< Предыдущая		Оглавление		Следующая >

8.3. Распространение загрязнений в атмосфере и в приземном слое

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вентиляционных устройств промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота источника, диаметр устья и т.п. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

Свойства атмосферы. Одна из важнейших характеристик атмосферы - ее устойчивость, т.е. способность препятствовать вертикальным перемещениям воздуха и сдерживать турбулентное перемешивание. Это непосредственно связано со степенью рассеивания загрязнителей. Чтобы оценить способность атмосферы рассеивать загрязнители антропогенного происхождения, необходимо знать степень ее устойчивости. Если атмосфера устойчива, в ней отсутствуют значительные вертикальные перемещения и турбулентное перемешивание. В такой атмосфере антропогенные загрязнители остаются в том месте, где они выброшены, т.е. вблизи поверхности Земли. На перемешивание в приземных слоях атмосферы оказывает влияние большое количество факторов, основными из которых являются температурный градиент и турбулентная диффузия.

Отметим три варианта устойчивости атмосферы:

1. Устойчивое состояние, когда некоторый объем воздуха, сместившийся из своего исходного положения по высоте под действием каких-то сил (например, температурного градиента), стремится вернуться обратно.

2. Неустойчивое состояние, при котором объем воздуха, получивший импульс движения, не возвращается в исходное положение, а с ускорением движется в направлении первоначального смещения.

3. При нейтральном (безразличном) состоянии смещенный объем воздуха, попав в слой с такой же температурой, остается неподвижным.

Изменение температуры с высотой, как указывалось выше, характеризуется температурным градиентом. При подъеме воздушных масс вследствие уменьшения давления объем воздуха увеличивается, а температура снижается. И наоборот, опускающийся воздух в объеме уменьшается, а температура растет. При сверхадиабатическом процессе градиент температуры отрицателен, что отражает неустойчивость атмосферы. Если же градиент температуры положителен, то атмосфера устойчива. Когда градиент температуры равен нулю, атмосфера нейтральна. При инверсии состояние атмосферы весьма устойчиво, температурный градиент имеет относительно высокое положительное значение. Инверсия может просуществовать несколько дней, что приводит к опасным для здоровья людей последствиям. Такие случаи в больших городах известны достаточно давно. Различают два вида инверсии: инверсия оседания и радиационная. Они могут существовать одновременно.

На рассеивание загрязнителей в атмосфере влияет конвективное и турбулентное перемешивание. Высота слоя перемешивания по высоте зависит от времени года, суток, топографии района. Чем больше слой перемешивания, тем ниже концентрация загрязнителей в атмосфере.

Высота конвективного слоя перемешивания определяется тепловой подъемной силой. Под воздействием солнечной радиации воздух у поверхности Земли нагревается и приобретает подъемную силу. Чем выше разница температуры воздуха по высоте (температурный градиент), тем больше ускорение, приобретаемое воздухом за счет подъемной силы. Значительное загрязнение атмосферы в приземном слое наблюдается при высоте конвективного слоя перемешивания менее 1,5 км.

Достаточно точно оценить степень рассеивания загрязнителей в атмосфере можно, изучив распределение скорости и направления ветра. Эти параметры переменны, однако для каждой местности их можно усреднить. Такое усреднение может быть представлено в виде таблиц и графиков. Результаты распределяют по восьми основным и восьми дополнительным направлениям. Графическая форма изображения дается в полярных координатах частоты наблюдаемых направлений ветра. Распределение скоростей ветра вдоль каждого направления показывают длиной отрезков радиусов по этим направлениям (роза ветров).

На рассеивание загрязнений в атмосфере влияют средняя скорость ветра и атмосферная турбулентность. Последняя зависит не только от естественных потоков, но и от механической турбулентности, которая является результатом ветрового сдвига. Тепловые вихри чаще наблюдаются в солнечные дни, когда скорость ветра мала. Механические вихри преобладают в период ветреных ночей. Механическая турбулентность определяется движением воздуха надземной поверхностью, на нее оказывает влияние рельеф местности и здания (сооружения).

Источники выбросов в атмосферу бывают точечные (труба, автомобиль и т.п.), линейные (газопроводы) и поверхностные. Попадать в атмосферу вредные вещества могут на разных стадиях производства (добыча, транспортирование, дробление, измельчение, помол и т.п.), различным образом: из-за негерметичности оборудования, при погрузочно-разгрузочных работах, с открытых складов, т.е. специально неорганизованным способом. Такие выбросы соответственно называются неорганизованными. К неорганизованным промышленным выбросам относят открытые склады минерального сырья, карьеры, хранилища твердых и жидких отходов, места загрузки и выгрузки железнодорожных вагонов, автомашин, негерметичное оборудование, транспортные эстакады и т.п. В ряде случаев неорганизованные источники являются наземными.

В то же время на многих предприятиях большинство удаляемых из помещений и технологического оборудования вредных веществ выбрасывается в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы, что позволяет применить для их улавливания соответствующие установки. Такие выбросы называются организованными. К организованным промышленным источникам относят трубы, шахты, аэрационные фонари, фрамуги и т.п.

Организованные промышленные источники выбросов можно подразделить на три типа: высокие, низкие и промежуточные.

Через высокие источники осуществляется сброс в атмосферу технологических газов и загрязненного вентиляционного воздуха. К ним относятся трубы, выбросы из которых производятся в верхние слои атмосферы, выше границы промежуточной зоны, что обеспечивает их хорошее рассеивание.

Низкие источники являются наиболее распространенными для сброса вентиляционного воздуха и технологических сдувок в атмосферу.

Большое значение для оценки последствий попадания в атмосферу загрязняющих веществ имеет высота (Я) устья источника выброса. В зависимости от высоты устья над уровнем земной поверхности источники относят к одному из следующих четырех классов: высокие, Н = 50 м; средней высоты, H = 10...50 м; низкие, H = 2...10 м; наземные, H = 2 м.

На рис. 8.1 показана схема распространения загрязненной струи, истекающей из трубы при наличии сносящего ветрового потока. Действие последнего приводит к искривлению струи.

На некоторой высоте (H + ΔH) влияние сносящего потока становится преобладающим, струя разворачивается, ось ее становится горизонтальной. Факел далее приобретает форму параболоида с вершиной в точке P, в которой размещают фиктивный источник. Таким образом, реальная картина распространения загрязнений заменяется факелом от фиктивного источника, расположенным на высоте (H + ΔH). Вершина параболоида не обязательно располагается над центром трубы, однако возможное смещение не учитывают, полагая, что источник находится в точке Р (х = 0, у = 0, z= H + ΔH).

Рис 8.1. Схема газовоздушного факела в сносящем потоке: 1 - кривая распределения концентрации загрязнителя в приземном слое; 2- профили концентраций загрязнителя в сечениях факела

Превышение горизонтальной оси факела над устьем трубы зависит от условий истечения газовоздушной смеси и скорости ветра v:

(8.19)

где w - скорость истечения, м/с; D - диаметр устья трубы, м; Т = T₀ - T_ат - разность температур газовоздушной смеси на выходе из трубы T0 и атмосферного воздуха Т_ат летом, К.

Факел, расширяясь, достигает земли (точка А(х_А)), в некоторой точке М(х_м) приземная концентрация достигает максимума С_м, стремясь затем к нулю на удалении (кривая 1).

Условия истечения газовоздушной смеси должны быть такими, чтобы максимальная приземная концентрация не превышала максимальной разовой ПДК.

Значение См зависит от скорости ветра. При увеличении последней уменьшается ΔH, т.е. факел прижимается к земле, что способствует возрастанию концентраций на ее поверхности. С другой стороны, увеличение скорости ветра усиливает процесс рассеивания факела в вертикальном направлении, что приводит к уменьшению концентраций.

Рис. 8.2. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выбросов

На рис. 8.2 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы:

переброс факела выбросов, характеризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы;

задымление с максимальным содержанием вредных веществ и постепенное снижение уровня загрязнения. Зона задымления является наиболее опасной для населения и должна быть исключена из селитебной застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10...49 высот трубы;

зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Максимальная концентрация прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентрации.

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит главным образом под действием вертикальных потоков. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя более низким приземным концентрациям в направлении ветра. Движение загрязняющих веществ вместе с воздушными массами, перемещаемыми ветром, приводит к тому, что турбулентные вихри изгибают, разрывают поток и перемешивают его с окружающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра v_m на высоте струи. Вместе с тем с увеличением v_m уменьшается высота факела над устьем трубы, поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа w_r должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке токсичной пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы, их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.

Фоновая концентрация является характеристикой существующего загрязнения атмосферного воздуха на промышленных площадках и в населенных пунктах и представляет собой суммарное загрязнение атмосферы, обусловленное всеми источниками, в том числе и неорганизованными.

При проектировании вновь строящихся предприятий в районах, где атмосферный воздух и местность уже загрязнены вредными химическими веществами, выбрасываемыми другими предприятиями, сумма расчетной и фоновой концентраций для каждого вредного химического вещества в атмосфере не должна превышать установленных для него или рассчитанных значений ПДК.

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86". В основу методики положено условие, при котором суммарная концентрация каждого вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е.

(8.20)

где С_м - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м ; С_ф - фоновая концентрация одинаковых или однонаправленных вредных веществ, характерная для данной местности, мг/м³.

В атмосферном воздухе населенных пунктов устанавливаются нормируемые предельно допустимые концентрации вредных веществ (табл. 8.1).

Таблица 8.1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов

Вредное вещество	Код вредного вещества	ПДК, мг/м3	Класс вреднности вещенства
максимальная разовая	среднесуточная
Азота диоксид	200	0,085	0,085	2
Амилацетат	645	0,1	0,1	4
Аммиак	202	0,2	0,2	4
Ангидрид мал ей новый	700	0,2	0,05	2
Ангидрид уксусный	702	0,1	0,03	3
Бензол	422	1,5	0,8	2
Бром бензол	491	-	0,03	2
Бутан	362	200	-	4
Винил ацетат	647	0,15	0,15	3
Водород хлористый (по HCl)	248	0,2	0,2	2
Водород цианистый	320	-	0,01	2
Гексан	363	60	-	4
Диките н	632	0,007	-	2
Диоксид серы	701	0,5	0,05	3
Дихлорэтан	499	3	1	2
Диэтиламин	783	0,05	0,05	4
Ксилол	424	0,2	0,2	3
Меди оксид	062	-	0,002	2
Метальде гид	668	0,003	0,003	2
Озон	289	0,16	0,03	1

При присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих суммирующим действием (например, SO₂, NO₂, HF, H₂SO₄, фенол), критерием качества воздуха служит соотношение

(8.21)

где i означает i-ю примесь.

Максимальная концентрация вредных веществ у земной поверхности достигается на оси факела выброса (по направлению среднего за рассматриваемый период ветра) на расстоянии хт от источника выброса и не должна превышать максимальную разовую концентрацию данного вещества в атмосфере:

(8.22)

где A - параметр, характеризующий переносные свойства атмосферы (на территории СНГ значения А для различных районов изменяются в диапазоне 140...250 (с^2/3  мг/К^1/3  г); М - масса вредного вещества выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с; k_F - коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере (для газов и мелкодисперсных аэрозолей равен 1; для пыли при эффективности очистки газоочистной установки более 0,90 k_F = 2,0; при степени очистки от 0,75 до 0,9 k_F = 2,5 и менее 0,75 k_F = 3; m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа (в случае ровной местности или местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, η = 1); V - объем расходуемой газовоздушной смеси, выбрасываемой из всех труб, м³/с; ΔТ - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха, равной средней температуре самого жаркого месяца в 13 ч.

Рис. 8.3. Зависимость коэффициента т от параметра f

Значение безразмерного коэффициента m определяют по графику (рис. 8.3) в зависимости от параметра

(8.23)

где w_г - средняя скорость выхода газов из устья источника, м/с; - диаметр устья источника выбросов, м.

Значение безразмерного коэффициента п определяют в зависимости от опасной скорости v_m, м/с:

(8.24)

(8.25)

(8.26)

Высота трубы - важный фактор, воздействующий на уровни приземных концентраций вредных веществ. Согласно действующей методике минимальная высота Н_min одиночной трубы для рассеивания газовоздушных выбросов, имеющих температуру выше температуры окружающего воздуха, определяют по формуле

(8.27)

Если коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере k_F < 2, то расстояние, на котором достигается максимальная концентрация на поверхности земли, находится из соотношения

(8.28)

если k_F > 2, то

(8.29)

Значение безразмерного параметра kd можно найти расчетным способом:

(8.30)

(8.31)

Распределение концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы по оси факела на различных расстояниях х от источника выброса находят по формуле

(8.32)

Рис. 8.4. Зависимость безразмерной величины S₁, от отношения х/х_м: 1 - для аэрозолей k_F>2; 2 - для газообразных выбросов k_F = 1

Безразмерная величина S₁ зависит от отношения х/х_м (рис. 8.4), при х/х_м > 8 она зависит от скорости оседания взвешенных частиц выбросов.

Приземную концентрацию вредных веществ в атмосфере С_у на расстоянии у от поверхности земли определяют по формуле

(8.33)

Безразмерная величина S₂ зависит от скорости ветра v_m, м/с, расстояния от источника выброса и высоты над поверхностью земли:

(8.34)

Для маломощных слабо нагретых (холодных) выбросов, к которым относится большинство вентиляционных выбросов, расчет максимальной приземной концентрации при "опасной" скорости ветра ведется по формуле

(8.35)

где А - параметр, имеющий размерность мг  м^1/3/г и равный по величине параметру А в формуле (8.22). Значение безразмерного множителя n определяется по формулам (8.25), (8.26), но параметр v_m - по формуле

(8.36)

Для выброса холодной газовоздушной смеси (температура выбрасываемых газов близка к температуре окружающего воздуха) через одиночную трубу с круглым сечением устья минимальная высота трубы

(8.37)

Поскольку значения коэффициентов т и п зависят от H, задача решается путем последовательных приближений, т.е. подбором значений H, при которых уравнения (8.27), (8.37) будут удовлетворяться.

Часто в практике проектирования приходится решать задачу по определению предельно допустимого выброса (ПДВ), при котором обеспечивается не превышающая ПДК смеси в приземном слое воздуха. Нормативы ПДВ устанавливаются для каждого источника загрязнения атмосферы при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника и от совокупности источников данного предприятия, а также других источников города с учетом перспективы развития промышленных предприятий и условий рассеивания вредных веществ в атмосфере не создадут приземную концентрацию веществ, превышающую их предельно допустимую концентрацию (ПДК).

При установлении нормативов ПДВ необходимо учитывать также значения фоновых концентраций вредных веществ в воздухе (С_ф). Таким образом, условием принятия норматива ПДВ для каждого вещества является условие (8.21).

Предельно допустимые выбросы ПДВ в атмосферу также могут быть рассчитаны с помощью уравнений (8.22), (8.35). Полагая в них С_м = ПДК - С_ф, М = ПДВ, находим:

для случая рассеивания нагретых выбросов через одинокую незатененную трубу

(8.38)

для холодных выбросов

(8.39)

В формулах (8.27), (8.37) - (8.39) фигурирует максимально разовое значение ПДК.

Формула (8.28) позволяет определить границы L санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия. Размеры СЗЗ вычисляют с учетом среднегодовой повторяемости направления ветров рассматриваемого румба Р (%):

(8.40)

где Р₀ - повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %. Например, при восьмирумбовой розе ветров Р₀ = 100/8 = 12,5%.

Изложенная методика расчета справедлива для неблагоприятных метеорологических условий, когда турбулентный перенос в вертикальном направлении максимален. Такая ситуация соответствует большим отрицательным (сверхадиабатическим) градиентам температур, способствующим развитию естественной конвекции.

Максимальное значение приземной концентрации в этом случае выше, чем при равновесном состоянии атмосферы или при формировании инверсионного слоя.

Наличие местных аномалий давления и температуры, связанных с влиянием различных факторов (обтекание препятствий ветровым потоком, горизонтальные градиенты температуры, процессы испарения и др.), может существенно влиять на форму факела и распределение концентраций.

Совершенно иначе происходит распространение примеси от низких источников, которые находятся в вихревых (отрывных) зонах, образующихся при обтекании зданий и сооружений ветром. Примесь вовлекается в циркуляционное движение, концентрация ее увеличивается до того момента, когда турбулентный перенос через границу вихревой зоны уравновесит интенсивность источника примеси. Далее распределение концентраций в вихревой зоне стационарно.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие существуют методы очистки пылегазовых выбросов?

2. Какие механизмы лежат в основе методов очистки пылегазовых выбросов?

3. Какие факторы оказывают сопротивление процессу осаждения?

4. Как формулируется закон Стокса о скорости осаждения частиц в случае ламинарного движения?

5. Каков механизм осаждения частиц под действием центробежной силы?

6. Какой принцип заложен в основу работы газовых фильтров?

7. Каков принцип мокрого пылеулавливания?

8. На чем основывается процесс осаждения аэрозольных частиц в электрическом поле?

9. Какие факторы влияют на скорость осаждения частиц в электрическом поле?

10. Что такое фракционная и общая эффективность очистки газов от пыле й?

11. Какие методы используют для обезвреживания выбросов от газообразных примесей?

12. Что такое абсорбция и каково се значение в технике защиты окружающей среды?

13. Что такое "коэффициент диффузии"?

14. Чем отличаются уравнения молекулярной и конвективной диффузии?

15. Что понимается под равновесием абсорбционного процесса?

16. Какими основными законами характеризуется равновесие в процессах абсорбции?

17. Как влияют па процесс абсорбции температура и давление?

18. Какие существуют способы выражения составов многокомпонентных смесей?

19. Что является движущей силой абсорбционного процесса?

20. Как формулируется материальный баланс абсорбции?

241

21. Каким образом определяется средняя движущая сила абсорбционного процесса?

22. Что определяют обычно из критериальных уравнений конвективной диффузии?

23. Какова связь между коэффициентами массопередачи и коэффициентами массоотдачи?

24. Какие существуют принципиальные схемы абсорбции?

25. Каким образом может осуществляться процесс десорбции?

26. В каких технологиях очистки газовых выбросов используется адсорбция?

27. Какие адсорбенты применяют для очистки газовых выбросов?

28. Что выражает изотерма адсорбции?

29. Как влияют в процессе адсорбции природа поглощаемого газа, температура, давление, наличие конкурирующих примесей, вид адсорбента?

30. Какой механизм используется при конденсационной очистке паров загрязнителей?

31. Какие газовые выбросы могут быть обезврежены термохимическими способами?

32. В чем состоит сущность каталитической очистки газовых выбросов?

33. Чем вызвана необходимость рассеивания выбросов в атмосфере?

34. Какие факторы влияют па рассеивание примесей в атмосфере?

35. Как влияет фоновая концентрация на ПДВ?

36. От каких факторов и условий зависит максимальная концентрация вредных веществ в приземном слое?

< Предыдущая		Оглавление		Следующая >