Сарбасова Г.А., Кокаев О.Ш., Болысбекова С.Т.

М.Х. Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті, Тараз қаласы

қоршаған ортаға техногенді шығарылымдардың зиянды әсерін бағалау және зерттеу әдістемелерін жетілдіру

Табиғи ортаның компоненттеріне зиянды әсерін тигізетін газ қоспалары концентрацияларын жоғары түтіндік мұржалар арқылы үлкен биіктіктен шығару жолымен азайтуға болады; бұл кезде газдар көлемді кеңістік аумағына таралып, қоршаған ортаны ластайды. Басқа жағдайларда, техникалық және экономикалық себептерден, кейбір газдардың концентрациясының шектелген деңгейінде, әсіресе қолайсыз метеорологиялық жағдайларда, мысалы, атмосфераның тұрақты инверсиялары кезеңінде, ластаушы зиянды заттардың топырақ бетінің деңгейінен жоғары көтеріліп ыдырайды.

Әдетте ауаның температурасы биіктік ұлғайған сайын төмендейді, сондықтан түтіндік мұржадан шығарылған жылу газдары температура айырмасы әсерінен едәуір биіктікке көтеріледі. Кейбір жағдайларда шығарылым көзінің биіктігіне байланысты жылы ауаның қабаты одан суықтау ауаның қабатында, топырақ бетінің деңгейінде жайылып төселінеді.

Түтін мұржасынан шығарылатын шығарылымның температурасы ауа кеңістігі температурасынан төмен болған жағдайда, ол жоғары көтеріліп ыдырамайды, қайта жер беті аумағында түтінді газ көтеріліп қабат құралады да, инверсиялық көтерілу тежеледі және оның топырақ деңгейіндегі концентрациясы өзгерген метеорологиялық жағдайларда жиналған газдарды ыдыратпайынша өсе береді.

Жер бетінің деңгейіндегі қоспалар концентрациялары шығарылатын заттардың табиғатына, газдардың шығарылу температурасы мен жылдамдығына, мұржаның нақты биіктігіне, жел жылдамдығына және атмосферадағы температуралық жағдайларға тәуелді. Желдің төмен жылдамдығы жағдайында, ал газдың шығарылу температурасының жоғары деңгейде болуынан оның көтерілу күші ұлғайып, едәуір биіктікке шығарылуына мүмкіндік туындайды. Желдің үлкен жылдамдықтарында, яғни турбуленттілік қозғалыс жағдайында газдардың тез ыдырауын қамтамасыз ететіндігі белгілі. Желдің біркелкі жылдамдықтар (6-9 м/с) кезінде топырақ бетінің деңгейіндегі шығарылымдардың құрамындағы газдың ең үлкен концентрациялары байқалады.

Жер бетінің деңгейіндегі концентрацияларды анықтау мәселесі екі жолмен шешіледі: түтіндік бұлттың шекті өлшемдерін және оның ең жоғары биіктігін есептеу, сондай-ақ сол нүктедегі газдар диффузиясын анықтау.

Бірінші жуықтауда мұржаның тиімді биіктігі, оның нақтылы биіктігінің H_Н, шығарылатын газдар жылдамдығына байланысты бұлттың көтерілу биіктігінің H_υ, және көтерілген газдар мен қоршаған ауаның температуралары-ның айырмасы салдарынан көтерілу биіктігінің H_T қосындысы ретінде анықтауға болады [1-6]:

(1)

Шығарылатын газдар жылдамдығы жеткілікті және шығарылым биіктігінің ұлғаюын қамтамасыз ету үшін түтіннің түтіндік мұржа жиегінің бойымен «жылжу» мүмкіндігін болдырмау қажет. Бұл үшін түтінді газдардың мұнарадан шығу жылдамдығы, тәжірибелік мәліметтер бойынша, жел жылдамдығының функциясы болып табылатын кейбір сынақтық шамадан жоғары болуы керек (сурет 3). Шығарылымдардың лайықты жылдамдықтарын таңдау бойынша нұсқаулар түтіндік мұржалар биіктігі туралы Британия меморандумында келтірілген, онда кіші қазандықтар (өнімділігі 13600 кг/сағ буға дейін) үшін шығарылым жылдамдығын толық жүктемелеу (қазандық үрлеу желдеткішімен жабдықталған) кезінде 6- 7,6 м/с-тан кем емес – сорып алатын желдеткіші бар қазандықтар үшін орнату ұсынылады. Бұл жылдамдық бойынша толық жүктемелеу кезінде бу өнімділігі 2,04·10⁵ кг/сағ болатын қазандықтар үшін 15,2 м/с жоғары деңгейіне дейін өседі [1-6].

Түтіндік мұнарадан шығатын газдар шығарылымының осындай «сынақтық нәтижеден жоғары» жылдамдығына жету және түтіннің жылжу мүмкіндігін жою үшін мұржаның шығу тесігінің конфигурациясын өзгерту қажеті болуы мүмкін; ағынның ең аз шығынына жету көзқарасынан ең тиімді конфигурация Вентури түтігі мысал болады. Түтіннің будақтары инверсиялы қабатқа, әдеттегі «соңына» қарағанда, жеңіл кіре алады деп жорамалданған, сондықтан жеңіл будақтарға әсері соншалықты маңызды болмайды [1-6].

Көтеру күшінің нәтижелілігі атмосфералық жағдайларға тәуелді және төменде келтірілген есептеулерді орындауда атмосфералық жағдайлар үлкен биіктіктерге дейін және үлкен аралықтарда тұрақты деп қабылданады, бірақ мұндай жорамалдың іс-тәжірибеде расталуы сирек болады. Биіктік бойынша температураның төмендетілу градиенті температураның адиабаттық төмендетілуіне қарағанда жоғары болса (яғни атмосфера температурасы әр 100 м биіктікке 1ºС-тан көбірек төмендеген болса), онда түтіндік мұржадан шығарылған түтіннің ыстық бұлты үлкен биіктікке көтеріледі және жер бетінің үстінде ластанулар байқалмайды. Бірақ, температураның бірқалыпты төмендеуі кезінде (атмосфералық температураның 100 м-ге 1ºС-тан кем болғанда) немесе температуралық инверсия жағдайында Н_Т шамасы ең аз мәнге жуықтайды.

Түтіндік бұлттың көтерілуі алуан түрлі әдістермен дәлдіктің әр түрлі дәрежесінде есептелуі мүмкін. Бұл әдістерді Штром мен Самерс толық жете сипатталған. Төменде олардың кейбіреулері ғана келтіріледі. Бозенквет, Карей және Хэмитонның белгілі әдісі Н_Т және Н шамаларының әсерімен түтіндік бұлттың көтерілуіне өте сақ баға беруге мүмкіндік береді. Пристли әдісінің модификациясы тәжірибелік мәліметтермен 3% дейін дәлдікпен үйлесетін көтеру күшін Н_Т анықтауға мүмкіндік береді. Бозенквет, Карей және Хэмитон келесі теңдеулерді ұсынды [7-8]:

1) кезінде түтіндік мұржадан шыққан шығарылымдар жымдамдығына тәуелді :

(2)

және

(3)

мұндағы: _max–түтінді бұлттың көтерілуінің жоғары деңгейі, м; х – түтінді бұлттың сейілуінің ара қашықтығы, м; и – желдің жылдамдығы, м/с; – мұнараның шыға берісіндегі түтіндік газдардың жылдамдығы, м/с; Q – түтіндік газдар тығыздығы қоршаған атмосфераның тығыздығына тең болған кездегі температурада «Амангеглдігаз» ЖШС кәсіпорны өндірістік жағдайында өлшеніп анықталған түтіндік газдың мұржадан шығару жылдамдығы, м³/с.

- и = 0,5 м/с; - и = 1,0 м/с; - и = 2,0 м/с

Сурет 1 – Түтіндік газдың шығарылу жылдамдығының, желдің жылдамдығына байланыстылығы

2) Н_Т ыстық лепті алаулы газ қоспасының температураға байланысты биіктігінің өзгерілуін төмендегі формуламен анықтауда көптеген авторлармен әртүрлі мәндер алынған:

(4)

мұндағы: g_c – гравитациялық үдеу, g_c = 9,81 м/с²; Т₁ – түтіндік газдардың тығыздығының атмосфераның тығыздығына тең болған кездегі абсолюттік температура, К; Т_S – мұржаның шыға берісіндегі түтіндік газдардың температурасы, К;

(5)

мұндағы: G – атмосфералық температураның потенциалдық градиенті, G = 0,3ºС/м [8-11].

Есептеулерді қарапайымдатуға болады, егер теңдеуде (lnІ² + 2/І – 2) формуласын Z-ке ауыстырғанда және 2 -суреттен Z мәнін х-тың функциясы сияқты анықтағанда, яғни

(6)

1-6 теңдеулерінің, Страуспен және Вудхаузбен /5/ табылған, номографиялық формуласы іс-тәжірибелік мақсаттар үшін жеткілікті болатын дәлдік дәрежесімен шешімдер береді [7-11].

Сурет 2 – Түтіндік газдың шығарылу биіктігінің желдің жылдамдылығына байланыстылығы

Түтінді газдың шығарылу биіктігінің қозғалысы жылдамдығына байланыстылығы Пристли ұсынған әдіс көтерілетін газ бұлттың өзімен тудырылған турбуленттік қоғалыста болады деген жорамалда негізділген; ауаның түтіндік қоспасының екпінімен сорып алынғандығы туралы, шығарылым газ қоспаларының таралуы туралы және горизонтальдық диффузиядан қозғалыс пен жылу мөлшерлерінің азаюуы туралы, сонымен қатар бұлттың көтеру күші туралы жорамалдар жасалған. Бұл бұлтпен өздігінен генерацияланатын турбуленттілік желмен байланысты атмосфера турбуленттілігіне тәуелді және жиірек бұлттың бастапқы көтерілуінде үстемді фактор болып табылады.

м (7)

мұндағы: Е – қоршаған атмосфераға қатысты жылу көзінің қуаттылығы (1,055·10³ Вт); С_р – тұрақты қысым кезіндегі газдың меншікті жылу сыйымдылығы (2,326 кДж/кг); ρ– түтіндік мұржаның шыға берісіндегі газ тығыздығы, ρ = 0,09 кг/м³.

Әлсіз желмен күшті инверсия үшін (бұл тәжірибе жүзінде ең қатты атмосфералық жағдайларға алып келеді) с мәнін 0,265и^1/2 мәніне ауыстыру, яғни (1,55^-1/2 мәнін 0,414и^-1/4 мәніне ауыстыру арқылы осы формуланы пайдалануға болады. Жел жылдамдығы 3 м/с жоғары және температураның адиабаттыққа жақын төмендегені кезде Е мәні мен жел жылдамдығынан сол тәуелділік келесі түрде жазылады[6-11]:

, м (8)

Бұл қатынас тәжірибелі түрде нысана жағдайында зерттелген алаулы шырақ қондырғысында тексерілген, олар үшін шығарылым газдарын жандыру жағдайында тегіс бет пен бейтарап атмосфера үшін α = 5700 мәні ұсынылады. Бұл теңдеулер көтеру күшінің есебінен бұлттың көтерілуінде бұрылатын газдар жылуының маңыздылығын көрсетеді.

Америкалық инженер-механиктер қоғамымен (ASME) қабылданған формула, биіктіктің жылу көзі жылдамдығының төртінші дәрежедегі түбірінен тәуелділігін пайдаланатын, сол жорамалдарда негізделген, бірақ ол түтіндік мұржаның нағыз биіктігін Н_S ескереді [6-11]:

, м (9)

Мозес және Карсон Аргонн ұлттық зертханасындағы зерттеулерге және басқа да жарияланған тәжірибелік мәліметтерде негізделген эмпирикалық теңдеулерді жариялады; осы теңдеулердің формасы Холланд теңдеуінде негізделген. Шығарылым газдарын алаулы шырақта жандырудан шығарылатын алаулы газды түтінді қоспаның биіктігінің ыстық лепті түтінді газдың температурасына байланысты өзгеру келесідей әртүрлі нұсқада анықталып сипатталады [9].

Кесте-1 – Шығарылым газдарын жандыруда ыстық лепті түтінді газды ауалы қоспа биіктігінің температураға байланыстылығын анықтау формулалары

Күйі	dθ/dr, К 100 м-ге	НТ
Тұрақсыз	– 0,22-ден кем
Бейтарап	– 0,22-ден 0,85-ке дейін
Тұрақты	0,85 ≤
Ескерту: D–шыға берістегі түтіндік мұржаның диаметрі, D =0,5 метр; НТ – шығарылым биіктігі, м; и – ауа қозғалысының жылдамдығы, и = 3 м/с; υ – шығарылым жылдамдығы, υ = 9,39 м/сек.

1–кестедегі (1) формуламен анықталған нәтиже алау шырағынан шығарылған ыстық лепті ауалы газ қоспасының биіктігі өндіріс жағдайында нақтылы өлшенген шамадан үш есе артық, (2) формуламен теріс нәтиже шығады, ал (3) формуланың нәтижесі сәйкес келеді.

Бұл формулалар, біріншіден ауа қозғалысының жоғары жылдамдықтарында ғана пайдалану мүмкін болады, екіншіден бұл формулада шығарылым биіктігіне әсер ететін негізгі көрсеткіштер ескерілмеген.

Атап айтқанда, шығарылым газдарын алаулы шырақ қондырғысында жандыру жағдайына (1) формуланы пайдаланып есептеп шығару нәтижесі жандыру жағдайына сәйкес келмейді. Сондықтан ГКДҚ технологиялық үрдістеріне сәйкес өндіріс жағдайында нақтылы тәжірибелік зерттеу нәтижелерімен алынған көрсеткіштерді пайдаланып есептеу арқылы ыстық лепті шығарылым биіктігін Н_Т.К. «Амангелдігаз» ЖШС кәсіпорны өндірістік үрдістері жағдайында анықтау керек.

Қатты отында жұмыс істейтін ірі жылу электр стансаларында түтіндік шоғырларды мұқият зерттеулердегі теңдеулердің көбісі желдің төмен жылдамдығында түтіндік шоғырды көтеру үшін тым жоғарылаған мәндерді беретінін көрсетті, ал сол кезде желдің біркелкі үлкен жылдамдықтарында (3 м/с-тан жоғары) Карсон және Мозес теңдеулері бойынша ең дәл мәндерді алады [11].

Сонымен, белгілі өндірістік жағдайларында зерттеу нәтижелерімен жоғарыда келтірілген формулаларды пайдаланып, нақты шығарылым бұлттарының желдің әсерінен, қоршаған ортаның температурасы және мұржадан шыға берістегі түтінді газдың температурасына байланысты ауа кеңістігіне ыдырап табиғи ортаға әсерін бағалайтын сипаттамасын, қауіптілік көрсеткіштерін зерттеп анықтау қажет.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. С. Степановских. Охрана окружающей среды. Москва, 2000. -242 с.

2. Тілегенов И.С. Обоснование и разработка способов и средств предотвращения техногенных выбросов в окружающую среду: Дисс. на соис. учен. степени докт. техн. Наук. –Тараз. 2003. -255 с.

3. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. -М.: Химия. 1981. -616 с.

4. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час. –Санкт-Петербург: «Интеграл». 1999. – 44с.

5. Геоздев Б.П., Грущенко А.Н., Корнилов А.Е. Эксплуатация газовых и газоконденсаттых месторождений.: Справочное пособие. – М.: недра, 1988. -575 с.

6. Амняк А.В., Васильева М.А. Добыча газа. М.: Недра. 1973 -215 с.

7. Коротаев Ю.П. Эксплуатация гаовых месторожений. –М.: Недра. 1975. -415 с.

8. Шмыгля П.Т. Разработка газовых и газоконденсатных месторождений –М.: Недра, 1967. -210 с.

9. Зайцев В.А. Промышленная экология: учебное пособие / РХТУ им. Д.И.Менделеева. М.: 1998.- 140 с.

10. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Высшая школа. –М.: Ғылым. 1996. -22 с.