Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
Л. Ю. Кошкина, С. А. Понкратова,
С. Г. Мухачев
РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ
ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2014
1
УДК 504.3.054
Рецензенты:
проф. кафедры инженерной кибернетики
КГЭУ В. Н. Шарифуллин
зам. ген. директора ОАО "Татнефтехиминвестхолдинг" проф. И. А. Якушев
ISBN 978-5-7882-1683-6
©
Кошкина Л. Ю., Понкратова С. А.,
Мухачев С.Г.., 2014
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2014
Кошкина Л.Ю.
Расчет концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе :
учебное пособие / Л.Ю. Кошкина, С.А. Понкратова, С.Г. Мухачев; Мво образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань :
Изд-во КНИТУ, 2014. – 88 с.
ISBN 978-5-7882-1683-6
Пособие содержит теоретические основы расчетов рассеивания
вредных веществ в атмосферу, методику компьютерного расчета в
Visual Basic for Applications, а также позволяет сформировать компетенции по методам защиты производственного персонала и населения от
возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий и по
использованию современных информационных технологий для мониторинга природных сред.
Предназначено для студентов направлений подготовки «Химические технологии» и «Промышленная экология и биотехнологии».
Подготовлено на кафедре химической кибернетики.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета
2
Введение
Под действием внешних и внутренних факторов в атмосферном воздухе постоянно протекают гидродинамические, тепловые,
электромагнитные, химические и фотохимические процессы, от которых зависят температура, давление, скорость перемещения и химический состав воздуха.
Практически во всех отраслях промышленности имеются выбросы вредных веществ в атмосферный воздух. В атмосферу попадают аэрозольные частицы, газообразные вещества и пары.
Искусственное загрязнение воздушного бассейна существенно
изменяет природный состав атмосферного воздуха.
Вследствие загрязнения атмосферы изменяются климатически
и микроклиматические условия. В загрязненной атмосфере снижается
солнечная радиация: видимая её составляющая до 50 %, прямая радиация – до 15 % по сравнению с радиацией при незагрязнённой атмосфере. Ультрафиолетовая радиация, которая характеризуется антибактерицидным действием, уменьшается на 30 %. Микроклиматические
изменения, происходящие в городах и индустриальных центрах, характеризуются увеличением средней температуры воздуха на 2-9 0С,
уменьшением видимости, увеличением осадков и облачности, изменением циркуляции воздуха.
Атмосферные загрязнения не имеют границ. Дальность распространения выбросов промышленных предприятий достигает сотен
километров. От загрязнений страдают не только страны-источники
загрязнений, но и страны-соседи. Загрязнение атмосферы перестало
быть внутренним делом государств!
3
1. Атмосфера и загрязняющие вещества
1.1. Нормативные документы
Федеральный закон от 4 мая 1999 г. N 96-ФЗ "Об охране атмосферного воздуха" (с изменениями и дополнениями).
Постановление Правительства РФ № 182 от 2.03.2000 г. "О порядке установления и пересмотра экологических и гигиенических
нормативов качества атмосферного воздуха, предельно допустимых
уровней физических воздействий на атмосферный воздух и государственной регистрации вредных (загрязняющих) веществ и потенциально опасных веществ". М., 2000.
Постановление Правительства РФ № 183 от 2.03.2000 г. "О
нормативах выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него". М., 2000.
Постановление Правительства РФ от 09.08.2013 № 681 "О государственном экологическом мониторинге (государственном мониторинге окружающей среды) и государственном фонде данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды)". М., 2013.
ГОСТ 17.2.1.01-76 Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу. М.; Из-во стандартов, 1981.
ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила
установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. М.; Из-во стандартов, 1979.
ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера. Метеорологические аспекты загрязнения и промышленные выбросы. Основные
термины и определения. М.; Из-во стандартов, 1979.
СНиП 11-01-95 "Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений". Госстрой РФ, М., 1996.
(Раздел проектной документации "Охрана окружающей среды").
РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М., 1991,
Перечень законодательных, нормативных и инструктивнометодических документов в области охраны атмосферного воздуха.
СПб.; ОАО «НИИ Атмосфера», 2012.
4
Перечень методик, используемых в 2014 году для расчета,
нормирования и контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. СПб.; ОАО «НИИ Атмосфера», 2013, http://www.nii-
atmosphere.ru.
1.2. Термины и определения
Атмосфера (от греч. atmos – пар и spharia – шар) – воздушная
оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней.
Атмосферный воздух – жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных
помещений.
Вредное (загрязняющее) вещество – химическое или биологи-
ческое вещество либо смесь таких веществ, которые содержатся в атмосферном воздухе и которые в определенных концентрациях оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую природную среду.
Временно согласованный выброс (ВСВ) – временный лимит
выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух,
который устанавливается для действующих стационарных источников
выбросов с учетом качества атмосферного воздуха и социальноэкономических условий развития соответствующей территории, в целях поэтапного достижения установленного предельно допустимого
выброса.
Загрязнение атмосферного воздуха – поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством
гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного
воздуха.
Кислотный дождь – дождь, водородный показатель которого
рН меньше 5,6.
Контроль загрязнения атмосферы – проверка соответствия
содержания загрязняющих атмосферу веществ установленным требованиям.
5
Концентрация примеси в атмосфере – количество вещества,
содержащееся в единице массы или объема воздуха, приведенного к
нормальным условиям
Мониторинг атмосферного воздуха – система наблюдений за
состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнений.
Озоновый слой – часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км
(в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных
15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения
Солнца молекулярный кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые
затем соединяются с другими молекулами О2, образуя озон (О3).
Парниковый эффект – повышение температуры нижних слоёв
атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то
есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из
космоса.
Предельно допустимый выброс (ПДВ) – норматив предельно
допустимого выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для стационарного источника загрязнения атмосферного воздуха с учётом технических нормативов выбросов и фонового загрязнения атмосферного воздуха при
условии не превышения данным источником гигиенических и экологических нормативов качества атмосферного воздуха, предельно допустимых (критических) нагрузок на экологические системы, других
экологических нормативов.
Приземная концентрация примеси в атмосфере – концентрация примеси в атмосфере, измеренная на высоте 1,5-2,5 м от поверхности земли.
Смог (англ. smog, от smoke – дым и fog – туман), сильное
загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах.
6
1.3. Состав и строение атмосферы
Для оценки переноса загрязнений в атмосфере рассмотрим её
строение и состав.
Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли,
так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.
Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.
Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.
Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового
излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей
планете охлаждаться.
В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по температуре и плотности: тропосфера, озоновый слой, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера (рис. 1).
Рис. 1. Строение атмосферы Земли
7
Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %),
Газ
Объемная концен-
трация. %
Молекулярная масса,
ед.
Азот
78,084
28,0134
Кислород
20,9476
31,9988
Аргон
0,934
39,948
Углекислый газ
0.0314
44,00995
Неон
0,001818
20,179
Гелий
0,000524
4,0026
Метан
0,0002
16,04303
Криптон
0,000114
83,80
Водород
0,00005
2,01594
Закись азота
0,0000087
44,0128
Ксенон
от 0 до 0,00001
131,30
Двуокись серы
от 0 до 0,000007
летом;
от 0 до 0,000002
зимой
64,0628/47,9982
Озон
От 0 до 0,000002
46,0055/17,03061
Двуокись азота
Следы
28,01055
Аммиак
Следы
Окись углерода
Следы
кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона
и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1).
Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной
поверхности
8
Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы, которые могут иметь как естественное, так и искусственное
(антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные
кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси.
Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.
В 1 м3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не
более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г;
при +30 °С — не более 30 г воды.
Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара
может в нем содержаться.
Атмосферное давление на высоте h по давлению на уровне
моря Po и температуре воздуха T вычисляется по следующей формуле:
где Po— давление Па на уровне моря [Па]; M — молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль]; g — ускорение свободного падения 9,81
[м/с²]; R- универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К]; T —
абсолютная температура воздуха [К], T = t + 273, где t — температура
в °C; h — высота [м].
На небольших высотах каждые 12 м подъёма атмосферное
давление уменьшается на 1 мм рт. ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.
Давление на высоте 5000 м равно приблизительно половине
давления над уровнем моря. Следовательно, половина массы атмосферных газов сосредоточена в зоне от 0 до 5000 м.
1.4. Источники загрязнения атмосферы
Существует два главных источника загрязнения атмосферы
(рис. 2): природное (естественное) и антропогенное (искусственное).
Природные источники - это вулканы, пылевые бури, лесные пожары,
процессы разложения растений и животных. Наиболее значительными
из выше указанных загрязнителей являются лесные пожары, особенно
в наше время, когда из-за высокой температуры они приобретают
угрожающие масштабы, особенно летом.
9
К основным антропогенным источникам загрязнения относят
промышленность, бытовые котельные, транспорт. Главный вклад в
загрязнение воздушного бассейна вносит промышленность, особенно
в местах её концентрации. Источниками загрязнений являются теплоэлектростанции, металлургические предприятия, химические и цементные заводы.
Атмосферные загрязнители делят на 2 вида: первичные — поступающие непосредственно в атмосферу, вторичные — являющиеся
результатом превращения последних (в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязнителями и
компонентами атмосферы).
Загрязнение атмосферного воздуха предприятиями химической промышленности обусловлено рядом причин.
1. Неполный выход продукции (неполнота сгорания реакции,
потери конечного продукта и др.).
2. Выброс в атмосферу примесей и загрязнений при переработке сырья (фтористых соединений из природных фосфатов и руд;
диоксиды серы и сероводорода из природного газа, сырой нефти и
каменного угля; мышьяка и селена при производстве серной кислоты
и т.д.).
3. Потери веществ, используемых в производственных процессах, например летучих органических растворителей, сероуглерода и
сероводорода при изготовлении искусственного шелка вискозы; оксидов азота при производстве серной кислоты; соединений фтора при
производстве алюминия и др.
4. Попадание в воздух пахучих веществ и продуктов окисления и деструкции в результате процессов термоокислительной деструкции, нагревания или сушки (производство продуктов питания,
мыла, клея и изделий из дерева, окраска автомобилей, синтез и переработка полимерных материалов, производство растворителей и др.)
Основными загрязняющими веществами являются следующие
соединения.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]