Мацнєв А.І., Проценко С.Б., Саблій Л.А. Моніторинг та інженерні методи охорони двкілля

Подождите немного. Документ загружается.

211

ду. При розрегульованому карбюраторі вміст оксиду вуглецю у відпрацьова-

них газах зростає в 10 разів.

Табл.5.2. Вміст основних забруднювачів у відпрацьованих газах двигунів

Основні забруднювачі Кількість викидів для двигунів

бензинового дизельного

Оксид вуглецю 0.5-12.0 % 0.01-0.5 %

Оксиди азоту до 0.8 % до 0.5 %

Вуглеводні 0.2-3.0 % 0.01-0.65 %

Сажа до 0.4 г/м

0.01-1.1 г/м

Бенз(α)пірен

до 0.02 мг/м

до 0.01 мг/м

Табл.5.3. Вплив режиму роботи карбюраторного двигуна на вміст шкідливих

речовин у відпрацьованих газах

Режим роботи двигуна Концентрація забруднювачів

оксид вуглецю, % вуглеводні, мг/л оксид азоту, мг/л

Холостий хід 4-8 2-6 -

Середнє навантаження 0-1 0.8-1.5 2.5-4.0

Повне навантаження 2-4 0.3-0.8 4-8

Табл.5.4. Перевитрати пального залежно від несправності автомобіля

Основні несправності автомобіля Перевитрати пального порівняно з нормою, %

Несправність карбюратора 16

Несправність однієї свічки запалювання 25

Несправність системи запалювання 20

Несправність системи охолодження 8

Порушення кутів встановлення коліс 15

Зниження тиску повітря у шинах 15

Робота двигуна на проміжних обертах 25

Токсичність відпрацьованих газів дизельних двигунів залежить від вмісту

в них сажі (чорний дим), продуктів неповного згорання дизельного палива

(голубий дим) і надзвичайно небезпечного для організму людини бенз(α)піре-

ну. Димність вихлопу є одним з основних недоліків дизельних двигунів. Сут-

тєво впливає на димність кут випередження вприску палива, його порушення

на 4-6 градусів збільшує димність у 1.5-2 рази. Збільшення витрат дизельного

палива на 10 % призводить до збільшення потужності двигуна тільки на 3 %,

у той час, як інтенсивність димоутворення збільшується на 80 %.

Обладнання автотранспорту спеціальними каталізаторами для допалю-

вання пального, регулювання двигунів внутрішнього згорання автомобілів,

заміна етильованого бензину на екологічно менш шкідливий, випуск дизель-

ного пального з протидимними присадками та низьким вмістом сірки, впрова-

дження електронних систем регулювання надходження пального зменшують

об’єм викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах у декілька разів.

212

5.2.2.2. Забруднення атмосфери ТЕС і котельнями

Значним є “внесок” у забруднення атмосферного повітря ТЕС та коте-

лень, які працюють, головним чином, на рідкому (мазут) та твердому (вугіл-

ля) паливі. Утворені при горінні палива продукти (у вигляді димових газів)

викидаються в атмосферу, забруднюючи її, погіршуючи санітарно-побутові

умови, завдаючи шкоди тваринному і рослинному світові.

Склад димових газів котелень визначається хімічними компонентами па-

лива, що використовується, режимом його спалювання і рівнем технічної до-

сконалості котельної установки (наявністю та ефективністю роботи пристроїв

для очищення димових газів). Окрім діоксиду вуглецю, у димових газах міс-

титься ряд інших шкідливих для природного середовища і людини газоподіб-

них і твердих речовин: оксид вуглецю, сірчистий ангідрид, оксид азоту, сажа,

попіл тощо.

Суттєвий вплив на рівень забруднення атмосферного повітря димовими

газами котелень мають домішки, що містяться у паливі. Наприклад, у мазуті -

це сірка і зола, вміст яких становить відповідно 3.5 та 0.3 %. Сірка, що міс-

титься у мазуті та інших видах палива, при згоранні окислюється до сірчисто-

го ангідриду, кількість якого в димових газах пропорційна вмісту сірки в па-

ливі. При спалюванні 1 тонни мазуту (з вмістом сірки 3.5 %) з димовими газа-

ми викидається 70 кг сірчистого ангідриду (його гранично допустима серед-

ньодобова концентрація у повітрі населених пунктів становить усього 0.05

мг/м

). Сірчистий газ адсорбується одягом, пошкоджує тканини, послаблює

процес фотосинтезу зелених рослин (дерева засихають), викликає корозію ме-

талів та руйнує бетон. Сірчистий ангідрид в атмосферному повітрі частково

окислюється в сірчисту кислоту і випадає з атмосферними опадами, виклика-

ючи у людини хронічні захворювання дихальних шляхів та уповільнюючи

процеси фотосинтезу рослин.

Крім того, при згоранні палива в умовах високих температур і надлишку

повітря утворюються оксиди азоту, їх концентрація в димових газах може до-

сягати 2 г/м

. Оксиди азоту, як і сірчистий ангідрид, шкідливо впливають на

людину.

Ефективним заходом боротьби із забрудненням атмосфери є очистка мі-

нерального палива від піриту (сірчаного колчедану) до його надходження у

топки ТЕС та котелень. Ефективне очищення вугілля від піриту зменшує

вміст сірчаних окисів у димах ТЕС на 98-99 %. Цей захід стає дедалі необхід-

нішим у зв’язку з тим, що якість вугілля, яке використовується на ТЕС, з року

в рік погіршується, дедалі більше зростає його зольність та вміст піриту.

Іншими напрямками зниження забруднення атмосферного повітря шкід-

ливими речовинами димових газів ТЕС і котелень є заміна вугілля та мазуту

екологічно чистішим газоподібним паливом (природний газ) або розсіювання

викидів через більш високі димові труби.

213

Вій зерно, поки вітер дує.

Тамільське прислів’я

5.2.3. Розсіювання та перенесення забруднюючих речовин в атмосфері

Забруднюючі речовини, що потрапляють в атмосферу, піддаються досить

швидкому розсіюванню завдяки турбулентності потоків повітря. Ступінь тур-

булентності атмосфери коливається в досить широких межах в залежності,

перш за все, від температурної стратифікації

і визначається як функція розмі-

рів та швидкості потоків, а також динамічної в’язкості і густини повітря.

Нерівномірне нагрівання атмосфери і землі в різних частинах планети

призводить до того, що над земною поверхнею відбувається складна циркуля-

ція повітряних потоків, трансформуються та переносяться на різні відстані за-

бруднюючі речовини незалежно від їх природи та агрегатного стану.

Вітер не знає кордонів і переносить забруднення на величезні відстані:

20 % кислотних опадів в Європі спричинені викидами промисловості Північ-

ної Америки, а 70 % в Скандинавії - викидами з Великобританії.

Основну роль у глобальному забрудненні біосфери відіграють тропо- та

стратосфера. Середня тривалість перебування легких частинок забруднюючих

речовин у стратосфері становить 2 роки, на рівні тропопаузи - 4 місяці, у

верхній тропосфері - 30 діб, в нижній тропосфері - 6...10 діб. Тривалість існу-

вання газів антропогенного генезису досягає 2-4 місяців, це відноситься, в

першу чергу, до малоактивних летких синтетичних речовин та інертних газів.

Свого часу на Заході, а потім і в нас пропагувалася хибна ідея споруджен-

ня надвисоких (300-500 м) димових труб. Цей захід дійсно знижував забруд-

нення повітря навколо джерела викиду, проте забруднювалися більш віддале-

ні райони.

Дальність перенесення речовин в атмосфері залежить від їх здатності до

трансформації та розчинності в атмосферних опадах. Концентрації забрудню-

ючих речовин залежать також від метеорологічних умов та рельєфу місцевос-

ті. Жаркі безвітряні літні дні або тиха погода восени та взимку, коли майже

немає циркуляції повітря, сприяє утворенню застійних явищ біля поверхні

землі й різкому зростанню концентрації шкідливих домішок, утворенню смо-

гу в зонах транспортних розв’язок і на вулицях з напруженим автомобільним

рухом.

Після викиду шкідливих речовин в атмосферу їх осадження визначається

різними чинниками та механізмами. Коефіцієнт вимивання частинок розмі-

ром від 0.1 до 1 мкм дуже малий, він зростає для більш дрібних та для більш

крупних частинок. Вимивання газів, які реагують з водою, підкоряється рів-

нянню молекулярної дифузії. Ефективність видалення аерозолів снігом у по-

рівнянні з дощем при тій самій інтенсивності опадів більша у декілька разів

через його специфічні особливості - більш повільне падіння сніжинок, більшу

Стратифікація атмосфери - розподілення з висотою температури в атмосфері Землі.

214

питому поверхню, наявність частинок вугілля та ґрунту, а ефективність вими-

вання дрібнокрапельними опадами більша, ніж крупнокрапельними.

У більшості випадків основна частина забруднюючих речовин, що вики-

даються в атмосферу, випадає на поверхню землі на порівняно невеликій від-

стані від джерела викиду. Так, концентрація неорганічного пилу на відстані

15 км від міста зменшується майже на порядок, концентрація Cl

, Na

, K

- у

1.5-2 рази. Радіус зони впливу забруднюючих підприємств становить 2-3 км, в

межах цієї зони вміст міді, цинку, свинцю та олова в 3-5 разів перевищує фо-

новий, а безпосередньо біля джерела - у 50-150 разів. Iнтенсивність випадан-

ня бенз(α)пірену на різних відстанях від джерела викиду (емісії) становить: до

18 кг/км

- на відстані менше 1 км; від 0.001 до 5 кг/км

- на відстані 10 км;

близько 0.003 кг/км

- на відстані 30 км. Слід відзначити, що бенз(α)пірен і

пестициди (ДДТ) виявлені в пробах снігу та льоду навіть у таких віддалених

від техногенних джерел районах, як Антарктида.

Багато речовин навіть при низьких концентраціях можуть вступати між

собою в хімічні реакції та утворювати нові дуже токсичні речовини (наприк-

лад, сірчистий ангідрид SO

окислюється в сірчаний ангідрид SO

, який, реа-

гуючи з водяною парою, утворює сірчану кислоту H

; оксиди азоту NO

вступаючи в реакцію з вуглеводнями, утворюють пероксилацилнітрати).

Розклад забруднювачів в атмосфері відбувається під дією різного роду

фотохімічних реакцій в результаті впливу ультрафіолетової радіації. Чим ви-

ща доза ультрафіолетової радіації, тим швидше йде самоочищення атмосфе-

ри. Періодично до енергії ультрафіолетового випромінювання додається

енергія грозових розрядів.

Майже в усіх випадках забруднювачі атмосфери рано чи пізно розчиня-

ються у воді або поглинаються ґрунтами і трансформуються рослинами та

мікроорганізмами в інші речовини. Так, СО окислюється до СO

ґрунтовими

організмами, H

S перетворюється у сульфати й далі в сірку і включається ав-

тотрофами до складу амінокислот. Тверді частинки осідають на земній по-

верхні або сорбуються опадами, що зумовлює їх надходження безпосередньо

в океан та на сушу. Останні континентальними водами переносяться в океан,

де течії закінчують їх розсіювання. Таким чином відбувається надходження

забруднюючих речовин з атмосфери в інші природні сфери, з якими вона кон-

тактує і тісно пов’язана.

5.2.3.1. Розрахунок забруднення атмосфери викидами поодинокого

джерела

Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини

(мг/м

) при викиді газоповітряної суміші з поодинокого точкового джерела з

круглим гирлом досягається при несприятливих метеорологічних умовах на

відстані x

(м) від джерела і визначається за формулою [53]

215

AMFmn

HVT

∆

, (5.1)

де А - коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери

(для розташованих в Україні джерел висотою менше 200 м в зоні від 50° до

52° північної широти - 180, південніше 50° північної широти - 200);

- маса

шкідливої речовини, що викидається в атмосферу в одиницю часу, г/с; F- без-

розмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливих речовин в

атмосферному повітрі, значення якого приймається для газоподібних шкідли-

вих речовин та дрібнодисперсних аерозолів (пилу, золи тощо, швидкість впо-

рядкованого осідання яких практично дорівнює нулю) - 1, для дрібнодисперс-

них аерозолів (крім вищевказаних) при середньому експлуатаційному коефі-

цієнті очищення викидів не менше 90 % - 2, від 75 до 90 % - 2.5 та при відсут-

ності очищення - 3;

- коефіцієнти, що враховують умови виходу газопо-

вітряної суміші з гирла джерела викиду; Н - висота джерела викиду над рів-

нем землі, м (для наземних джерел приймається 2 м); η - безрозмірний коефі-

цієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості (η = 1 у випадку, якщо в радіусі

від джерела перепад висот місцевості не перевищує 50 м на 1 км, в інших

випадках поправка на рельєф встановлюється на підставі аналізу картографіч-

ного матеріалу щодо рельєфу місцевості в радіусі 50Н від джерела, але не

менше 2 км, згідно рекомендацій [53]); ∆Т

- різниця, °С, між температурою

газоповітряної суміші Т

, що викидається в атмосферу (за діючими для дано-

го виробництва технологічними нормативами), та температурою навколиш-

нього атмосферного повітря

, яка дорівнює середній максимальній темпе-

ратурі зовнішнього повітря найбільш теплого місяця року по СНиП 2.01.01-

82;

- витрати газоповітряної суміші, м

/с, що визначаються за формулою

, (5.2)

де

- діаметр гирла джерела викиду, м;

- середня швидкість виходу газо-

повітряної суміші з гирла джерела викиду, м/с.

Значення потужності викиду М (г/с) та витрат газоповітряної суміші V

(м

/с) при проектуванні підприємств визначають розрахунком у технологічній

частині проекту або приймають згідно діючих для даного виробництва (про-

цесу) нормативів. В розрахунку приймають такі поєднання

та

, які реаль-

но мають місце протягом року за встановлених (звичайних) умов експлуатації

підприємства, при яких досягається максимальне значення

Коефіцієнти m та n обчислюють в залежності від розрахункових парамет-

рів

та

= 1000

∆

, (5.3)

= 065

∆

, (5.4)

'.= 13

, (5.5)

800

. (5.6)

216

Коефіцієнт m визначають за формулами:

067 01 034

.. .

при

< 100, (5.7

)

147

при f ≥ 100. (5.7б)

Для

< 100 значення коефіцієнта

розраховують при

Коефіцієнт n при f < 100 визначають в залежності від v

за формулами:

n = 1 при v

≥ 2, (5.8а)

nvv

=−+0 532 2 13313

... при 0.5 ≤ v

< 2, (5.8б)

= 44. при v

< 0.5. (5.8в)

Для f ≥ 100 (або ∆Т = 0) та v'

≥ 0.5 (холодні викиди) при розрахунку c

замість формули (5.1) застосовують формулу

AMFn

, (5.9)

де

7 1

0 1

, (5.10)

а n визначають за формулами (5.8а) - (5.8в) при v

= v'

Аналогічно при

< 100 та

< 0.5 або

≥ 100 та

< 0.5 (випадки гранич-

но малих небезпечних швидкостей вітру) розрахунок c

здійснюють за фор-

мулою

AMFm

' η

, (5.11)

де

m' = 2.86m при f < 100, v

< 0.5, (5.12а)

m' = 0.9 при f ≥ 100 та v'

< 0.5. (5.12б)

Відстань

(м) від джерела викидів, на якій приземна концентрація

при несприятливих метеорологічних умовах досягає максимального значення

, визначають за формулою

−5

, (5.13)

де безрозмірний коефіцієнт d при f < 100 знаходять за формулами:

=+2481 028

при

≤ 0.5, (5.14

)

dv f

=+495 1 028

при 0.5 <

≤ 2, (5.14

)

dv f

=+7 1 028

при

> 2. (5.14

)

При

> 100 або ∆Т

≈ 0 значення

знаходять за формулами:

d = 5.7 при v'

≤ 0.5, (5.15а)

d = 11.4 v'

при 0.5 < v'

≤ 2, (5.15б)

217

16' при v'

> 2. (5.15в)

Значення небезпечної швидкості вітру u

(м/с) на рівні флюгера (зазви-

чай 10 м від рівня землі), при якій досягається найбільше значення приземної

концентрації шкідливих речовин

, у випадку

< 100 визначають за форму-

лами:

= 0.5 при v

≤ 0.5, (5.16а)

= v

при 0.5 < v

≤ 2, (5.16б)

uv f

=+1 0 12.

при v

> 2. (5.16в)

При

≥ 100 або ∆Т

≈ 0 значення

розраховують за формулами:

= 0.5 при

≤ 0.5, (5.17

)

= v'

при 0.5 < v'

≤ 2, (5.17б)

= 2.2v'

при v'

> 2. (5.17в)

Розрахунки приземних концентрацій шкідливих речовин в атмосфері при

несприятливих метеорологічних умовах і швидкостях вітру u, що відрізня-

ються від небезпечної швидкості вітру u

, здійснюють за рекомендаціями

[53]. При виконанні розрахунків не використовують швидкості вітру u < 0.5

м/с, а також швидкості вітру

*, де

* - значення швидкості вітру, що пере-

вищується d даній місцевості у середньому багаторічному режимі в 5 % ви-

падків.

При небезпечній швидкості вітру

приземна концентрація шкідливих

речовин

(мг/м

) в атмосфері вздовж осі факела викиду на різних відстанях

(м) від джерела викиду визначається за формулою

csc

, (5.18)

де

- безрозмірний коефіцієнт, що визначається в залежності від співвідно-

шення

та коефіцієнта

за формулами:

sxx xx xx

mmm1

432

386

=−+

bgbgbg

при x/x

≤ 1, (5.19а)

113

013 1

при 1 < x/x

≤ 8, (5.19б)

xx xx

358 352 120

−+..

при

≤ 1.5 та

> 8, (5.19

)

xx xx

01 247 178

+−

...

при F > 1.5 та x/x

> 8. (5.19г)

Для низьких і наземних джерел (висотою Н не більше 10 м) при значен-

нях

< 1 в рівняння (5.18) замість величини

слід підставляти величину

, яку визначають в залежності від

та

за формулою

sHHs

0125 100125 2=−+−..

bg bg

при 2 ≤ H < 10. (5.20)

Розрахунки забруднення атмосфери при викидах газоподібної суміші з

джерела з прямокутним гирлом (шахти) здійснюють за наведеними вище

218

формулами при середній швидкості w

і значеннях D = D

(м) та V

= V

(м

/с).

Середню швидкість виходу в атмосферу газоповітряної суміші

(м/с)

визначають за формулою

= , (5.21)

де L і B - довжина і ширина гирла, м.

Ефективний діаметр гирла D

(м) визначають за формулою

. (5.22)

Ефективні витрати газоповітряної суміші V

(м

/с), що виходить в

атмосферу в одиницю часу, визначають за формулою

. (5.23)

Для джерел з квадратним гирлом (L = B) ефективний діаметр D

дорівнює

довжині сторони квадрата.

Далі розрахунок розсіювання шкідливих речовин здійснюють як для ви-

кидів з джерела з круглим гирлом.

Рішення обернених задач по визначенню потужності викиду M та висоти

, які відповідають заданому рівню максимальної приземної концентрації

при інших фіксованих параметрах викиду, знаходять наступним чином.

Потужність викиду M (г/с), яка відповідає заданому рівню максималь-

ної приземної концентрації c

(мг/м

), визначають за формулою

AFmn

∆ . (5.24)

У випадку f ≥ 100 або ∆Т ≈ 0

AFn

. (5.25)

Висоту джерела Н, яка відповідає заданому значенню c

, у випадку

∆Т ≈ 0 визначають за формулою

AMFD

. (5.26)

Якщо обчисленому за формулою (5.26) значенню

відповідає

< 2 м/с, то

уточнюють методом послідовного наближення за формулою

−

, (5.27)

де

та

i-1

- значення обчисленого за формулами (5.8) коефіцієнта

, отрима-

ні відповідно при значеннях H

та H

i-1

(при i = 1 у формулі (5.27) приймають

= 1, а значення H

обчислюють за формулою (5.26)).

219

Формули (5.26), (5.27) використовують також для визначення Н при

∆Т > 0. Якщо при цьому дотримується умова

Hw D T≤

10/∆ , то знайдена

висота Н є точною, в іншому випадку для визначення попереднього значення

висоти

застосовують формулу

AMF

cVT

∆

. (5.28)

По знайденому значенню

на підставі формул (5.3) - (5.6) обчислюють вели-

чини f, v

, v'

та f

і встановлюють у першому наближенні добуток коефіцієн-

тів m та n. Подальші уточнення значення Н виконують за формулою

−−

, (5.29)

де m

та n

- відповідають H

, а m

i-1

та n

i-1

- відповідно H

i-1

(при i = 1 приймають

= n

= 1, а Н

визначають за формулою (5.28)).

Уточнення значення Н за формулами (5.27) та (5.29) здійснюють доти,

доки два послідовні значення

та

i+1

не стануть відрізнятися менше ніж на

1 м.

5.2.3.2. Розрахунок забруднення атмосфери викидами лінійного джерела

При розрахунку розсіювання викидів від лінійного джерела довжиною

найбільша концентрація шкідливих домішок

досягається у випадку на-

пряму вітру вздовж джерела на відстані x

від проекції його центру на земну

поверхню. Розглядаючи аераційноий ліхтар як лінійне джерело, значення

(мг/м

) та

(м) визначають за формулами:

csc

' , (5.30)

' . (5.31)

Тут c'

та x'

, а також відповідне їм значення u'

приймають такими, що дорів-

нюють максимальній концентрації c

, відстані x

та небезпечній швидкості u

для поодинокого джерела такої самої потужності

з круглим гирлом діамет-

ром D

та витратами газоповітряної суміші V

. При цьому ефективний діа-

метр гирла ліхтаря D

(м) визначають за формулою

Lw V

0 1

, (5.32)

де

- витрати газоповітряної суміші, що викидаються з ліхтаря в одиницю

часу, м

/с;

- середня швидкість виходу з ліхтаря газоповітряної суміші, м/с.

Величину

визначають по знайденому значенню

за формулою

(5.23).

За висоту джерела викиду

(м) приймають висоту над рівнем землі верх-

ньої кромки вітровідбивних щитів ліхтаря або верхньої кромки ліхтаря в разі

відсутності щитів. Середню швидкість виходу в атмосферу газоповітряної су-

міші з аераційного ліхтаря w

(м/с) визначають експериментальним шляхом

220

або розрахунком аерації. Масу шкідливої речовини M (г/с), що викидається в

атмосферу в одиницю часу, приймають рівною сумарному викиду з усього

ліхтаря. Величину ∆Т (°С) приймають такою самою, як для поодинокого дже-

рела викиду.

Безрозмірні коефіцієнти s

та s

в рівняннях (5.30) і (5.31) визначають в

залежності від співвідношення L/x'

за формулами:

Lx Lx

1 045

1 045 01

.'.'

, (5.33)

1 06

+ .'

. (5.34)

Небезпечна швидкість вітру u'

= u

Потужність викиду M, яка відповідає заданому значенню максимальної

концентрації c

, для випадку викидів з поодинокого аераційного ліхтаря ви-

значають за формулою

, (5.35)

де M

знаходять як потужність викиду з поодинокого джерела, що відповідає

, за формулою (5.24) чи (5.25) при V

= V

та D = D

, які обчислюють за

формулами (5.23), (5.32).

5.2.3.3. Розрахунок забруднення атмосфери викидами групи джерел та

площинними джерелами

Приземна концентрація шкідливих речовин

(мг/м

) у будь-якій точці

місцевості при наявності

джерел викидів визначається як сума концентра-

цій речовин від окремих джерел при заданому напрямку і швидкості вітру

∑

, (5.36)

де

- концентрація шкідливих речовин від

-го джерела, розташованого з на-

вітряної сторони при заданому напрямку вітру.

З метою прискорення та спрощення розрахунків кількість джерел вики-

дів, що розглядаються, зменшують шляхом їх об’єднання (особливо дрібних

джерел) в окремі умовні джерела. Спосіб встановлення джерел, що підляга-

ють об’єднанню, та визначення параметрів їх викидів викладений в літературі

[53].

Одним із способів зменшення обсягів розрахунків є представлення сукуп-

ності значної кількості однотипних джерел викидів, а також розосереджених

по території джерел неорганізованого викиду як площинних. Рекомендації

щодо розрахунку забруднення атмосфери викидами таких джерел наведені в

літературі [53].