Методические указания к лабораторной работе

Цель работы – изучение принципов работы и схемотехники оптических измерителей пыледымовых выбросов.

Значительное влияние на чистоту атмосферы оказывают транспорт, тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, строительные производства, выбрасывающие из своих труб различные вредные вещества. Загрязнение среды обитания человека настолько велико, что вопросы экологии заняли доминирующее место в структуре глобальных проблем современности. Исследованиями показано, что сажевое загрязнение атмосферы крупных населенных пунктов во все сезоны года обусловлено местными источниками. Ституация усугубляется тенденцией перехода на дизельные двигатели, использующие тяжелые топлива без соответствующей оптимизации режимов его сжигания.

Наиболее эффективна борьба за снижение вредных выбросов непосредственно на потенциальных источниках загрязнений, т.е. теплоэнергетических установках различного назначения. Для анализа отходящих многофазных потоков предпочтение отдается приборам, которые могут быть установлены непосредственно в газоходе без применения средств отбора и очистки газов, т.е. основанных на прямом изучении газового потока. Наибольший интерес здесь представляют лазерные дистанционные методы анализа в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Методы лазерного зондирования основаны на свойстве частиц поглощать или рассеивать лазерное излучение, причем при постоянстве дисперсного состава частиц оптическая плотность слоя многофазного потока D, пронизываемого пучком, прямо пропорциональна их концентрации.

Развитие электроники, квантовой оптики и информатики, удешевление полупроводниковой

элементной базы способны обеспечить разработку и

3

создание конкурентоспособных лазерных приборов и систем экологического назначения, надежно работающих непосредственно в составе теплоэнергетических установок.

1.ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕДЫМОВЫХ ВЫБРОСОВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

То, что пыль вредна, известно давно, т.к. прослеживалась связь легочных расстройств с вдыханием пыли. Например, в первом веке новой эры римский ученый Плиний упоминал о «фатальной пыли». В 14-м столетии Агрикола при описании рудников говорил о «ядовитом воздухе» и «едкой пыли». Итальянский физик Рамаззини в 1700 г. опубликовал книгу, в которой описал влияние пыли на органы дыхания, приведя при этом многочисленные примеры происходящих от пыли болезней со смертельным исходом.

В 19-ом веке аэрозоли занимали важнейшее место в науке, т.к. их считали мельчайшими элементами вещества. Нашему пониманию свойств аэрозолей способствовали работы многих ученых. Среди них – Тиндаль, Листер, Кельвин, Максвелл, Айткен, Эйнштейн [1].

Аэрозоли разделяют на первичные, попадающие в воздух непосредственно, и вторичные, являющиеся результатом их превращений. Источниками первичных аэрозолей естественного происхождения являются извержения вулканов, выветривание почвы; антропогенного происхождения – продукты сжигания топлива, выбросы промышленных предприятий и автотранспорта. К вторичным аэрозолям относят нитриты и сульфаты, образующиеся из оксидов азота, диоксидов серы, сероводорода; гидрокарбонаты; аммонийные соли

[2]. Суммарную мощность различных источников аэрозолей трудно определить: ежегодно образуется в среднем 2,3∙109 т аэрозолей естественного происхождения с погрешностью ±1,4∙109 т.

Как свидетельствует статистика, примерно 80% всех видов загрязняющих веществ выделяются в результате энергетических процессов – добычи, переработки и

использования энергоресурсов. Свыше85 % мировой потребности в первичной энергии удовлетворяется сейчас за счет использования органического топлива – нефти, угля, природного газа, а также сланцев, торфа, древесины.

Энергетика дает 27% общего количества выбросов вредных веществ в стране, в том числе 46% диоксида серы,

59% оксидов азота, 35,8% пыли, 1,5% оксида углерода. При отсутствии систем пылеулавливания твердое топливо (уголь) поставляет в атмосферу в 100...200 раз больше твердых частиц, чем жидкое. Отопительная система

жилищ, потребляя примерно 25% топлива, выделяет в

атмосферу более 30% вредных веществ. Мелкие отопительные и технологические установки выделяют мало оксидов азота, но довольно большое количество продуктов неполного сжигания, особенно сажи.

Среди предприятий различных отраслей промышленности наибольший удельный вес в загрязнении воздуха имеют черная (18,2%) и цветная (10,5%) металлургия, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая (7,1%), нефтяная (6,7%), стройматериалов (5,5%), угольная (2,7%), лесобумажная (2,3%), газовая (1,9%), химическая (1,5%) промышленность; на долю прочих отраслей

приходится 16,6%. Наиболее интенсивный уровень загрязнения воздуха наблюдаются в радиусе 10...15 км от источника загрязнения. Многие загрязняющие воздух вещества сначала находятся в аэрозольной форме или становятся аэрозолями после попадания в атмосферу.

Примером перехода газа в жидкость служит кислотный дождь; в этом случае двуокись серы в воздухе превращается в серную кислоту. Свойства аэрозолей полезно знать и при изучении атмосфер других планет. Ниже рассмотрены некоторые основные понятия, относящиеся к аэрозолям [1].

Аэрозоль. Суспензия твердых или жидких частиц в газе, чаще всего в воздухе, - коллоидная система.

Пыль. Система, включающая твердые частицы, образующиеся в процессах измельчения - дроблении, размоле, взрыве, сверлении. Возникающие частицы представляют собой миниатюрные образцы исходного материала. Размеры частиц могут находиться в широких пределах: от субмикронных до миллиметровых.

Дым. Облако частиц, образующихся при некоторых процессах окисления, например при горении. Такие системы часто имеют высокую оптическую плотность.

Обычно источниками дыма являются продукты сгорания органических топлив - каменного угля, нефти, древесины и др. Частицы дыма имеют приблизительно такие же размеры, как частицы пыли.

Аэрозоли могут обладать различной дисперсностью (от эффективного диаметра d = 10-9 м до d = 10-3 м). Этот параметр влияет на остальные экологически вредные свойства. Наибольшую опасность представляют частицы размером 0,2-5 мкм, т.к. они способны проникать и накапливаться в легких. В зависимости от размеров частиц аэрозоли делятся на высокодисперсные (d < 10-7 м) среднедисперсные (10 -7 м < d <10 -6 м) и грубодисперсные (d > 10-6 м). Последние превалируют в выбросах теплоэнергетических установок. Кроме того, аэрозоли подразделяются на монодисперсные и полидисперсные. Большинство природных и искусственных аэрозолей обладает довольно широкой полидисперсностью. Пыльца растений, некоторые виды полистирольных латексов, а