Материал: Основы экологической безопасности и эксплуатации зданий, сооружений и инженерных систем. Скрыпник А.И., Яременко С.А

Лазерное зондирование используется для обнаружения вредного вещества в атмосфере. Лазер испускает короткий монохроматичный импульс излучения, который возвращается к детектору. Возвратившийся импульс будет иметь другую длину волны. Точность измерения не высокая.

Существует несколько способов определения вредных веществ:

- метан и другие углеводороды определяются методом газовой хроматографии с использованием плазменно-ионизационного детектора;

- кислородосодержащие углеводороды определяются абсорбционным методом с раствором серной и хромотроповой кислот и по интенсивности окраски определяют эти вещества методом газовой хроматографии;

- двуокись азота и окись азота определяется с использованием сульфаниловой кислоты, при подаче азокрасителя в раствор определяется концентрация веществ хемилюминесцентным методом;

- азотосодержащие углеводороды (например, гидразин) определяются газосигнализатором ФК - 0055 фотоколориметрическим методом по изменению цвета ленты, пропитанной раствором, что вызывает изменение светового потока и электропотенциала;

- азотная кислота определяется кулонометрическим методом;

- сернистый ангидрид определяется кулонополярографическим методом с использованием, например, газоанализатора ГКП-1 с самописцем, погрешность 20 %;

- окись углерода определяется оптико-акустическим методом с использованием, например, газоанализатора ГМК-3 и измерением инфракрасной радиации на фотоэлементе, погрешность метода ‑ 5 %;

- метилмеркаптан определяется при его взаимодействии с хлорным железом и ацетатом ртути, по окраске определяется его концентрация;

- хлор определяется при его реакции с метиленом, создавая раствор оранжевого цвета;

- аммиак определяется при его взаимодействии с фенолом, при которой появляется синяя окраска раствора;

- бенз(а)пирен определяется при замораживании воздуха до температуры минус 196 ^оС методом флуоресценции.

Результаты анализов позволяют провести расчет концентрации вредных веществ в воздухе.

Концентрация вредного вещества при отборе проб воздуха в жидкостном поглотителе определяется по формуле

С = в∙М / (V∙а∙к), (18)

где М – количество вещества, мкг, найденное в пробе объемом "а", мл; в – общий объем пробы в поглотительном приборе, мл; V – объем протянутого воздуха, л; к – коэффициент приведения объема воздуха к нормальным условиям, приведенный в табл.1.1.

Таблица 1.1

2. Этапы решения экологических проблем города

Существует несколько основных этапов решения экологических задач:

• Определяются виды зданий, из которых выделяются вредные вещества:

- линейное, когда высота здания превышает его длину, но меньше ширины,

- башенное, когда высота здания превышает его длину и ширину,

- плоское, когда высота меньше его длины и высоты. Вид здания определяет размеры циркуляционной зоны за ним, где давление среды меньше барометрического и в этой зоне могут накапливаться вредные вещества.

• Определяются виды и количество используемых веществ и энергии (т/год, кВт∙ч) и выпускаемой продукции на предприятии.

• Устанавливаются технологические процессы переработки веществ, при которых выделяются и выбрасываются вредные вещества в атмосферу, воду и на почву.

• С учетом количества используемых в технологическом процессе вредных веществ и класса их опасности по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200–03–Санитарно-защитные зоны (СЗЗ) и санитарная классификация предприятий определяется класс вредности предприятия и необходимые размеры санитарно-защитной зоны.

• Проводится инвентаризация источников выбросов и сбросов в пределах территории предприятия (виды выбросов и сбросов, их количество, т/год).

• Количественно определяются по группам классов опасности выделения вредных веществ.

• По формулам (3), (8) в каждой группе выбросов определяются показатели опасности вредных выбросов и сбросов и наибольшее (доминирующее) значение показателя.

• По установленному размеру СЗЗ - lр, с использованием СНиП 23-01-1999 – Строительная климатология, по 8 румбам сторон света устанавливается частота направления ветра в течение года на здание с доминирующим выбросом вредного вещества и по формуле (10) определяется фактический размер СЗЗ.

• В зависимости от высоты источника вредных выделений (высокий или низкий) определяется максимальная приземная концентрация Cm и расстояние хМ, на котором она расположена от источника.

• Если сумма Cm + Сф > ПДКМ.Р. необходимо снижать величину выброса, используя очистное устройство. При отсутствии эффективного способа его очистки принимается решение о повышении высоты трубы источника выброса.

3. Определение удаленности строящегося объекта от жилых зданий

Пример: Проектируется 9-этажное жилое здание высотой Н_зд2 = 25 м. Вредные вещества диоксид серы с расходом М = 10 г/с выделяются из дымовой трубы крышной котельной над жилым пятиэтажным зданием высотой Н_зд.1 = 16 м, здание узкое шириной в = 16 м, т.е. в < 2,5∙ Н_зд.1. Расход дымовых газов L = 2 м³/с. Высота дымовой трубы над зданием - 3 м, скорость ветра - 2,5 м.

В соответствии с [31] расстояние между 5 и 9-этажными зданиями должно быть не менее 46 м.

С другой стороны для узкого здания аэродинамическая тень за зданием равна 6 Н_зд.1, т.е. равна l = 6∙16 = 96 м.

Следовательно, для обеспечения санитарных условий принимаем расстояние от планируемого к строительству здания 96 м. Однако этого условия не достаточно, поскольку необходимо обеспечить предотвращение поступления выбросов котельной в аэродинамическую тень. Для этого необходимо графически определить границы аэродинамической тени и по графику - необходимую высоту факельного подъема газовой струи, при которой она выходит за границу тени.

На рис. 3.1 представлена схема построения аэродинамической тени для узкого здания.

Рис. 3.1. Схема построения аэродинамической тени здания

Концентрация пыли равна С = m / (V∙к), где m – количество пыли в пробе, мг, V - объем протянутого воздуха, м³, к – коэффициент приведения.

Определение достоверности полученных результатов проводится в следующей последовательности:

а) определяется среднее значение параметра С_ср. = ;

б) определяется среднее квадратичное отклонение

;

в) определяется оценка достоверности максимального и минимального значений измерений D_m = (C_m – C_i) / σ;

г) полученное значение D_m сравнивается с табличными значениями при различных значениях вероятности р_в и значительных количествах опытов п, приведенных в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Если значение D_m не превосходит соответствующего табличного значения, то с принимаемой вероятностью р_в величина С_m соответствует исследуемому ряду измерений. В средствах охраны окружающей среды принимается вероятность достоверности измерения параметров менее 98 %.

Определив по графику расстояние h_Ф, находят необходимую скорость V_ф газовоздушного потока в узком сечении факельного оголовка диаметром d_o по формуле

V_ф = h_Ф / (2,17∙d_o) (19)

при безветрии V_B≥3 м/с, или из

h_Ф = 4,2(V_ф/2,5 – 0,7)^0,63 (20)

при скорости ветра V_в > 3м/с.

Таким образом:

а) Н_гр. = 1,8∙Н_зд = 28,8 м, б) 96 /2 = 48м.

Касательная к кривой границы аэродинамической тени δ = 20^о. Из рис.3.1 находим расстояние от крыши здания до границы тени - 23 м, тогда h_Ф = 23 – 3 = 20 м. При скорости дымовых газов в устье трубы d_o = 0,35 м определяем скорость газов V_ф = h_Ф / (2,17∙d_o) = 20 / (2,17∙0,35) = 26,3 м/с.

Потери давления в трубе общей длиной 16 + 2 = 18 м при скорости газа в ней V_г = 7 м/с, плотности газов ρ_г = 353/ (273+150) = 0,8 кг/м³ и коэффициенте шероховатости в ней λ = 0,05 равны ∆Р_т = 0,05∙18∙0,8∙7²/(0,35∙2) = 50 Па. Потеря давления в устье трубы ∆Р_у = 0,8∙26,3²/2 = 277 Па. Общее сопротивление линии

∆Р_о= 327 Па. При КПД вентилятора η_в = 0,7 необходимая мощность вентилятора равна N = 1,1 ∆Р_о∙L / (1000∙ η_в) = 0,9 кВт. При скорости V_ф < 26 м/с поступающая концентрация диоксида серы в аэродинамическую тень составит С=M/L=1000/2=5000 мг/м³.

Если принять d_o = 0,45 м, тогда будем иметь V_ф = 20/2,17∙0,45 = 20 м/с, ∆Р_у = 0,8∙400/2 = 160 Па, N = (160 +50)∙2/1000∙0,8 = 0,13 кВт, т.е уменьшение диаметра устья трубы (факельного оголовка) в 1,3 раза снижает затраты энергии в 7 раз, однако при скорости в устье трубы V_ф = 2 / 0,785∙0,2 = 12,7 м/с не обеспечивается выход вредных веществ за пределы зоны аэродинамической тени и они будут в ней накапливаться. При скорости ветра V_В >3 м/с и при h_Ф=20 м скорость струи будет равна V_ф =32 м/с и при этом увеличится необходимая мощность вентилятора в 1,47 раза.

4. Выбор площадки для строительства котельной

Определение площадки для строительства котельной на территории города с учетом климатических условиях и возникновения НМУ.

Пример:

- район строительства г. Рязань;

- расход дымовых газов Q_г = 5,54 м³/с, температура t_г = 160 ^оС;

- высота дымовой трубы Н_т = 30 м, диаметр её устья D_т = 1,0 м;

- скорость дымовых газов на выходе из трубы V_т = 7,06 м/с;

- температура атмосферного воздуха t_в = +25 ^оС, коэффициент температурной стратификации А = 160;

- выброс окислов азота М_о = 4,1г/с, окислов углерода М_с = 11,4 г/с;

- местность ровная (рельеф спокойный), для неё показатель η = 1;

- фоновая приземная концентрация окислов азота С_ф = 0,7ПДК_М.Р., окиси углерода С_ф = 0,5ПДК_М.Р.

Решение.

1. Определяется максимальная приземная концентрация по формуле (11) При F = 1, η = 1, параметр .

2. Определяется параметр V_м = 0,65∙ .

3. Определяется параметр

m =

4. Определяется параметр n = 0,532∙ V_м² – 2,13∙ V_м +3,13=1,9–4+3,13=1,03.

5. Максимальная приземная концентрация окислов азота равна

C_m = = .

6. Определяется расстояние, на котором образуется максимальная концентрация x_m = Н∙[4,95∙V_m∙(1 + 0,28∙ ] = 30[4,95∙1,9∙(1+0,28∙0,745)] = 340 м.

7. Определяется приземная концентрация окислов азота С = С_м + С_ф = =0,1 + 0,7∙0,2 = 0,24мг/м³.

Следовательно, концентрация С > ПДК_М.Р.= 0,2 мг/м³, поэтому строительство котельной возможно только при условии очистки выбросов или при увеличении высоты дымовой трубы.

При высоте трубы Н = 40 м получим С_м = 0,1∙(30/40)² = 0,056 мг/м³, тогда приземная концентрация будет равна

С = 0,056 + 0,7∙0,2 = 0,196 мг/м³ < ПДК_М.Р.

Однако при наступлении второго предупреждения НМУ возможно повышение С_М в два раза, тогда С = 0,2 + 0,14 = 0,34 мг/м³, что превышает ПДК_М.Р.. В этом случае необходимо увеличить высоту трубы до 60 м, т.к.

С = 0,2∙(30/60)² + 0,14 = 0,19 мг/м³.

В этом случае необходимо сравнить экономические затраты на создание очистного устройства или строительство высокой трубы, учитывая, что при наступлении третьего режима предупреждения НМУ, когда приземная концентрация может увеличиться вместо двух в три раза, т.е. концентрация будет равна не менее С = 0,34 мг/м³. В этом случае высота трубы должна быть не менее 145 м и капитальные затраты будут значительными.