Общие принципы рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

Общие принципы рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

Рассеяние веществ в атмосфере не определяется диффузией и не может быть в полной мере объяснено теорией переноса, так как коэффициент диффузии, который лучше всего ее характеризует, очень сильно меняется во времени и пространстве. В случае, когда выбрасываются ЗВ, обладающие значительной плавучестью, именно последняя является основной причиной их рассеяния. Принцип аналогии Рейнольдса, гласящий, что количество движения и масса разбавляются одинаково, отвечает действительности только в теории частично турбулентных течений.

Рассеяние вызывается движениями, которые могут быть названы вихревыми. Для использования статистических методов необходимо, чтобы интервал времени наблюдений или объем контролируемого пространства охватывал достаточно большое число этих вихрей. Однако это может быть неэффективно, поскольку временной масштаб флюктуации не ограничен. Необходимо также учитывать, что время отбора проб всегда влияет на значение полученных концентраций, следовательно, есть и ограничения применения теории турбулентной диффузии.

В общем случае диффузионные теории сводятся к определению коэффициентов диффузии и анализу результата сопоставления с данными имеющихся измерений. Данные измерений, как правило, характеризуются большим разбросом и не могут обеспечить проверку какой бы то ни было гипотезы. Такие измерения обычно относят к ситуациям, когда погодные условия, объемы выбросов и многие другие факторы различны.

Эти и многие другие обстоятельства привели к созданию новых теорий, в частности теорий баланса ЗВ, которые грубы в предельных случаях, но просты и доступны. Они представляют собой простое математическое выражение принципа неразрывности, из которого следует, что ЗВ либо остаются вблизи источника, либо переносятся в соседние области пространства, либо могут быть разбавлены в большом объеме путем подъема и перемешивания в вышележащих слоях.

Детальность рассмотрения каждой конкретной ситуации, источников и стоков разнообразных загр-х в-в зависит от детальности имеющейся информации. Используемые концепции метеорологии и механики жидкости и газа обычно элементарны, но техника вычислений может быть чрезвычайно сложна и зависит в большей степени от выбранной физической и феноменологической моделей рассматриваемого процесса.

Снижение эмиссии аэрозолей

Устройства, в которых частицы осаждаются под действием сил тяжести, инерции либо и тех и других, принято называть механическими осадителями. В гравитационных осадителях частицы осаждаются из потока газа под действием собственного веса. В инерционных - поток внезапно подвергается изменению направления движения, при этом возникают инерционные силы, которые стремятся выбросить частицы из потока.

К механическим обеспыливающим устройствам относятся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны

Осадительные камеры предназначены для улавливания грубодисперсных частиц размерами от 50 до 500 мкм и более, движущихся с потоком в горизонтальном направлении.

Рис. - Осадительные камеры: 1-пылеосадительная, 2-камера Гаварда

Для осаждения под действием гравитации газ медленно пропускают через большую камеру. Расстояние, требуемое для осаждения частиц, можно уменьшить путем разделения пространства камеры несколькими горизонтальными параллельными плоскостями.

Недостаток – громоздкость и затруднения при очистке самого аппарата.

В инерционных пылеуловителях очистка производится за счет резкого изменения направления потока, в результате чего частицы пыли по инерции ударяются о поверхность, выпадают и удаляются из аппарата через разгрузочные устройства.

Рис. - инерционные пылеуловители: 1, 2-пылевые мешки; 3-жалюзийный пылеуловитель.

Недостатки - сложность очистки и абразивный износ. Их эффективность не более 70-75 % при размерах пылевых частиц 30-40 мкм. Достоинства - возможность встраивать эти аппараты в газовоздушные тракты технологической системы.

Циклон состоит из двух частей - цилиндрической трубы и суживающегося книзу конуса. Запыленный газ по спирали движется внутри аппарата. Взвешенные частицы под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам циклона и, теряя скорость, опускаются но его конической части.

Циклоны широко используются в цементной, угольной, химической, деревообрабатывающей промышленности, металлургии. Средняя эффективность (или КПД циклона) обеспыливания газа составляет 98 % при размерах частиц пыли 30-40 мкм, 80 % - при 10 мкм и 60 % - при размерах частиц 4-5 мкм. Основной недостаток циклонов - большой абразивный износ проточных частей аппарата пылью.

Мокрые скрубберы - это устройства, в которых для улавливания частиц используется жидкость. В одних скрубберах первичный захват происходит на водной поверхности, в других - водой смывают частицы, осажденные на твердой поверхности. В последнем случае в качестве первой ступени очистки используется циклон или фильтр.

В мокрых скрубберах реализуется тесный контакт газа и жидкости, сопровождающийся генерацией капель.

Рассеяние примеси в атмосфере определяется многими факторами, главными из которых являются: мощность источника выброса примеси; его высота; температура смеси, скорость ветра; состояние атмосферы, характеризуемое классом устойчивости.

По геометрическим характеристикам источники делят на точечные, линейные и площадные. К точечным источникам примеси можно отнести дымовые трубы. Примером линейного источника может служить оживленная транспортная магистраль, от которой распространяются выхлопные газы автомобилей. Промышленный район, в котором сосредоточено большое количество дымовых труб различных предприятий, в ряде случаев можно рассматривать как площадной источник.

Важнейшим фактором, определяющим рассеяние примеси, является степень устойчивости атмосферы. Примесь, выброшенная в атмосферу, переносится ветровым потоком и турбулентными вихрями. Интенсивность турбулентного переноса существенно зависит от температуры поверхности земли и распределения температуры воздуха в приземном слое атмосферы.

В случае если вблизи земли температура воздуха выше, чем в более высоких областях приземного слоя, состояние атмосферы будет неустойчивым. И наоборот, устойчивому состоянию атмосферы соответствует более высокая температура на некоторой высоте над землей, чем у ее поверхности.

Основные понятия турбулентности

Впервые, при изучении движения жидкости по трубам, в результате опыта, проведенного Рейнольдсом, было дано определение турбулентного течения как неупорядоченного движения. Турбулентное движение наблюдается не только в трубах, но и в пограничных слоях.

Для объяснения сложнейшего вопроса о возникновении турбулентности в разное время выдвигалось много гипотез. В одной из них обсуждаются условия, при которых малые возмущения растут и вызывают превращение ламинарного течения в турбулентное. Такой подход к проблеме наиболее рационален, поскольку такое превращение весьма обычно в атмосферных процессах. Для природы естественны не критическая ситуация, в которой может или не может возникнуть турбулентность, а неустойчивые или устойчивые состояния, которые проявляются в течение нескольких минут или часов.

Некоторые сложные волновые движения могут иметь много признаков турбулентного течения, но не вызывать при этом рассеяния или диффузии какой бы то ни было субстанции, переносимой жидкостью.

Существует некоторое среднее движение с добавленными к нему пульсациями. Среднее движение описывается точно, а флюктуации – статистическими методами. Разделение потока на среднее и флюктуационное на основе различных критериев может проводиться достаточно субъективно. В результате турбулентность (флюктуационная часть процесса) уже выступает не как объективное свойство движения, а как объект, произвольно определяемый по нашему усмотрению. Таким образом, формулировка определения турбулентности для даннойситуации может стать отражением реальных особенностей течения.

Часто встречается определение турбулентности как сложного движения, вызывающего диффузию. Примером может служить перемешивание красителя в растворителе или рассеивание табачного дыма.

Турбулентность способствует диффузии частиц вещества в сплошной среде (применительно к атмосфере – аэрозолей типа дыма и паров воды), а также любой из его характеристик: цвета, химического состава и т.п.

Частицы жидкости обладают тепловой и кинетической энергией, энергией вращения и поступательного движения. Есть свойства, не присущие постоянно жидким веществам, некоторые из них диффундируют под действием градиента давления, или механизма молекулярного переноса.

Пульсации плотности могут передаваться в жидкости под действием звуковых волн, а пульсации концентрации только при движении самого вещества.

Скорость жидкости в точке может пульсировать либо из-за вихрей, играющих частицами вещества, либо из-за волн, идущих во всех направлениях и вызывающих колебания частицы относительно ее среднего положения. При прекращении возмущения, колебания прекращаются и частицы возвращаются в прежнее положение

Приложение теории турбулентности к атмосферным процессам

В стратифицированной жидкости турбулентное движение перемещает частицы жидкости с увеличением их потенциальной энергии. Рассмотрим воздушную среду, в которой теплый воздух, подвергающийся воздействию турбулентного перемешивания, находится сверху. Тогда распределение потенциальной температуры становится более однородным, так как верхние слои охлаждаются, а нижние нагреваются. Для всей массы среды потенциальная энергия в поле силы тяжести возрастает вследствие подъема ее центра тяжести. В то же время основное движение горизонтального течения с вертикальным градиентом скорости работает против турбулентных напряжений и его энергия будет расходоваться на усиление турбулентности. Ричардсон показал, что если количество энергии, расходуемое таким образом, меньше работы против силы тяжести, то турбулентность затухает. Если

вертикальный градиент скорости. В действительности турбулентность начинает затухать при еще меньшей степени стратификации, поскольку значительная часть энергии турбулентного режима перераспределяется в пользу меньших вихрей и затем рассеивается за счет вязкости. Число Ri является локальной характеристикой, которая может меняться от точки к точке.

Количество движения может передаваться поперек основного потока стационарными гравитационными волнами при условии, что поверхность, содержащая гребни, смещена относительно вертикали.

Поток количества движения направлен вверх от препятствия на подстилающей поверхности, которая, в свою очередь, испытывает в направлении течения действие силы, называемой волновым сопротивлением. Это условие излучения энергии, которое справедливо для бесконечной среды.

Применительно к атмосфере существуют две математические трудности. Первая: убывание плотности с высотой означает постепенное увеличение амплитуды волн, что делает задачу существенно нелинейной. Вторая: трудность возникает, когда скорость волн относительно воздуха оказывается равной нулю на некоторой высоте над земной поверхностью (это обычно означает, что на указанной высоте скорость ветра равна нулю относительно препятствия, порождающего волны). Кроме того, полагают, что волны отражаются или затухают на высоте свыше 150 км за счет вязкости, тем самым упрощая задачу, связанную с первой трудностью.

Уравнение Рейнольдса справедливо лишь в том случае, когда в атмосфере имеется набор разновидностей вихрей с размерами, соответствующими диапазону турбулентного спектра, который практически не содержит энергии; с другой стороны, без существования такого «провала» в спектре невозможно определение основного «осредненного» течения. Эта трудность может быть преодолена с помощью общего предположения о том, что, во-первых, независимо от сути турбулентного процесса его эффекты могут быть описаны в терминах К-теории и, во-вторых, что для описания этого процесса можно применять уравнение молекулярной диффузии, но с коэффициентом в 10³-10⁴ раз большим, чем коэффициент молекулярной диффузии. Однако проблема определения операции осреднения не может быть решена простым умолчанием о ней, а коэффициент турбулентного переноса К не имеет смысла без такого определения, так как неясно, как он изменяется в пространстве, в частности с высотой, и с какой скоростью изменяется в разных направлениях. Скорости переноса в атмосфере часто изменяются на несколько порядков за сравнительно небольшой промежуток времени (в несколько часов) и очень сильно различаются для разных диффундирующих субстанций. Разнообразие форм турбулентных процессов столь велико, а их эффекты столь различны, что не существует единой теории турбулентности.

Общие принципы рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

12 3 Следующая ⇒