Исследование влияния выбросов ГКП «КТЭЦ» на атмосферный воздух

 

1.3 Процессы превращения загрязнений в приземном слое атмосферы

Атмосферные загрязнения  и природные примеси подвергаются сложным процессам превращения, взаимодействия, вымывания и т.д. Эти процессы различны для взвешенных частиц и газообразных примесей. Время нахождения («жизни») взвешенных частиц в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических параметров и некоторых других факторов,  в первую очередь от высоты выброса частиц в атмосферу и их размеров.

Основными процессами удаления аэрозолей являются: осаждение  частиц под воздействием силы тяжести, осаждение на растениях и включение  их в элементы осадков путем конденсации, вымывания дождем и т.п.

Процесс осаждения частиц является одним из основных, воздействующих на срок их «жизни». Однако это относится лишь к частицам с радиусом более 1 мкм, процесс осаждения которых подчиняется закону Стокса. Частицам размером менее 0,1 мкм в диаметре свойственно броуновское движение. У частиц размером 0,1- 1 мкм в диаметре скорость осаждения ничтожна по сравнению с перемещением воздуха в атмосфере.

Примерная скорость осаждения частиц в неподвижном воздухе в зависимости от их размера приведена ниже:

Радиус частиц, мкм	Скорость движения, см/с
0,1……………………… 1,0………………………………… 10,0…………………………………… 100,0………………………………	8*10-6 4*10-3 0,3 25,0

Наличие ветра  может существенно изменить скорость осаждения частиц. С размером частиц связана также и их способность коагулировать, что оказывает влияние на срок их «жизни» в атмосфере.

На процесс  окисления влияет также влажность  воздуха. Так, отдельными исследованиями было установлено, что если содержание аэрозолей сернистой кислоты от сернистого газа при влажности до 60% составляет в среднем 7,8%, то при влажности выше 81% возрастает до 31%.

 

1.4 Подъем дымового факела над устьем дымовой трубы

Эффективная высота дымовой трубы (т.е. высота расположения точечного источника в случае расчета концентраций вредных примесей исходя из двухэтапного метода решения этой задачи) складывается из геометрической высоты трубы h и подъема дымового облака над ее устьем Δh (рисунок 1). В свою очередь подъем дымового облака над устьем складывается из двух составляющих:

где  - подъем за счет кинетической энергии вытекающей вверх струи (гидродинамический подъем);

- подъем за счет разности  плотностей окружающей среды и дымового облака (тепловой подъем).

а – в сносящем ветром потоке;

б – при неподвижной  атмосфере (затопления струя)

 

 Рисунок 1 - Расчетная схема для определения подъема факела над устьем

дымовых труб

 

Тепловой подъем газов, обусловленный разностью плотностей выходящих газов и окружающего воздуха, достаточно просто можно определить из рассмотрения условий равновесия элемента дымового факела толщиной dx. На этот слой действует подъемная сила, равная разности масс окружающего воздуха и дымового облака в объеме диска. Если мы рассматриваем сносящий поток с постоянной скоростью по высоте (скорость ветра постоянна), но для большей общности вывода с разными интенсивностями турбулентности потока по осям координат (в вертикальной плоскости ε_z и в горизонтальной ε_у), то поперечное сечение облака на расстоянии х по направлению ветра представляет собой эллипс с полуосями xε_Z и хε_у. Площадь эллипса равна πх²ε_уε_z. Тогда подъемная сила, действующая на элемент факела dx, равна:

 

                                    (53)

Сила подъема  диска, поднимающегося со скоростью w, уравновешивается силой лобового сопротивления конического элемента

                       (54)

В этих формулах р_в, p_cм — плотность соответственно атмосферного воздуха и средняя плотность диска дымового облака, кг/м⁵; с — коэффициент лобового сопротивления диска; w — скорость подъема диска, м/с.

Кроме двух упомянутых сил, на рассматриваемый элемент  действуют также сила инерции  элемента, движущегося вверх с переменной скоростью, сила внутреннего трения рассматриваемого элемента о прилегающие слои дымового облака, силы инерции присоединяемых масс холодного воздуха, движущегося горизонтально.

При расчете теплового подъема факела, источник выброса характеризует только одна величина - тепловой выброс. При этом безразлично, за счет чего получено то или иное значение теплового выброса - за счет большой разности температур газа и воздуха или при умеренной разности температур за счет больших объемов газа.

На  тепловой подъем в отдельности не влияют такие факторы, как диаметр  устья трубы и скорость выхода газов. Существенного увеличения теплового  подъема факела можно достигнуть, увеличивая количество выбрасываемого газа в некоторой точке пространства, т. е. уменьшая число труб электростанции.

Из  атмосферных факторов велико влияние  скорости ветра. При увеличении скорости ветра резко падает тепловой подъем. Существенно также влияние интенсивности турбулентности в горизонтальной плоскости: по мере ее увеличения, т. е. увеличения угла раскрытия факела в горизонтальной плоскости, происходит уменьшение теплового подъема.

В реальных условиях гидродинамический и тепловой подъемы факела проявляются одновременно, поэтому их разделение достаточно условно. В то же время из выражений для определения траекторий подъема дымового факела (как гидродинамической, так и тепловой составляющих) видно, что для рассмотренного простейшего случая эти траектории представляют собой параболы.

В реальных условиях, где имеется целый ряд факторов, неучитываемых при выводе выражений, (например, неравномерность профиля ветра по высоте, существование градиента температур по высоте, теплообмен с окружающей средой и т. д.), траекторию движения факела в атмосфере при его подъеме можно представить в виде:

                                      (66)

где  -коэффициент пропорциональности, который получен сложением выражений для гидродинамической и тепловой составляющих подъема.

Коэффициенты К_г и К_т характеризуют относительное влияние гидродинамической и тепловой составляющих подъема в общем подъеме факела. Эти коэффициенты можно определить по данным натурных экспериментов при замерах положения дымового факела, параметров выброса из дымовых труб и метеопараметров.

Такие эксперименты сложны и проводятся с использованием самолетов и вертолетов, стереофотограмметрической  съемки, позволяющей с высокой  точностью определять положение  факела в атмосфере, и нужны для  проверки расчетных предположений' и данных лабораторных экспериментов.

На основании  полученных в натурных экспериментах  данных приняты К_г=0,42, К_т=0,3.

Зная траекторию движения факела, подъем можно определить, если известно условие его окончания. За такое условие принимается  подъем факела в точке, когда поля концентраций от реального источника и от точечного (условного) будут одинаковы.

Для нахождения этого положения факела необходимо иметь в виду, что при выходе дымовых газов из трубы происходят их подъем и одновременно раскрытие  дымового факела за счет турбулентных пульсаций. Так как скорость распространения' турбулентных пульсаций конечна, факел приобретает определенную форму в зависимости от метеорологических условий в атмосфере.

С точки зрения поведения дымового облака можно  указать пять основных вариантов строения атмосферы и соответствующих форм дымового факела (рисунок 5).

1) Волнообразная. Такая форма дыма наблюдается при сверхадиабатическом вертикальном градиенте температуры и свидетельствует о неустойчивой атмосфере. Распространение дыма носит волновой характер с большим углом раскрытия и большой степенью турбулентности e_z. Касание дымовым облаком Земли и точка максимальной концентрации значительно приближаются к дымовой трубе, а концентрация достигает наивысшего значения. Такая температурная стратификация обычно наблюдается днем при хорошей, ясной погоде, когда Земля интенсивно нагревается Солнцем.

2) Конусообразная. При этом турбулентность атмосферы близка к изотропной ε_y=ε_z. Форма дымового облака наблюдается при градиенте температуры между сухоаднабатическим и ческим (dT/dz=0). Дымовое облако имеет форму конуса с горизонтальной осью. Струя касается Земли на несколько большем расстоянии, чем в первом случае. Такая структура атмосферы более устойчива, чем в предыдущем случае, и характерна для облачной н ветреной погоды как днем, так и ночью. Наиболее часто встречается при влажном климате.

1 - сверхадиабатный градиент температур, волнообразная струя с большим углом раскрытия; 2 - градиент температур между сухоадиабатическим и изотермическим, конусообразная струя; 3 - инверсия температур, веерообразная струя; 4 - внизу инверсионный, вверху нормальный градиент, приподнятая струя; 5 - внизу отрицательный градиент, вверху инверсионный слой, задымляющая струя.

 

Рисунок 2 -  Распространение дымового факела в стратифицированной атмосфере

а - расчетная  схема; б - влияние стратификации  атмосферы на распространение облака

 

Нормальным  градиентом температуры, наиболее типичным для строения атмосферы, обычно принимается dT/dz=-0,65*10^-2 К/м; этому градиенту соответствует конусообразная структура дыма.

3. Веерообразная. Эта форма дымового облака наблюдается при инверсии или при температурных градиентах, близких к изотермическим. Дым очень мало рассеивается в вертикальном направлении (ε_z<ε_y), и рассеивание идет в основном в горизонтальном направлении (веерообразно). Касания Земли дымовым факелом либо не происходит, либо происходит на большом расстоянии от трубы. Максимальная концентрация вредностей на Земле невелика, и точка максимума находится далеко от источника вредностей.

Однако такая  структура атмосферы опасна при  неорганизованном выбросе продуктов  сгорания в нижние слои атмосферы (например, от автотранспорта), так как вредности сохраняются в нижних слоях атмосферы и слабо поднимаются вверх. Такая структура атмосферы характерна для ночного времени, когда температура поверхности земли ниже температуры воздуха, ей благоприятствуют слабые-ветры, чистое небо и снежный покров.

4. Приподнятая. Эта форма струи имеет место, когда в нижней части атмосферы имеет место инверсионная структура, а вверху — нормальная с отрицательным градиентом. Зона наибольших концентраций находится на верхней границе инверсионного слоя. Такая форма может наблюдаться при заходе Солнца. Подобная структура атмосферы является наиболее благоприятной для распространения дыма, особенно для высоких труб, когда вредности направляются в высокие слои атмосферы и практически не проникают к земной поверхности.

5. 3адымляющая. В этом случае внизу располагается  слой с нормальным отрицательным  градиентом, а вверху - инверсионный слой. Такая структура атмосферы встречается утром, когда ночная инверсия рассеивается под действием солнечных лучей. Эта структура атмосферы соответствует распространению дымового облака у земной поверхности, что наименее желательно.

Указанная структура  наиболее опасна для низких дымовых  труб, когда инверсионный слой располагается  над их устьем. Концентрация вредностей оказывается повышенной, и дымовое  облако располагается вблизи дымовой  трубы.

Таким образом, с точки зрения загазованности от выбросов из труб тепловых электростанций наиболее опасен первый тип атмосферы со сверхадиабатическим градиентом. Пятый тип строения атмосферы наиболее опасен для невысоких дымовых труб, когда инверсионный слой располагается ниже устья дымовой трубы.

В зависимости  от соотношения Δt/u«2 изменяются состояние  атмосферы и интенсивность ее турбулентности. Если для каждого  состояния атмосферы принять  интенсивность турбулентности постоянной по вертикали, т. е. не учитывать ее изменения  в приземном слое и при взаимодействии факела и атмосферы, то, зная траекторию движения факела и место касания факелом Земли, можно рассчитать его подъем над устьем трубы.

Действительно, траекторию движения факела можно записать в виде. Тогда для условия εz =const нижняя граница факела определится как

                      (67)

где Н - геометрическая высота трубы.

Точку касания  факелом Земли найдем из условия z_H = 0.

 

При этом х— x₃ в случае параболы

                           (68)

При большой  протяженности факела (выход факела из высотных труб или подъем при  устойчивом состоянии атмосферы) наблюдается  замедление его подъема (из-за теплообмена  факела с атмосферой, разрыва его  на отдельные клубы и т. д.) и  траектория его движения не будет параболой. По данным натурных экспериментов траекторию движения факела в этом случае приближенно можно описать уравнением

                         z = Kx^0.35                                                 (69)