Учебное пособие 2011

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

атмосферного воздуха от загрязнений. К технологическим мероприятиям в первую очередь следует отнести:

создание замкнутых технологических процессов, исключающих выброс в атмосферу вредных веществ на конечных или промежуточных станциях производства (полная или частичная рециркуляция газов при вентиляции помещений, сжигании топлива

ит.д.);

организация производственного цикла по принципу «безотходной технологии» (использование хвостовых и промежуточных газов как вторичное сырье); замена вредных исходных продуктов или технологий на безвредные (замена твердого топлива на газовое, пламенного нагрева на электрически, применение катализаторов, замена сухих способов переработки пылящих материалов на способы с применением жидкостей);

герметизация технологического оборудования и устройств;

каталитическое дожигание продуктов сгорания органического топлива. Градостроительные мероприятия. Основа градостроительных мероприятий– это

осуществление комплексных проектно-планировочных работ на всех стадиях проектирования, обеспечивающих формирование оптимальной городской среды и уменьшение антропогенных нагрузок на прилегающие к городу территории.

В районной планировке рекомендации по охране окружающей среды направлены на сохранение нормальной эволюции природной среды при размещении городов и промышленных объектов. На этой стадии проектирования ярко выражен территориальный подход к природоохранным мероприятиям.

На стадии генеральных планов городов рекомендации по охране окружающей среды направлены на проведение комплекса санитарно-гигиенических, технологических, биологических и планировочных мероприятий, обеспечивающих формирование оптимальной окружающей человека среды и уменьшение антропогенных нагрузок на прилегающие к городу территории. Планировочные мероприятия должны включать все аспекты градостроительной деятельности на территории города: формирование планировочной структуры; функциональное зонирование территории; транспортную инфраструктура; комплексное инженерное благоустройство.

Раздел охраны окружающей среды в составе проекта детальной планировки аналогичен соответствующему разделу генерального плана города со следующими дополнительными графическими материалами: схем прилегающих районов; опорного плана и санитарно-гигиенических ограничений; инженерной подготовки территории; вертикальной планировки; сетей магистральных улиц и дорог; подземных инженерных сетей. Содержание раздела должно соответствовать основным этапам проектирования:

–анализу данных исходного состояния окружающей среды и определению требований по ее охране и улучшению,

–разработке комплекса архитектурно-планировочных и инженерно-технических мероприятий, направленных на улучшение и охрану окружающей среды,

–оценке и прогнозу изменения окружающей среды при реализации проектного решения.

Важнейшими инструментами градостроительных мероприятий являются санитарнозащитные зоны, санитарные разрывы и санитарные полосы отчуждения.

Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – это пространство от источника воздействия на среду обитания и здоровье человека до границы жилой застройки, ландшафтнорекреационной зоны, зоны отдыха или курорта, где происходит нейтрализация уровня воздействия вредных факторов до требуемых гигиенических нормативов. Ширина СЗЗ устанавливается в зависимости от мощности, условий эксплуатации, характера и количества выделяемых в окружающую среду загрязняющих веществ, создаваемого шума, вибрации и других вредных физических факторов.

CЗЗ промышленных предприятий должны быть благоустроенными участками

-32 -

городской территории, так как являются частью окружающего ландшафта.

Для автомагистралей, линий железнодорожного транспорта, метрополитена и воздушных линий электропередач устанавливаются санитарные разрывы. Санитарный разрыв имеет режим СЗЗ, но не требует разработки проекта его организации.

Для магистральных трубопроводов углеводородного сырья и компрессорных установок создаются санитарные полосы отчуждения с минимальным расстоянием, учитывающим степень взрывной и пожарной опасности, вида поселений, типа зданий, назначения объектов с учетом диаметра трубопроводов.

Рассеивание выбросов. Мероприятия по рассеиванию выбросов направлены на интенсивное разбавление окружающим воздухом потока вредных веществ и достижения концентрации этих веществ на рассматриваемой территории не выше допустимой. Рассеивание выбросов основано на теории турбулентного перемещения потоков газа. Физическая модель процесса рассеяния основана на теоретических основах струйных течений.

Для расчета величины концентрации в любой интересующей нас точке пространства можно использовать уравнение Фика при турбулентном движении воздуха:

где τ – время, с; vx,vy,vz – компоненты осредненной скорости по направлениям x, y, z, м/с; Аx, Аy, Аz – коэффициенты турбулентного обмена в направлении соответствующих осей, м2/с.

Чтобы решить уравнение диффузии (1), его необходимо замкнуть уравнениями движения, неразрывности и состояния. Проблема замыкания уравнений, описывающих турбулентное движение жидкости, является одной из центральных проблем современной науки. Приближенно решить уравнение (1) возможно численными методами.

В практических расчетах наибольшее распространение получила модель рассеивания выбросов М. Е. Берлянда1. В соответствии с этой моделью степень загрязнения атмосферного воздуха вредных веществ определяется по наибольшему значению разовой приземной концентрации вредных веществ, которая устанавливается на некотором расстоянии от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях.

Основой для расчета пылеуловителей являются физико-химические свойства, начальная концентрация пыли и расход очищаемого газа. Заданными параметрами при расчете пылеуловителей могут быть коэффициент очистки или концентрации пыли на выходе из аппарата. Результатом расчета обычно являются геометрические размеры аппарата, его аэродинамическое сопротивление, эффективность очистки.

Методы очистки вентиляционных и технологических выбросов от вредных газообразных и паровых примесей зависят от свойств самих примесей, их токсичности и концентраций, от санитарно-гигиенических, градостроительных и других требований. Наибольшее распространение для указанных целей нашли применение абсорбционный и адсорбционный методы, ионообменная очистка, термическое дожигание [2].

Очистка выбросов. Очистку выбросов от пыли, паров, газов или запахов применяют в том случае, когда другие мероприятия оказываются малоэффективными или дорогостоящими.

Абсорбционный метод очистки воздуха от газообразных примесей основан на избирательном поглощении жидкими веществами одного или нескольких компонентов из газовой смеси.

Для очистки воздуха применяют как физическую абсорбцию, так и хемосорбцию, используя в качестве абсорбента воду, растворы аммиака, карбоната натрия, калия и т.д.

1 Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. – Введ. 01.01.87. Госкомгидромет. – Л. : Гидрометеоиздат, 1987. – 93с.

- 33 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

где рг – парциальное давление извлекаемого газа над раствором, Па; Г – постоянная Генри, Па; см – мольная доля газа в растворе; Lг , Lж – расход инертного газа и раствора абсорбента, м3/с; сг.н, сг.к – начальная и конечная концентрация абсорбата в газовой смеси, кмоль/м3 инертного газа; сж.к, сж.н – начальная и конечная концентрации извлекаемого газа в растворе, кмоль/м3 абсорбента; Gаб –скорость абсорбции, кмоль/с; β – коэффициент массопередачи, м/с; A– поверхность массового контакта, м2; с – движущая сила процесса, кмоль/м3.

При расчете абсорбера заданными обычно бывают: расход очищаемого газа, его начальная и конечная концентрации или степень извлечения (очистки) газа, начальная концентрация абсорбента. Основными определяемыми величинами являются: расход абсорбента, площадь сечения, высота активной зоны абсорбера и его аэродинамическое сопротивление.

Адсорбционный метод – это процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов (адсорбатов), как правило, твердыми телами (адсорбентами). Адсорбция является поверхностным процессом и поэтому завершается в доли секунды. По аналогии с абсорбцией адсорбция может быть физической и химической. Физическая адсорбция вследствие своей обратимости нашла применение главным образом для улавливания и возвращения (десорбция) в производство паров органических растворителей. В качестве адсорбентов используют активные (активированные) угли, силикагели, алюмогели, цеолиты.

Количество адсорбируемого газа зависит от его вида и от условий протекания процесса, в первую очередь от давления газа и его температуры. Влияние давления газа на его адсорбируемое количество можно отобразить изотермами адсорбции, в частности,

где G – количество адсорбированного газа, кг/м3; р – давление газа при достижении равновесий, Па; k, n– эмпирические параметры, постоянные для конкретных адсорбента и адсорбата.

В зависимости от характера процесса адсорбции (периодический или непрерывный), применяемые для этих целей аппараты подразделяются на адсорберы с неподвижным слоем поглотителя и адсорберы с движущимся или кипящим слоем поглотителя. В адсорберах с неподвижным слоем поглотителя процесс извлечения адсорбата из газовоздушной смеси обычно проводят в четыре стадии: собственно адсорбция, десорбция, сушка поглотителя и охлаждение поглотителя. Принцип работы адсорберов с движущимся или кипящим слоем поглотителя аналогичен абсорбционным аппаратам. Расчет адсорберов включает определение его геометрических размеров (диаметр, высота) и расход адсорбента.

Важным и неотъемлемым от процесса адсорбции, проводимого в замкнутом цикле, является десорбция. При расчете десорбции определяют, продолжительность процесса (для аппаратов периодического действия) и расход десорбирующего агента (водяного пара, воздуха и т.п.).

Ионообменная и термическая очистка. Для очистки вентиляционных выбросов от газов с полярными молекулами применяются иониты. По своей физико-химической сути этот процесс близок к абсорбции. Иониты могут быть естественными – алюмосиликаты (глины) и искусственными – ионообменные смолы. Иониты используются в виде зерен с

- 34 -

Рис. 1 – График изменения параметров наружного воздуха в течение года и зоны НМУ:

1 – изменение тумана; 2 – изменение атмосферных осадков; 3 – штиль; 4 – среднемесячная скорость ветра, υ, м/с; 5 – среднемесячная относительная влажность, φ, %,

6 – среднемесячная температура наружного воздуха, tн, °С

Зависимость давления насыщенного пара от температуры может быть определена по формуле, полученной из уравнения Клаузиса-Клайперона

где А и В для температуры воды в диапазоне 20…120°С равны: А=9,15, В=2317,7.

В случае, если поверхность воды имеет температуру выше, чем окружающий воздух, то имеем туманы испарения.

При условии, когда пар жидкости конденсируется на центрах конденсации, имеющихся в примеси, имеем туманы конденсации. Образование легкого тумана конденсации связано всего лишь с наличием 12 центров/см3 [3] размером d=2∙10-4 см, плотный туман связан с наличием 1200 центров конденсации в 1 см3. Центры конденсации образуют выбросы загрязняющих веществ (ЗВ) от продуктов сгорания, промышленных и вентиляционных выбросов.

При понижении атмосферного давления образуются туманы расширения, связанные с адиабатическим расширением влажного воздуха.

В [2] указывается на образование большинства туманов конденсации при относительной влажности φ=80 %. Начальные условия появления тумана над поверхностью воды при φ=80% представлены на рис. 2.

Время, за которое концентрация вещества, растворившегося в жидкости, уменьшится в два раза за счет испарения, определяется по формуле [4]:

где h – толщина слоя воды; β=2∙10-5 – множитель, учитывающий испарения ЗВ в воздухе; Кн – коэффициент массопереноса, зависящий от скорости ветра над мокрой поверхностью:

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

где М – молекулярная масса ЗВ; R – универсальная газовая постоянная.

Рис. 2 – Начальные условия появления тумана над поверхностью воды при φ=80 %

Из зависимости (3) следует, что чем выше парциальное давление паров вещества, тем быстрее при прочих равных условиях оно испаряется.

Если распространение выбросов ЗВ происходит в период возникновения тумана и наличия мокрой поверхности, например, после дождя, то они захватываются водяными

капель dк скоагулированного тумана приведена в табл. [2].

Из таблицы следует, что чем больше размер аэрозольных частиц, тем эффективнее они оседают в воде.

- 38 -

Таблица

Зависимость коэффициента захвата от размера аэрозольных частиц и размера капель скоагулированного тумана

Коэффициент захвата определяется экспериментально в зависимости от размеров образуемых капель, размера частиц, концентрации ЗВ в воздухе, влажности атмосферы.

Распределение концентраций ЗВ в атмосферном воздухе в условиях тумана рассматривается нами при следующих предположениях:

- частицы ЗВ полностью следуют за движением среды; - концентрация центров захвата мала, так что захват примеси каждым центром может

рассматриваться независимо от других.

В этом случае количество примеси Ф с, x, y, z , захватываемое в единице объема в единицу времени каким-либо центром захвата по данным может быть представлено в виде:

(9)

где К – коэффициент захвата, зависящий от размера центров захвата и частиц примеси, их скорость падения; N – концентрация центров захвата; с – концентрация примеси.

Следуя Амелину нами рассматривается монодисперсный туман конденсации с концентрацией капель N в момент времени t и монодисперсная аэрозоль, которая попадает со скоростью Wг в слой тумана, при этом частицы определены медианным диаметром d50, а концентрация этих частиц n.

Скорость уноса частиц каплями тумана [2]

Заключение.

Натурными исследованиями ранее было установлено [5, 6], что все значения коэффициента захвата К соответствует диаметру частиц с плотностью ρ=1,0 кг/м3 в связи с увеличением роста дождевых капель путем слияния их с более мелкими. Также установлено, что для частиц диаметром 20∙10-6 м скорость уноса частицы Wг=0,12W∞, где W∞ – средняя скорость ветра на уровне флюгера по многолетним наблюдениям. Скорость ветра над приземной поверхностью покрытой дождевой пленкой для автозаправочных станций (АЗС) г. Воронежа составила не более 1,4 м/с, т.е. отличается от скорости ветра на уровне флюгера [7].

Поскольку нами рассматривается туман конденсации, то совершенно справедливо заменить отношение Wг/W∞=0,12 отношением Wг/Wв.поп=0,12 и получить решением уравнения (11) в виде р=1,42∙10-4 с-1. Из уравнения (12) положив t=3600 c имеем n / no =0,6.

- 39 -