Охрана воздушного бассейна

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет  

иМени первого президента россии б. н. ельцина

Ю. и. толстова, р. н. Шумилов, л. г. пастухова

охрана  
воздуШного  
бассейна

рекомендовано методическим советом урФу
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программам бакалавриата  
и магистратуры по направлению подготовки  
08.03.01, 08.04.01 «строительство»

© уральский федеральный университет, 2017

р е ц е н з е н т ы:
кафедра теплогазоснабжения и вентиляции
белгородского государственного технологического университета
(заведующий кафедрой доктор технических наук,  
профессор в. а. ув а р о в);
р. Ф. Ш а р и п о в, начальник отдела отопления и вентиляции
оао «уралгипромез» (екатеринбург)

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
доктор технических наук, профессор а. с. н о с ко в

удк 502.3:69(075.8)
      т52

Толстова, Ю. И.
охрана воздушного бассейна: [учеб. пособие] / Ю. и. толстова, 
р. н. Шумилов, л. г. пастухова ; [науч. ред. а. с. носков] ; М-во 
образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2017. — 118 с.

ISBN 978-5-7996-2052-3

в учебном пособии рассматриваются физические основы и методика расчета загрязнения воздушного бассейна, а также основы 
расчета оборудования для предотвращения загрязнения воздушного 
бассейна выбросами пыли. приведены данные по характеристикам 
промышленных пылей, а также по выбору и расчету пылеулавливающего оборудования для очистки вентиляционного воздуха.
учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «охрана воздушного бассейна», а также для слушателей 
курсов повышения квалификации и научно-технических работников.

т52

удк 502.3:69(075.8)

ISBN 978-5-7996-2052-3

Предисловие

производственная деятельность человека приводит к загрязнению окружающей среды. в результате в атмосферный воздух 
поступают избыточное тепло, влага, пыль, вредные газы и пары. 
за год в атмосферу земли выбрасывается около 200 млн т оксида 
углерода, более 20 млрд т диоксида углерода, 150 млн т диоксида 
серы, 53 млн т оксида азота, свыше 250 млн т пыли, более 50 млн т 
различных углеводородов. каждая тонна угля на тЭц дает 4 т выбросов диоксида углерода. по имеющимся прогнозам, каждые 50  лет 
возможно удвоение содержания диоксида углерода, что может 
привести к повышению температуры приземного слоя атмосферы 
и изменению климата на земле.
помимо негативного воздействия на здоровье людей, загрязнение атмосферы имеет глобальные последствия. в связи с этим 
возникает необходимость прогнозирования возможного загрязнения и разработки мероприятий по предотвращению поступления 
вредных веществ в атмосферный воздух.
распространение вредных веществ в атмосфере зависит от ее 
строения и соотношения гравитационных сил, воздействия ветрового потока и турбулентной диффузии. в настоящее время расчет 
рассеивания в атмосфере выбросов вредных веществ производится 
по стандартной методике, утвержденной росгидрометом россии. 
задачей расчета является определение концентраций вредных 
веществ на уровне земли при касании ее облаком вредности. Эти 
данные необходимы для сопоставления с допустимыми значениями 
с учетом фонового загрязнения.
предотвращение загрязнения атмосферного воздуха прежде 
всего должно осуществляться с помощью технологических мероприятий. однако роль санитарно-технических методов остается 
значительной. здесь следует выделить два направления: очистку 
воздуха от пыли и очистку воздуха от вредных газов и паров.

Методы очистки воздуха от пыли очень разнообразны и зависят 
от целого ряда параметров: физических свойств пыли, начальной 
запыленности воздуха, допустимой концентрации пыли на выбросе, 
конструкции пылеуловителя, особенностей эксплуатации и т. д.
существующие теоретические способы расчета эффективности 
пылеуловителей дают только приближенные значения, которые 
не всегда подтверждаются на практике. отсутствие в настоящее 
время расчетных способов выбора пылеуловителей усложняет работу проектировщика по определению необходимой схемы очистки 
воздуха. безусловно, необходимо использовать накопленный опыт 
эксплуатации пылеуловителей в различных системах пылеулавливания с учетом конкретной технологии и условий работы.
современная техника пылеулавливания располагает высокоэффективными устройствами для очистки воздуха от пыли. правильный выбор схемы очистки и типа пылеуловителя возможен только 
после тщательного изучения всех факторов, влияющих на работу 
пылеуловителя, и является одной из основных задач проектирования 
обеспыливающей вентиляции.
при выборе той или иной конструкции пылеуловителя проектировщику необходимо прежде всего учитывать физико-технические 
свойства пыли, ее дисперсный состав и т. д. Эти данные должны 
быть приведены в технологическом задании на проектирование 
пылеочистных устройств. при отсутствии таких данных проектировщику приходится использовать материалы производственных 
и лабораторных исследований и опыт эксплуатации данного типа 
оборудования в аналогичных производствах. такие материалы 
не систематизированы и разбросаны в обширной научно-исследовательской и технической литературе по пылеулавливанию, что 
осложняет работу проектировщика.
в учебном пособии приведены необходимые данные по подбору 
пылеуловителей для очистки вентиляционного воздуха и рассмотрена методика их расчета. при разработке пособия использованы 
материалы, приведенные в монографии Ю. в. хватова «выбор и расчет обеспыливающего оборудования для очистки вентиляционного 
воздуха» (1971), представляющей научный и практический интерес 
и в настоящее время.

1.1. Понятие о физике атмосферы

Физика атмосферы является основой понимания механизмов 
распространения вредных веществ в атмосфере [1, 2]. атмосфера, окружающая нашу планету, простирается по высоте на сотни 
километров. однако основное количество воздуха содержится 
в слоях, непосредственно примыкающих к земной поверхности. 
так, до высоты 5 км содержится 50 % общего количества воздуха, 
а до 30 км — 99 %.
по характеру изменения температуры по высоте атмосферу делят на пять слоев. наибольшее значение для рассеивания выбросов 
имеет нижний слой, распространяющийся до высоты около 11 км 
и называемый тропосферой. в нем температура падает в среднем 
на 0,65 °с на каждые 100 м подъема вверх. если на уровне моря 
температуру принять равной 15 °с, то на внешней границе тропосферы она составит –56 °с. выше этого слоя до высоты 40 км простирается стратосфера, в которой температура не меняется с высотой 
и сохраняет указанное выше значение. в тропосфере содержится 
75 % общего количества воздуха атмосферы.
в состав сухого воздуха входят азот (78,084 %), кислород 
(20,964 %), аргон (0,934 %), углекислый газ (0,030 %), другие газы 
(0,006 %).
вследствие различия температур отдельных участков земной 
поверхности возникает конвективное движение воздушных масс. 
Эти потоки перемещаются вдоль поверхности земли, создавая 
устойчивые течения, называемые ветром. характер движения потоков турбулентный, однако градиент изменения скоростей по высоте 
тропосферы может быть различным. 
в верхнем слое тропосферы, так называемой свободной атмосфере, роль сил трения незначительна, и градиент горизонтальных 
скоростей по высоте практически равен нулю (du / dz = 0).

1. ЭКолоГиЯ АТМосФерЫ

ниже свободной атмосферы до высоты 1000 м от земной поверхности располагается пограничный слой, в котором скорости 
понижаются по мере приближения к земле за счет внутреннего 
трения. однако существенного значения силы внутреннего трения 
достигают лишь в нижней части пограничного слоя — в приземном 
слое толщиной до 300 м.
до высоты 100 м происходит довольно быстрое увеличение относительной скорости и / и1. далее скорость возрастает все медленнее, 
и при больших высотах ее можно считать практически постоянной. 
такое изменение скорости характерно для движения турбулентного 
потока вблизи стенки, когда скорость в пограничном слое растет, 
а потом оказывается почти неизменной.
изменение скорости с высотой при турбулентном течении у поверхности наиболее точно соответствует логарифмическому закону, 
который применительно к атмосфере имеет следующий вид:

 
0
1
1

0

ln

ln

z
z
u
u
z
z

=
,

где и1 — скорость ветра на высоте zl = 10 м над землей, м/с; и — 
скорость ветра на высоте z, м/с; z0 — шероховатость земной поверхности, м; z — расстояние от поверхности земли до рассматриваемого 
уровня, м.
в тропосфере, как и во всей атмосфере, происходит изменение 
плотности и давления воздуха с высотой. изменение давления с высотой определяется из уравнения гидростатики:

 
dP / dz = –gρ.

подставляя значение плотности из уравнения клапейрона 
ρ = P / RT, получим

 
dР / dz = –gP / RT,

где g — ускорение свободного падения, м/с2; R — газовая постоянная 
воздуха, R = 286,7 дж/(кг.к); Т — температура, K.

разделяя переменные и интегрируя при постоянной средней 
температуре Т = Тср (изменением температуры в нижнем слое 
тропосферы, где происходит рассеивание вредностей, можно пренебречь), получаем экспоненциальную зависимость атмосферного 
давления от высоты:

 
P = Po exp(–gz / RTcp).

при температуре tср = 15 ос Тср = 288 к, и для нижних слоев 
атмосферы получаем выражение

 
P = Po exp (–11, 9 · 10–4 z).

точные расчеты с учетом изменения температуры дают значения 
относительного давления Р2 / Р0 и относительной плотности воздуха 
ρz / ρ0 на верхней границе тропосферы: Р2 / Р0 = 0,223 и ρz / ρ0 = 0,3.
турбулентное движение атмосферного воздуха сопровождается 
вихреобразованием, способствующим перемешиванию выбросов 
с атмосферным воздухом. особое значение имеют горизонтальная 
и вертикальная пульсационные скорости в плоскости, перпендикулярной к направлению ветра. за счет их воздействия происходит 
раскрытие (расширение) выходящего в атмосферу облака загрязненного воздуха. 
величина пульсационной скорости зависит от скорости ветра, 
вида подстилающей поверхности, состояния атмосферы и других 
факторов.
состояние атмосферы зависит от характера изменения температуры по высоте (температурной стратификации). оценка состояния атмосферы производится по величине адиабатического 
градиента γа. значение γа, найденное из уравнения адиабатического 
расширения для идеального газа, составляет 1 °с на каждые 100 м 
подъема вверх. как уже указывалось, нормальное значение градиента температуры составляет 0,65 °с на 100 м, однако он может 
изменяться в широких пределах и даже принимать отрицательные 
значения.
если распределение температур в атмосфере с высотой соответствует адиабатическому градиенту γа, то на какую бы высоту 

без теплообмена с окружающей средой ни переместился некоторый 
объем воздуха, он будет иметь одинаковую температуру с окружающей средой, вследствие чего не возникает каких-либо дополнительных сил, перемещающих его вверх или возвращающих вниз. 
такое строение атмосферы называется нейтральным.
если температура в атмосфере уменьшается с высотой быстрее, 
чем при адиабатическом градиенте, то есть γ > γа, то градиент температуры называется сверхадиабатическим. при сверхадиабатическом 
градиенте температуры объем воздуха, перемещающийся вверх 
от уровня, на котором он имел ту же температуру и давление, что 
и окружающая среда, будет претерпевать уменьшение температуры 
соответственно адиабатическому градиенту, но будет иметь более 
высокую температуру, чем температура окружающей среды на новом уровне. из-за этого плотность в данном объеме будет меньше 
плотности окружающего воздуха. возникающая при этом архимедова сила будет заставлять этот объем подниматься еще выше. 
в том случае, если некоторый объем воздуха будет перемещаться 
вниз, температура воздуха в нем окажется ниже температуры среды 
на этом уровне. поэтому он будет опускаться все ниже и ниже. таким 
образом, если градиент температуры превосходит адиабатический, 
все вертикальные движения ускоряются, и возрастает степень турбулентности. такое состояние атмосферы называют неустойчивым. 
угол раскрытия облака вредностей в вертикальной плоскости при 
этом увеличивается.
с другой стороны, если градиент температуры меньше адиабатического γ < γа, то объем воздуха, перемещаемый вверх, будет 
иметь температуру ниже температуры окружающей среды. если же 
он перемещен вниз, то будет иметь температуру выше температуры 
окружающей среды. в этом случае архимедовы силы стремятся вернуть объем на первоначальный уровень, и степень турбулентности 
уменьшается, а состояние атмосферы называется устойчивым. раскрытие облака вредностей в вертикальной плоскости оказывается 
меньшим, чем в предыдущем случае.
самое устойчивое состояние атмосферы имеет место при инверсии, когда температурный градиент становится отрицательным 
(температура возрастает с высотой).

таким образом, способность атмосферы воздействовать на вертикальное перемещение воздуха зависит от распределения температуры по высоте.

1.2. Распространение загрязнений в атмосфере

перенос загрязнений в атмосфере происходит под действием 
двух факторов: ветрового потока и турбулентного движения в поперечном ветровому потоку направлении. ветер является основным 
фактором, влияющим на распространение вредных веществ. ветер 
не является устойчивым течением, его направление и скорость постоянно меняются. вот почему при проектировании промышленных 
зон и жилой застройки необходимо учитывать среднегодовое и сезонное распределение скорости и повторяемости ветра. существует 
понятие опасной скорости ветра, при которой концентрации вредных 
веществ, содержащихся в приземном слое, достигают наибольших 
значений. в свою очередь, опасная скорость ветра зависит от температурной стратификации атмосферы.
рассмотрим типичные варианты стратификации атмосферы 
и характер распространения выходящего из трубы облака. Можно 
выделить пять основных вариантов строения атмосферы и соответствующих форм облака (рис. 1.1).
Волнообразная. такая форма наблюдается при сверхадиабатическом вертикальном градиенте температуры и свидетельствует 
о неустойчивой атмосфере. распространение облака носит волновой характер с большим углом раскрытия и большой степенью 
турбулентности. касание облаком земли и точка максимальной 
концентрации значительно приближаются к источнику выброса 
вредных веществ, а концентрация достигает наивысшего значения. 
такая температурная стратификация обычно наблюдается днем при 
хорошей ясной погоде, когда земля интенсивно нагревается солнцем.
Конусообразная. Эта форма облака наблюдается при градиенте температуры γ < γа. облако имеет форму конуса с горизонтальной осью и касается земли на несколько большем расстоянии, чем 
в первом случае. такая структура атмосферы более устойчива, чем 
в предыдущем случае. она характерна для облачной и ветреной 

погоды как днем, так и ночью и наиболее часто встречается при 
влажном климате. нормальный градиент температуры равен 
γ = dT / dz = –0,65 · 10–2 к/м; этому градиенту соответствует конусообразная структура облака.
Веерообразная. Эта форма облака наблюдается при инверсии 
или при температурных градиентах, близких к нулю. облако очень 
мало расширяется в вертикальном направлении, и рассеивание идет 
в основном в горизонтальном направлении. касание земли облаком 
либо не происходит, либо происходит на большом расстоянии от трубы. Максимальная концентрация вредностей у земли невелика, 
а точка максимума находится далеко от источника вредных веществ.
однако такая структура атмосферы опасна при неорганизованных 
выбросах  вредных веществ в нижние слои атмосферы (автотранспорт, наземные источники, выброс в зону аэродинамической тени 
зданий), так как они сохраняются в нижних слоях атмосферы и слабо поднимаются вверх. Это характерно для ночного времени, когда 
температура поверхности земли ниже температуры воздуха. Этому 
благоприятствуют слабые ветра, чистое небо и снежный покров.
Приподнятая. такая форма облака наблюдается, когда в нижней 
части атмосферы имеет место инверсионная структура, а вверху — нормальная с отрицательным градиентом. зона наибольших 
концентраций находится на верхней границе инверсионного слоя. 
такая форма может наблюдаться при заходе солнца.
Эта структура атмосферы является наиболее благоприятной 
для рассеивания  вредных веществ, особенно при высоких трубах, 
когда они направляются в высокие слои атмосферы и практически 
не проникают к земной поверхности.
Задымляющая. внизу располагается слой с нормальным отрицательным градиентом, а вверху — инверсионный слой. такая 
структура атмосферы встречается утром, когда ночная инверсия 
рассеивается под действием солнечных лучей, что соответствует 
распространению облака у земной поверхности. задымляющая 
структура наиболее опасна для низких труб, когда инверсионный 
слой располагается над их уровнем. концентрация  вредных веществ 
оказывается повышенной, и облако приближается к поверхности 
земли вблизи трубы.