по теме: «Расчет рассеивания выбросов вредных веществ в

ФГОУ ВПО
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра технологии хранения и переработки
растениеводческой продукции
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к практическим занятиям по дисциплине
«Экология пищевых производств»
по теме: «Расчет рассеивания выбросов вредных веществ
в приземных слоях атмосферы»
для студентов, обучающихся по
специальности 311200 со специализацией 311205 –
«Технология производства и переработки
растениеводческой продукции»
Краснодар, 2004 г.
2
Одобрены на заседании методической комиссии факультета перерабатывающих технологий (протокол № 5 от « 10 » февраля 2004 г.)
Методические указания подготовили: профессор, д.т.н. Донченко Л.В.
доцент, к.т.н. Кондратенко В.В.
ассистент Кондратенко Т.Ю.
Рецензент – профессор, д.т.н. Надыкта В.Д.
3
Расчётно-практическое занятие
РАСЧЕТ РАССЕИВАНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
В ПРИЗЕМНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ
Цель занятия:
1. Изучить особенности выброса и рассеивания вредных веществ различными перерабатывающими предприятиями в приземных слоях атмосферы.
2. Произвести расчёт рассеивания в атмосфере вредных веществ с использованием вычислительных возможностей пакета Microsoft Excel XP.
Основные теоретические положения
Наиболее массовыми загрязнителями биосферы являются диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, различные углеводороды и пыль. На их долю приходится до 85 % от общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Источником их являются, в первую очередь, мощные тепловые электростанции, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе. В
настоящее время за один год в мире с продуктами сгорания выбрасывается в
атмосферу около 150 млн. тонн оксида азота, 100 млн. тонн твердых веществ.
Свойства оксидов серы и азота таковы: растворяясь в атмосферной влаге,
они образуют кислоты, выпадающие с дождями. «Кислые дожди» стали обычным явлением во многих районах мира. Оксиды азота в атмосфере являются
причиной образования и одним из компонентов фотохимического «смога»
(смеси дыма, тумана, влаги и химических веществ).
Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу значительно меньше вредных веществ, но многообразие химических производств
и их близкое расположение к населенным пунктам часто делают эти выбросы
наиболее опасными, так как среди них имеется ряд особо вредных соединений,
отличающихся высокой токсичностью.
Выбросы загрязнителей из открытых источников рассеиваются в атмосфере. Дисперсия загрязняющих примесей определяется погодными условиями,
особенностями ландшафта, временем суток, местом выброса, расположением
источников и многими другими факторами.
Химические и физические взаимодействия могут оказать существенное
влияние на рассеяние загрязнения, распространяющегося под действием ветра.
Эти взаимодействия приводят к вторичному загрязнению с образованием новых загрязнителей.
Загрязнители, как правило, выводятся из атмосферы посредством определенных механизмов и до определенной степени. Частицы могут осаждаться за
счет гравитации; частицы и газы могут захватываться каплями дождя или снежинками, как ядрами осаждения. Загрязнители могут также собираться падающими каплями дождя или снежинками в результате действия других механиз-
4
мов. Объекты, расположенные на пути загрязнителя, такие, как растительность
или здания, также собирают загрязнитель.
В нашей стране загрязнение атмосферы создают ряд отраслей промышленности, автотранспорт и теплоэнергетика. Их относительное участие в загрязнении атмосферы распределяется следующим образом, %:
теплоэнергетика
черная металлургия
цветная металлургия
нефтедобыча и нефтехимия
–
–
–
–
27.0
24.3
10.5
15.5
автотранспорт
предприятия стройматериалов
химическая промышленность
пищевая промышленность
– 13.3
– 8.1
– 1.3
– 0.8
Основные примеси атмосферы и их источники приведены в [1]. Подробнее
о загрязнении атмосферы выбросами производств различных отраслей народного хозяйства [3, 4]. В целом же в настоящее время более 500 вредных веществ загрязняют атмосферу, и их количество все увеличивается.
Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ
Расчеты проводят в соответствии с общесоюзным нормативным документом «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86», разработанным Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова Госкомгидромета.
Выбросы вредных веществ в атмосферу нормируются санитарными нормами, принятыми на территории Российской Федерации в соответствии с видом
загрязнителя и фоновой концентрацией его в приземных слоях атмосферы.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) примеси вредных веществ в
атмосферу – это максимальная концентрация этой примеси в атмосфере, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека на
оказывает на него вредного влияния, включая и отдалённые последствия и для
окружающей среды в целом.
Выбросы вредных веществ не должны скапливаться в атмосфере в концентрации, превышающей ПДК.
С этой целью производится расчёт величины предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ для каждого вида вредных веществ.
В зависимости от фактора f различают выбросы холодные и нагретые.
wo2 ⋅ D
f = 1000 ⋅ 2
,
H ⋅ ∆T
(1)
где wo – средняя скорость выхода газовоздушной смеси (вентиляционного
воздуха) из источника выброса, м/с;
D – диаметр устья источника выброса, м;
H – высота выброса источника загрязнения над уровнем земли (высота
трубы), м;
5
∆Т – разность между температурой выбросов и температурой окружающей среды, оС.
Выбросы, для которых f < 100 относятся к нагретым, а выбросы, для которых f ≥ 100 , относятся к холодным.
Расчёт одних и тех же параметров для нагретых и холодных выбросов производится по различным формулам, что связано со спецификой теплообменных
и массообменных процессов, происходящих при различных термических условиях.
Для нагретых выбросов в первую очередь производят расчёт объёма выбрасываемой газовоздушной смеси V1 (м3/с):
V1 =
π ⋅ D2
4
⋅ wo ,
(2)
где D – диаметр устья источника (трубы) выброса, м;
wo – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника,
м3/с.
Обычно значения расхода газовоздушной смеси V1 при проектировании
предприятий определяется расчетом в технологической части проекта или принимаются в соответствии с действующими для данного производства (процесса) нормативами.
Исходя из данного показателя рассчитывают значение предельно малых
скоростей ветра Vm (м/с):
Vm = 0.65 ⋅ 3
V1 ⋅ ∆T
.
H
(3)
Последний показатель служит для расчёта критерия fe:
3
f e = 800 ⋅ V m .
(4)
Если в результате расчётов оказывается, что f e ≤ f < 100 , то для дальнейших
расчётов применяют критерий fe.
Для определения максимальной приземной концентрации вредного вещества СМ (мг/м3) необходимо сначала рассчитать безразмерные коэффициенты m
и n, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса.
Расчёт коэффициента m производится по формуле:
m=
1
.
0.67 + 0.1 ⋅ f + 0.34 ⋅ 3 f
(5)
Коэффициент n определяется в зависимости от Vm по формулам:
при Vm < 0.5
n = 4 .4 ⋅ V m ,
при 0.5 ≤ Vm < 2
n = 0.532 ⋅ Vm − 2.13 ⋅ Vm + 3.13 ,
(6)
2
(7)
6
при V m ≥ 2
n =1.
(8)
Далее рассчитывают величину СМ по формуле:
CМ =
A ⋅ M ⋅ F ⋅ m ⋅ n ⋅η
,
H 2 ⋅ 3 V1 ⋅ ∆T
(9)
где η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (при перепаде высот, не превышающем 50 м на 1 км этот показатель равен 1);
М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу
времени, г/с;
А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (градиент атмосферы, определяющий условия вертикального и
горизонтального рассеивания вредных веществ) со значениями:
А
Район
250 Бурятская автономия
А
Район
160
Европейская территория России
и Урала севернее 52 с.ш.
Московская, Тульская, РязанЕвропейская территория РФ южнее 50о с.ш.:
200
140 ская, Владимирская, Калужская,
нижнее Поволжье, Краснодарский край
Ивановская области
Европейская территория и Урал от 50 до
180 52о с.ш., за исключением попадающих в эту
зону выше перечисленных выше районов
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, равный:
F
2
Вещества
Мелкодисперсные аэрозоли при среднеэксплуатационном коэффициенте очистки выбросов более 90 %
2,5 То же (75 до 90 %)
3
То же при степени очистки менее 75 %
В случае, когда Vm < 0.5 , расчёт СМ вместо формулы (9) производится по
следующей формуле:
CM =
A ⋅ M ⋅ F ⋅ m1 ⋅ η
3
H7
,
(10)
где m 1 = 2.86 ⋅ m .
Расстояние Хm (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация С (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает
максимального значения СM, определяется по формуле:
7
Xm =
5− F
⋅d ⋅H ,
4
(11)
где безразмерный коэффициент d находится по формулам:
d = 2.48 ⋅ (1 + 0.28 ⋅ 3 f ) ,
при Vm < 0.5
(12)
при 0.5 ≤ Vm < 2
d = 4.95 ⋅ Vm ⋅ (1 + 0.28 ⋅ 3 f ) ,
(13)
при Vm ≥ 2
d = 7 ⋅ V m ⋅ (1 + 0.28 ⋅ 3 f ) .
(14)
Значение опасной скорости ветра Um (м/с) на уровне флюгера (обычно
10 м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ CМ определяется по формулам:
при Vm < 0.5
U m = 0 .5 ,
(15)
при 0.5 ≤ Vm < 2
U m = Vm ,
(16)
при Vm ≥ 2
U m = Vm ⋅ (1 + 0.12 ⋅ 3 f ) .
(17)
Предельно допустимый выброс вредного вещества в атмосферу –
ПДВ (г/с) для одиночного источника с круглым устьем в случаях фонового загрязнения Сф < ПДК определяется по формуле:
ПДВ =
( ПДК − СФ ) ⋅ H 2 ⋅ 3 V1 ⋅ ∆T
A ⋅ F ⋅ n ⋅η ⋅ m
,
(18)
где ПДК – максимально-разовая предельно допустимая концентрация вредного вещества в населённом пункте, мг/м3;
Сф – фоновое загрязнение окружающей среды, мг/м3.
Для холодных выбросов (когда f ≥ 100 ) расчёт объёма выбрасываемой газовоздушной смеси V1 производят так же, как и для нагретых выбросов – по
формуле (2)
Исходя из данного показателя рассчитывают значение предельно малых
скоростей ветра Vm1 (м/с):
Vm1 = 1.3 ⋅
wo ⋅ D
.
H
(19)
Коэффициент n определяется в зависимости от Vm1 по формулам:
при Vm1 < 0.5
n = 4.4 ⋅ V m1 ,
(20)
при 0.5 ≤ Vm1 < 2
n = 0.532 ⋅ (V m1 ) 2 − 2.13 ⋅ V m1 + 3.13 ,
(21)
при Vm1 ≥ 2
n =1.
(22)
Далее рассчитывают величину СМ по формуле:
CМ =
A ⋅ M ⋅ F ⋅ n ⋅η ⋅ D
8 ⋅ V1 ⋅ 3 H 4
,
(23)
8
В случае, когда Vm1 < 0.5 , расчёт СМ вместо формулы (23) производится по
следующей формуле:
CM =
A ⋅ M ⋅ F ⋅ m1 ⋅ η
3
H7
,
(24)
где m 1 = 0.9 .
Расстояние Хm (м) определяется по формуле:
Xm =
5− F
⋅d ⋅H ,
4
(25)
где безразмерный коэффициент d находится по формулам:
при Vm1 < 0.5
d = 5 .7 ,
(26)
при 0.5 ≤ Vm1 < 2
d = 11.4 ⋅ V m1 ,
(27)
при Vm1 ≥ 2
d = 16 ⋅ V m1 .
(28)
Значение опасной скорости ветра Um (м/с) определяется по формулам:
при Vm1 < 0.5
U m = 0 .5 ,
(29)
при 0.5 ≤ Vm1 < 2
U m = V m1 ,
(30)
при Vm1 ≥ 2
U m = 2.2 ⋅ V m1 .
(31)
Предельно допустимый выброс
Сф < ПДК определяется по формуле:
ПДВ =
в случаях фонового загрязнения
( ПДК − СФ ) ⋅ 3 H 4 ⋅ 8 ⋅ V1 ,
A ⋅ F ⋅ n ⋅η ⋅ D
(32)
Порядок выполнения работы
Изучите теоретический и расчётный материал по теме.
Для выполнения практических расчётов скопируйте в папку «Мои документы» файл «Расчёт выбросов в атмосферу». Переименуйте эту копию в
файл с названием «Расчёт выбросов в атмосферу_Фамилия» с указанием
фамилии студента, выполняющего расчёты. Откройте получившийся файл.
Под ячейкой «Группа» в раскрывающемся списке выберите код своей группы. Под ячейкой «Студент» в раскрывающемся списке выберите свою фамилию.
В таблицах «Исходные данные» и «Базы данных» даны все исходные материалы, необходимые для выполнения для расчёта.
В области «Результаты расчётов» внесите все необходимые текстовые
данные и формулы, требующиеся для выполнения расчёта.
• Начиная с ячейки D2 в колонке D на светло-жёлтом поле в раскрывающихся списках выберите текстовые пояснения к рассчитываемым величинам
9
•
•
•
•
•
•
(например, «Фактор f», «Объём выбрасываемой газовоздушной смеси
V1» и т.д.) в том порядке, в котором предполагаете вести расчёты.
Начиная с ячейки E2 в колонке E вносятся расчётные формулы согласно
общему синтаксису команд, используемых в пакете MS Excel XP (например, «=пи()*степень(B9;2)*В10/4», «=800*степень(Е5;3)» и т.д. в соответствии с приложением 2), в соответствии с текстовым пояснением в соответствующих ячейках колонки D. Вместо чисел при расчетах в формулах
везде, где это только возможно, используйте ячейки с соответствующими
числами. Это даст Вам гарантию точного расчета и корректной работы
контролирующей программы.
Начиная с ячейки F2 в колонке F там, где это необходимо вносятся размерности рассчитываемых величин (например, «м», «м3/с», «м/с»,
«мг/м3», «г/с» и т.д.), в соответствии с текстовым пояснением в соответствующих ячейках колонки D.
Все показатели, необходимые для расчёта, приведены в приложении 1.
Оформите выводы в следующей форме: «Выводы: для данного производства, расположенного в … (место расположения Вашего предприятия), предельно допустимый выброс … (загрязняющее вещество) составляет … (рассчитанное значение) … (единица измерения). При этом
рассеяние происходит в радиусе … (рассчитанное значение) … (единица измерения) вокруг источника выброса. Опасной является скорость
ветра … (рассчитанное значение) … (единица измерения) и ниже».
Нажмите на синюю круглую кнопку слева от заголовка «Результаты расчётов». Справа от заголовка высветится результат автоматической проверки
данной работы.
Если в результате автоматической проверки появилась надпись «Задание
выполнено», сохраните файл с заданием и поместите его в папку «Выполненные работы», находящуюся в папке «Мои документы», для окончательной проверки преподавателем.
Оформите отчёт в виде законченного файла.
• Примерный общий вид файла с выполненной работой показан в приложении 1.
10
Контрольные вопросы
1. Какие элементы являются наиболее массовыми загрязнителями биосферы?
2. Что является источником выброса вредных веществ в атмосферу?
3. Каковы основные вредные свойства оксидов серы и азота в атмосфере?
4. Какой фактор может вызывать усиление распространения и вредного влияния загрязняющих веществ в атмосфере?
5. Что такое вторичное загрязнение, и чем оно может быть вызвано?
6. Каким образом загрязнители могут выводиться из атмосферы?
7. Какие вида деятельности человека приводят к загрязнению атмосферы в
нашей стране?
8. Каким образом определяется принадлежность тех или иных выбросов в атмосферу к тому или иному виду?
9. Какие бывают виды выбросов по своим термическим свойствам?
10. Что такое ПДК, и что характеризует данный показатель?
11. Что такое фоновая концентрация вредных веществ в атмосфере?
12. Что такое ПДВ, и что характеризует данный показатель?
13. Для чего производится расчёт ПДВ?
14. Что такое См и для чего рассчитывается?
15. Что характеризует показатель Хm?
16. Как рассчитывается и на какие факторы влияет величина Vm?
17. Что такое Vm , и что характеризует данный показатель?
11
ЛИТЕРАТУРА
1. Охрана окружающей среды / Под ред. С.В.Белова. – М.: Высшая школа. 1993.
– 264 с.
2. Кислотные выпадения: Долговременные тенденции / Пер. с англ. А.С. Ярнатовского, Л.Ф. Сальникова // Под ред. Ф.Я. Розинского, В.И.Егорова. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1990. – 439 с.
3. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / Справ. изд.: В 2-х ч. Ч.1:
Пер с англ. // Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. – М.: Металлургия, 1988.
– 760 с.
4. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / Справ. изд.: В 2-х ч. Ч.2.
Пер. с англ. // Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. – М.: Металлургия, 1988.
– 712 с.
5. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 94 с.
6. Охрана окружающей среды / Справочник (Сост. Л.П. Шариков). – Л.: Судостроение, 1988. – 560 с.
12
ПРИЛОЖЕНИЯ
13
Приложение 1 – Пример общего вида выполненного файла
(числовые значения, приведённые на рисунке не являются
реальным решением данного конкретного задания)
14
Приложение 2 – Описание синтаксиса и примеров основных функций в Microsoft Excel XP *
Функция
Синтаксис
Пример
Сложение
1-я_ячейка+2-я_ячейка+…
B2+C2+C10+C12
Вычитание
1-я_ячейка-2-я_ячейка-…
B2-C2-C10-C12
Умножение
1-я_ячейка*2-я_ячейка*…
B2*C2*C10*C12
1-я_ячейка/2-я_ячейка
B2/C2
сумм(1-я_ячейка;2-я_ячейка;…..)
сумм(B2;C2;C10;C12)
степень(ячейка_с_числом;ячейка_со_степенью)
степень(B2;C2)
корень(ячейка_с_числом)
корень(C2)
Деление
Сумма
Степень
Корень квадратный
Условие "если"
Условие
Условие "и"
Условие "или"
Число π
Пояснения
если(B2>C2;C10/C12;"ку-ку")
Если условие истинно (то есть
соблюдается), то выдаётся значение
С10/С12. В противном случае выдаётся значение "ку-ку"
B2>C2, B2=2, и(B2>C2;B2<0)
и т.д.
Любое условие, которое может
соблюдаться (тогда значение его будет истиной), или нет (тогда значение его будет ложью)
и(B2>C2;B2<0)
Если ВСЕ условия внутри одновременно соблюдаются, то данное
условие "и" истинно. И наоборот
или(первое_условие;второе_условие;………)
или(B2>C2;B2<0)
Если ХОТЯ БЫ ОДНО условие
внутри скобок соблюдается, то данное условие "или" истинно. Если НИ
ОДНО из условий в скобках не соблюдается, то такое условие "или"
ложно
пи()
В12*пи()*А46
если(условие;значение_если_условие_соблюдается;знач
ение_если_условие_не_соблюдается)
любое равенство, неравенство, условие «и»,
условие «или», значение чего-нибудь и т.д.
и(первое_условие;второе_условие;………)
* Главное – не забывать вначале писать знак «=» и только тогда приступать к введению формул. В формулах не допускается использование пробелов. Для получения корректных результатов необходимо строго соблюдать математические правила написания формул.
16