Wydział Rolniczo - Ekonomiczny

Kierunek: Ochrona Środowiska

Marta Serafin

Magdalena Surdyka

Rok studiów: III

Grupa: I

Rok akademicki: 2014/2015

Ćwiczenie numer 1

z przedmiotu Ochrony Powietrza

Tytuł: Obliczenie odległości x_m występowania stężenia maksymalnego zanieczyszczenia powietrza S_mm dla NO₂

Kraków 2015

Zawartość opracowania:

1. Podstawa prawna obliczeń

2. Zestawienie danych

3. Przykładowe obliczenia dla wybranej prędkości i stanu równowagi atmosfery

4. Tabela z wynikami

5. Sprawdzenie warunku na wartość maksymalną stężenia

6. Wnioski

Podstawa prawna obliczeń:

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. Nr 16, Poz. 87).

Rozporządzenie określa:

1. Wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu, zróżnicowane dla:

- terenu kraju z wyłączeniem obszarów ochrony uzdrowiskowej,

- obszarów ochrony uzdrowiskowej;

1. Warunki w jakich ustala się wartości odniesienia takie jak temperatura i ciśnienie;

2. Oznaczenie numeryczne substancji pozwalającej na jednoznaczną jej identyfikację;

3. Okresy dla których są uśrednione wartości odniesienia;

4. Warunki uznawania wartości odniesienia za dotrzymane;

5. Referencyjne metodyki modelowania poziomów substancji w powietrzu.

Dane do obliczeń:

• Geometryczna wysokość emitora liczona od poziomu terenu: h = 170 m

• Średnica wewnętrzna wylotu emitora: d = 11,2 m

• Prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora: v = 18,6 m/s

• Temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora: T = 360,2 K

• Maksymalna emisja jedno godzinna: E_g = 380,5*10^-3 mg/s

• Średnia temperatura powietrzna dla okresu obliczeniowego: T₀ = 279,65 K

• Wysokość pomiaru prędkości wiatru: h_a = 14 m

• Rodzaj pokrycia i użytkowania terenu - lasy: z₀ = 2,0

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	0,08	0,143	0,196	0,27	0,363	0,44
a	0,888	0,865	0,845	0,818	0,784	0,756
b	1,284	1,108	0,978	0,822	0,66	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

1. Przykładowe obliczenia dla wybranej prędkości i stanu równowagi atmosfery

   1. Efektywna wysokość emitora:

H = h + ∆h (1)

Wyniesienie gazów ∆h zależy od: prędkości wylotowej gazów v, emisji ciepła Q oraz prędkości wiatru na wysokości wylotu z emitora u_h.

Emisję ciepła:

Q = $\frac{{\Pi d}^{2}}{4}*\frac{273,16}{T}*1,3*v*(T - T_{0})$ [kJ/s] (2)

gdzie: d – średnica wewnętrzna wylotu emitora

T – temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora

v – prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora

T₀ – średnia temperatura powietrzna dla okresu obliczeniowego

Q = $\frac{{\Pi 11,2}^{2}}{4}*\frac{273,16}{360,2}*1,3*18,6*(360,2 - 279,65)$ = 145445,7 [kJ/s]

Wyniesienie gazów odlotowych ∆h oblicza się z formuły CONCAWE, gdy Q > 24 000 kJ/s:

∆h = ∆h_c = $\frac{1,126\ *\ Q^{0,58}}{{u_{h}}^{0,7}}$ (3)

gdzie: Q – emisja ciepła z emitora

u_h – prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora

1. Parametry meteorologiczne

1. Prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora U_h dla h ≤ 300 m:

$u_{h} = u_{a}*{(\frac{h}{14})}^{m}$ [m/s] (4)

gdzie: u_a – prędkość wiatru na wysokości anemometru

m – stała, zależna od stanu równowagi atmosfery (tabela 2)

$u_{h} = 1*{(\frac{170}{14})}^{0,08}$ = 1,22 [m/s]

∆h = ∆h_c = $\frac{1,126\ *\ {145445,7}^{0,58}}{{1,22}^{0,7}}$ = 967,06

H = h + ∆h

H = 170 + 967,06 = 1137,06 [m]

Efektywna wysokość emitora wynosi 1137,06 m.

1. Średnią prędkość wiatru w warstwie od poziomu terenu do efektywnej wysokości emitora dla H > 300m:

$u_{s} = \frac{u_{a}}{1 + m}*{(\frac{300}{14})}^{m}*\left\lbrack \left( 1 + m \right) - m*\frac{300}{H} \right\rbrack$ [m/s] (5)

$u_{s} = \frac{1}{1 + 0,08}*{(\frac{300}{14})}^{0,08}*\left\lbrack \left( 1 + 0,08 \right) - 0,08*\frac{300}{1137,06} \right\rbrack$ = 1,26 [m/s]

1. Średnią prędkość wiatru w warstwie od geometrycznej wysokości emitora do efektywnej wysokości emitora dla h < 300 m i H > 300 m obliczamy wg wzoru:

Ū$= \frac{u_{a}}{\left( H\ - \ h \right)\ *\ 14^{m}}$ * [ $\frac{300^{1 + m} - \ h^{1 + m}}{(1 + m)}$ +(H − 300)*300^m] [m/s] (6)

Ū$= \frac{1}{\left( 1137,06\ - \ 170 \right)\ *\ 14^{0,08}}$ * [ $\frac{300^{1 + 0,08} - \ 170^{1 + 0,08}}{(1 + 0,08)}$ +(1137, 06 − 300)*300^0, 08] = 1,26 [m/s]

1. Współczynnik poziomej dyfuzji atmosferycznej:

δ_y = A * x^a (7)

gdzie: A = 0,088 * (6m^−0, 3 + 1 – ln$\frac{H}{z_{o}}$)

A = 0,088 * (6 * 0,08^-0,3 + 1 – ln 1500) = 0,57

δ_y = 0,57 * x^0, 888

1. współczynnik pionowej dyfuzji atmosferycznej:

δ_z = B * x^b (8)

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

B = 0,38 * 0,08^1,3 * (8,7 – ln 1500) = 0,02

δ_z = 0,02 * x^1, 284

Najwyższe ze stężeń maksymalnych substancji w powietrzu S_mm dla pojedynczego emitora

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

s_m=$C_{1}\frac{E_{g}}{uAB}({\frac{B}{H})}^{g}*1000$ [μg/m³] (9)

s_m=$0,213*\ \frac{380500}{1,26*0,57*0,02}*({\frac{0,02}{1137,06})}^{1,692}*1000$ = 52,16 [μg/m³]

1. Stężenia S_m występują w stosunku do emitora w odległości x_mwyrażonej wzorem:

$X_{m} = C_{2}({\frac{H}{B})}^{1/b}$ [m] (10)

$x_{m} = 0,815*\ ({\frac{1137,06}{0,02})}^{\frac{1}{1,284}}$ = 4167,4 [m]

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

Lp	Stan równowagi atmosfery	Zakres prędkości wiatru Ua	Uh	Q	Δh	H	ū	xm	A	B	sm
1		1	1,11	16920,29	215,01	265,01	1,21	513,70	0,87	0,07	0,01
2	1 - silnie chwiejna	2	2,21	16920,29	111,46	161,46	2,34	323,15	0,91	0,07	0,02
3		3	3,32	16920,29	76,12	126,12	3,47	257,18	0,93	0,08	0,02
4		1	1,20	16920,29	199,21	249,21	1,39	640,01	0,69	0,15	0,06
5		2	2,40	16920,29	103,34	153,34	2,64	378,44	0,73	0,16	0,10
6	2 - chwiejna	3	3,60	16920,29	70,61	120,61	3,87	292,71	0,75	0,17	0,12
7		4	4,80	16920,29	53,97	103,97	5,09	249,95	0,77	0,17	0,13
8		5	6,00	16920,29	43,85	93,85	6,31	224,24	0,78	0,17	0,13
9		1	1,28	16920,29	186,83	236,83	1,56	910,69	0,61	0,22	0,17
10		2	2,57	16920,29	96,98	146,98	2,91	507,93	0,65	0,24	0,27
11		3	3,85	16920,29	66,29	116,29	4,24	382,53	0,67	0,25	0,32
12	3 - lekko chwiejna	4	5,13	16920,29	50,68	100,68	5,55	321,59	0,68	0,26	0,34
13		5	6,42	16920,29	41,19	91,19	6,85	285,55	0,69	0,26	0,35
14		6	7,70	16920,29	34,80	84,80	8,15	261,73	0,70	0,27	0,35
15		7	8,98	16920,29	30,18	80,18	9,45	244,79	0,70	0,27	0,34
16		8	10,27	16920,29	26,69	76,69	10,74	232,12	0,71	0,27	0,33
17		1	1,41	16920,29	170,84	220,84	1,82	1733,02	0,54	0,34	0,45
18		2	2,82	16920,29	88,75	138,75	3,32	882,09	0,58	0,37	0,74
19		3	4,23	16920,29	60,70	110,70	4,79	637,44	0,60	0,39	0,87
20		4	5,64	16920,29	46,43	96,43	6,23	523,19	0,61	0,40	0,92
21		5	7,05	16920,29	37,75	87,75	7,67	457,31	0,62	0,40	0,93
22	4 - obojętna	6	8,46	16920,29	31,90	81,90	9,10	414,50	0,62	0,41	0,91
23		7	9,87	16920,29	27,67	77,67	10,53	384,45	0,63	0,41	0,89
24		8	11,28	16920,29	24,48	74,48	11,95	362,19	0,63	0,42	0,86
25		9	12,69	16920,29	21,97	71,97	13,38	345,03	0,64	0,42	0,84
26		10	14,10	16920,29	19,96	69,96	14,80	331,40	0,64	0,42	0,81
27		11	15,51	16920,29	18,29	68,29	16,22	320,29	0,64	0,42	0,78
28		1	1,59	16920,29	152,69	202,69	2,19	4816,38	0,48	0,51	1,13
29		2	3,17	16920,29	79,42	129,42	3,89	2142,55	0,52	0,55	1,85
30	5 - lekko stała	3	4,76	16920,29	54,35	104,35	5,55	1458,12	0,54	0,58	2,15
31		4	6,35	16920,29	41,60	91,60	7,18	1156,17	0,55	0,59	2,25
32		5	7,94	16920,29	33,84	83,84	8,80	988,03	0,56	0,60	2,26
33		1	1,75	16920,29	139,15	189,15	2,53	13089,00	0,44	0,66	2,08
34	6 - stała	2	3,50	16920,29	72,44	122,44	4,42	5119,29	0,48	0,72	3,37
35		3	5,25	16920,29	49,61	99,61	6,24	3292,56	0,50	0,75	3,87
36		4	7,00	16920,29	37,99	87,99	8,04	2527,92	0,51	0,76	4,01

s_m = 1325,60 μg/m³

x_m= 1305,76 m

• Sprawdzenie czy spełniony jest warunek

S_mm ≤ 0,1 D₁

S_mm= 4,01 μg/m³

D₁= 200 μg/m³

4,01 µg/m³ ≤ 0,1 * 200 µg/m³

4,01 µg/m³ ≤ 20 µg/m³

WNIOSKI:

Warunek został spełniony

Występująca emisja dwutlenku azotu przekracza normę dopuszczalnej zawartości tej substancji w powietrzu, należy więc podjąć środki służące ograniczeniu emisji dwutlenku azotu 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