CC BY
100
УДК 614.715(470.4)
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ВЫБРОСОВ
Александр Иванович Еремкин1, Анатолий Васильевич Иванов2, Малик Гарифович Зиганшин3, Арслан Маликович Зиганшин3
1 Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции (зав. — проф. А.И. Еремкин ) Пензенского государственного университета архитектуры и строительства,2 кафедра гигиены, медицины труда и медицинской экологии (зав. — акад. РАМН, проф. Н.Х. Амиров) Казанского государственного медицинского университета,
3Казанский государственный архитектурно-строительный университет, e-mail: [email protected]
Реферат
Проанализированы достоинства и недостатки работы систем газоочистки в России и за рубежом. Разработан параметр, комплексно характеризующий санитарно-гигиеническое, экологическое и техническое совершенство газоочистной системы. Проведено численное исследование процесса рассеивания выбросов в атмосфере посредством методов вычислительной гидродинамики. На базе полученных результатов составлен уточненный комплексный показатель эффективности газоочистки.
Ключевые слова: санитарно-гигиеническая оценка, экологическая и техническая эффективность газоочистки, численное исследование, рассеивание выбросов, модель турбулентности, расчеты атмосферной диффузии загрязнителей,
В состоянии атмосферы городов с развитой промышленностью качество газоочистных систем всегда играет заметную роль.
Целью данной работы являлась разработка комплексного показателя эффективности газоочистных систем и нахождение уточненных характеристик, необходимых для его практического применения, посредством численного исследования процесса рассеивания выбросов в атмосфере на базе коммерческих пакетов программ, реализующих методы CFD (Computational Fluid Dynamics).
Если за показатель работы очистных устройств принято обеспечение предельно допустимого выброса (ПДВ), то этим предполагается учет экологического, а через зависимость ПДВ от предельно допустимых концентраций (ПДК) — санитарно-гигиенического совершенства газоочистки. Однако оценка газоочистных устройств по ПДВ некорректна, поскольку он неинформативен как экологический и неоднозначен как санитарно-гигиенический показатель. Последнее связано с тем, что расчеты рассеивания загрязнителей по ОНД-86 [10] базируются на теории атмосферной диффузии, в которой для описания
распределения концентрации примеси в атмосфере используется уравнение турбулентного массопереноса. На практике за показатель оценки совершенства новой газоочистной техники обычно принимается степень очистки выбросов, определяемая путем опытных замеров и сопоставления параметров загрязненного и очищенного газов [4].
Предельно простым и удобным в применении показателем служит конечная концентрация выбрасываемых в окружающую среду продуктов, хотя сама по себе она еще указывает на их опасность [11, 13]. Так, в США санитарный контроль и контроль эффективности работы установок проводятся только по конечным концентрациям нескольких загрязнителей в выбросах, приводимым к одной степени разбавления незагрязненным воздухом [6]. Такой подход позволяет создать жесткую и прозрачную систему контроля источников выбросов, но стимулирует развитие техники газоочистки только по конкретным контролируемым загрязнителям, т.е. не обеспечивает универсальность наблюдения. Устройство, разработанное для одного химического вещества, может быть эффективно применено к небольшой группе сходных по свойствам веществ, в то время как число химических соединений, выбрасываемых в атмосферу, превышает 0,5 млн.
Показатели комплексной оценки работы газоочистных систем создаются в основном по одному из двух методов: экспертных оценок или сочетания некоторого набора показателей эффективности. Оба метода несвободны от субъективизма и развиваются в направлении его преодоления. Для второго метода характерен путь увеличения числа показателей. К примеру, интегральный инженерно-экологический показатель п0 [12] составлен из 7 сомножителей, характеризующих различные аспекты производственной деятельности
529
при очистке атмосферных выбросов — от воздействия на водную среду до занятости производственных площадей под очистные устройства. Очевидно, произведение биномов типа
п = 1 - ' /' , (1)
где — выброс загрязнителя очистным устройством, или затраты на него; '2 — поступление загрязнителя, или общие затраты на объект, даёт множество интерференционных членов 2... 7 порядков, имеющих расплывчатый смысл. Соответственно смысл суммы подобных членов также становится неопределимым. Очевидно, что путем увеличения числа частных показателей нельзя создать объективный абсолютный показатель совершенства очистных устройств. Вместе с тем возможно и необходимо разработать приоритетные показатели не тотального, а комплексного характера, которые должны использоваться в конкретных ситуациях [2, 3, 13]. В частности, отмечается, что в процессах, где изменяются природа и токсичность обрабатываемых соединений, степень очистки, определенная по начальной и конечной концентрациям загрязнителя, не может быть показателем всей эффективности работы очистного устройства. К этому можно добавить, что подобный показатель нельзя использовать и при обработке выброса с несколькими загрязнителями. При конструировании очистных систем и определении режимов их работы приходится произвольно, по сути, выбирать один из загрязнителей в качестве основного. Между тем режимные параметры, рассчитанные по загрязнителю с максимальной токсичностью или концентрацией, не всегда обеспечивают достаточное обезвреживание других ингредиентов. В ходе производственного цикла выбросы и их ингредиенты характеризуются крайне неравномерным поступлением в очистное устройство [7].
Многими авторами [3, 7-9, 14] отмечается отсутствие стандартного показателя санитарно-гигиенической оценки систем защиты биосферы от загрязнения. Г.П. Беспамятновым и Ю.А. Кротовым [3] предлагается оценивать газоочистные сооружения по комплексному показателю санитарной эффективности СЭ, составленному как произведение степени очистки п и показателя контроля биосферы КБ:
КБ = Се /ПДК ; (2) сэ = л/КБ=(1 - Се / С1 ) (ПДК/ Се ) , (3)
где Сь, Се — начальная и конечная концентрации загрязнителя (мг/м3).
К настоящему времени показатель санитарной эффективности работы систем газоочистки в представленном виде широкого применения не нашел. Его неудобство заключается в том, что математическое значение показателя КБ, как правило, на 2-3 порядка меньше, чем п, а КБ разных загрязнителей одного выброса отличается на несколько порядков. Поэтому комплекс СЭ нивелирует различие очистных устройств по степени очистки п.
Недостатком показателя СЭ является также некоторая его несогласованность. Представим его как
СЭ = (1 - Се /С1 )(ПДК ■' ПДВ ) , (4)
где ' — интенсивность выброса (м3/с).
Согласно уравнению (4), СЭ растет пропорционально интенсивности выброса, что позволяет увеличивать показатель не совершенствуя очистное устройство, путем разбавления выброса чистым воздухом, так как при этом увеличивается ' и уменьшается Се.
В комплексном показателе полезно отразить экологическую составляющую совершенства аппаратов газоочистки, учитывающую ухудшение качества атмосферы. Выброс загрязнителя очистным сооружением сопровождается ущербом в виде потери ее чистоты, на восстановление которой требуется затрата определенного количества энергетических и материальных ресурсов. Пространство объемом V, на чистоту воздуха в котором оказывает непосредственное влияние рассматриваемый выброс, может быть условно ограничено цилиндром с некоторыми характерными размерами. Одним из таких размеров является эффективная высота источника
Не = Н+аН , (5)
где Н — высота источника, (м); ДН — начальный подъем примеси (м) при «опасной» скорости ветра ит (м/с).
За характерный диаметр цилиндра можно принять расстояние по горизонтали хт от основания источника до точки на поверхности, в которой при «опасной» скорости ветра ит достигается максимальная концентрация стах. По данным М.Е. Берлянда [1], хт находится в пределах 20 Н. С учетом этого характерный объем условного пространства, на который воздействует рассматриваемый выброс, определится как
V = пх;/ ■ Ие / / = 100 пН2 (H + АН) .
(6)
В качестве характерного параметра ухудшения качества атмосферы, заключенной в объеме V, может служить время его заполнения загрязнителем т1 (с) до значения ПДКмр
при ПДВ:
х, = ПДК • V/ПДВ = ПДК • V|(Ct • W ) = /2 ПДК/Се ,(7)
где т2 — время (с), заполнения объема V (м3) выбросом интенсивностью W (м3/с).
В качестве масштаба для характерных временных параметров т1 и т2 удобно принять постоянную величину, связанную с ПДКмр. А.И. Еремкин и др. [5] рекомендуют относить расходы выбросов к периоду осреднения концентраций загрязнителей т0 = 1200-1800с, равному времени отбора проб при контроле ПДКмр. Отношение т1/т0 = Т1 представляет собой безразмерный временной параметр ухудшения качества атмосферы вследствие выброса загрязнителя очистным сооружением. В сочетании со степенью очистки он комплексно характеризует санитарно-гигиеническое, экологическое и техническое совершенство газоочистной системы:
где Т2=т2/т0 — безразмерное время заполнения объема V.
Полученный комплекс отличается от СЭ параметром Т2, позволяющим устранить имевшую место несогласованность: повышение интенсивности выброса W сокращает значение Т2 и снижает эффективность очистной установки п. Ввиду того что величина Т2 имеет 2-3-й порядок, Т1 сравнивается по порядку величины со степенью очистки, с чем устраняется неудобство применения показателя СЭ из-за нивелирования различия очистных устройств по степени очистки.
При практическом применении показателя псотр необходимо знать величину ДН, для определения которой точных теоретических или эмпирических соотношений не установлено. М.Е. Берлянд [1] для ориентировочных расчетов предлагает выражение:
АН = 0,75woDo f 2,5 + l65^
Tu2
(9)
где ^^ — скорость истечения (м/с); и — скорость ветра (м/с); Б0 — диаметр устья трубы (м); ДТ=Т0-Таг — разность температур газовоздуш-
ной смеси на выходе из трубы Т0 и атмосферного воздуха Т , К.
С целью получения уточненного соотношения для нахождения ДН проведены численные исследования процесса рассеивания гомогенных загрязнителей методами вычислительной гидродинамики (пакет коммерческих программ CFD "Fluent"). Рассматривается выброс из труб высотой Н = 80-180 м в атмосферу с равновесной стратификацией. Вследствие незначительного (менее чем на 1K) изменения температуры в слое атмосферы, где развивается выходящий из трубы поток, учтена сила плавучести только самой струи. Температура потока на выходе из трубы (Т0 = 373,15K) и температура окружающего воздуха (Tar = 293,15K) в расчете остаются неизменными.
Предложение М.Е. Берлянда, Е.Л. Генихо-вича [15] считать в состоянии температурной инверсии турбулентную вязкость H пропорциональной энергии турбулентности k принципиально принято и для расчетов в условиях равновесной стратификации. Вместе с тем в рассматриваемой задаче архимедовы силы существенны. Исходя из ограниченности в этом отношении однопараметрической k-модели окончательно в численных исследованиях принята (к-е)-модель турбулентности.
В численном эксперименте скорость выхода из трубы w0 изменялась в пределах от 1 до 10 м/с, скорость ветра um — от 2 до 5 м/с. Этот интервал включал значение опасной скорости ветра. В качестве примера на рис.1 приведены результаты расчетов при w0=10 м/c и um = 5 м/с.
Модель построена для математического эксперимента виртуально в натуральную величину, что позволяет использовать полученные результаты непосредственно, без масштабной обработки методами теории подобия. Вместе с тем неудобством таких моделей является усиленная чувствительность результатов расчетов к адаптации. Поэтому в характерной области выхода и подъема струи пространственная сетка после построения в предпроцессоре Gambit адаптировалась не менее трех раз в самой расчетной программе до получения стабильных результатов. Расчетные области после трехкратной адаптации имеют следующую статистику: минимальный и максимальный размеры объемных ячеек (м3) — от 6,133271 «10-5 до 1,317833»10+2, минимальный и максимальный размеры площадей ячеек (м2) — от 3,90625«104 до 1,3325«10+1.
Для сокращения объема вычислений в представленном исследовании были исполь-
Рис 1. Эффективная высота Не подъема струи в атмосферу из трубы высотой 80 м при «^=10 м/с и ит= 5 м/с (результаты получены после 3-кратной адаптации).
зованы методы планирования эксперимента. По результатам исследований проведена проверка воспроизводимости опытов и определены погрешности полученных соотношений.
За основные независимые переменные (факторы) хр х2, х3, влияющие на траекторию струи, приняты ее высота Н (м), скорость выхода струи «0 (м/с) и скорость ветра ит (м/с) и их безразмерные значения Н1, «0г, итг. При приведении факторов и функций отклика к безразмерному виду в качестве характерного размера были приняты диаметр устья трубы Б, равный 2 м, в качестве характерной скорости — скорость ветра, близкая к штилю иса1т, равная 1 м/с.
Результаты вычислений представлены в табл. 1. Выражающие Нг, «0г, итг кодированные переменные XI, Х2, Х3 принимали значения +1, если Нг=90, «г=10, и г=5 и -1, если
0т
Нг=40, «г=1, и г=3 или 2 при Х1=-1 или +1.
0т
Проведена проверка воспроизводимости вычислений и определены отклонения от данных, полученных в результате исследований, итоговой зависимости функции отклика
АН =
= Б [\у0г (1,239 - 0,147 итг ) - 0, 514 ] , м, (10)
составленной с учетом значимости коэффициентов регрессии.
Уточненное выражение для определения расчетного объема пространства V, на чистоту воздуха в котором оказывает непосредственное влияние исследуемый выброс, имеет вид:
V = 100яН' (11)
{ + Б [ «0 (1
1,239 - 0,147 ит )- 0,514]} м3
а комплексный показатель эффективности может быть представлен как
У-пдк
г| =-1 - 1 = ЮОтШ2 (н + Б Гш^ (1,239 -
штр С Wx„ I С„ I I I 0 V '
•0,
1/147<)-0.514]} ---
1 1 ]ПДК,
(12)
Формула (10), составленная для определения начального подъема примеси ДН по структуре, соответствует классической ориентировочной зависимости, рекомендуемой М.Е. Берляндом [1], и может использоваться для уточнения величин ПДВ источников выбросов при организации и проведении производственного контроля и контроля соблюдения ПДК, ОБУВ загрязняющих веществ в
Таблищ 1
Результаты вычислений функций отклика
№ опытов Кодированные переменные Факторы Функции отклика
Х1 Х2 Х3 Н, м Нг «0, м/с «0Г ит, м/с итг ДН, м ДНг х, м хг
1 -1 -1 -1 80 40 1 1 3 3 1,03 0,515 2,18 1,09
2 -1 -1 1 80 40 1 1 5 5 0,75 0,375 2,25 1,125
3 -1 1 -1 80 40 10 10 3 3 15,41 7,705 27,02 13,51
4 -1 1 1 80 40 10 10 5 5 9,85 4,925 17,31 8,655
5 1 180 90 1 1 2 2 2,63 1,315 6,63 3,315
6 1 1 180 90 1 1 5 5 0,76 0,38 2,26 1,13
7 1 1 -1 180 90 10 10 2 2 41 20,5 80 40
8 1 1 1 180 90 10 10 5 5 9,79 4,895 17,34 8,67
атмосферном воздухе населенных мест в соответствии с действующими нормативами [11]. Зависимость (12) позволяет проводить объективную комплексную оценку эффективности очистки, включающую, кроме технического, также экологический и санитарно-гигиенический аспекты. Предложенные расчетные зависимости вносят необходимые уточнения в методы объективной оценки работы газоочистных систем. Результаты расчетов, представленные в виде комплексных интегральных параметров, могут использоваться в качестве дополняющей информации при определении зависимости показателей здоровья, приведенных в действующих рекомендациях № 01-19/12-17 от 26.02.96 по сбору данных и оценке заболеваемости с учетом комплексного действия факторов окружающей среды, от степени загрязнения атмосферного воздуха промышленных регионов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнение атмосферы/ М.Е. Берлянд. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 448 с.
2. Беспамятнов Г.П., Богушевская К.К., Беспамят-нов А.В. и др. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. — Л.: Химия, 1972. — 375 с.
3. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник.-Л.: Химия, 1985. — 528 с.
4. Градус Л.Я., Тарнавский И.Л., Иванова М.И.. Эксплуатация газоочистного оборудования на машиностроительных предприятиях. — М.: Машиностроение, 1988. — 216 с.
5. Еремкин А.И., Квашнин И.М., Юнкеров Ю.И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу: Уч. пособие — М.: Изд. АСВ, 2000. — 176 с.
6. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ. изд.: В 2-х ч.Ч. 2. Пер. с англ./[Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М.] — М.: Металлургия, 1988. — 712 с.
7. ЗиганшинМ.Г,КолесникА.А,Посохин В.Н.. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. — М.: Экопресс — ЗМ, 1998. — 505 с.
8. Коузов П.А., Малыгин А.Д., Скрябин Г.М.. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. — Л.: Химия, 1982. — 256 с.
9. Кузнецов И.Е, Т.М. Троицкая. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами химических предприятий. — М.: Химия, 1979. — 344 с.
10. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987. — 94 с.
11. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест, ГН 2.1.6.1338-03; Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест, ГН 2.1.6.1339-03. — М.:2003. — 257 с.
12. Скрытник А.И. Очистка вентиляционных выбросов от химических вредных веществ: Уч. Пособие. — Воронеж: Изд. ВГАСУ, 2002. — 117 с.
13. Термические методы обезвреживания отходов/Под ред. К.К. Богушевской, Г.П. Беспамятнова. — Л.: Химия, 1975. — 176 с.
14. Торочешников Н.С., Родионов А.К., Кольцов Н.В., Клушин в.Я.Техника защиты окружающей среды. — М.: Химия, 1981. — 368 с.
15. Berljand M.E, Genihovich E.L.. Some features of turbulent diffusion and air pollution in the stratified conditions.: Int. Symp. on stratified Flows. — Novosybirsk, 1972.
Поступила 23.10.07.
A COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF HYGIENE, ENVIRONMENTAL AND TECHNICAL EFFICIENCY OF INDUSTRIAL EMISSIONS TREATMENT SYSTEMS
A.I. Eremkin, A.V. Ivanov, M.G. Ziganshin, A.M. Ziganshin
Summary
Analyzed were strengths and weaknesses of the gas-cleaning systems in Russia and abroad. A parameter, characterizing complex hygiene, environmental and technical excellence gas-cleaning system was introduced. A numerical study of the dispersion of emissions in the atmosphere through the methods of computational hydrodynamics was carried out.
