Теплоэнергетика входит в тройку отраслей, которые являются в России основными источниками загрязнения атмосферы. На долю ТЭС приходится около 46 % выбросов SO₂ и 70 % NO₂. Например, выбросы вредных газов SO₂ и NO₂ котла БКЗ-320, сжигающего Подмосковный уголь, составляют 1194 и 81,3 г/с соответственно.

В целях обеспечения экологической безопасности атмосферного воздуха параметры выбросов нормируются. Для нормирования выбросов используются следующие показатели: предельно допустимые концентрации (ПДК), предельно допустимые выбросы (ПДВ) и др. Величины ПДК установлены Гигиеническими нормами, утверждаемыми Правительством РФ, а величины ПДВ определяются экологическими службами ТЭС путем расчета, так как ПДВ зависят не только от ПДК, но и от фоновых концентраций веществ в приземном слое воздуха.

Предельно допустимый выброс (ПДВ) ? это максимально допустимый расход вредного вещества в выбросе, при котором его приземная концентрация в совокупности с фоновым загрязнением и с учетом перспективы его роста не превысит ПДК для населения, растительного и животного мира.

Величина ПДВ устанавливается для каждого источника загрязнения атмосферы и по каждому вредному веществу.

ПДВ одного вещества определяют из условия допустимости воздействия:

с_м (М) + с_ф ? ПДК, (1)

где с_м (М) - зависимость максимальной приземной концентрации при неблагоприятных метеоусловиях от массового расхода М выбрасываемого вещества (выброса) из данного источника загрязнения атмосферы, г/с; с_ф - фоновая концентрация этого вещества от других источников загрязнения воздуха, мг/м³.

Значение М, при котором уравнение (1) превратится в тождество, будет равно ПДВ, т.е. предельному массовому расходу М_п = ПДВ. Таким методом определяются ПДВ (г/с), которые не должны превышаться в любой 20-минутный интервал времени.

Кроме того, по каждому веществу устанавливают контрольные значения годовых ПДВ (т/год). Такие ПДВ используются в расчетах платежей за загрязнение окружающей среды. Значения ПДВ могут контролироваться службами Росприроднадзора в любой 20-минутный интервал времени, а также в среднем за сутки, месяц, год.

Расчет ПДВ производят по методам, описанным в нормативных документах Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86 / Госкомгидромет. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 92 с.; Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух (дополненное и переработанное) / ОАО "НИИ Атмос-фера". - СПб., 2012. ? 224 с. [Электронный ресурс]. ? Режим доступа: www.gosthelp.ru/text/Metodicheskoeposobie Metod2.html. .

При одновременном совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией вредного действия, ПДВ рассчитывается с учетом суммы безразмерных концентраций.

Например, для двух веществ однонаправленного действия ПДВ рассчитывается по условию вида Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86.

(2)

где с_{м, i} - максимальная разовая концентрация i-го вещества в приземном слое воздуха от оцениваемого источника выбросов; с_{ф, i} - фоновая концентрация этого вещества; ПДК_i - разовая предельно допустимая концентрация вещества. Значения ПДК для загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест приведены в ГН 2.1.6.1338-03 ГН 2. 1. 6. 1338-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест" [Электронный ресурс]. ? Режим доступа: http: //standartgost.ru/g/%D0%93%D0%9D_2. 1. 6. 1338-03. .

В 2008 г. было введено в действие Дополнение № 4 к ГН 2.1.6.1338-03 ГН 2. 1. 6. 2326-08 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест": дополнение N 4 к ГН 2. 1. 6. 1338-03 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //standartgost.ru/g/ГН_2. 1. 6. 2326-08. . В Постановлении Главного государственного санитарного врача РФ от 4 февраля 2008 г. № 6 "Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.6.2326-08" указано: "С введением в действие гигиенических нормативов ГН 2.1.6.2326-08 считать утратившим силу гигиенический норматив метантиола, установленный в ГН 2.1.6.1983-05**… и коэффициент комбинированного действия, не превышающий 1 (единицу) для азота диоксида, серы диоксида, установленный в ГН 2.1.6.1338-03".

Таким образом, для газов SO₂ и NO₂ было установлено, что они обладают лишь частичной суммацией (однонаправленностью) вредного действия, поэтому сумма их относительных концентраций не должна превышать 1,6:

(3)

Здесь и далее для упрощения описания принято, что величины с индексом 1 относятся к диоксиду серы SO2, а с индексом 2 - к диоксиду азота NO2.

Отметим, что ГН 2.1.6.2326-08 повышает уровень безопасного загрязнения атмосферного воздуха и разрешает ТЭС увеличивать выбросы газов SO₂ и NO₂ без применения ограничительных мер, например повышенных ставок платежей за выбросы, превышающие ПДВ.

Известная методика расчета ПДВ газов SO₂ и NO₂ и других вредных веществ Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86. основана на условии допустимости воздействия вида (2). Методика расчета ПДВ для газов SO₂ и NO₂ с учетом условия (3) даже в сравнительно новых нормативных документах Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух (дополненное и переработанное). не приводится. В методиках Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86; Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух (дополненное и переработанное). не указана процедура расчета ПДВ каждого из газов SO₂ и NO₂.

В [1] отмечается, что существуют особенности построения моделей формирования нормативов ПДВ загрязняющих веществ совместного гигиенического действия. Однако не указано, каким образом учесть эти особенности.

В [2] проведен анализ недостатков существующей системы нормирования выброса загрязняющих веществ в воздушный бассейн. Различия в подходах к оценке опасности на основе ПДК и ПДВ и оценке опасности на основе риска рассмотрены в [3].

В [4] отмечается, что для мониторинга состояния окружающей среды необходимы комплексное наблюдение за динамикой накопления данных о рассчитанных выбросах и сопоставление их с ПДВ, позволяющее проектировать возможные сценарии развития территории.

В выбросах теплоэнергетических установок, использующих в качестве топлива уголь или мазут, содержатся газы SO₂ и NO₂, поэтому определение для них ПДВ с учетом условия (3) является актуальной задачей.

Методы исследования. Аналитический метод расчета ПДВ газов SO₂ и NO₂ с учетом частичной суммации их вредного действия (условие (3)) основывается на аналитических формулах нормативной инженерной методики расчета процесса рассеивания выбросов в атмосферном воздухе (ОНД-86).

При установлении ПДВ для одиночного источника выброса смеси постоянного состава веществ с суммирующимся вредным действием сначала определяется вспомогательное значение суммарного ПДВ = ПДВ_с, приведенного к выбросу одного из веществ. Для этого в формулах используется ПДК данного вещества и суммарный фон с_{ф. с}, приведенный к этому же веществу. Затем с учетом состава выбросов определяются ПДВ отдельных вредных веществ (см. п.8.5.10 Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86. ).

Для вывода формулы расчета суммарного ПДВ = ПДВ_с, учитывающей условие (3), представим (3) в виде равенства, умножим его на ПДК₁ и получим

(4)

С учетом известных выражений для приведенных концентраций Там же. : максимальной разовой приземной концентрации вещества от рассматриваемого источника выбросов и фоновой концентрации выражение (4) преобразуем к виду

c_{м, с} + с_{ф, с} = 1,6· ПДК₁. (5)

Величина максимальной приведенной ("суммарной") концентрации c_{м, с} рассчитывается по формуле Там же.

(6)

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации (расслоения) атмосферы; М_c - суммарный (приведенный) выброс вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с; F - коэффициент, учитывающий скорость оседания вещества; m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газов из устья источника; - коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (при перепаде высот менее 50 м на 1 км длины = 1); Н - высота источника выброса над уровнем земли, м (для наземных источников Н = 2 м); V_г - расход газов, м³/с;

Т - разность температур между температурой выбрасываемых газов Т_г и температурой окружающего воздуха Т_в, С, Т = Т_г ? Т_в.

Методика определения параметров формулы (6) описана в нормативных документах Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86. .

При подстановке выражения (6) в условие (4) можно получить выражение для определения выброса М_c, который и будет равен предельному приведенному ("суммарному") ПДВ_с:

(7)

(В данном случае использована одна из формул для расчета ПДВ_с при f ? 100 и Т > 0, f ? параметр процесса рассеивания веществ в атмосферном воздухе, определяемый по известным формулам Там же. . При использовании формул для расчета ПДВ_с при других условиях рассеивания выбросов суть методики не изменится.)

Значение ПДВ_с, которое определится по формуле (6), ? это предельный суммарный выброс (г/с) двух газов SO₂ и NO₂. Методика определения ПДВ каждого газа по ПДВ_с предложена в [5].

Величины ПДВ каждого газа целесообразно связать с концентрациями веществ с_{в, i} в выбросах из устья трубы, которые в основном зависят от технологии сжигания топлива в парогенераторах (вида топлива, условий сжигания и т.п.) и сравнительно мало изменяются при увеличении или уменьшении массы выброса (производительности установки). Исходя из этого, можно допустить, что отношение концентраций веществ в выбросе с_в (в устье трубы) слабо зависит от массы выброса (г/с), поэтому можно принять

с_{в, i (}М_i) / с_в,j (М_j) = пост. (8)

С учетом взаимосвязи предельных концентрации с_{в, п}, выброса М_п и расхода газов V_{г, п}

ПДВ_п = М_п = с_{в, п}·10^-3·V_{г, п (}9)

установим зависимость между величинами ПДВ₁ и ПДВ₂:

ПДВ₁/ПДВ₂ = М_п,1/М_п,2 = М₁/М₂ = с_в,1·/ с_в,2, (10)

где М₁ и М₂ - выбросы газов SO₂ и NO₂ соответственно.

Искомые значения ПДВ₁ и ПДВ₂ по их известному приведенному расходу ПДВ_с можно найти решением системы из двух уравнений:

формулы (10) в виде

ПДВ₂ = ПДВ₁ М_1/М₂; (11)

соотношения для приведенного выброса Там же.

ПДВ_с = ПДВ₁ + ПДВ₂ ПДК₁/ПДК₂. (12)

Решением системы (11) и (12) получим следующие выражения для расчета ПДВ₁ и ПДВ₂:

ПДВ₁ = ПДВ_с/ (1 + (Ш₂ ПДК₁/ (М₁ ПДК₂))); (13)

ПДВ₂ = (ПДВ_с - ПДВ₁) ПДК₂/ПДК₁. (14)

Формулы для определения ПДВ трех вредных веществ по их приведенному ПДВ можно получить решением системы уравнений (11), (12) и уравнения

ПДВ₃ = ПДВ₁ М_1/М₃ или ПДВ₂ = ПДВ₃ М_3/М₂.

Обратим внимание, что сумма ПДВ₁ и ПДВ₂ не будет равна ПДВ_с, который является массовым расходом, приведенным к первому веществу, а не суммарным значением ПДВ₁ и ПДВ₂.

Результаты исследования. Рассмотрим пример расчета предельно допустимых выбросов для трубы котельной, из которой в атмосферу выбрасываются два вредных газа SO₂, NO₂. Исходные данные для расчета приведены в таблице. Исходные данные для расчета ПДВ

Для газов SO₂ NO₂ необходимо рассчитать приведенный суммарный выброс ПДВ_с газов SO₂, NO₂, так как их воздействие суммируется. Затем по ПДВ_с определить ПДВ для каждого газа (SO₂ и NO₂) по формулам (13) и (14).

Для газов SO₂ и NO₂, обладающих суммацией вредного действия, в расчете следует использовать суммарное значение фоновой концентрации с_{ф, с}, которое определим по формуле Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86.

c_{ф, с} = с_ф,1 + с_ф,2 = 0,1 + 0,04·0,5/0,2 = = 0,2 мг/м³.

Для расчета ПДВ_с по (7) предварительно определим:

среднюю скорость истечения газов из устья трубы по формуле

w₀ = w₀ = V_г / (0,785·D²) = 10,8 (0,7851,4²) = = 7,02 м/с;

разницу температур выбрасываемых газов Т_г и окружающего воздуха Т_в

Т = Т_г - Т_в = 120 ? 20 = 100 К;

вспомогательные параметры f, v_м, v, f_e Там же. :

f = 1000 w₀² D / (Н² 100) =1000 7,02² 1,4/ (35² 100) = 0,563;

=1,3·7,02·1,4/35 = 0,365;

f_e = 800·0,365³ = 38,8.

Коэффициент m при f < 100 и f < f_{e (}0,563 < 38,8) рассчитается по формуле Там же.

Коэффициент n определится по известной формуле равным n = 1,00, поскольку f < 100 и v_м 2.

Вычислим величину ПДВ_с (г/с) для газов SO₂ и NO₂ по (7):

Рассчитаем ПДВ для газов SO₂ и NO₂ по (13), (14):

ПДВ₁ = ПДВ_SO2 = ПДВ_с/ (1+ (М_NO2 ПДК_SO2/ (М_SO2 ПДК_NO2))) = 38,67/ (1+ (1 0,5/ (14,4 0,2))) = = 32,9 г/с,

ПДВ₂ = ПДВ_NO2 = ⁽ПДВ_с-ПДВ_SO2) ПДК_NO2/ (ПДК_SO2) =

= (38,67-32,9) 0,2/ (0,5) = 2,29 г/с.

При использовании условия (2) величины ПДВ_с, ПДВ_SO2 и ПДВ_NO2 получились бы равными 19,335, 16,45 и 1,145 соответственно. Таким образом, для данного примера использование в ГН ГН 2. 1. 6. 2326-08 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест": дополнение N 4 к ГН 2. 1. 6. 1338-03 условия (3) позволяет котельной в два раза увеличить значения ПДВ_SO2 и ПДВ_NO2.

Для доказательства правильности предложенных формул проверим выполнение условия (3).

Рассчитаем максимальные концентрации с_м (мг/м³) газов SO₂ и NO₂ при М_SO2 = ПДВ_SO2 = 32,9 и М_NO2 = ПДВ_NO2 = 2,29 по формуле (6):

и по соотношению

c_м,NO2 = c_м,SO2 ПДВ_NO2/ПДВ_SO2 =

= 0,511 2,29/32,9 = 0,036 мг/м³.

Проверим условие допустимости воздействия (3) для газов SO₂ и NO₂:

или

1,22 + 0,38 ? 1,6, или 1,6 = 1,6.

Условие выполняется. Причем выполняется оно на пределе (1,6 = 1,6). Это указывает на то, что найденные величины выбросов ПДВ_SO2 = 32,9 и ПДВ_NO2 = 2,29 г/с являются предельно допустимыми и рассчитаны верно, поскольку даже при небольшом их увеличении повысятся максимальные концентрации газов и условие допустимости воздействия газов выполняться не будет!

Выводы