10.01.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В.




2.4 Определение КТ для промышленного источника
 
          Процесс определения коэффициента трансформации, как видим, довольно сложный. Вначале необходимо найти информацию о концентрациях примесей за длительный период, не менее пяти лет. Затем надо выбрать данные измерений концентраций диоксида азота и оксида азота на одних и тех же станциях. К сожалению, концентрации NO измеряются не во всех городах. Если в городе проводятся такие наблюдения, станция может находиться очень далеко от предприятия или измерения NO и NO2 выполняются на разных станциях. Наблюдения могут быть не регулярными, и трудно собрать необходимый объем данных для исследований.

          Часто предлагается для определения КТ провести наблюдения под факелом данного предприятия. Это дорогостоящее действие. Но главное, необходимы длительные измерения концентрации, в разных метеорологических ситуациях и условиях выбросов, зимой и летом, чтобы собрать информацию обо всех возможных условиях формирования концентрации примесей. Как уже сказано, отдельные результаты измерений являются случайными и необходимы данные о длительных измерениях характеристик загрязнения воздуха.

          После того, как материал для работы собран, проводится проверка связи между концентрациями NOх и NO2 . Для этого все значения концентраций переводятся в объемные, суммируются, чтобы определить значение концентрации NОх. Из полученного объема данных исключаются все нулевые значения, как концентрации оксида, так и диоксида азота, а также все значения, не достигающие нижнего предела обнаружений, если таковые имеются.

          Далее можно рассчитывать отношение концентрации диоксида азота к сумме оксидов ─ коэффициент трансформации. Таких значений должно оказаться несколько сотен. При малом количестве значений не будет получен надежный КТ. Используются данные не менее чем за пять лет. Со временем изменяются условия для протекания фотохимических реакций в атмосфере. Больший период может изменить искомое значение КТ.

          Затем строится вариационный ряд из значений КТ, полученных в результате обработки, и определяется 95%-ный квантиль распределения. Это и будет искомый коэффициент трансформации для района предприятия.

          Напомним, что полученный КТ характеризует не только фотохимический процесс в факеле выбросов предприятия, но и последующие изменения с попавшими в атмосферу объемами диоксида азота, пока происходят изменения его количества под влиянием атмосферных процессов, воздействующих на реакции.

          Интересная задача возникает в случае, когда в городе существует несколько промышленных предприятий, например, несколько ТЭЦ, для которых требуется определить КТ. Если все ТЭЦ были бы собраны на одной промышленной площадке, для них надо было бы определять одно значение КТ, но если они размещены с разных сторон от города, то определение КТ можно производить с учетом направлений ветра со стороны предприятия. Для этого приходится использовать разовые измерения концентрации примеси.

          Выбирается три ближайших направления ветра, со стороны которых поступают выбросы от каждой из рассматриваемых четырех ТЭЦ. В нашем примере рассмотрены  две станции, станции 11 и 4, по данным которых рассчитаны значения КТ для каждого срока наблюдений. Для ТЭЦ-1, расположенной в южной части города, используются наблюдения, выполненные на станции 11 при восточном, юго-восточном и южном направлениях ветра со стороны этой ТЭЦ.
         
          Для ТЭЦ-2, расположенной с восточной стороны от города, используются данные наблюдений при северном, северо-восточном и восточном направлениях ветра на станции 4, которая ближе других расположена по отношению к этой ТЭЦ.
Для ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4 используются данные наблюдений на двух станциях (4 и 11) при западных и юго-западных ветрах.

          Кроме указанных направлений ветра учтены все случаи штилей, наблюдаемые на станциях.

          Для указанных направлений ветра выбираются данные разовых наблюдений концентраций примесей, из них рассчитываются КТ, строятся каждый раз вариационные ряды и определяются КТ, соответствующие 95%-ному квантилю. Значения КТ для каждой из ТЭЦ, рассчитанные по данным за два года, приведены в таблице 2.6. Одновременно по среднемесячным значениям концентрации за эти два года и дополнительно еще за три года рассчитывались КТ для каждой станции и для двух станций вместе.

          Как показывают результаты, значения КТ, полученные с учетом направления ветра, для каждой ТЭЦ по разовым концентрациям примесей отличаются незначительно от значения КТ, полученного без учета направления ветра. Это подтверждает сделанный ранее вывод о том, что нельзя оценить КТ для конкретного источника, всегда условия трансформации создаются многими факторами, в том числе и выбросами всех ближайших источников выбросов вредных веществ.
 
 
Таблица 2.6 –  Значения КТ (95%-ный квантиль распределения) при заданном направлении ветра (числитель) и без учета направления ветра (знаменатель) для ТЭЦ по разовым и среднемесячным значениям концентраций примесей в 2002–2003гг.
Источника
№ станции
Число разовых наблюдений
Направление ветра
КТ по разовым значениям
КТ по среднемесячным значениям
ТЭЦ-1
11
2127
68–202
0,56/ 0,56
0,68
ТЭЦ-2
4
2144
315–112
0,44 /0,47
0,49
ТЭЦ-3,
ТЭЦ-4
4, 11
4271
203–292
0,53 /0,52
0,51
 
          Поэтому нет необходимости проводить длительные расчеты, используя метеорологические данные о направлениях ветра при каждом значении разовых концентраций примесей. Почти всегда можно использовать среднемесячные значения концентраций, поскольку они схожи для всех ближайших источников выбросов и отражают условия трансформации.

          Расчеты КТ были сделаны в районе многих десятков предприятий различных отраслей промышленности, расположенных в различных физико-географических районах России, в зимнее и летнее время за периоды наблюдений от двух до десяти лет. Задачей являлось показать сходство и различия между значениями КТ, полученными для отдельного предприятия и для группы источников за разные периоды наблюдений.

          Были определены значения КТ в районах предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, черной металлургии, химии, минеральных удобрений и крупных электростанций, расположенных на севере и на юге страны.

          Выводы, которые были получены, состоят, во-первых, в том, что для всех случаев получена устойчивая связь между концентрациями диоксида азота и суммой оксидов азота. Коэффициенты корреляции (КК) всегда были высокие (таблица 2.7). Во-вторых, значения КТ, полученные в каждом случае, при заданной концентрации NO2 изменялись в широких пределах. Значения КТ, соответствующие 95% квантилю, а также при концентрации NОx = 100 ч/млн. и при NОx = 50 ч/млн., подтвердили сделанный ранее вывод о влиянии концентрации NОx на значение КТ. Во всех случаях значения КТ были всегда ниже при концентрации NОx = 100 ч/млн., чем при NОx = 50 ч/млн. (таблица 2.7), что связано с нелинейным характером образования диоксида азота из оксида азота.
 

Таблица 2.7 – Значения коэффициентов корреляции (КК) и коэффициентов трансформации (КТ) из средних за год (год) и из средних за месяц (месяц) по данным крупнейших городов (К), городов с предприятиями нефтепереработки (НП), нефтехимии (НХ), черной металлургии (ЧМ), химической промышленности (ХП) и энергетической промышленности (ЭП)
Тип городов
Число городов
Период осреднения исходных данных
КК
КТ при NОx = 100 ч/млн
КТ при NОx = 50 ч/млн
К
34
Месяц0,920,41
0,48
К
34
Год
0,84
0,40
0,48
НХ и НП
11
Месяц
0,90
0,50
0,52
НХ и НП
22
Год
0,91
0,37
0,44
ЧМ
9
Месяц
0,83
-
-
ЧМ
9
Год
0,92
0,42
0,46
ХМ
15Год0,860,370,43
ЭП
21
Холодный период
0,91
0,42
0,46
ЭП
21
Теплый период
0,98
0,43
0,46
 
          Значения КТ, полученные из средних за месяц значений, оказывались также всегда несколько выше значений, полученных их средних за год концентраций. Это можно объяснить лишь малым количеством годовых значений по сравнению с количеством среднемесячных данных. Поэтому для определения КТ всегда лучше использовать среднемесячные концентрации примесей.

          Значения КТ, соответствующие 95%-ному квантилю вариационного ряда, для семи конкретных городов с крупными предприятиями энергетики показали, что для зимы КТ были в пределах от 0,47 до 0,61, для лета - от 0,44 до 0,61. Одно, самое большое значение получено по данным наблюдений в Барнауле, в южном городе, вблизи ТЭЦ. Это можно объяснить тем, что город расположен в условиях низкой рассеивающей способности атмосферы и высокой интенсивности солнечной радиации. Длительное пребывание выбросов в атмосфере, особенно в южных районах страны, может привести в отдельных случаях к высоким значениям КТ.

          Реально наблюдаемые концентрации NO2 для предприятий нефтепереработки, нефтехимии, химии и минеральных удобрений КТ были в пределах от 0,56 до 0,64. Как видим, значения, полученные для районов расположения крупных промышленных предприятий различных отраслей промышленности, мало различаются. Самое большое значение КТ получено вблизи крупного предприятия черной металлургии, оно составило 0,65.

          Причина высоких КТ для районов расположения предприятий черной металлургии состоит в том, что выбросы металлургических производств нагреты. Их температура достигает нескольких тысяч градусов. В таких условиях все реакции между химическими веществами, вероятно, протекают более интенсивно. Скорее проходит реакция образования диоксида азота. В летнее время, когда температура окружающего воздуха увеличивается, вероятность возникновения значительных концентраций диоксида азота повышается. Было отмечено появление в отдельные летние, жаркие дни коэффициентов трансформации, приближающихся к предельному значению, указанному в РД [37]. Эти случаи были единичными и не могли повлиять на определение КТ за период. Надо отметить, что такие ситуации встретились лишь вблизи крупных металлургических гигантов.

          Рассмотрим суммарные результаты регрессионного анализа связи между диоксидом азота и суммой оксидов, полученные по данным наблюдений в различных городах. В таблице 2.8 сведены все уравнения регрессии, полученные в процессе обработки, для некоторых групп городов и конкретных городов. Почти во всех случаях, как видим, свободный член уравнения мал, и им можно было бы пренебречь, но он необходим для правильного расчета КТ.

          Уравнения, рассчитанные из средних за месяц значений, указывают на то, что зимой КТ меньше, чем летом. Летом за счет высокой температуры и одновременно значительной температуры выбросов коэффициенты трансформации возрастают. Это подтверждает наш вывод о том, что в каждом конкретном случае условия формирования диоксида азота различны и нужны большие ряды наблюдений, чтобы избежать ошибок в определении КТ.

          Вблизи предприятий черной металлургии уравнения связи между концентрацией диоксида и оксидов азота, полученные из средних за год и средних за месяцы, отличаются от уравнений, полученных вблизи нефтеперерабатывающих предприятий. Коэффициент при NOХ в уравнении, полученном из средних за год концентраций NO2, оказывается выше, чем для других производств. Он выше, чем для той же отрасли, но рассчитан из результатов среднемесячных концентраций.

          В таблице 2.8 представлены также уравнения для тринадцати городов. Это города с предприятиями металлургии, нефтеперерабатывающей промышленности и энергетики.

          В группе городов металлургического профиля выделяется Магнитогорск, о котором выше уже было сказано. Для этого города получено самое высокое значение КТ. Это можно увидеть из уравнения. Коэффициент при NOХ в уравнении самый большой. Самое малое значение коэффициента при NOХ получено для Норильска — 0,22. Норильск самый северный город, среднее значение КТ для этого района и должно быть наименьшим.

          При рассмотрении предприятий энергетики выбирались города, где имеются крупные ТЭЦ и отсутствуют крупные предприятия других отраслей промышленности. Для всех городов получены высокие КТ, и в уравнениях коэффициент при NOХ всегда высокий (0,41–0,69). Это можно объяснить лишь тем, что все города, для которых выполнены расчеты, за исключением Калуги, расположены в южных районах России, в зоне высокого потенциала загрязнения атмосферы и, вероятно, в зоне высокой химической активности атмосферы.

          Для Южно-Сахалинска в уравнении регрессии получено большое значение свободного члена. В районе острова Сахалин кроме промышленных источников выбросов существуют естественные источники выбросов оксидов азота. Это ближайшие вулканы и поступления из океанических вод. Кроме того, город расположен на юге. Все это создает дополнительный вклад в образование диоксида азота.

          Для городов с предприятиями нефтеперерабатывающей промышленности разброс в значениях коэффициентов уравнения регрессии велик. Непонятна величина высокого коэффициента в Ярославле, необходим дальнейший анализ данных и причин.
 
Таблица 2.8 – Уравнения регрессии для городов с различным типом преобладающей промышленности и для отдельных городов
Тип промышленности
По средним за год концентрациям
По средним за месяц концентрациям
Металлургия, 1996–2000 гг.
NO2=0,41NOx +2,7
NO2=0,22NOx +1,2
Нефтепереработка и нефтехимия, 1996–2000 гг.
NO2=0,29NOx +7,7
NO2=0,49NOx +1,4
Производство мин.удобрений, 1997–2001 гг.
NO2=0,38NOx +5,1
 
Химия, 1997–2001гг.
NO2=0,3NOx +6,6
 
Энергетика
NO2=0,32NOx +6,6
NO2=0,31NOx +5
Липецк
-
NO2=0,33NOx +7,3
Магнитогорск
 NO2=0,51NOx −2,5
Норильск
 NO2=0,22NOx +8,3
Челябинск
 NO2=0,25NOx +6,2
Череповец
 NO2=0,41NOx +1,4
Канск
 NO2=0,69NOx – 4,4
Калуга
 NO2=0,44NOx +0,4
Красноярск
 NO2=0,55NOx -1,8
Назарово
 NO2=0,6NOx -3,8
Южно-Сахалинск
 NO2=0,58NOx +13,8
Новокуйбышевск
 NO2=0,49NOx +1,9
Уфа
-
NO2=0,35NOx +7,1
Ярославль
 NO2=0,51NOx +0,5
 
          В целом диапазон коэффициентов при NOХ, которые показывают среднее значение КТ, находится в пределах от 0,22 до 0,69. Это свидетельствует о существенных различиях в условиях трансформации примеси на территории России.

          Выполненные исследования показывают, что нельзя установить единое значение коэффициента трансформации для всех территорий с разными климатическими условиями, на различных широтах. В каждом конкретном случае необходима информация о концентрациях оксида и диоксида азота в конкретном районе. По этой причине в городах, где может возникнуть необходимость установления КТ, должны проводиться одновременные измерения концентраций диоксида азота и оксида азота в течение длительного периода.
 
 
В начало                              Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить