Веществ от одиночного точечного источника

После выхода из устья источника загрязняющие вещества начинают рассеиваться в атмосфере. Часть веществ перемещается вверх, часть – горизонтально, часть направляется в нижние воздушные слои. На характер рассеивания оказывают влияние состояние атмосферы, расположение предприятий, особенности местности, свойства выбросов, высоты трубы, скорость ветра и другие факторы.

Рассеивание выбросов – процесс отвода вредных промышленных и вентиляционных газов и пыли через высокие дымовые трубы в верхние слои атмосферы с целью их разбавления в воздушном бассейне и ослабления отрицательного воздействия на окружающую среду. Высота дымовых труб на современных крупных предприятиях с опасными выбросами иногда достигает несколько сот метров.

Механизм рассеивания вредных веществ в атмосфере сложный характер и зависит как от состояния атмосферы, так и от свойств выбрасываемых веществ. Значительное влияние на этот процесс оказывает форма струи или дымового факела, выходящего из устья трубы.

Различают три степени вертикальной устойчивости атмосферы: инверсия, изотермия, конвекция.

Инверсия – это повышение температуры воздуха по мере увеличения высоты. Толщина приземных инверсий составляет десятки и сотни метров. Инверсионный слой является задерживающим слоем в атмосфере. Он препятствует развитию вертикальных движений воздуха, вследствие чего под ним накапливается водяной пар, пыль. Это способствует образованию слоев пыли, тумана. Инверсия препятствует рассеиванию по высоте и создает условия для сохранения и распространения высоких концентраций вредных веществ.

Изотермия характеризуется стабильным равновесием воздуха. Она наиболее типична для пасмурной погоды, а также возникает в утренние и вечерние часы. Изотермия так же, как и инверсия, способствует длительному застою вредных веществ на местности, в лесу, в жилых кварталах городов и населенных пунктов.

Конвекция – это вертикальные перемещения воздуха с одних высот на другие. Теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз. При конвекции восходящие токи воздуха рассеивают загрязняющие вещества. Такие явления бывают обычно в летние ясные дни.

Формы струй дыма, выбрасываемых незатененным точечным источником при различных условиях вертикальной стабильности атмосферы, показаны на рис. 2:

а) волнообразная – образуется при нормальном, вертикальном градиенте температуры и неустойчивом состоянии атмосферы (слабый ветер); б) конусообразная – при слабом вертикальном градиенте, образование такой струи возможно при влажной погоде в дневное или ночное время (при облачной и ветреной погоде); в) веерообразная – образуется в том случае, когда наблюдается температурная инверсия и отсутствует вертикальное перемешивание воздушных масс; г) приподнятая веерообразная струя – если инверсионный слой размещается ниже устья трубы, то имеет место распространения струи на большие расстояния без снижения к земле и хорошее рассеивание вредных веществ, наиболее благоприятна для рассеивания выбросов (чаще ночью); д) задымляющая – наиболее неблагоприятная в санитарно - гигиеническом смысле, инверсионный слой размещается над устьем трубы и препятствует подъему загрязняющих веществ, и они, опускаясь вниз, интенсивно загрязняют приземное пространство (чаще зимой; падение температуры начинается у самой земли).

Выброс вредных веществ в атмосферу должен производиться таким образом, чтобы загрязнение воздушной среды в приземном слое не превышало величины ПДК. В этом случае необходимую высоту дымовых труб рассчитывают из условия рассеивания вредных веществ  в атмосфере.

 

Рис.2. Формы струй дыма, выбрасываемых одиночным источником при различных условиях вертикальной стабильности атмосферы

 

На практике приходится решать две основные задачи: 1) определение высоты трубы при известном количестве выбрасываемых в атмосферу вредных веществ; 2) определение максимальной приземной концентрации вредного вещества при известном его количестве.

Наиболее опасна задымляющая струя, когда вредные вещества стремятся к земле вдоль всей струи.

По мере удаления от источника выброса концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, постепенно уменьшается, что говорит о наличии трех зон загрязнения атмосферы (рис.3):

1 - зона переброса факела выброса, характеризующаяся невысокой концентрацией вредных веществ в приземном слое;

2 - зона задымления, т.е. зона максимального соединения вредных веществ;

3 - зона постепенного снижения концентраций вредных веществ.

Рис.3. Профиль концентрации вредных веществ в приземном слое С и соответствующие ей зоны загрязнений: а, в и с

 

По ОНД-86 [6] рассчитываются концентрации вредных веществ при «неблагоприятных» метеоусловиях. Реальные концентрации вредных веществ в течение года будут значительно ниже расчетных как за счет принятия в расчете жестких метеоусловий, так и за счет учета «фона» и допущения о максимальной производственной нагрузке предприятия.

Основной расчетной величиной является максимальнаяприземная концентрациявредного вещества С_м [мг/м³].

Под действием ветра факел относится в сторону от трубы и, опускаясь вниз, достигает земли на расстоянии Х_нач. На расстоянии Х_кон оканчивается зона загрязнения приземного слоя.

 При этом максимальное загрязнение С_м наблюдается на оси факела. Ее величину при выбросе нагретой газопылевоздушной смеси из точечного источника с круглым устьем на расстоянии Х_м [м] от источника определяют по формуле [6]:

 

   Cм = ,                                                 (12)

 

где А – коэффициент, учитывающий вероятность возникновения «неблагоприятных» метеоусловий в различных регионах страны [с^2/3 ∙ мг ∙ град^1/3 /г] (для Нижнего Поволжья, Сибири, Дальнего Востока А = 200; для севера и северо-запада Европейской территории России, среднего Поволжья и Урала А = 160; для центральной части европейской территории А = 140); М – мощность выброса (количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени) [г/с]. Принимается в соответствии с действующими для данного производства  нормативами, определяется расчетом или с помощью анализа. Если известна концентрация вещества С₀ [мг/м³] в выбрасываемой из устья источника газопылевоздушной смеси, то величина М определяется по формуле

 

                         М = С₀ ∙  V₁ ∙ 10^-3,                                     (13)

 

где F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе (для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п.), скорость оседания которых не превышает 0, 05м/с, принимается F = 1; для остальных аэрозолей, выбрасываемых с предварительной очисткой или без нее, коэффициент F принимается следующим:

- при эффективности очистки > 90%   F = 2;

- при эффективности очистки 75 – 90%  F = 2,5;

- при эффективности очистки < 75% (или при отсутствии очистки) F =3); m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газопылевоздушной смеси из устья источника выброса; η – безразмерный коэффициент, учитывающий рельеф местности (для равнинной местности η = 1); ∆Т – разность между температурой выбрасываемой газопылевоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_а [ºС]; последняя принимается как средняя максимальная температура наружного воздуха в 13 часов наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01 – 82 «Строительная климатология и геофизика» [7]; V₁ - расход газопылевоздушной смеси из устья источника, м³/с.

 

                     V₁ =  ∙ w_о,                                       (14)

 

где D – диаметр устья источника выброса (диаметр верхней части трубы), м; w_о  – средняя скорость выхода газопылевоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.

Величина коэффициента m определяется по формуле:

   m =   ,                              (15)

где              = 10³ ∙  ,                                                    (16)

 

Величина коэффициента n определяется по формулам (18)-(20), в зависимости от значения параметра V_м, вычисляем по формуле:

 

                  V_м  = 0,65 ∙  ,                                (17)

 

При  V_м ≤ 5                n = 4,4∙V_м                                                     (18)

При     0,5 < V_м ≤ 2  n = 0,532 ∙ V_м² – 2,13 ∙ V_м + 3,13                  (19)

При  V_м > 2          n = 1                                                            (20)

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ С_м  достигает на оси факела выброса (по направлению среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии Х_м [м] от источника выброса:

                  Х_м = ∙ d ∙ H,                                              (21)

где d – безразмерная величина, определяется по формулам:

при        0,5  < V_м ≤ 2 d = 4,95 ∙ V_м ∙ (1 + 0.28 ∙                       (22)

при        V_м  > 2           d = 7 ∙ √V_м∙ (1 + 0.28 ∙ )                         (23)

После расчета максимальной приземной концентрации загрязнений С_м в точке, расположенной на расстоянии Х_м от источника, можно определить приземные концентрации вредных веществ в любой точке в направлении факела выброса.

Для расчетов концентраций С на различных расстояниях Х по оси факела выброса используется формула:

                                 С=S₁∙C_м                                                  (24)

где S₁ - безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения Х/Х_м:

при       S₁ = 3∙  ,           (25)

 

при 1<     S₁ =  ,                                        (26)

 

при           S₁ =  ,              (27)

 

С наветренной стороны источника выброса (Х < 0) значения концентраций вредных веществ принимаются равными нулю.

Значение приземной концентрации С_у вредного вещества на расстоянии у по перпендикуляру к оси факела выброса (рис.4)

определяется по формуле:

                   С_у = S₂ ∙ C = S₂ ∙ S₁ ∙ C_м,                                 (28)

где S₂ – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра U [м/с] и аргумента t_у:

              t_у =  , при U ≤ 5;

              t_у =   , при U > 5;

                               

S₂ =                            (29)

 

Рис. 4. К расчету приземной концентрации вредного вещества

на расстоянии у по перпендикуляру к оси факела выброса

на заданном расстоянии х

Расчет высоты дымовой трубы

               

Если полученная величина С_м > ПДК, то необходимо провести расчет по определению высоты дымовой трубы или повысить эффективность очистки.

Если приравнять С_м = (ПДК_м.р – С_ф), из формулы (12) можно найти минимальную высоту трубы Н_min, при которой обеспечивается нормативное качество воздуха в приземном слое:

 

           Н_min =                               (30)

Задание 2

 

1. Рассчитать максимальную приземную концентрацию С_м вредного вещества, выделяющегося из точечного источника и величины приземных концентраций С этого вещества на различных расстояниях Х от источника по оси факела выброса в преобладающем направлении ветра (принять Х = 100, 200, 400, 600, 800, 1000 и 2000м). Местность равнинная (η = 1).

Построить график изменения концентрации С вредного вещества в зависимости от расстояния Х. Определить расстояние от источника выброса на котором достигается снижение концентрации вредного вещества до ПДК и сравнить это расстояние с величиной СЗЗ, установленной для данного производства согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 (с изменениями).

3. Рассчитать приземную концентрацию С_у в точке, находящейся на расстоянии у = 10 - 50 м (по заданию преподавателя) от точки Х по перпендикуляру к оси факела выброса

4. По имеющимся исходным данным рассчитать ПДВ.

5. По имеющимся исходным данным рассчитать Н _min.

При выполнении заданий 5 и 6 значения фоновых концентраций С_ф принять самостоятельно в пределах от 10 – 75% от ПДК_м.р.

Исходные данные по вариантам в приложении 5.

Пример

Исходные данные:

Загрязняющее вещество – сернистый ангидрид => F = 1; V₁ = 90000м³/ч = 25м³/с; С⁰  = 2000мг/м³; Н = 90 м; D = 1,м; ∆Т = 80 ºС; город Хабаровск => коэффициент А = 200 с⅔ ∙ мг ∙ град⅓ /г; ПДК _м.р = 0,5 мг/м³; U = 9 м/с.

 

Решение

1. М =2000 ∙ 25 ∙ 10ˉ³ = 50 (г/с).

2. Из формулы (14) находим w_o:

3. w_о =

4. f = 10³ ∙

5. m =

6. V_м = 0,65∙

7. По формуле (19) находим коэффициент n:

 

  n = 0,532 ∙ (1,8)² – 2,13 ∙ 1,8 + 3,13 = 1,02 ≈ 1

8.  С_м =  = 0, 098 (мг/м³)

9. d = 4,95 ∙ 1,8 ∙ (1 + 0,28 ) = 11

10.  Х_м =

11.  Для  Х = 100 м:

По формуле (25):

S_{1 (100)} = 3 ∙ (0,1)⁴ – 8 ∙ (0,1)³ + 6 ∙ (0,1)² = 0,052

С₁₀₀ = 0,052 ∙ 0,098 = 0,005 (мг/м³)

12. Для       Х = 200 м:

 

S_{1 (200)}  = 3 ∙ (0,2)⁴ – 8 ∙ (0,2)³ + 6 ∙ (0,2)² = 0,18 (мг/м³)

 С₂₀₀ = 0,18 ∙ 0,098 = 0,018

13. Аналогично S _{1 (400)}  = 0,52  С₄₀₀ = 0,05 (мг/м³)

S _{1 (600)} = 0,82  С₆₀₀ = 0,08 (мг/м³)

S _{1 (800)} = 0,97  С₈₀₀  = 0,095 (мг/м³)

14. Для Х = 1000 м и Х = 2000 м значения величины S₁ находим по формуле (26)

S _{1 (1000)} = 0,998  С₁₀₀₀ = 0,097 (мг/м³)

S _{1 (2000)} = 0,072   С₂₀₀₀ = 0,072 (мг/м³)

15. По полученным расчетным данным строим график зависимости концентрации вещества С от расстояния Х.

16. t_у  =  = 0,204

17. S₂ =  = 0,13

 

18. С_у = 0,13 ∙ 1 ∙ 0,098 = 0,25 (мг/м³)

 

19. Принимаем С_ф = 0,5 ∙ ПДК_м.р = 0,5 ∙ 0,5 = 0,25 (мг/м³)

 

20. ПДВ =  = 126,9 (г/с)

 

21. Н_min =  = 56,5 (м)

 

 

Вывод.

 

  Контрольные вопросы к разделу 2

1. Классификация источников выбросов.

2. Что такое аэрозоли, определение.

3. Отличие организованного промышленного выброса от неорганизованного.

4. Подразделение точечных источников.

5. Классификация выбросов в атмосферу.

6. Дать определение ПДВ.

7. Что являются основными критериями качества атмосферного воздуха при установлении ПДВ для источников загрязнения атмосферы?

8. Для чего устанавливают значения фоновых концентраций вредных веществ в воздухе.

9. Дать определение рассеивания выбросов.

10. Какие параметры влияют на характер рассеивания вредных веществ?

11. Перечислить формы струй дыма.

12. Объяснить схему распространения загрязнений в приземном слое атмосферы.    

13. Перечислить возможные зоны загрязнения атмосферы.

14. Перечислить степени вертикальной устойчивости атмосферы.