автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Исследование влияния тепловых энергетических предприятий городской инфраструктуры на состояние воздушной среды урбанизированных территорий

На правах рукописи

ЧЕБАНОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ НА СОСТОЯНИЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

005555042

Волгоград - 2014

005555042

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Воробьев Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент

Желтобрюхов Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "Волгоградский Государственный технический университет", заведующий кафедрой "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности"

Николенко Денис Александрович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО "Ростовский государственный строительный университет", директор научно-исследовательского института проблем дорожно-транспортного комплекса (ДорТрансНИИ РГСУ)

Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха ОАО «НИИ Атмосфера» г. Санкт-Петербург

Защита состоится «17» декабря в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «15» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Ю.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время расположенные на урбанизированных территориях тепловые энергетические предприятия (ТЭП), например промышленные и районные котельные, ГРЭС, ТЭЦ, обеспечивающие теплом и электроэнергией как жилые массивы, так и объекты индустрии, являются неотъемлемой частью городского хозяйства. В результате эксплуатации тепловых электростанций, муниципальных и производственных котельных, работающих на угле, приводит к образованию значительного количества отходов в виде золы и шлака, размещение которых на территории предприятия или непосредственно в пределах жилой застройки (в случае районных котельных) до транспортировки в золошлакоотвалы обусловливает поступление в атмосферный воздух вещества I-IV класса опасности, в том числе, и мелкодисперсной пыли. При этом не учитываются ни дисперсный состав пыли золы, ни ее аэродинамические характеристики.

Поэтому исследования, направленные на оценку уровня загрязнения воздушной среды городов выбросами мелкодисперсной пыли, предприятиями ТЭП, для последующего принятия рациональных градостроительных решений, являются актуальными.

Степень разработанности темы. Вопросами распространения загрязняющих газообразных примесей и твердых частиц, содержащихся в выбросах в атмосферу и исследованием их дисперсного состава, занимались и занимаются многие исследователи. Среди российских ученых можно выделить следующих - Колмогоров А.Н., Фукс H.A., Коузов П.А., Берлянд М.Е., Вызова И.Л., Генихович E.JL, Ромашов Г.И., Наац Н.Э., Софиев М.А., Козлов Д.Н., Логачев И. Н., Богуславский Е.И., Минко В.А., Шифрин К.С., Барский М.Д., Скрябина Л. Я., Градус Л JL, Авдеев Н.Я., Самсонов В.Т., Черный Л.М., Сидоренко В.Ф., Азаров В.Н., Мензелинцева Н.В., Шаптала В.Г., Селиванов Г. Г., Воробьев В.И. и многие другие. Результаты исследований многих авторов положены в основы теории дисперсионного анализа пыли и порошков, ОНД-86, по которой в настоящее время проводится расчет рассеивания в атмосфере загрязняющих веществ и ряда других нормативных документов.

В существующих методиках прогнозирования уровня загрязнения воздушной среды городов твердыми частицами и газообразными примесями, содержащимися в выбросах, образующихся при производстве тепловой и электрической энергии при сжигании природного газа и угля, а также пыления золоотвалов не достаточно исследовано и тем самым обусловило выбор направления исследований: дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли золы, поступающей в атмосферный воздух от золоотвалов предприятий отрасли с различной мощностью; выбор математического аппарата и обработки экспериментальных данных дисперсионного анализа; исследование химического состава и сорбирующей способности пыли золы; определение концентраций частиц РМ10 и РМ2>5 для пыли, поступающей в воздушную среду от

золоотвалов с учетом климатических факторов; расчетная оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха городской территории и проведение натурных исследований по оценке фактического уровня загрязнения атмосферы на территории города газообразными компонентами горячих выбросов от высоких близко расположенных источников; исследование влияния возможного наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников на распределение концентраций загрязняющих ингредиентов в воздушной среде различных зон городской территории.

Целью работы является повышение экологической безопасности урбанизированных территорий расположенных вблизи предприятий теплоэнергетики посредством совершенствования методик прогнозирования уровня загрязнения воздушной среды городов твердыми частицами и газообразными примесями, содержащимися в выбросах, образующихся при производстве тепловой и электрической энергии сжиганием природного газа и угля.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ воздействия тепловых энергетических предприятий на качество атмосферного воздуха застроенных территорий;

- анализ действующих методик расчета, нормирования, подходов к оценке закономерностей распространения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики;

- исследование дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли золы, поступающей в атмосферный воздух от золоотвалов предприятий отрасли с различной мощностью;

- определение концентраций частиц РМю и РМу дня пыли, поступающей в воздушную среду от золоотвалов с учетом климатических факторов;

- расчетная оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха и проведение натурных исследований по оценке фактического уровня загрязнения атмосферы на территории города газообразными компонентами горячих выбросов от высоких близко расположенных источников;

- исследование химического состава и сорбирующей способности пыли

золы;

- исследование влияния возможного наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников на распределение концентраций загрязняющих ингредиентов в воздушной среде различных зон городской территории, определение условий проявления такого влияния и разработка расчетной модели для учета наложения факелов выбросов при расчете рассеивания вредных компонентов в воздушной среде города;

- разработка рекомендаций по определению границ санитарно-защитной зоны (СЗЗ) для предприятий теплоэнергетики, расположенных в пределах урбанизированных территорий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально установлены зависимости, характеризующие скорость оседания частиц пыли золы, поступающей в воздушную среду жилой застройки с выбросами от котлоагрегата и от золоотвала котельной;

- по результатам натурных исследований получены зависимости, определяющие долю частиц РМю и РМ2,5 для пыли, поступающей в воздушную среду города от золоотвалов, с учетом метеорологических параметров окружающей среды (скорости ветра, относительной влажности и температуры воздуха);

апробирован способ интерполяции функции пофракционного распределения массы частиц с помощью приближения трехзвенными линейными сплайнами для обработки результатов дисперсионного анализа пыли золы;

- на основе результатов проведенных исследований установлено влияние наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников на распределение концентраций загрязняющих ингредиентов в воздушной среде различных зон городской территории и определены условия проявления такого влияния;

- предложена зависимость для уточнения расчетных значений приземных концентраций газовых примесей от источников предприятий теплоэнергетики с учетом наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников при различных направлениях ветра;

- экспериментально получены данные о химическом составе и сорбирующей способности пыли золы, поступающей в воздух жилой застройки от золоотвалов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- получены расчетные зависимости для расчета значении РМ10 и РМ2,5 для пыли золы в выбросах в атмосферу городов от от золоотвалов предприятий теплоэнергетики;

- получены формулы для расчета коэффициента оседания Р (ОНД-86) для мелкодисперсной пыли золы, поступающей в атмосферу городской среды от предприятий теплоэнергетики и золоотвалов;

- предложена упрощенная расчетная модель для учета наложения факелов выбросов при расчете рассеивания вредных компонентов в воздушной среде города;

- разработаны рекомендации по определению границ санитарно-защитяой зоны для предприятий теплоэнергетики, расположенных в пределах урбанизированных территорий.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

- полученные по результатам натурных исследований зависимости, определяющие долю частиц РМю и РМг,5 для пыли, поступающей в воздушную среду города от золоотвалов, с учетом метеорологических параметров

окружающей среды (скорости ветра, относительной влажности и температуры воздуха);

экспериментально установленные зависимости, характеризующие скорость оседания частиц пыли золы, поступающей в воздушную среду жилой застройки от золоотвала и с выбросами от котлоагрегата;

- результаты апробации способа интерполяции функции пофракционного распределения массы частиц с помощью приближения трехзвенными линейными сплайнами для обработки результатов дисперсионного анализа пыли золы;

- экспериментально полученные данные о химическом составе и сорбирующей способности пыли золы, поступающей в воздух жилой застройки от золоотвалов;

- результаты исследований по установлению влияния наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников на распределение концентраций загрязняющих ингредиентов в воздушной среде различных зон городской территории и определения условий проявления такого влияния;

- предлагаемая зависимость для уточнения расчетных значений приземных концентраций газовых примесей от источников предприятий теплоэнергетики с учетом наложения факелов выбросов от двух близко расположенных источников при различных направлениях ветра.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований с результатами других авторов, основные положения и результаты исследований прошли широкую апробацию и достаточно освещены в открытой печати: УШ региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (. г. Волгоград, 2003 г.); Ш международной научно-практической конференции-семинаре «Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства» (г. Москва, 2005); международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (г. Волгоград, 2010 г.); международной научно-практической конференции-семинаре «Архитектура и строительство. Наука и образование как фактор оптимизации среды жизнедеятельности» (Хаммамет, Тунис, 2004 г.); международной научно-практической конференции-семинаре «Архитектурно-градостроительные и строительные проблемы национального проекта - доступное и комфортное жилище» (Шарджа, ОАЭ, 2006 г.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов ФГБОУ ВПО ВолгГАСУ (г. Волгоград, 2003-2014 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы: 139 страниц, в том числе: 101 страница - основной текст, содержащий 21 таблицу

на 28 страницах, 47 рисунков на 39 страницах; список литературы из 133 наименований на 20 страницах; 2 приложений на 5 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

В первой главе рассмотрены вопросы посвященные аналитическому обзору воздействия тепловых энергетических предприятий на качество атмосферного воздуха городских территорий, методик расчета и нормирования выбросов загрязняющих веществ, подходов к оценке закономерностей распространения веществ в приземном слое атмосферы и выбору направления исследования. В настоящее время удельные нормативы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок теплоэнергетических предприятий устанавливаются для следующих веществ: оксиды серы; оксиды азота; оксид углерода; летучая зола твердого топлива. При этом учитываются срок работы котельной установки и оснащенность газоочистным оборудованием, а для газообразных веществ и виды топлива. Также, нормированию подлежат выбросы угольных частиц при перевалке топлива на складе и золошлаковых частиц (пыли) при выемке сухой золы на действующем и отработанном золошлакоотвале. Пиление склада угля (если оно приводит к загрязнению воздуха за пределами промплощадки), золошлакоотвала (с загрязнением воздуха за пределами СЗЗ) при статическом хранении материала не допускается, что не соответствует реальному положению, расчет нормативов указанных выбросов не производится, эти выбросы рассматриваются как сверхлимитные. При этом исследования влияния золоотвалов на загрязнение атмосферы мелкодисперсной пылью практически не проводятся.

На основании анализа состояния вопроса по решаемой проблеме сделаны выводы, сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию дисперсного состава и аэродинамических характеристик твердых частиц, поступающих в атмосферный воздух с выбросами от золоотвалов ГРЭС и котельной. Проведенное автором большое количество измерений показало, что дисперсный состав пыли в этих выбросах не подчиняется логарифмически-нормальному распределению, т.е. в вероятностно-логарифмической системе координат (х, у) функция прохода не приобретает вид одной прямой линии (рисунок 1). При этом связь между координатами в декартовой и в логарифмически-нормальной у)

системах выражается следующим образом

у

о = РпсгшСу) = / е-х1/2йх. (1)

—со

В качестве примера рассмотрим результаты проведения аппроксимации при обработке экспериментальных данных пофракционного интегрального

распределения массы для частиц пыли, поступающей в атмосферный воздух от золоотвала ГЭРС отобранной на расстоянии 100 м от источника при скорости ветра 4,7 м/с (рисунок 2).

Были рассмотрены три варианта аппроксимации: 1. линейным двухзвенным сплайном, при котором оба участка функции 7 являются линейными функциями от 1д<1ч, и принимают одинаковые значения в некоторой точке с10 (максимальная ошибка при обработке результатов оценки дисперсного состава пыли 60%); 2. кривой, состоящей из двух участков - линейного и нелинейного, описываемого гиперболической функцией (максимальная ошибка 40-45%); 3. трехзвенным сплайном (рисунок2) (позволило снизить максимальную ошибку до 5-10%).

ш

+Н--{-

Рисунок 2 - Аппроксимационное представление функции прохода пыли в выбросах от золоотвала, скорость

Рисунок 1 - Пофракционное интегральное распределение массы частиц, поступающих в атмосферный воздух от золоотвала ГРЭС при скорости ветра - 4,7 м/с ветра: 1 - 2,8 м/с; 2 - 4,7 м/с

Для описания дисперсного состава трехзвенным сплайном предложена модель, в основу которой входит алгоритм нахождения вектора в{у0 к1,к2,к3)1 нахождение которого сводилось к задаче оптимального планирования, в матричной форме имеющей следующий вид

У = F(г5dЧ(/5dкp)б + е„ (2) где матрица Б имеет вид

.Ун.

1 (х,-х0)

0

1 (х„-х0) 0 1 0 (х„+1-х0)

0

(хр-х0)

0 (*„,-*<>) (V1-^)

кг кг

V1 0 (*„,-*„) (хн~х1д,) С помощью теоремы Гаусса-Маркова находим

бМо-Ыкр) = (4)

Для каждой пары ^кр) наименьшее по параметрам Уо:к1,к2,к3

значение ошибки определяется следующим образом

у'}м £Т<1.9^,1дакр) = [У - Р^РГ^УПХ - FCFrF)-1]FrУ. (5) Наиболее простой способ расчета минимального значения величины сте по всем парам точек (1дй0,1дйкр) - пересчет функции методом последовательных приближений в левой части равенства (5) для всех значений пар (1д(10,1дйкр) к нахождение значения {1дй011дйкр),при котором уД^к, £т£(Ш0Лдйкр) минимально. По формуле (4) находим остальные неизвестные параметры Уо, к2, к3 .

Используя этот вариант аппроксимации, получим характеристики дисперсного состава для пыли, поступающей в атмосферный воздух от золоотвала ГРЭС на расстоянии 100 м от него

D(d4i) =

(Уо) + *i

(Уо) + к21д

ш

(Укр) + к31д[^

+ £h

+ £i,

+ &.

если d4 . < d,

чо

(6)

если^Чо < d4¡

< d.

кр

если d4Kp < d4¡

гдePnorm(y) ~ интеграл вероятности от Y.

Для пыли золы, поступающей в атмосферный воздух от золоотвала ГРЭС, по результатам расчетов по выражению (6) получены значения: lgd0 = 0,94,у0 = -2,0, А, = 1,829, к2 = 4,545, к3 = 33,333, lgdKp = 1,38,^ = 1,38, lgdmax = 1,44,Ушт = 2,0 (рисунок 2). Отметим, что при определении концентрации частиц РМ2,5 используется первый участок аппроксимационной ломаной, для определения концентрации частиц РМю - ее второе звено.

Для оценки скорости оседания твердых частиц, поступающих в атмосферный воздух с выбросами ТЭК, был проведен анализ дисперсного состава частиц, осевших на каждом участке ленты седиментометра методом микроскопии.

Исследования были проведены для пыли, выделяющейся в атмосферу от золоотвала (рисунок 3) и от котлоагрегата котельной (рисунок 4).

Анализ приведенных на рисунках 5-6 зависимостей показал, что для практических расчетов с достаточной точностью зависимость скорости оседания от размера частиц может быть описана выражением вида

^осед = Aexp{hdm). (10) Так выражение (10) для частиц пыли золы, поступающих в воздух жилой застройки от золоотвала котельной для медианных диаметров приобретает вид Росед = 0,084exp(0,0232dm). (11) Выражение (10) для частиц пыли золы, поступающих в воздух жилой застройки от котлоагрегата котельной приобретает вид

9

= 0,049ехр(0,0183с1т). (12)

Рисунок 3 -Зависимости пофракционного Рисунок 4 - Функции прохода для распределения массы по диаметрам при пыли, оседающей со скоростью, м/с: 1 оседании, м/с: 1 - более 1,14; 2 - - более 0,19; 2 - 0,09+0,19; 3 - 0,09; 4,

0,38+1,14; 3 - 0,22-Ю,38; 4 —0,16-Ю,22; 5 5 - 0,07; 6, 7 - 0,06; 8 - 0,05 менее - 0,13-Ю,16; 6 - 0,10-0,13; 7 - 0,08+0,10; 8 - менее 0,08

Результаты экспериментальных исследований для пыли, выделяющейся в атмосферу от золоотвала районной котельной представлены в полулогарифмической и логарифмической сетках на рисунках 5-6.

......л

=3

ш

.....1

Рисунок 5 - Диапазон изменения скорости оседания частиц при разных медианных эквивалентных диаметрах (полулогарифмическая сетка), для: 1 -

с150; 2 - d95

Рисунок 6 - Диапазон изменения скорости оседания частиц: 1 -максимальные эквивалентные диаметры;

2 — медианные эквивалентные диаметры;

3 - минимальные эквивалентные диаметры (логарифмическая сетка)

При расчете коэффициента оседания Р по ОНД-86 при наличии данных о распределении на выбросе частиц аэрозолей по размерам определяющее значение имеет диаметр е^ такой что масса всех частиц диаметром больше составляет 5% общей массы частиц, и соответствующая с1в скорость оседания

Так для диаметров с195 формула (10) приобретает следующий вид

Уд = г>95 = 0,0 69ехр(0,0210^95). (13) Третья глава посвящена. экспериментальным исследованиям по оценке загрязнения атмосферного воздуха городских территорий выбросами теплоэнергетических предприятий в трех зонах: на границе СЗЗ, незастроенной

территории и застроенной территории, в два этапа: проведен расчет рассеивания вредных веществ, содержание которых в выбросах характерно для ТЭП с использованием программы "ПДВ-Эколог"; проведены замеры фактических концентраций вредных ингредиентов в воздушной среде городской территории, прилегающей к территории предприятия. Инструментальные замеры проводились по 2 загрязняющим веществам - азота диоксиду (301) и серы диоксиду (330), дающим наибольший вклад в загрязнение атмосферы для 3 случаев взаимного расположения прямой, соединяющей центры высоких близко расположенных нагретых источников и вектор направления ветра - параллельное, под углом в 45° и перпендикулярное. При исследовании распространения дымового факела от выбросов ТЭП в жилой застройке был применен метод моделирования, который создает условия для более точной количественной оценки изучаемого явления. На местности, при проведении натурных измерений, скорость ветра принимается по факту, направление - по факту зависимости от повторяемости (Р), угол альфа - по факту зависимости от угла между вектором направления ветра и прямой, соединяющей источники выброса. Введен новый параметр р - угол между вектором направления ветра и прямой, соединяющей точку наблюдения и нулевой точкой.

Для случая когда вектор направления ветра параллелен прямой, соединяющей центры высоких близко расположенных нагретых источников экспериментально полученные данные существенно отличаются от результатов расчетов, выполненных на основании утвержденной методики расчета. Разница прослеживается по обоим исследуемым веществам (азота диоксид, серы диоксид). Следует отметить, что эта разница ощутима на довольно больших расстояниях (например, точка №4 находится на расстоянии 6 км от источников выброса). Предполагается, что в рассматриваемом случае наблюдений сказывается влияние наложения факелов выбросов, которое необходимо учитывать при проведении расчетов по действующей методике. В случае расположения расчетных точек на линии под углом 45° по и против часовой стрелки к вектору направления ветра расхождения между данными предварительного и основного экспериментов по обоим веществам менее ощутимо и неощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 90° и более по и против часовой стрелки к вектору направления ветра. Аналогичная картина наблюдается и при других направлениях ветра.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследований. С учетом опасности, которую представляют для здоровья человека пылевые частицы с размерами до 10 мкм (РМю) и особенно частицы с размерами до 2,5 мкм (РМг,5) по методике определения концентраций частиц РМю и РМ2,5 в выбросах в атмосферу промышленных предприятий, разработанной совместно специалистами ОАО «Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха (НИИ «Атмосфера»)» и ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» была-проведена оценка дисперсного состава пыли, содержащейся в выбросах в атмосферу пыли золы от золоотвала ГРЭС и для частиц летучей золы, поступающей с выбросами от источников котельной, по результатам

дисперсионного анализа определены доли масс, которые приходится на частицы с эквивалентными диаметрами мене 10 мкм и мене 2,5 мкм и рассчитаны концентрации таких частиц по выражениям (10-11)

Срм10 = С0О(сгч = 10 мкм) (10) Срм2,5 = С0О(йч = 2,5 мкм) (11) где С0 — общая концентрация пыли в выбросах от источника, мг/м3;

= Юмкм)]—доля массы, которая приходится на частицы с эквивалентными диаметрами мене 10 мкм;

[1)(йч = 2,5 мкм)] - доля массы, которая приходится на частицы с эквивалентными диаметрами мене 2,5 мкм;

Расчеты стохастических зависимостей РМш и РМг,5 только от средней концентрации твердых частиц показали, что линейная зависимость между этими величинами отсутствует, а коэффициенты корреляции равны соответственно 0,35 и 0,42, что говорит о слабой тесноте связей. Поэтому были проведены экспериментальные исследования по выявлению зависимости концентрации частиц РМ10 и частиц РМ2д в воздушной среде жилой застройки от общей концентрации пыли, но с учетом таких метеорологических факторов окружающей среды как скорость ветра, температура и относительная влажность воздуха.

Отбор проб проводился на поверхности золоотвала котельной (серия 1) и на границе золоотвала с наветренной стороны (серия 2). При математической обработке результатов исследований получены зависимости, описывающие изменение исследуемых концентраций с учетом влияния метеорологических факторов. Для расчета концентраций частиц РМю и РМг,5 было предложено следующее выражение:

Срм = Ь0 + Ь^2 + + Ъ31г + Ь4Сс2р+Ь5<р + (12)

+Ь6 V + Ь7Ь + Ь8Сср + где Сср - средняя концентрация твердых частиц, в пределах от 0,2 до 3 мг/м3; <р - относительная влажность воздуха, в пределах от 39 до 80%; 17 - скорость ветра, в пределах от 1 до 5 м/с; t - температура воздуха, в пределах от 5 до 10°С.

Предложен метод описания дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу от золоотвала трехзвенным линейным сплайном для оценки фракционного состава пыли от других источников пылевыделения, а также для расчета концентраций частиц РМ2,5 и РМ]0.

Для снижения негативного воздействия мелкодисперсной пыли золы, содержащей в своем составе широкий спектр химических элементов, и учитывая ее способность сорбировать, содержащиеся в атмосфере городской среды тяжелые органические соединения предлагается: исключить временное хранение золы на территориях жилой застройки и обеспечивать вывоз золы; обустраивать место временного хранения золы в закрытом помещении; при невозможности реализации первых двух вариантов, т.е. при расположении золоотвала на

открытой площадке, рассчитывать ПДВ с учетом химического состава и сорбирующих свойств.

Разработана расчетная методика и предложена эмпирическая зависимость для учета наложения факелов выбросов от близко расположенных высоких источников горячих выбросов при расчете рассеивания загрязняющих компонентов в атмосфере и определении границ санитарно-защитной зоны предприятий ТЭП. Расчет концентраций предлагается проводить по выражению

Ск = (1 + 0,495\соза\со5Р)С (13)

где Ск - концентрация экспериментальная;

к - поправочный коэффициент;

а - угол между вектором направления ветра и прямой, соединяющей центры источников выбросов;

/? - угол между вектором направления ветра и прямой, которая соединяет расчетную точку с источником выбросов;

С - расчетная концентрация загрязняющих ингредиентов по ОНД-86.

Результаты сопоставления расчетных значений концентраций N02, откорректированные по выражению (15), с фактическими значениями концентраций этого вещества в воздушной среде городской застройки в районе размещения ТЭЦ-2 при восточном ветре показывают, расхождение 0-5%.

Разработана упрощенная методика предварительного определения границ СЗЗ для теплоэнергетических предприятий с небольшим количеством близко расположенных высоких источников горячих газовоздушных выбросов с заменой одним эквивалентным источником и границы СЗЗ определять от него с учетом суммарного выброса от объединяемых источников (рисунок 7).

Прогнозируя, что будет происходить наложение факелов выбросов при различных направлениях ветра, предлагается изолинию, соответствующую 1 ПДК, рассматриваемую как внешняя граница санитарно-защитной зоны представлять с учетом взаимного расположения прямой, соединяющей центры высоких близко расположенных нагретых источников и вектор направления ветра.

Среднее весовое расстояние: - по оси X: хср =

- по оси У.-у,

ч>

Средневесовая высота источника:

Я,

ср

1 м

(14)

Рисунок 7. Расчетная схема для определения координат эквивалентного источника

На основании приведенных выше данных разработана методика

предварительного определения границ СЗЗ для вновь строящихся предприятий теплоэнергетики, при выполнении проекта ОВОС, когда окончательно не определено расположение источников выбросов в атмосферу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены важные вопросы по исследованию функционирования технических средств и инженерных систем городов как источников антропогенного воздействия на окружающие экосистемы, а именно исследование функционирования котельных, ТЭЦ, ГРЭС, котельных как источников антропогенного воздействия на состояние атмосферного воздуха, размещенных вблизи урбанизированных территорий.

В связи с этим решается такая задача как совершенствование систем нормирования, лицензирования, сертификации и требований экологической безопасности, проектной и изыскательской деятельности при строительстве и эксплуатации городского хозяйства, в частности совершенствование методик прогнозирования уровня загрязнения воздушной среды городов твердыми частицами и газообразными примесями, содержащихся в выбросах, образующихся при производстве тепловой и электрической энергии сжиганием природного газа и угля.

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. При сжигании угля в атмосферный воздух поступают твердые и газообразные примеси, имеющие 1-4 классы опасности (бенз/а/пирен, марганец и его соединения, пыль неорганическая 70-20% ЗЮ2, азота оксиды, сажа, углерод оксид и т.д.).

При этом более 90% образующихся на ТЭП отходов в виде золы и шлака временно размещаются на территории промплощадки или непосредственно в пределах жилой застройки, что обусловливает поступление в атмосферный воздух мелкодисперсной пыли. При этом не учитываются ни содержание в пыли золы различных химических элементов, ни ее сорбирующие свойства.

В настоящее время удельные нормативы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок теплоэнергетических предприятий устанавливаются для оксидов серы, оксидов азота, оксида углерода, летучей золы твердого топлива. Расчет нормативов выбросов от золоотвалов не производится, и эти выбросы рассматриваются как сверхлимитные.

2. По результатам дисперсионного анализа пыли золы, выделяющейся от организованных (котлоагрегаты) и неорганизованных (золоотвалы) источников выбросов ТЭП с различной мощностью, установлено, что в атмосферный воздух поступают твердые частицы, основная масса которых имеет размеры до 20 мкм.

При этом дисперсный состав пыли в выбросах подчиняется усеченному логарифмически-нормальному закону. Доказано что для интерполяции функции пофракционного распределения массы частиц целесообразно использовать трехзвенные линейные сплайны.

По результатам экспериментальной оценки аэродинамических характеристик частиц летучей золы, поступающей в воздушную среду жилой застройки от золоотвала и котлоагрегата котельной, работающей на угле, получены зависимости, характеризующие скорость оседания частиц. На основании которых могут быть рассчитаны коэффициент оседания F (ОНД-86) и другие характеристики.

3. Для определения концентраций частиц РМШ и РМ2,5 в выбросах от золоотвала районной котельной в воздушную среду жилой застройки предложена экспериментальная зависимость, учитывающая изменение средней концентрации пыли и климатические факторы (скорость ветра, относительную влажность и температуру окружающего воздуха).

4. Разработана расчетная модель и предложена зависимость для уточнения расчетных значений приземных концентраций газовых примесей от источников ТЭП в воздушной среде городских территорий с учетом положения факелов выбросов (труб) и направления ветра с целью оценки уровня загрязнения атмосферы и предварительного расчета границ СЗЗ на стадии разработки проектной документации. По результатам экспериментальных исследований выявлено, что, если вектор направления ветра параллелен прямой, соединяющей центры источников (труб), влияние наложения факелов выбросов от высоких близко расположенных нагретых источников ощутимо в расчетных точках, расположенных на линии, соединяющей точку и источник, параллельной этому вектору, менее ощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 45° по и против часовой стрелки к вектору и неощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 90° и более по и против часовой стрелки к вектору.

5. Экспериментально установлено, что зола имеет способность сорбировать тяжелые органические соединения выбросов в атмосферу от автотранспорта (до 70%), и имеет в своем составе целый спектр различных химических элементов, большую часть которых составляют элементы легче фтора, а также кремний, алюминий и железо. Эти соединения и химические элементы вместе с частицами пыли золы поступают в воздушную среду городской застройки, усиливая негативное воздействие мелкодисперсной пыли на состояние окружающей природной среды и здоровье населения.

6. Результаты исследований использованы в; ООО «ЭкоПромПроект» при расчетах рассеивания загрязняющих веществ в рамках проектов ПДВ; ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» при разработке систем пылеулавливания; в ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» при оценке загрязнения атмосферы твердыми выбросами котельных с учетом дисперсности летучей золы.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях: Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Нестерюк [Чебанова], С. А. Расчетный метод проектирования санитарно-защитных зон тепловых энергетических предприятий [Текст] / С. А. Чебанова, В.

И. Воробьев // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Технические науки. - 2006. - Вып. 6 (20). - С. 169-171. (3/1,5 с).

2. Чебанова, С. А. Расчет рассеивания в атмосферном воздухе загрязняющих веществ от предприятий топливно-энергетического комплекса с учетом наложения факельных выбросов от высоких нагретых организованных источников [Текст] / С. А. Чебанова, В. И. Воробьев, В.Д. Балычев // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2006. - Вып. 17(36).-С. 148-152. (5/1,66с).

3. Чебанова, С. А. Учет влияния факельных выбросов от предприятий ТЭК при расчетах рассеивания загрязняющих веществ и проектировании санитарно-защитных зон [Текст] / С. А. Чебанова, В. И. Воробьев, В.Д. Балычев // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2006. - Вып. 18 (37). - С. 144-148. (5/1,66 с).

4. Чебанова, С. А. Выявление и организация опасных с точки зрения эколого-градостроительных требований зон от дымовых выбросов тепловых энергетических предприятий [Текст] / С. А. Чебанова, В. И. Воробьев // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 32 (51). - С. 234-238. (5/2,5 с).

5. Чебанова, С. А. Об исследовании аэродинамических характеристик пыли золы в воздухе городов [Текст] / С. А. Чебанова, [и др.] // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2014. - Вып. 35 (54). - С. 207-211.(5/1,25 с).

Публикации в других изданиях:

6. Нестерюк [Чебанова], С. А. Возможность определения нормативных санитарно-защитных зон тепловых энергетических предприятий [Текст] / С. А. Нестерюк, В. И. Воробьев ; Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т [и др.] // VIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области г. Волгоград, 11-14 ноября 2003 г. Направление 16 "Экология, охрана среды, строительство" : тез. докл. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2004. - С. 70-72. (3 с).

7. Нестерюк [Чебанова], С. А. Эколого-градостроительные проблемы организации санитарно-защитных зон промышленно-энергетических комплексов в условиях сложившейся застройки городов (на примере г.г. Волгограда и Волжского) [Текст] / В. И. Воробьев, С. А, Нестерюк ; Волгогр. гос. арх.-строит, ун-т [и др.] // Архитектура и строительство. Наука и образование как фактор оптимизации среды жизнедеятельности : материалы Междунар. науч.-практ. конф.-семинара, 11-16 октября 2004 г., Хаммамет, Тунис. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2004. - С. 111-113 (3/1,5 с).

8. Нестерюк [Чебанова], С. А. Оценка достаточности размера санитарно-защитной зоны теплоэнергетических предприятий в условии сложившейся застройки города [Текст] / В. И. Воробьев, С. А. Нестерюк // Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства : Третья Междунар. науч.-практ. конф., 6-7 апреля 2005 г. - М.: [МИКХиС], 2005. - С. 3941. (3/1,5 с).

9. Нестерюк [Чебанова], С. А. Влияние направления ветра на организацию эко-

защитных зон от совокупности источников различной высоты [Текст] / В. И. Воробьев, С. А. Нестерюк ; Волгслр. гос. архит.-строит. ун-т [и др.] // Архитектурно-градостроительные и строительные проблемы национального проекта - доступное и комфортное жилище : докл. и сообщ. междунар. науч,-пракг. конф.-семинара, Шарджа, ОАЭ, 21-28 апреля 2006 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2006. - С. 69-73. (5/2,5 с).

10. Нестерюк [Чебанова], С. А. Пространственное планирование уменьшения загрязнения атмосферного воздуха [Текст] / С. А. Нестерюк ; Федер. агентство по образованию, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т // Материалы ежегодной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ, 24-27 апреля 2007 г. : в 3 ч. Ч. 2 : Естественные науки. Технология строительного производства. Тепло-, газо- и водоснабжение. -Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. - С. 206-209. (4 с).

11. Чебанова, С. А. Учет загрязнения атмосферного воздуха тепловыми энергетическими предприятиями при выборе участков под застройку [Текст] / В. И. Воробьев, С. А. Чебанова ; Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т [и др.] // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 24 декабря 2010 г., Волгоград : [в 2 ч.]. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - Ч. П. - С. 35-39. (5/2,5 с).

Чебанова Светлана Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ НА СОСТОЯНИЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.14. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 102

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» Отдел оперативной полиграфии 400074 г. Волгоград, ул. Академическая, 1