Практическая работа № 3. Методика расчета рассеивания выбросов в атмосферу

Тема 2. Влияние современной антропогенной деятельности на биосферу Цель работы: получение практических навыков расчета рассеивания выбросов в атмосферу. Задачи:

• изучить теоретический материал;
• изучить методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий;
• рассчитать С_М (максимальную концентрацию вредных веществ в приземном слое атмосферы) и Н (минимальную высоту трубы);
• рассчитать ПДВ (предельно допустимые выбросы) и С_М.Т. (соответствующую ПДВ максимальную концентрацию вредных веществ в устье выбросной трубы или шахты).

Учебные вопросы

1. Назовите источники и виды загрязнения атмосферы.
2. Назовите методы очистки газовоздушных смесей.
3. Какие аппараты применяют для очистки выбросов в атмосферу?
4. Какие загрязняющие вещества содержатся в промышленных выбросах?

Изучив данную тему, студент должен: иметь представление:

• о значении, составе атмосферного воздуха;
• о видах и источниках загрязнения атмосферы;
• о влиянии вредных выбросов на экосистемы биосферы;

знать:

• законодательные, нормативные документы в области охраны атмосферного воздуха;
• методы очистки газовоздушных смесей;
• принципы работы аппаратов по очистке выбросов;

уметь:

• производить расчеты концентрации вредных веществ при выбросах в атмосферу;
• производить расчеты рассеивания вредных выбросов в атмосферу;

владеть:

• навыками оценки ПДВ в атмосферу;
• навыками выбора соответствующей аппаратуры для очистки выбросов;
• методами реализации мер по защите атмосферного воздуха.

Методические рекомендации по изучению темы При освоении темы необходимо:

• изучить теоретический материал;
• выполнить практические задания;
• ответить на контрольные вопросы.

Практическая часть Выброс вредных веществ в атмосферу должен производиться таким образом, чтобы загрязнение воздушной среды в приземном слое не превышало установленных предельно допустимых концентраций (ПДК). В ходе расчета могут быть установлены:

1. С_М – максимальная концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы для сравнения ее с ПДК;
2. Н – минимальная высота трубы или вентиляционной шахты для обеспечения ПДК вредных веществ в приземном слое воздуха;
3. ПДВ – предельно допустимый выброс вредных веществ, обеспечивающий концентрацию вредных веществ в приземном слое атмосферы не выше ПДК;
4. С_М.Т. – соответствующая ПДВ максимальная концентрация вредных веществ в устье выбросной трубы или шахты.

Формулы для расчетов

1. Максимальная концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы рассчитывается по формуле:

(1) где С_М – максимальная концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы, мг/м³; А – коэффициент, зависящий от условий рассеивания в атмосфере в соответствии с климатической зоной страны; коэффициент А колеблется в зависимости от потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) от 140 для центральной части европейской территории России до 250 – для Сибири, Дальнего Востока. В ОНД-86 приводятся 5 его значений: 140, 160, 180, 200, 250; М – масса выбрасываемых вредных веществ, г/с; n – безразмерный коэффициент, зависящий от параметра V′_м, указывающего на опасную скорость ветра на уровне флюгера; коэффициент n принимает следующие значения: n = 1 при ; при ;                                  (2) при . Параметр , указывающий на опасную скорость ветра, определяется по формуле: ,                                                     (3) где – скорость выхода газов в сечении устья трубы (м/с), рассчитываемая по формуле 4: .                                                    (4) К – коэффициент, зависящий от диаметра устья и объема выброса; вычисляется по формуле: ,  (5) где V – объем выбрасываемых газов, м³/с; D – диаметр устья выбросной трубы или шахты, м. F – безразмерный коэффициент, зависящий от скорости оседания веществ в атмосферном воздухе; коэффициент F принимает следующие значения: F = 1,0 для газообразных выбросов и мелкодисперсной пыли; F = 2,0 при коэффициенте очистки выбросов η ≥ 90 %; F = 2,5 при 75 % ≤ η < 90 %; F = 3,0 при η < 75 %. Н – высота выброса (для холодных выбросов – высота трубы), м.

2. Минимальная высота трубы (м) или вентиляционной шахты для обеспечения ПДК вредных веществ в приземном слое воздуха рассчитывается по формуле:

(6) где А – коэффициент, зависящий от условий рассеивания в атмосфере в соответствии с климатической зоной страны; в ОНД–86 приводятся 5 его значений: 140, 160, 180, 200, 250; М – масса выбрасываемых вредных веществ, г/с; F – безразмерный коэффициент, зависящий от скорости оседания веществ в атмосферном воздухе; коэффициент F принимает значения: F = 1,0 для газообразных выбросов и мелкодисперсной пыли; F = 2,0 при коэффициенте очистки выбросов η ≥ 90 %; F = 2,5 при 75 % ≤ η < 90 %; F = 3,0 при η < 75 %; D – диаметр устья выбросной трубы или шахты, м; V – объем выбрасываемых газов, м³/с; С_Д – допустимая концентрация вредности в приземном слое, определяемая как разность предельно допустимой (С_ПДК) и фоновой (С_Ф) концентраций, мг/м³: С_Д = С_ПДК – С_Ф.

3. Предельно допустимый выброс вредных веществ (г/с) определяется по формуле, представленной ниже:

(7) где С_ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества, мг/м³; Н – высота выброса (для холодных выбросов – высота трубы), м; V –  объем выбрасываемых газов, м³/с; А – коэффициент, зависящий от условий рассеивания в атмосфере в соответствии с климатической зоной страны; F – безразмерный коэффициент, зависящий от скорости оседания веществ в атмосферном воздухе; n – безразмерный коэффициент, зависящий от параметра V′_м, указывающего на опасную скорость ветра на уровне флюгера; D – диаметр устья выбросной трубы или шахты, м.

4. Максимальная концентрация вредных веществ (мг/м³) в устье выбросной трубы или шахты рассчитывается по формуле 8:

(8) где С_ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества, мг/м³; Н – высота выброса (для холодных выбросов – высота трубы), м; А – коэффициент, зависящий от условий рассеивания в атмосфере в соответствии с климатической зоной страны; в ОНД–86 приводятся 5 его значений: 140, 160, 180, 200, 250; F – безразмерный коэффициент, зависящий от скорости оседания веществ в атмосферном воздухе: F = 1,0 для газообразных выбросов и мелкодисперсной пыли; F = 2,0 при коэффициенте очистки выбросов η ≥ 90 %; F = 2,5 при 75 % ≤ η < 90 %; F = 3,0 при η < 75 %; n – безразмерный коэффициент, зависящий от параметра V′_м, указывающего на опасную скорость ветра на уровне флюгера: n = 1    при ; при ; при ; D – диаметр устья выбросной трубы или шахты, м.     Решение

1. Вычисление С_м – максимальной концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Данные для расчета:

• объем выбрасываемых газов V = 30000 м³/ч = 8,33 м³/с;
• диаметр устья D = 1 м;
• высота вентиляционной шахты Н = 30 м;
• С_Ф = 0,10 мг/м³;
• С_ПДК = 0,5 мг/м³;
• коэффициент пылеулавливания η = 90 %, т. е. F = 2;
• валовый выброс пыли М = 4 г/с;
• местонахождение предприятия – центральная часть европейской территории РФ, т. е. А = 140.

1) Рассчитываем скорость выхода газов в устье трубы ω₀: . 2) Определяем параметр V′_м : 3) Определяем n: . 4) Вычисляем К: . 5) Определяем С_м: . 6) Проверяем возможность повышения ПДК: , т. е. . Вывод: максимальная приземная концентрация в приземном слое от источника составит 0,365 мг/м³, что не приведет к превышению ПДК.

2. Определение высоты трубы H при соблюдении условия .

1) Определяем С_Д – допустимую приземную концентрацию вредных веществ в приземном слое: . 2) Тогда . Найденная величина Н подвергается проверке. Если для Н , то . В противном случае необходим перерасчет. 3) Находим  для значения Н = 16,5 м: . Т. к. 0,5 м/с < 0,84 м/с < 2 м/с, то коэффициент n: примет следующее значение: . Уточняем высоту Н методом последовательных приближений по формуле 9, пока два последовательных приближения не будут отличаться на 1 м: .                                      (9) Вывод: Минимальная высота трубы, обеспечивающая разбавление вредных веществ в приземном слое до ПДК, составляет 16,68 м.

3. Пример расчета предельно допустимого выброса вредных веществ (ПДВ) и соответствующей ПДВ максимальной концентрации вредных веществ в устье выбросной трубы или шахты (С_М.Т.).

Данные для расчета:

• высота вентиляционной шахты Н = 25 м;
• диаметр устья D = 0,8 м;
• коэффициент пылеулавливания η = 75 %, т. е. F = 3;
• объем выбрасываемых газов V = 20000 м³/ч = 5,55 м³/с;
• С_ПДК = 0,5 мг/м³;
• С_Ф = 0 мг/м³;
• С_Д = С_ПДК;
• местонахождение предприятия – центральная часть европейской территории РФ, т. е. А = 140.

Пример расчета ПДВ 1) Определяем скорость выхода газов в устье трубы ω₀: . 2) Рассчитываем параметр V′_м: 3) Определяем коэффициент n.  Т. к. V′_м < 0,5, то n вычисляется следующим образом: . 4) Вычисляем ПДВ: . Вывод: предельно допустимый выброс (ПДВ) пыли составляет 2,38 г/с, или 8,57 кг/ч. Пример расчета С_М.Т. Вывод: максимальная концентрация пыли в устье выбросной шахты составляет 0,43 мг/м³.   Алгоритм выполнения проверяемого задания по расчету рассеивания выбросов в атмосферу

1. Рассчитать С_М – максимальную концентрацию вредных веществ в приземном слое атмосферы.
2. Вычислить H – минимальную высоту трубы или вентиляционной шахты.
3. Рассчитать ПДВ – предельно-допустимый выброс вредных веществ.
4. Определить C_М.Т. – концентрацию вредных веществ в устье выбросной трубы или шахты.
5. Ответить на контрольные вопросы.
6. На основании расчетов сделать вывод:

• о значениях С_М, которые не приведут к превышению ПДК;
• о значении Н, при котором будет обеспечено разбавление вредностей в приземном слое до ПДК;
• о численном значении ПДВ и ПДК пыли при заданных параметрах;
• о предельно допустимой концентрации пыли в устье выбросной шахты.

Варианты задания и данные для расчета указаны в таблице 1.   Таблица 1. Данные для расчета по вариантам

Вар-т	Высота вент. шахты Н, м	Диаметр устья D, м	Коэф. пыле-улавли-вания при ŋ = 90 %, F	Объем выбрасы-ваемых газов V, м3/с	Валовый выброс пыли M, г/с	Предельно допустимая концентрация вредного вещества CПДК, мг/м3	Фоновая концентра-ция СФ, мг/м3	Коэф. A
1	14	1,0	1	5,0	2,2	0,5	0,01	100
2	15	1,0	1	5,5	2,2	0,5	0,01	110
3	16	2,0	2	6,5	2,4	5	0,1	120
4	17	3,0	2,5	7,2	2,6	0,15	0,02	130
5	18	1,5	3	6,8	2,8	0,3	0,03	140
6	19	2,5	2,5	7,5	3,0	0,085	0,0001	150
7	20	3,5	2	7,1	3,1	0,3	0,03	160
8	21	2,5	1	6,8	3,2	0,5	0,05	150
9	22	1,5	2	6,6	3,6	5	0,5	140
10	23	1,0	2,5	6,4	3,8	1	0,5	130
11	24	1,5	3	6,2	4	0,085	0,004	120
12	25	2,0	2,0	6,1	4,2	0,3	0,02	110
13	24	2,5	1,0	5,9	4,4	0,15	0,03	120
14	23	3,0	2,5	5,8	4,5	0,5	0,05	130
15	22	2,5	3,0	5,7	4,3	5	0,6	140
16	21	1,5	2,0	5,6	4,15	0,085	0,005	150
17	20	1,0	1,0	5,5	3,35	0,3	0,04	160
18	20	1,0	1,0	5,4	3,35	0,35	0,03	160
19	21	2,0	3,0	5,8	4,4	0,35	0,03	162
20	23	2,5	2,5	6,2	4,5	0,3	0,05	145
21	22	2,5	2,0	5,4	4,3	0,35	0,04	150
22	20	2,0	2,5	5,5	3,8	0,5	0,02	125
23	21	1,5	3,0	5,0	4,0	0,45	0,05	140
24	22	2,0	1,0	6,4	3,6	0,55	0,04	134
25	23	2,5	2,5	6,6	5,0	0,3	0,02	150
26	14	1,0	1	5,0	2,2	0,5	0,01	100
27	15	1,0	1	5,5	2,2	0,5	0,01	110
28	16	2,0	2	6,5	2,4	5	0,1	120
29	17	3,0	2,5	7,2	2,6	0,15	0,02	130
30	22	2,5	2,0	5,4	4,3	0,35	0,04	150
31	20	2,0	2,5	5,5	3,8	0,5	0,02	125
32	21	1,5	3,0	5,0	4,0	0,45	0,05	140
33	22	2,0	1,0	6,4	3,6	0,55	0,04	134
34	23	2,5	2,5	6,6	5,0	0,3	0,02	150
35	18	2,4	2,0	5,4	4,3	0,35	0,04	160
36	27	1,5	3,0	5,0	4,0	0,46	0,05	160
37	20	3,5	2	7,1	3,1	0,3	0,03	160
38	21	2,5	1	6,8	3,2	0,5	0,05	150
39	22	1,5	2	6,6	3,6	5	0,5	140
40	23	1,0	2,5	6,4	3,8	1	0,5	130
41	24	1,5	3	6,2	4	0,085	0,004	120
42	25	2,0	2,0	6,1	4,2	0,3	0,02	110
43	24	2,5	1,0	5,9	4,4	0,15	0,03	120
44	23	3,0	2,5	5,8	4,5	0,5	0,05	130
45	22	2,5	3,0	5,7	4,3	5	0,6	140
46	21	1,5	2,0	5,6	4,15	0,085	0,005	150
47	20	1,0	1,0	5,5	3,35	0,3	0,04	160
48	20	1,0	1,0	5,4	3,35	0,35	0,03	160
49	21	2,0	3,0	5,8	4,4	0,35	0,03	162
50	23	2,5	2,5	6,2	4,5	0,3	0,05	145

      Форма отчета Таблица 1. Данные для расчета C_М и H

Вар-т	Высота вент. шахты Н, м	Диаметр устья D, м	Коэф. пыле-улавли-вания при ŋ = 90 %, F	Объем выбрасы-ваемых газов V, м3/с	Валовый выброс пыли M, г/с	Предельно допустимая концентрация вредного вещества CПДК, мг/м3	Фоновая концентра-ция СФ, мг/м3	Коэф. A

  Вывод В выводе отметить:

1. при каких значениях С_М не приведет к превышению ПДК;
2. при каком значении Н будет обеспечено разбавление вредностей в приземном слое до ПДК.

  Таблица 2. Данные для расчета ПДВ и С_М.Т.

Вар-т	Высота вент. шахты Н, м	Диаметр устья D, м	Коэф. пыле-улавли-вания ŋ = 75 %, т. е. F = 3	Объем выбрасы-ваемых газов V, м3/с	Валовый выброс пыли M, г/с	Предельно допустимая концентра-ция вредного вещества CПДК, мг/м3	Фоновая концент-рация СФ, мг/м3	Коэф. A

  Вывод В выводе:

1. дать сравнительную характеристику численных значений ПДВ и ПДК пыли при заданных параметрах;
2. указать предельно допустимую концентрацию пыли в устье выбросной шахты.

Контрольные вопросы

1. Изложите суть расчета рассеивания выбросов в атмосфере, назвав параметры, которые могут быть рассчитаны, и основные формулы, по которым выполняется указанный расчет.
2. Объясните, как определяются основные коэффициенты, используемые в формуле.
3. Назовите нормативный документ об охране атмосферного воздуха.
4. Что такое ПДВ?
5. Какие показатели применяют для расчета рассеивания выбросов в атмосферу?