Анализ влияния газовых выбросов металлургических предприятий на концентрацию тропосферного озона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.07, кандидат технических наук Деева, Анна Владимировна

• Деева, Анна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Деева, Анна Владимировна

Введение

Глава 1: Аналитический обзор литературы

1.1 Атмосфера

1.1.1 Строение и радиационный режим атмосферы б

1.1.2 Химический состав воздуха

1.1.3 Инверсионная характеристика

1.2 Влияние промышленных выбросов

1.3 Особенности выбросы металлургических предприятий и атмосферные условия

1.4 Озон в атмосфере

1.4.1 Физические свойства озона

1.4.2 Химические свойства озона

1.4.3 Общие механизмы образования и распада озона

1.4.4 Пространственно-временное распределение озона в тропосфере

1.4.5 Тропосферный озон

1.4.6 Механизм образования озона в тропосфере

1.4.6.1 Оксиды азота

1.4.6.2 Окисление монооксида углерода

1.4.6.3 Окисление метана '

1.4.6.4 Углеводороды

1.5 Положительный тренд концентрации Оз в нижних слоях атмосферы (Озон в сельских и фоновых районах)

1.6 Последствия увеличения содержания озона

1.6.1 Экологические последствия увеличения содержания озона в атмосфере

1.6.2 Влияние фотооксидантов на живые организмы

1.6.3 Воздействие озона на материалы

1.6.4 Роль озона, как вторичного газового выброса в воздушных бассейнах промышленных регионов

1.7 Методы измерения концентрации газовых выбросов металлургических предприятий, повышающих концентрацию Оз

1.7.1 Мониторинг выбросов и состояния атмосферы

1.7.1.1 Мониторинг выбросов

1.7.1.2 Мониторинг состояния атмосферы

1.7.1.3 Методы анализа состава выбросов, типы преобразователей

1.7.1.4 Методы анализа состава выбросов, типы преобразователей

1.7.1.5 Формирование, хранение и предоставление информации по выбросам с использованием компьютеров

1.7.2 Данные мониторинга на территории промышленной металлургической зоны

1.8 Постановка задачи

Глава 2: Методы теоретического анализа концентрации озона в тропосфере

2.1 Неравновесная термодинамика

2.2 Малые отклонения от равновесия

2.3 Диссипативные структуры

2.4 Решение задач при неравновесных условиях

2.5 Метод потенциалов

2.6 Химические реакции — неравновесные системы

2.7 Применение методов неравновесной термодинамики к металлургическим процессам

2.8 Устойчивость системы с одной переменной

2.9 Устойчивость системы с двумя переменными

Глава 3: Анализ влияния металлургических выбросов на концентрацию тропосферного озона

3.1 Равновесный термодинамический анализ концентрации озона

3.2 Оценочная модель озонового слоя в природных условиях

3.3 Кинетическая модель образования тропосферного озона под влиянием выбросов NOx

3.4 Анализ процесса образования озона с участием техногенного NOx

3.5 Модель совместного влияния СО и NOx на концентрацию озона

3.6 Оптимизация химической системы и получение численных оценок

Глава 4: Формирование ячеистой диссипативной структуры при образовании техногенного озона. Модельный эксперимент

Вывод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ влияния газовых выбросов металлургических предприятий на концентрацию тропосферного озона»

Проблема озона в атмосфере одна из самых важных экологических проблем на современном этапе развития техники. Озон атмосферы в наибольшей степени подвержен антропогенным воздействиям, его содержание в воздухе при современных масштабах человеческой деятельности оказывается весьма уязвимым.

Существует два вида озона: стратосферный- это озоновый слой находящийся на высотах 20-35 км над земной поверхностью и тропосферный, который находится в приземном слое, т.е. входит в состав воздуха, которым мы дышим. Интересно, что измеренные концентрации стратосферного и тропосферного озона в настоящее время имеют прямо противоположное направление. Известно что антропогенные выбросы снижают количество стратосферного озона, т.е толщину озонового слоя, но мало кто знает что те же самые выбросы повышают содержание тропосферного озона. Озон в стратосфере (озоновый слой) очень важен для всех живых организмов на Земле. Именно он защищает нас от жестких ультрафиолетовых лучей, которые разрушают молекулы белков и ДНК. Ясно, что озоновый слой только полезен нам. По-другому же обстоят дела с озоном тропосферным. Его природная концентрация очень мала, но необходима для полноценного дыхания живых существ. При его переизбытке озон может действовать как фотооксидант. В случае растений крайним проявлением фитотоксического эффекта озона служит образование некротических пятен на поверхности листа, высыхание и опадения хвои. При массированном повреждении фотосинтезирующих органов происходит гибель растения. В опытах на экспериментальных животных было показано, озон поражает ткани легких и приводит к биохимическим изменениям на уровне клетки. В клетках происходят процессы, аналогичные наблюдаемым под действием проникающей радиации. Избыточное накопление озона неблагоприятно сказывается на многих биотических процессах, поскольку он обладает токсическими и мутагенными свойствами. Косвенное же воздействие фотооксидантов связана главным образом с их влиянием на на формирование кислотности атмосферных осадков и на химические и биологические процессы в почвах под действием сильных кислот.

Содержание озона в атмосфере, определяющее скорости стока восстановленных компонентов, существенным образом влияет на важнейшие характеристики окружающей среды как в глобальном, так в региональном и локальном масштабах. С другой стороны, изменение содержания этой малой газовой составляющей может повлиять на спектральный состав достигающей земной поверхности солнечной радиации. Озон является парниковым газом, увеличение его количества в тропосфере может отобразится на термическом балансе атмосферы в целом.

Как уже отмечалось, минорные составляющие атмосферы, в особенности озон, в наибольшей степени подвержены антропогенному воздействию и при современных масштабах человеческой деятельности оказываться весьма уязвимы.

Традиционно вторичным выбросам уделяется меньшее внимание, чем первичным. Металлургическая промышленность является непосредственным поставщиком большого количества газовых выбросов, среди которых наибольший объем составляют вещества, содержащие азот, углерод, серу и т.д. Оказывается компоненты металлургических выбросов представляют наибольшую опасность с точки зрения образования дополнительного озона в атмосфере воздуха. Таким образом выбросы металлургического производства могут быть одной из существенных факторов роста концентрации озона в приземных слоях атмосферы вообще и локального насыщения озоном воздуха промышленных районов.

Однако концентрация озона никогда не контролировалась в металлургических выбросах. Не проводилось также планомерное определение концентрации озона в воздухе металлургических регионов. Это, по-видимому, связано с недооценкой возможностей увеличения количества озона в нижних слоях атмосферы в близи металлургических предприятий. Кроме того озон — это вторичный выброс, он образуется при взаимодействии первичных выбросов с компонентами атмосферы.

Значит тропосферный озон, как компонент атмосферы, заслуживает особого внимания. Особенно это важно для металлургической отросли с повышенным содержанием антропогенных выбросов в атмосфере, которые в свою очередь увеличивают содержание озона в приземных слоях атмосферы.

Окисление восстановленных соединений может происходить по существенно различным механизмам. Вклад этих механизмов неодинаков и непостоянен, поскольку зависит не только от физико-химических характеристик реагентов, но и от изменчивых условий внешней среды. Количественное описание химических превращений требует решения сложных систем нелинейных уравнений. Однако важные качественные выводы могут быть сделаны уже на основании данных о кинетических параметрах ограниченного числа ключевых реакций, в чем нам помогает нелинейная неравновесная термодинамика.

Заключение диссертации по теме «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов», Деева, Анна Владимировна

Выводы:

Рассмотренный материал показал, что:

1. Для анализа неравновесных параллельно происходящих процессов взаимодействия первичных газовых выбросов металлургических предприятий с компонентами атмосферы, приводящих к образованию озона, освоены методы нелинейной неравновесной термодинамики Пригожина. Создана методическая основа, позволяющая проводить оценочные расчеты средний концентраций озона с использованием реальных заводских данных о годовых количествах газовых выбросов.

2. Разработана серия кинетических моделей химических систем, конечным продуктом в которых является избыточный тропосферный озон. Модели данной серии включают в себя химические стадии взаимодействия с атмосферой азот- и углерод содержащих соединений газовых выбросов. Исследование моделей методом минимизации производства энтропии и анализ устойчивости конечных состояний модельных систем позволили получить следующие данные о концентрации озона в воздухе металлургических регионов: средние концентрации озона, рассчитанные на основе данных о газовых выбросах за 2004 г. на ОАО «НЛМК» составляют 6-И?х10и молекул/смЗ, что в 2 - 3 раза превышает фоновые значения концентрации озона, которые приводятся в компетентных источниках; дальнейший положительный тренд концентрации озона возможен в случае роста количества выбросов оксидов азота или, как следствие их накопления из-за географических особенностей района (рельеф местности и т.д.) и/или погодных условий (длительное отсутствие ветра); максимальная концентрация озона на предприятии ОАО НЛМК, которая является следствием отсутствия ветрового переноса оксидов азота,

П О составляет 4.2-10 молекул/см с, что превышает фоновые значения более чем в 100 раз. территориальное распределение озона техногенного происхождения в промышленном регионе следует за (соответствует) распределением выбросов nox

3 Опыты проведения модельных окислительно-восстановительных процессов, аналогичных процессам образования и распада техногенного озона в атмосфере, показали возможность образования диссипативных (упорядоченных) концентрационных структур в области взаимодействия выбросов с компонентами атмосферы в сильно неравновесных внешних условиях. Концентрация озона при этом может локально (на короткие промежутки времени) возрастать в сотни и тысячи раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Деева, Анна Владимировна, 2009 год

1. Исидоров В.А. Экологическая химия: Учебное пособие для вузов. — СПб: Химиздат, 2001. — 304 с.

2. Ивлев JI.C. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. JL: Издательство ЛГУ, -1982. 368 с.

3. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы. М.: Мир, -1988, 352 с.

4. Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. 2-е издание. СПб: Химия, 1992. 288с.

5. Гершензон Ю.М., Звенигородский С.Г., Розенштейн В.Б. Химия радикалов НО и Н02 в земной атмосфере//Успехи химии. 1990. Т. 59. С. 1061-1626.

6. Гершензон Ю.М., Пурмаль А.П. Гетерогенные процессы в земной атмосфере и их экологические последствия//Успехи химии. 1990. Т. 59. С. 1729-1756.

7. Перов А.Х., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. Л.: Гидрометиоиздат, 1980. 320 с.

8. Кароль И.Л., Розанов В.В, Тимофеев Ю.М. Малые газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометиоиздт, 1983. 192 с.

9. Окабе X. Фотохимия малых молекул. Пер. с англ. под ред. М.Г. Кузьмина. М.: Мир, 1981.504с.

10. Ровинский Ф.Я., Егоров В.И. озон, окислы озона и серы в нижней атмосфере. Л.: Гидрометиоизд, 1986, 183 с.

11. Исидоров В.А. Летучие выделения растений: состав, скорость эмиссии и экологическая роль. СПб: Алга, 1994, 188 с.

12. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного Введение: Пер. с англ. Изд. 2-е, стериотипное.-М.: Едиториал УРСС, 2003.

13. Пригожин И., Конденуди Д., Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: мир, 2002.

14. Ершов Ю.И., Петин В.Г., термодинамика и экология. Учебное пособие по курсу «Биофизика» Обнинск: ИАТЭ, 1997.

15. Фокс Р., Энергия и эволюция жизни на земле: пер. с англ. —М.: Мир, 199

16. Петелин A.JI., Основы синергетики для металлургов. М: Типография ЭОЗ МИСиС, 1993.

17. Милинецкий Г.Г., Потапов А.Б., Современные проблемы нелинейной динамики. М: Эдитория УРСС, 2002.

18. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. - 404 с.

19. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах.-М.: Мир,1979.-427 с.

20. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф. Кн. 1. М.: Мир, 1984. — 350 с.

21. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. — М.: Наука, 1987. -279 с.

22. Жуховицкий А. А., Шварцман Л.А. Физическая химия. — М.: Металлургия, 1997. — 688 с.

23. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Металлургия, 1987. - 248 с.

24. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. — М.: Минздрав России, 2003.

25. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

26. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. М.: ГП ЦПП Минстрой России, 1997.

27. Грешензон Ю.М., Пурмаль А.П. Гетерогенные процессы в земной атмосфере и их экологические последствия// Успехи химш!, 1990. Т.59 с.1729-1756

28. Исидоров В.А. Некоторые неизвестные уроки «озонового кризиса»// Вестник РАЕН. 1997. Т. 1 с. 237-247

29. В.А. Василев, Ю.М. Романовский, В.Г. Яхно. Автоволновые процессы. М.: «Наука», 1987.

30. Кондратьев К.Я. Антропогенные воздействия на слой озона. Обзор новых результатов. М.: ВИНИТИ, 1989. 120 с.

31. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хауса Новый диалог человека с природой 11 Эдиториал УРСС. Москва. 2000 с. 122-156

32. Гленсдорф П., Пригожин И Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. Издание второе// УРСС. Москва.2003 с.226-256

33. Алексеев В.В., Киселев С.В., Чернова Н.И. Рост концентрации С02 в атмосфере -сеобщее благо?// Природа. 1999.-№9. - с.3-13

34. Небел Б. Науко об окружающей среде, Tl., М., 1993, 449 с.

35. Юджин Одум, Экология Т.2, М: Мир, 1986, 376 с.

36. Николайкин Н.И., Экология, М.:Дрофа, 2003, 624 с.

37. Гусакова Н. Химия окружающей среды, 2004 г., 192 с.

38. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах, М.: Металлургия, 1994, с. 126-171

39. Соловьев Ю.Н. История учения о химических процессах. Всеобщая история химии. М.: Наука, 1981 с.70-101

40. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П., Парлар Г., Шойнерт И. Экологичекая химия: Пер. с нем./ Под ред. Корте Ф М.: Мир, 1997, с. 396

41. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. М.: Мир, 1997, с. 347

42. Лоскутов А.Ю., Михайлов а.С. введение в синергетику. —М.: Наука, 1990

43. Будыков М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. Истрия атмосферы. Л.: гидрометиоиздат, 1985,с.138

44. Грешензов Ю.М., Звенигородский С.Г., Розенштейн В.Б. Химия радикалов НО и Н02 в земной атмосфере// Успехи химии. 1990. Т. 59. С. 1061

45. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л. и д.р. Озоновый щит Земли и его изменения. СПб.: Гидрометиоиздат, 1992 г.

46. Корте Ф. экологическая химия. Пер. с нем. Под ред. Н.Б. Градовой. М.: Мир, 1997, 396 с.

47. Тинсли И. Поведение химических загрязнений в окружающей среде. Пер. с англ. Под ред. М.М. Сенявина. М.: Мир, 1982, с. 159

48. Гласс Л., Мэки М. От часов к хаосу. М.: Мир, 1991, 248 с.

49. Пригожин И. Человек перед лицом неопределенности, первод с франц. В.В. Шуликовской, М.: Ижевск, 2003

50. Пригожин И. конец определенности. Время, хаос и новые законы природы. Перевод с англ.Ю.А. Данилова М.: Иженск, 2001

51. Каленский И.В. Об экологическом состоянии предприятий черной металлургии. // Cnfkm 1997, №12

52. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х t.//JI.B. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. -М.: наука, 1982.

53. Gurvich L.Y., Lorish V.S. et all IVTANTHERMO A Thermodynamic Database and Software System for the Personal Computer. Users Guide. CRC Press, Inc., Boca Raton, 1993.

54. Йориш B.C., Белов Г.В., Юнгман B.C. Программный комплекс ИВТАНТЕРМО для Windows и его использование в прикладном термодинамическом анализе. Препринт ОИВТАН №8-415. М.: 1998, 56 с.

55. Зайцев А.К., Леонтьев Л.И., Юсфин Ю.С., Гартен В. Термодинамическое моделирование формирования азотосодержащих соединений в условиях окислительно-восстановительных процессов металлургического производства// Сталь, 1994, №8, с. 5-14

56. Белов Г.В. Моделирование равновесных состояний малогазовых и безгазовых термодинамических систем. Вестник МГТУ 1994.- № 3. - с. 88-94

57. Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С., Клемперт В.М. Металлургия чугуна. М.: Металлургия, 1989.С. 512.

58. Элементы. Справочно энциклопедическое издание / Перевод с английского. //Джон Эмели -М.: Мир, 1993. с. 256

59. В. Эбелинг Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур / Перевод с немецкого А.С. Доброславского под редакцией профессора Ю.Л Климонтовича М.: Мир, 1979 г.

60. Эткинс П., де Пауло Дж. Физическая химия. В трех частях. Ч. 1: Равновесная термодинамика / Перевод с английского А.И. Успенской, В.А. Иванова М.: Мир, 2007 г.

61. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды М.:Мир, 1997 г. - 232 с.

62. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа — 1991 — 376 с.