Поведение выбросов в неподвижном воздухе

Состав дымовых газов тепловых электростанций всегда не соответствует составу окружающего атмосферного воздуха. В них практически полностью отсутствует кислород и присутствуют вредные для растительного и животного мира газы, такие как окислы серы, азота и др. Поэтому появляется необходимость в восстановлении материального баланса атмосферного воздуха за счет смешения продуктов сгорания дымовых газов как можно в большем объеме воздуха. Поскольку теплые струи дымовых газов имеют тенденцию к подъему, за счет их меньшей плотности, и парению в верхних слоях атмосферы, когда удельные объемы их становятся одинаковыми с окружающей средой, то, в целях борьбы с вредными выбросами, удобно рассеивать уходящие газы в атмосфере путем установки высоких дымовых труб. Человек давно стал применять этот способ. Это дает возможность рассредоточивать вредные продукты сгорания уходящих газов ТЭС на значительные площади поверхности земли и в больших объемах воздуха за счет переносов воздушных масс в верхних слоях атмосферы.

По высоте существует несколько слоев атмосферы, имеющих свое определенное значение:

1. Тропосфера – до 10…12 км от поверхности земли.

2. Стратосфера – до 55…60 км.

3. Мезосфера – до 80…85 км.

4. Термосфера – до 100…110 км.

5. Ионосфера – до 450…600 км.

6. Протоносфера – от 1200 до 20 000 км.

Границы между слоями называют: тропопауза, стратопауза, мезопауза и др.

Общая масса атмосферы равна 5,26 10¹⁸ кг, основная доля которой сосредоточена в тропосфере: 50 % – на высоте до 6 км; 25 % – на высоте от 6 до 12 км и т.д. Таким образом, большая часть дымовых газов тепловых электростанций рассеивается в тропосфере.

Геометрически источники выбросов (дымовые трубы ТЭС) можно представить как точечные плоскостные или линейные. По времени выбросы могут быть мгновенными – разовыми, постоянными равномерными (стационарными) и неравномерными (нестационарными).

Анализ точечного источника в стационарном режиме работы в неподвижной среде при условии, когда распространение вещества происходит по законам молекулярной диффузии, показывает, что закон массопереноса в пространстве описывается дифференциальным уравнением

, (4.1)

где q – концентрация выбрасываемых веществ от источника с координатами х, у, z; кг/ , мг/ ;

– время, с;

– коэффициент диффузии, /с.

В соответствии с законом молекулярной диффузии количество вещества М, кг/с, диффундирующего через площадку F, , в единицу времени, пропорционально изменению концентрации в зависимости от расстояния до источника r, м:

. (4.2)

Предположим, что распространение вещества происходит во всех направлениях равномерно. Тогда , здесь F – поверхность сферы.

Диффузия может происходить как внутрь сферы, так и во внешнее пространство. Принято, что распространение идет наружу сферы. Учитывая это преобразуем уравнение (4.2) к виду

.

Проинтегрируем последнее уравнение в интервале от 0 до r и получим

.

Если точечный источник находится на высоте дымовой трубы Н, м, то распределение концентраций выбросов на поверхности земли определится по уравнению

,

где R – радиус от оси дымовой трубы до окружности, описываемой на поверхности земли сферой с радиусом r.

Наибольшая концентрация будет в точке под источником (R = 0):

,

Отсюда на поверхности земли концентрация изменяется обратно пропорционально высоте источника.

По мере удаления от источника концентрация уменьшается по закону

.

При R/Н 5 можно примерно принимать .

Рассеивание рассматривается только на принципах диффузионных свойств поведения выбросов в атмосфере. Коэффициент молекулярной диффузии газообразных выбросов ориентировочно можно принять = 0,2 10 /с. Поэтому даже при небольших значениях М и значительных Н концентрации выбросов в неподвижном воздухе за короткий промежуток времени достигает больших значений. В реальных условиях этого не происходит. Рассеивание веществ в атмосфере происходит с учетом реальной структуры и динамики атмосферы.