Рассеивание в атмосфере загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятиями теплоэнергетики

Рассеивание в атмосфере загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятиями теплоэнергетики in article is organized analysis of the most wide-spread models of the dissipation polluting material in atmosphere. The considered mode! ofthe determination maximum concentrations ofpolluting material applicable to Republic of Buryatia.

Топливно-энергетический комплекс играет особую роль в обеспечении устойчивого и эффективного развития народного хозяйства Республики Бурятия и региона. Топливноэнергетический комплекс (ТЭК) является одной из приоритетных отраслей экономики региона. Ее состояние и тенденции развития тесно связаны с развитием других отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта и населения.

Топливно-энергетический комплекс Бурятии представлен крупными месторождениями каменного и бурого угля (Тутнуйского, Хольбоджинского, Окино-Ключевского, Дабан-Горхонского), а также предприятиями энергетики: Гусиноозерская ГРЭС, Селенгинская ТЭЦ, Каменская ТЭЦ.

С другой стороны, ТЭК является одним из наиболее крупных источников загрязнения окружающей среды.

В настоящее время в г. Улан-Удэ функционирует множество отопительных и квартальных котельных, производственная деятельность которых приводит к загрязнению атмосферного воздуха. Представителями ТЭК в городе являются главным образом предприятия теплоэнергетики: ОАО «Территориальная генерирующая компания № 14» («Улан-Удэнский энергетический комплекс» филиал ОАО «ТТК-14»), МУП ЖКХ п. Загорск, котельная ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод», а также ТЭЦ-J и ТЭЦ-2.

Учитывая большую техногенную нагрузку на атмосферный воздух, а также то, что г. Улан-Удэ, расположенный на Байкальской природной территории, входит в число наиболее загрязненных городов России, актуальным является определение воздействия предприятий теплоэнергетики города на окружающую среду. В процессе работы по оценке воздействия предприятий теплоэнергетики на атмосферный воздух г. Улан-Удэ необходимо было определить степень загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха.

Основными физико-химическими процессами, влияющими на качество атмосферного воздуха, являются процессы распространения и трансформации загрязняющих веществ в окружающей среде. Распространение или перенос загрязняющих веществ в газовых средах может осуществляться двумя путями: '

за счет молекулярной диффузии;

за счет молекулярной и турбулентной диффузии одновременно.

К простейшим методам моделирования рассеивания вредных веществ в окружающей среде относятся интегральные методы. Наиболее распространенными моделями рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе являются:

• 1.    Гауссова модель распространения примеси в атмосфере. Основное положение данной модели - то, что турбулентность везде одинакова, скорость ветра постоянна во всем слое распространения струи, направление ветра также не меняется при движении потока.

При реализации гауссовой модели рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере необходимо рассмотрение следующих процессов [1]:

• 1)    подъем струи.

• 2)    вымывание примеси.                            .

• 3)    сухое осаждение примеси.

• 4)    условия замыкания (ограничения), когда существует верхний предел, ограничивающий вертикальное рассеивание примесей.

Основное уравнение рассеяния в гауссовой теории: ■

C(x,y,z,H) =

---—---exp

2я6 y8.u

2 3

L

' exP

z-hV

3, )

+ exp

• 1    z+ H

• 2    I 5e

где С - концентрация в некоторой точке с координатами (x,y,z) при данном выбросе мощностью Q на высоте Н, представленная гауссовым распределением, записанным в правой части уравнения;

• 3 s

' и z - функции рассеяния от источника;

и - действующая на струю выброса средняя скорость ветра.

Существует множество моделей рассеивания, основанных на гауссовой модели:

• а)    климатологическая дисперсионная модель - модель непрерывной струи для сезонных или годовых среднеарифметических концентраций загрязнения в некоторой точке.

• б)    гауссова модель качества воздуха для множественных источников - определение концентрации пассивной примеси для времени усреднения от часа до суток при выбросе из точечного и площадного источника.

• в)    комплексная модель для промышленных источников - определение концентраций загрязняющих веществ от большого количества источников, расположенных в конкретном промышленном комплексе,

г)модель для единственного источника - определение двух наивысших значений концентраций в течение года в каждой исследуемой точке для единичного точечного источника.

• д)    долинная модель - рассмотрение случая наихудшего рассеивания загрязняющих веществ в местности со сложным рельефом.

• 2.    Модель Паксвилла-Гиффорда. Данная модель является модифицированной моделью, в которой введены классы устойчивости атмосферы, что позволило устранить недостатки гауссовой модели. Классификация устойчивости определяется в зависимости от поступающей солнечной радиации. При расчете рассеивания с использованием данной модели необходимо большое количество метеорологических характеристик. Модель Паксвилла-Гиффорда целесообразно использовать в случае аварийных выбросов загрязняющих веществ [1].

• 3.    Модель, разработанная Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова. Данная модель предназначена для расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределения концентраций. Согласно данной модели, степень опасности загрязнения атмосферного воздуха характеризуется наибольшим рассчитанным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным метеорологическим условиям, в том числе опасной скорости ветра [2].

Все вышеперечисленные модели рассеивания выбросов загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха отличаются в основном своими приложениями, а не основными принципами построения или расчета.

Одна из главных черт большинства моделей - предположение постоянства заданных условий во времени и в пространстве при выполнении расчетов концентраций. Большинство используемых в настоящее время моделей имеют период осреднения примерно 1 час, в особенности те из них, которые принадлежат к классу гауссовых моделей. В реальной атмосфере направление и скорость ветра, а также турбулентность не являются постоянными в течение конкретного периода времени и во всем пространстве, где распространяется моделируемая примесь.

В настоящее время в Российской Федерации действует общесоюзный нормативный документ ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Данная методика сертифицирована и принята к применению в отечественных природоохранных службах. Использование данной методики позволяет определять качество атмосферного воздуха с учетом среднегодового загрязнения территорий, что делает эту модель наиболее пригодной для определения уровня загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха.

Нормативно-технический документ ОНД-86 по сравнению с другими существующими моделями рассеивания загрязняющих веществ дает возможность определить концентрации загрязняющих веществ для территорий с различными климатическими условиями турбулентного обмена. Кроме того, вышеуказанная модель позволяет рассчитать концентрации загрязняющих веществ, претерпевающих полностью или частично химические превращения (трансформацию) в более вредные вещества.

ОНД-86 позволяет достаточно точно и адекватно определить концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха при различных скоростях ветра и постоянстве других характеристик выброса, таких как мощность выброса М, параметры источников выброса и газовоздушной смеси (высота трубы Н, диаметр D, расход отходящих газов Vb температура отходящих газов Тг и окружающей среды Тв), температурной стратификации атмосферы А и тщ*

Основной характеристикой качества атмосферного воздуха в данной модели является максимальная приземная концентрация загрязняющего вещества. Алгоритм определения максимальной концентрации загрязняющего вещества См при неблагоприятных метеорологических условиях и расстояния Хм от источника выброса, на котором приземная концентрация достигает максимального значения, представлен на рисунке 1 [3], ввод Я D, Я, к П- Гл П

AMF/nnt) нгф\ьт

Рис. 1 Алгоритм определения максимальной концентрации загрязняющего вещества См при неблагоприятных метеорологических условиях и расстояния Хм от источника выброса, на котором она достигается

Вышеуказанная методика позволяет рассчитать концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на различных расстояниях от стационарных и передвижных источников загрязнения.

Рассматриваемая модель была использована при расчете концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании топлива в котлоагрегатах котельных г. Улан-Удэ при разработке проекта нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для Улан-Удэнского энергетического комплекса филиала ОАО «ТГК-14».

Для проведения расчетов использовалась следующая входная информация:

• •    данные об источниках выбросов (наименование и тип, высота, диаметр устья, скорость выхода и температура газовоздушной смеси, координаты источника на местности и т.д.) и выбрасываемых ими веществах;

• •    сведения о постах контроля атмосферы, измеренных на них концентрациях загрязняющих веществ и метеопараметрах.

Расчет концентраций загрязняющих веществ определялся на различных расстояниях с учетом метеорологических и климатических данных

Основным методом оценки степени загрязнения атмосферного воздуха выбросами котельных является сопоставление создаваемой ими максимальной приземной концентрации загрязняющих веществ в жилой застройке и допустимого вклада в загрязнение воздушного бассейна.

Для всех выбрасываемых загрязняющих веществ поочередно сравнивался их суммарный выброс с соответствующими значениями предельно допустимой концентрации. Расчет рассеивания загрязняющих веществ был проведен с использованием программного комплекса «Призма», сертифицированного и рекомендованного к применению в установленном порядке. При этом были приняты следующие допущения:

• -    среднечасовая нагрузка являлась максимальной, исходя из фактического режима работы отдельных котлов в период максимума суммарной нагрузки;

• -    температура наружного воздуха равна средней температуре наиболее холодного месяца;

• -    наибольшее загрязнение имеет место зимой, что является наихудшим условием для расчета максимальной приземной концентрации загрязняющих веществ.

Исходя из требований ОНД-86 [2], ГОСТ 17.2.3.02-78 [4] и других методических документов, был проанализирован режим работы источников загрязнения атмосферы в целях определения суммарного разового выброса от всех источников, соответствующего наиболее неблагоприятному из имеющих место условий выбросов для предприятия в целом.

При оценке влияния выбросов загрязняющих веществ предприятия на качество атмосферного воздуха учитывалось, что величина максимальной приземной концентрации, Сип, какого-либо веществ является суммой двух составляющих:

• -    максимальной приземной концентрации этого вещества, создаваемой выбросами исследуемого предприятия, С_нп,

• -    фоновой концентрации рассматриваемого вещества, С’ф, обусловленной наличием других источников загрязнения воздуха в городе и дальним переносом примесей [2].

Анализ расчета загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха показал, что влияние выбросов загрязняющих веществ на состояние приземного слоя атмосферного воздуха весьма различно: наряду с веществами, уровень концентраций которых в приземном слое достаточно высок, для целого ряда веществ достигались очень низкие значения концентраций - значительно ниже предельно допустимых.

Для веществ, максимальная приземная концентрация которых превышала предельно допустимую, был предложен ряд инженерно-технических мероприятий с целью достижения нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. Природоохранные мероприятия были разработаны для двенадцати из рассматриваемых тридцати котельных предприятия.