ФГБОУВО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина"
Методика расчета предельно допустимых выбросов газов SO2 и NO2, с учетом частичной суммации их вредного действия
А.К. Соколов, С.В. Беляев
Авторское резюме
Состояние вопроса: Величины предельно допустимых выбросов вредных веществ теплоэнергетических установок используются для нормирования и регулирования воздействий на окружающую среду и определения сумм платежей за ее загрязнение. Известна методика (ОНД-86) определения предельно допустимых выбросов веществ, обладающих суммацией вредного действия, в которой для оценки экологической безопасности используются суммы безразмерных концентраций. Новыми Гигиеническими нормами ГН 2.1.6.2326-08 установлено, что газы SO2 и NO2 обладают частичной суммацией (однонаправленностью) вредного действия. Методики учета частичной суммации вредного действия газов SO2 и NO2 в нормативных, методических документах и литературе не описаны. В связи с этим для новых условий учета опасности газов SO2 и NO2 необходима разработка методики расчета предельно допустимых выбросов, учитывающей требования ГН 2.1.6.2326-08.
Материалы и методы: Формулы для расчета предельно допустимых выбросов газов SO2 и NO2 получены на основе известной методики расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе (ОНД-86). Достоверность предлагаемых формул доказана путем решения "прямой и обратной" задач расчета рассеивания выбросов в приземном слое воздуха.
Результаты: Получены формулы для расчета предельно допустимых выбросов газов SO2 и NO2 с учетом частичной суммации их вредного действия согласно ГН 2.1.6.2326-08. Описана методика расчета предельно допустимых выбросов для каждого газа по приведенной ("суммарной") величине предельно допустимых выбросов с учетом концентрации газов в выбросе. Приведен пример расчета предельно допустимых выбросов газов SO2 и NO2. Определены концентрации этих газов в приземном слое воздуха при расчетных значениях предельно допустимых выбросов газов SO2 и NO2. Проверено условие допустимости воздействия, установленное ГН 2.1.6.2326-08, которое было выполнено на пределе.
Выводы: Предложенную методику учета частичной суммации вредного действия газов SO2 и NO2 при расчете их предельно допустимых выбросов и выполненную численную проверку полученных формул, доказавшую их достоверность, рекомендуется учесть в новых редакциях нормативных и методических документов.
Ключевые слова: предельно допустимый выброс, выбросы газов SO2 и NO2, частичная суммация вредного действия, допустимость воздействия.
The values of maximum admissible emissions (MAE) of harmful substances of heat power units are used for regulation and management of environmental impacts and determining pollution payments. The well-known technique (OND-86) determining the MAE of substances with a summation of harmful effects uses sums of dimensionless concentrations for estimation of ecological safety. The new Hygienic Norms GN 2.1.6.2326-08 stipulate that SO2 and NO2 gases are characterized by partial summation (unidirectionality) of harmful effects. There is no description of the methods accounting for partial summation of SO2 and NO2 harmful effects in the regulatory and guidance documents or literature. That is why implementation of the Hygienic Norms GN 2.1.6.2326-08 makes it necessary to develop a method of determining the maximum admissible SO2 and NO2 emissions.
Materials and methods: The formulas for calculating maximum admissible SO2 and NO2 emissions have been obtained based on the known method of calculating harmful substance concentration in the atmosphere (OND-86). The reliability of the suggested formulas has been proved by solving "direct and inverse" problems: calculation of pollutant dispersion in the surface air.
Results: Formulas have been obtained for calculating maximum admissible SO2 and NO2 emissions accounting for partial summation of their harmful action according to GN 2.1.6.2326-08. The paper describes a method of calculating maximum admissible emissions for each of the gases according to the reduced ("total") value of such emissions accounting for gas concentration in the emission. The paper also contains an example of such calculations. Concentrations of these gases in the surface air have been determined for the design values of SO2 and NO2 maximum admissible emissions. The authors have checked the condition of effect admissibility stipulated by GN 2.1.6.2326-08. The condition was fulfilled at its limit.
Conclusions: It is recommended that new editions of regulatory and guidance documents take into account the suggested calculation technique of SO2 and NO2 harmful effect partial summation used to determine the maximum admissible emissions and the numerical reliability justification of the obtained formulas.
Key words: maximum admissible emission of SO2 and NO2 gases, partial summation of harmful effects, admissibility of harmful effects.
допустимый выброс вредное вещество теплоэнергетическая установка
Введение
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:
см (М) + сф ? ПДК, (1)
где см (М) - зависимость максимальной приземной концентрации при неблагоприятных метеоусловиях от массового расхода М выбрасываемого вещества (выброса) из данного источника загрязнения атмосферы, г/с; сф - 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 Мп = 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 см, i - максимальная разовая концентрация i-го вещества в приземном слое воздуха от оцениваемого источника выбросов; сф, i - фоновая концентрация этого вещества; ПДКi - 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 = ПДВс, приведенного к выбросу одного из веществ. Для этого в формулах используется ПДК данного вещества и суммарный фон сф. 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 = ПДВс, 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
cм, с + сф, с = 1,6· ПДК1. (5)
Величина максимальной приведенной ("суммарной") концентрации cм, с рассчитывается по формуле Там же.
(6)
где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации (расслоения) атмосферы; Мc - 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); Vг - расход газов, м3/с;