|
В настоящее время в промышленности эксплуатируются электролизеры 3-х типов: с непрерывным самообжигающимся анодом и боковым токоподводом; с непрерывным самообжигающимся анодом и верхним токоподводом; с периодически заменяемыми предварительно обожженными анодами. Из названных трех типов в наибольшей степени удовлетворяют санитарно-гигиеническим требованиям только электролизеры с обожженными анодами, поскольку они характеризуются меньшим потреблением фторичных солей и не имеют при работе выделений смолистых погонов – продуктов коксования самообжигающихся анодов.
Сегодня в России действует 11 алюминиевых заводов. На Братском, Красноярском, Иркутском, Волгоградском и Новокузнецком заводах эксплуатируются электролизеры типа верхнего токоподвода. На Кандалакшском, Надвоицком, Уральском и Богословским заводах алюминий производится на электролизерах бокового токоподвода. На Волховском и Саянском используются электролизеры с обожженными анодами.
В состав Братского алюминиевого завода входят следующие производства: цех электролиза 1 (8 корпусов); цех электролиза 2 (8 корпусов); цех электролиза 3 (9 корпусов); приемные склады глинозема; электролитейная; цех пылеулавливания и производства фторсолей; ремонтно-строительное управление; цех анодной массы; электротермический цех кристаллического кремния; автотранспортный цех; железнодорожный цех; цех капитального ремонта механизмов и электрооборудования; цех ремонта электролизеров; блоки вспомогательных отделений. На ОАО «БрАЗ» внедрена «сухая» анодная масса. По результатам инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу за 2000 год на заводе выявлено 400 источников выбросов загрязняющих веществ, в т.ч. неорганизованных – 23. Источниками загрязнения окружающей среды являются цеха: электролиза алюминия, анодной массы, электротермический кристаллического кремния, пылеулавливания и производства фторсолей; вспомогательное производство: железнодорожный, автотранспортный, ремонтно-строительное управление, централизованного ремонта механизмов и электрооборудования и др.
Алюминиевое производство характеризуется разнообразным количеством выбросов, как твердых, так и газообразных. К твердым относится пыль неорганического происхождения, твердые фториды, смолистые вещества, Al, Si и др., к газообразным - HF, SO2, CO2 и др.
В таблице 4.1 приведена динамика выбросов БрАЗа за 1980 – 2001 гг.
Концентрация HF, как самого активного компонента выбросов, зависит от удаленности от источника выбросов и направления преобладающих ветров. В таблице 4.2 приведены данные по концентрации HF на различном удалении от БрАЗа.
Перенос и рассеивание загрязняющих веществ от источника в значительной степени зависит от метеорологических характеристик слоя атмосферы, в котором осуществляется перемещение выбросов (ветер, стратификация атмосферы, туман, солнечная радиация, температура воздуха, осадки и рельеф), а также от физических характеристик источника загрязнения (Безуглая, 1986; Детри, 1968). В свою очередь, твердые и газовые примеси в атмосфере оказывают влияние на климат, в частности, на солнечную радиацию, поступающую к подстилающей поверхности. Прямая радиация в городах снижается на 10-20 % (Берлянд, 1975).
Малая высота трубы может привести к тому, что загрязняющие вещества, содержащиеся в выбросе, будут циркулировать в воздушных вихрях с подветренной стороны промышленного здания и таким образом обуславливать высокие концентрации загрязняющих веществ у поверхности, где расположено большинство рецепторов. Эксперименты, проводимые с использованием аэродинамических труб, натурные исследования показали, что для предотвращения опускания факела под действием воздушных вихрей необходимо использование труб, превышающих более чем в 2,5 раза высоту построек на территории предприятия (Безуглая, 1986; Робинсон ,1988).
Динамика техногенных выбросов БрАЗ
(по данным Братского городского комитета по экологии)
Годы |
Всего,
т/год |
В том числе |
Из них |
Выбросы кг/т Al |
тверд. |
газо-образ. |
HF |
SO2 |
CO |
пыль
неорг. |
фториды твердые |
смол. соед. |
в т.ч.
бенза-пирен |
SiO2 |
прочие |
Фтор
суммарн. |
HF |
Валовые
выбросы |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
1980 |
181598 |
26867 |
154730 |
2708 |
3968 |
147779 |
14836 |
3426 |
12037 |
не опреде-лялось |
|
281 |
7,32 |
3,23 |
217 |
1981 |
172779 |
25009 |
147770 |
2605 |
4086 |
140804 |
14479 |
3471 |
10535 |
|
280 |
7,30 |
3,13 |
208 |
1982 |
168981 |
25640 |
148341 |
3259 |
3719 |
136087 |
12450 |
4038 |
8186 |
|
280 |
9,88 |
4,41 |
229 |
1983 |
161955 |
22277 |
138677 |
2861 |
3459 |
133061 |
11587 |
3455 |
7232 |
|
302 |
7,66 |
3,47 |
196 |
1984 |
149925 |
20615 |
129310 |
2997 |
3681 |
122371 |
10459 |
3355 |
6795 |
|
305 |
7,53 |
3,55 |
178 |
1985 |
132596 |
18926 |
113670 |
2448 |
3722 |
107198 |
9656 |
3061 |
6205 |
|
306 |
6,52 |
2,90 |
157 |
1986 |
125999 |
17039 |
108969 |
2237 |
3809 |
101611 |
8154 |
2970 |
5910 |
|
307 |
6,16 |
2,65 |
149 |
1987 |
111572 |
16956 |
94516 |
2022 |
4330 |
88861 |
7744 |
2651 |
5348 |
1212 |
304 |
5,50 |
2,38 |
131 |
1988 |
99465 |
16085 |
85580 |
1884 |
3193 |
78000 |
7744 |
2513 |
4988 |
839 |
304 |
5,20 |
2,23 |
118 |
1989 |
55171 |
15188 |
39983 |
2626 |
3220 |
33834 |
9193 |
4133 |
5034 |
961 |
27 |
8,52 |
3,31 |
70 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
1990 |
52947 |
13853 |
48349 |
1884 |
3310 |
33599 |
5270 |
2800 |
4866 |
|
1132 |
87 |
5,73 |
2,30 |
65 |
1991 |
73386 |
25037 |
48349 |
2154 |
4300 |
40713 |
10110 |
3292 |
4529 |
|
2101 |
5102 |
7,13 |
2,82 |
96 |
1992 |
92998 |
25700 |
67298 |
2574 |
5408 |
57727 |
7178 |
3413 |
4655 |
2,44 |
1965 |
8586 |
7,75 |
3,33 |
120 |
1993 |
78297 |
23309 |
54989 |
2463 |
5800 |
45235 |
7042 |
3098 |
4301 |
2,25 |
1478 |
7475 |
7,35 |
3,26 |
104 |
1994 |
73843 |
22869 |
50974 |
2070 |
5752 |
41637 |
7015 |
3087 |
4179 |
2,24 |
1801 |
6753 |
6,83 |
2,76 |
98 |
1995 |
64487 |
19841 |
44646 |
1938 |
4562 |
36734 |
6161 |
2744 |
4167 |
2,14 |
1689 |
5113 |
6,06 |
2,51 |
83 |
1996 |
58609 |
11633 |
46976 |
1714 |
3312 |
40847 |
2641 |
1801 |
3547 |
2,03 |
1626 |
2049 |
4,45 |
2,17 |
74 |
1997 |
46642 |
10350 |
36291 |
1452 |
2604 |
31103 |
1905 |
1562 |
2997 |
1,96 |
2151 |
1802 |
3,75 |
1,81 |
58 |
1998 |
43556 |
9101 |
34554 |
1324 |
2354 |
29795 |
1795 |
1053 |
2499 |
1,85 |
2181 |
1346 |
2,79 |
1,60 |
51 |
1999 |
42680 |
9102 |
33585 |
1299 |
2377 |
28812 |
1711 |
1117 |
2232 |
1,72 |
2757 |
1321 |
2,77 |
1,50 |
49 |
2000 |
82426 |
14884 |
67542 |
1456 |
2800 |
62186 |
2879 |
1411 |
1691 |
2,69 |
7352 |
1483 |
3,19 |
1,60 |
92 |
2001 |
69106 |
11694 |
57412 |
1280 |
2585 |
52679 |
2770 |
1398 |
1551 |
2,48 |
4904 |
1307 |
2,91 |
1,39 |
75 |
Таблица 4.2
Концентрация HF, мг/м3 (по данным Братского городского комитета по экологии)
Расстояние от БрАЗа, км |
Направ.
ветров |
Годы |
Кол-во
набл. |
% проб выше ПДК |
Кол-во проб выше ПДК |
Среднее значение,мг/м3 |
Макс. знач. мг/м3 |
Г. Братск, пост № 8 |
6 - на В |
C-З |
1999 |
1154 |
6,76 |
78 |
0,0066 |
0,064 |
2000 |
1456 |
3,85 |
56 |
0,0042 |
0,042 |
2001 |
2563 |
4,3 |
49,0 |
0,00490 |
0,057 |
Пос. Чекановский, пост № 1 |
4 - на С |
С-З |
1999 |
833 |
7,8 |
65 |
0,008 |
0,098 |
|
|
2000 |
909 |
9,9 |
90 |
0,007 |
0,054 |
|
|
2001 |
1773,0 |
6,7 |
59,0 |
0,00660 |
0,0430 |
Пос. Падун, пост № 2 |
24 - на СВ |
С-З |
1999 |
1330 |
2,03 |
27 |
0,0036 |
0,05 |
|
|
2000 |
1464 |
1,37 |
20 |
0,0018 |
0,034 |
|
|
2001 |
2924 |
3,6 |
33,0 |
0,00475 |
0,0820 |
Пос. Гидростроителей, пост № 11 |
34 - на СВ |
С-З |
1999 |
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
2001 |
1273 |
1,3 |
14,0 |
0,00150 |
0,0360 |
Для «сжатия» информации с целью выявления обобщенных характеристик техногенного загрязнения использован метод главных компонент. Два фактора объясняют 97 % суммарной дисперсии (соответственно 67 и 30 %). Первый фактор наиболее тесно связан с общим количеством выбросов (в т.ч. твердых, факторная нагрузка – 0,99) и соединений фтора среди них. Для второго фактора наиболее значимые факторные нагрузки характерны для содержания в выбросах SiO2 (-0,93), СО (-0,83), бензапирена (-0,83) и газообразных веществ в целом (-0,73). Следовательно, достаточно информативную характеристику выбросов при более низких затратах можно получить по ограниченному перечню показателей.
Специфика заводов по производству алюминия заключается в использовании невысоких труб, а также значительный фонарный выброс газов. Это и определяет более высокий уровень загрязнения на промышленной площадке и в удалении от завода по направлению господствующих ветров до I км (рис.4.1) (данные Среднесибирское межрегиональное территорильное управление по гидрометерологии и маниторингу окружающей среды). Особых изменений в дневной динамике содержания вредных выбросов не наблюдается.
 Рис. 4.1 - Концентрация фтористого водорода на различном удалении от завода по направлению господствующих ветров (1- максимальная; 2- средняя)
Перемешивание выбросов определяет два вида турбулентности (механическая и конвективная). Элементы шероховатости, такие, как деревья, кустарник, холмы и долины способствуют образованию механической турбулентности. Источником конвективной турбулентности является нагревание земной поверхности и последующее развитие восходящих потоков. Различие в степени нагревания приводит к перемешиванию промышленных выбросов.
Э. Робинсон (1988) подробно изучил наиболее часто встречающиеся типы выбросов, наблюдаемые с подветренной стороны от трубы при различных условиях стабильности атмосферы в течение суток. Как правило, ночью факел почти не рассеивается по вертикали, а медленно распространяется в горизонтальном направлении. Подобный тип распространения - веерообразный - сохраняется в течение одного - двух часов после восхода солнца. Затем в результате нагревания почвы и развития турбулентности образуется поверхностный конвективный слой.
За этим периодом следует короткий промежуток времени, в течение которого в приземном слое регистрируются достаточно высокие концентрации загрязнения, связанные с конвективным переносом вещества. По мере того, как в турбулентный обмен вовлекаются новые массы воздуха, находящиеся в слое над факелом, уровень загрязнения понижается. При развитии конвективного обмена поздним утром и в дневные часы наблюдается расслаивание выброса на большие отдельные вихри, достигающие земли и приносящие с собой высокие значения загрязнения. Данный тип рассеивания получил образное определение - "петлеобразное". В полдень следует ожидать уменьшения интенсивности конвективной турбулентности, однако наличие механической турбулентности определяет развитие "конусообразного" переноса загрязняющих веществ в приземный слой. При этом типе рассеивания загрязняющие вещества достигают земной поверхности на значительно больших расстояниях от источника, чем в случае "петлеобразного" факела, и поле концентраций более однородно.
В непосредственной близости от источника загрязнения выбросы, вовлеченные в вихревые движения воздуха, переносятся потоками воздуха в приземный слой и быстро разрушаются на поверхности (Робинсон ,1988). При наличии растительности выведение веществ из пограничного слоя осуществляется с большей эффективностью листовой поверхностью.
При сильном ночном охлаждении земной поверхности вследствие теплового лучеиспускания (август-сентябрь) происходит нарушение вертикального температурного профиля, что сопровождается образованием приземной, или приподнятой, инверсии. Невысокие трубы алюминиевого завода часто оказываются под слоем инверсии. Вследствие этого поступающие в атмосферу выбросы сосредотачиваются или у основания приподнятой инверсии, или у земной поверхности, и слабо рассеиваются путем диффузии. Концентрация промышленных газов возрастает при повышении атмосферного давления. Эта закономерность наблюдается, как правило, в периоды устойчивых антициклонов, вызывается ослаблением ветра и носит ярко выраженный локальный характер (Рябинин, 1965).
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что образование высокой загрязненности приземного слоя наблюдается при штиле, тумане, температурной инверсии, сплошной и низкой облачности, а также при интенсивной вертикальной турбулентности.
Турбулентная диффузия загрязняющих веществ играет наиболее важную роль при переносе токсикантов от источника на расстояние нескольких десятков километров. Затем вертикальное распределение этих веществ становится относительно однородным внутри слоя перемешивания. После того, как загрязняющие вещества достаточно хорошо перемешались по вертикали, их дальнейшим разбавлением в горизонтальной плоскости можно пренебречь. При этом можно считать, что загрязненная масса воздуха перемещается со средней скоростью ветра и в ней за период адвекции отдельные компоненты вступают в химические реакции и выводятся из атмосферы за счет процессов сухого и мокрого осаждения (Берлянд, 1975).
На достаточном удалении от источника выброс в значительной степени рассеян и перенос устойчивых ингредиентов осуществляется как составная часть атмосферы. При дальнейшем переносе в воздушной массе отсутствует значительный градиент концентрации загрязняющих веществ; концентрация отдельных соединений становится более стабильной по мере удаления от точечного источника (Робинсон, 1988).
Распространение промышленных выбросов в региональном масштабе зависит от ряда метеорологических характеристик, влияющих на перемешивание воздушных масс, в которых находятся загрязняющие примеси. Такими факторами являются термодинамические свойства стабильности атмосферы, температурный градиент, поле ветра распространяющейся воздушной массы, характеризующееся скоростью и направлениями ветра над территорией региона, и изменением ветра с высотой (Безуглая, 1986). В некоторых случаях возможно, что определенные сочетания значений стабильности атмосферы, ветра способствуют образованию устойчивых высоких концентраций загрязнителей внутри воздушной системы высокого давления. Высокий уровень загрязнения воздуха может регистрироваться на значительном удалении от источника. Влияние крупных промышленных центров проявляется, в основном, на расстоянии до 50-100 км (Берлянд, 1975).
Проникновение выбросов, содержащихся в воздушной массе, в лесной массив зависит от скорости ветра, рельефа и лесоводственной структуры насаждения (состав, форма и особенность высоты, степень сомкнутости крон деревьев, развитие подроста и подлеска, полнота). В результате разбавления при перемешивании воздуха, поглощения вредных веществ растениями наблюдается уменьшение концентрации токсических веществ. Однако, когда циркуляция воздушных масс в насаждении ничтожно мала, концентрация промышленных газов под пологом леса может повыситься от застаивания поступающего туда загрязненного воздуха (Рябинин, 1965). Г.М. Илькун (1976) отмечает, что благодаря сплошной древесной растительности, концентрация примесей в воздухе и дальность их распространения в приземном слое воздуха сокращаются в 2-3 раза.
По проведенным исследованиям Института прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, суммарные выбросы Красноярского алюминиевого завода составляют 159481,2 т/год, из них в твердом состоянии 27173,95 т/год. Из общей суммы по ингредиентам в порядке убывания образуется ряд: СО - 21001,8; SО2 - 8155,4; твердые фториды -3663; HF - 2650,2; NOx - 430,0 т/год. Несмотря на общее уменьшение концентрации вредных веществ в воздухе за период с 1982 по 1988гг., до настоящего времени наблюдается превышение нормативных выбросов из труб на 66 %.
|
