1. Расчет рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосфере и определение приземных концентраций вредных веществ, является Общесоюзный нормативный документ (ОНД-86) [8]. Данный нормативный документ предназначены для расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределения концентраций. Эти нормы не распространяются на расчет концентраций на дальних (более 100 км) расстояниях от источника выброса.

В зависимости от высоты Н источника выброса вредного вещества над уровнем земной поверхности указанный источник относится к одному из следующих классов: а) высокие источники – при Н  50 м; б) источники средней высоты – при Н = 10…50 м; в) низкие источники, Н = 2…10 м; г) наземные источники – Н  2 м.

Для источников всех указанных классов в расчетных формулах длина (высота) выражена в метрах (м), время – в секундах (с), масса вредных веществ – в граммах (г), их концентрация в атмосферном воздухе – в миллиграммах на кубический метр (мг/м³), концентрация на выходе из источника – в граммах на кубический метр (г/м³).

Возможное опасное загрязнение приземного слоя атмосферы определяется по наибольшей рассчитанной величине приземной концентрации вредных веществ С_м (мг/м³) , которая может установиться при неблагоприятных метеорологических условиях. Неблагоприятные метеорологические условия, учитываемые в этом расчете - опасная скорость ветра и интенсивный вертикальный турбулентный обмен, при которых концентрации достигают максимальной величины.

В основе методики ОНД-86 [8] лежит положение, что величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества С_м (мг/м³) в приземном слое атмосферы не должна превышать максимальной разовой ПДК данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е. С_м  ПДК.

При одновременном совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих свойством суммации действия, их безразмерная суммарная концентрация q не должна превышать единицы по формуле

q= С₁ / ПДК₁ + С₂ / ПДК₂ + ... + С_n / ПДК_n  1, (1-1)

где С₁, С₂, ... , С_n - концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в одной и той же точке местности, мг/м³;

ПДК₁, ПДК₂, ... , ПДК_n - максимальные разовые предельно допустимые концентрации соответствующих вредных веществ в атмосферном воздухе, мг/м³.

1.1. Расчет рассеивания выбросов из одиночного источника

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ С_м (мг/м³) при выбросе нагретой газо-воздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии x_м (м) от источника определяется по формуле

, (1-2)

где A - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, определяющей условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе в данной местности. Значения коэффициента А, соответствующие неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:

250 -	для районов Средней Азии южнее 40 с. ш., Бурятии и Читинской области;
200 -	для Европейской территории бывшего СССР; для районов РФ южнее 50 северной широты, для остальных районов Нижнего Поволжья; для Азиатской территории бывшего СССР; Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии; Казахстана, Кавказа, Молдавии;
180 -	для Европейской территории РФ и Урала от 50 до 52 северной широты за исключением попадающих в эту зону перечисленных выше районов;
160 -	для Европейской территории СССР, Среднего Поволжья, Урала севернее 52 северной широты, а также для Украины;
140 -	для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской и Ивановской областей;
120 -	для Центральной части Европейской территории СССР.

M - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

H - высота источника выброса (трубы) над уровнем земли, м;

V₁ – объемный расход газовоздушной смеси, м³/с, определяемый по формуле:

, (1-3)

где D - диаметр устья источника выброса, м; w_о - средняя скорость выхода газо-воздушной смеси из устья источника, м/с.

T - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в, C;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере. Значение коэффициента F принимается:

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

2. для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п.1) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% - 2; от 75 до 90% - 2,5; менее 75% и при отсутствии очистки – 3.

 - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности. Районы расположения металлургических предприятий являются, как правило, ровной или слабопересеченной местностью с перепадом высот, не превышающих 50 м на 1 км. Поэтому для расчетов принимается  =1. Расчеты загрязнения атмосферы выбросами вредных веществ с учетом влияния перепада высот рассмотрены в отдельных разделах ОНД-86 [8].

m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса. Значения коэффициентов m и n определяются в зависимости от параметров f, f_е, _м, :

(1-4)

, м/с (1-5)

, (1-6)

, (1-7)

При значениях параметра f100, когда из источника выбрасываются нагретые газы, значение коэффициента m находится по формуле:

, (1-8)

Примечание: При значениях параметра f100 или T0 значение коэффициентов m и n находится по формулам, приведенным в специальной литературе[8].

Величина коэффициента n, в зависимости от численного значения параметра _м (м/с), определяется по формулам:

при _м  0,5: n = 4,4_м; (1-9а)

при 0,5  _м  2: n = 0,532 _м ²- 2,13_м + 3,13 ; (1-9б)

при _м 2: n = 1. (1-9в)

В процессе проведения расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе точка с максимальной приземной концентрацией вредных веществ С_м (мг/м³) будет находиться на оси факела (по направлению среднего за рассматриваемый период ветра) на расстоянии x_м (м) от источника выброса, которое определяют по формуле:

(1-10)

где d - безразмерная величина, определяемая по формулам:

при _м  0,5; (1-11а)

при 0,5 < _м  2; (1-11б)

при _м > 2 (1-11в)

Значение опасной скорости ветра u_м (м/с) на уровне устья трубы, при которой приземные концентрации вредных веществ С_м достигают максимальных значений, зависит от величины _м и принимается равной:

u_м = 0,5 при _м 0,5; (1-12а)

u_м = _м при 0,5_м2; (1-12б)

u_м = _м (1+ 0,12 ) при _м2. (1-12в)

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_ми (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра u (м/с), отличающуюся от опасной скорости ветра u_м (м/с), определяется по формуле:

С_мu = r С_м , (1-13)

где r - безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

r = 0,67 (u/u_м) + 1,67(u/u_м) ² - 1,34(u/u_м) ³ при u / u_м  1; (1-14а)

при u/u_м > 1 (1-14б)

Примечание: При проведении расчетов не используются значения скорости ветра u<0,5 м/с, а также u>u*, где u* - значение скорости ветра, превышаемое для данной местности в среднем многолетнем режиме в 5% случаев. Это значение запрашивается в региональных службах Росгидромета.

Расстояние от источника выброса x_мu (м), на котором при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_мu (мг/м³ ), определяется по формуле :

x_мu = p x_м, (1-15)

где p - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

p = 3 при u/u_м 0,25; (1-16а)

p = 8,43(1 - u/u_м)⁵ + 1 при 0,25 u/u_м1 (1-16б)

p = 0,32 u/u_м + 0,68 при u/u_м1 (1-16в)

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

С = s₁ С_м, (1-17)

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

при x/x_м  1; (1-18а)

при 1 x/x_м  8; (1-18б)

при F  1,5 и x/x_м  8; (1-18в)

при F  1,5 и x/x_м  8. (1-18г)

Для низких и наземных источников (высотой Н не более 10 м) при значениях x/x_мu1 величина s₁ в (1-17) заменяется на величину , определяемую в зависимости от x/x_мu и Н по формуле:

= 0,125(10-Н) + 0,125(Н-2)s₁ , при 2 Н10. (1-19)

Примечание: Аналогично определяется значение концентрации вредных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоростей ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях. По формулам (1-13), (1-15) определяются значения величин С_мu и x_мu . В зависимости от отношения x/x_мu определяется значение s₁ по формулам (1-18), (1-19). Искомое значение концентрации вредного вещества с определяется умножением С_мu на s₁.

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

, (1-20)

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

при u  5; (1-21а)

при u  5; (1-21б)

по формуле , (1-22)

Максимальная концентрация С_мх (мг/м³), достигающая на расстоянии х от источника выброса на оси факела при скорости ветра и_мх , определяется по формуле

, (1-23)

где - безразмерный коэффициент находится в зависимости от отношения х/х_м по формулам:

при (х/х_м) 1; (1-24а)

при 1 (х/х_м) 8; (1-24б)

при 8 (х/х_м) 24; (1-24в)

при 24 (х/х_м) 80; F  1,5 (1-24г)

при 24 (х/х_м) 80; F > 1,5; (1-24д)

при (х/х_м) > 80; F  1,5 (1-24е)

при (х/х_м) > 80; F > 1,5. (1-24ж)

Скорость ветра и_мх при этом рассчитывается по формуле:

и_мх = f₁и_м, (1-25)

где f₁ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения х/х_м по формулам:

f₁ = 1 при х/х_м 1; (1-26а)

при 1 < х/х_м 8; (1-26б)

f₁ = 0,25 при 8 < х/х_м< 80; (1-26в)

f₁ = 1,0 при х/х_м 80; (1-26г)

Примечание: Если рассчитанная скорость ветра и_мх < 0,5 м/с или и_мх > и^*, то величина С_мх определяется как максимальное значение из концентраций на расстоянии х, рассчитанных при трех скоростях ветра: 0,5 м/с; и_м , и^*; соответствующая С_мх скорость ветра принимается за и_мх.

Пример 1.1. Расчет рассеивания выбросов из одиночного источника

Задание: Провести расчет концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в районе источника выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях.

Исходные данные для расчетов:

Источник выброса – котельная, расположенная в Новосибирской области на ровной открытой местности. Число дымовых труб - N=1. Высота дымовой трубы – Н = 35 м. Диаметр устья трубы – D  = 1,4 м. Скорость выхода газовоздушной смеси - w_о = 7 м/с. Температура газо-воздушной смеси - Т_г = 125С. Температура окружающего воздуха - Т_в = 25С. Выбросы загрязняющих веществ: двуокиси серы - М_SO2 = 12 г/с, золы - М_з = 2,6 г/с, окислов азота (в пересчете на двуокись азота) - М_NO2 = 0,2 г/с.

Решение:

1.Согласно п.1.1. принимаем значения коэффициентов в формуле (1-2): А=200,  =1.

2.Максимальные разовые предельно допустимые концентрации (ПДК) определяются согласно таблице Приложения 2:

• двуокиси серы ПДК_SO2  = 0,5 мг/м³;

• золы ПДК_золы = 0,5 мг/м³;

• окислов азота ПДК_NO2 = 0,085 мг/м³.

3. Расчет объема газовоздушной смеси проводится по формуле (1-3):

= 10,8 м³/с

4. Перегрев газовоздушной смеси Т составляет:

Т = Т_г – Т_в = 125 – 25 = 100 С

5. Параметр f рассчитывается по формуле (1-4):

6. Параметр _м рассчитывается по формуле (1-5):

м/с

7. Параметр рассчитывается по формуле (1-6):

8. Параметр f_е рассчитывается по формуле (1-7):

9. Параметр m рассчитывается по формуле (1-8):

10. Параметр n рассчитывается по формуле (1-9в), т.к. _м = 2,04  2:

n = 1

11. Параметр d рассчитывается по формуле (1-11в), так как _м = 2,04 > 2:

12. Опасная скорость ветра u_м вычисляется по формуле (1-12в) при _м2:

u_м = _м (1+ 0,12 ) = = 2,2 м/с

13. Расчет концентрации двуокиси серы:

13.1. Максимальная концентрация SO₂ вычисляется по формуле (1-2):

мг/м³

13.2. Расстояние рассчитывается по формуле (1-10):

13.3. Коэффициент s₁ для расстояния x определяется по формулам (1-18а), (1-18б):

x= 50м: x/x_м = 0,116, s₁ = 0,069;

x= 100м, x/x_м = 0,256, s₁ = 0,232;

x= 400м, x/x_м = 0,93, s₁ = 0,633;

x= 200м, x/x_м = 0,465, s₁ = 1;

x= 1000м, x/x_м = 2,32, s₁ = 0,664;

x= 3000м, x/x_м = 6,97, s₁ = 0,154.

13.4. Концентрация (мг/м³) на расстоянии x рассчитывается по формуле (1-17):

x= 50м, С = 0,19  0,069 = 0,01;

x= 100м, С = 0,19  0,232 = 0,04;

x= 200м, С = 0,19  0,633 = 0,12;

x= 400м, С = 0,19  1,0 = 0,19;

x= 1000м, С = 0,19  0,664 = 0,13;

x= 3000м, С = 0,19  0,154 = 0,03.

14. Расчет концентрации окислов азота производится аналогично расчету . При этом концентрации и связаны соотношением

15. Расчет концентрации золы:

15.1. При отсутствии золоочистки коэффициент F = 3. Тогда максимальная концентрация золы вычисляется по формуле или по соотношению:

=0,12 мг/м³.

15.2. Расстояние определяется по формуле (1-10) или по соотношению

= 215 м

15.3.Коэффициент s₁ для расстояния x рассчитывается по формулам (1-18а) - (1-18г):

x= 50м, x/x_м = 0,233, s₁ = 0,232

x= 100м, x/x_м = 0,465, s₁ = 0,633

x= 200м, x/x_м = 0,93, s₁ = 1,0

x= 400м, x/x_м = 1,86, s₁ = 0,78

x= 1000м, x/x_м = 4,05, s₁ = 0,296

x= 3000м, x/x_м = 13,9, s₁ = 0,028

15.4. Концентрация на расстоянии x по формуле (1-17):

x= 50м, С = 0,12  0,23 = 0,03 мг/м³

x= 100м, С = 0,12  0,632 = 0,08 мг/м³

x= 200м, С = 0,12  0,99 = 0,12 мг/м³

x= 400м, С = 0,12  0,78 = 0,09 мг/м³

x= 1000м, С = 0,12  0,296 = 0,04 мг/м³

x= 3000м, С = 0,12  0,028 = 0,003 мг/м³