Расчет концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе

Задание № 1. Расчет концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе

Загрязненный атмосферный воздух выбрасывается из дымовой трубы высотой Н и диаметром D. Температура выбрасываемой воздушно-газовой смеси составляет Тг, а температура окружающего воздуха Тв. Объемный расход воздушно-газовой смеси L, массовый расход взвешенных частиц М. Требуемая степень очистки газов η. Фоновая концентрация вредных веществ сф.

Определить:

• максимальную величину приземной концентрации вредного вещества см;
• суммарную концентрацию вредного вещества с∑ и сравнить ее с предельно допустимой концентрацией (ПДК);
• расстояние от источника выброса до точки с максимальной концентрацией вещества хм;
• распределение приземной концентрации вредного вещества с = f(x,y) в зависимости от расстояния до источника выброса загрязнений x и удаления от оси распространения ветра;
• величину опасной скорости ветра uм.

Кривые распределения концентрации вредного вещества изобразить графически. Данные для выполнения задания в соответствии с номером варианта выбрать из табл. 1.

Порядок выполнения задания

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания выбросов промышленных предприятий, является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86». В основу данной методики положено условие, при котором суммарная концентрация вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е.:

с∑ = см + сф ≤ ПДК, (1)

где см – максимальная величина приземной концентрации вредного вещества, мг/м³; сф – фоновая концентрация вредного вещества, характерная для данной местности, мг/м³.

Величина ПДК может быть определена из данных, приведенных в учебных пособиях [1, 3]. Для расчетов принять ПДК = 0,5 мг/м³.

Расчет максимальной приземной концентрации

Максимальная величина приземной концентрации вредного вещества при условии рассеивания нагретых выбросов определяется по формуле:

см = (A · M · F · m · n · μ) / (H² · (L · ΔТ)^1/3), (2)

где:

• А – коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания примесей в атмосфере, c²/³·мг·град¹/³/г;
• М – массовый расход взвешенных частиц, г/с;
• F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания загрязненных веществ в атмосферном воздухе;
• m и n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода воздушно-газовой смеси из устья источника выброса;
• μ – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности на рассеивание загрязняющих веществ;
• Н – высота трубы, м;
• L – объемный расход газо-воздушной смеси, выбрасываемой из трубы, м³/с;
• ΔТ – разность между температурой выбрасываемой воздушно-газовой смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв, град.

Коэффициенты А и μ

Коэффициент А в зависимости от географического расположения источника выброса принимает следующие значения:

• А = 120 – для северных и северо-западных районов России;
• А = 160 – для центральной части территории России;
• А = 200 – для южных районов России.

Безразмерный коэффициент μ принимается равным 1 для ровного рельефа местности при перепаде высот не более 50 м на 1 км. Если в районе рассматриваемого предприятия имеются препятствия для распространения ветра: гряды, гребни, ложбины, уступы, — то коэффициент μ > 1. Для расчетов принять μ = 1.

Коэффициенты m и n

Безразмерный коэффициент m зависит от вспомогательного параметра f, м·с⁻²·град⁻¹, определяемого следующим образом:

f = 1000 · (w₀² · D) / (H² · ΔТ), (3)

где D — диаметр устья трубы, м; w₀ = (4 · L) / (π · D²) – скорость выхода газо-воздушной смеси из устья трубы, м/с.

Функциональная зависимость коэффициента m от вспомогательного параметра f имеет следующий вид:

m = 1 / (0,67 + 0,1 · f^0,5 + 0,34 · f^1/3), (4)

Значение безразмерного коэффициента n определяется в зависимости от величины вспомогательного параметра vм, м/с:

vм = 0,65 · (L · ΔТ)^0,5 / H, (5)

Условия для n:

• если vм > 2, то n = 1;
• если 0,3 < vм ≤ 2, то n = 0,532 · vм² — 2,13 · vм + 3,13;
• если vм ≤ 0,3, то n = 4,4 · vм.

Коэффициент F и расстояние xм

Величина безразмерного коэффициента F зависит от требуемой степени очистки газов η, %:

• Если η ≥ 95%, то F = 1;
• Если η ≥ 90%, то F = 2;
• При 75% < η < 90%, то F = 2,5;
• При η ≤ 75%, то F = 3.

Расстояние от источника выброса до точки с максимальной концентрацией вещества xм, м, зависит от параметров H, F и d:

• при F < 2: xм = (5 · d · H);
• при F ≥ 2: xм = (4,95 · d · H).

Где d – безразмерная величина, зависящая от параметров vм и f:

• при vм ≤ 2: d = 2,48 · (1 + 0,28 · f^1/3);
• при vм > 2: d = 7 · (1 + 0,28 · f^1/3).

Расчет концентраций на различных расстояниях

Приземная концентрация cx вредных веществ в атмосферном воздухе на различных расстояниях x от источника выброса рассчитывается по формуле:

cx = S1 · cм, (14)

где S1 – безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения z = x/xм и параметра F:

• при z ≤ 1: S1 = 3 · z⁴ — 8 · z³ + 6 · z²;
• при 1 < z ≤ 8: S1 = 1,13 / (0,13 · z² + 1);
• при z > 8 и F < 2: S1 = 1 / (3,58 + 35,2 · z);
• при z > 8 и F ≥ 2: S1 = 1 / (0,1 · z² + 2,47 · z + 17,8).

Приземную концентрацию вредных веществ в атмосфере cy на расстоянии y от оси распространения ветра рассчитываем следующим образом:

cy = S2 · cx, (16)

Безразмерная величина S2 зависит от параметра uм, расстояния от источника выброса x и удаления от оси распространения ветра y:

S2 = [1 + (y / (8,4 · x / uм))^2]^-1 (упрощенная форма записи формулы 17).

Опасная скорость ветра

Величина опасной скорости ветра uм, м/с принимается в зависимости от параметров vм и f:

• при vм ≤ 0,5: uм = vм;
• при 0,5 < vм ≤ 2: uм = vм;
• при vм > 2: uм = vм · (1 + 0,12 · f^1/3).

Таблица №1. Исходные данные для выполнения задания № 1

№	H, м	Тг, °С	Тв, °С	D, м	L, м³/c	М, г/с	η, %	сф, мг/м³	Геогр. расп.
1	55	180	0	1,0	50	4	80	0,10	север
2	60	170	3	1,2	130	11	90	0,11	центр
3	65	160	6	1,4	55	4	70	0,12	юг
4	70	150	9	1,6	125	11	60	0,13	север
5	75	140	12	1,8	60	5	75	0,14	центр
6	80	130	15	2,0	120	11	85	0,15	юг
7	85	120	18	2,2	65	5	95	0,16	север
8	90	110	21	2,4	115	10	65	0,17	центр
9	95	100	24	2,6	70	6	75	0,18	юг
10	100	185	27	2,8	110	10	85	0,19	север
11	105	175	30	3,0	75	6	80	0,20	центр
12	110	165	35	3,2	105	9	90	0,10	юг
13	115	155	40	3,5	80	7	95	0,11	север
14	55	145	35	1,2	100	9	65	0,12	центр
15	60	135	30	1,6	85	8	60	0,13	юг
16	65	125	27	2,0	95	9	70	0,14	север
17	70	115	24	2,4	90	8	75	0,15	центр
18	75	105	21	2,8	50	4	80	0,16	юг
19	80	173	18	3,2	130	11	85	0,17	север
20	85	163	15	1,4	55	4	90	0,18	центр
21	90	153	12	1,8	125	11	75	0,19	юг
22	95	143	9	2,2	60	5	80	0,20	север
23	100	148	6	2,6	120	11	65	0,10	центр
24	105	158	3	3,0	65	5	75	0,11	юг
25	110	165	0	1	115	10	90	0,12	север