Совершенствование расчетного метода контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с открытых поверхностей испарения

На правах рукописи

Гаглоева Анжелика Ефремовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ

ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

С ОТКРЫТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИСПАРЕНИЯ

Специальность 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Штриплинг Лев Оттович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Леун Владимир Исидорович

кандидат технических наук,

Валитов Ринат Рашитович

Ведущая организация: Новосибирский государственный

технический университет

Защита состоится 15 декабря 2011 в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, д.11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета

Автореферат разослан «___» _________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последнее время очевидным становится факт того, что неконтролируемое загрязнение природной среды ведет к экологическому кризису и ухудшению качества жизни населения. Примером неконтролируемого загрязнения природной среды могут быть открытые поверхности испарения, вредные вещества от которых непосредственно поступают в атмосферу.

Ввиду многообразия подобных источников загрязнения атмосферы и технических трудностей, связанных с их контролем, в настоящее время актуальной является проблема контроля, учета и нормирования выбросов от соответствующих источников и разработка или совершенствование методологии по контролю загрязнения природной среды.

Ключевым моментом используемых в настоящее время методик является то, что конечный результат расчёта в большой степени зависит от удельного выброса – справочной величины, определенной для конкретных метеоусловий. Вследствие этого, конечный результат расчёта выброса может содержать значительную погрешность, т.к. не учитывается факт того, что даже в течение одних суток метеорологические условия могут измениться, а, следовательно, измениться и конечная величина выброса.

Объект исследования. Объектом исследования являются открытые поверхности испарения.

Предмет исследования. Количественные и качественные показатели выбросов загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения.

Цель диссертационной работы. Целью работы является совершенствование расчетного метода контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с открытых поверхностей испарения.

Основные задачи исследования:

1. Разработать математическую модель определения количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения.
2. Провести сопоставление результатов, полученных с помощью модели, и экспериментальных измерений.
3. Разработать на основе предлагаемой модели программный комплекс, позволяющий проводить расчеты выбросов вредных веществ и оценивать воздействие объектов в зависимости от прогнозируемых метеорологических условий.

Методы исследования. При разработке математической модели использованы численные методы решения дифференциальных уравнений. При разработке программного комплекса, реализующего работу математической модели расчёта выбросов загрязняющих веществ, использованы методы объектно-ориентированного программирования.

При экспериментальных исследованиях использован приборный метод контроля характеристик природной среды.

Новизна полученных результатов:

1. Усовершенствованный метод, учитывающий погодные явления, их изменения и поведение загрязняющих веществ в воде.
2. Математическая модель, в основу которой положен алгоритм, реализованный в виде программного комплекса, позволяющего прогнозировать состояние природной среды в заданный момент времени.

Практическая ценность. Программный комплекс, определяет текущее и моделирует, на основе прогноза погоды, возможное состояние окружающей среды, что дает возможность снижать негативное антропогенное воздействие на природную среду.

Реализация и внедрение результатов работы. Научные и практические результаты работы внедрены в производственный процесс расчета количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения, и приняты к использованию при составлении проектов нормативов предельно допустимых выбросов в ООО «Проектная компания «Пирамида»».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. В том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК к публикации результатов диссертационных исследований.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный метод расчета количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения.
2. Программный комплекс контроля загрязнения природной среды открытыми поверхностями испарения.

Описание структуры работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников, содержащего 126 наименований. Диссертация содержит 33 рисунка, 13 таблиц. Приложения. Общий объем работы 124 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, дана общая характеристика работы, сформулированы цели и задачи работы, указаны методы исследования, изложены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме исследования. Рассмотрены источники загрязнения атмосферного воздуха. Приведена систематизация и основные характеристики открытых поверхностей испарения.

Показано, что количество выделяющихся в атмосферный воздух вредных веществ функционально связано с их содержанием в сточной воде, температурой воды, площадью открытой водной поверхности, температурой окружающего воздуха и скоростью ветра.

Проанализированы существующие методы и методики расчета количества вредных веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения, подчеркнуты их достоинства и недостатки.

К основной литературе по вопросам контроля природной среды и определения выбросов загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения можно отнести книгу Н. Ф. Тищенко «Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе». В ней структурно и достаточно подробно описаны процессы, происходящие при хранении сточной жидкости в открытых резервуарах, пропитке, промывке, разливе и т.д. и методы расчета количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытой поверхности испарения. Большой вклад в изучение процессов загрязнения окружающей среды соответствующими источниками внесли такие ученые как М. Е. Берлянд и И. Е. Кузнецов.

Большой вклад в развитие современной методической документации для расчета выбросов загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения внесли сотрудники Акционерного общества закрытого типа «Кубаньэко» - ЛТД, под руководством Е. В. Бакаева, разработав методику для определения выделений загрязняющих веществ с поверхностей испарения на предприятиях Нефтехимии и Нефтепереработки.

Исследование показало, что используемые в настоящее время инженерами-экологами предприятий методики изобилуют разного рода усредняющими коэффициентами, необходимыми в основном для упрощения и ускорения проведения расчётов без использования ЭВМ.

Очевидно, что подобного рода упрощения не учитывают особенностей работы технологического оборудования на предприятии, что приводит к неизбежным погрешностям в расчётах выбросов вредных веществ и, как следствие, к неконтролируемому загрязнению природной среды и ухудшению качества жизни населения.

Также существующие методы расчета основываются на условии неизменности климата, что делает расчет приближенным, так как выброс вредных веществ зависит от ряда параметров, которые могут меняться во времени, например скорость ветра, влажность воздуха, температура атмосферного воздуха и подстилающей поверхности.

Кроме того, используемые в настоящее время методики по своим возможностям на порядок отстают от современного технического уровня и требуют для проведения расчёта данные дорогостоящих инструментальных измерений.

В результате этого наблюдается проблема: предприятие не имеет возможности чётко определить и, тем более, спрогнозировать на будущее свое воздействие на природную среду для расчёта затрат на внедрение природоохранного мероприятия, а дорогостоящие аналитические измерения, в условиях рыночной экономики, способны свести к нулю какой-либо экономический эффект от снижения выбросов.

Следовательно, для разрешения проблемы необходимо применение нового подхода к определению выбросов загрязняющих веществ, который с одной стороны, обеспечит получение оперативных и достоверных данных и, с другой стороны, будет способен проводить прогноз воздействия на природную среду по имеющимся данным о метеоусловиях в районе расположения предприятия.

На основе проведенного анализа формулируются цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух с открытых поверхностей испарения.

В основу модели положена схема поступления вредных веществ в атмосферный воздух с открытой поверхности испарения, представленная на рисунке 1.

А в основу математической модели, позволяющей рассчитывать количество загрязняющих веществ, выделяющихся с открытой поверхности испарения, положено уравнение теплового баланса.

, (1)

где - суммарное теплосодержание исследуемого объекта; - радиационный баланс; - турбулентный теплообмен подстилающей поверхности с атмосферой; - теплота парообразования; - масса испарившейся жидкости; - тепломассоперенос в нижележащие слои.

Суммарное теплосодержание исследуемого объекта определяется по формуле:

, (2)

здесь - плотность воды, кг/м3; - теплоемкость воды, Дж/кг·К; - температура воды, К; - средняя глубина объекта, м; - площадь исследуемого объекта, м2.

Расчет радиационного баланса проводится по уравнению:

, (3)

где - суммарная солнечная радиация, Вт; - эффективное излучение поверхности водоема. Коэффициент 0,24 учитывает перевод значения из Ватт в Кал/с.

Количество солнечной энергии, поступающей на водную поверхность, определяется по формуле:

, (4)

где K - коэффициент, учитывающий часть солнечной энергии, которая рассеется в атмосфере; - солнечная постоянная Земли (=1365 Вт/м2); - площадь исследуемого объекта, м2.

Эффективное излучение поверхности водоема вычисляется по уравнению:

, (5)

где - интенсивность излучения воды, Вт; - встречное излучение атмосферы, Вт.

Согласно закону Стефана – Больцмана интенсивность излучения воды прямо пропорциональна четвертой степени температуры излучаемого тела:

, (6)

где - поглощательная способность воды; - постоянная Стефана – Больцмана ( =5,67 10-8 Вт/м2 К4); - температура воды, К; - площадь исследуемого объекта, м2.

Встречное излучение атмосферы вычисляется согласно:

, (7)

где - температура окружающего воздуха, К; - коэффициент, зависящий от температуры воздуха,

- балл облачности; - коэффициент, зависящий от парциального давления.

Тепломассоперенос в нижележащие слои определяется по закону Фурье:

, (8)

где - коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры в данной точке, Кал/м2 · К; - площадь исследуемого объекта, м2.

Турбулентный теплообмен поверхности озера с атмосферой вычисляется:

, (9)

где - площадь исследуемого объекта, м2; - плотность воздуха, кг/м3; - теплоемкость воды, Дж/кг·К; - коэффициент турбулентности; - скорость ветра, м/с; - температура воздуха, К.

После определения всех составляющих теплового баланса можно вычислить массу испарившейся жидкости по формуле:

, (10)

Вычислив количество смеси, выделяющейся в атмосферный воздух с открытой поверхности испарения, можно определить качественный и количественный состав вредных веществ, входящих в состав выброса и оценить состояние природной среды.

Для определения выброса i-го компонента, входящего в состав смеси, выделяющейся с открытой поверхности испарения, необходимо знать компонентный состав, заданный в виде массовых долей каждого компонента.

Определив мольные доли компонентов в растворе можно вычислить их мольные доли в насыщенном паре, составив для каждого компонента диаграммы состояния раствор – пар.

В дальнейшем представляется возможным использование этих данных при расчёте воздействия объекта исследования на атмосферный воздух с использованием методики ОНД-86.

После определения всех составляющих теплообмена (,,,,) можно определить изменение температуры водной поверхности:

, (11)

Решая уравнение (11) относительно определяется температура водной поверхности. Выражение (11) является дифференциальным уравнением первого порядка и может быть решено методом Эйлера. Для решения уравнения (11) требуется задать начальную точку расчёта.

Расчет изменения температуры водной поверхности необходим для непрерывного процесса вычисления количества теплоты, приходящей и отходящей от объекта исследования.

В третьей главе подробно описан эксперимент, который проводился на действующих очистных сооружениях г. Омска. Выбор места проведения эксперимента основывался на том, что предприятия по очистке сточных вод и водоподготовке помимо воздействия на гидросферу также в значительной степени оказывают влияния и на атмосферный воздух, вследствие выделения загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения.

В качестве объекта исследования был выбран двухсекционный смеситель (рисунок 2).

Скорость ветра, температура окружающей среды и атмосферное давление измерялись при помощи универсального прибора «Метеометр МЭС-200».

Температура окружающей среды и давление определялись одновременно, также в момент замера фиксировались погодные явления, такие как облачность, дождь, туман и т.д. Погодные явления определялись визуально. За время проведения эксперимента наблюдалась небольшая облачность. Атмосферных осадков не наблюдалось.

Температура воды в исследуемом объекте измерялась при помощи лабораторного термометра ТЛ-2.

Для отбора проб газовоздушного потока использовался аспиратор ОП-824ТЦ (рисунок 3).

Аспиратор "ОП-824ТЦ" позволяет отбирать пробу заданного объема, рассчитываемого по установленным значениям расхода и времени прокачки при контроле атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны.

Анализ проб газовоздушного потока вблизи двухсекционного смесителя осуществлялся с помощью наиболее точного из всех существующих в настоящее время методов контроля загрязнений – газовой хроматографии.

Определив необходимые составляющие теплового баланса, была рассчитана масса смеси, выделяющейся с открытой поверхности испарения, по формуле (10).

Для определения массы i-ой составляющей смеси построили диаграммы зависимости парциального давления вещества от мольной доли каждого компонента в растворе.

На рисунке 5 представлена диаграмма состояния раствор – пар для ацетона.

Далее по вычисленным данным массы ацетона с помощью программы «Эколог» была рассчитана концентрация вещества в точках отбора проб. Результаты определения концентраций ЗВ представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сопоставление результатов инструментальных замеров и расчета по усовершенствованному методу для ацетона

ЗВ	Инструментальные замеры, мг/м3	Расчет по предлагаемой модели, мг/м3
Наветренная сторона	0.01	0.007
	0.01	0.014
	0.02	0.021
	0.02	0.028
Среднее значение	0.015	0.017
Подветренная сторона	0.01	0.010
	0.02	0.021
	0.03	0.028
	0.03	0.035
Среднее значение	0.022	0.023

Рассмотрен пример расчета массы загрязняющего вещества, выделяющегося с открытой поверхности испарения, который смешивается с водой.

Приведем пример реализации усовершенствованного метода для расчета массы вредных веществ, которые образуют пленку на подстилающей поверхности.

Продолжающийся рост промышленного и сельскохозяйственного производства стимулирует рост спроса на нефть, в том числе за рубежом, что приводит к увеличению добычи и транспортировки нефти различными видами транспорта.

В результате аварий на объектах транспорта нефтепродуктов в атмосферу с открытой поверхности выделяется большое количество загрязняющих веществ.

В связи с этим проблема объективной оценки последствий разливов нефтепродуктов при авариях в процессе транспортировки становится еще более актуальной.

Учитывая выше сказанное, было решено проверить применимость усовершенствованного метода для расчета выбросов вредных веществ при аварийном разливе нефтепродуктов.

Пусть в результате аварии на подстилающую поверхность поступило 65 м3 нефтепродукта. Площадь нефтяного загрязнения составила 80 м2. Авария произошла в 00:00 и на её ликвидацию ушло 24 часа. Известен состав нефтепродукта, его физические характеристики, а также метеоусловия и их изменение в течение суток.

После того как рассчитаны все потоки энергии возможно рассчитать поступление загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

В качестве примера дополнительно был проведен расчет выбросов в атмосферу по усовершенствованному методу и стандартной методике расчёта.

Расчет по стандартной методике проводится без учета скорости ветра и температуры окружающей среды.

Принимая во внимание выше сказанное, был проведен расчет испарившихся углеводородов при различных скоростях ветра и температуре окружающей среды и показана прямо пропорциональная зависимость выбросов загрязняющих веществ от указанных параметров.

Результаты представлены в таблице 2 и на рисунках 7-11.

Таблица 2 – Результаты расчёта поступления загрязняющих веществ в атмосферу с открытой поверхности разлива нефтепродукта

Время	Поступление загрязняющих веществ, г/с
	Усовершенствованный метод	Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах
00:00	27,68	27,87
06:00	27,74
09:00	27,87
12:00	27,95
15:00	27,82
18:00	27,74
21:00	27,73

Суммарный выброс загрязняющих веществ за все время аварии составил:

• при расчёте по модели – 2,401 тонн
• при расчёте по стандартной методике – 2,408 тонн.

Как видно из представленных результатов, порядок величин выбросов, полученных в ходе расчета по усовершенствованному методу и стандартной методике при данных погодных условиях совпадает, однако разработанная нами модель позволяет не только определить общее поступление загрязняющих веществ в атмосферу, но и определять реально существующую экологическую обстановку в районе аварии в зависимости от наблюдаемых метеорологических условий и прогнозировать загрязнение атмосферного воздуха в любой заданный промежуток или момент времени.

Как можно видеть по рисунку 7 при фиксированной температуре подстилающей поверхности выброс углеводородов непосредственно зависит от температуры окружающей среды, причем зависимость прямо пропорциональная.

На рисунке 8 показана зависимость величины выбросов углеводородов от скорости ветра и температуры подстилающей поверхности. При увеличении температуры подстилающей поверхности и скорости ветра интенсивность выбросов загрязняющих веществ возрастает, так как интенсивнее происходят процессы теплообмена.

Глава четвертая посвящена разработке системы аналитического контроля выбросов вредных веществ с открытых поверхностей испарения, основанной на работе математической модели и, позволяющей определять концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха.

Математическая модель в настоящее время реализована в виде программы в MathCAD 14.0.

Работа программы ведется по схеме, представленной на рисунке 12.

Программный комплекс может моделировать экологическую обстановку в районе расположения источников загрязнения атмосферного воздуха на основе прогноза погоды. В режиме работы с прогнозом погоды необходимо задать метеорологические характеристики окружающей среды в расчетный период времени.

Использование прогностической функции программного комплекса позволяет более эффективно, с экологической точки зрения, оценивать негативное воздействие источника загрязнения атмосферного воздуха на природную среду, население и местность.

Перед началом работы комплекса необходимо предоставить данные:

1. По району расположения объекта расчёта.
2. По объекту расчёта.
3. По компонентному составу загрязняющих веществ.

Заносятся данные по метеорологическим характеристикам района расположения источника загрязнения атмосферного воздуха. Следующий обязательный шаг работы – определение исходных данных по объектам расчета. Для упрощения работы с программой были созданы справочники с возможными источниками загрязнения окружающей среды. При выборе определенного источника формируются данные по техническим характеристикам объекта (ширина, длина, глубина).

На следующем этапе необходимо выбрать один из возможных вариантов поведения загрязняющего вещества в воде, после выбора предлагается перечень вредных веществ. Выбрав нужный компонент, формируются характеристики вещества (плотность, теплоемкость, теплота испарения).

После занесения всех исходных данных и запуска расчёта, программа начинает с заданным интервалом времени определять составляющие теплового баланса.

В программе предусмотрен просмотр, как текущих данных, так и вывод общей статистики за весь расчётный интервал времени.

На рисунке 13 представлены результаты расчета выбросов загрязняющих веществ за весь расчетный интервал времени:

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Усовершенствован расчетный метод контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с открытых поверхностей испарения.

Метод адекватно реагирует на изменение параметров окружающей среды, таких как температура воздуха, скорость ветра, давление и погодные явления (облачность, дождь и т.д.).

2. Проведена экспериментальная проверка значений концентраций загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения, полученных при помощи усовершенствованного метода.

3. Проведено сравнение данных, полученных в ходе расчёта с помощью усовершенствованного метода и данных, полученных по стандартному методу расчёта. Показано, что результаты расчёта по усовершенствованному и стандартному методу имеют один порядок значимости.

Однако данные, полученные по стандартному методу, являются усредненными и не позволяют точно производить расчет платы за выделение загрязняющих веществ от соответствующих источников и оценивать негативное воздействие на окружающую среду, население и местность.

Тогда как предлагаемый метод позволяет не только определять общее поступление загрязняющих веществ в атмосферу, но и определять реально существующую экологическую обстановку в районе расположения предприятия в зависимости от наблюдаемых метеорологических условий и прогнозировать загрязнение атмосферного воздуха в любой заданный промежуток или момент времени. В модели сведено к минимуму использование усредняющих показателей.

4. На основе модели разработан программный комплекс, позволяющий проводить расчёты выбросов загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых поверхностей испарения, в режиме реального времени и проводить мониторинг окружающей среды в районе расположения объектов исследования. Разработанный комплекс позволяет моделировать загрязнение окружающей среды на основе прогноза погоды.

Основные результаты исследований изложены в следующих работах

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Гаглоева А. Е., Баженов В. В. Разработка модели поступления загрязняющих веществ с открытой поверхности испарения в атмосферный воздух // Омский научный вестник. - №. 1 (104) – 2011. С. 170-173.
2. Гаглоева А. Е., Штриплинг Л. О., Баженов В. В. Оценка загрязнения атмосферного воздуха при аварийных разливах нефти // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе: – № 6. – 2011. – С. 4-7.

Публикации в других изданиях:

3. Гаглоева А. Е. Выделение загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения // Молодежь, Наука, Творчество – 2008. / Межвуз. научн. практ. конф. студентов и аспирантов: сб. материалов / под общей редакцией профессора Н. У. Казачуна.- Омск: ОГИС, 2008. – С.189.
4. Гаглоева А. Е. Методы контроля выбросов загрязняющих веществ с открытой поверхности испарения // Молодежь, Наука, Творчество – 2010. / Межвуз. научн. практ. конф. студентов и аспирантов: сб. материалов / под общей редакцией профессора Л. О. Штриплинга.- Омск: ОГИС, 2010. – С.109-110.
5. Гаглоева А. Е. Методы контроля выделений вредных веществ с открытой водной поверхности // Омское время – взгляд в будущее – 2010.: Материалы регион. молод. научн. техн. конф. – Омск: ОмГТУ, 2010. – С. 260-262.
6. Гаглоева А. Е. Оценка загрязнения окружающей среды неорганизованными источниками // Молодежь, Наука, Творчество – 2011. / Межвуз. научн. практ. конф. студентов и аспирантов: сб. материалов / под общей редакцией профессора Л. О. Штриплинга.- Омск: ОГИС, 2011. – С. 129-130.
7. Гаглоева А. Е. Разработка программного комплекса для оперативного контроля загрязнения окружающей среды неорганизованными источниками // Современные проблемы науки и техники – 2011 : Сб. научн. тр. – Омск: ОмГТУ, 2011. – С. 19-22.
8. Гаглоева А. Е. Загрязнение атмосферного воздуха газообразными вредными веществами // Омский регион – месторождение возможностей: Материалы научн. техн. конф. – Омск: ОмГТУ, 2011. – С. 365-367.