Метод материального баланса
[Mon/tm/53]
Метод материального баланса (баланса масс) может использоваться для оценки
эмиссии (выбросов/сбросов/образования отходов) промышленной площадки, технологического процесса или единицы технологического оборудования. Эта
процедура обычно предусматривает учет входного потока вещества (на входе в технологический процесс или на предприятие), его накопление в этом процессе, выходного потока вещества, а также образования или разложения его в ходе
технологического процесса, после чего остаток считается поступившим в окружающую среду в виде выбросов, сбросов и отходов. Этот метод особенно
удобен на практике в случаях, когда параметры вещества на входе и выходе технологического процесса могут быть легко оценены, что чаще всего возможно при контроле небольших производств и промышленных установок.
Так, например, в процессах сжигания выбросы SO2 непосредственно связаны с
количеством серы в топливе, и в некоторых случаях проще определять содержание серы в топливе, чем организовывать мониторинг выбросов SO2.
Если какая-то доля входящего вещества преобразуется в ходе процесса (например, сырье в химическом процессе), то метод материального баланса применять сложно, и в таких случаях необходимо контролировать баланс масс
отдельных химических элементов.
Для оценки эмиссии методом материального баланса можно применять следующую простую формулу:
Суммарная масса на входе = аккумуляция (накопление) + полная масса на выходе + погрешность
Если это уравнение применяется для промышленной площадки, технологического процесса или единицы технологического оборудования, его нужно преобразовать к следующему виду:
Вещества на входе = продукты + передача (вовне) + аккумуляция +
эмиссия (выбросы/сбросы/отходы) + погрешность
Где:
Вещества на входе = Весь поступающий материал, используемый в процессе Продукты = Продукты и материалы (например, побочные продукты), вывозимые
с установки
84
Передача = |
|
Вещества, сброшенные в коллектор, размещенные на |
полигонах и |
удаленные с установки для ликвидации, обработки, |
|
|
||
|
рециркуляции, переработки, восстановления или очистки |
|
Аккумуляция |
= Материал, накопленный в процессе |
|
Эмиссия |
= |
Поступление [загрязняющих веществ] в воздух, воду и |
почвы. |
Эмиссия включает как обычные, так и случайные |
|
|
||
|
поступления, а также утечки. |
|
Метод материального баланса следует применять с осторожностью, так как хотя он и представляется простым способом оценки эмиссии, при его использовании
разница между массой вещества на входе и выходе обычно очень мала по сравнению с самими этими массами, причем всегда присутствует некоторая
неопределенность (погрешность измерений). Таким образом, метод баланса масс применим только в тех случаях, когда можно точно измерить массу на входе и выходе и точно оценить погрешность. Неточности, связанные с отслеживанием
отдельного материала/вещества, или сложность учета других манипуляций с материалом/веществом на каждой стадии процесса могут привести к значительным отклонениям в оценке общего потока выбросов, сбросов и отходов. При этом незначительная ошибка на каждом этапе может привести к значительным неточностям в общих оценках.
Например, незначительные ошибки в данных или расчетных параметрах, включая
параметры формулы баланса масс (например, давление, температура, концентрация пара, скорость потока и степень очистки или извлечения) могут привести к значительным ошибкам в окончательной оценке выбросов и сбросов.
Кроме того, при отборе проб вещества на входе или выходе недостаточно репрезентативный характер проб может привести к еще большей погрешности в конечной оценке. В отдельных случаях общий уровень погрешности можно оценить отдельно, и тогда полученные количественные оценки можно
использовать с достаточной определенностью.
Полный материальный баланс промышленной установки
Метод материального баланса можно использовать для оценки уровня выбросов, сбросов и отходов промышленной установки или площадки в целом при наличии достаточного объема информации о самом технологическом процессе и потоке веществ на его входе и выходе. При этом необходимо определить количество материалов, поступивших на промышленную установку/площадку и выведенных
(экспортируемых) из нее в виде продукции и отходов. Тогда остатки можно считать «потерями» (или поступлениями в окружающую среду). Ниже приведен
пример уравнения материального баланса для индивидуального вещества (вещество 'i'),
Масса вещества ‘i’’ на входе = |
Масса вещества ‘i’ в продукте + |
масса вещества ‘i’ в отходах +
масса вещества ‘i’, трансформированного
85
/потребленного в
ходе процесса
масса вещества ‘i’, генерированного в процессе +
масса аккумулированного вещества ‘i’ +
эмиссия вещества ‘i’
Использование метода материального баланса особенно целесообразно в
следующих случаях:
−эмиссия имеет тот же количественный порядок, что и вещества на входе и
выходе технологического процесса
−количество вещества (вход, выход, передача вовне, аккумуляция) может быть легко определено в течение установленного периода времени.
В Приложении 6 приведен простой пример применения метода материального
баланса.
86
Расчетные методы
[Mon/tm/53]
Для количественной оценки эмиссии (выбросов, сбросов загрязняющих веществ и
отходов) в результате осуществления промышленных процессов можно использовать теоретически разработанные сложные формулы или модели. Эта
оценка возможна через вычисления с использованием физико-химических свойств вещества (например, давление пара) и математических соотношений (например, уравнение состояния идеального газа).
Для использования моделей и связанных с ними вычислений необходимо наличие
соответствующих входных данных. Вычисления обычно дают довольно точные оценки при условии, что математическая модель построена на верных предпосылках и ее корректность уже доказана ранее, ее возможности
соответствуют изучаемому случаю, а исходные данные надежны и характеризуют конкретную установку.
Технические расчеты можно рассмотреть на примере анализа топлива. Их можно
использовать для прогноза выбросов SO2, металлов и других веществ на основе закона сохранения вещества при наличии точной информации об уровне расхода топлива. Так, например, основное уравнение, используемое для оценки эмиссии при анализе топлива, имеет следующий вид:
E = Q x C/100 x (MW/EW) x
T
Где:
E = среднегодовая нагрузка по химическому веществу в отходящих газах (кг/г) Q = расход топлива в единицу времени (кг/ч)
C = концентрация загрязняющего вещества в топливе (мас %)
MW = молярная масса химического вещества в отходящих газах (кг/кг-моль)
EW = молярная масса элемента (загрязняющего вещества) в топливе (кг/кг-моль) T = время (продолжительность) работы установки (ч/г)
Пример применения данного метода можно найти в Приложении 6, в котором произведен расчет выбросов SO2 в результате сжигания нефтяного топлива, исходя из концентрации серы в нефтяном топливе.
87