Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная экология. Практикум
.pdf
шей расчетной характеристикой в оценке влияния предприятия на
окружающую среду.
Промышленные источники выбросов бывают организованные
и неорганизованные. В первых организован целенаправленный
отток газов через специальные инженерно-технические сооружения (например, трубы и газоходы) в очистное технологическое
оборудование. Организованные источники по мощности могут
составлять от 0 % (несовершенное производство) до 100 % (совершенное производство). Для Российской Федерации в среднем доля
организованных источников составляет 30 %, остальные 70 % газовых выбросов рассеиваются через окна, фонари и другие цеховые
негерметичности. Так создаётся неорганизованный, как правило,
площадный выброс. Поэтому по геометрическим особенностям
выделяют:
1) точечные (город – точка на карте);
2) площадные (регион в радиусе города)»
3) линейные (автотрасса).
В зависимости от высоты устья источника:
1) высокие – Н≥50 м;
2) средней высоты – Н от 10 до 50 м;
3) низкие источники – Н от 2,1 до 10 м;
4) наземные – Н≤2 м.
Ветровые потоки. Для понимания особенностей загрязнения
атмосферы не очень долгоживущими примесями целесообразно
представить картину глобальной циркуляции воздуха в экваториальной области, где происходит «встреча» воздушных потоков северного и южного полушария (рис. 1.7). На пути распространения
загрязнений встречаются трудные зоны (барьеры). Это области
внутритропической зоны конвергенции (ВЗК), где сталкиваются
пассаты, дующие всегда в сторону экватора. Этим объясняется тот
факт, что северное полушарие в среднем загрязнено сильнее, чем
южное. Это, прежде всего, относится к короткоживущим веществам (менее 1 года). Однако для веществ с большим временем
пребывания в атмосфере (СО
) или супертоксикантов наличие яче-
2
ек Гадлея в ВЗК почти не сказывается на их перераспределении
между полушариями.
11
ВЗК – это зоны внутритропиче-
ской конвергенции (ВЗК).
токи с м
полюс
экватор
ВЗК
незамкнутая
ячейка
тропосфера
тропопауза
стратосфера
Ячейка Гадлея – это замкнутые
циркуляционные по
нимальным тепломассообменом (застойные зоны в сплошном потоке).
ячейка
Гадлея
Рис. 1.7. Упрощенная схема глобальной циркуляции воздуха
в вертикальном сечении
Для оценки влияния предприятия следует уяснить, что:
– вещества, образующиеся и выделяющиеся в одном географическом месте, не задерживаются на одной территории, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях;
– вещества в атмосфере пребывают ограниченное время – они
вступают в химические реакции или выпадают на поверхность
в виде осадка (самоочищение). Непрерывный и самопроизвольный
процесс переноса и перераспределения химических элементов и
веществ между всеми частями биосферы и внутри них, называемый миграцией веществ, есть объективная реальность, с которой
следует считаться. Так, если выброс на территории страны превышает выпадение осадков в неизменной или преобразованной форме, то баланс страны характеризуется как отрицательный: страна
больше загрязняет, чем загрязняется сама. Эта проблема уже из
разряда глобальных.
Ни одно предприятие не может существовать без выбросов,
сбросов, отходов.
Выброс – это целенаправленное кратковременное или дли-
тельное поступление загрязняющих веществ в атмосферный воз-
и-
12
дух (преимущественно газообразных). Попадая в биосферу, эти
загрязнения должны быть, как можно быстрее и тщательнее перемешаны с принимающей средой, чтобы концентрация в регламентируемых точках не превышала нормативных (допустимых) значений. При этом используется свойство текучих сред: переносить
вещество и момент количества движения во всех направлениях
(в том числе против основного потока). Такое свойство движений,
если они упорядочено, связано с конвенцией, а при больших интенсивностях в случае потери дальнего порядка – с турбулентностью. Конвенция – это явление теплового обмена.
Турбулентность – явление, наблюдаемое во многих течениях
жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях
образуются многочисленные вихри различных размеров. Вследствие чего такие характеристики, как скорость, температура, давление, плотность, испытывают хаотические флуктуации и поэтому
изменяются нерегулярно. Благодаря турбулентности происходит
обмен количеством движения и теплотой между атмосферой и океаном, испарение, вертикальный перенос тепла, влаги, солей, загрязнения.
Существует три механизма, приводящие к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере:
Рассеивание. Это основной, самый дешевый и доступный способ достижения существующих нормативов загрязнения. Это перемешивание выбросов путем конвективного и турбулентного
движения воздушных масс (диффузия).
Деградация (трансформация) – это химические и биохимиче-
ские процессы, фотохимические реакции. В результате адсорбции
и поглощения происходит трансформация веществ с изменением
форм существования – гидролиз, комплексообразование, окисле-
ние – восстановление.
Иммобилизация. Процессы адсорбции, поглощения. Подобие
предыдущему.
Рельеф местности оказывает влияние на характер рассеивания
примесей. При пологом рельефе воздушный поток практически
полностью обтекает неровности местности. Здания, сооружения,
коммуникации предприятий являются препятствием на пути движения воздушных масс, влияют на рассеивание загрязняющих ве-
13
ществ. Различают четыре типа возмущений воздушного потока над
препятствием:
1. Ламинарное течение. Наблюдается обычно при очень сла-
бых ветрах. Линия тока над возвышенностью повторяет ее форму,
причем амплитуда возмущений с высотой быстро затухает. Вниз
по течению от препятствия никаких возмущений не наблюдается.
2. Течение стоячего вихря. Возникает при умеренных ветрах.
На подветренной стороне препятствия образуется вихрь с приблизительно горизонтальной осью. Этот вихрь не изменяет своего месторасположения. При устойчивом вихре гребень его над препятствием смещается вниз по течению воздуха. На заветренном
склоне возникает воздушное течение, противоположное по
направлению основному потоку.
3. Волновое движение потока. Возникает при усиливающихся
с высотой сильных ветрах, когда стационарный вихрь на заветренной стороне как бы распадается на систему вихрей.
4. Течение ротора. Очень сильные ветры образуют вихри,
приближающиеся как один к другому, так и к препятствию. Волновая система разрушается, и движение приобретает неупорядоченный характер.
Недостаток экспериментальных данных не позволяет точно
установить, при каких значениях числа Рейнольдса устанавливается тот или иной тип возмущения воздушного потока над препятствием.
Устойчивые воздушные однонаправленные потоки называются ветрами. Они обусловлены общей циркуляцией атмосферы под
действием разогрева воздуха солнцем, вращения Земли и силы
трения (силы Кориолиса). Сила трения возникает в приземном слое
и обусловлена шероховатостью земной поверхности, она также
возникает между слоями воздуха, которые движутся с различной
скоростью. Неравномерный нагрев и рельеф местности являются
причиной возникновения ветра в нижних слоях атмосферы. Это
местные, локальные ветры (скорость воздуха не более 2–3 м/с).
Движение воздушного потока в естественных условиях всегда
имеет беспорядочный турбулентный характер (перемешивание потоков). Хотя общие причины и силы циркуляции атмосферы хорошо определены, точность детального предсказания ветров остается
пока невысокой. Различают турбулентное перемешивание по мас-
14
штабам и структуре. Критерий – скорость ветра. Международной
Скорость
м/с
Дым из трубы поднимается
вертикально
Направление ветра опреде-
флюгера
Лицо человека ощущает
двигаться
Листья находятся в непре-
флаги полощутся
метеорологической комиссией принята шкала Бофорта (табл. 1.1).
Как видно, для рассеивания ЗВ в атмосфере наибольшую опасность представляет штиль, тихий, легкий ветер.
Ветер – величина векторная: для его характеристики необходимо наряду со скоростью указывать также направление. Неустойчивость направлений ветра в течение года характеризуется величиной повторяемости ветра данного направления. Повторяемость –
доля (%) ветров определенной скорости. Графическое представление повторяемости ветров на определенной территории в виде диаграммы называют розой ветров (рис. 1.8). Это важный элемент
характеристики воздействия предприятия на окружающую среду.
Роза ветров – это график, изображающий режим ветра в данном
месте; обычно строится по многолетним данным для месяца, сезона, года. По восьми (16) румбам откладывают в выбранном масштабе в виде векторов значения повторяемости (в % от общего
числа наблюдений) направлений или значения средних и максимальных скоростей ветра, соответствующие каждому румбу. Концы векторов соединяют ломаной линией. Построение розы ветров
представлено на рис. 1.8.
Таблица 1.1
Шкала Бофорта
Баллы
Бофорта
0 Штиль
1 Тихий
2 Легкий
3 Слабый
Характеристика
ветра
Подробное описание
ляется по направлению
дыма, но не по движению
ветер; слышится шорох
листьев; флюгер начинает
рывном движении; легкие
15
ветра,
0–0,5
0,6–1,7
1,8–3,3
3,4–5,2
4 Умеренный
В воздух поднимаются об-
ваются
Небольшие деревья с листвой начинают раскачиваться
Большие ветки находятся в
ра в телеграфных проводах
Ветви деревьев находятся в
непрерывном движении
Ветви деревьев обламыва-
ветра
Наблюдаются легкие по-
дымовые трубы
Деревья вырываются с кор-
ждения зданий
11
Жесткий шторм
Большие разрушения
25,2–29,0
Более
29,0
рывки бумаги и пыль,
небольшие ветки раскачи-
5,3–7,4
5 Свежий
6 Сильный
7 Крепкий
8 Очень крепкий
9 Шторм
10 Сильный шторм
12 Ураган Опустошительные действия
движении, слышен свист вет-
ются; трудно идти против
вреждения зданий, падают
нем; значительные повре-
7,5–9,8
9,9–12,4
12,5–15,2
15,3–18,2
18,3–21,5
21,6–25,1
Роза ветров – динамическое явление, так как человеческая деятельность приводит к изменению ландшафтов (что и вызывает
изменение розы ветров).
Итак, атмосфера Земли постоянно циркулирует: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными
воздушными потоками, движущимися от полюсов. Направление
ветра зависит от величины перемещающего воздушные массы градиента атмосферного давления, а скорость ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Воздушные массы могут перемещаться потоками, параллельными поверхности Земли,
а также вертикальными струями, которые возникают под действием тепловых градиентов. Турбулентное перемешивание приземного слоя атмосферы может происходить при взаимодействии с поверхностью почвы или при тепловом расслоении атмосферы. Механические и температурные перемещения могут наблюдаться одновременно.
16
Верхняя цифра 20 –
20
4,4
С
С-В
В
Ю-В
Ю
Ю-З
З
С-З
20
4,4
13
4,3 5 4,8
13
4,7
6
3,0 9 3,0
15
3,6
19
4,1
2. Изменение концентрации над факелом выброса
2.1. Состояние факела выброса
На содержание вредных веществ в атмосфере оказывает влияние их рассеивание турбулентными потоками, действие осадков
или их оседание из-за наличия гравитационных сил. Расходящийся
в виде конуса поток газа или жидкости называют факелом. Механизм действия факельного выброса основан на дальнобойности
свободно затопленной струи и эжекционном вовлечении этой
струей окружающего воздуха.
Направляя выхлопную струю вертикально вверх и сообщая ей
повышенную выходную скорость 15–40 м/с, можно рассчитывать,
что в спокойную и безветренную погоду выбросной факел достигает значительной высоты, обеспечивающей рассеивание загрязняющих веществ на большом пространстве. Так, например, при
скорости выброса на выходе из трубы 15 м/с, диаметр трубы 0,7 м
и конечной осевой скорости факела 1 м/с дальнобойность факела в
безветренную погоду составит 60 м.
5%
повторяемость (%)
направления ветра.
Нижняя цифра 4,4 –
средняя скорость ветра,
м /с.
В среднем в течение
лета: статистика по
июлю – штиль (9 %),
средняя скорость ветра –
3 м/с.
Рис. 1.8. Роза ветров города N
17
Если при безветренной погоде высота факельного выброса над
устьем трубы достигает значительной величины, то ветер искривляет факел выброса. При этом первоначальное скоростное поле
факела изменяется, и частицы, которые на выходе из трубы имели
наибольшую скорость (по оси выходящего из трубы факела), оказываются в верхней части искривленного потока; частицы, имеющие на выходе из трубы наименьшую скорость, будут сразу же
сдуваться с устья трубы, т. е. окажутся в нижней части факела.
Обмен в струе определяется также турбулентностью: турбулентность в струе факела (выброса) и турбулентность в окружающем воздухе взаимосвязаны. При достаточно интенсивном турбулентном перемешивании в атмосферном воздухе эта взаимосвязь
определяет обмен в струе на всем ее протяжении, кроме начального участка. Вокруг источника выброса создается поле вертикальных скоростей, затухающих с удалением от него и способствующих подъему примеси вверх. Струя является непроницаемой для
ветрового потока, и за ней, как за препятствием, образуется зона
аэродинамической тени.
Установлено, что размывание факела наиболее энергично
происходит со стороны набегающего ветрового потока, при этом
теряется симметричность факела. С одной стороны, чем больше
скорость ветра, тем сильнее он будет искривлять факел, уменьшая
высоту выброса; с другой, сильный ветер обеспечивает более интенсивное рассеивание выбросов, что обусловлено турбулентной
диффузией. Повышение скорости газовоздушной смеси при выходе из трубы увеличивает турбулентность струи, что способствует
ускорению и повышению эффективности процесса рассеивания.
Под воздействием ветра, направленного перпендикулярно круглой
компактной струе, ее сечение трансформируется в подковообразное. Измерения температурных полей в поперечных сечениях
струи на различных расстояниях от отверстия позволили установить, что изотермы также принимают подковообразную форму.
Концентрация газа по сечению в струе распределяется подобно
температуре.
Если расчетом устанавливается, что приземная концентрация
загрязняющих веществ от выбросов, поступающих в зону аэродинамической тени, превосходит ПДК, то такие вентиляционные и технологические выбросы должны быть выведены выше зоны аэроди-
18
намической тени. Удаление загрязнений за пределы аэродинамической тени может быть осуществлено либо через трубу необходимой
высоты, либо факельным выбросом. При этом следует учитывать,
что удаление выбросов через высокую трубу обеспечивает снижение концентрации при любых скоростях ветра, так как граница зоны
аэродинамической тени не зависит от скорости ветра.
В ряде случаев расположение высоких труб на крыше здания
нарушает его архитектуру или вызывает конструктивные затруднения, тогда используют факельный выброс, позволяющий удалить загрязняющие вещества за пределы зоны аэродинамической
тени при сравнительно малой высоте трубы. Однако следует учитывать, что факельный выброс требует дополнительных затрат
электроэнергии на создание нужной скорости на выходе газовоздушной смеси из трубы, поэтому при проектировании следует
проводить технико-экономическое сопоставление вариантов
устройства высоких труб или применения факельного выброса по
приведенным затратам с учетом продолжительности работы производственного объекта. Для промышленных установок выбросы
через трубу большой высоты имеют преимущество перед факельным выбросом, т. к. высокая труба часто позволяет устранить нежелательное влияние инверсионного слоя ниже ее устья.
2.2. Влияние застроек
На течение воздуха в приземном слое существенное влияние
оказывает рельеф подстилающей поверхности и наличие застроек.
Если ветер набегает на застройки, то возникает деформация ветрового потока, т. е. образуется неравномерное поле скорости. Это
влияет на характер рассеяния примесей.
Наибольшую деформацию потока ветра создают сплошные
здания и строения. Срывы потока с кромок зданий создают в основном поток ветра – турбулентность, значительно превышаю-
щую турбулентность до здания. Вокруг зданий образуются зоны с
течениями, отличающимися от течений невозмущенного потока.
С точки зрения загрязнения приземного слоя наибольшую опасность представляет зона аэродинамической тени (наблюдаются
обратные ветру потоки). Влияние зданий и сооружений (застройки) на загрязнение воздуха связано с изменением характера воздушных течений вблизи здания. При обтекании отдельных зданий
19
и их групп могут образовываться ветровые тени (застойные зоны)
с близкой к нулю средней скоростью ветра и интенсивным турбулентным перемешиванием.
По мере урбанизации и промышленного развития ветровая обстановка меняется; чаще всего благополучная обстановка меняется
на противоположную.
Так, строительство гидроэлектростанций связано со строительством водохранилищ, что изменяет локальный климат и формирует розу ветров, например, Братская ГЭС.
Кроме застроек, формируются также неблагоприятные ландшафты (поймы рек, прибрежные низины, жилые массивы на возвышенностях). Поэтому при ветре со стороны предприятий создаются значительные концентрации вредных веществ. В пониженных местах воздух застаивается, что неблагоприятно сказывается
на экологической ситуации территории, района. Влияние рельефа
местности на микрометеорологические условия учитывать затруд-
нительно из-за многообразия возможных ситуаций. Вместе с тем
при оценке воздействия предприятия на окружающую среду используются некоторые качественные и поправочные коэффициенты, а также закономерности. Известен закон Воейкона: для вогну-
тых форм рельефа характерны более резкие изменения метеоусловий во времени и пространстве, чем для выпуклых. В пониженных местах в ночное время создаются более частные и мощные инверсии с пониженными скоростями ветра (здесь чаще возникают застойные явления).
В связи с рельефными особенностями, характером застройки
важно учитывать соотношение высот ландшафтных элементов и
источников (труб). Высокие трубы, если их высота в 3,5 раза превышает высоту зданий или наивысших ландшафтных элементов
(иногда при Н>50 м). Низкий источник имеет высоту не намного
превышающую высоту зданий.
Если рассматривать рассеяние примеси из трубы, то надо
иметь в виду, что так называемая эффективная высота источника,
как отмечалось, складывается из высоты трубы Н и некоторой добавки ∆Н. При этом величина ∆Н увеличивается с увеличением
сил плывучести, т. е. с увеличением расхода выбрасываемых газов
и уменьшением диаметра трубы при объемном постоянном расхо-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]