О расчете концентрации газов, выделяемых промышленными предприятиями Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

3. Частицы пыли, пересыхая при высокой температуре, раздробляются на более мелкие частицы, интенсивными конвекционными потоками уносятся с нагретой поверхности и циркулируют в помещении (внешним признаком этого служат ясно видимые полосы на стенах над нагревательными приборами); запах же сорбируется окружающими предметами, особенно одеждой, мягкой мебелью и пр.

Указанные условия в той или иной степени имеют место в любом жилом помещении. При высоких температурах поверхности нагревательных приборов запах и общая запыленность помещений увеличиваются, что является одним из весьма существенных источников порчи воздуха в помещении.

И. П. Павлов показал, что любое раздражение, падающее на любой воспринимающий прибор (рецептор) организма животного или человека, может путем безусловных или условных связей оказать влияние на различные функции организма. Известно, например, что неблагоприятные запахи, как и другие неблагоприятные раздражения, оказывают не местное, а общее влияние на организм и самочувствие человека. Так, установлено, что неприятный запах может оказывать угнетающее влияние на высшую нервную деятельность. Еще исследованиями С. И. Иста-манова (1885) установлено, что неприятные запахи вызывают в числе других явлений повышение кровяного давления и учащение пульса, а также повышение внутричерепного давления. Опытами современных авторов (Е. Н. Павловский, 1947; Н. О. Наджарян, 1948, и др.) наблюдения Истаманова подтверждены и показано сложнорефлекторное воздействие запахов на различные органы человека (сосудистую и мышечную систему, некоторые внутренние органы и пр.). Неприятные запахи обусловливают также раздражение слизистых зева, горла и носа. Летучие вещества, выделяющиеся при сухой перегонке пыли, и являются такими раздражителями, к которым, кроме того, добавляется мельчайшая пыль, уносимая конвекционными потоками от нагревательной поверхности.

Все сказанное заставляет сделать вывод, что температура поверхности нагревательных приборов в жилых и общественных помещениях (особенно в больницах, детских учреждениях и. т. д.) не должна превышать 90°.

-й- -А- -А-

С. А. Клюгин

О расчете концентрации газов, выделяемых промышленными предприятиями1

Из Института гигиены труда и профессиональных заболеваний АМН СССР

Рост мощности промышленных предприятий в ряде случаев ведет к увеличению количества газов и пыли, поступающих в атмосферу с промышленными выбросами. В настоящее время возникла необходимость разработать нормы предельно допустимых концентраций этих примесей к атмосферному воздуху жилых районов. Однако соблюдение этих норм в процессе проектирования промышленных предприятий станет возможным только в том случае, если будет разработан достаточно простой и дающий достоверные результаты метод расчета концентрации газов в воздухе в отдалении от предприятия, в зависимости от мощности выброса, высоты трубы, скорости ветра и других условий.

1 Печатается в порядке обсуждения. Ред.

Наличие такого метода позволит определять расчетным путем не только необходимую ширину санитарной защитной зоны, но при заданном разрыве между жилым районом и промышленным предприятием даст возможность получать концентрации примесей в воздухе в пределах нормы за счет изменения в нужной степени коэфициента очистки выбрасываемых газов.

За последние двадцать лет многие исследователи пытались установить закономерности размыва газов, выброшенных в атмосферу. Часть из них, как, например, Г. В. Шелейховский, исходила из геометрических представлений, а другие основывались на законах турбулентного перемешивания. Сторонники геометрических решений, базируясь на грубых экспериментах, получили формулы, дающие совпадение только в условиях, близких к тем, при которых производился эксперимент. В своих рассуждениях Шелейховский использовал закономерности «свободной струи», применив их к потокам газов, выброшенных в атмосферу. Это положение недостаточно обоснованно, так как газы быстро теряют собственную скорость и перемещаются вместе с массами атмосферного воздуха со скоростью ветра. Законы «свободной струи» действуют в этом случае только на коротком начальном участке, а дальнейший размыв происходит в результате турбулентности атмосферы.

Расчет размыва газовых выбросов на основе теории турбулентной диффузии позволяет определять как границы потока, так и концентрации в любой точке его сечения.

Е. Н'. Теверовский вывел общую формулу, опубликованную Институтом физической химии Академии наук СССР.

С =

_в_

3,14 г/ лт

у- 4- г*

лт

мг/м3

(1)

где С — концентрация в любой точке потока, распространяющегося от точечного источника, расположенного в начале системы координат;

С—количество выбрасываемого вещества в мг/сек;

5 — коэфициент турбулентности атмосферы.

Величина коэфициента Б зависит от характера поверхности. Над ровной местностью 6'= 0,05, снижается } поверхности земли до 0,027; уже наличие травы повышает величину 5 до 0,083, а при заостренной поверхности можно принимать £ по табл. 1.

•

Таблица 1. Значение коэфициента турбулентности для застроенной местности в зависимости от высоты над уровнем земли

Высота над землей (в м) 5

0 0,20

10 0,15

25 0,12

50 0,10

75 0,09

100 0,07

V —скорость ветра на высоте выброса в м/сек; х — расстояние по ветру от места выпуска до интересующей нас точки;

т — коэфициент, характеризующий состояние атмосферы и зависящий от распределения температур по высоте. При нормальном состоянии атмосферы температура воздуха уменьшается по мере удаления от земной поверхности, и величина т= 2,0.

В случаях инверсии, когда у поверхности земли температура воздуха ниже, чем в вышележащих слоях (например, в ночное время), перемешивание замедляется, и выброшенные из труб газы проходят значительные расстояния в виде неразмытых, ясно очерченных струй. При особо сильной инверсии величина т = 1,0.

е=2,71 (основание натуральных логарифмов);

г—расстояние по вертикали (высота) между данной точкой и осью потока;

у — смещение данной точки по горизонтали относительно оси потока.

Формула Е. ,Н. Теверовского довольно сложна, и подсчеты по ней затруднительны. Для решения гигиенических задач эту формулу возможно преобразовать в более простые формулы, помещенные ниже (2, 3 и 6).

Выброс газов из высоких труб

Струя газов, поступившая в атмосферу, размывается по периферии за счет подмешивания чистого воздуха. Концентрация газов падает как по длине струи, так и от центра ее к краям от С, до С-, (рис. 1).

Такой размытый поток касается земли сначала своим краем, где концентрации малы, а дальше— более близкими к центру потока слоями. У основания трубы примесь ^ газов обычно не обнару-^ живается, на некотором ^ расстоянии могут быть обнаружены следы примеси СТ (точка а рис.1) и в дальнейшем при удалении от источника концентрации газов возрастают до некоторого максимума С(тах)> после чего начинают убывать. Расстояние от основания трубы до точки, в которой наблюдается максимальная концентрация (А'Стах), может быть определена по формуле 2.

= ......м, (2)

где — высота до оси потока, равная высоте трубы плюс высота подъема газов над трубой за счет скорости их выпуска (АЛ );

— коэфициент турбулентности атмосферы, средний для высоты оси потока.

В статье Н. М. Томсона приведена таблица, в которой указаны концентрации примеси, наблюдавшиеся в направлении ветра за трубой высотой 35 м, через которую выбрасывались пары свинца

Если отбросить данные двух опытов, при которых было обнаружено наличие свинца на расстоянии 50 м от трубы (что могло быть вы-

1 Гигиена и санитария, № 3, 1951.

Гасух. Центр. Медицинская ^ БИБЛИОТЕКА | Миистерспа Здрааеахрм. 1:

СССР ^

Ветер

Рис. 1

звано вертикальным падением воздушных масс при изменении погоды), то мы видим, что свинец начинал обнаруживаться на расстоянии 100 м и концентрация его достигла своего максимума на расстоянии 300 м от подножия трубы.

Проверяя эти данные по формуле 2, примем, что добавочный подъем газов равен 5 м. Тогда г, =35+5=40 м. Средняя величина 5, может быть принята равной 0,12. Тогда расстояние до места максимума 40

--= 334 м, что весьма близко к расстоянию, установленно-

0,1 ^

му опытным путем Н. М. Томсоном.

Концентрация в точке максимума может быть определена по следующей формуле:

Стах = -7"=-— • • • мг/м'- (3)

0,Э • V • 2

Так как отбор проб в наружном воздухе обычно довольно длителен и ветер во время отбора пробы несколько изменяется по силе и по направлению, практически получаемые величины концентраций могут оказаться несколько -ниже величин, определенных по формуле 3.

В том случае, когда при заданных расстоянии и мощности выброса надо определить высоту трубы, исходя из предельно допустимой концентрации. (С расчетное — Ср), следует пользоваться уравнением За.

Н = л/ -_—_- ДА . . . м, (За)

У 8,5.«. Ср

где ДА — величина подъема газов над устьем трубы, определяемая по формуле, полученной на основании экспериментов .кандидата технических наук В. Д. Кранцфельда:

/ 1>т0 \ 0,63 ДА = 4,2 • г/0 / ----0,7 | .... м, (4)

!'дег'тр — скорость газов, выходящих из трубы в м/сек;

г/в — скорость ветра в м/сек;

Ип —диаметр трубы в м.

Устройство зонтов и колпаков над трубами нежелательно, так как они препятствуют подъему струи.

Если высота трубы также задана, можно добиться необходимых концентраций в расчетной точке за счет повышения степени очистки выбрасываемых газов, причем степень очистки также может быть определена по формуле 3.

Приземное распространение газов

Если вентиляционные устройства для удаления производственных выбросов подняты недостаточно высоко, а также при удалении воздуха, загрязненного газами, через окна и фонари цехов (при аэрации), примеси поступают непосредственно в нижние слои атмосферы и стелются по земле.

Поступив в атмосферу из разных частей зданий, загрязненный воздух попадает в область завихрения, создающуюся за зданием с подветренной стороны, и частично разбавляется за счет подсасывания окружающего воздуха, причем в зоне завихрения создается равномерная концентрация примесей. В дальнейшем поток загазованного воздуха

подсос

движется по направлению ветра, постепенно размываясь в стороны и вверх, со скоростью, равной скорости ветра.

Изменение структуры этого потока при встрече с препятствием, например, с отдельным зданием, показано на рис. 2. ветер—

Над крышей здания и позади него создается зона пониженного давления, в которой возникают устойчивые вихревые токи воздуха.

Поток воздуха, срывающийся с кромки карниза, поднимается вверх и на некоторой

высоте опрокидывается ветро- Рис. 2

вым потоком. Этим подъемом определяется возвышение зоны завихрения над кровлей Величина подъема может быть определена по табл. 2.

■&Н.

Таблица 2. Подъем потока при срыве с карниза (в м)

Высота здания 5 10 15 Более 20

Подъем потока ЬН 2,5 3,5 4 4,5

За зданием, на участке длиной около трех высот (рис. 2), может наблюдаться обратное движение воздуха (завихрение). Поэтому разрыв между производственными зданиями не должен быть меньше трех высот.

Концентрация газов в зоне завихрения зависит от количества примешивающегося чистого воздуха и может быть определена по формуле.

С* =-—- мг/м3, (5)

0,5-е-ДА/(2//+'5)

где Б—ширина здания перпендикулярно ветровому потоку; Н — высота здания перпендикулярно ветровому потоку. Для определения концентрации на оси потока, стелющегося по земле, из формулы 1 можно получить следующую зависимость:

С =

2в

3,14-5"

мг/м3

(6)

Особенность этой формулы заключается в том, что пройденное расстояние X следует отсчитывать не от здания, за которым образовался поток (^фактическое), а от условного точечного источника, расположенного впереди этого здания (рис. 3). Расстояние до условного источника (Хчсл ) определяется, исходя ит количества выделяющегося газа, скорости ветра и концентрации в зоне завихрения по формуле 7.

Рис. 3

3*

19

_ 2 С

Хусл-у

Пример. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу 100 кг/час сероуглерода через трубу и 10 кг/час поступают в приземный слой за счет утечек. Ширина здания 50 ,м, высота 10 м, скорость ветра 2,5 м/сек, скорость выпуска газов — 7,5 м/сек, диаметр трубы 1 м. Предельно допустимая концентрация сероуглерода равна 0,5 мг/м3.

Требуется определить потребную высоту трубы и ширину зоны разрыва между цехом и жилым поселком, при которых концентрация сероуглерода в воздухе поселка была бы не выше предельно допустимой. Коэфициент турбулентности приземного слоя

5 = 0,1; т = 2,0.

1. Секундный выброс сероуглерода из трубы составляет С= 100 000 000 : 3 600 = 27 800 мг.

В приземный ,сло.й поступает 2 780 мг.

2. По формуле За определим высоту оси струи.

„ _ /~ 27 800

И — 1/---=51 м.

V 8,5 • 2,5 • 0,5

3. Подъем струи над трубой определим по формуле 4.

дЛ = 4,2. (-Ц--0.7 )°'63= 6,7м.

Следовательно, высота трубы составит Н~51—6,7=44 м.

4. Концентрацию в зоне завихрения за зданием определяют по формуле 5.

2780 „ . , ,

С, =-= 9.1 мг/м3.

0,5 • 2,5 • 3,5 (20+50)

5. Расстояние до условного источник? по формуле 7.

у/" 2 • 2 780

Хусл = V - Г -= 88 м.

усл 3,14-0,12 • 2,5 • 9,1

6. Концентрация достигает С = 0,5 мг/м3 на расстоянии Хр (расчетная) от условного источника

„ . / 2 • 2 780

Хп = I/ -771-гг,-= 378 м.

р V 3^4 • 0,1 • 2*,5 ■ 0,5

7. Ширина зоны разрыва

^факт = 378 — 88 = 290 м.

При расчете ширины зоны разрыва и высоты труб следует принимать такие скорости ветра, которые могут наблюдаться в данной местности в течение нескольких дней. Не следует делать расчеты на случай почти полного штиля, так как при этом газы, выпускаемые из труб, не встречают ветрового потока и поднимаются вертикально на значительную высоту, не загрязняя приземных слоев воздуха.

•й -й- -й