М - Уфимский государственный нефтяной технический

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
Кафедра прикладной химии и физики
РАСЧЕТ РАССЕЯНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
Учебно-методическое пособие
Уфа 2010
Рассматриваются основные положения методики расчета концентраций
в атмосферном воздухе загрязняющих веществ, содержащихся в выбросах
предприятий.
Учебно-методическое пособие рекомендуется для проведения
практического занятия либо самостоятельного выполнения расчетнографической работы (РГР) по курсу «Экология», «Природа и экология
Башкортостана» студентами всех специальностей АСФ. Может быть
использовано в дипломном проектировании при решении аналогичных задач.
Составители:
Горелов В.С., доц., канд. техн. наук
Буйлова Е.А., доц., канд. хим. наук
Рецензент
Шаймарданов Н.М., доц., канд. техн. наук
© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
Введение
Расчеты рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере являются
важнейшим этапом разработки проекта нормативов предельно допустимых
выбросов (ПДВ). Они позволяют на основе собранных в ходе
инвентаризации (либо проектных) данных получить необходимые ответы на
ряд важных вопросов: определить ожидаемую концентрацию любого из
загрязняющих веществ в любой точке рассматриваемой территории, а при
необходимости и вклад любого из источников в создание приземной
концентрации загрязнений, определить ожидаемую эффективность и
целесообразность природоохранных мероприятий и т.д.
Расчеты рассеяния базируются на методике Госкомгидромета ОНД–86
[1]. Учитывая сложность и многофакторность процессов, протекающих в
атмосфере, значительное количество и разнообразие источников выбросов, а
соответственно, и большие объемы требуемых математических расчетов, на
основе методики разработаны и утверждены Госкомгидрометом ряд
унифицированных программ расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА).
В настоящей работе в учебных целях и для большей наглядности
предлагается выполнить расчеты рассеяния для простейшего случая –
одиночного точечного источника, не требующего применения специальных
программ и компьютерной техники.
1 Расчет рассеяния загрязняющих веществ, выброшенных в
атмосферу организованным точечным источником
Способ расчета основан на законах турбулентной диффузии,
учитывающих состояние атмосферы, расположение предприятия, характер
местности, физические свойства выбросов, параметры источников выбросов
и т.д. Согласно указаниям ОНД–86 [1], для случая загрязнения атмосферы
выбросами одиночного точечного источника расчет выполняется в
соответствии с алгоритмами, приведенных в следующих зависимостях.
1.1 Максимальное значение приземной (в двухметровом слое над
поверхностью земли) концентрации вредного вещества Сmax (мг/м3) при
выбросе газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем
достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на
расстоянии Хmax (м) от источника и определяется по формуле:
𝐴∙𝑀∙𝐹∙𝑚∙𝑛∙𝜂
(1),
𝐶м =
3
2
𝐻 ∙ √𝑉1 ∙ ∆𝑇
где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации
атмосферы (таблица 1);
М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу
времени, г/с;
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания
вредных веществ в атмосферном воздухе (пункт 3);
m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной
смеси из устья источника выброса (пункт 5);
H – высота источника выброса над уровнем земли, м;
η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа
местности (в случае ровной или слабопересеченной местности с перападом
высот, не превышающим 50 м на 1 км, η = 1);
V1 – расход газовоздушной смеси, м3/с;
∆T – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной
смеси Tг и температурой окружающего атмосферного воздуха Tв, 0С.
Таблица 1 – Значения коэффициента А, соответствующие
неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация
вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна
Районы и территории РФ
А
0
1
Районы южнее 40 с.ш., Бурятия и Читинская область
250
0
2
На европейской территории РФ: районы южнее 50 с.ш.;
200
остальные районы Нижнего Поволжья. На Азиатской
территории РФ: Дальний Восток; остальная территория
Сибири
3
Европейская территория РФ и Урала от 500до 520 с.ш.
180
0
4
Европейская территория РФ и Урала севернее 52 с.ш.
160
5
Московская,
Ивановская,
Тульская,
Рязанская,
140
Владимирская, Калужская области
1.2 Расход газовоздушной смеси V1 (м3/с) определяется по формуле:
𝜋 ∙ 𝐷2
(2),
𝑉1 =
∙ 𝜔0
4
где D – диаметр устья источника выброса, м;
ω0 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса, м/с.
В случае выброса газовоздушной смеси (ГВС) из источника с
прямоугольным устьем (шахты) в расчетах принимается D = Dэ, где Dэ –
эквивалентный диаметр устья, определяемый по формуле:
2𝐿𝑏
(3),
𝐷э =
𝐿+𝑏
где L – длина устья, м;
b – ширина устья, м.
1.3 Значение безразмерного коэффициента F принимается:
- для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей
(пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически
равна нулю) – 1;
- для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указных выше) выбирается из
условий:
Степень очистки ГВС
F
выше 90 %
2
от 75 до 90 %
2,5
менее 75 % и без очистки
3
1.4 При определении значения ∆T (0С) следует принимать температуру
окружающего атмосферного воздуха Tв (0С), равной средней максимальной
температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНИП
23.01.99 [3], а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной
смеси Tг (0С) – по действующим для данного производства технологическим
нормативам.
При этом, для котельных, работающих по отопительному графику,
допускается при расчетах принимать значения Tв равным средним
температурам наружного воздуха за самый холодный месяц.
1.5 Значения коэффициентов m, n рассчитываются в зависимости от
параметров f, Vм, V 'м, fe:
1000 ∙ 𝜔0 ∙ 𝐷
(4),
𝑓=
𝐻2 ∙ ∆𝑇
3 𝑉 ∙ ∆𝑇
1
𝑉м = 0,65 ∙ √
𝐻
(5),
𝑉м′ = 1,3 ∙ 𝜔0 ∙
𝐷
𝐻
𝑓𝑒 = 800 ∙ (𝑉м′ )3
(6),
(7).
Коэффициент m определяется в зависимости от f по формулам:
1
(8а),
𝑚=
при 𝑓 < 100
3
0,67 + 0,1√𝑓 + 0,34√𝑓
1
(8б).
𝑚= 3
при 𝑓 ≥ 100
√𝑓
Для fe < f < 100 значение коэффициента m вычисляется при f = fe.
Коэффициент n при f < 100 определяется в зависимости от Vм по
формулам:
n = 1 при Vм ≥ 2
(9а),
2
n = 0,532 Vм – 2,13 Vм + 3,13 при 0,5 ≤ Vм ≤ 2
(9б),
n = 4,4 Vм при Vм < 0,5
(9в).
При f ≥ 100 или ∆T ≈ 0 коэффициент n вычисляется по пункту 1.6
1.6 Для f ≥ 100 (или ∆T ≈ 0) и Vм' ≥ 0,5 (холодные выбросы) при расчете
См вместо формулы (1) используется формула:
𝐴∙𝑀∙𝐹∙𝑛∙𝜂
(10),
См =
𝐾
4
𝐻3
где
𝐷
1
(11),
𝐾=
=
8𝑉1
7,1√𝜔0 𝑉1
причем n определяется по формулам (9а – 9в) при Vм = Vм'.
Аналогично при f < 100 и Vм < 0,5 или f ≥ 100 и Vм' < 0,5 (случаи
предельно малых опасных скоростей ветра) расчет СM вместо формулы (1)
производится по формуле:
𝐴 ∙ 𝑀 ∙ 𝐹 ∙ 𝑚′ ∙ 𝜂
(12),
𝐶м =
7
3
𝐻
где
m' = 2,86·m при f < 100, Vм < 0,5
(12а),
'
'
m = 0,9 при f ≥ 100, Vм < 0,5
(12б).
1.7 Расстояние Хм (м) от источника выбросов, на котором приземная
концентрация С (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях
достигает максимального значения СM, определяется по формуле:
5−𝐹
(13),
𝜒м =
𝑑𝐻
4
где безразмерный коэффициент d при f < 100 находится по формулам:
3
(14а),
(14б),
(14в).
𝑑 = 2,48 (1 + 0,28 ∙ √𝑓𝑒 ) при 𝑉м ≤ 0,5
3
𝑑 = 4,95 ∙ 𝑉м (1 + 0,28 ∙ √𝑓 ) при 0,5 < 𝑉м ≤ 2
3
𝑑 = 7 ∙ √𝑉м (1 + 0,28 ∙ √𝑓) при 𝑉м > 2
При f > 100 или ∆T ≈ 0 значения d находится по формулам:
d = 5,7 при Vм' ≤ 0,5
(15а),
'
'
d = 11,4·Vм при 0,5 < Vм ≤ 2
(15б),
𝑑 = 16 ∙ √𝑉м′ при 𝑉м′ > 2
(15в).
2 Пример расчета концентраций загрязняющих веществ в атмосферном
воздухе в районе источников их выбросов при неблагоприятных
метеорологических условиях
Требуется
рассчитать
значения
максимальных
приземных
концентраций загрязняющих веществ от выбросов котельной (См) и
определить расстояния при которых они достигают своего максимального
значения.
Общая характеристика ситуации:
Источники выбросов загрязняющих веществ – котлоагрегаты
котельной установки, работающей по отопительному графику; золоочистка
отсутствует. Месторасположение котельной - Новосибирская область;
местность ровная, открытая.
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Характеристики, обозначение, расчет
Исходные данные к расчету
Число дымовых труб, N
Высота дымовых труб, H
Диаметр устья трубы, D
Скорость выхода газовоздушной смеси, ω0
Температура газовоздушной смеси, Tг
Температура окружающего воздуха, Tв
Выброс двуокиси серы, МSO2
Выброс золы, Мт
Выброс окислов азота (в пересчете на
двуокись азота), МNO2
Коэффициенты в формуле (1): А
η
Максимальные
разовые
предельно
допустимые концентрации (ПДК)
двуокиси серы
золы
двуокислы азота
Единица
Значение
шт.
м
м
м/с
0
С
0
С
г/с
г/с
г/с
1
35
1,4
7
125
25
12
2,6
0,2
-
200
1
мг/м3
мг/м3
мг/м3
0,5
0,5
0,085
12
13
14
15
Расчет аэродинамических характеристик выбросов
Объем газовоздушной смеси (2):
м3/с
𝜋 ∙ 1,42
𝑉1 =
∙7
4
0
Перегрев газовоздушной смеси, ∆T
С
∆T = Tг - Tв = 125 – 25
Параметр f (4):
2
7 ∙ 1,4
𝑓 = 1000 2
35 ∙ 100
Параметр Vм (5):
10,8
100
0,56
м/с
2,04
-
0,36
3 10,8 ∙ 100
𝑉м = 0,65 √
35
16
Параметр V 'м (6):
𝑉м′ =
17
18
19
20
21
22
23
1,3 ∙ 7 ∙ 1,4
35
Параметр fe (7):
3
fe = 800 (0,36)
Параметр m (8а)
Параметр n (9а)
Параметр d (14в):
3
𝑑 = 7 ∙ √2,04 ∙ (1 + 0,28√0,56)
Расчет концентрации двуокиси серы
Максимальная концентрация СSO2 (1):
мг/м3
200 ∙ 12 ∙ 1 ∙ 0,98 ∙ 1 ∙ 1
𝑆𝑂
𝐶м 2 =
352 ∙ 3√10,8 ∙ 100
Расстояние χмSO2 (13):
м
5
−
1
𝑆𝑂
𝜒м 2 =
∙ 12,3 ∙ 35
4
37,32
0,98
1
12,3
0,19
430
Расчет концентрации окислов азота
производится аналогично
СмNO2
СмSO2
Расчет
расчету
Концентрации СмNO2 и СмSO2 связаны
соотношением:
𝑀𝑁𝑂2
𝑁𝑂2
𝑆𝑂2
𝑆𝑂
𝐶м = 𝐶м ∙ 𝑆𝑂 = 0,017 ∙ 𝐶м 2
𝑀 2
𝑁𝑂2
𝑋м
=
5−1
∙ 12,3 ∙ 35
4
мг/м3
0,0032
м
430
24
25
Расчет концентрации золы (твердые частицы)
Золоочистка отсутствует.
Коэффициент F (пункт 3)
Максимальная концентрация золы (1) или
по соотношению:
тв
0,19 ∙ 2,6 ∙ 3
мг/м3
𝑆𝑂2 𝑀
тв
𝐶м = 𝐶м ∙ 𝑆𝑂 ∙ 𝐹 =
𝑀 2
12
тв
Расстояние χм (13):
м
5−3
𝜒мтв =
∙ 12,3 ∙ 35
4
3
0,12
215
Библиографический список:
1 ОНД–86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе
вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1987.
2 Квашин И.М. Промышленные выбросы в атмосферу. Инженерные
расчеты и инвентаризация. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005 – 392 с.
3 СНиП 23-01-99. Строительная климатология. – М.: Госстрой России,
2000.