3.5. Рассеивание выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

1. Теоретические основы рассеивания выбросов

Когда отходящие газы по­кидают дымовую трубу и поступают в атмосферу, на них начинают воздействовать внешние условия — метеорологические (давление, температура, скорость и направление движения воздуха), расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ и т. п. (рис. 3.6). Все эти фак­торы влияют на распространение дыма от трубы и перенос загрязняющих веществ на дальние расстояния. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное — распределе­нием температур в вертикальном направлении. Прогнозирование поведе­ния факела в атмосфере — крайне сложная физико-математическая задачa, решение которой затрудняется еще и тем, что в атмосфере процессы нестабильны и могут очень быстро изменяться во времени.

Коагуляция частиц

Плотность и морфология частиц

Конденсация паров

Наличие в выбросах тяжелых компонентов

Гравитационное осаждение компонентов факела

Туман, облачность

Молекулярная диффузия

Осадки

Рельеф, поверхность, застройка местности

Условия выброса факела

Ветер

Инверсионные явления

Турбулентная диффузия

Термическая стратификация атмосферы

Высота трубы

Размер и форма устья

Скорость факела в устье

Разность температур наружного воздуха и факела

Рис. 3.6. Схема факторов, влияющих на рассеивание выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

В зависимости от атмосферных условий внешний вид факела может отличаться большим разнообразием. Он может выглядеть как вертикаль­ный столб над трубой, тянуться компактной струей в горизонтальном направлении, быстро размываться в горизонтальном, вертикальном или обоих направлениях и т. д.

Таблица 3.30

Состав наиболее распространенных лакокрасочных материалов

	Компоненты (летучая часть, fp), входящие в состав лакокрасочных материалов, %
Марки лакокрасочных материалов	ацетон	нефрас	н-бу­тило­вый спирт	бути­лаце­тат	ксилол	уаит­спи-рит	толуол	этиловый спирт	2-это­ксиэ­танол	этил­ацетат		сольвент	изо­бутиловый спирт		бензин; циклоге­ксанон	Доля летучей части, %, (f2)	Доля сухой части, %, (f1)
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12	13		14	15	16
Эмаль
АС-182	-	-	-	-	85,00	5,00	-	-	-	-		10,00	-		-	47	53
ГФ-92ГС	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		100,0	-		-	43	57
МЛ-12	-	-	20,78	-	-	20,14	-	-	1,40	-		57,68	-		-	65	35
МС-17	-	-	-	-	100,0	-	-	-	-	-		-	-		-	57	43
НЦ-11	-	-	10,00	25,0	-	-	25,0	15,0	-	25,0		-	-		-	74,5	25,5
НЦ-25	7,0	-	15,00	10,0	-	-	45,0	15,0	8,00	-		-	-		-	66	34
ПФ-115	-	-	-	50,00	50,00	50,00	-	-	-	-		-	-		-	45	55
Лаки	-
МЛ-92	-	-	10,0	-	40,00	40,00	-	-	-	-		-		10,0	-	47,5	52,5
НЦ-221	5,05	-	19,98	15,04	-	-	39,95	6,99	3,0	9,99		-		-	-	83,1	16,9
Грунтовки
ГФ-017	-	-	-	-	100,0	-	-	-	-	-		-		-	-	51	49
ВЛ-023	22,78	-	24,06	3,17	-	-	1,28	48,71	-	-		-		-	-	74	26
НЦ-0140	-	-	15,00	20,00	-	-	20,00	10,00	15,0	15,0		-		-	5*	80	20
ПФ-020	-	-	-	-	100,0	-	-	-	-	-		-		-	-	43	57
ФЛ-03К	-	-	-	-	50,0	50,0	-	-	-	-		-		-	-	30	70
МЛ-029	-	-	42,62	-	57,38	-	-	-	-	-		-		-	-	40	60
Растворители
646	7,0	-	15,0	10,0	-	-	50,00	10,00	8,0	-	-			-	-	100	-
647	-	-	7,7	29,8	-	-	41,30	-	21,2	-	-			-	-	100	-
Р-4	26,0	-	-	12,0	-	-	62,00	-	-	-	-			-	-	100	-
Р-5, Р-5А	30,0	-	-	30,0	40,0	-	-	-	-	-	-			-	-	100	-
РФГ	-	-	75,0	-	-	-	-	25,0	-	-	-			-	-	100	-
PC-2	-	-	-	-	30,0	70,0	-	-	-	-	-			-	-	100	-

Основной эффект рассеивания может достигаться за счет молекуляр­ной и турбулентной диффузии, обеспечивающей одинаковое течение процесса переноса тепла, вредных газов, мелких аэрозолей, водяных па­ров и т. д. Роль молекулярной диффузии в рассеивании пренебрежитель­но мала; основную роль играет турбулентная диффузия. Она вызывается двумя группами факторов: динамическими и термическими. Первые связаны с движением воздушных масс независимо от распределения темпе­ратур. В нижних слоях атмосферы динамическая диффузия возникает или усиливается за счет макронеровностей рельефа, высокой плотности рас­тительности или искусственных сооружений. Термическая диффузия связана с градиентами температур воздуха по высоте. В большинстве слу­чаев атмосферная диффузия имеет комплексную природу, т.е. турбулен­тность создается как термическими, так и динамическими факторами. Существует несколько теорий турбулентной диффузии в атмосфере, од­нако ни одна не дает более или менее точного количественного описа­ния процесса рассеивания.

В соответствии с теорией массопереноса рассеивание в общем виде опи­сывается дифференциальным уравнением:

(3.83)

где — производная по времени концентрации загрязнителя в точке с координатами х, у, z; дС/дт₀ — градиент по времени концентрации загряз­нителя в точке с координатами х = у = z = 0 (это может быть центр устья трубы или точка, учитывающая возвышение факела над устьем, или вооб­ще какая-либо точка, которую в данном случае целесообразно принять за начало координат); и, v, w — скорости распространения загрязнителя вдоль осей х, у, z; — градиенты концентраций загрязнителя по отношению к осям координат.

Уравнение составлено в трехмерной системе координат, причем ось х совпадает с направлением основного движения факела, ось у — горизон­тальна и перпендикулярна к оси х, ось z — вертикальна. Положение осей иллюстрируется рисунком 3.7. Толкование уравнения неоднозначно. Некото­рые исследователи отождествляют величину и со скоростью ветра и счита­ют, что вектор и совпадает с вектором-скоростью ветра. Другие располагают вектор и по оси факела. И то и другое — частные случаи. В рассматрива­емой зоне ветер может дуть не горизонтально, а с наклоном вверх или вниз; ось факела может на довольно значительном участке не совпадать с общим направлением ветра. Ряд трудностей связан с определением градиентов концентраций вдоль осей координат. Тем не менее уравнение 3.82 позволяет в первом приближении качественно оценить условия выброса и распространения факела. Градиент может иметь знак плюс — если на протяжении данного отрезка времени выброс возрастает, знак минус — если выброс уменьшается, или быть равным нулю — при стабильном во времени выбросе. Остальные градиенты всегда имеют знак минус, поскольку по мере удаления от источника выброса концентрация загрязнителя всегда падает.

Рис.3.7. Факел выбросов в осях коорди­нат х—у—z

Поскольку градиенты концентрации вдоль осей координат сами по себе непостоянны во времени, необходимо ввести в уравнение вторые производные, после чего оно принимает следующий вид:

(3.84)

Очевидно, что если имеет знак плюс и при этом

(3.85)

то концентрация загрязнителя в данной точке возрастает; при обратном соотношении она снижается. Концентрация остается неизменной, если

(3.86)

или если условия рассеивания в точности компенсируют изменения величины .Однако последнее крайне маловероятно на практике.

Принципиальная разница между правой и левой частями уравнений состоит в том, что абсолютная величина и знак левой части определяются режимом источника выброса и, таким образом, поддаются контролю и управлению. Величина и знак правой части определяются только условиями рассеивания.

Решение приведенных здесь первичных уравнений рассеивания связа­но с очень большими трудностями. Говоря формально, они могут быть ре­шены для условий, существующих в единственный данный момент време­ни. Но такое решение не имеет никакой практической ценности.

Практически приемлемое решение возможно на базе ряда упроще­ний и усреднений. Рассмотрим влияние некоторых факторов на процесс рассеивания.