Wydział Rolniczo - Ekonomiczny

Kierunek: Ochrona Środowiska

Sylwia Gabryś

Anna Gazda

Rok studiów: III

Grupa: I

Rok akademicki: 2011/2012

ĆWICZENIE NUMER 1

z przedmiotu Ochrona Powietrza

Tytuł: Obliczenie odległości x_m od miejsca emisji maksymalnego zanieczyszczenia powietrza S_mm dla ditlenku azotu(NO₂).

Kraków 2012

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=50m

• Średnica wewnętrzna wylotu emitora – d=4,5m

• Prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora – v=9,1 m/s

• Temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora– T=418,50K

• 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=5,0

• Średnia temperatura powietrza dla okresu obliczeniowego - T₀= 280,65K

Wyróżnionych jest 36 różnych sytuacji meteorologicznych wynikających z sześciu stanów równowagi atmosfery, którym odpowiadają zakresy prędkości wiatru na wysokości h_a = 14m, 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= 50 + 215,01 = 265,01

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 emisjęciepła 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= $\frac{{\Pi 4,5}^{2}}{4}*\frac{273,16}{418,5}*1,3*9,1*(418,5 - 280,65)$ = 16920,29

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

∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*9,1*4,5}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*16920,29}}{\mathbf{1,11}}$ = 215,01

-

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

∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*9,1*4,5}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*16920,29}}{\mathbf{10,27}}$*$\frac{\mathbf{9,1 - 5,13}}{\mathbf{5,13}}$ = 17,02

1. Formuły CONCAWE, gdy Q>24 000 kJ/s

∆h=∆h_c=$\frac{\mathbf{1,126}\mathbf{*}\mathbf{Q}^{\mathbf{0,58}}}{{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}^{\mathbf{0,7}}}$

1. Kombinacji formuły Hollanda i CONCAWE, gdy 16 000 < Q < 24 000 kJ/s

∆h=∆h_H*$\frac{\mathbf{24000 - Q}}{\mathbf{8000}}\mathbf{+}\mathbf{h}_{\mathbf{c}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{(Q - 16000)}}{\mathbf{8000}}$

W tym przypadku zastosujemy kombinację formuły Hollanda i CONCAWE, ponieważ 16 000 < Q < 24 000 kJ/s.

∆h=204, 34*$\frac{\mathbf{24000 - 16920,29}}{\mathbf{8000}}\mathbf{+ 297,20*}\frac{\mathbf{(16920,29 - 16000)}}{\mathbf{8000}}$ = 215,01

Parametry meteorologiczne:

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

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{u}_{\mathbf{a}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{h}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [m/s]

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{1}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{50}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{0,08}}$ = 1,11

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:

$\mathbf{u}_{\mathbf{s}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{1 + m}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [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$\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\left( \mathbf{H - h} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{m} \right)\mathbf{*}\mathbf{14}^{\mathbf{m}}}$*[H^1+m−h^1+m] [m/s]

Ū$\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\left( \mathbf{265,01 - h} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{0,08} \right)\mathbf{*}\mathbf{14}^{\mathbf{0,08}}}$*[265, 01^1+0, 08−h^1+0, 08] =???

• Współczynnik poziomej dyfuzji atmosferycznej:

δ_y=A*x^a

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

• współczynnik pionowej dyfuzji atmosferycznej:

δ_z=B*x^b

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

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=$\mathbf{0}\mathbf{,213}\frac{\mathbf{1200}}{\mathbf{1,21*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{87}\mathbf{*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{07}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{07}}{\mathbf{265}\mathbf{,}\mathbf{01}}\mathbf{)}}^{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{629}}\mathbf{*}\mathbf{1000}$ = 0,01

• 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]

$\mathbf{x}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{815}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{265}\mathbf{,}\mathbf{01}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{07}}\mathbf{)}}^{\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}\mathbf{,}\mathbf{284}}$ = 513,70

Tabela 3. Zestawienie wyników stężeń maksymalnych Sm 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.