1. Методики та методи теоретичних та експериментальних досліджень об’єкту

1.1.1. Анализ процессов образования и распространения пылегазовых выбросов при агломерации марганцевых концентратов и выплавке ферросплавов

Процессы, происходящие при производстве марганцевых ферросплавов, сопровождаются образованием и выделением CO не вследствие сжигания топлива, а в результате сложных физико-химических процессов с участием твердого углерода [1]. Образующийся в ваннах ферросплавных электропечей феррогаз в основном улавливается, очищается и используется, а совсем небольшая часть выделяется через шихту и поступает в атмосферу через системы пылеулавливания и наиболее совершенные газоочистки. По объективным признакам процессы выплавки марганцевых ферросплавов ведутся под небольшим давлением печного газа, не допуская подсоса воздуха из-за взрывоопасности смеси газа и кислорода воздуха. Правильность выбора режима выплавки марганцевых ферросплавов с повышенным давлением под сводом печи подтверждается и выводами института УкрГНТЦ «Энергосталь», который является головными институтом в стране по улавливанию и очистке промышленных газов.

Важно отметить и тот факт, что установленный граничный предел допустимого содержания CO в газовых выбросах устанавливается по содержанию CO на входе газов в трубы. В зависимости от количества газовых выбросов и содержания в них CO высота трубы рассчитывалась при проектировании завода с учетом достижения установленных предельных значений при рассеивании газа на различных расстояниях [2, 3].

Наблюдения за атмосферным воздухом в радиусе воздействия пылегазовых выбросов ПАО «НЗФ» проводятся на 3-х стационарных постах, расположенных в с. Менжинское и в г. Никополь на ул. Жигулевской и Электрометаллургов по следующим веществам: ангидрид сернистый, двуокись азота, двуокись марганца, взвешенные вещества, окись углерода согласно “Графика отбора проб и производства анализов атмосферного воздуха на 2010 г.”, согласованного Никопольской СЭС.

Согласно ГОСТа 17.2.3.01-86 “Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов” для получения информации о разовых и среднесуточных концентрациях загрязнения атмосферного воздуха отбор проб производится ежедневно путем автоматического отбора проб через равные промежутки времени в 1, 7, 13, 19 часов. Также заводской лабораторией 2 раза в месяц выполняются подфакельные наблюдения загрязнения атмосферного воздуха в санитарно-защитной зоне завода.

Для эффективного контроля и предотвращения превышения предельно-допустимых концентраций вредных веществ целесообразно контролировать процесс распространения пылегазовых выбросов при помощи математической модели, которая должна учитывать различные метеорологические условия.

В связи с этим, в качестве примера ниже приведены выполненные нами расчеты по оценке распространения газовых выбросов CO от стационарных источников ПАО «НЗФ».

1.1.2 Экологическая и характеристика ПАО «НЗФ».

ОАО "Никопольский завод ферросплавов" расположен в 2 км севернее г. Никополь. Ближайший населенный пункт с. Менжинское расположен в 1 км от южной границы промплощадки завода. В 3,5 км западнее завода находится село Старозаводское, в 3-х км севернее – село Южное, в 4,5 км северо-западнее – село Чкалово.

С южной и восточной стороны площадка завода граничит с полосой зелённых насаждений соответственно 300÷500 м и 600 м, за которой расположены пахотные земли. С западной и северной стороны к границам завода примыкают пахотные земли.

Для завода площадь санитарно-защитной зоны с R=1000 м., со стороны селитебной территории, составляет 355 га. В соответствии с требованиями Государственного санитарного надзора, Никопольский завод ферросплавов в 1965 году осуществил посадку, со стороны селитебной территории, защитных полос зеленых насаждений шириной 430 - 450 м. и протяженностью 4,5 км, общей площадью 280 га. Площадь озеленения территории составляет 62 %, что соответствует СНиП 2.07.01-89.

Как указано выше с. Менжинское вплотную граничит с санитарно-защитной зоной завода, фактической значение приземной концентрации марганца и его соединения (как основного контролируемого загрязнителя), полученное в результате замеров на ближайшем к заводу стационарном посту наблюдения за загрязнением атмосферы в с. Менжинское, составляет 0,81 ПДК. Такую экологическую ситуацию в данном регионе можно характеризовать как напряжённую.

На предприятии выбросы вредных веществ в атмосферу осуществляются от 195 стационарных источников. Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу от стационарных источников можно условно разделить на твердые (металлы и их соединения, сажа) и газообразные (оксиды серы, азота, углерода и др.).

Главными загрязнителями атмосферного воздуха на НЗФ являются аглоцех (АГЦ) и цех производства ферросплавов (ЦПФ). В аглоцехе находится 31 источник выбросов с высотой труб до 120 м. Суммарный объем пыли и газов поступающих в атмосферу от этого цеха 1530 м³/c. Суммарная масса выброса составляет 688 г/с, в том числе, пыли марганца 39 г/с (5,7%, 33% пылевых выбросов), прочих взвешенных веществ 79 г/с (11,5%), оксида углерода 552 г/с (80,2%), сернистого ангидрида 3,08 г/с (0,4%), двуокиси азота 15,33 г/с (2,2%) (рис.1. 1).

Рис. 1.1. Структура пылегазовых выбросов аглоцеха

В цеху производства ферросплавов от 34 источников высотой от 25 до 70 м суммарный объем пыли и газов, поступающих в атмосферу составляет 2653 м³/c, а суммарная масса выброса - 360 г/c, из них: пыли марганца 17 г/с (4,7%, 37% пылевых выбросов), пыли остальной 29 г/с (12,7%), оксида углерода 292 г/с (80,6%), сернистого ангидрида 13,71 г/с (3,8%), двуокиси азота 7,53 г/с (2,08%) (рис.1. 2).

Рис. 1.2. Структура пылегазовых выбросов цеха производства ферросплавов

Большое влияние на распространения пылегазовых выбросов оказывают метеорологические условия. По многолетним наблюдениям в районе г. Никополь преобладает северо-восточное направление ветра. Средняя скорость ветра 2-3 м/c. Средняя температура января -5,4ºС, июля 25,2ºС.

1.1.3 Анализ результатов математического моделирования (Теоретические исследования).

Процесс распространения газовых выбросов включает в себя следующие составляющие: диффузионный фактор, фактор ветровой нагрузки (который отражает направленное перемещение газовых выбросов силой ветра; в отличие от диффузии, которая в отсутствие других причин создает симметричное по всем направлениям поле концентраций, ветровая нагрузка распределена неравномерно как по направлению, так и по времени); химический фактор (который характеризует интенсивность воздействия каждого компонента выбросов с компонентами атмосферы) [4, 5] (рис. 1.3).

Рис.1. 3. Рассеивание загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу [4]

Известны два подхода в математическом моделировании процесса распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы [6]. Первый из них основан на решении уравнения турбулентной диффузии и получил развитие в основном в государствах СНГ. Этот подход позволяет исследовать задачи с источниками пылегазовых выбросов разного типа (различными граничными условиями, характеристиками среды). Численные решения уравнения атмосферной диффузии с различными граничными условиями в дальнейшем были приняты в качестве основы инженерной модели, выполненной в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова и принятой в качестве Российского общественного нормативного документа ОНД-86 [7].

Второй подход, использующий эмпирико-статистический метод, в основном получил развитие в Европе и США. Соответствующие ему математические модели называются «гауссовыми». Они описываются плотностью распределения Гаусса. Эта методика рекомендована Агентством по охране окружающей среды США для проведения расчетов, носящих нормативный характер. Преимуществом методики Гаусса является ее сравнительно высокая точность при достаточно простой параметризации влияющих на рассеяние примесей факторов, а также возможность подстройки эмпирических параметров с учетом специфики конкретного источника пылегазовых выбросов [8]. Однако, применение этого метода на сильнопересеченной местности дает большие погрешности.

С учетом того, что район, прилегающий к ПАО «Никопольский завод ферросплавов», находится на равнинной слабопересеченной местности, оценку распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы выполняли по модели Гаусса. Концентрация загрязнений, выбрасываемых из точечного источника, описывается уравнением (1) [9].

(1.1)

где с(x, y, z) – концентрация выбрасываемого вещества в точке с координатами x, y, z, мг/м³; Q – мощность непрерывного источника, мг/c; u_Hшл – скорость ветра на высоте Н_шл, м/c; x – расстояние от источника, м; y – поперечное расстояние от оси шлейфа, м; z – высота над поверхностью земли, м (рис. 1.4); H_шл – конечный подъем шлейфа над землей (эффективная высота подъема шлейфа), м, , - стандартные отклонения рассеивания по осям y, z.

В уравнении (1.1) принимается допущение, что направление ветра совпадает с направлением оси ОХ, а начало координат находится в основании источника (трубы) (рис.1. 4).

Существует несколько частных случаев моделей Гаусса, которые отличаются между собой способами функционального описания , . Одной из наиболее распространенных моделей является модель Пасквилла- Гиффорда, которая применяется для оценки загрязнений в радиусе 10 км от источника выбросов [8]. Значения стандартных отклонений , зависят от шести классов устойчивости атмосферы A-F - классов Пасквилла, которые позволяют учитывать различные метеорологические условия [10].

Рис.1. 4. Распространение газовых выбросов от точечного источника [5]

Таблица 1.1 Классы устойчивости атмосферы по Пасквиллу [10]

Скорость ветра, м/c	Классы устойчивости атмосферы A-F
	Дневное время. Уровень солнечного освещения			Ночное время. Облачность
	Сильный	Средний	Слабый	> 50%	< 50%
<2	A	A-B	B	E	F
2-3	A-B	B	C	E	F
3-5	B	B-C	C	D	E
5-6	C	C-D	D	D	D
>6	C	D	D	D	D

Пасквиллом и Гиффордом [10] предложены следующие уравнения для определения , :

, (1.2)

, (1.3)

где , - стандартные отклонения, м; x – расстояние от источника выброса, км; a, b, n, d – эмпирические коэффициенты, зависящие от классов устойчивости атмосферы [10].

Скорость ветра на эффективной высоте (т.е. Н_шл) источника выбросов u_Hшл рассчитывается из выражения:

(1.4)

где Н_тр - высота источника выбросов, м; - высота замера приземной скорости ветра (обычно 10 м ); p – эмпирический коэффициент, зависящий от классов устойчивости атмосферы и типа местности [10].

Эффективная высота подъема шлейфа H_шл над землей зависит от классов устойчивости атмосферы A-F и расстояния от источника выбросов. Для классов устойчивости A-D этот параметр определяется следующим образом:

(1.5)

где - модифицированная высота источника выбросов, м; - параметр Бриггса; - расстояние достижения максимальной концентрации, м.

, (1.6)

где - ускорение свободного падения, м/c²; - скорость выхода газов из источника выбросов, м/c; - диаметр устья источника выбросов, м; - температура газов, выбрасываемых в атмосферу, ºС; - температура окружающего воздуха, ºС.

Модифицированная высота источника выбросов зависит от скорости ветра на эффективной высоте источника выбросов и скорости истечения газов из трубы

(1.7)

Зная значение параметра Бриггса можно также определить расстояние от источника выбросов, на котором достигается максимальная концентрация вредного вещества.

(1.8)

Если методика расчета H_шл для классов устойчивости E, F проводится, как описано выше для классов A-D. В случае невыполнения условия эффективная высота источника определяется из выражения

(1.9)

где s - коэффициент стабильности

(10)

По данным [10] для класса стабильности E равен 0,02 К/м, для F – 0,035 К/м.

Выполнено моделирование распространения пылегазовых выбросов в зоне влияния ПАО «Никопольский завод ферросплавов». Ниже в качестве примера приведены поле приземных концентраций СО, образующееся при пылегазовых выбросах из 120 м трубы аглоцеха (рис.1.4), и карта-схема распространения оксида углерода, выброшенного из точечных источников аглоцеха и цеха производства ферросплавов (рис.1. 5.)

Рис.1. 5. Изменение приземной концентрации оксида углерода при выбросе из трубы аглоцеха Н_тр = 120 м, = 6 м при следующих начальных условиях:

(Q = 272 г/c, = 7,86 м/с, u = 2 м/c, = 100ºС; = 20ºС, день, ясная погода).

Рис.1. 6 – Карта-схема распространения оксида углерода в долях ПДК (5 мг/м³) на различных расстояниях от НЗФ при u = 2 м/c, = 20ºС, день, ясная погода).

Результаты расчетов хорошо согласуются с данными стационарных постов наблюдения в с. Менжинское и г. Никополь.

Выводы по подразделу 1.1

1. В работе выполнено моделирование распространения пылегазовых выбросов от стационарных источников ПАО «Никопольский завод ферросплавов».

2. Расчетами установлено, что концентрация окиси углерода в зоне влияния предприятия не превышает ПДК 5 мг/м³. Максимальная приземная концентрация CO достигается на расстоянии 500 м от источников выбросов и составляет 1,85 мг/м³ (0,37 ПДК). На расстояние 4 км от источников пылегазовых выбросов концентрация CO снижается до 0,1 мг/м³ (0,02 ПДК).

3. Разработанная модель позволяет в зависимости от метеорологических условий прогнозировать распространение как оксида углерода, так и других твердых и газообразных компонентов, чтобы корректировать технологический процесс и избегать превышения ПДК выбрасываемых веществ.

4. Расчетные данные и результаты замеров свидетельствуют, что при фактической концентрации CO в пылегазовых выбросах 2500 мг/м³ приземные концентрации CO в зоне постов наблюдения с. Менжинское, ул. Электрометаллургов и ул. Жигулевская г. Никополь соответственно 0,82 мг/м³, 0,65 мг/м³, 0,81 мг/м³. Это в 6-7,7 раз ниже предельно допустимой концентрации (5 мг/м³). Поэтому необходимо разработать и утвердить новые предельные значения CO (2500-2700 мг/м³) в пылегазовых выбросах от промышленных объектов НЗФ с учетом специфики процессов агломерации марганцеворудного сырья и выплавки марганцевых ферросплавов.

Список литературы по разделу 1.

( Включается в общий список литературы )

1. Никопольские ферросплавы / М. И. Гасик, В. С. Куцин, Е.В. Лапин [и др.]. [под. ред. к.т.н. Куцина В.С. 75-летию академика НАН Украины М.И. Гасика]. – Днепропетровск: ГНПП “Системные технологии”, 2004. – 272 с.

2. Экологические аспекты деятельности ОАО «Никопольский завод ферросплавов» / В.С. Куцин, О.А. Камбаров, Г.Д. Страдомский [и др.]. // Сталь. – 2006. - №6. – С. 117 – 118.

3. Куцин В.С. Решение экологических вопросов на ОАО «Никопольский завод ферросплавов» / В.С. Куцин, Е.В. Лапин // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. трудов ИЧМ АН Украины. Вып. №16. - Днепропетровск: Визион. – 2006. – С. 218 – 220.

4. Максименко Ю.Л. Оценка воздействия на окружающую среду и разработка нормативов ПДВ: [справ. изд.]. / Ю.Л. Максименко, И.Д. Горкина, В.Н. Шаприцкий – М.: “СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ”, 1999. – 480 с.

5. Вишнякова К.В. Анализ воздействия атмосферных факторов на распространение газовых выбросов с целью прогноза степени риска в зоне влияния металлургического предприятия: Автореф. дисс…канд. техн. наук. - М.: 2011. - 28 c.

6. Сравнительный анализ некоторых математических моделей для процессов распространения загрязнений в атмосфере. И.В. Белов, М.С. Беспалов, Л.В. Клочкова [и др.]. // Матем. моделирование. 1999. - Т. 11, № 7. - С. 52–64.

7. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 93 с.

8. Замай С.С. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города: [учеб. пособие]. / С.С. Замай, О.С. Якубайлик. – Красноярск: Красноярский государственный университет, 1998. – 109 с.

9. Milton R. Beychok. Fundamentals of Stack Gas Dispersion: [4th ed.]. - Newport Beach, CA:, 2005. – 201 p - ISBN 0964458802.

10. Pasquill F. Atmospheric dispersion parameters in gaussian plume modeling: [part II. Possible Requirements for Change in the Turner Workbook Values]. / F. Pasquill // EPA-600/4-76-030b, U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, North Carolina 27711 - 1976.