Ре­шение это неоднозначно, и при его поиске следует анализиро­вать всю совокупность местных условий.

В некоторых случаях естественный рельеф местности может быть выгодно использован для улучшения рассеивания оста­точных выбросов (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Неблагоприятное (а) и благоприятное (б) расположение защищаемого объекта по отношению к источнику выбросов

Значительные трудности вызывает ситуация, когда многие источники выбросов расположены в окрестностях крупного на­селенного пункта без учета розы ветров и возможности нало­жения выбросов друг на друга. Такие ситуации обычно склады­ваются исторически при разновременном строительстве пред­приятий разных ведомств.

Расчет рассеивания выбросов (основные положения ОНД-86).При расчетах распространения выбросов необходимо решить две важнейшие проблемы:

Рис. 2.7. Использование рельефа местности для улучшения рассеивания 1 — источник выбросов; 2 — пылегазопровод; 3 — дымовая труба

1) Расчет ожидаемого загрязнения атмосферы от одного или более источников в данном регионе (ровная или пересеченная местность);

2) Расчет оптимальной высоты дымовой трубы для нового источника загрязнения атмосферы с учетом существующего фона загрязнений, особенностей территории и окружающих строений.

Расчет ожидаемого загрязнения базируется на работах Саттона и Пирсон (1932–36 гг.). Формула Саттона (гаусовская теория рассеивания) позволяет определить концентрации веществ, загрязняющих атмосферу, С (мг/м³) в точке с координатами x, y, z при эффективной высоте дымовой трубы h (м):

, (2.3)

где М — количество загрязняющего вещества, выбрасываемого из источника в единицу времени, г/с; s_y и s_z — стандартные отклонения в распределении частиц по размерам соответственно вдоль осей y и z (в зависимости от турбулентности среды); и — средняя скорость ветра у верхнего среза дымовой трубы.

Для расчета в настоящее время в мире создано большое количество сложных математических моделей, просчитываемых на современных компьютерах. Однако, усложнение расчетов не гарантирует получения более надежных результатов, поскольку чем больше данных, тем больше вероятность того, что на результате скажется неточность данных. Чем проще модель (при условии сохранения основных свойств атмосферы), тем ближе к реальным уровням загрязнений долговременные средние расчетные показатели.

Таким образом, вместо сложных расчетов по загрязнению воздуха, как правило, применяются простые вычисления, выполняемые обычно по номограммам. Вычисления распространения выбросов на основе номограмм нашли широкое применение в Германии, США, Англии и др. странах.

Основным документом, регламентирующем расчет рассеивания и определение приземных концентраций выбросов промышленных предприятий в РФ является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД-86. Методика разработана на базе ряда упрощений и усреднений. В ней отдельные факторы объеди­нены в усредненные группы и численно учитываются комплекс­ными обобщенными коэффициентами.

Генеральные формулы для расчета максимальной приземной концентрации, создаваемой одиночными источниками

, мг/м³ — для нагретых выбросов; (2.4)

, мг/м³ — для холодных выбросов, (2.5)

где А — коэффициент, характеризующий температурную стратификацию ат­мосферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в еди­ницу времени, г/с; F —безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и n — коэффициенты, учитывающие условия выхода факела из устья источника выброса; Н — высота источника над уровнем земли, м; К_м — безразмерный коэффициент, учи­тывающий влияние рельефа местности; DТ— разность температур выбрасы­ваемой смеси и окружающего воздуха, °С; Q — расход выбрасываемой смеси, м³/с.

Для газообраз­ных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость упорядо­ченного оседания которых практически равна нулю, F = 1. По­нятие «мелкодисперсный аэрозоль» является в значительной мере условным. В разных литературных источниках мелкодисперсными считаются частицы 2 мкм и менее; 5 мкм и менее; даже 20 мкм и менее. Различия объясняются тем, что скорость оседания частицы зависит не только от ее размера, но также от ее плотности и коэффициента формы (морфологии). Из практики известно, что некоторый качественный скачок в поведении частиц наблюдается при их размере 3–4 мкм и менее. Очевидно, для пылей высокой истинной плотности (6×10³–8×10³ кг/м³) есть смысл считать граничным размер 3–5 мкм, для более легких пылей увеличивать его до 8–10 мкм. В соответствии с F для взвешенных веществ определяется отношением скорости оседания (витания) частиц v_g к опасной скорости ветра u (скорость ветра, при которой приземная концентрация достигает своего максимума). Скорость витания рассчитывается по закону Стокса или по номограмме (см. гл. 4). За расчетный диаметр при определении F принят диаметр d₅, удовлетворяющий условию, что частицы большего, чем d₅ размера составляют 5% общей массы частиц. Если значение v_g/u < 0,015, то F = 1; при 0,015 < v_g/u < 0,03 принимают F = 1,5. В случае v_g/u > 0,03 при степени очистки дымовых газов не менее 90 % принимают F = 2; при 75–90% F = 2,5; при отсутствии очистки F = 3.

Понятие опасной скоростиветра неоднозначно. При малой скорости ветра увеличивается DН, но фа­кел дольше сохраняет плотную структуру и плохо, размывается под действием одной только атмосферной диффузии. При силь­ном ветре, наоборот, роль DН сводится к нулю или почти к ну­лю, но на факел интенсивно действует атмосферная диффузия. При очень сильном ветре вертикальные турбулентные флуктуа­ции исключительно сильно искажают факел, причем иногда часть факела как бы «стекает» по подветренной стороне дымовой трубы на несколько десятков метров. Это явление объяс­няется особыми аэродинамическими условиями обтекания ствола трубы высокоскоростным потоком воздуха. Эти и другие особенности поведения факела существенно влияют на все по­казатели его рассеивания

В параметрах, составляющих генеральную формулу, не фигурирует прямо высота возвышения факела над устьем, хотя она играет существенную роль в рассеивании. В отдельных случаях (при полном безветрии и нормальной стратификации) величина DН может равняться и (даже превышать) Н. Дело в том, что DН зависит от DТ, Q, а также от формы и размеров устья. Иначе го­воря, она неявно присутствует во вспомогательных формулах, по которым находятся коэффициенты m и n, т. е. в общей фор­мулировке, она определяется условиями выхода факела в ат­мосферу.

Аналогичным обра­зом в методике выведены и другие расчетные формулы: для группы источников при их различном взаимном расположении. Важным является подробно рассмотренное в методике по­нятие.

В методике не учитывается фактор осадков и, таким образом, он служит дополнительным резервом благопо­лучия атмосферы вокруг источника выброса.

Выше говорилось о том, что дифференциальные уравнения рассеивания, описывающие процесс в наиболее об­щем виде, могли быть реализованы в виде практической мето­дики только за счет ряда упрощений и усреднений. До некото­рой степени это проиллюстрировано рис. 2.8, где число факторов, непосредственно влияющих на поведение факела выброса, за­метно меньше, нежели на рис. 2.1.

В методике изложен порядок определения минимальной высоты трубы. При ее определении необходимо выполнение условия: С £ ПДК_м.р. Для веществ, для которых установлено только среднесуточные ПДК, используются приближенное соотношение между максимальными значениями разовых и среднегодовых концентраций и требуется, чтобы 0,1×С £ ПДК_с.с.

При наличии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих суммацией действия, их безразмерная суммарная концентрация не должна превышать единицы. При наличии фонового загрязнения атмосферы вместо С следует принимать С + С_ф. Значение фоновой концентрации определяется по специальной методике органами Росгидромета.

Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также для других территорий с повышенными требованиями к охране атмосферного воздуха ПДК следует заменить на 0,8×ПДК.

При горячих выбросах (DТ >>0) значение минимальной высоты первоначально определяется из выражения

. (2.6)

Если при этом найденное значение , оно является окончательным. В противном случае, предварительное значение минимальной высоты определяется по формуле:

. (2.7)

По найденному таким образом значению Н = Н₁ определяются значение вспомогательных коэффициентов f, v_м, v'_м, f_e и устанавливаются в первом приближении коэффициенты m = m₁ и n = n₁. Если m₁×n₁ ¹ 1, то по m₁ и n₁ определяется второе приближение Н = Н₂ по формуле . В общем случае (i+1)-е приближение Н_i+1 определяется по формуле

, (2.8)

где m_i и n_i соответствуют Н_i, а m_i–1 и n_i–1–Н_i–1.

Уточнение значения Н необходимо производить до тех пор, пока последовательно найденных значения Н_i и Н_i+1 практически будут равны друг другу (с точностью до 1 м).

Генеральные расчетные формулы легли в основу формул для расчета ПДВ, г/с:

, г/с — для нагретых выбросов (2.9)

, г/с — для холодных выбросов (2.10)

Если для какого-либо вещества выполняется соотношение

(2.11)

то в этом случае (при отсутствии необходимости учета суммации вредного воздействия нескольких веществ) использованные при расчетах значения М могут быть приняты в качестве ПДВ.