Wydział Rolniczo - Ekonomiczny

Kierunek: Ochrona Środowiska

Monika Paśko

Zofia Nowak

Rok studiów: III

Grupa: III

Rok akademicki: 2012/2013

ĆWICZENIE NUMER 1

z przedmiotu Ochrona Powietrza

Tytuł: Obliczenie odległości x_m od miejsca emisji maksymalnego zanieczyszczenia powietrza S_mm dla dwutlenku siarki (SO₂).

Kraków 2013

Podstawa obliczeń:

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 I 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dziennik Ustaw nr 16 z 2010 roku, Poz. 87.

Dane do obliczeń poziomów substancji w powietrzu:

• Parametry emitora:

• Geometryczna wysokość emitora liczona od poziomu terenu – h=20m

• Średnica wewnętrzna wylotu emitora – d=1,6m

• Prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora – v=2,2 m/s

• Temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora– T=425,15K

• Emisja:

• Maksymalną emisję uśrednioną dla jednej godziny - E_g=1200mg/s

• Dane meteorologiczne:

• Statystyka stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru (róża wiatru)

• Wartość współczynnika aerodynamicznej szorstkości terenu z₀=2,0

• Średnia temperatura powietrza dla okresu obliczeniowego - T₀= 280,75K

Wyróżnionych jest 36 różnych sytuacji meteorologicznych wynikających z sześciu stanów równowagi atmosfery, którym odpowiadają zakresy prędkości wiatru na wysokości h_a = 12m, ze skokiem co 1 m/s.

Tabela 1. Sytuacje meteorologiczne

Stan równowagi atmosfery	Zakres prędkości wiatru ua[m/s]
1 – silnie chwiejna	1-3
2 – chwiejna	1-5
3 – lekko chwiejna	1-8
4 – obojętna	1-11
5 – lekko stała	1-5
6– stała	1-4

Tabela 2. Stałe zależne od stanów równowagi atmosfery

Stała	1	2	3	4	5	6
m	0,080	0,143	0,196	0,270	0,363	0,440
a	0,888	0,865	0,845	0,818	0,784	0,756
b	1,284	1,108	0,978	0,822	0,660	0,551
g	1,692	1,781	1,864	1,995	2,188	2,372
C1	0,213	0,218	0,224	0,234	0,251	0,271
C2	0,815	0,771	0,727	0,657	0,553	0,745

Obliczenia:

Efektywna wysokość emitora (wysokość pozornego punktu emisji):

H= h+∆h

H= 20 + 10,05 = 30,05

Wyniesienie gazów ∆h zależy od prędkości wylotowej gazów v [m/s], emisji ciepła Q i prędkości wiatru na wysokości wylotu z emitora u_h [m/s].

• Obliczamy emisję ciepła wg wzoru:

Q=$\frac{\mathbf{\text{Πd}}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{4}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{273}\mathbf{,}\mathbf{16}}{\mathbf{T}}\mathbf{*}\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{3}\mathbf{*}\mathbf{v}\mathbf{*}\mathbf{(}\mathbf{T}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{0}}\mathbf{)}$ [kJ/s]

Q= $\frac{{\Pi 1,6}^{2}}{4}*\frac{273,16}{425,15}*1,3*2,2*(425,15 - 280,75)$ = 533,5 [kJ/s]

• Wyniesienie gazów odlotowych ∆h oblicza się na podstawie następujących formuł:

1. Formuły Hollanda, gdy0≤Q≤16 000 kJ/s, przy czym wyróżnia się następujące przypadki tej formuły:

1. ∆h=∆h_H=0 dla v≤0,5u_h

2. ∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*}\mathbf{v}\mathbf{*}\mathbf{d}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*}\mathbf{Q}}{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$ dla v≥u_h

∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*}\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{2}\mathbf{*}\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{6}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*}\mathbf{533}\mathbf{,}\mathbf{2339}}{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{04}}$ = 10,05

1. ∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*}\mathbf{v}\mathbf{*}\mathbf{d}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*}\mathbf{Q}}{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$*$\frac{\mathbf{v}\mathbf{-}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$ dla 0,5u_h<v<u_h

Parametry meteorologiczne:

• Prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora u_h dla h ≤ 300m :

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{u}_{\mathbf{a}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{h}}{\mathbf{12}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [m/s]

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{1}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{20}}{\mathbf{12}}\mathbf{)}}^{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{08}}$ = 1.04 [m/s]

gdzie:

u_a - prędkość wiatru na wysokości anemometru [m/s] (jedna z 36),

m - stała zależna od stanu równowagi atmosfery, tablica 2.

• Średnią prędkość wiatru w warstwie od poziomu terenu do efektywnej wysokości emitora dla H≤300m:

$\mathbf{u}_{\mathbf{s}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{m}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{12}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [m/s]

$\mathbf{u}_{\mathbf{s}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{08}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{30}\mathbf{,}\mathbf{05}}{\mathbf{12}}\mathbf{)}}^{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{08}}$ = 1,0 [m/s]

• Średnią prędkość wiatru w warstwie od geometrycznej wysokości emitora do efektywnej wysokości emitora dla H≤300m i H≠h obliczamy wg wzoru:

Ū$\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\left( \mathbf{H}\mathbf{-}\mathbf{h} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{m} \right)\mathbf{*}\mathbf{12}^{\mathbf{m}}}$*[H^1+m−h^1+m] [m/s]

Ū$\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\left( \mathbf{30}\mathbf{,}\mathbf{05}\mathbf{-}\mathbf{20} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{08} \right)\mathbf{*}\mathbf{12}^{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{08}}}$*[30,05^1+0,08−20^1+0,08] = 1,06 [m/s]

• Współczynnik poziomej dyfuzji atmosferycznej:

δ_y=A*x^a

gdzie, A=0,088*(6m^−0, 3+1-ln$\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{z}_{\mathbf{o}}}$)

A=0,088*(6*0,08^−0, 3+1-ln$\frac{\mathbf{30}\mathbf{,}\mathbf{05}}{\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{0}}$) = 0,98

δ_y=0,98x^0,888

• współczynnik pionowej dyfuzji atmosferycznej:

δ_z=B*x^b

gdzie,B=0,38m^1, 3*(8, 7-ln$\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{z}_{\mathbf{o}}}$)

B=0,38*0,08^1, 3*(8, 7-ln$\frac{\mathbf{30}\mathbf{.}\mathbf{05}}{\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{0}}$) = 0,09

δ_z=0,09x^1,284

3. Najwyższe ze stężeń maksymalnych substancji w powietrzu Smm dla pojedynczego emitora

• Stężenie maksymalne substancji gazowej uśrednione dla 1 godziny Sm w określonej sytuacji meteorologicznej oblicza się wg wzoru:

s_m=$\mathbf{C}_{\mathbf{1}}\frac{\mathbf{E}_{\mathbf{g}}}{\mathbf{u}\mathbf{\text{AB}}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{B}}{\mathbf{H}}\mathbf{)}}^{\mathbf{g}}\mathbf{*}\mathbf{1000}$ [μg/m³]

s_m=$\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{213}\frac{\mathbf{1200}}{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{06}\mathbf{*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{98}\mathbf{*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{09}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{09}}{\mathbf{30}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{5}}\mathbf{)}}^{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{692}}\mathbf{*}\mathbf{1000}$ = 142,10 [μg/m³]

• Stężenia Sm występują w stosunku do emitora w odległości x_mwyrażonej wzorem:

$\mathbf{x}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\mathbf{C}_{\mathbf{2}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{B}}\mathbf{)}}^{\mathbf{1}\mathbf{/}\mathbf{b}}$ [m]

$\mathbf{x}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{815}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{30}\mathbf{,}\mathbf{0}\mathbf{5}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{09}}\mathbf{)}}^{\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}\mathbf{,}\mathbf{284}}$ = 78,44 [m]

Tabela 3 Zestawienie wyników stężeń maksymalnych Sm i ich odległości od źródła emisji

ua	Q	uh	Δh	H	ū	A	B	sm	xm
1	533,5	1,04	10,06	30,06	1,06	0,976	0,085	142,1	78,4
2	533,5	2,08	5,03	25,03	2,10	0,992	0,088	98,1	66,4
3	533,5	3,13	1,37	21,37	3,13	1,006	0,090	86,3	57,6
1	533,5	1,08	9,74	29,74	1,11	0,797	0,182	186,0	76,7
2	533,5	2,15	4,87	24,87	2,19	0,813	0,187	130,1	63,5
3	533,5	3,23	1,18	21,18	3,24	0,827	0,192	117,2	53,7
4	533,5	4,30	0,05	20,05	4,30	0,831	0,194	97,3	50,7
5	533,5	5,38	0,00	20,00	5,38	0,832	0,194	78,2	50,6
1	533,5	1,11	9,48	29,48	1,15	0,712	0,275	195,6	86,7
2	533,5	2,21	4,69	24,69	2,26	0,728	0,283	139,2	70,2
3	533,5	3,32	1,03	21,03	3,33	0,742	0,290	127,6	58,1
4	533,5	4,42	0,00	20,00	4,42	0,746	0,292	105,8	54,7
5	533,5	5,53	0,00	20,00	5,53	0,746	0,292	84,6	54,7
6	533,5	6,63	0,00	20,00	6,63	0,746	0,292	70,5	54,7
7	533,5	7,74	0,00	20,00	7,74	0,746	0,292	60,4	54,7
8	533,5	8,84	0,00	20,00	8,84	0,746	0,292	52,9	54,7
1	533,5	1,15	9,13	29,13	1,21	0,634	0,417	183,4	115,1
2	533,5	2,30	4,18	24,18	2,36	0,651	0,430	137,3	88,4
3	533,5	3,44	0,84	20,84	3,46	0,664	0,440	126,2	71,7
4	533,5	4,59	0,00	20,00	4,59	0,667	0,443	103,5	67,7
5	533,5	5,74	0,00	20,00	5,74	0,667	0,443	82,8	67,7
6	533,5	6,89	0,00	20,00	6,89	0,667	0,443	69,0	67,7
7	533,5	8,04	0,00	20,00	8,04	0,667	0,443	59,1	67,7
8	533,5	9,18	0,00	20,00	9,18	0,667	0,443	51,7	67,7
9	533,5	10,33	0,00	20,00	10,33	0,667	0,443	46,0	67,7
10	533,5	11,48	0,00	20,00	11,48	0,667	0,443	41,4	67,7
11	533,5	12,63	0,00	20,00	12,63	0,667	0,443	37,6	67,7
1	533,5	1,20	8,70	28,70	1,29	0,569	0,614	148,3	187,2
2	533,5	2,41	3,60	23,60	2,48	0,586	0,634	119,3	132,6
3	533,5	3,61	2,90	22,90	3,70	0,589	0,637	85,6	125,8
4	533,5	4,81	0,00	20,00	4,81	0,601	0,651	89,0	99,2
5	533,5	6,02	0,00	20,00	6,02	0,601	0,651	71,2	99,2
1	533,5	1,25	8,37	28,37	1,36	0,530	0,790	117,0	494,5
2	533,5	2,50	3,17	23,17	2,59	0,548	0,817	100,5	322,6
3	533,5	3,76	0,48	20,48	3,78	0,559	0,833	93,0	248,9
4	533,5	5,01	0,00	20,00	5,01	0,561	0,836	74,3	236,8

s_mm = 195,7 μg/m³

x_m= 86,7 m

Sprawdzenie czy spełniony jest warunek

• Smm ≤ 0,1*D1

D₁= 350 μg/m³

195,7 μg/m³ ≤ 0,1 * 350 µg/m³

195,7 µg/m³ >35 µg/m³

WNIOSKI:

Warunek nie został spełniony

Występująca emisja dwutlenku siarki przekracza normę dopuszczalnej zawartości tej substancji w powietrzu, należy więc podjąć środki służące ograniczeniu emisji dwutlenku siarki do atmosfery.

Jednym z możliwych sposobów ograniczenia emisji jest zwiększenie wysokości emitora. Ze względu jednak na nieznajomość techniki budowy emitora oraz brak danych na ten temat , proponuje się inne metody które można podzielić na dwie grupy:

1. Zmiany w technologii spalania, które pozwolą na obniżenie intensywności powstawania dwutlenku siarki podczas spalania. Jest to możliwe do osiągnięcia poprzez:

A. zmianę organizacji spalania (obniżenie temperatury spalania, stopniowaniu spalania, recyrkulacja spalin).

2. Przedsięwzięcia wtórne (stosowanie palników o specjalnej konstrukcji.

Aby sprawdzić, czy w każdym punkcie na powierzchni terenu został spełniony warunek S_m ≤ _­D₁ należy obliczyć w sieci obliczeniowej rozkład maksymalnych stężeń substancji w powietrzu uśrednionych dla 1 godziny, z uwzględnianiem statystyki warunków meteorologicznych.