Теоретические положения
Развитие промышленности и транспорта обостряет проблему загрязнения атмосферы. В настоящее время загрязнение воздушного бассейна становится глобальной проблемой не только крупных промышленных мегаполисов, но и регионов отдаленных от главных источников загрязнения. Рост фоновых концентраций, перенесение загрязняющих веществ на большие расстояния предопределяет задачу глобальной социально-экологической защиты населения.
Основными источниками антропогенного загрязнения воздуха является энергетика, промышленность и транспорт. Как свидетельствует статистика, приблизительно 80 % всех видов загрязнений выделяется вследствие энергетических процессов – добычи, переработки и использования энергоресурсов. Свыше 85 % мировой потребности в энергии удовлетворяется за счет использования органического топлива – нефти, угля, природного газа, сланцев, торфа, деревьев. Энергетика дает свыше 30 % выбросов вредных веществ, в том числе 46 % – диоксида серы,
59 % – оксидов азота, 35,8 % – пыли, 1,5 % – оксида углерода.
Уровень загрязненности воздуха энергетическими предприятиями зависит от технологических процессов сгорания топлива, видов используемого сырья, степеней и технологий очищения. Основными загрязнителями являются продукты полного (оксиды серы и зола) и неполного (оксиды углерода, сажа и углеводороды) сгорания.
Как показывает практика очистки газовых выбросов, современные методы борьбы с оксидами серы и азота не обеспечивают ПДК по этим веществам при выбросах в атмосферу. Фактические концентрации вредных веществ превосходят предельно допустимые на несколько порядков, поэтому рассеивание вредных газовых выбросов в атмосфере с помощью дымовых и вентиляционных труб производственных цехов является необходимым технологическим приемом. Чем больше высота дымовой трубы, тем лучше происходит рассеивание вредных веществ, и меньшее их количество попадает в жилые районы, расположенные на определенном расстоянии от промышленного предприятия.
Газ на выходе из устья трубы обладает определенной температурой и скоростью движения. Если температура газа будет выше температуры окружающего воздуха, то вследствие разности плотностей воздуха и газа образуется подъемная сила, под действием которой струя газа поднимается над устьем трубы на определенную высоту. Выходящий из трубы газ подвергается, кроме того, действию ветра. Если скорость ветра будет меньше скорости газа в устье трубы, он поднимается на высоту, которая будет тем больше, чем больше разность скоростей газа и ветра. Достигнув определенной высоты над устьем трубы, газ теряет скорость и под действием ветра разворачивается в горизонтальном направлении. При этом струя газа в результате диффузии расширяется, концентрация в нем пыли или других вредных веществ уменьшается.
При скорости ветра, большей скорости газа на выходе из трубы, струя газа отклоняется от первоначального направления движения и начинает двигаться параллельно земле на уровне устья дымовой трубы. При низкой дымовой трубе газ и содержащиеся в нем вредные компоненты очень быстро достигают приземного слоя атмосферы и вызывают ее загрязнение. При высокой дымовой трубе загрязненный газ достигает приземного слоя атмосферы на значительном расстоянии от трубы (рис. 1). При этом содержащиеся в нем вредные вещества успевают рассеяться в атмосфере, вследствие чего их концентрация при достижении приземного слоя будет незначительной.
В зависимости от высоты устья источника выброса вредного вещества над уровнем земной поверхности указанный источник относится к одному из следующих четырех классов: а) высокие источники, Н > 50 м; б) источники средней высоты, Н = 10…50 м; в) низкие источники, Н = 2…10 м;
г) наземные источники, Н < 2 м.
На рис. 2 приведена аксонометрическая схема загрязнения воздуха, создаваемого одним источником. Непосредственно под трубой загрязнение воздуха отсутствует, а начиная от точки, в которой дымовой факел при неблагоприятных метеорологических условиях касается земли, приземная концентрация вредных веществ быстро возрастает и на расстоянии, равном 10…40 высотам трубы, достигает максимальной величины. Для средних условий эта величина равна около 20 Н. После точки максимального загрязнения приземная концентрация медленно убывает вдоль ветровой оси. При этом происходит расширение дымового факела. Как видно из схемы, концентрация в любой точке (например, в точке А) зависит от расстояния х, на которое она удалена от трубы, и от смещения у по отношению к ветровой оси.
Степень опасности загрязнения атмосферного воздуха характеризуется наибольшим рассчитанным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным метеорологическим условиям, в том числе опасной скорости ветра.
Расчет рассеивания вредных веществ,
содержащихся в нагретых газах [1]
Величину максимальной приземной концентрации вредных веществ (в мг / м 3) при выбросе нагретых газов из одной трубы при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии х м от трубы определяют по формуле:
, (1)
где А – коэффициент температурной стратификации атмосферы, определяется по табл. 1;
М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г / с;
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, который принимают равным:
H – высота дымовой трубы над уровнем земли, м;
Δ t – разность между температурой выбрасываемого газа t г и температурой окружающего атмосферного воздуха t в, °С:
Δ t = t г – t в. При этом за температуру окружающего воздуха t в принимают среднюю температуру самого жаркого месяца в 13 ч по СНиП "Строительная климатология и геофизика";
m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газа из устья трубы;
η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; в случае равной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, η = 1;
V – объем выбрасываемого газа из трубы, м 3/ с:
, (2)
D – диаметр устья трубы, м;
υ 0– средняя скорость выхода газа из устья трубы, м / с.
Таблица 1
Коэффициент температурной стратификации атмосферы
| Территория | А, с 2/3 мг · град 1/3/ г |
| Субтропическая зона Средней Азии (южнее 40° с. ш.) | |
| Забайкалье (Бурятия и Читинская обл.) | |
| Европейская часть РФ (районы южнее 50° с. ш., остальные районы Нижнего Поволжья, Кавказ, Молдова) | |
| Азиатская часть РФ (Казахстан, Дальний Восток и остальная часть Сибири и Средней Азии) | |
| Украина, для источников высотой менее 200 м в зоне южнее 50°с. ш. | |
| Европейская часть РФ и часть Урала в зоне от 50° до 52° с. ш. (за исключением перечисленных выше районов, попадающих в эту зону) | |
| Украина, для источников высотой менее 200 м в зоне от 50° до 52° с. ш. | |
| Европейская часть РФ (за исключением центра) и часть Урала севернее 52° с. ш. | |
| Украина (за исключением перечисленных выше случаев) | |
| Центр европейской части РФ (Московская, Тульская, Рязанская, Владимирская, Калужская и Ивановская области) |
Величину коэффициента m рассчитывают по формуле:
, (3)
где
. (4)
Величину коэффициента n определяют в зависимости от значения параметра ν м:
. (5)
(6)
Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ при неблагоприятных метеорологических условиях достигается на оси факела выброса (по направлению среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии х м от трубы:
(7)
где d – безразмерная величина, определяемая следующим образом:
(8)
Величина опасной скорости ветра υ оп (м / с) на уровне 10 м от земли, при которой приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения, должна приниматься:
(9)
Расчет рассеивания вредных веществ,
содержащихся в холодных газах [2]
Величину максимальной приземной концентрации вредных веществ С м (мг / м 3), при выбросе из трубы холодных технологических и вентиляционных газов при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии х мот трубы, рассчитывают по формуле
. (10)
В формуле (10) коэффициент А определяют так же, как и в формуле (1); коэффициент п находят по приведенным выше зависимостям; параметр ν м вычисляют по формуле:
. (11)
Величину K определяют по формуле:
. (12)
Опасную скорость ветра υ оп (м / с) при холодных выбросах принимают равной:
(13)
Безразмерный коэффициент d следует принимать равным:
(14)
Полученная по формулам (1) и (11) величина приземной концентрации вредных веществ должна быть меньше или равна величине максимальной разовой предельно допустимой концентрации этих веществ (ПДК) в атмосферном воздухе.
. (15)
Расчет рассеивания вредных веществ по оси факела выброса на различных расстояниях x от источника выброса
При опасной скорости ветра υ оп приземная концентрация вредных веществ Cx в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях x от источника выброса определяется по формуле:
, (16)
где S 1 – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения х / х м и коэффициента F:
(17)
Значение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере Cy на расстоянии y по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле:
, (18)
где S 2 – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра υ оп отношения y / х по значению аргумента ty:
(19)
(20)
Исходные данные
Постоянные величины для всех вариантов:
- район источника выброса: Украина, для источников высотой менее 200 м в зоне южнее 50°с. ш.;
- коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, η = 1;
- загрязненность газа: мелкодисперсные аэрозоли при степени очитки газа ≥ 90%.
Таблица 2
Исходные данные по вариантам
| Вариант | Количество газа, V, м3/с | Диаметр устья трубы, D, м | Высота дымовой трубы, H, м | Температура газа, tг, °C | Температура воздуха, tв, °C | Запыленность газа, q, мг/м3 |
| 30…50 | 2 | 50 | 40 | 25 | 500 | |
| 39 | 1,5…2,5 | 55 | 45 | 26 | 450 | |
| 38 | 1,8 | 50…70 | 50 | 27 | 400 | |
| 37 | 1,7 | 65 | 40…80 | 28 | 350 | |
| 36 | 1,6 | 70 | 60 | 23…33 | 300 | |
| 35 | 1,5 | 75 | 65 | 30 | 200…300 | |
| 35…55 | 1,6 | 80 | 70 | 31 | 200 | |
| 33 | 1,7…2,7 | 85 | 75 | 32 | 150 | |
| 32 | 1,8 | 90…140 | 80 | 33 | 100 | |
| 31 | 1,9 | 95 | 50…90 | 25 | 700 | |
| 30 | 3 | 100 | 90 | 25…35 | 650 | |
| 29 | 3,1 | 105 | 95 | 27 | 300…600 | |
| 28…40 | 3,2 | 110 | 100 | 28 | 550 | |
| 27 | 2,3…3,3 | 115 | 105 | 29 | 500 | |
| 26 | 3,4 | 100…150 | 110 | 30 | 450 | |
| 25 | 3,5 | 125 | 80…115 | 31 | 400 | |
| 24 | 3,6 | 130 | 120 | 28…32 | 350 | |
| 23 | 3,7 | 135 | 125 | 33 | 100…300 | |
| 22…36 | 3,8 | 140 | 130 | 25 | 250 | |
| 21 | 2,2…2,9 | 50 | 135 | 26 | 200 | |
| 20 | 3 | 55…95 | 140 | 27 | 700 | |
| 22 | 2,9 | 60 | 40…90 | 28 | 650 | |
| 24 | 2,8 | 65 | 45 | 24…29 | 600 | |
| 26 | 2,7 | 70 | 50 | 30 | 550…700 | |
| 20…28 | 2,6 | 75 | 55 | 31 | 500 | |
| 30 | 2,5…3,3 | 80 | 60 | 32 | 450 | |
| 32 | 2,4 | 85…120 | 65 | 33 | 400 | |
| 34 | 2,3 | 90 | 50…70 | 25 | 350 | |
| 36 | 2,2 | 95 | 75 | 26…33 | 300 | |
| 38 | 3,1 | 100 | 80 | 27 | 250…550 | |
| 30…40 | 3 | 105 | 85 | 28 | 200 | |
| 42 | 3,1…3,8 | 110 | 90 | 29 | 700 | |
| 44 | 3,2 | 70…115 | 95 | 30 | 650 | |
| 46 | 3,3 | 120 | 50…105 | 31 | 600 | |
| 48 | 3,4 | 125 | 105 | 23…32 | 550 | |
| 50 | 3,5 | 130 | 110 | 33 | 200…500 | |
| 20…52 | 3,6 | 135 | 115 | 31 | 450 | |
| 54 | 2,7….3,7 | 140 | 120 | 32 | 400 | |
| 56 | 3,8 | 90…140 | 125 | 33 | 350 | |
| 58 | 2,3 | 95 | 80…130 | 25 | 300 |
Список рекомендованной литературы
1. Общесоюзный нормативный документ ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 1. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. – 917 с.
3. Ковальчук П.І. Моделювання і прогнозування стану навколишнього середовища: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2003. – 208 с.
4. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. — 2-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2001. — 320 с. — ISBN 5-9221-0120-Х.
5. Богобоящий В.В., Курбанов К.Р., Палій П.Б. та ін. Принципи моделювання та прогнозування в екології: Підручник.- Київ: Центр навчальної літератури, 2004.-216 с.
6. Ковалюк Т. В. Основи програмування. – К.: Видавнича група BHV, 2005. – 384 с.
7. Маpчук Г.И. Математическое моделирование в пpоблеме окpужающей сpеды.-М: Наука.1982,320 с.
8. Кафаpов В.В., Глебов М.Б. Математическое моделиpование.- М: Высшая школа, 1991.- 400 с.
9. Волков Е.А. Численные методы.М. Наука.1982.- 254с.
10. Боглаев Ю.П. Вычислительная математика и программирование. М: Высшая школа, 1990, 544 с.
11. Голицына О.Л., Попов И.И. Основы алгоритмизации и программирования: учеб. пособие. – 3-е изд., испр. и доп. – М: Форум, 2008. – 432 с.
12. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 363 с.
13. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для вузов. – 4-е изд., стер. – М.: Высшая школа, 2005. – 343 с.
14. Программирование в пакетах МS Office: учеб. пособие \ С.В. Назаров, П.П. Мельников, Л.П. Смольников и др.; под ред. С.Н. Назарова. – М: Финансы и статистика, 2007. – 656 с.
15. Уокенбах, Джон. Диаграммы в Exel.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 448 с.
16. Гарбер Г.З. Основы программирования на Visual Basic и VBA в Exel 2007. – М: Солон-пресс, 2008. – 192 с.
Приложение А