VÝZKUM ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ OLOVEM V OKOLÍ KOVOHUTÍ PŘÍBRAM. Jaňour Z,. Holpuch J.a, Z., Brych K.b , Dittrt F.b, Severa M.b, Kunický Z.c, Vurm K.c a
Ústav termomechaniky AV ČR, Katedra meteorologie a ochrany prostředí, MFF UK b Ústav pro hydrodynamiku AV ČR c Kovohutě Příbram, a. s.
Souhrn Na základě Smlouvy č. 3/1999 mezi Ústavem termomechaniky AV ČR a KOVOHUTĚMI Příbram a. s. byl prováděn výzkum znečištění ovzduší olovem, emitovaným ze závodu. Pomocí metody fyzikálního modelování byla diagnostikována přízemní pole koncentrací v roce 1975, kdy byly značné emise olova vypouštěny ze sedmdesátipětimetrového komína, a v roce 1993, kdy díky zavedení nových technologií došlo k poklesu emisí o dva řády a kdy byl vybudován nový stošedesátimetrový komín. Přímou fyzikální simulací v aerodynamickém tunelu byly stanoveny hodnoty průměrných denních koncentrací v okolí závodu a s využitím větrné růžice z hladiny 850 hPa byly též odhadnuty hodnoty průměrných koncentrací ročních. Výsledky prokázaly, že zavedením nových technologií a realizací ekologických opatření bylo dosaženo podstatné redukce denních i ročních přízemních imisních koncentrací. Současné roční koncentrace jsou ve srovnání s imisním limitem pro olovo o více jak dva řády menší. Úvod Mezi látky, které se významnou měrou podílejí na znečištění atmosféry, patří olovo. To se, podobně jako další těžké kovy, dostává do ovzduší jednak prostřednictvím přirozených procesů a dále v důsledku lidské činnosti ve formě antropogenních emisí. Podstatný antropogenní zdroj těžkých kovů představuje zpracovatelský průmysl neželezných kovů. Zpráva o stavu životního prostředí v Evropě [1] např. uvádí, že s touto činností souvisí 74% emisí arsenu, 65% emisí kadmia a 57% emisí zinku. Naproti tomu u olova pocházely ještě v roce 1982 celé tři čtvrtiny jeho emisí ze zdrojů mobilních. Se zaváděním bezolovnatého benzínu, ke kterému v zemích Evropské unie postupně docházelo v 80-tých letech, se však tento poměr změnil a přestože v naší republice k tomuto trendu dochází až cca o deset let později, je zřejmé, že chceme-li dále redukovat přítomnost olova v ovzduší, je nutné se zaměřit na antropogenní zdroje související právě s metalurgickým průmyslem. Retrospektiva výroby OLOVA na Příbramsku Mezi nejvíce exponované oblasti ve vztahu k olovu patří odedávna Příbramsko. Zpracování olova v podobě hornictví a navazujícího hutnictví zde má téměř tisíciletou tradici. V místě akciové společnosti Kovohutě Příbram byla huť založena v roce 1786. Od svého vzniku do roku 1996 vyrobila 1112 t olova. Při srovnání s výrobou ve starých příbramských hutích, které ho za více než 500 let své existence nevyprodukovaly více jak 16 t, je zřejmé, že hlavní podíl na negativním vlivu na životní prostředí v okolí Příbrami lze přičíst činnosti právě v areálu současné hutě. Tyto vlivy jsou tvořeny společným působením odpadních 1
-
-
plynů, odpadních vod a odpadů z výroby. Popisovaný výzkum se v převážné míře zaměřil na první z nich. V dávné minulosti lidé pravděpodobně neměli ani potuchy o tom, jaké účinky má olovo na lidský organismus. Při jeho zpracování nebyli zaměstnanci nikterak aktivně chráněni a docházelo ke zcela nekontrolovatelnému šíření emisí do okolí závodu. Lze se toliko domnívat – viz Vurm [2], že nad pecemi pro tavení pražených olověných rud byly komory, v nichž se usazoval prach z plynů před tím, než byly vypuštěny komínem do atmosféry. Spolu s pokrokem lidského poznání docházelo k postupnému odhalování škodlivosti olova, objevily se ochranné pracovní pomůcky a začalo se zamezováním úletu emisí do ovzduší. Dle již zmíněného pramenu [2] byl základní odprašovací systém vybudován v letech 1900 – 1901. Jednalo se o sedm odlučovacích kouřových komor pro usazování prachu z hutních plynů napojených na komín s výškou 75 m. Do komor, jejichž celková délka činila 1 500 m, se plyny přiváděly mohutným ventilátorem. Usazený prach se z komor a kanálů těžil ručně během letní provozní přestávky. V roce 1903 se vytěžilo 339 t prachu s obsahem 150 t olova, v roce 1908 se takto získalo již 748 t prachu. Údržba zděných komor byla nákladná, působením oxidu siřičitého a vlhkosti z pražení rud docházelo k jejich rozpadání. V roce 1927 byl systém doplněn elektrostatickým rourovým odlučovačem. Odlučovač pracoval s účinností 85-90 % a měsíčně zachytil 50-60 t prachu. Toto podstatné snížení emisí však netrvalo dlouho, protože výstupní strana elektrofiltru trpěla následky vlhkých plynů s obsahem oxidu siřičitého. V roce 1933 byly plyny z pražírny zavedeny přímo přes hlavní ventilátor do prachových komor a komína. Od té doby elektrofiltr odprašoval pouze plyny od tavicích a rafinačních pecí. Koncem 2.světové války byl tento odlučovač zničen při náletu. V roce 1948 byl švýcarskou firmou ELEX vybudován deskový elektrostatický odlučovač. Měl pracovat s účinností 98 %, ale brzo po spuštění se projevily značné potíže s nalepováním prachu na elektrodách. Určité zlepšení nastalo díky použití elektrod vyrobených z běžného, měkkého ocelového drátu, přesto však stále ještě značné množství prachu odcházelo v plynech do ovzduší. V dalším období byly prováděny mnohé pokusy se zařízeními domácí provenience, které však vesměs nepřinesly úspěšné řešení. Určitá naděje vznikla po uvolnění v roce 1968, kdy byla navázána spolupráce s francouzskou firmou PRAT DANIEL. Pro krátké bubnové pece byl v roce 1972 instalován pytlový filtr, který pracoval velmi dobře. S ohledem na lepivost prachu byl pro plyny ze šachtové pece instalován mokrý odlučovač, ten se však vyznačoval nízkou účinností a navíc trpěl častými výpadky. Přesto se celkové emise prachu s obsahem olova snížily asi o 60 %. Podstatné snížení emisí oxidu siřičitého se datuje od roku 1972, kdy bylo na požadavek hygienických orgánů úplně zastaveno zpracování olověných rud a koncentrátů. Od roku 1973 se tak na zdejší huti vyrábí olovo pouze z olověných odpadů, zejména z vyřazených akumulátorů. Zásadní zlepšení odprašování plynů nastává od roku 1983, kdy byl dán do chodu odprašovací systém dovezený z Polska a navržený podle dánského vzoru. Systém pracoval spolehlivě s využitím dopalovací komory pro spálení oxidu uhelnatého a zejména organických destilátů z akumulátorů a s následným odprašováním plynů v mohutném pytlovém filtru se skelnou
2
-
-
tkaninou. Po různém zlepšení odprašování dalších agregátů představovaly emise olova z celého podniku za rok 1986 pouze 0,5 % emisí, vypouštěných v roce 1969. Po roce 1989 se otevřely nové možnosti pro zásadní zlepšování technologie a realizaci ekologických opatření. Zásadní změna společenské situace umožnila investovat do ekologických staveb. Byly vybudovány dvě zabezpečené skládky pro nebezpečné odpady a dvojitý kanalizační systém, napojený na čistírny splaškové a dešťové vody. Ve spolupráci s FNM ČR se postupně odstraňují staré ekologické zátěže v areálu podniku. Na základě spolupráce s německou firmou VARTA byla v roce 1997 dokončena výstavba moderní šachtové pece s dohořívací a chladící komorou a speciálním filtrem. Zařízení je vybaveno kontrolním a regulačním systémem, který zajistil snížení tuhých i plynných emisí pod limity předepsanými normami EU. Zařízení umožňuje zpracovávat celé olověné akumulátory i s kyselinou, takže není nutno provádět jejich pracnou a ekologicky nevhodnou předúpravu. Dále bylo zajímavým způsobem vyřešeno skusování zachycených úletů, které se zpracovávají na inovované krátké bubnové peci s moderním zavážením a ohřevem pomocí hořáku zemní plyn-kyslík. Tím se mj. snížila prašnost přímo na provoze. V současné době je dokončován systém ekologického řízení podniku dle ISO 14 000. Naznačený vývoj emisí je zachycen na obr. 1, podrobnější popis opatření lze nalézt v článku Kunického[3].
E m is e o lo v a z e z d r o j e K o v o h u t ě P ř í b r a m , a . s . 700
600
Emise Pb [t/rok]
500
400
300
200
100
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
1974
1973
1972
1971
1970
1969
1968
0
ro k
Obr. 1 Vývoj emisí z Kovohutí Příbram v letech 1969 – 1998. Cíl studie I přes realizaci těchto opatření a podstatnému snížení emisí však nadále zůstává ve vzdálenosti 1,5 až 2 km od podniku zvýšený obsah olova v půdě. Podle prováděných průzkumů sice není přechod olova z kontaminované půdy do vegetace tak významný, jako byl v minulosti přímo z ovzduší, nicméně akumulované olovo se projevuje na hodnotách měřených imisních koncentrací díky sekundárním emisím.
3
-
-
Na obr. 2 jsou vyneseny hodnoty průměrných měsíčních přízemních koncentrací olova v Trhových Dušnících (viz. obr. 10) z roku 1995. Z grafu je zřejmé, že koncentrace nabývají maxima v květnu a dále v září až listopadu. Průměrná roční koncentrace pak činní 0.43 µm/m3 a blíží se tak k imisnímu limitu pro olovo v polétavém prachu, který činí 0.5 µm/m3.
Koncentrac Pb Trhové Dušníky 1995 1,2
1
0,8
[ug/m*3] 0,6 Řada1
0,4
0,2
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
měsíc
Obr. 2. Měsíční přízemní koncentrace olova v Trhových Dušnících v roce 1995 Výskyt takto vysokých koncentrací lze, jak vyplyne ze závěru studie, spojovat s rozptylem částic historicky kontaminované půdy, dílem při polních pracích, dílem větrnou erozí obnažené půdy bez vegetačního pokryvu. Cílem výzkumu bylo analyzovat proces šíření olovnatého prachu ze závodu do okolí a oddělit důsledky současného provozu od důsledků činnosti v minulosti. Z uvedené retrospektivy je možné vyvodit, že historický vývoj, alespoň v posledním období můžeme rozdělit do čtyř etap. •
období do roku 1972 se značně vysokým únikem emisí.
•
období výroby olova z olověných odpadů, tedy od roku 1972 do roku 1983, kdy byl uveden do provozu polský odprašovací systém
•
etapa ukončená masivním snížením vlivu výroby olova na okolní prostředí v roce 1994.
•
etapa od roku 1994, představující vlastně již přítomnost závodu.
Pro tyto čtyři etapy byly na základě technických parametrů zdrojů provedeny analýzy celkových emisí z jednotlivých provozů. Po jejich rozboru se ukázalo, že vývoj znečištění ovzduší v okolí závodu je možno dobře dokumentovat porovnáním situací v roce 1975, kdy byl v provozu starý 75-ti metrový komín s vysokými emisemi a v roce 1993, kdy byl již v provozu komín 160-ti metrový a hodnoty ročních emisí se zásadně snížily. Příspěvky z ostatních komínů v areálu závodu jsou, jak dále z analýzy vyplývá, v porovnání s těmito dvěma zanedbatelné, na pole v širším měřítku nemají rozhodující vliv a proto nebyly ve studii dále uvažovány. Od zadavatele byly získány údaje o chemickém složení emisí:
4
-
-
Složení emisí [%] Ag Pb Sb Sn Cl S
do r. 1972 do r. 1982 >0.01 0.03 40 – 60 58.8 1–3 0.9 0.5 1.2 7 – 12 >5.0 5-6 6.6 Tab. 1 Složení emisí
do r. 1994 0.0021 66.76 0.55 0.53 12.58 5,04
nyní 0.0009 63.6 0.34 1.4 23.4 1.4
Taktéž bylo k dispozici velikostní spektrum prachových částic (obr. 3), ze kterého vyplývá, že průměr převážné většiny z nich nepřesahuje velikost 5 µm.
H m o tn o s tn í s p e k tr u m
relativní podíl na celkové hmotnosti částic [%/µm]
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0 0
5
10
15
20
25
p r ů m ě r č á s t ic [µ m ]
Obr 3 Hmotnostní spektrum ~ Relativní podíl částic o daném průměru na celkové emitované hmotnosti. Uváděná měrná hmotnost částic je 5595 kg/m3. Uvážíme-li Stokesův vzorec vd =
2 g ( ρ a − ρ )r 2 , 9 ρν
(1)
kde: g................................... gravitační zrychlení ρ................................... hustota vzduchu (≈ 1.225 kg/m3 za normálních podmínek) ρa ................................. hustota částic ν................................... kinematická viskozita je možné odhadnout pádovou rychlost emitovaných částic hodnotou 1.29 10-3 ms- 1. Při charakteristické rychlosti proudění cca 10 ms- 1 poklesnou částice na vzdálenosti 5 km od zdroje o pouhých 0.65 m, což nás vzhledem k o 2 řády větší stavební výšce zdroje a k užití 5
-
-
přibližného modelu pro výpočet efektivní výšky opravňuje gravitační depozici na této vzdálenosti zanedbat. Metoda výzkumu Většina znečištění v atmosféře je obsažena v její nejspodnější části, v mezní vrstvě atmosféry (dále budeme zkracovat MVA). I z tohoto důvodu se v posledních desetiletích soustředil zájem atmosférických fyziků právě na tuto oblast a na děje, které se uvnitř zmíněné vrstvy odehrávají. Bohužel, ukazuje se, že právě tyto děje, spojené s prouděním a difúzí, se řadí mezi nejsložitější děje v přírodě vůbec. V atmosféře se totiž vyskytují pohyby různých měřítek, počínaje pohyby souvisejícími s globální cirkulací, přes pohyby tlakových útvarů, pohyby v bouřkových útvarech a v mracích, až po pohyby nejmenších měřítek, známé v turbulentních proudech. Přitom tyto pohyby spolu vzájemně interagují. Právě v MVA dochází vlivem vazkých sil k navázání pohybů velkých měřítek odehrávajících se ve volné atmosféře, s okrajovými podmínkami na zemském povrchu. Bylo nicméně prokázáno, že v úplném spektru atmosférických pohybů je mezera cca v oblasti frekvence 3 x 10-4 Hz, což přibližně odpovídá periodě jedné hodiny. Na základě tohoto faktu byla navržena metoda, podle které fluktuace s periodou menší než 1 hodina náleží k turbulentnímu proudění a fluktuace s periodou větší jsou součástí středního pole. Pro procesy velikosti mezo-měřítka, kterým odpovídá námi sledovaná úloha, je k vyjádření středního pole možné použít tzv. Boussinesquovu aproximaci. Okamžitou hodnotu hustoty, tlaku, potenciální teploty, koncentrace a dalších závisle proměnných lze potom rozložit na složku odpovídající pohybům velkých měřítek (je označována indexem 0), její střední odchylku a konečně turbulentní fluktuaci. Podrobněji byla tato otázka diskutována v [5]. Po jejím zavedení je možné odvodit soustavu pohybových rovnic pro střední hodnoty závisle proměnných ve tvaru: 1)
rovnice kontinuity r d iv V = 0 (aproximace mělké vody), resp.
(2)
r d i v ( ρ 0V) = 0 (anelastická aproximace)
(3)
2) Reynoldsovy rovnice r r r r r p r r r r r r r r ∂V Θ r + (V • ∇ )V = - ∇ + g k +ν (∇ • ∇)V − 2ΩxV - ( ∇ • v )v ∂t Θ0 ρ0
(4)
3)
rovnice pro zachování energie r r r r r ∂Θ Φ κ0 r) ∇ Θ - ( ∇ • v ) Θ′ + + (V • ∇ )Θ = (∇ • ∂t ρ 0 c p0 ρ 0 c p0
6
(5)
-
-
4) rovnice difúze r r r kχ ∂Χ + (V • ∇) Χ = (∇ • ∂t ν é
r r , r ∇) Χ + (∇ • v ) χ
(6)
r kde: V ................................. vektor střední rychlosti p................................... střední hodnota tlaku v´.................................. vektor rychlosti turbulentní fluktuace Θ.................................. potenciální teplota Θ´................................. její turbulentní fluktuace Χ .................................. koncentrace χ´ ................................. její turbulentní fluktuace g................................... gravitační zrychlení Ω.................................. vektor úhlové rychlosti rotace Země ν................................... kinematická viskozita ρ0 ................................. hustota κ0 ................................. teplotní vodivost cp .................................. isobarická tepelná kapacita Zavedením charakteristického délkového měřítka L0, charakteristického měřítka pro rychlost U0, pro teplotní diferenci ∆T0 =T0 - Tw , úhlovou rychlost Ω0, a g0 pro gravitační zrychlení, lze tuto soustavu rovnic převést do bezrozměrného tvaru: r r 1 r r r r r r r ∂V 1 r r r r r (7) (∇ • ∇)V - 2 ΩxV - ( ∇ • v´ )v + (V • ∇ )V = - ∇p + RiΘk + ∂t Re Ri r r r r 1 1 r r ∂Θ Ec + (V • ∇ )Θ = (∇ • ∇)Θ - ( ∇ • v´ ) Θ′ + Φ Pr Re ∂t Re
(8)
r r r r r r ∂Χ 1 + (V • ∇) Χ = (∇ • ∇) Χ + (∇ • v´)χ´ ∂t Pr Sc
(9)
kde: Ri = [∆T0 / T0 ] (L0 /U0 2 ) g0................................Richardsonovo číslo Re = U0 L0 /ν ............... Reynoldsovo číslo Pr = ν/ ( κ0/ ρ0 cp0 ) ...... Prandtlovo číslo Ec= U0 2 / cp0 ∆T0 ..............Eckertovo číslo Sc=ν/kχ ..................................... ..........................................Schmidtovo číslo. Nutno podotknout, že nezávisle i závisle proměnné v rovnicích (7) – (9) jsou, oproti rovnicím (2) – (6), bezrozměrné. Přesněji by tedy měly mít jiné označení (např. s horním indexem *). Pro přehlednost zápisu je však zde tento index vynechán. Tato soustava je neuzavřená – objevují se v ní další neznámé složky tenzoru Reynoldsových napětí, a je nutné použít vhodný model turbulence, což pro případ proudění v mezní vrstvě atmosféry úlohu dále značně komplikuje. Na numerickém řešení výše uvedených rovnic je založeno matematické modelování popisovaných dějů. Přestože jsou tyto metody v Ústavu termomechaniky intenzivně studovány – viz. např. [4], setkáváme se při jejich aplikaci s množstvím problémů a hodí se 7
-
-
proto spíše pro jednodušší případy. Při studiu proudění a šíření exhalací v orograficky komplikovaném terénu, a tím bezesporu příbramsko je, se již setkáváme se značnými komplikacemi, např. při definici okrajových podmínek. Pro takové případy je vhodná metoda fyzikálního modelování. Princip tohoto modelování spočívá ve vytvoření modelu atmosféry na stěně aerodynamického tunelu, který je s MVA aerodynamicky a termodynamicky podobný. Jak vyplývá z rozměrové analýzy, vyhovují procesy v reálné atmosféře (na díle) a procesy na modelu stejné soustavě bezrozměrných pohybových rovnic – (7) – (9). Abychom mohly hovořit o aerodynamické a termodynamické podobnosti, je nutné, aby si byly vzájemně rovny i zavedené bezrozměrné parametry. Odtud vyplývají následující nejdůležitější podobnostní kritéria: • • • • • • • •
geometrická podobnost, stejné Rossbyho číslo Ro, stejné Richardsonovo číslo Ri, stejné Reynoldsovo číslo Re, stejné Prandtlovo číslo Pr, stejné Eckertovo číslo Ec, stejné Schmidtovo číslo Sc, podobnost okrajových podmínek.
Chceme-li se navíc zabývat např. difúzí v bezprostřední blízkosti zdroje – komína, je nutné splnit další kritéria, zejména: •
podobnost bezrozměrných parametrů
u a h z 0 Rs u a hs u s ρ a u a2 ∆γ , , , , , , , hs Ω hs hs hs υ a u a ∆γD gρ a •
podobnost okrajových podmínek
Význam jednotlivých veličin je patrný z obr. 4, podrobnosti lze nalézt v [6].
8
-
-
ua
u (z ) ∆ h (x )
Vs
h
ρ s, C s
ρ (z )
hs
D s= 2 R s
x0 x
Obr. 4 Schéma proudění a difúze v MVA Tato kritéria bohužel obecně nelze splnit současně. Navíc se na existujících experimentálních zařízeních dostáváme mimo jejich konstrukční možnosti. Jako příklad lze uvést požadavek na rovnost Reynoldsova čísla: Rem =Rep ( index m označuje hodnotu na modelu, index p v atmosféře - prototyp) U m Lm U p L p ≡ ν ν
(10)
V atmosféře lze odhadnout: Up ≈101 m/s, Lp ≈103 m. Z kritéria (10) by pak vyplývalo, že pro charakteristický rozměr modelu Lm ≈ 100 m je nutné při použití vzduchu v tunelu nastavit rychlosti Um ≈ 103 m/s, což je ve stávajících zařízeních nerealizovatelné. Proto je nutné pro konkrétní úlohy odvozovat taková přibližná kritéria, která podstatným způsobem popíší danou úlohu. Hovoříme o tzv. aproximativní simulaci. Metody aproximativní simulace Z předchozího vyplynulo, že neexistuje universální metoda pro fyzikální modelování procesů v MVA. Jsou proto vyvíjeny metody, které lze využívat pro určitou omezenou skupinu úloh a jsou označovány jako metody aproximativní simulace. Soustřeďme se nejprve na modelování proudového pole. Metody modelování lze dělit především podle velikosti charakteristického horizontálního délkového měřítka na procesy rozměru: -
Mikroměřítka L0 ∈ (10-1 – 10) m, Malého měřítka L0 ∈ (10 – 2 103) m , Mezoměřítka L0 ∈ (2 103 – 5 104) m. Simulace procesů rozměru mikroměřítka je vesměs prováděna v případech horizontálně homogenního proudění v přízemní vrstvě. Procesy v této vrstvě je možné simulovat pomocí teorie Monina a Obuchova [7]. Pro procesy malých měřítek, což znamená procesy v MVA s horizontálním rozměrem menším jak 10-20 km již v předchozím uvedenou metodiku není možné použít. V poměrech naší republiky se přitom jedná buď o městskou aglomeraci nebo o oblast s orograficky 9
-
-
komplikovaným povrchem, popř. o městskou aglomeraci s komplikovaným povrchem, tedy o případy zcela běžné. Pro simulaci je využívána ta vlastnost turbulentního proudění, podle které je proudění nad dostatečně dlouhým drsným povrchem délky Lx nezávislé na Reynoldsově čísle. Pro procesy v MVA je podstatný odpor stěny, a ten, jak ukázal Schlichting [8], je na tomto čísle nezávislý. Analogicky Cermak [9] zavádí kritérium nezávislosti pro proudění na komplikovaným terénem ve tvaru u * hmn > 70 ν
(11)
kde hmn označuje střední diferenci mezi vrcholky kopců a údolími. Pro námi sledovanou úlohu jsou podstatné procesy velikosti mezo-měřítka. Pod tímto pojmem označujeme procesy nad oblastí s rozměrem cca 10 – 50 km. Konkrétně se budeme zabývat případem, kdy povrch je opětně orograficky komplikovaný. V tomto případě bude v obvykle užívaných tunelech měřítko modelu 1:5 000 až 1:50 000 a je možné využít metodu navrženou Cermakem [10], označovanou jako podobnost laminárního a turbulentního proudění. Za předpokladu podobnosti Richardsonova čísla a geometrické podobnosti, zavedením Boussinesquovy aproximace o turbulentní viskozitě, můžeme třetí a pátý člen na pravé straně rovnice (7) přepsat do tvaru ν K r r r + m (∇ • ∇)V U0L U0L
(12)
kde Km je turbulentní viskozita. Jestliže zajistíme na modelu laminární proudění, bude Km mod ≈0. U proudění v atmosféře, které má turbulentní charakter, můžeme předpokládat, že ν<< Km 3 4 atm (Km atm ≈ 10 - 10 ν). Proudění si potom budou podobná, jestliže U L U0L ≈ 0 ν mod K m atm
(13)
Relace (13) bude splněna, když Lmod / Latm ≈ 103- 104. Podstata této simulace spočívá v modelování turbulentní MVA prouděním homogenní vazké tekutiny, ve které je pole střední rychlosti determinováno topografií zemského povrchu a turbulentní smykové napětí je modelováno vazkým smykovým napětím. Z praktického hlediska to znamená, že model krajiny v aerodynamickém tunelu musí být obtékán laminárním proudem. Metody modelování přenosu pasivních příměsí lze rozdělit na modelování pole v blízkosti zdroje a modelování vzdáleného pole. V blízkosti zdroje probíhá difúzní proces ve smykové vrstvě mezi paprskem vytékajícím z komína a okolním proudem. Modelování tedy vyžaduje, aby poměr hybnosti paprsku a hybnosti příčně natékajícího proudu byl na modelu a na díle stejný. Toho lze zjednodušeně dosáhnout, když vznos osy paprsku nad ústí komína (∆h(x)-viz obr. 4) bude na modelu a díle stejný. Přesněji, bude v příslušném geometrickém poměru. Vznos vlečky je nejčastěji popsán tzv. 2/3 zákonem ve tvaru 1
2
∆h V g´h 3 x 3 = 1.6 s 2 h u u h
(14)
kde je
10
-
-
g´=
∆ρ g ρ
(15)
Odtud plyne, že nutnými podmínkami pro geometrickou podobnost jsou následující vztahy Vs V = s u m u p
(16)
a g ′h g ′h 2 = 2 u m u p
(17)
kde výrazy představují tzv. Froudovo číslo Fr 2 =
u2 gh( ρ − ρ s ) ρ
(18)
které charakterizuje poměr mezi inerciálními a vztlakovými silami. Pro pole dostatečně vzdálené od zdroje mají vztlakové síly a počáteční hybnost vlečky na proces difúze zanedbatelný vliv. Dominantní roli hrají procesy v turbulentním proudu a pro simulaci rozptylu je podstatné korektně simulovat turbulentní proud. Blízké pole je možné zahrnout zavedením vhodných okrajových podmínek pro zdroj. Pak je možné simulovat vzdálené pole na modelu s určitým měřítkem (např. 1:5 000) a pomocí simulace pole blízkého na modelu menšího měřítka (např. 1:200), popř. určit charakteristiky bodového zdroje jiným způsobem. Tedy uvažovat tzv. virtuální zdroj se souřadnicemi x0, hs + ∆h(x) , kde veličiny x0, hs ,∆h(x) jsou patrné z obr. 4. Pro uvedenou simulaci vzdáleného zdroje je pro námi uvažovaný model nutné použít již zmíněnou metodu podobnosti laminárního a turbulentního proudění, kdy je relace mezi turbulentní a laminární viskozitou určena rovnicí (13). Z rovnice (9) pro bezrozměrnou koncentraci potom vyplývá: C=
cUL2 Q
(19)
kde U, resp. L je charakteristický rozměr rychlosti, resp. délky. Pro určení veličin popisujících blízké pole byl použit výpočtový postup používaný v metodice SYMOS za normálního zvrstvení – viz Holpuch [11]. Podle této metodiky lze vznos odhadnout vzorcem 1.5 v d 1.14 A Q B ∆h( x) = (1 − β ) +β uH uH
(20)
kde uH je střední rychlost ve výšce koruny komína, v – výstupní rychlost spalin z komína, Q – tepelná vydatnost spalin, d - průměr koruny komína a empirické konstanty nybývají následujících hodnot: β=1 pro T≥80° C β = (T-30)/50 pro 30
-
-
A=90 A=30
pro Q < 20 MW pro Q ≥ 20 MW
B=1/3 B=0.7
pro Q < 20 MW pro Q ≥ 20 MW
T označuje teplotu spalin. Výstupní rychlost spalin lze určit ze vztahu v=
1 V 3600 d 2 π 2
(21)
a pro rychlost ve výšce ústí komína H platí H u H = u 850 200
0.14
(22)
kde u850 je rychlost ve výšce 850 hPa (cca 1500 m), V je objemový tok spalin v koruně komína. Model a experimentální metody Po konzultacích se zadavatelem, s Referátem životního prostředí Okresního úřadu a s Okresní hygienickou stanicí byla stanovena studovaná oblast - kruhové okolí závodu s poloměrem cca 4.5 km a středem vně závodu tak, aby byly podchyceny vybrané zájmové lokality, především obytná zástavba. Z tohoto zadání následně vyplynulo měřítko modelu 1:6 000, které zaručuje, že model zájmové oblasti svými rozměry odpovídá velikosti měřícího prostoru aerodynamického tunelu Ústavu termomechaniky AV ČR v Novém Kníně 1.5 m x 1.5 m x 2.0 m. Při vlastní výrobě plastického modelu krajiny bylo využito mapových listů pokrývajících danou oblast, které byly nejprve zvětšeny na příslušné měřítko modelu. Protože krok vrstevnic na mapě činil 5 m, bylo na modelu nutné dodržet odpovídající výškové rozlišení jednotlivých vrstev 0.83 mm. Na jejich výrobu byly použity papírové plotny o tloušťce 0.8 mm. Po nanesení příslušných vrstevnic na plotny a nastříhání byly speciálním postupem na sebe jednotlivé díly nalepeny tak, aby byl zaručen příslušný doplněk k uvedené výšce 0.83 mm a zároveň nedocházelo k pokřivení modelu. Nakonec byly na model umístěny charakteristické dominanty, především vysoké budovy, ale i lesní porost, silnice a vodní plochy. Podklady pro tyto dominanty byly získány z turistických map, zástavba, zejména pokud se jednalo o výšku budov, byla přenesena na základě místního šetření. Výsledný model je znázorněn na obr. 5, detail modelu z okolí závodu je ukázán na obrázku č. 6.
12
-
-
Obr. 5 Celkový pohled na model
Obr. 6 Detail modelu - okolí závodu Skutečnost, že je zájmová oblast kruhová, umožnila, aby model mohl být navržen a realizován jako otočný, což poskytuje možnost jeho ofukování z libovolného směru. Dalším úkolem bylo navrhnout model zdroje, resp. zdrojů o výšce 75m a 160 m. Pro použitou metodu měření koncentrací (viz dále) se ukazuje nutností použít kovovou trubku s vnitřním
13
-
-
průměrem 4 mm1 o výšce odpovídající efektivní výšce prototypu v navrženém poměru 1:6 000. Pro realistický odhad proudového pole a pole koncentrací je nutné modelovat realistické vstupní podmínky, zejména charakteristickou rychlost a směr proudění vnějšího pole. Stávající tunel neumožňuje modelovat obecné teplotní zvrstvení, ale pouze zvrstvení neutrální. To bohužel znamená, že v současnosti nelze simulovat krátkodobé epizody, převážně charakteristické výskytem inverze, nicméně, jak bude ukázáno, lze se s využitím takto získaných dat dobrat k odhadům dlouhodobých imisních charakteristik, jako jsou např. hodnoty průměrných ročních koncentrací. Pro sledovanou oblast a použité měřítko se jako výhodné jeví vyjít při modelování charakteristických podmínek během roku z větrné růžice naměřené vně mezní vrstvy atmosféry. Pro účely studie byly konkrétně využity 18-ti směrové růžice z hladiny 850 hPa, sestavené na základě aerologických sondáží prováděných na stanici Praha-Libuš. Větrná růžice obsahovala informace o četnosti, po kterou během roku vane vítr z daného směru a jeho průměrnou rychlost. Vlastní měření potom probíhala následovně: Pro každý ze směrů definovaného větrnou růžicí byl model příslušným způsobem pootočen vůči ose tunelu. Z průměrné rychlosti větru v daném směru byla na základě vztahů (20) – (23) vypočtena efektivní výška zdroje. Výška modelového komínu byla nastavena tak, aby v příslušném měřítku odpovídala efektivní výšce skutečného zdroje. Od průměrné rychlosti větru v daném směru se též odvíjela střední rychlost proudění v tunelu, kterou bylo možno regulovat prostřednictvím otáček hnacího ventilátoru. Pro poměr předepsané rychlosti proudění dle větrné růžice a nastavené rychlosti proudění v tunelu byl využit vztah (13), ze kterého po dosazení odhadů poměru velikosti molekulární a turbulentní viskozity lze vyvodit: Um = 0.1 Up
(23)
Dalším krokem byl kvalitativní odhad pole proudění nad modelem pomocí metody vizualizace. Pro tyto účely je v Ústavu termomechaniky k disposici systém, s jehož využitím lze provádět prvotní mapování proudění a poměrně spolehlivě vytipovat zajímavé oblasti pro následná lokální měření. Princip systému spočívá v zachycení světelné stopy kouřových částic unášených proudovým polem vhodným fotocitlivým elementem. Osvětlení částic v námi používaném systému zajišťuje kontinuální Argonový laser o výkonu 1W, využívaný v režimu „multi-line“, jehož výstupní svazek je soustavou čoček navázán do optického vlákna. Na jeho konci se nachází válcová optika vytvářející tenkou (cca 1 mm silnou) světelnou stěnu. Použití optického vlákna jako mezičlánku mezi laserem a válcovou fokusační optikou umožňuje snadnou manipulaci se světelnou stěnou a tím i značnou volnost při volbě řezu. Vyhodnocovací část systému se sestává z: • •
analogové CCD kamery normy CCIR s rozlišením 752 x 582 pixelů videokamerou CANON UC 800.
1
Nutno podotknout, že pro modelování blízkého pole by tento model byl nevyhovující, pro simulaci pole vzdáleného je však postačující.
14
-
-
Zachycený videosignál je přenášen do PC vybaveného frame grabberem - PCI kartou zajišťující digitalizaci – a přenášen, ať již ve formě statických rastrových obrázků či videosekvencí ve formátu .AVI do běžných grafických softwarů k dalšímu zpracování. Kromě zmíněných kamer je k disposici digitální fotoaparát Olympus 830L. Pro vizualizaci byl využit speciálně vyvinutý vyvíječ pro malá množství kouře, který pracuje na principu spalování oleje. Generovaný kouř je pod mírným přetlakem vháněn do modelového komína a je sledováno, do jaké míry je tvar takto simulované kouřové vlečky (viz obr. 7) ovlivněn zemským reliéfem. Při vizualizaci bylo prokázáno, že u vleček nedochází k výraznějšímu meandrování. Na základě těchto zjištění bylo možné provádět měření středních koncentrací pouze ve vybraných bodech ležících v ose vlečky, která je rovnoběžná se směrem proudění.
Obr. 7 Vizualizace model kouřové vlečky – boční pohled Vlastní měření koncentrací bylo provedeno pracovníky Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR. Modelem zdroje je do měřícího prostoru vpouštěn testovací plyn, zde CO2. Odběrovou sondou umístěnou libovolně na povrchu modelu jsou odsávány vzorky, které proudí silikonovou trubičkou do infračerveného analyzátoru IREX. Z takto naměřených koncentrací Cm (φ, R) – závisejících na směru proudění φ a vzdálenosti od zdroje R byly určeny odpovídající koncentrace na prototypu – Cp (φ, R) pomocí vztahu Q p U m Lm C p = Cm Qm U p L p
2
(24)
kde poměr rychlostí je určen vztahem (23), poměr měřítek je 1:6 000, emise olova z 75-ti metrového komínu je pro rok 1975 209 t/rok, pro 160-ti metrový komín pro rok 1993 2.16t/rok a pro oba modely komínů 40 l/hod. Výsledky a diskuse Pomocí měření a následného přepočtu dle vztahu (24) byly získány odhady koncentrací v okolí závodu, které je možné interpretovat následujícím způsobem. Z podobnostní teorie vyplývá, že pro poměr charakteristického časového měřítka prototypu Tp a modelu Tm platí:
15
-
-
Tp Tm
=
Lp U m 1 ⋅ ≈ 6 000 ⋅ = 600 Lm U p 10
(25)
Středování měřených koncentrací během analyzování odebíraného vzorku bylo prováděno po dobu cca. 3 minut, což, jak plyne ze vztahu (25) přibližně odpovídá třiceti hodinám na prototypu. Takto určené koncentrace na prototypu lze proto považovat za průměrné denní koncentrace v daných bodech - C24 za normálních podmínek, tj. při neutrálním zvrstvení a při proudění, kdy vítr vane od zdroje k receptorovému bodu rychlostí pro daný směr charakteristickou. Pro posouzení vlivu znečištění na životní prostředí je nutné porovnat hodnoty naměřených imisních koncentrací s platnými normami. V případě znečištění ovzduší je legislativní rámec upraven zákonem č. 211/94 Sb. „O ochraně ovzduší před znečišťujícími látkami“ a navazujícími předpisy. Konkrétně pro olovo opatření FVŽP č. 81/91 Sb. v příloze č. 4 stanoví roční imisní limit v poletavém prachu 0.5 µg/m3.2 Na základě naměřených hodnot a četnosti proudění v každém měřeném kroku byly za použití metody podrobně popsané ve zprávě o řešení [12 ], která vychází z předpokladu, že průměrné zvrstvení během roku je možno pokládat za neutrální, a která bere do úvahy krok růžice vůči předpokládané šířce vlečky, odhadnuty hodnoty průměrných ročních imisních koncentrací olova, pocházejícího z provozu závodu.
300° pro rok 1993
C(µgm-3)
300° pro rok 1993
C(µgm-3)
12
0,40
Cp Cr*10
Cp Cr*10
0,35
10 8,3220
0,30
8,4589
8 8,0160
7,8909
0,25
6,8516
0,20
6,8032
6
5,8960
5,6912
0,15 4,4978
4
4,7436
4,5691
4,8216 3,8778
2
0,10
3,9054
0,0710
3,2440
3,3607
2,1868
0,0568 0,0545
0,05 0,0014
1,2465
0 600
0,00 600 0,0009
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
0,0416
0,0674
0,0230
0,0085
0,0534
0,0134 0,0052
1200
1800
0,0310
2400
5400
0,0375
3000
0,0388
3600
0,0287
4200
0,0302
4800
0,0218
5400
Xp(m)
Xp(m)
a)
b)
Obr. 8 Rozložení denních (cp )a ročních (cr ) koncentrací při proudění ze směru 300° pro rok 1975 a pro rok 1993 Jako příklad jsou na obr. 8 uvedeny odhady denních a ročních koncentrací ve směru 80°. Porovnáním koncentrací z roku 1975 a 1993 je patrné, že realizací výše zmíněných opatření došlo k podstatné redukci přízemních koncentrací. Bylo prokázáno, že k hodnotě imisního limitu pro olovo se koncentrace z roku 1975 blíží ve směrech 120°, 100° a 80° od zdroje (tj.
2
Toto opatření bylo nahrazeno vyhláškou MŽP 117/97, včetně emisních limitů (příloha č. 3). Příloha č. 4 Opatření č.81/91 Sb.–Imisní limity však zrušena nebyla.
16
-
-
v případech, kdy vítr vane ze směru 300°, 280° a 260°) a že hodnoty ročních koncentrací v roce 1993 jsou převážně o více jak dva řády pod touto normou. Výsledky lze dále porovnat z dostupnými měřeními. Na obr. 9 jsou porovnány výsledky měření prováděná OHS ve vybraných lokalitách s hodnotami získanými v rámci studie. Přestože měření a simulace se nevztahují ke stejnému roku (měření ~ 1995 a simulace 1975, resp. 1993), lze vyčíst poměrně značné rozdíly, které napovídají skutečnosti, že současné zdroje znečištění je nutné hledat jinde, ať již ve zmiňovaných sekundárně emitovaných částicích kontaminované půdy, příp.v intenzivně se rozvíjející dopravě. Pro úplnost byly jak naměřené 24-ti hodinové, tak odvozené roční koncentrace interpolovány a vyneseny do map, pokrývajících zájmovou oblast (viz. obr. 10). Na obr. 11 je vykresleno rozložení „denních koncentrací“ pro roky 1975 a 1993, rozložení průměrných ročních koncentrací je na obr. 12. Z výsledků simulace lze si učinit představu o nejvíce exponovaných oblastech. V minulosti se jednalo zejména o oblast na západ od zdroje ve vzdálenosti cca 2 – 3 km (v oblast mezi osadou Škrtilka a Trhovými Dušníky). V současnosti však již neexistuje v okolí závodu oblast, která by trpěla provozem závodu.
0 ,4 5
T rh T rh .D u š.D. u š .
0 ,4 0 ,3 5
OÚNZ
OHS
0 ,3 ZÚNZ
0 ,2 5 0 ,2
OHS
0 ,1 5
OÚNZ
ZÚNZ
0 ,1
S3
0 ,0 5 0
OÚNZ OÚNZ
ZÚNZ ZÚNZ
OHS OHS
S2 T rh .D u š .
S1
T rh .D u š .
Obr. 9 Porovnání výsledků simulace pro rok 1993 - (S1), pro rok 1975 - (S3) a in situ měření provedená v roce 1995 - (S2) ročních koncentrací na vybraných místech v okolí závodu.
Obr. 10 Sledovaná oblast
17
-
-
rok 1993
rok 1975
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Obr. 11 Rozložení denních koncentrací olova v okolí závodu v µg m-3 Závěr V článku jsou uvedeny výsledky studie znečištění ovzduší v areálu a okolí závodu KOVOHUTĚ Příbram a. s.. Byla představena stručná retrospektiva výrobní činnosti a to zejména s ohledem na vývoj emisí olova. Změnou výrobního programu, zavedením moderních technologií a postupnou realizací ekologických opatření bylo dosaženo snížení emisí olova ze závodu z hodnoty 624 t/rok v roce 1969 až na hodnotu 1.3 t/rok v roce 1998. Cílem studie pak bylo odhadnout účinek této redukce emisí na imisní situaci. Z časového období byly vybrány roky 1975 a 1993, které dobře charakterizují popsaný vývoj. Pro odhad imisní zátěže bylo použito metody fyzikálního modelování v aerodynamickém tunelu. Byla zvolena metoda založená na podobnosti laminárního a turbulentního proudění. Byly shromážděny a určeny nezbytné vstupní údaje, např. charakteristiky zdrojů a meteorologické charakteristiky. Na základě doporučení Referátu životního prostředí OÚ Příbram byla vymezena zájmová oblast o průměru cca 9 km. Byl vyroben 3D model krajiny a zdrojů a na základě podobnostních kritérií byly určeny vlastnosti těchto modelů. Vlastní simulace započala kvalitativním oceněním proudění nad krajinou pomocí metody vizualizace. Toto ocenění umožnilo omezit počet bodů, ve kterých je nutné pole koncentrací proměřit tak, aby byly podchyceny podstatné rysy tohoto pole. Vlastní měření koncentrací bylo prováděno na modelu pomocí infračerveného analyzátoru pro taková nastavení tunelu, která jsou charakteristická pro oba sledované roky. Z podobnostních kritérií byly z naměřených hodnot určeny odpovídající koncentrace na prototypu (v přírodě) v celém okolí závodu. Bylo odhadnuto, že takto určené střední hodnoty koncentrací odpovídají dvaceti čtyř hodinovým koncentracím za specifických podmínek. Pro stanovení zátěže okolí byly na základě původní metody odhady hodnoty průměrných ročních koncentrací. 18
-
-
Při porovnání dosažených hodnot pro rok 1975 a 1993 je patrné, že došlo k celoplošné výrazné redukci přízemních koncentrací. Zatímco v roce 1975 se hodnoty koncentrací e třech směrech přibližují k imisnímu limitu, hodnoty koncentrací v roce 1993 jsou hluboce pod limitem, převážně o dva řády. Byl proveden pokus tento závěr podpořit i porovnáním s imisními měřeními, která byla ve vybraných lokalitách prováděna OHS. I když se měření a simulace nevztahují ke stejnému roku, lze z porovnání usuzovat, že podíl provozu na imisní zátěži je marginální a že zdroje intenzivního znečištění v současnosti je nutné hledat jinde. Na závěr lze konstatovat, že takto odhadnuté přízemní koncentrace prokázaly účinnost modernizace závodu. Bylo prokázáno, že koncentrace původně na hranici limitu v současnosti splňují, a to s významnou rezervou limity dané zákonem Poděkování : Práce byly provedeny na základě Smlouvy č. 3/1999 mezi Ústavem termomechaniky AV ČR a KOVOHUTĚMI, A. S. Příbram.
rok 1993
rok 1975
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Obr. 12 Rozložení ročních koncentrací olova v okolí závodu v µg m-3
Literatura [1] Stanners D., Bourdeau P. (ed.): Europe´s Environment, The Dobříš Assessment , European Environment Agency, Copenhagen, 1995 [2] Vurm K.: Vlivy historické činnosti na životní prostředí, 1997 [3] Kunický Z.: Vliv recyklace olověných odpadů na ovzduší, Ochrana ovzduší 5 – 6/1999, 45-46 [4] Jaňour Z.: Modelování proudění a šíření exhalací v atmosféře, Sborník referátů z Mez. věd. konf. VŠB –TU, Ostrava, Hydromechanika a tekutinové mechanismy, Sekce 17, Ostrava, 1995 , 37 – 42
19
-
-
[5] Bálek V., Jaňour Z.: Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel Modelling at the Institute of Thermomechanics, Proceedings of the 2nd EECWE, Prague 1998, 201 – 206 [6] Jańour Z., a kol: Air-Pollution Wind Tunnel Modelling, Proc. Int. Conf. Problems in Fluid Mechanics and Hydrology, 1999, Prague, 490 –497 [7] Monin A. S., Obukhov A. M.: Dimensionless characteristics of turbulence in the atmospheric surface layer, Doklady AN SSSR 93, 223 – 226 [8] Schlichting H.: Grenzschichttheorie, Karlsruhe, 1951 [9] Cermak J. E.: Aerodynamics of Buildings, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 8, 1976, 75 – 106 [10] Cermak J. E.: Laboratory Simulation of the Atmospheric Boundary Layer, AIAA Journal, Vol. 8, No. 9, 1746 – 1754 [11] Holpuch J.: Modelování parametrů charakterizujících podmínky šíření znečištění v atmosféře, Disertační práce, MFF UK, Katedra meteorologie a ochrany prostředí, 1999 [12] Jaňour Z.: Výzkum kvality ovzduší v závodě a přilehlém okolí, Zpráva Ústavu termomechaniky AV ČR, Z -1287/00, Praha, 2000
20
-
-
