МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №33 Г. ЛИПЕЦКА
ВЛИЯНИЕ ЮГО-ЗАПАДНОЙ КОТЕЛЬНОЙ НА СОСТАВ ВОЗДУХА 24-МИКРОРАЙОНА Г. ЛИПЕЦКА
Выполнил:
Ученик 10 «а» класса
МОУ СОШ №33
Борзунов Артём
Научный руководитель:
Учитель биологии
МОУ СОШ №33
Научный консультант:
Ассистент кафедры теплофизики
Химико-металлургичекого
факультета ЛГТУ
Липецк - 2009
Содержание
I. Введение…………………………………………………………3-6
II. Теоретическая часть…………………………………………….7-13
II-1. Котельные установки……………………………………...7
II-2. Основные современные виды топлива…………………...9
II-3. Основные виды топлива
юго-зпадной котельной г. Липецка………………………9-12
II-4. Причины высокой концентрации диоксида азота
В выхлопах котельных установок………………………12-13
III. Практическая часть………………………………………………14-15
IV. Выводы и предложения………………………………………….16-17
V. Источники………………………………………………………...18
I Введение
Роль атмосферы в природных процессах огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космических и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы почвообразования. Чистый воздух необходим для жизни человека, растений и животных. Атмосферные загрязнения оказывают отрицательное влияние на живые организмы, что приводит к сокращению численности, видового разнообразия животных и растений, заболеваемости человека.[5]
Основные составные части атмосферного воздуха подразделяют на три группы: постоянные, переменные и случайные.[5]
К первой группе относятся кислород (21% по объему), азот (около 78%) и благородные газы (около 1%). Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02 – 0,04%) и водяной пар. К третьей группе относятся случайные компоненты, определенные местными условиями. Так, в близи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы, техногенные примеси тяжелых металлов; в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиак и другие газообразные и жидкие вещества.[5]
При работе двигателей на этилированном бензине в выхлопных газах содержаться оксиды азота, соединения свинца (количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения и может достигать 4-12 мг/
). При работе на серосодержащем топливе в выхлопах появляется диоксид серы. Тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем в день выбрасывает около 3 т угарного газа, 100 кг оксидов азота, 500 кг продуктов неполного сгорания бензина.[5]
При сжигании горючих ископаемых (угля, нефти, газа) большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы. От индустрии в атмосферу попадают различные загрязнители, прежде всего это диоксид серы, оксиды углерода, аммиак, сероводород, фенол, хлор, углеводороды, сероуглерод, фторсодержащие соединения, серная кислота, аэрозольная пыль, тяжелые металлы, радиоактивные соединения и многие другие вредные вещества. Кислоты вместе с дождем могут выпадать на поверхность земли, воздействуя на почву, растительность и живые организмы. Известно, что в нейтральной среде значение pH=7, а дождевая вода в относительно чистом воздухе имеет рН=5,6 вследствие воздействия углекислоты воздуха.[5]
Помимо выбросов химических веществ, серьезными загрязнениями атмосферы являются выбросы большого количества водяного пара, шум, электромагнитное излучение, тепловое загрязнение, в том числе выбросы большого количества нагретого воздуха.[5]
Город Липецк не является исключением в ряду крупных городов, атмосферный воздух которых загрязняется как от стационарных, так и от подвижных источников. Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха стационарными источниками относят: , «Свободный Сокол», , .[2]
По данным управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Липецкой области валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух Липецкой области от стационарных источников 2008 г. Составили 353, 2 тыс. т, что на 29, 7 тыс. т меньше, чем в 2007 г. Снижение выбросов произошло в городах Липецк, Елец, в Краснинском, Липецком, Усманском районах.[2]
В области ежегодно растет численность автотранспорта. В 2008 г. Количество автомобилей увеличилось на 27,5 тыс. единиц и составило на 1 января 2009 г. 326,9 тыс. единиц. В 2007 г. Увеличение составило 17, 9 тыс. единиц.
По данным управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Липецкой области выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта, зарегистрированного в Липецкой области, в 2008 г. Составили 150, 388 тыс. т (29, 9% от суммарных выбросов по области), что на 5, 89 тыс. т больше, чем за 2007 г. Это почти треть валовых выбросов в атмосферу всей области, причем выбросы эти сконцентрированы преимущественно в городах, и если для г. Липецка выбросы от автотранспорта составляют менее 20%, то для г. Ельца – около 80% от общегородских выбросов.[2]
Значителен вклад котельных, которые являются мощными источниками загрязнений атмосферы города.
Актуальность выбранной темы подтверждается негативным влиянием компонентов техносферы г. Липецка на состояние атмосферного воздуха и значительным влиянием на данные загрязнения таких компонентов техносферы как котельные установки.
Гипотеза: котельные оказывают значительное негативное влияние на состояние атмосферного воздуха промышленного города.
Цель работы: выявление влияния юго-западной котельной на состав воздуха 24 микрорайона г. Липецка (на примере NO2).
Достижение цели потребовало решения определенных задач:
1) изучить роль атмосферы в биосфере; 2) выявить основные загрязнители атмосферы; 3)познакомиться с информацией о состоянии атмосферы г. Липецка; 4) детально принцип изучить действия котельных установок, основные виды топлива и продукты сгорания веществ; 5) рассчитать площадь рассеивания NO2 над 24 микрорайоном г. Липецка; 6) изучить и выбрать наиболее эффективные способы снижения выбросов NO2 в атмосферу от котельных установок.
Методы и приемы исследования:
1) изучение специальной литературы по теме исследования; 2) анализ статистических данных по выбросам вредных веществ в атмосферу г. Липецка; 3) практический эксперимент «выявление площади рассеивания NO2 над 24 микрорайоном г. Липецка»; 4) анализ данных, полученных экспериментальным путем.
II Теоретическая часть
II – 1. Котельные установки
Коте́льная устано́вка (котельная) — сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло - и пароснабжении или при местном снабжении, если эта котельная локального значения (в пределах частного дома, квартала).
Котельные можно разбить на следующие виды по типу исполнения:
Ø Модульные блочные котельные;
Ø Крышные котельные;
Ø Встроенные котельные;
Ø Отдельно стоящие, стационарные котельные.
Рисунок 1. КВГМ-100 (источник: http://www. *****/98/50.php)
Рисунок 2. (http://www. /pages/id988.html)
Рисунок 3. Горелочное устройство (источник: http://www. *****/kroll. htm)
II – 2. Основные современные виды топлива
1. Твёрдые топлива: древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, горючий сланец, сапропель, торф, уголь, битуминозные пески, порох.
2. Жидкие топлива: нефтяные топлива (бензин, лигроин, мазут), масла (сланцевое масло, растительное масло), спирты (метанол, этанол, пропанол), жидкое ракетное топливо, эфиры (диметиловый эфир). Эмульсии (водотоплевная эмульсия).
3. Газообразные топлива: пропан, бутан, метан, природный газ, водород, сжатый (компримированный) природный газ (CNG), пропан-бутановая смесь (LPG), смесь водорода и природного газа (HCNG)
4. Дисперсные системы, растворы: аэрозоли (угольная пыль), пены (газодизель), суспензии (водоугольное топливо)
5. Нетипичные топлива: ядерное, термоядерное, ракетное.
II – 3. Основные виды топлива юго-западной котельной г. Липецка
Мазу́т
Мазу́т (возможно, от арабского мазхулат — отбросы), жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000 г/моль), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более г/моль), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль. Типичное распределение смолисто-асфальтеновых веществ в мазуте представлено в таблице
Смолы | Асфальтены | Карбены и карбоиды | |
Мазут атмосферной перегонки | |||
Сернистая нефть | 13,6 | 0,9 | 0,035 |
Малосернистая нефть | 14,0 | 0,1 | 0,03 |
Мазут вторичной переработки | 10,2 | 8,4 | 0,9 |
Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей (см. Котельные топлива), для производства флотского мазута, тяжелого моторного топлива для крейцкопфных дизелей. Выход мазута составляет около 50 % по массе в расчете на исходную нефть. В связи с необходимостью углубления ее дальнейшей переработки мазут во все большем масштабе подвергают дальнейшей переработке, отгоняя под вакуумом дистилляты выкипающие в пределах 350—420, 350—460, 350—500 и 420—500°С. Вакуумные дистилляты применяют как сырье для получения моторных топлив, в процессах каталитического крекинга, гидрокрекинга, и дистиллятных смазочных масел. Остаток вакуумной перегонки мазута используют для переработки на установках термического крекинга и коксования, в производстве остаточных смазочных масел и гудрона, затем перерабатываемого на битум.
Основные потребители мазута — промышленность и жилищно-коммунальное хозяйство.
Природный газ
Приро́дный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ.
Природный газ относится к полезным ископаемым. Часто является попутным газом при добыче нефти. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. В стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °С) природный газ находится только в газообразном состоянии.
Также природный газ может находиться в виде естественных газогидратов.
Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана:
Ø этан (C2H6),
Ø пропан (C3H8),
Ø бутан (C4H10),
а также другие неуглеводородные вещества:
Ø водород (H2),
Ø сероводород (H2S),
Ø диоксид углерода (СО2),
Ø азот (N2),
Ø гелий (Не).
Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.
Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.
Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано другое):
Ø Плотность:
· от 0,7 до 1,0 кг/м³ (сухой газообразный);
· 400 кг/м³ (жидкий).
Ø Температура самовозгорания: 650 °C;
Ø Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;
Ø Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)[1];
Ø Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130.
В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом минерального топлива. При сгорании его образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к заметному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является, как и метан, парниковым газом. Большинство ученых именно это обстоятельство считают причиной наблюдающегося в настоящее время потепления климата. В связи с этим в 1997 г. был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта.
Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Сейчас он используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например пластмасс. В XIX веке природный газ использовался в первых светофорах и для освещения (применялись газовые лампы).
II – 4. Причина высокой концентрации в выхлопах котельных установок диоксида азота.
Основным видом топлива данной котельной является природный газ. Поскольку природный газ на 80-97% состоит из метана (СН4), то остальными примесями можно пренебречь. Метан является парниковым газом, так что даже само топливо оказывает опасность для экологии. При полном догорании метана образуется углекислый газ и вода.
CH4 + 2O2 
CO2 + 2H2O
Однако в результате горения при недостатке кислорода образуется оксид углерода (угарный газ) СО. Попадая в атмосферу оксид углерода доокисляется до относительно безопасного диоксида углерода (углекислый газ) СО2 в течении двух недель. Однако являясь ядовитым газом СО за это время уже оказывает влияние на жителей окружающих районов.
Для того, чтобы избежать появления в выхлопе СО, горение должно происходить при достаточном количестве кислорода.
Однако в процессе горения используется не чистый кислород (О2), а воздух, состав которого таков:
Азот, составляющий 78% воздуха, при высоких температурах ( градусов) реагирует с кислородом с образованием оксидов азота NO, который тут же доокисляется до диоксида азота NO2.
2NO + O2 → 2NO2
Как и все оксиды азота (кроме N2O), NO — токсичен, при вдыхании поражает дыхательные пути.
Таким образом при недостатке воздуха (кислорода) образуется ядовитый газ СО, но при избытке воздуха образуются токсичные оксиды азота.
III Практическая часть
Предельно допустимая концентрация (ПДК) — утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Норма ПДК для диоксида азота NO2: 0, 6 мг/
На базе ЛГТУ, химико-металлургического факультета кафедры теплофизики, под руководством Скакова Сергея Викторовича, ассистента кафедры теплофизики химико-металлургического факультета ЛГТУ, осуществлялся практический эксперимент «выявление площади рассеивания NO2 над 24 микрорайоном г. Липецка»
Алгоритм работы:
1) Запускаем программу «Эксперт-эколог» (фирма 1С, 2007 год)
2) Для основы работы загружаем в программу спутниковый снимок (источник: http://maps. *****/)
3) Отмечаем в программе масштаб фотографии (7см=300м)
4) Вводим данные об основных стационарных загрязнителях, действующих на микрорайон.
5) Отмечаем на снимке расположение котельной установки
6) Вводим в программу следующие данные:
· Высота трубы – 60 м.
· Ширина трубы – 1 м
· Тип топлива – природный газ(основной)
· Мощность выхлопа – 17, 2
7) Выбираем диоксид азота (NO2) в качестве загрязнителя атмосферы
8) Запускаем обработку данных
9) Получаем готовый снимок, с отмеченными изолиниями, показывающими площадь рассеивания диоксида азота от данной котельной
10) По снимку определяем влияние на 24 микрорайон
Рисунок 4. Расчет выбросов оксидов азота юго-западной котельной города Липецка
Судя по изолиниям, рассеивание выбросов юго-западной котельной над 24 микрорайоном проходят в нормах ПДК, о чем свидетельствуют факты:
· Концентрация диоксидов азота, выбрасываемых юго-западной котельной, над 24 микрорайоном г. Липецка = 0,2
· Концентрация диоксидов азота, выбрасываемых юго-западной котельной, в других районах так же соответствует норме
III Выводы и предложения
Общий вывод
Выявили влияние юго-западной котельной на состав воздуха 24 микрорайона г. Липецка (на примере NO2). Выяснили, что выброс рассеивание диоксида азота проходят в норме с ПДК
Рекомендации по снижению выбросов NO2 в атмосферу:
Поскольку основными факторами, влияющими на интенсивность выбросов оксидов азота, являются:
1) Концентрация кислорода и азота и, прежде всего, избыток кислорода в продуктах горения.
2) Температура факела.
3) Время нахождения реагентов в зоне высоких температур.
Существующие способы снижения оксидов азота рассчитаны на управление этими факторами:
Ø Снижение температуры в факеле, например при помощи впрыска воды или водяного пара, что снижает выброс оксидов азота на 50%, но существенно снижает КПД котла.
Ø Добавление в факел остывших продуктов горения (отработанных газов). Однако, применение внешней рециркуляции конструктивно очень затруднительно.
Ø Управление внутренним химическим составом газов в топке. Например, часть горелок работает с искусственным недожогом, а другая группа горелок дожигает продукты горения в зоне пониженных температур. Однако использование многоярусных горелок затрудняется из-за сложной конструкции.
Ø Очистка выхлопа путем восстановления оксидов азота при помощи аммиака. Но реакция осуществляется только на дорогостоящих каталитических решетках, при этом очень усложняется дымовой тракт. А самым неудобным для использования является применение аммиака.
На сегодняшний день самое реальное - это применение горелочных устройств с пониженным выбросом оксидов азота, основанных на:
· Двухстадийном сжигании, когда основной поток воздуха подается в корень факела, но с недожогом. А второй поток идет на переферию факела, где дожигание происходит в области пониженных температур.
· Интенсификации рециркуляции в атмосфере около факела для снижения его температуры.
Источники
1. , «процессы горения топлива и защита окружающей среды», 1986г.
2. Состояние окружающей среды Липецкой области в 2008 году. Доклад – Липецк, 2009.
3. Хотунцев , технологии, окружающая среда. М.: Устойчивый мир, 2001. – 224с. (Библиотека журнала «Экология и жизнь»).
4. Чуйкова экология: Учебное пособие по экологии для 10 класса средней школы / Под общ. Ред. . – Астрахань: Издательство ИТА «Интерпресс», 1996. – 224с.: ил. 15.
5. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие / Под ред. . – М.:АГАР, 2000.
6. http://ru. wikipedia. org/
