РАСЧЁТ РАССЕИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ВЫБРОСОВ

После выхода из источника выбросов, загрязняющие вещества не остаются в атмосфере в неизменном виде. Прежде всего, происходят физичес­кие изменения, особенно в процессе перемещения в пространстве, турбулентной диффузии, разбавления и т.д. Кроме того, загрязняющие вещества способны вступать в химическое взаимодействие с другими компо­нентами атмосферного воздуха, изменяя 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. Рассеивание является одним из путей достижения установ­ленных нормативов качества воздуха в приемном слое атмосферы в районе расположения предприятия. Струя газа, выходя из дымовой трубы, разбавляется незагрязнен­ным воздухом. Поэтому имеет место снижение концентрации вред­ных компонентов дымовых газов, составляющее суть явления рассеи­вания.

В общем случае степень разбавления выбросов находится в прямой зависимости от расстояния, которое прошел этот выброс до данной точки. Вредные вещества, содержащиеся в выбросе, распространяют­ся по направлению ветра в пределах сектора, ограниченного довольно малым углом раскрытия факела 10-20° вблизи выхода из трубы. 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 пропорционально 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. У основания трубы и далее вплоть до приземления дымового факела концентрация вредных компонентов равна нулю (см. рис. 4.1), – это так называемая зона неорганизованного загрязнения. Затем она быстро растет до максимальной величины. После чего по мере отдаления от трубы медленно убывает за счет дальнейшего раз­бавления выбросов незагрязненным воздухом.

Рисунок 4.1. Изменение приземных концентраций вредных веществ.

Вредные вещества, выбрасываемые с дымовыми газами промышленных предприятий, переносятся и рассеиваются в атмосфе­ре 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 относят скорость ветра, тем­пературную стратификацию (распределение температур окружающего воздуха в вертикальном направлении вблизи дымовой трубы), темпе­ратуру окружающего воздуха.

Каждому источнику выбросов в зависимости от высоты его, объе­ма и температуры газов соответствует своя, так называемая опасная скорость ветра u_м, когда имеет место наибольшая приземная концентрация вредных веществ с_м. Сущность понятия опасной скорости ветра для источника выражается в следующем: при штиле или малых скоростях ветра 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 факел и достигает земли, величины приземных концент­раций невелики. Таким образом, между штилем и высокой скорос­тью ветра есть такая опасная скорость u_м, при которой дымовой факел, прижимаясь к земле, на определенном расстоянии создает наибольшую величину приземной концентрации с_м.

Сравнение опасных скоростей ветра с характеристикой ветров по данным климатических наблюдений позволяет определить фактичес­кое влияние промышленного предприятия на загрязнение воздуха в городе или поселке.

Сильное влияние на уровень приземной концентрации вредных веществ оказывает температурная стратификация атмосферы, т.е. характер вертикального распределения температур. Температурная стратификация определяется способностью поверхности Земли по­глощать или излучать тепло. При обычном состоянии атмосферы в дневное время земная поверхность нагревается и за счет конвектив­ного теплообмена нагревает приземной слой воздуха. В этих услови­ях по мере подъема вверх температура падает. Ночью при ясной погоде поверхность Земли отдает в окружающее пространство (подобно любому нагретому предмету) большое количество лучисто­го тепла. При этом земная поверхность, охлаждаясь сама, охлаждает приземный слой воздуха, который остывает быстрее верхних слоев. В результате происходит инверсия (поворот) распределения температур в воздушной оболочке Земли - температура воздуха с высотой повышается.

С одной стороны снижение температуры с высотой способствует всплыванию дымовых газов, а с другой стороны, восходя­щие потоки более теплого воздуха интенсифицируют перемешивание дымовых газов с атмосферным воздухом. В инверсионных условиях ослабляются всплывание дымовых газов и турбулентный обмен, что ведет, в конечном итоге, к ухудшению рассеивания выбросов и накоп­лению вредных веществ в приземном слое.

Опасная скорость ветра в сочетании с неустойчивой стратифика­цией и интенсивным переносом примесей сверху вниз образует сово­купность неблагоприятных метеорологических условий, при которых наблюдается максимальное значение приземной концентрации вредных веществ с_м.

На характер перемещения и рассеивания в атмосфере вредных веществ, выбрасываемых с дымовыми газами, влияет также температура окружающего атмосферного воздуха. Чем выше последняя, тем в меньшей степени проявляется эффект всплывания дымовых газов. Поэтому расчеты приземных концентраций обя­зательно проводят при средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца года, используя данные климатических наблюдений в районе предприятия.

При расчётах рассеивания вредных веществ в атмосфере, используется методика [3].

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества с_м (мг/м³) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии x_м (м) от источника и определяется по формуле

                                       (4.1)

где  А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М (г/с) – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени.

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; т и n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; H (м) – высота источника выброса над уровнем земли (для наземных источников при расчетах принимается Н = 2 м); h – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, h = 1; DТ (°С) – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в; V₁ (м³/с) – расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле

                                           (4.2)

где  D (м) - диаметр устья источника выброса; w₀ (м/с) - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса в расчётных условиях.

Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным: ) 200 - для Европейской части территории СНГ: для районов РФ южнее 50° с.ш., для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии; для Азиатской территории СНГ: для Казахстана, Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии;

Для города Енисейска А=200.

При определении значения DТ (°С) следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха Т_в (°С), равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по [10], а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Т_г (°С) – по действующим для данного производства технологическим нормативам (см. задание).

Для города Енисейска Т_в =24,4°С, а Т_г =62°С по заданию.

Значение безразмерного коэффициента F принимается:

а) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т. п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) = 1;

б) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п. 4.5а) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90 %, = 2; от 75 до 90 %, = 2,5; менее 75 % и при отсутствии очистки, = 3.

Следовательно для древесной пыли F=3, а для толуола и бутилацитата F=1.

 Значения коэффициентов m и n определяются в зависимости от параметров f, v_м,  и f_e.

                                       (4.3)

                                     (4.4)

                             (4.5)

                                                          (4.6)   

Коэффициент m определяется в зависимости от f по формуле

         (4.7)

f =5,186< 100,

Коэффициент n при f < 100 определяется в зависимости от v_м по формуле

f =5,186< 100;

           (4.8)

.

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества с_м (мг/м³) при выбросе пыли древесной определяется по формуле (4.1):

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества с_м (мг/м³) при выбросе бутилацетата определяется по формуле (4.1):

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества с_м (мг/м³) при выбросе толуола определяется по формуле (4.1):

Расстояние x_м (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения с_м, определяется по формуле:

                                  (4.9)

где безразмерный коэффициент d при f < 100 находится по формулам

       (4.10)

f =5,186< 100;

Расстояние x_м (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения с_м

- для пыли древесной:

- для толуола и для бутилацетата:

Значение опасной скорости u_м (м/с) на уровне флюгера (10 м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ с_м, в случае f < 100 определяется по формуле:

                            (4.11)

При опасной скорости ветра u_м приземная концентрация вредных веществ с (мг/м³) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х (м) от источника выброса определяется по формуле

с = s₁ c_м,                                     (4.12)

где  s₁ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения x/x_м и коэффициента F по формулам

                 (4.13а)

                                     (4.13б)

                 (4.14а)

Аналогично определяется значение концентрации вредных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоростей ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях. По формулам (4.18), (4.20) определяются значения величин c_ми,. и x_ми. В зависимости от отношения х/х_ми определяется значение s₁ по формулам (4.13), (4.14). Искомое значение концентрации вредного вещества определяется путем умножения c_ми на s₁.

Найдём при опасной скорости ветра u_м приземную концентрация вредных веществ с (мг/м³) в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии х=100(м) от источника выброса по формуле (4.12), для пыли древесной:

х=100 м; х_м=84,69 м; х/ х_м=100/84,69=1,18>1;

s₁ найдём по формуле (4.13б)

C=0,957 8,926=8,54мг/м³.

Остальные расчёты производим аналогично и записываем в таблицу 4.1.

 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ В РАЙОНЕ ИСТОЧНИКОВ ИХ ВЫБРОСА ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Деревообрабатывающий цех (ровная открытая местность, г.Барабинск). 

 Таблица 4.1

№ п/п	Характеристики, обозначения, расчет	Единица	Значение
1	Число дымовых труб, N	шт.	1
2	Высота дымовых труб, H	м	18
3	Диаметр устья трубы, D	м	0,7
4	Скорость выхода газовоздушной смеси, w0	м/с	9,5
5	Температура газовоздушной смеси, Тг	°С	62
6	Температура окружающего воздуха, Тв	°С	24,4
7	Выброс пыли древесной,	г/с
8	Выброс толуола, М	г/с
9	Выброс бутилацетата	г/с
10	Коэффициенты в формуле 4.1
	А	-	200
	h	-	1
11	Максимальные разовые предельно допустимые концентрации (ПДК):
	Пыли древесной	мг/м3	0,15
	толуола	мг/м3	0,6
	бутилацетата	мг/м3	0,1
12	Объем газовоздушной смеси (по формуле (4.2)):
		м3/с	3,654
13	Перегрев газовоздушной смеси, DТ:
	DТ = Тг - Тв =62– 24,4	°С	37,6
14	Параметр f (по формуле (4.3)):
		-	5,186
15	Параметр vм (по формуле (4.4)):
		м/с	1,28  vм < 2
16	Параметр  (по формуле (4.5)):
		-	0,48
17	Параметр fc (по формуле(4.6)):
		-	88,4736;  fc > 100
18	Параметр m (по формуле (4.7)):	-	0,673
19	Параметр n (по формуле (4.8)):	-	1,085
20	Опасная скорость ветра им (по формуле (4.11), ):
		м/с	1,28
21	Параметр d (по формуле (4.10), ):
		-	9,41
Расчет концентрации пыли древесной
22	Максимальная концентрация пыли древесной (по формуле (4.1)):
		мг/м3	8,926
23	Расстояние  (по формуле (4.9)):
		м	84,69
24	Коэффициент s1 для расстояния х (по формулам  (4.13б), (4.14б)):
	х = 50 м, х/хм = 0,59 (ф. (4.13а))	-	0,809
	х = 100 м, х/хм = 1,181 (ф. (4.13б))	-	0,956
	х = 200 м, х/хм = 2,362(ф. (4.13б))	-	0,655
	х = 400 м, х/хм = 4,724(ф. (4.13б)) х = 600 м, х/хм = 7,086(ф. (4.13б))	- -	0,29 0,15
	х = 800 м, х/хм 9,448(ф. (4.14а)) х = 1000 м, х/хм =11,81 (ф. (4.14а))	- -	0,069 0,039
25	Концентрация  на расстоянии х по формуле (4.12)
	х = 50 м, с =  0,809·8,926 х = 100 м, с =  0,956·8,926	мг/м3 мг/м3	7,22 8,533
	х = 200 м, с = 0,655∙8,926	мг/м3	5,846
	х = 400 м, с = 0,29· 8,926	мг/м3	2,59
	х = 600 м, с = 0,15·8,926	мг/м3	1,34
	х = 800 м, с = 0,069·8,926 х = 1000 м, с = 0,039·8,926	мг/м3 мг/м3	0,616 0,348
Расчет концентрации бутилацетат
	Расчет  бутилацетат производится аналогично расчету древесной пыли.
26
27	Расстояние  (по формуле (4.9)): Коэффициент s1 для расстояния х (по формулам  (4.13б), (4.14б)): х = 100 м, х/хм = 0,59 (ф. (4.13а)) х = 200 м, х/хм = 1,18(ф. (4.13б)) х = 400 м, х/хм = 2,36(ф. (4.13б)) х = 600 м, х/хм = 3,54(ф. (4.13б)) х = 800 м, х/хм 4,77(ф. (4.13б)) х = 1000 м, х/хм =5,9 (ф. (4.13б))   Концентрация  на расстоянии х:   х = 100 м, с =  0,809·0,161 х = 200 м, с = 0,956 · 0,161 х = 400 м, с = 0,655 ·0,161 х = 600 м, с = 0,43·0,161 х = 800 м, с = 0,29·0,161 х = 1000м, с = 0,2·0,161	мг/м3   м   - - - - - -     мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3	0,161   169,38   0,809 0,956 0,655 0,43 0,29 0,2      0,13 0,154 0,105 0,069 0,047 0,032
Расчет концентрации толуола
	Расчет  толуола производится аналогично расчету пыли древесной. Концентрации  и  связаны соотношением (см. формулу (4.1)):	мг/м3	0,805
28	Концентрация  на расстоянии х:   х = 100 м, с =  0,809·0,805 х = 200 м, с = 0,956 · 0, 805 х = 400 м, с = 0,655 ·0, 805 х = 600 м, с = 0,43·0, 805 х = 800 м, с = 0,29·0, 805 х = 1000м, с = 0,2·0, 805	мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3	0,651 0,77 0,527 0,346 0,233 0,161

Значение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере с_y (мг/м³) на расстоянии у (м) по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле

с_y = s₂ c ,                                         (4.14)

где  s₂ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра и (м/с) и отношения у/х по значению аргумента t_y:

                            (4.15)

по формуле

                         (4.16)

Определим значение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере с_y (мг/м³) на расстоянии у (м) по перпендикуляру к оси факела выброса по формуле 4.14 , при этом рассчитывая s₂ по формуле 4.16 и занесем результаты в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

На основании полученных значений строим график изменения приземных концентраций вредных веществ.

 Так как выполнение расчётов вручную весьма трудоёмко, необходимо воспользоваться возможностями ЭВМ и специальным программным обеспечением.

Расчет полей концентраций вредных веществ в атмосфере без учета влияния застройки
(в соответствии с ОНД - 86 для точечных источников)  

                           ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ                                  Таблица 4.3

Таблица 4.4

Также следует учесть групповое действие вредных веществ, обладающих эффектом суммации, [1]. Но в данном расчете вредные вещества не обладают эффектом суммации. Результаты расчетов по вредным веществам и карты рассеивания приведены ниже.