К вопросу о нормировании выбросов мелкодисперсных частиц размерами менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5)

К вопросу о нормировании выбросов мелкодисперсных частиц

размерами менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5).

, , .

-Холдинг»

Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ введено в действие Дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест», согласно которого определены ПДК взвешенных частиц РМ10 и РМ 2,5. Величины ПДК для периодов осреднения представлены в таблице 1.

Таблица 1.

№ п/п	Наименование вещества	Величина ПДК (мг/м куб)
максимальная разовая	Среднесуточная	среднегодовая
1.	Взвешенные частицы РМ10	0,3	0,06<*>	0.04
2.	Взвешенные частицы РМ2.5	0,16	0,035<*>	0,025

<*> 99 процентиль.

С вводом в действие указанного Дополнения № 8 определена необходимость обеспечить качество атмосферного воздуха населенных мест по таким показателям, как взвешенные частицы РМ10 и РМ2.5, которые подлежат государственному учету и нормированию после разработки соответствующих методик определения и гигиенических (экологических) нормативов качества атмосферного воздуха.

При этом возникают, следующие задачи нормирования загрязнения атмосферного воздуха, которые необходимо решить практически:

• инвентаризация источников выделения взвешенных веществ с содержанием мелкодисперсных взвешенных частиц размерами 10 мкм (РМ10) и 2,5 мкм (РМ 2,5) с определением величины валового выброса вышеуказанных мелкодисперсных частиц (г/с, т/год);

• выполнение расчётов загрязнения атмосферы от выбросов мелкодисперсных взвешенных частиц размерами 10 мкм (РМ10) и 2,5 мкм (РМ 2,5).

Опыт определения величины валового выброса мелкодисперсных взвешенных частиц размерами 10 мкм (РМ10) и 2,5 мкм (РМ 2,5) для источников выделения пыли.

1) при известном дисперсном составе пыли

Валовый выброс от источника выброса пыли в целом, как известно, определяется в ходе инвентаризации источников выбросов на предприятии (инструментальным, либо расчётным путём). Но, поскольку в России в настоящее время отсутствуют утверждённые методики нструментального, либо расчётного определения величин выбросов таких мелкодисперсных частиц, необходимо для пыли в целом от источника выброса, в которой могут присутствовать такие частицы, получить её гранулометрический (дисперсный) состав.

Дисперсный состав пыли может быть определён методами ротационной сепарации, жидкостной седиментации и др. Для практических расчётов информация о дисперсности пыли существует в ряде литературных источников, например: «Атлас промышленных пылей», части 1,2,3 /2/, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., г. г., «Выбор и расчёт обеспыливающего оборудования для очистки вентиляционного воздуха», УПИ, Свердловск, 1971 г. /3/ и др. (пример определения величины выброса взвешенных частиц РМ 10 и РМ 2,5 при известном дисперсном составе пыли– см. ниже).

2)при неизвестном дисперсном составе пыли

В России, как правило, имеется информация не о фракционной, а о суммарной концентрации пыли в атмосферном воздухе (как по данным систематического мониторинга, так и по используемым математическим моделям рассеивания выбросов в атмосфере). Поэтому для оценки величины (в первом приближении) валового выброса измеренные или вычисленные при расчёте рассеивания суммарные концентрации пыли в целом необходимо пересчитать в концентрации РМ10 и РМ2,5 [6].

Соотношением между фракцией РМ10 и суммарной пылью в разных городах различно и редко известно, но в качестве усредненного пересчетного коэффициента обычно принимается обоснованная большим числом параллельных измерений величина 0,55 /5/. Достаточно близкие величины были получены Отделом экологической эпидемиологии Уральской рабочей группы Проекта управления окружающей средой в России в Нижнем Тагиле (0,61 и 0,63 в 2 разных точках) и в Первоуральске (0,41 и 0,55 в 2 разных точках). В 2002г. аналогичное сопоставление было проведено в Красноуральске и дало коэффициент 0,51. Поэтому принято:

Концентрация PM10 = 0,55 х Концентрация общей пыли (TSP) (1)

В г. г. было проведено параллельное измерение концентрации общей пыли и РМ2,5 в 8 городах Свердловской области с разным промышленным уровнем. Полученные коэффициенты соотношения между РМ2,5 и общей пылью варьировали от 0,07 до 0,34. Усреднение коэффициентов, полученных в тех же промышленных городах, в которых для пересчета TSP в РМ10 был получен коэффициент, близкий к 0,55, дает величину 0,26, предлагаемую для перевода концентрации общей пыли в концентрацию РМ2,5. Поэтому принято:

Концентрация PM2,5 = 0,26 х Концентрация общей пыли (TSP) (2)

Таким образом, при неизвестном дисперсном составе пыли предлагается принимать для пылящего источника выброса долю частиц РМ%, частиц РМ 2,5 -26% от общей массы выброса пыли в атмосферу.

Определение коэффициента F для расчётов загрязнения атмосферы от мелкодисперсных взвешенных частиц размерами 10 мкм (РМ10) и 2,5 мкм (РМ 2,5).

Зная дисперсный состав пыли, заносим данные её фракций в зависимости от диаметра частиц и их распределения по весу в логарифмически вероятностную координатную сетку (см. пример ниже, рис. 1), получается некоторая линия, характеризующая логарифмически-нормальный закон распределения частиц различного диаметра в данной пыли.

Для определения безразмерного коэффициента F, учитывающего скорость оседания частицы, согласно Примечания 1 к п. 2.5. ОНД-86 /1/ необходимо определить:

·  диаметр dg такой, что масса всех частиц диаметром больше dg составляет 5 % общей массы частиц пыли;

·  соответствующую dg скорость оседания частицы vg (м/c).

Скорость оседания примеси зависит от характеристики её частицы и среды, в которой она движется, определяется в зависимости от критерия Рейнольдса Re [4]. Критерий Рейнольдса, в свою очередь, для практических расчётов определяется по графику в зависимости от комплекса ξ*Re2 (см. пример ниже, рис. 2), который определяется расчётом:

ξ*Re2 = 8/6*ρср * d3 *g*( ρч - ρср )/μ2 , где

ρср – плотность среды, для воздуха - 1,29 кг/м3,

d – диаметр частицы пыли, м,

g =9,81-ускорение свободного падения,

ρч - плотность частицы пыли, кг/м3,

μ- вязкость воздушной среды, для воздуха - 18,14*10-6 н*сек/м2.

В зависимости от Re согласно [4] скорость оседания частицы vg определяется:

при Re <1,0 vg = d2 * g*( ρч - ρср )/18 μ, м/с (формула Стокса);

при 500 > Re >1,0 vg = Re* μ/ d * ρср, м/с;

при Re>500 vg =5.45*√*( ρч - ρср )* d / ρср , м/с.

Далее определяется опасная скорость ветра uм в соответствии с п. 2.9 ОНД-86. После чего устанавливается значение коэффициента F в зависимости от соотношения vg/ uм (см. примечание п.1 к п.2.5 ОНД-86), а именно:

при vg/ uм ≤0,015 F=1,0, при 0,015<vg/ uм ≤0,030 F=1,5, для всех остальных значений vg/uм коэффициент оседания F устанавливается согласно п. 2.5 «б» ОНД-86.

Пример определения величин валового выброса взвешенных частиц РМмкм) и РМ 2,5 (2,5 мкм), скорости оседания и коэффициента F для общей массы пыли в целом от источника выброса и отдельно для частиц РМ 2,5 и РМ 10.

а) при известных дисперсном составе и характеристике пыли.

Источник выброса - сталеплавильная электродуговая печь ДСП-3А.

В соответствии с данными паспорта №2 ч. II «Атласа промышленных пылей» ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1981 г. дисперсный состав пыли от электродуговой печи ДСП-3А следующий (таблица 2).

Таблица 2.

d, мкм	1,6	2,5	4,0	6,3	10	16	25
g. масс.%	72	57	40	26	14	8	3

Где: d - диаметр частиц пыли, мкм;

g - содержание частиц диаметром более d , масс.%,

Плотность материала частиц пыли составляет ρч =3980 кг/м3, проба отобрана из бункера рукавного фильтра (к. п.д.= 99,4%).

Из приведенного дисперсного состава пыли следует, что в данной пыли частиц диаметром более 1,6 мкм содержится 72% (по массе), частиц диаметром более 2,5 мкм содержится 57% и т. д. Это означает, что:

·  частиц диаметром менее 1,6 мкм в этой пыли содержится 100% -72%=28%;

·  частиц диаметром менее 2,5 мкм содержится 100% -57%=43%;

·  частиц диаметром менее 4,0 мкм содержится 100% -40%=60% и т. д.

Иными словами, при ситовом анализе через ячейку сита диаметром 1,6 мкм проходит 28 % пыли, через ячейку диаметром 2,5 мкм проходит 43% пыли, через ячейку диаметром 4,0 мкм проходит 60% пыли и т. д.

На основании этого расчёта строим таблицу 3.

Таблица 3.

d, мкм	1,6	2,5	4,0	6,3	10	16	25
проход, масс.%	28	43	60	74	86	92	97

Из табл. 3 следует, что частиц диаметром 1,6 мкм и менее содержится в пыли 28 %, частиц диаметром от 1,6 до 2,5 мкм содержится в пыли 43% -28% =15%, частиц диаметром 2,5-4 мкм содержится в пыли 60% -43% =17%, частиц диаметром 4- 6,3 мкм содержится 74%- 60%= 14% и т. д. На основании этого расчёта строим таблицу распределения фракций пыли по массе (табл. 4).

Таблица 4.

d, мкм	1,6	1,6-2,5	2,5-4,0	4,0-6,3	6,3-10	10-16	16-25
содержание фракций в пыли, масс.%	28	15	17	14	12	6	5

Из данной таблицы видно процентное содержание любой фракций в пыли, отсюда можно принять, что масса частиц размером 2,5 мкм (РМ 2,5) составит «с запасом» до15% от общей массы пыли, масса частиц размером 10 мкм (РМ10) составит до 12% массы всей пыли.

Если, допустим, валовый выброс общей массы пыли от данной электропечи, определённый в ходе инвентаризации выбросов (инструментальным или расчётным путём), составит 100 г/с, то валовый выброс частиц РМ 2,5 составит 15 г/с, а частиц РМ10 составит 12 г/с.

Далее, для вычисления скорости оседания и коэффициента F для общей массы пыли отходящей от электропечи определяем dg для этой общей массы пыли.

С этой целью в логарифмически вероятностной координатной сетке наносим точки по данным таблицы 3, характеризующие величины прохода (%) частиц пыли в зависимости от их диаметра (рис. 1).

Рисунок 1.

Из рис. 1 видно, что указанные точки располагаются вдоль некоторой прямой, характеризующей закон распределения частиц разного диаметра в данной пыли.

На построенной прямой находим точку D, соответствующую dg, выше которой масса всех частиц диаметром больше dg составляет 5 % общей массы частиц пыли (95% проход, 5% остаток). В нашем случае dg определилась равной 19 мкм (19*10-6 м).

Далее по вышеприведённым формулам, подставляя соответствующие значения, определяем величину ξ*Re2. График зависимости критерия Рейнольдса Re от комплекса ξ*Re2 представлен на Рис.2, по которому определяем область значений критерия Рейнольдса.

Рисунок 2.

По вышеприведённым формулам рассчитываем величины всех показателей, определяющих коэффициент F; результаты расчётов представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Вариант расчёта	Общая пыль	РМ2,5	РМ10
Значения показателей: ξ*Re2 критерий Рейнольдса Re скорость оседания vg, м/с опасная скорость ветра uм, м/с отношение vg/ uм	1,4 <1,0 0,043 0,5 0,08 (>0,03)	0,0032 <1,0 0,00075 0,5 0,0015(<0,015)	0,204 <1,0 0,012 0,5 0,024 (0,015<0,024<0,03)
Коэффициент F	2 (к. п.д.= 99,4%)	1,0	1,5

б) при неизвестных дисперсном составе и характеристике пыли.

Источник выброса тот же - сталеплавильная электродуговая печь ДСП-3А.

В соответствии с выше принятым распределением частиц по формулам (1) и (2) доля частиц РМ 10 составит 55%, доля частиц РМ 2,5 -26% от общей массы выброса пыли в атмосферу.

Предположим, валовый выброс общей массы пыли от данной электропечи, определённый в ходе инвентаризации выбросов (инструментальным или расчётным путём), составит100 г/с, тогда валовый выброс частиц РМ10 составит 55 г/с, а выброс частиц РМ 2,5 составит 26г/с.

Коэффициент оседания F для общей массы пыли из источника определяется при этом согласно п. 2.5 «б» ОНД-86: «… при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% -2, от 75 до 90% -2,5, менее 75% и при отсутствии очистки -3».

Для частиц РМ10 и РМ 2,5 в соответствии со статьёй «Опыт нормирования выбросов мелкодисперсных частиц» (авт. , ), опубликованной в № 11 журнала «Экология производства» за 2011 г. значение коэффициента F принимается таким же, как и для всей пыли, т. к. в данном случае отсутствуют арбитражно защищённые доводы в пользу иного значения параметра оседания.

Из приведённого примера выброса электродуговой печи нетрудно заметить, что при неизвестных дисперсном составе и характеристике пыли имеет место завышение величин выбросов частиц РМ10 и РМ 2,5 в 4,6 и 1,7 раза соответственно.

Результаты расчетов рассеивания взвешенных частиц представлен в таблице 6. Расчет произведен УПРЗА «Эколог» версии 3.1 Фирмы «Интеграл (г. Санкт Петербург). Вариант расчета с использованием блока «Средние» произведен с использованием специализированного метеорологического файла для г. Владикавказ.

Таблица 6.

1.Задание на расчет.
Наименование оборудования	Сталеплавильная электродуговая печь ДСП-3А
Вариант расчета	При известном составе пыли	При неизвестном составе пыли
Значение коэффициента F
Взвешенные вещества	2	2
Взвешенные вещества PM2,5	1	2
Взвешенные вещества PM10	1,5	2
Принятые значения выбросов
Взвешенные вещества	100 г/с
Взвешенные вещества PM2,5	15 г/с	26 г/с
Взвешенные вещества PM10	12 г/с	55 г/с
2.Результаты расчетов рассеивания
Расчетный блок «ОНД-86»	мг/м куб	доли ПДКмр	мг/м куб	доли ПДКмр
Взвешенные вещества	1,57	3,15	1,57	3,15
Взвешенные вещества PM2,5	0,17	1,09	0,41	2,56
Взвешенные вещества PM10	0,18	0,59	0,87	2,89
Расчетный блок «Средние»	мг/м куб	доли ПДКсг	мг/м куб	доли ПДКсг
Взвешенные вещества	0,06	0,41	0,06	0,41
Взвешенные вещества PM2,5	0,01	0,37	0,02	0,64
Взвешенные вещества PM10	0,01	0,18	0,03	0,85

Из результатов расчётов рассеивания данной таблицы видно, что для случая нормирования взвешенных веществ РМ2,5 , РМ10 для максимально разового периода осреднения (20-30 минут воздействия) - целесообразно проведение исследований дисперсного состава. Вместе с тем, отсутствие сведений о дисперсном составе обеспечивает нормирование загрязнения атмосферного воздуха взвешенными веществами РМ2,5 , РМ10 с «запасом», использование которого может позволить обеспечить соблюдение гигиенического норматива качества атмосферного воздуха в населенных пунктах.

Литература:

1.ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий - Гидрометеоиздат, 1с.

2. «Атлас промышленных пылей», части 1,2,3 , ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., г. г.

3. «Выбор и расчёт обеспыливающего оборудования для очистки вентиляционного воздуха», УПИ, Свердловск, 1971 г.*)

4. , , . «Процессы и аппараты химической технологии», ч. 1, издание УПИ, Свердловск, 1969 г.*)

5. Wilson & Spengler, 1996.

6. Отчёт « Оценка риска для здоровья населения при обосновании границ санитарно-защитной зоны медеплавильный завод». АНО «Уральский региональный центр экологической эпидемиологии», Екатеринбург, 2009 г.

*) УПИ (Уральский политехнический институт)- прежнее название Уральского федерального университета им. первого президента России (УрФУ).