Теоретические основы защиты окружающей среды

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Т. А. Кулагина, Л. В. Кулагина

Теоретические основы защиты 

окружающей среды

Учебное пособие

Красноярск

СФУ
2017

УДК 502.1(07)
ББК 20.1я73

К900

Р е ц е н з е н т ы:
Н. Д. Демиденко, доктор технических наук, профессор, профессор 

кафедры «Теплотехника и гидрогазодинамика» СФУ;

В. В. Москвичев, доктор технических наук, директор Красноярского 

филиала ИВТ СО РАН – специального конструкторско-технологического 
бюро «Наука»

Кулагина, Т. А.

К900
Теоретические основы защиты окружающей среды : учеб. посо
бие / Т. А. Кулагина, Л. В. Кулагина. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2017. – 364 с.

ISBN 978-5-7638-3678-3

Изложены основы теории образования вредных выбросов в промышленности. 

Рассмотрены современные методы защиты окружающей среды от вредных выбросов в атмосферу и гидросферу, приведены сведения о схемных решениях этих методов.

Предназначено для магистрантов направления подготовки 20.04.01 «Техно
сферная безопасность», обучающихся по программам 20.04.01.01 «Безопасность 
жизнедеятельности в техносфере», 20.04.01.03 «Чрезвычайные ситуации в техносфере», 13.04.01.01 «Энергетика теплотехнологий», 13.04.01 «Теплоэнергетика 
и теплотехника». Может быть использовано студентами других специальностей 
при изучении планирования эксперимента в машиностроении, энергетике, строительстве, транспорте и др.

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 502.1(07)
ББК 20.1я73

ISBN 978-5-7638-3678-3
© Сибирский федеральный университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

Человек одарен разумом и творческой си
лой, чтобы преумножать то, что ему дано, но 
до сих пор он не творил, а разрушал. Лесов все 
меньше и меньше, реки сохнут, дичь перевелась, климат испорчен, и с каждым днем земля 
становится все беднее и безобразнее.

А. П. Чехов

В своем стремлении познать мир человечество преобразовывало 

его для удовлетворения своих постоянно растущих потребностей. Быстро растущая численность и активность населения Земли столь же 
быстро увеличивают и антропогенное воздействие на природу, вызывая цепочку негативных последствий: сокращение природных ресурсов, загрязнение среды, разрушение атмосферы, воды и почвы.

Сотни лет усилия науки были направлены на изучение сущности 

мира, но и сегодня она находится только в начале пути, потому что 
любое новое знание, любое открытие рождает новые вопросы, требующие дальнейших исследований.

До сих пор масштабы, динамика и механизмы многих природ
ных явлений остаются непознанными, непредсказуемыми и разрушительными. С конца XIX века такая ситуация усугубляется новыми 
проблемами, связанными с усилением влияния техногенных факторов 
на окружающую среду.

Необходимость изменения парадигмы интересов науки и ее роли 

в жизни общества стала  актуальной. Одновременно с углублением 
познания природы ученым все больше приходится заниматься поиском фундаментальных закономерностей взаимодействия общества  
и природы, решением задач сохранения и восстановления природных 
комплексов, оздоровления окружающей среды, устойчивого развития.

Парадокс состоит в том, что в конце ХХ – начале XXI века 

наука, создавшая мощные средства использования природных ресурсов и преобразования биосферы, приступила к поиску концеп

ций и средств защиты от своих же изобретений. В этом смысле 
большие надежды связывают с экологией.

Решение задач защиты окружающей среды сопряжено с разре
шением научных, экономических, социальных и политических проблем. Оптимальное решение этих задач требует от общества, специалистов и ученых понимания прошлых и предстоящих изменений 
на Земле.

Неразрывная, органичная взаимосвязь и взаимозависимость ус
ловий обеспечения энергопотребления и сохранения окружающей 
среды как важнейших факторов жизнедеятельности человека и развития технологий ставят проблему взаимодействия энергетики и окружающей среды. Еще В. И. Вернадский, анализируя воздействие человека на природу, отметил, что человек становится крупнейшей геологической силой, меняющей облик нашей планеты.

С ростом единичных мощностей энергоблоков электрических стан
ций и энергетических систем, удельных и суммарных уровней энергопотребления возникла проблема ограничения загрязняющих выбросов 
и воздействий на воздушный и водный бассейны, принципиально новые 
аспекты которой обозначились с развитием ядерной энергетики.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия энергетики 

и окружающей среды в новых условиях является все более возрастающее обратное влияние – определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач энергетики (выбор типа 
энергетических установок, дислокации предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и др.).

Исследования совокупности антропогенных воздействий на био
сферу – часть окружающей среды, определяющую все стороны жизнедеятельности человека и всего животного и растительного мира, 
включая ландшафт, недра, воздушный и водный бассейны, продукты 
питания, – дают основания для рассмотрения всей окружающей среды 
как большой, сложной системы.

В соответствии с установившейся терминологией энергетика 

(топливно-энергетический комплекс) включает в себя получение, переработку, преобразование, транспортировку, хранение и использование энергоресурсов и энергоносителей всех видов.

В общем случае различают следующие основные стадии транс
формации первичных энергетических ресурсов:

извлечение, добыча или прямое использование;
переработка (облагораживание) до состояния, пригодного для 

преобразования или использования;

АТМОСФЕРА

Примесные загрязнения

твердыми, жидкими

и газообразными веществами

Тепловое

загрязнение

Потребление

кислорода

1. Топливодобывающие

предприятия

2. Топливоперерабатывающие

предприятия

3. Электрические и тепловые

станции

БСЭН

Потребление
ресурсов недр

Загрязнение
и изменение
ландшафтов

ЛИТОСФЕРА
ГИДРОСФЕРА

Потребление

ресурсов

Загрязнение

твердыми
и жидкими
веществами

БСОС

4. Потребители топлива,
тепловой и электрической 

энергии

Другие отрасли производства

Структурная схема большой системы «энергетика – окружающая среда»

преобразование связанной энергии переработанных ресурсов 

в электрическую на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидравлических (ГЭС) электростанциях и в тепловую в котельных и на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ);

использование энергии.
Каждая из этих стадий основана на различных физических, фи
зико-химических и технологических процессах, различающихся 
по масштабам, времени функционирования и другим признакам.

Развитие энергетики оказывает воздействие на различные ком
поненты природной среды: на атмосферу (потребление кислорода, 
выбросы газов, паров и твердых частиц), гидросферу (потребление 
воды, переброска стоков, создание водохранилищ, сбросы загрязняющих и нагретых вод, жидких отходов) и литосферу (потребление 
ископаемых топлив, изменение водного баланса, изменение ландшафта, выбросы на поверхности и в недра твердых, жидких и газообразных токсичных веществ). Кроме того, имеют место общие для всей 
окружающей среды энергетические воздействия (электромагнитное 
излучение, электрическое и магнитное поля, ионизирующее излучение, шум и вибрация, а также тепловое загрязнение), которые в настоящее время приобретают глобальный характер, затрагивая все 
структурные компоненты нашей планеты.

Из вышесказанного следуют задачи настоящего курса, бази
рующегося на таких дисциплинах, как гидрогазодинамика, технологические процессы и загрязняющие выбросы, физика атмосферы 
и гидрофизика, термодинамика и тепломассообмен и др. Это изучение основных физико-химических и физических процессов и методов защиты окружающей среды от техногенных воздействий в теплоэнергетике.

В настоящем учебном пособии рассмотрено взаимодействие 

энергетики лишь с частью окружающей среды, а именно с атмосферой и гидросферой, которое в совокупности с методами защиты окружающей среды позволяет проводить системный анализ ситуации 
на базе построения физической, математической, экономической 
и других моделей с использованием аналитических и экспериментальных данных. Решение оптимизационных задач взаимодействия 
структур, свойств и явлений в БСЭНОС позволит характеризовать 
систему с целью разработки мероприятий по обеспечению равновесного или близкого к нему функционирования.

1.  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ

ОЧИСТКИ  ГАЗОВЫХ  ПОТОКОВ

1.1. Аэрозольные загрязнения

Твердые (жидкие) частицы вещества, суспендированные в воз
духе, т. е. в виде аэрозолей, находятся в нестабильном состоянии 
и с течением времени отделяются от воздуха. Однако они могут находиться во взвешенном состоянии продолжительное время, тем самым 
ухудшая качество атмосферного воздуха. Основными факторами, определяющими степень отрицательного воздействия аэрозольных загрязнений, являются, как правило, размеры частиц, их концентрация 
и химический состав.

Диспергационные аэрозоли – результат пыления порошков или 

измельчения твердых и жидких материалов. Конденсационные аэрозоли появляются в результате химического взаимодействия газов 
с образованием нелетучего продукта или при конденсации пересыщенных паров. При этом диаметр их частиц меньше 0,5 мкм.

В диспергационных аэрозолях размер частиц значительно боль
ше. Такие аэрозоли с твердыми частицами неправильной формы называются пылью. Конденсационные аэрозоли с твердой и смешанной 
дисперсными фазами называются дымами. Конденсационные и диспергационные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называются туманами. Эти определения используются независимо от размера частиц в аэрозолях.

Размер частиц. В состав аэрозолей могут входить частицы раз
личных размеров в диапазоне от 10–3 до 103 мкм. При этом масса частицы от меньшей до большей может увеличиться в 1018 раз. Аэрозольные частицы подразделяют на три группы: первая группа – частицы размерами от 10–3 до 10–1 мкм; вторая – от 10–1 до 1 мкм; третья – 1 до 103 мкм. Физические свойства частиц разных групп и ха

рактеристики их движения (скорость испарения и охлаждения, скорость движения, рассеяние света, сопротивление движению и т. д.), 
а также механизм удаления их из среды различны.

Размер частиц можно определить с помощью оптического или 

электронного микроскопов. При этом не учитывается форма частицы 
и ее плотность. Так как частицы, присутствующие в атмосфере, значительно отличаются по степени агрегации и по плотности, целесообразно определять их размеры по аэродинамическому поведению. 
Диаметр Стокса dp находят как диаметр сферической частицы, обладающей той же скоростью оседания, что и рассматриваемая частица, 
и плотностью, равной объемной плотности вещества рассматриваемой частицы. Так как диспергационные и конденсационные аэрозоли 
состоят из различных материалов, то целесообразнее для определения 
размера частиц пользоваться аэродинамическим диаметром dра. Это 
диаметр сферической частицы, имеющей такую же скорость оседания, что и рассматриваемая частица, и плотность, равную 1 г/см³.

Концентрация частиц определяется так же, как и плотность га
зов, выражается числом или массой частиц и рассчитывается как отношение числа частиц в данном объеме к величине этого объема.

В загрязненном воздухе большинство частиц имеют размеры 

от 0,01 до 0,1 мкм с концентрацией порядка 106 на 1 см3, а вблизи источников выброса – на несколько порядков выше. Концентрация частиц размером больше 1 мкм обычно составляет менее десяти единиц 
на 1 см3. Это так называемая концентрация по числу частиц, она может быть определена, например, методом рассеяния света.

Концентрация по массе – отношение массы частиц в данном 

объеме к величине этого объема. В загрязненном воздухе концентрация по массе твердых частиц обычно менее 1 мг/м³, а в воздуховодах 
систем промышленной вентиляции – более 1 г/м³, что определяется 
фильтрацией. 

Химический состав. Каждая твердая частица аэрозоля может 

состоять из нескольких химических компонентов. В отдельных случаях сделать подобный анализ возможно с помощью электронного 
микрозонда и квадрупольной масс-спектрометрии. В обычных аналитических лабораториях идентификация отдельных частиц невозможна. Поэтому, как правило, используется информация об усредненном 
химическом составе для всех размеров частиц и всего интервала отбора проб.

Пробы отбираются двумя методами: методом полной фильтра
ции и с помощью каскадного импактора. В последнем случае полу

чают данные о зависимости химического состава от размера частиц, 
подвергая анализу каждую фракцию, получаемую при разделении. 
Это может позволить выбирать методы для удаления из отходящих 
газов наиболее опасных веществ.

Безразмерные параметры. Число Рейнольдса для потока Reg –

это отношение величин сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости. Если Reg < 2100, то силы вязкости доминируют  и течение является ламинарным. Если Reg > 4000, то наблюдается турбулентное течение. Для потока

Re
g

g
g

g

Du 

 ,

где D – характерный размер воздуховода, например диаметр, см; ug –
скорость потока газа, см/с; g – плотность газа, г/см3; g – абсолютная 
вязкость газа, Па  с.

Число Рейнольдса для частиц Rep – это величина порядка от 10–4

до 102. Число Рейнольдса для частиц зависит от скорости движения 
частиц относительно газового потока и от свойств жидкости, если 
частица является жидкой.

Для частиц

Re
(
)
g

p
p
p
g

g

d
u
u



 ,

где dp – диаметр частицы, см; up – скорость частицы, см/с.

Число Кнудсена Kn является безразмерным параметром, харак
теризующим движение частиц, и представляет собой отношение 
средней длины свободного пробега молекул газа к диаметру частиц:

2
Kn
g

p
d



,

где g – средняя длина свободного пробега молекул газа, см:

2
ì
2
g
kT
Pd
 

,

где k – постоянная Больцмана, равная 1,38062·1023 Дж/К; Т – абсолютная температура газа, °С; P – давление газа, кПа; dм – диаметр молекулы, см. Например, для молекул воздуха при 20 °С и 760 мм рт. ст. 

g  6,5310–2 мкм. Если газ состоит из очень малых частиц, то среду 
можно рассматривать как дискретную, где частицы стремятся проскользнуть между молекулами газа. В этом случае Kn > 0,1.

Для выявления влияния молекул газа на движение частиц выде
ляют четыре режима, которые соответствуют изменению размеров 
частиц от больших до малых: гидродинамический; течение со скольжением; переходный; свободномолекулярный. Приблизительные 
диаметры частиц в воздухе в стандартных условиях приведены 
в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Величина частиц для различных режимов течения в воздухе

при 20 °С и 760 мм рт. ст.

Течение
Kn
dp, мм

Гидродинамическое (стоксовское)
<0,1
>1,3

Со скольжением (Каннингхема)
≤0,3
>0,4

Переходное
10–0,3
0,01–0,4

Свободномолекулярное
>10
<0,01

Поправочный коэффициент Каннингхема С
для
течения 

со скольжением, полученный экспериментально Милликеном в опытах с масляными капельками, используется для учета скольжения частиц между молекулами газа, когда Kn > 0,1 (дискретная среда). Упрощенно для воздуха при нормальном давлении он может быть рассчитан по формуле

1
1
6,21 10

p

T
С
d




  







.

Поправочный коэффициент Каннингхема становится настолько 

малым, что им можно пренебречь, когда размеры аэрозолей превышают 1 мкм (при нормальных условиях).

Число Стокса St (или параметр соударения Kp) – безразмерное 

отношение расстояния, на которое сближаются частицы, к характерному размеру системы, отражает относительное воздействие на частицу силы тяги и сил вязкости:

St
2
s

p

c

x
K
d


,