 |
Понятия, принятые в действующей
|
|
|
|
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАССЕИВАНИЯ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОДИНОЧНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ИСТОЧНИКА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Самара 2015
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАССЕИВАНИЯ ВЫБРОСОВ
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 См, 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 Uм 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 Uм ветра, при которой дымовой факел на определенном расстоянии Хм 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, Хм 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.).
Понятия, принятые в действующей
природоохранной нормативно-технической документации
|
|
|
