3.5.5. Расположение источников выбросов и защищаемых объектов

На некото­ром расстоянии от источника возникает зона максимальной приземной концентрации выбросов С_max (рис.3.10). Если расчетная максимальная кон­центрация не превышает ПДК, то положение рассматривается как удов­летворительное. Но из-за характерного для данной местности сочетания условий зона максимума может совпадать с местом расположения жилого массива или других объектов, требующих повышенной защиты от атмос­ферных загрязнений. Даже если исключить экстремальное сочетание не­благоприятных факторов, само по себе частое совпадение зоны максиму­ма концентраций (не превышающих ПДК) с местами расположения объектов, требующих повышенной чистоты воздуха, не должно быть до­пущено.

Взаимное расположение источников выбросов и защищаемых объек­тов должно оцениваться по вертикали и горизонтали. Варианты благо­приятного и неблагоприятного расположения по вертикали иллюстри­рует рисунок 3.11. Оба варианта часто встречаются в практике проектирования. В случае, показанном на рисунке 3.11, а, необходимо принимать решение, ис­ключающее или сводящее до минимума возможность совпадения зоны максимальной концентрации выбросов с территорией жилого массива. Ре­шение это неоднозначно, и при его поиске следует анализировать всю со­вокупность местных условий.

В некоторых случаях естественный рельеф местности может быть вы­годно использован для улучшения рассеивания остаточных выбросов (рис.3.12).

Значительные трудности вызывает ситуация, когда многие источники выбросов расположены в окрестностях крупного населенного пункта без розы ветров и возможности наложения выбросов друг на друга. Такие ситуации обычно складываются исторически при разновременном строи­тельстве предприятий разных ведомств.

Рис.3.10. Рассеивание и осаждение выбросов:

а — общая картина; б — различия в расположении зон максимальной приземной концентрации отдельных компонентов выбросов

Рис.3.11. Неблагоприятное (а) и благоприятное (б) расположение защищаемого объекта по отношению к источнику выбросов

Рис.3.12. Использование рельефа местности для улучшения рассеивания:

1 — источник выбросов; 2— пылегазопровод; 3 — дымовая труба

Расчет рассеивания выбросов (основные положения ОНД—86). При рас­четах распространения выбросов необходимо решить две важнейшие про­блемы:

1. расчет ожидаемого загрязнения атмосферы от одного или более источников в данном регионе (ровная или пересеченная местность);

2. расчет оптимальной высоты дымовой трубы для нового источника загрязнения атмосферы с учетом существующего фона загрязнений, особенностей территории и окружающих строений.

Расчет ожидаемого загрязнения базируется на работах Саттона и Пир­сон (1932-1936). Формула Саттона (гауссовская теория рассеивания) по­зволяет определить концентрации веществ, загрязняющих атмосферу, С (мг/м³) в точке с координатами х, у, z при эффективной высоте дымовой трубы А (м):

C_xyz= , (3.87)

где М— количество загрязняющего вещества, выбрасываемого из источника в единицу времени, г/с; и — стандартные отклонения в распределе­нии частиц по размерам соответственно вдоль осей у и z (в зависимости от турбулентности среды); и — средняя скорость ветра у верхнего среза дымо­вой трубы.

Для расчета в настоящее время в мире создано большое количество сложных математических моделей, просчитываемых на современных ком­пьютерах. Однако усложнение расчетов не гарантирует получение более надежных результатов, поскольку, чем больше данных, тем больше вероят­ность того, что на результате скажется неточность данных. Чем проще мо­дель (при условии сохранения основных свойств атмосферы), тем ближе к реальным уровням загрязнений долговременные средние расчетные по­казатели.

Таким образом, вместо сложных расчетов по загрязнению воздуха, как правило, применяются простые вычисления, выполняемые обычно по но­мограммам. Вычисления распространения выбросов на основе номограмм нашли широкое применение в Германии, США, Англии и других странах.

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и оп­ределение приземных концентраций выбросов промышленных предпри­ятий в РФ, является «Методика расчета концентраций в атмосферном воз­духе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД—86. Методика разработана на базе ряда упрощений и усреднений. В ней от­дельные факторы объединены в усредненные группы и численно учиты­ваются комплексными обобщенными коэффициентами.

Общие формулы для расчета максимальной приземной концент­рации, создаваемой одиночными источниками:

C_max = мг/м³ –для нагретых выбросов; (3.88)

C_{max =} мг/м³ – для холодных выбросов; (3.89)

где А — коэффициент, характеризующий температурную стратификацию атмосферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с; F —безразмерный коэффициент, учитывающий ско­рость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; т и п — коэффи­циенты, учитывающие условия выхода факела из устья источника выбро­са; Н — высота источника над уровнем земли, м; К_m — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; ΔТ — разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, °С; Q — расход выбрасываемой смеси, м³/с.

Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю, F=1. Понятие «мелкодисперсный аэрозоль» является в значительной мере условным. В разных литературных источниках мелкодисперсными считаются части­цы 2 мкм и менее, 5 мкм и менее; даже 20 мкм и менее. Различия объясня­ются тем, что скорость оседания частицы зависит не только от ее размера, но и от ее плотности и коэффициента формы (морфологии). Из практики известно, что некоторый качественный скачок в поведении частиц наблю­дается при их размере 3-4 мкм и менее. Очевидно, для пылей высокой истинной плотности (6-10³-8-10³ кг/м³) есть смысл считать граничным раз­мер 3-5 мкм, для более легких пылей увеличивать его до 8-10 мкм. В соот­ветствии с F доля взвешенных веществ определяется отношением скорости оседания (витания) частиц v_g к опасной скорости ветра u (скорость ветра, при которой приземная концентрация достигает своего максимума). Ско­рость витания рассчитывается по закону Стокса или по номограмме. За расчетный диаметр при определении F принят диаметр d_s, удов­летворяющий условию, что частицы большего, чем d₅, размера составляют 5% от общей массы частиц. Если значение v/u < 0,015, то F= 1; при 0,015 < v/u < 0,03 принимают F= 1,5. В случае v/u > 0,03 при степени очи­стки дымовых газов не менее 90% принимают F = 2; при 75-90% F = 2,5; при отсутствии очистки F = 3.

Понятие опасной скорости ветра неоднозначно. При малой скорости ветра увеличивается высота возвышения факела над устьем H, но факел дольше сохраняет плотную структуру и плохо размывается под действием одной только атмосферной диффузии. При сильном ветре, наоборот, роль ΔH сводится к нулю или почти к нулю, но на факел интенсивно действует атмосферная диффузия. При очень сильном ветре вертикальные турбулен­тные флуктуации исключительно сильно искажают факел, причем иногда часть факела как бы «стекает» по подветренной стороне дымовой трубы на несколько десятков метров. Это явление объясняется особыми аэродина­мическими условиями обтекания ствола трубы высокоскоростным потоком воздуха. Эти и другие особенности поведения факела существенно влияют на все показатели его рассеивания.

В параметрах, составляющих генеральную формулу, не фигурирует прямо высота возвышения факела над устьем, хотя она играет существен­ную роль в рассеивании. В отдельных случаях (при полном безветрии и нормальной стратификации) величина ΔH может равняться (и даже пре­вышать) ΔH. Дело в том, что ΔH зависит от ΔТ, Q, а также от формы и разме­ров устья. Иначе говоря, она неявно присутствует во вспомогательных формулах, по которым находятся коэффициенты т и п, т. е. в общей фор­мулировке она определяется условиями выхода факела в атмосферу.

Степень улавливания пыли в газоочистке

Коагуляция частиц

Конденсация паров

Гравитационное осаждение компонентов факела

Ветер

Турбулентная диффузия

Факел выброса

Условия выхода факела

Термическая стратификация атмосферы

Рельеф, поверхность, застройка местности

Высота трубы

Размер и форма устья

Скорость факела в устье

Разность температур наружного воздуха и факела

Рис.3.13. Схема факторов, учтенных в ОНД-86

В методике не учитывается фактор осадков, и таким образом, он слу­жит дополнительным резервом благополучия атмосферы вокруг источни­ка выброса.

Выше говорилось о том, что дифференциальные уравнения рассеива­ния, описывающие процесс в наиболее общем виде, могли быть реализо­ваны в виде практической методики только за счет ряда упрощений и ус­реднений. До некоторой степени это проиллюстрировано на рисунок 3.12, где число факторов, непосредственно влияющих на поведение факела выбро­са, заметно меньше.

В методике изложен порядок определения минимальной высоты тру­бы. При ее определении необходимо выполнить условие: С < ПДК_м . Для веществ, для которых установлены только среднесуточные ПДК, используется приближенное соотношение между максимальными зна­чениями разовых и среднегодовых концентраций и требуется, чтобы 0,1С < ПДК_с.

При наличии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих суммацией действия, их безразмерная суммарная концентрация не долж­на превышать единицы. При наличии фонового загрязнения атмосферы вместо С следует принимать С + С_ф. Значение фоновой концентрации определяется по специальной методике органами Росгидромета.

Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных сана­ториев и домов отдыха, а также для других территорий с повышенными требованиями к охране атмосферного воздуха ПДК следует заменить на 0,8-ПДК.

При горячих выбросах (Т>>0) значение минимальной высоты перво­начально определяется из выражения:

(3.89)

Если при этом найденное значение , то оно является окончательным. В противном случае предварительное значение минималь­ной высоты определяется по формуле:

(3.90)

По найденному таким образом значению Н=H₁ определяются значе­ния вспомогательных коэффициентов v_м, v'_м, f_t и устанавливаются в пер­вом приближении коэффициенты т = m_l, и п = n_l,. Если m_ln_l ≠1, то по m_l, и n_l, определяется второе приближение Н = Н₂ по формуле . В общем случае (i+1)-е приближение H_i+1 определяется по формуле:

, (3.91)

где m_i и п_i соответствуют Hi, а m _i-1 и n _i-1, H _i-1

Уточнение значения H необходимо производить до тех пор, пока по­следовательно найденные значения H_i, и Н_i-1 практически будут равны друг другу (с точностью до 1 м).

Общие расчетные формулы легли в основу формул для расчета ПДВ, г/с:

, г/с – для нагретых выбросов; (3.92)

, г/с – для холодных выбросов; (3.93)

Если для какого-либо вещества выполняется соотношение:

. (3.94)

то в этом случае (при отсутствии необходимости учета суммации вредного воздействия нескольких веществ) использованные при расчетах значения М могут быть приняты в качестве ПДВ.