1 Задание 1 ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Определить ПДВ загрязняющих веществ одиночного источника (котельной). Определить максимальную приземную (на высоте 1,5 м от земли) концентрацию загрязняющих веществ и расстояние, на котором она может наблюдаться, при наступлении неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), то есть при скорости ветра 0,5 м/с. Построить кривую распределения приземных концентраций загрязнения по оси факела (для случая НМУ). Уточнить размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ) в соответствии с розой ветров данного района. Определение ПДВ загрязняющих веществ одиночного источника проводится по методике, принятой в ОНД-86 (в г/с). Расчет 1. Величина ПДВ (г/с) по каждому из вредных веществ рассчитывается по формуле (Спдк Сф) Н 2 ПДВ 3 W T , г/с (1) A Fmn где ПДК - предельно-допустимая концентрация загрязняющего вещества, 3 мг/м , Сф -фоновая концентрация вредного вещества, мг/м3; Н - высота источника выброса, м; W - расход газовоздушной смеси, м3/с, который определяется по формуле: W D 4 2 , м3/с, (2) - скорость выхода газовоздушной смеси, м/с; D - диаметр устья трубы, м. T - разница температур выбрасываемого газовоздушного потока Тг и окружающего воздуха Тв, °С: Т=Тг – Тв, °С, (3) Тв - средняя температура самого жаркого месяца, а для котельных, работающих только для отопления – это средняя температура самого холодного месяца года; А - коэффициент стратификации, учитывающий вертикальные перемещения воздуха в зависимости от степени расчлененности рельефа. Коэффициент А изменяется от 120 до 250, для Московской области А=140; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ. Для легких газов, у которых скорость упорядоченного осаждения в воздухе равна 0, F=1, а для мелкодисперсных аэрозолей и тяжелых газов: F=2,0 при степени очистки 90%; F=2,5 " - " 75-90%; F=3,0 " - " <75%. Для любых загрязняющих веществ в присутствии паров воды F=3,0; F=1 - для легких газов, у которых скорость упорядоченного осаждения в воздухе равна 0. m и n - безразмерные коэффициенты, определяемые условиями выхода га- 2 зовоздушной смеси и зависящие от соотношения высоты источника выброса, его диаметра, скорости и температуры отходящих газов. m и n - безразмерные коэффициенты, определяемые условиями выхода газовоздушной смеси и зависящие от соотношения высоты источника выброса, его диаметра, скорости и температуры отходящих газов. Для круглых источников m и n рассчитываются по формулам: 1 m , (4) 0,67 0,1 f 0,34 3 f где при параметре f<100 (а это почти всегда в стандартных источниках), f=1000· ωD , H 2 ΔT (5) n = 0,532 . V2 – 2,13 . V + 3,13; При скорости ветра, изменяющейся в пределах 0,5<Vветра≤2, м/с V = 0,65. 3 W ΔT ; 1 (6) (7) H - коэффициент, учитывающий влияние рельефа. При перепаде высот ме- нее 50 м =1, при перепаде высот более 50 м >1 и зависит от соотношения высоты трубы и высоты препятствия (Н/h0), а также от соотношения ширины и высоты препятствия (ао/h0). 2. Максимальная концентрация загрязняющего вещества при фиксированных выбросах из источника (Мх, г/с) рассчитывается по формуле: Сmax = A Mx F m n η H 2 3 W1 ΔT , (8) При этом замеренная (фиксированная) масса загрязняющего вещества Мx, может быть любая: больше или меньше величины ПДВ. Расстояние от источника загрязнения, на котором наблюдается максимальная концентрация вредного вещества, определяется по формуле: 5F lmax = 4 d H , (9) d - аэродинамический коэффициент. При холодных выбросах, когда Т ≈ 0°С, d = 5,7; при горячих выбросах, то есть Т >> 5°С, коэффициент d определяется по формуле: d=2,48∙[1+0,28 3 ω0 D 3 800 (1,3 ) Η . (10) 3. Построение кривой распределения приземных концентраций загрязнения по оси факела проводится следующим образом. Находим Сх по формуле: Сх=Сmax∙S0-lx (11) 3 где Сx - концентрация загрязнения в любой точке по оси факела, мг/м ; S0-lx - коэффициент пересчета от максимальной концентрации Сmax к концентрации загрязнения в любой точке на расстоянии lx от источника выброса. Коэффициент S0-lx определяется: 3 при lx l max при 1 < S0-lx=3.( <1: lx l max lx l max )4 – 8 . ( lx l max )3 + 6.( lx l max )2 , (12) 1,13 ≤8: S0-lx= 0,13 ( . lx l max (13) )3 1 Кривая распределения приземных концентраций по оси факела строится по величине максимальной концентрации и как минимум четырем точкам на различных расстояниях от источника выброса. 4. Размер санитарно-защитной зоны (СЗЗ) определяется по Санитарным нормам (СН-245-71) в соответствии с классом предприятия. Корректировка размера СЗЗ с учетом розы ветров, преобладающих в данном районе, выполняется по формуле: Р l=L0∙ Р0 , (14) где l - длина румба по СЗЗ; L0 - размер СЗЗ по СН-245-71; Р - среднегодовая повторяемость направления ветров рассматриваемого румба по действительной розе ветров, %, Р0 - среднегодовая повторяемость (в %) направления ветров одного румба при круговой розе ветров; при восьмирумбовой розе ветров Р0=12,5%. Таблица 1. Исходные данные Перечень данных Последняя цифра шифра Высота трубы, Н, м Диаметр устья трубы, D м Скорость выхода газовоздушной смеси , м/с Температура газовоздушной смеси Тг, °С Температура окружающего воздуха Тв,, °С Загрязняющее вещество * Фоновые концентрации Сф, г/м3 Перечень данных Эффективность очистки Э,% Повторяемость ветров, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 35 1,5 8 35 1,5 8 35 1,4 8 40 1,4 7 40 1,3 7 40 1,3 7 40 1,2 6 45 1,2 6 45 1,1 6 45 1,1 5 120 12 0 110 110 100 100 95 95 90 90 1 25 2 25 3 25 Предпоследняя цифра шифра 4 5 6 7 8 25 25 20 20 20 9 20 10 20 Зола СО NO2 SO2 V2O5 Зола СО NO2 SO2 V2O5 0,01 2,0 0,03 0,02 0,0005 0,01 2,0 0,03 0,02 0,0005 9 60 10 60 8 10 12 16 12 10 1 90 2 90 3 80 Предпоследняя цифра шифра 4 5 6 7 8 80 75 75 60 60 С 17 СВ 17 В 16 10 15 17 9 10 11 12 10 12 12 12 12 5 10 8 12 12 12 15 16 15 4 ЮВ Ю ЮЗ З СЗ 12 10 7 9 12 17 14 12 7 8 14 16 16 15 9 12 11 14 15 14 12 12 12 16 12 10 16 17 17 17 12 10 12 16 14 12 10 8 11 13 15 16 15 13 11 9 7 11 18 17 NO2 - диоксид азота V2O5 оксид ванадия SO2 - сернистый газ СО – монооксид углерода (сернистый газ) • Значения ПДК для загрязняющих веществ приведены в табл. 1. Таблица 2 Предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест [8] Вещества ПДК, мг/м3 максимальная разовая среднесуточная Класс опасности NO2 - aзота двуокись (диоксид азота) 0,085 0,04 2 NH3 - aммиак 0,2 0,04 1 0,5 0,05 3 Ацетон 0.35 0.35 4 Бенз(а)пирен - 0,00001 или 0,1 мкг/100 м3 1 Бензол 1,5 0,1 2 V2O5 - ванадия пятиокись (оксид ванадия) - 0,002 1 Водород хлористый 0,2 0,2 2 Дихлорэтан 3 1 2 Кислота азотная 0,4 0,15 2 Кислота серная 0,3 0,1 2 Марганец и его соединения 0,1 0,001 2 Сапса (зола) 0,15 (0,5) 0,05 3 Свинец и его соединения - 0,0003 1 Сероводород 0.008 - 2 Хлор 0,1 0.03 2 Хром шестивалентный 0,002 0,002 1 СО - окись углерода (монооксид углерода) 5 3 4 SO2 - aнгидрид сернистый (сернистый газ) 5 Список использованной литературы: 1. Антипова Т.Н., Ларионова А.М., Коновалова В.А. и др. (всего 6 авт.). Экология. Учебно-методическое пособие к изучению дисциплины и выполнению контрольной работы для студентов II-III курсов инженерно-технических специальностей. М., МИКХиС, 2008 г., 88 с. 2. Охрана окружающей среды. //Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1991. 3. Экология. Охрана природы, экологическая безопасность: Учебное пособие. //Под обшей ред. проф. А.Т. Никитина и проф. С.А. Степанова. - М: Новь, 2000. 4. Санитарные правила по охране атмосферного воздуха населенных мест (СанПиН № 4946-89). - Утв. Минздравом СССР, 1989. 5. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. Пример выполнения задания 1 ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Определить ПДВ загрязняющих веществ одиночного источника (котельной). Определить максимальную приземную (на высоте 1,5 м от земли) концентрацию загрязняющих веществ и расстояние, на котором она может наблюдаться, при наступлении неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), то есть при скорости ветра 0,5 м/с. Построить кривую распределения приземных концентраций загрязнения по оси факела (для случая НМУ). Уточнить размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ) в соответствии с розой ветров данного района. Определение ПДВ загрязняющих веществ одиночного источника проводится по методике, принятой в ОНД-86 (в г/с). ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Имеется котельная с одиночным источником выбросов, которая работает на мазуте и производит вредные выбросы, представленные окислами углерода СО (оксидами азота N02, серы SO2, ванадия V205 и золой). Котельная имеет одну дымовую трубу с диаметром ее устья D=1,4 м и высотой Н=35 м. Скорость выхода газовоздушной смеси составляет ω =7 м/с, ее температура Tг=+125°С. Средняя температура самого жаркого месяца года равна Тв=+25°С. Фоновые концентрации Сф вредных веществ по данным санитарноэпидемиологической службы составляют: СО=2 мг/м3 (N02=0,03 мг/м3; SO2=0,2 мг/м3; V2O5=0,005 мг/м3 и золы - 0,1 мг/м3). Предельно-допустимые концентрации (ПДК - разовые) вредных веществ приведены в табл.2. ПДК=5,0 мг/м3. Котельная расположена в Московской области, местность ровная, с перепадом высот менее 25 м. Степень очистки пылегазоочистного оборудования 80%. В районе расположения котельной среднегодовая повторяемость направления ветров (при восьмирумбовой розе ветров) составляет С - 17%, СВ- 17%, В - 16%, ЮВ - 12%, Ю - 10%, ЮЗ - 7%, 3-9%, СЗ - 12%. 6 РАСЧЕТ Определение величины ПДВ (г/с) для окиси углерода СО, которая рассчитывается (по каждому из вредных веществ) по формуле: (Спдк Сф) Н 2 ПДВ 3 W T , г/с, (1) A Fmn где: Спдк - предельно-допустимая концентрация загрязняющего вещества, мг/м3, Сф -фоновая концентрация вредного вещества, мг/м3; Н - высота источника выброса, м; W - расход газовоздушной смеси, м3/с, который определяется по формуле: W D 2 4 = 3,14 1,4 4 2 7 10,8 , м3/с, (2) - скорость выхода газовоздушной смеси, м/с; D - диаметр устья трубы, м. T - разница температур выбрасываемого газовоздушного потока Т г и окружающего воздуха Тв, °С: Т=Тг – Тв=125–25=100 °С (3) Тв - средняя температура самого жаркого месяца, а для котельных, работающих только для отопления, Тв - средняя температура самого холодного месяца года А - коэффициент стратификации, учитывающий вертикальные перемещения воздуха в зависимости от степени расчлененности рельефа. Коэффициент А изменяется от 120 до 250. А=140 - для Московской области. F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ. Для легких газов, у которых скорость упорядоченного осаждения в воздухе равна 0, F=1, а для мелкодисперсных аэрозолей и тяжелых газов: F=2,0 при степени очистки 90%; F=2,5 " - " 75-90%; F=3,0 " - " <75%. Для любых загрязняющих веществ в присутствии паров воды F=3,0. F=1, т.к. СО - легкий газ, у которого скорость упорядоченного осаждения в воздухе равна 0. m и n - безразмерные коэффициенты, определяемые условиями выхода газовоздушной смеси и зависящие от соотношения высоты источника выброса, его диаметра, скорости и температуры отходящих газов. Для круглых источников m и n рассчитываются по формулам: 1 1 m = 0,67 0,1 f 0,34 3 f 0,67 0,1 0,08 0,34 3 0,08 1 0,67 0,1 0,28 0,34 0,43 1 0,85 1,18 ; (4) где при параметре f<100 (а это почти всегда в стандартных источниках), 7 f=1000· 7 1,4 9,8 ωD = 0,08 , H 2 ΔT 352 100 122,500 (5) n = 0,532 . V2 – 2,13 . V + 3,13= 0,532.2,042–2,13.2,04+3,13=0,532.4,16-2,13.2,04+3,13=2,21-4,34=3,13=1,0. При скорости ветра, изменяющейся в пределах 0,5<Vветра≤2, м/с V = 0,65 10,8 100 . 3 W1 ΔT = 0,65 H . 10800 3 35 (6) 3 35 0,65.3 30,8 0,65.3,14=2,04 (7) - коэффициент, учитывающий влияние рельефа. При перепаде высот ме- нее 50 м =1, при перепаде высот более 50 м >1 и зависит от соотношения высоты трубы и высоты препятствия (Н/h0), а также от соотношения ширины и высоты препятствия (а/h). η 1, т.к. местность ровная, с перепадом высот менее 50 м; Тогда величина ПДВ по СО рассчитается по формуле: (Спдк Сф) Н 2 ПДВ 3 W T = A Fmn (5 2) 352 = 3 352 140 1,0 1,18 1,0 1,0 3 1080 165,2 10,25 227,86 227,9 , г/с. 2. Определение максимальной концентрации (Мх) СО. Примем, что замеренное количество выбрасываемой окиси углерода Мх составило 60% от величины ПДВ, т.е. Мх=0,6. 227,9.136,7 г/с. Сmax = A Mx F m n η H W ΔT 2 3 140 136,7 1,0 1,18 1,0 1,0 = 35 1080 2 19138 1,18 3 1225 1,02 1,85 , мг/м3. Проверим, соблюдается ли основное законодательное требование по охране воздуха: Сх ≤ ПДК: Сmax + Сф= 1,85 +2,0=3,85 мг/м3 < ПДК (5 мг/м3). Расстояние от источника загрязнения, на котором наблюдается максимальная концентрация окиси углерода, равна: 5F lmax= dH , м 4 где d - аэродинамический коэффициент. При холодных выбросах, когда Т ~ 0°С, d = 5,7; при горячих выбросах, то есть Т >> 5°С, коэффициент d определяется по формуле: d=2,48∙[1+0,28 3 800 (1,3 D H ) 3 = 7 1,4 2,48 ∙ [1+0,28 800 (1,3 7 1,4 3 3 35 . . . ) ]=2,48 [1+0,28 9,23 (1,3 35 ) ]= 1,3 9,8 . . 2,48 [1+2,58 (1,3 35 ) ]=2,48 [1+2,58 . 0,36]=2,48 . 1,92=4,72; 8 5 1 Тогда lmax= 4,72 35 ≈ 165 м. 4 3. Построение кривой распределения концентрации СО по оси факела. Для упрощения расчетов величину lx принимаем равной 1/3, 2/3, 1,33 и 1,66 от lmax. Таким образом, определим концентрацию окиси углерода на расстоянии 55, 110, 220 и 275 м от источника загрязнения (котельной) (рис. 1). Находим Сх по формуле: Сх=Сmax∙S0-lx где Сx - концентрация загрязнения в любой точке по оси факела, мг/м3; S0-lx - коэффициент пересчета от максимальной концентрации Сmax к концентрации загрязнения в любой точке на расстоянии lx от источника выброса. Коэффициент S0-lx определяется: при lx l max S0-lx=3.( <1: при 1 < lx lx )4 – 8 . ( l max lx l max )3 + 6.( lx )2 , l max (12) 1,13 ≤8: l max S0-lx= 0,13 ( . lx (13) )3 1 l max Кривая распределения приземных концентраций по оси факела строится по величине максимальной концентрации и как минимум четырем точкам на различных расстояниях от источника выброса. Коэффициент S0-lx определяется: при lx l max 55 55 . <1: S0-55 = 3 ( ) – 8( 4 165 . 55 3 165 1 . 1 ) + 6( 165 1 ) = 3( ) - 8( ) – 6 ( )2 = 0,41; 2 4 3 3 3 3 С1 = 1,85 ∙ 0,41 = 0,76 мг/м3; 110 . S0-110 = 3 ( 110 ) – 8( 4 165 . 110 3 165 . ) + 6( 2 165 2 2 ) = 3( ) - 8( ) – 6 ( )2 = 0,89; 2 4 3 3 3 3 С2 = 1,85 ∙ 0,89 = 1,65 мг/м ; 3 при 1 < 1,13 lx ≤8 l max S0-220= 0,13 ( lx lmax 1,13 = )2 1 0,13 ( 165 С3 = 1,85 . .0,96.=1,78 мг/м3; 1,13 S0-275= 0,13 ( lx lmax 1,13 = )2 1 1,13 275 0,13 ( 165 )2 1 1,36 0,96 220 0,83 С4 = 1,85 . 0,83 .= 1,54 мг/м3. )2 1 9 Рис. 1. Кривая распределения концентраций загрязнения СО по оси факела 3. Определение размеров СЗЗ и ее корректировка с учетом розы ветров. Для котельной, относящейся по СН-245-71 к V классу предприятий, нормативный размер СЗЗ равен 50 м от центра дымовой трубы. В том случае, когда расчет показывает, что Сmax+Сф ПДК, за размер СЗЗ принимается расстояние от источника выброса до дальней границы зоны максимального задымления, где величина загрязнения равняется 0,8 от Сmax. В данном случае Сmax + Сф < ПДК l=L∙ Р , Р0 (14) где l - длина румба по СЗЗ; L - размер СЗЗ по СН-245-71; Р - среднегодовая повторяемость направления ветров рассматриваемого румба по действительной розе ветров, %, Р0 - среднегодовая повторяемость (в %) направления ветров одного румба при круговой розе ветров; при восьмирумбовой розе ветров Р0=12,5%. Размеры СЗЗ по различным румбам составляют: 17 С → l = 50 17 68 м СВ → l = 50 64 м ЮВ → l = 50 . 40 м 12,5 9 . З → l = 50 36 м 12,5 ЮЗ → l = 50 . . В → l = 50 . 12,5 16 12,5 10 Ю → l = 50 . . 12,5 12 12,5 7 68 м 48 м 28 м 12,5 12 . СЗ → l = 50 48 м 12,5 Если расчетная величина расстояния (L) СЗЗ оказалась менее 50 м, то L 10 принимается равной минимальному значению по СЗЗ, т.е. 50 м (рис. 2) Рис. 2. Размеры СЗЗ с учетом розы ветров района расположения котельной Выводы: 1. ПДВ загрязняющих веществ (СО) одиночного источника (котельной) составляет 227,9 г/с. 2. Максимальная приземная концентрация загрязняющих веществ равна 1,85 мг/м3, на расстоянии 165 м.. 3. Размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ) в соответствии с розой ветров изменяются от 50 м на юго-западе до 68 м на северо-востоке.