Состояние атмосферного воздуха

Перенос примесей в верхние слои атмосферы определяется характером распределения температуры в атмосфере с высотой - устойчивостью атмосферы, степенью изменения температуры с высотой, то есть вертикальным градиентом температуры на единицу расстояния, обычно на сто метров. Состояние атмосферы бывает равновесным, устойчивым и неустойчивым. Степень устойчивости атмосферы определяет поведение воздушной частицы, выведенной из первоначального положения в выше или ниже лежащий слой атмосферы. Частицы теплого воздуха поднимаются вверх, холодного - опускаются вниз. Обычно в атмосфере происходит падение температуры с высотой. Если градиент температуры в сухой атмосфере равен 1 градус на сто метров, то воздух на любой высоте будет находиться в равновесии. Каждая воздушная частица, перемещающаяся вверх или вниз, принимает температуру окружающего воздуха и ее плотность становится равной плотности окружающих ее частиц, следовательно, нет причин к ее подъему или опусканию. В таком случае говорят, что атмосфера находится в состоянии безразличного равновесия, или что наблюдается равновесная стратификация. В естественных условиях влажного воздуха равновесное состояние наблюдается при меньшем градиенте температуры (примерно 0.6 градусов на сто метров).

Если вертикальный градиент температуры в атмосфере меньше, чем при равновесии, то частица, перемещающаяся вверх, охлаждается и скоро станет холоднее, чем окружающий воздух и тяжелее его. Поэтому она опустится и снова займет свое первоначальное положение. В этом случае атмосфера находится в состоянии устойчивого равновесия, то есть наблюдается устойчивая стратификация атмосферы.

Если вертикальный градиент температуры больше равновесного, то воздушная частица, начав двигаться вверх или вниз, будет продолжать свое движение со все возрастающим ускорением. Чем дальше она уходит от первоначального положения, тем больше ее температура отклоняется от температуры окружающего воздуха. В таком случае говорят о неустойчивой стратификации.

При вертикальном градиенте температуры значительно большем 1 градуса на сто метров, в приземном слое атмосферы создаются неупорядоченные движения воздуха - атмосферная турбулентность.

Возрастание температуры с высотой называется инверсией температуры. Инверсия температуры может наблюдаться как у поверхности земли - приземная инверсия (нижняя граница совпадает с земной поверхностью) и приподнятая инверсия (нижняя граница расположена на некоторой высоте). Изотермия характеризуется ровным ходом температуры воздуха с высотой. Слои с изотермией и инверсией температуры являются задерживающим слоем для динамической турбулентности и конвекции, поэтому в значительной степени способствуют накоплению вредных примесей в приземном слое атмосферы. В большом городе повторяемость и приземных, и приподнятых инверсий высокая, однако соотношение между видами инверсий противоположно. [2]

Энергетический источник

В данной курсовой работе Томская ГРЭС-2 является источников загрязнения атмосферного воздуха. На Томской ГРЭС-2 действует десять паровых котлов и пять паровых турбин. Установленная электрическая мощность Томской ГРЭС-2 составляла 331 МВт, тепловая – 815 Гкал/час. Основными видами топлива Томской ГРЭС-2 являются природный газ и каменный уголь. На Томской ГРЭС-2 сжигается уголь Кузнецкого угольного бассейна (например, Моховского и Талдинского угольных разрезов), преимущественно марок «Д», «ДГ». Начиная с 2006 г. на Томской ГРЭС-2 наблюдается устойчивая тенденция увеличения доли используемого угля в общем топливном балансе. В 2012 г. доля угля составляла 48% (341,2 тыс. тонн), против 17,6% (200 тыс. тонн) угля в 2006 г. в корзине энергоресурсов теплоэлектростанции. Средняя зольность угля, сжигаемого на Томской ГРЭС-2, составляет 17,0%, содержание серы – 0,35%, азота – 1,75%, массовая доля минеральных примесей – 2–4%, калорийность угля – 5160 ккал/кг.

Основным видом воздействия Томской ГРЭС-2 на состояние воздушного бассейна города является выброс загрязняющих веществ, образующихся при сжигании в котлах органического топлива. При сжигании твердого топлива с дымовыми газами в атмосферу выделяются: летучая зола углей, диоксид и оксид азота, диоксид серы, бенз(а)пирен, соединения Fe, Mn, Ni, Cr, сероводород, фтористые соединения, углеводороды. Пылегазоулавливающие установки Томской ГРЭС-2 предназначены для улавливания золы и частичного улавливания диоксида серы в мокрых золоуловителях, средняя эффективность очистки составляет 96%. В итоге в атмосферный воздух г. Томска ежегодно выбрасывается до 7,05 тыс. тонн загрязняющих веществ, из которых 32% (2,23 тыс. тонн) – это твердые вещества. Отвод дымовых газов на Томской ГРЭС-2 осуществляется через дымовую трубу высотой 100 м с диаметром устья 6 м. [3]

1.3 Преобразование вредных выбросов ТЭЦ в атмосферном воздухе

Вредные выбросы и природные вещества в атмосфере подвергаются сложным процессам превращения, взаимодействия, вымывания и т.д. Эти процессы различны для взвешенных частиц и газообразных примесей. Время нахождения (“жизни”) взвешенных частиц в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических параметров и некоторых других факторов, в первую очередь от высоты выброса частиц в атмосферу и их размеров.

Основными путями вывода аэрозолей из атмосферы (самоочищения) являются самоосаждение частиц под воздействием сил тяжести, осаждение их на растения и водоемы, а также вымывание дождем.

Частицы размером более 10 мкм относительно быстро опускаются на землю под действием сил тяжести. Частицы с поперечником от 4 до 10 мкм поднимаются с дымом на высоту более 1 км и могут перемещаться потоком воздуха на сотни километров. Частицы от 1 до 4 мкм очень медленно осаждаются, достигая земной поверхности в течение года. Частицы менее 1 мкм распространяются подобно молекулам газа.

Вопрос о времени жизни и превращениях газообразных загрязнений атмосферы изучен еще недостаточно. Например, диоксид серы сохраняется, по данным разных исследователей от нескольких часов до нескольких дней.

Диоксид серы в атмосфере постепенно окисляется до триоксида серы, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту. На скорость процесса окисления влияет солнечный свет и мельчайшие частицы пыли, каталитически ускоряющие процесс окисления. На процесс окисления влияет также влажность воздуха. С увеличением влажности процесс окисления сернистого ангидрида ускоряется.

Установлено, что в атмосфере происходит реакция фотодиссоциации диоксида азота NO₂ на NO и О, при этом поглощается излучение ультрафиолетовой области спектра, которое играет преобладающую роль в атмосферных фотохимических процессах. Энергия, необходимая для разрыва связи между азотом и кислородом, составляет около 300 кДж/моль.

Следствием диссоциации NO является большое количество вторичных реакций. Совместное окисление углеводородов и окислов азота приводит к образованию соединений, которые в результате дальнейших реакций образуют так называемые пероксиацилнитраты (ПАН), обладающие сильным токсичным действием. Вещества группы ПАН можно обнаружить в загрязненном городском воздухе во время токсичного тумана (смога).

Среди вторичных фотохимических реакций важное значение имеет взаимодействие молекулярного кислорода и оксида азота NO с атомарным кислородом, в результате чего образуется озон О₃ и диоксид азота. Фотохимические реакции с диоксидом азота протекают в следующих направлениях:

NO₂+УФ®=NO+O;

O+O₂=O₃;

NO+O₂=NO₃;

NO₃+O₂=NO₂+O₃.

Знак УФ означает, что реакция фотодиссоциации происходит с поглощением ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.

В итоге происходит непрерывное образование озона, который взаимодействуя с оксидом азота, образует снова диоксид азота, т.е.

NO+O₃=NO₂+O₂.

Как показывают исследования, в результате перечисленных реакций происходит постепенное доокисление монооксида NO до диоксида NO₂ по мере удаления дымового факела от дымовой трубы. На выходе из дымовой трубы 85…90% всех оксидов азота представляет NO.

Итоговое преобразование NO в NO₂ приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на природу и живые организмы, так как последний более токсичен.

Установлено, что основной причиной фотохимических превращений в приземном слое атмосферы городов является высокая степень загрязнения воздуха органическими веществами (преимущественно нефтяного происхождения) и оксидами азота.

Суммарная концентрация окислителей, называемых еще оксидантами, образующихся в атмосфере воздуха в результате фотохимических превращений, в ряде случаем может быть использована как гигиенический показатель интенсивности протекания этих реакций. Концентрации оксидантов подвержены большим колебаниям, но наблюдается определенная закономерность. как правило, вслед за низкими ночными концентрациями наблюдается их значительное увеличение в утренние часы. Максимум наступает в полдень с усилением воздействия солнечных лучей. Снижение концентраций происходит с заходом солнца.

При высоких концентрациях оксидов азота, они частично окисляются под воздействием солнечной радиации до высшего оксида азота N₂O₅, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует азотную кислоту.

Соединения ванадия, аэрозоли бенз(а)пирена, распространяясь в атмосфере вместе с пылью, дождем или снегом, оседают на почву и водоемы.

Из сказанного следует, что вредные выбросы ТЭС – пыль, оксиды серы и азота и другие вещества, воздействуя на биосферу в районе расположения электростанции, подвергаются различным превращениям и взаимодействиям и затем осаждаются или вымываются атмосферными осадками.

Следует помнить, что почти все выбрасываемые ТЭС вещества не являются инородными для окружающей природной среды и участвуют в круговороте веществ между атмосферой, литосферой и гидросферой. [4]