Исследование загрязнения атмосферного воздуха при эксплуатации судовой энергетической установки

 

    Целью настоящей работы является усвоение представлений о СЭУ как источнике загрязнения атмосферного воздуха и освоение методики расчета уровня этого загрязнения.

     При эксплуатации судовой энергетической установки происходит загрязнение атмосферы воздухом, который используется в судовых двигателях внутреннего сгорания, котельных агрегатах, при вентиляции судовых помещений и вентиляции топливных цистерн. Напомним, что загрязнение атмосферного воздуха характеризуется параметром, который называется выброс. Выброс показывает, какое количество какого-либо вещества поступает в атмосферу в единицу времени. Поступление загрязняющих веществ от СЭУ в основном определяется: а) выбросами с отработавшими газами от ДВС и котлов - В_ДВС и б) выбросами в вентиляционном воздухе - В _вент.             

   В общем случае выброс i -го вещества определяются по формуле

 

В _i =  · L · C_i

 

где L – количество газовоздушной смеси (загрязненного воздуха), поступающей в атмосферу в единицу времени, м³ / час; C _i – концентрация загрязняющих веществ в этой газовоздушной смеси, мг / м³.

   Выбросы от ДВС и котлов могут быть рассчитаны в зависимости от расхода топлива W и удельного выделения загрязняющих веществ g_i при сжигании 1 кг топлива по следующей формуле

 

В _{ДВС i} =  · W · g _i ,

 

где В _i – выброс i –го вещества, г/сек; W – расход топлива, т / час; g _i - удельные выделения загрязняющих веществ, г / кг (данные об удельных выделениях приведены в табл. 2.8).

      При расчете выбросов с вентиляционным воздухом концентрация загрязняющих веществ в выбросе принимается в соответствии с данными, которые приведены в табл. 2.9. Количество газовоздушной смеси, которое образуется при вентиляции служебных и жилых помещений, приводится как исходные данные в табл. 2.10.

 

Таблица 2.8

 

Удельные выделения g _i загрязняющих веществ от ДВС и котлов СЭУ

 

Наименование вещества	Удельные выделения, г / кг
Сернистый ангидрид SO2	3,9
Окись углерода CO	25,6
Окислы азота NOx	68,1
Углеводороды СxHу	18,1
Сажа	6,1

 

Таблица 2.9

 

Концентрация загрязняющих веществ в вентиляционном воздухе.

 

Наименование вещества	Концентрация, мг / м^3
а) машинное отделение Окись углерода CO Углеводороды СxHу	5,0 5,0
б) жилые помещения Окись углерода CO	2,0

 

Порядок выполнения работы

 

1. Познакомиться с основными положениями выполняемой работы.

2. Записать исходные данные в соответствии с индивидуальным вариантом задания (см. табл. 2.10).

3. Выполнить расчет выбросов от ДВС и котлов (В _ДВС) и выбросов с вентиляционным воздухом (В _вент). Расчет выбросов выполняется для всех веществ, которые содержатся в газовоздушной смеси.

4. По результатам расчета построить следующие круговые диаграммы: 1 - диаграмма выбросов загрязняющих веществ (5 веществ) от ДВС и котлов; 2 – диаграмма выбросов загрязняющих веществ (2 вещества) с вентиляционным воздухом из машинного отделения и жилых помещений; 3 – диаграмма выбросов окиси углерода от а) ДВС и котлов и б) с вентиляционным воздухом из машинного отделения и жилых помещений; 4 – диаграмму выбросов углеводородов от а) ДВС и котлов и б) с вентиляционным воздухом из машинного отделения.

5. Составить выводы по результатам работы.

6. Все расчеты и оформление работы осуществляются в строгом соответствии с примером расчета и оформления работы, который приводится ниже.

 

 

Таблица 2.10

 

Данные для расчета выброса загрязняющих веществ

 

Наименование показателя	Вариант задания
	1	2	3	4	5	6	7	8
Расход топлива в СЭУ, т / час	0,2	0,4	1,0	1,2	0,6	0,8	0,4	0,8
Количество вентиляционного воздуха, м^3/ час а) жилые помещения б) машинное отделение	10   10	12   20	20   40	22   48	18   25	20   30	12   20	18   36

 

продолжение табл. 2.10

 

Наименование показателя	Вариант задания
	9	10	11	12	13	14	15	16
Расход топлива в СЭУ, т / час	0,3	0,5	1,2	0,8	0,4	1,0	0,6	0,4
Количество вентиляционного воздуха, м^3/ час а) жилые помещения б) машинное отделение	18   20	10   25	22   48	12   25	18   25	10   20	20   36	20   40

 

продолжение табл. 2.10

 

Наименование показателя	Вариант задания
	17	18	19	20	21	22	23	24
Расход топлива в СЭУ, т / час	0,4	0,6	0,2	0,8	0,3	1,2	0,8	0,6
Количество вентиляционного воздуха, м^3/ час а) жилые помещения б) машинное отделение	16   24	7,8   18	12   8,6	12   25	8,2   18	12   20	24   28	18   36

 

 

продолжение табл. 2.10

 

Наименование показателя	Вариант задания
	25	26	27	28	29	30	31	32
Расход топлива в СЭУ, т / час	0,8	1,6	1,2	0,8	0,4	1,4	1,8	1,6
Количество вентиляционного воздуха, м^3/ час а) жилые помещения б) машинное отделение	26   14	2,8   28	16   18	18   22	18   12	24   26	12   18	18   26

 

Пример расчета и оформления работы

 

1. Расчет выбросов загрязняющих веществ от ДВС и котлов:

1.1. Расчет выбросов сернистого ангидрида SO₂

Bso₂ = · W · g so₂ = · 0,12т/час · 3,9 г/кг = 0,13 г/сек,

где   W = 0,12 т/час – расход топлива в СЭУ.

1.2. Расчет выбросов окиси углерода CO

B_{с o} = W · g _co =  · 0,12 т/час · 25,6 г/кг = 0,85 г/сек

1.3. Расчет выбросов окислов азота NO_x

B_NOx = W · g _NOx = ·0,12 т/час ·68,1 г/кг = 2,27 г/сек

1.4. Расчет выбросов углеводородов С_хН_у

B_СхНу = W · g_СхНу = ·0,12 т/час · 18,1 г/кг = 0,6 г/сек

1.5. Расчет выбросов сажи

B_сажа = W · g_сажа =  ·0,12 т/час · 6,1 г/кг = 0,2 г/сек

 

2. Расчет выбросов загрязняющих веществ при вентиляции помещений:

2.1. машинного отделения:

2.1.1. расчет выбросов окиси углерода СО

Bс o = L_мо  · C_co = ·6,8 м³/час · 5,0 мг/м³ = 9,4·10 ^-6 г/сек,

где L_мо = 6,8 м³/час – количество вентиляционного воздуха в машинном отделении

2.1.2. расчет выбросов углеводородов С_хН_у

B_СхНу = L_мо · C_СхНу =  ·6,8 м³/час ·5,0 мг/м³ = 9,4 ·10 ^-6 г/сек,

 

2.2. жилых помещений:

2.2.1. расчет выбросов окиси углерода СО

B_{с o} = L_ж · C_co =  ·3,2 м³/час · 2,0 мг/м³ = 1,8 ·10 ^-6 г/сек,

где L_ж = 3,2м³/час – количество вентиляционного воздуха в жилых помещениях

 

         _{14% СхНу                 19% СО}

     _{10% SO 2                                                 5%сажа}

         52% NO_x

 

Рис. 1 – диаграмма выбросов от ДВС и котлов

 

 

_{маш. отд. - 45 %} С_хН_у

                                          _{жил. помещения –10 % СО}

_{маш. отд. – 45 % СО}

 

Рис.2 – диаграмма выбросов при вентиляции

 

                                                                                                                          

                                                                                                 

_{от ДВС (СО) 99,998 %                                      в вент (СО) 0,002 %}

 

 

Рис. 3. Диаграмма выбросов СО от ДВС и котлов и при вентиляции

 

 

 

  _{от ДВС (С xHy ) - 99,998 %                                   в вент (СхНу) - 0,002 %}

 

Рис. 4 – диаграмма выбросов С_хН_у от ДВС и котлов и при вентиляции машинного отделения

 

Выводы: при выбросе отработавших газов ДВС и котлов наибольшее загрязнение атмосферного воздуха дают окислы азота NO_x (доля выбросов составляет 52 %). Наименьшее загрязнение дает выброс сажи (доля выбросов составляет 5 %). Загрязнение атмосферы при вентиляции помещений ничтожно мало (0,002%) по сравнению с загрязнением отработавшими газами.

 

3. Экологический контроль за состоянием природной среды и инженерных объектов

 

3.1. Обработка результатов экологического контроля

 

Целью работы является освоение методики обработки результатов экологического контроля за состоянием природной среды и инженерных объектов.

Экологический контроль подразумевает измерение или расчет параметров, которые характеризуют влияние техногенных объектов на природную среду и состояние (качество) природной среды. При измерении получают результаты, которые необходимо уметь обрабатывать.

При измерении какого-либо параметра получают ряд отличающихся друг от друга значений х_1; х_2... х _n этого параметра, которые будут отражать истинное значение измеряемой величины с большей или меньшей точностью. Можно заметить, что все эти значения х _n группируются вокруг некоторого значения х_ср, которое при определенных условиях будет приближаться к истинному - х.

Одним из упомянутых условий является такая организация измерений, которая исключает так называемую, систематическую ошибку. Напоминаем, что в целом различают систематические и случайные ошибки.

Вторым условием является выполнение измерений в достаточно большом количестве, что в целом снижает случайную ошибку. При n ® ¥ х_ср ® х. Понятно, что на практике число измерений n ® ¥ неосуществимо. Поэтому, строго говоря, истинное значение измеряемого параметра х всегда остается для нас неизвестной величиной. Однако, результаты измерений мы все же можем определенным образом характеризовать. Например, пользуясь методами математической статистики можно определить погрешность, или ошибку измерений (в данном случае имеется в виду случайная ошибка). Существуют и другие параметры, с помощью которых можно характеризовать результаты измерений. К ним относятся следующие:

1. Среднее арифметическое значение

где n - количество измерений.

2. Среднее геометрическое значение

3.
Среднее квадратическое отклонение

где

   

и так далее.

4. Доверительная вероятность α характеризует надежность получения результата и задается в зависимости от требований к точности измерений в каждой определенной их области.

Коэффициент Стьюдента t _{a n} выбирается по нижеприведенной табл. 3.1 в зависимости от числа измерений n и доверительной вероятности a.

 

Таблица 3.1

Значения коэффициента Стьюдента t _a

 

n α	2	4	6	8	10	15
0,70	2,0	1,3	1,2	1,1	1,1	1,1
0,95	12,7	3,2	2,6	2,4	2,3	2,1

 

4. Погрешность результата измерений:

 

- абсолютная

- относительная (в %)

Результат измерений записывается следующим образом:

а) результат измерений составил x _ср + Δ x, или

б) результат измерений составил х _ср и получен с погрешностью   e _x %.

Полученные результаты измерения какого-либо параметра можно также характеризовать гистограммой, которая наглядно будет отражать качество измерений. Для построения гистограммы необходимо значения х _i записать в порядке их возрастания. Затем определив вариационный размах                                  Δ R    как 

                                  Δ R = х_{- max} - х _{min ,}

разбить весь интервал изменения х _i, то есть                                  Δ R  , на несколько интервалов. Количество интервалов k определяется по одной из рекомендаций

5 < k < 25,

k £ 5 lg n.

Шаг интервалов вычисляется по формуле

                             h = Δ R/ k

После этого определяется количество измерений n_k, попавших в каждый интервал, а также относительная частота попадания результатов в каждый интервал как отношение n_k / n. Строится график, на котором по горизонтальной оси откладываются интервалы (см. рис. 3.1), а по вертикальной значения n_k / n. Полученная кривая является гистограммой, характеризующей разброс результатов измерений.

Рис. 3.1. Гистограмма результатов измерений

 

   Более точным измерениям соответствует кривая 2 по сравнению с кривой 1.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Пользуясь измерительным инструментом по указанию преподавателя, измерить длину каждого из 12 отрезков, которые изображены ниже. Данные измерений записываются как ряд результатов х_1; х_2... х_{n .}

 

2. Рассчитать параметры, которые характеризуют полученные результаты измерений, то есть: среднее арифметическое, среднее геометрическое, среднее квадратическое отклонение и погрешность результатов измерений.

3. Записать результат измерений.

4. Используя результаты измерений 2-3 других студентов, то есть, оперируя 24-36 результатами, построить гистограмму результатов измерений.

 

Пример расчета и оформления работы

 

1. При экологическом контроле состояния природного объекта были получены следующие результаты:

 (n=15 - число измерений)

10,5; 10,2; 10,35; 10,6; 10,55; 10,4; 10,45; 10,25; 10,45;10,5; 10,35; 10,4; 10,45; 10,55; 10,35 (см).

1.среднее арифметическое значение

 

2. Вычисление параметров, характеризующих полученные результаты измерений

2.1. среднее геометрическое значение

 

2.2. среднее квадратическое отклонение

                         

                          

                           

                        

                       

 

 

2.3.  Значения коэффициента t_α принимаем для x = 0,95 и n = 15, то есть t_α= 2, 1

 

2.4.   Погрешность результата измерений:

 

-абсолютная    ∆ x = t_α · S_n = 2,1 · 0,11 = 0,23 см

-относительная

 

3.  Результат измерений:

а) длина измеряемого параметра составила  см

б) длина измеряемого параметра составила 10,42 см (с относительной погрешностью 2,2%)

4.    Построение гистограммы:

Ряд результатов измерений (в порядке возрастания):

10,2; 10,25; 10,35; 10,35; 10,35; 10,4; 10,4; 10,45; 10,45; 10,45; 10,5; 10,5; 10,55; 10,55; 10,6

вариационный разброс полученных измерением значений составляет

R = X_max - X_min= 10,6 - 10,2 = 0,4см

Весь интервал изменения x разбиваем на 5 интервалов:

в 1 интервале находятся 2 результата, то есть h_k / n = 2 / 15=0,13; во 2 – 3, то есть h_k / n = 3 / 15= 0,2; в 3 – 2, то есть h_k / n = 2/15=0,13; в 4 – 5, то есть h_k / n = 5 / 15 = 0,33; в 5 – 3, то есть h_k / n = 0,2.

 

 

Гистограмма результатов измерений

 

 

h_k / n

 

     

5/15

 

  4/15

 

3/15

 

2/15                                                                             

                                                                                                           x                                  

                        10,2 10,28 10,36 10,44 10,52 10,6