Теоретическое введение.

Загрязнение атмосферы промышленными выбросами.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия, транспорт, энергетические системы. Их относительное участие в загрязнении атмосферы распределяется следующим образом, %: теплоэнергетика - 27,0; черная металлургия - 24,3; цветная металлургия - 10,5; нефтедобыча и нефтехимия - 15,5; транспорт - 13,3; стройиндустрия - 8,1; химическая промышленность - 1,3.

Наибольший удельный вес загрязнений атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода, серы и азота, углеводородов и промышленной пыли. В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 250 млн т пыли, 200 млн т оксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 50 млн т оксидов азота, более 50 млн т различных углеводородов и 20 млрд т диоксида углерода.

Загрязнения в атмосферу могут поступать непрерывно или периодически, залпами или мгновенно. В случае залповых выбросов за короткое время в воздух выделяется большое количество вредных веществ. Залповые выбросы возможны при авариях или сжигании быстро горящих отходов производства на специальных площадках уничтожения. При мгновенных выбросах загрязнения выбрасываются в доли секунды иногда на значительную высоту, что происходит при взрывных работах и авариях.

Организованный промышленный выброс - это выброс, поступавший в атмосферу через специально сооруженные газоотводы, воздуховоды, трубы.

Неорганизованный – промышленный выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушений герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта.

Организованные выбросы на предприятиях могут быть технологическими ивентиляционными.

К технологическим относятся выбросы при технологических процессах, выбросы при продувке оборудования, труб ТЭС, котельных.

К вентиляционным относятся выбросы общеобменной и местной вытяжной вентиляции. В атмосферу с отходящими газами поступают твердые, жидкие, паро- и газообразные неорганические и органические вещества, поэтому по агрегатному состоянию загрязнения подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и смешанные. На рис.6 представлена классификация выбросов.

Промышленное производство - источник различного вида загрязнений окружающей среды. Вид, количество и состав загрязнений определяются производственным процессом, используемым сырьем, материалами и масштабами производства.

Загрязнение атмосферы транспортом

К числу основных загрязнений окружающей среды относятся выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателей (ГТД). Исследования состава отработанных газов ДВС показывают, что в них содержатся несколько десятков компонентов, среди которых оксиды углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен и другие.

Наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, NО_х, С_nН_m и других веществ. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности молекулы и частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных.

Широкое применение этилированного бензина вызвало загрязнение воздуха весьма токсичными соединениями свинца, обладающими способностью к накоплению в организме. Доля загрязнений атмосферы отработанными газами ДВС в общем балансе примесей составляет 15-50 % и более.

В последние годы существенно возросла доля ГТД в общем выбросе вредных примесей в атмосферу. Выхлопные газы ГТД содержат в своем составе токсичные компоненты, такие, как: СО, N_хO_у, углеводород, сажа, альдегиды и др.

 

 

Рисунок 6. Классификация газовых выбросов

 

Содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы и конструкции двигателей, качества и способа подачи топлива и т. п. Для снижения загрязнения атмосферы промышленными выбросами совершенствуют технологические процессы, осуществляют герметизацию технологического оборудования, применяют пневмотранспорт, строят различные очистные сооружения.

Наиболее эффективным направлением снижения выбросов является создание безотходных технологических процессов.

Воздействие вредных газов на здоровье человека и их нормирование

Примеси, поступающие в атмосферу, оказывают различное токсическое воздействие на организм человека.

Оксид углерода (СО). Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином крови, который становится неспособным переносить кислород к тканям). Поскольку оксид углерода бесцветный газ и не имеет запаха, это делает его опасным. При наличии в воздухе оксидов азота токсичность СО возрастает. Первичные симптомы отравления оксидом углерода - появление болей в голове, при больших концентрациях - ощущение пульса в висках, головокружение.

Оксиды азота (N_хO_у). Известны следующие соединения азота с кислородом: N₂O, NO, N₂O₃, NО₂, N₂O₄, N₂O₅, NO₃, N₂O₆. Основной выбрасываемый оксид NО₂ бурого цвета с резким запахом, очень ядовит, раздражающе действует на органы дыхания человека. Первый признак отравления оксидами азота - легкий кашель. При повышении их концентрации возникает сильный кашель, рвота, иногда головная боль.

Диоксид серы (SO₂). Бесцветный газ с острым запахом; уже в малых дозах (концентрациях) создает неприятный вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути, при концентрациях около 50мг/м³ образует последовательно Н₂SO₃ и Н₂SO₄. Порог запаха составляет 3-6мг/м³.

Углеводороды. В малых концентрациях снижают активность, вызывают головную боль, головокружение, раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Действие углеводородов зависит от класса соединений. Особую опасность представляют канцерогенные вещества, например, бензапирен (С₂₀Н₁₂).

Пыль различного состава и происхождения. Постоянно присутствует в атмосфере. Особую опасность для человека представляют тонкодисперсные пыли с размером частиц 0,5-10 мкм, легко проникающие в органы дыхания.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей. Основной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация - количество вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях, обычно в мг/м³.

ПДК - это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни не оказывает на человека и окружающую среду в целом вредного воздействия, включая отдаленные последствия. По времени различают максимально разовую ПДК и среднесуточную ПДК.

Методы очистки и обезвреживания газовых выбросов

Под очисткой газа понимают отделение от газа и превращение в безвредное загрязняющего вещества, поступающего из промышленного источника.

Классификация методов очистки газов в настоящее время не вполне устоялась; их различают по типу процесса (абсорбционные, хемосорбционные, адсорбционные, каталитические), по характеру (регенерационные и нерегенерационные), по типу получаемого продукта, по виду загрязнений (пыль, аэрозоли, туманы, газы) и т. д.

Условная классификация методов и аппаратов для обезвреживания газовых выбросов от различных примесей приведена на рис. 15.

Выбор метода и аппарата очистки зависит:

1) от концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах;

2) дисперсного состава;

3) объема газа;

4) температуры газа;

5) наличия в газе других примесей;

6) от требуемой степени очистки;

7) возможности использования продуктов рекуперации.

 

Рисунок 7. Классификация методов для обезвреживания газовых выбросов

Задание 1. Расчет рассеивания промышленных выбросов от одиночного источника. Нагретые выбросы.

Максимальная приземная концентрация вредных веществ См для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного (точечного) источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм (м) от источника должна определяться по формуле:

                                     (9)

где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, с^2/3• мг•град^1/3/г; М — количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и n — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н — высота источника выброса над уровнем земли, м; ΔТ — разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_Г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_В, град; V₁ — объем газовоздушной смеси (м³/с), определяемый по формуле

                                       (10)

где D — диаметр устья источника выброса, м/с.

Коэффициент А принимается равным 120–240. Величина ΔТ (°С) определяется как разность температуры окружающего атмосферного воздуха Т_В по средней температуре наружного воздуха в 13 ч наиболее жаркого месяца года по главе СНиП «Строительная климатология и геофизика» (21,5 °С), а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Т_Г — по действующим для данного производства технологическим нормативам.

Значения безразмерного коэффициента F принимаются:

а) для газообразных вредных веществ (сернистого газа, сероуглерода и т.п.) и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) — 1;

б) для пыли и золы (кроме указанных в п.а), если средний эксплуатационный коэффициент очистки равен: не менее 90 % — 2; от 75 до 90 % — 2,5; менее 75 % — 3.

Безразмерный коэффициент m определяется по формуле:

                            (11)

в зависимости от параметра f, м/(с²•град), вычисляемого по формуле:

(4)

Значение безразмерного коэффициента n определяется по формулам (12)–(14) в зависимости от параметра V_М, вычисляемого по формуле (15).

При V_M≤ 0,3                                             n = 3;                                (12)

при 0,3 ≤ V_M ≤ 2                                    (13)

при V_М > 2                                                n = 1,                               (14)

где                                                                                 (15)  

Максимальная приземная концентрация вредных веществ С_М при неблагоприятных метеорологических условиях достигается на оси факела выброса (по направлению среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии Х_М (м) от источника выброса.

Величина Х_М определяется по формуле:

Х_M = dH                                        (16)

где d — безразмерная величина, определяемая по формулам:

при V_M ≤ 2                                                              (17)

при V_М > 2                                                                  (18)

Когда безразмерный коэффициент f ≥ 2 , величина Х_М определяется по формуле:

                                                                                           (19)

Опасная скорость ветра v_М (м/с) на уровне флюгера (обычно 10 м от земли), при которой имеет место наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе С_М, должна приниматься:

при V_M≤ 0,5                                              v_M = 0,5;                                (20)

при 0,5 ≤ V_M≤ 2                                    v_M = V_M;                          (21)

при V_M > 2                                                                  (22)

Максимальная приземная концентрация вредного вещества С_Mи (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра (м/с), отличающейся от опасной скорости ветра v_M , должна определяться по формуле:

C_Mu = rC_M , (16)

где r — безразмерная величина, определяемая в зависимости от соотношения v/ v_M по формулам:

при                                                  (23)

 

при                                                          (24)

 

Расстояние от источника выброса Х_Мv (м), на котором при скорости ветра v и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_Мv (мг/м³), определяется по формуле

                                                        X_Mv = pX_M ,                           (25)

где р — безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения v/v_М по формулам:

при                                       p = 3                                             (26)

при                                                              (27) 

при                                                       (28)

 

Значения приземных концентраций вредных веществ С в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях от источника выброса определяются по формуле:

                                                           С = S₁C_M ,                           (29)

где S₁ — безразмерная величина, определяемая при опасной скорости ветра в зависимости от соотношения Х/Х_М по формулам:

при                                           (30)

при                                                        (31)

 

при X/X_M > 8  и F > 1 величина S₁ определяется по формуле:

                                                          (32)

Аналогично определяются значения концентраций вредных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоростей ветра и неблагоприятных метеорологических условиях.

Произвести расчет рассеивания выбросов из одиночного источника (нагретые выбросы) согласно варианту, выданному преподавателем. Данные для расчета приведены в таблице 24. По вычисленным данным построить поля концентрации выбросов.

 

 Таблица 24 – Задание для выполнения работы

№ п/п	A	M	F	H	ΔT	D	ω0	v
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	240	12.4	1	120	100	1.4	0.3	5
2	200	25.6	2	80	210	2.2	0.4	2
3	160	20.3	2.5	160	200	0.9	0.1	4
4	120	35.1	3	110	130	0.85	0.2	6
5	240	22.8	1	90	180	1.24	0.3	3
6	200	32.6	2	98	125	1.6	0.2	8
7	160	18.8	2.5	56	170	2.1	0.4	7
8	120	21.5	3	100	220	1.8	0.1	10
9	240	30.2	1	62	165	0.86	0.2	9
10	160	18.3	2	70	90	0.94	0.3	4

 

Требование к содержанию отчета. Оформление расчетной работы провести в таблицах 25 и 26:

Таблица 25 - Результаты выполнения работы

Дано №п/п	A	M	F		H	ΔT		D	ω0	v
Рассчитываемый параметр				Формула			Результат расчета
1				2			3
1. Объем газовоздушной смеси (м3/с)
2. Безразмерные коэффициент m, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса

Продолжение табл.25

1	2	3
3. Параметр f м/(с2•град)
4.Безразмерные коэффициент n, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса	Записать формулу в зависимости от параметра Vм (см. стр.1)
5. Расчет параметра Vм
6. Максимальная приземная концентрация вредных веществ См для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного (точечного) источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях
7. Максимальная приземная концентрация вредных веществ СМ при неблагоприятных метеорологических условиях достигается на оси факела выброса (по направлению среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии ХМ (м) от источника выброса.	ХM = dH
8. Безразмерная величина d	Записать формулу в зависимости от параметра Vм (см. стр.2)
9. Расчет опасной скорости ветра	Записать формулу в зависимости от параметра Vм (см. стр.2)
10.Расчет максимальная приземная концентрация вредного вещества СMи (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра (м/с), отличающейся от опасной скорости ветра vM	CMu = rCM
11. Соотношение v/vм
12. Расчет безразмерной величины r	Записать формулу в зависимости от соотношения v/vм (см. стр.2)

Окончание табл.25

1	2	3
13. Расстояние от источника выброса ХМv (м), на котором при скорости ветра v и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения СМv	XMv = pXM
14. Расчет безразмерной величины р	Записать формулу в зависимости от соотношения v/vм (см. стр.2)

 

Вывод (формулируется на основе 6 и 7, 10 и 13 пп.):

 

Таблица 26 - Значения приземных концентраций вредных веществ С в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях от источника выброса (поле концентрации выбросов)

Х/Хм		0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0
Х, м
S1	Формула
	Значение
С	С = S1CM

Контрольные вопросы.

1. Перечислите мероприятия, направленные на защиту воздушного бассейна. Дайте их краткую характеристику.

2. Какова роль законодательства в области охраны воздушного объекта?

3. Что такое экологизация технологических процессов? Приведите примеры.

4. Для каких целей устраивают санитарно-защитные зоны? Какую роль выполняют защитные насаждения?

5. Охарактеризуйте существующие методы очистки выбросных газов от пыли. Какие аппараты для этого применяют?

6. Какие методы очистки выбросных газов от химических веществ вы знаете? Какие принципы лежат в основе их работы?

7. Какие методы снижения загрязнения воздушного бассейна выхлопными газами автотранспорта разработаны? Почему медленно реализуется программа выпуска экологичных автомобилей?

8. Каковы задачи государственного контроля за состоянием охраны атмосферного воздуха? Кто его осуществляет?