Введение к работе
Актуальность проблемы. На пороге XXI века неблагоприятное воздействие на окружающую среду приблизилось к такому уровню, что оно уже угрожает самому существованию человечества. Выводы в докладе экспертов ООН (июнь 1997 г.) указывают на продолжающееся опасное загрязнение окружающей среды. Только за последние три года столетия и только глобальные природоохранные проекты потребуют неотложных затрат в размере 600 млрд.$.
В комплексной проблеме защиты окружающей среды особую озабоченность вызывает загрязнение атмосферы. Дыхание наиболее интенсивный биохимический контакт человека с окружающей средой, процесс биологически безостановочный и наименее поддающийся применению средств индивидуальной или групповой защиты и контроля. Вполне возможно обеспечить каждого человека средствами очистки питьевой воды, что для вдыхаемого атмосферного воздуха в массовом порядке практически неосуществимо.
Проблема загрязнения атмосферы не является изолированной. Воздушные массы переносят вредные выбросы в виде газообразных компонентов, аэрозолей, твердых частиц и адсобированных на них веществ. В результате в благополучных с экологической точки зрения районах загрязняются почва, растительность, водоемы.
В общей проблеме загрязнения атмосферы следует выделить задачу оздоровления воздушного бассейна населенных мест, в первую очередь крупных промышленных городов, где выделяется основная масса загрязнителей, а сам профиль городской застройки затрудняет естественный ветровой воздухообомен в приземном слое атмосферы. Основными источниками загрязнения городской атмосферы являются, наряду с автотранспортом, установки теплоэнергетического и промьплленно-отогштельного профиля, сжигающие в основном газообразное и жидкое топливо.
Состояние воздушного бассейна населенных мест ухудшается, несмотря на значительные затраты в этой области. Фоновая концентрация наиболее опасных загрязнителей в воздухе промышленных центров страны многократно превышает ПДК. Более 40 % жителей С.-Петербурга дышат недопустимо загрязненным воздухом. Динамика загрязнения воздуха в городах Российской Федерации усугубляется явлениями экономического характера. При установившейся в промьплленно развитых странах норме бюджетных расходов на пріфодоохранную деятельность в 2-3 % бюджет Российской Федерации в 1995-97гг. отводил на эти цели по 0,30-0,32 %(!).
Существенной корректировки требует сама методика оценки
эффективности атмосфероохранных мероприятий. Их узкая направленность на снижение выбросов одного вещества часто приводит к увеличению эмиссии других токсикантов. Не учитываются экологические последствия дополнительных затрат топлива, энергии и расходуемых материалов, которые могут привести к суммарному отрицательному результату внедрения таких технологий. Действующая нормативно-законодательная база нередко вынуждает вкладывать средства в технические мероприятия, эффект внедрения которых незначителен и ни экономически, ни социально не оправдывает затраты.
Необходимость коренного перелома в атмосфероохранной деятельности н все более явные признаки кризисного развития воздушного бассейна незамедлительно требуют концептуально нового подхода к этой деятельности, что и определяет научную и практическую актуальность настоящей работы.
Цели работы.
» выявление современных тенденций в динамике состояния атмосферы и основных факторов, определяющих ее загрязнение;
разработка основ принщшиально нового метода анализа состояния воздушного бассейна и эффективности природоохранных мероприятий, учитывающего всю возможную глубину вносимых техногенных изменений в сложившийся энерго-экологический баланс;
анализ состояния воздушного бассейна крупных городов и проблемы защиты его от загрязнения; разработка основных принципов совершенствования практической деятельности по оздоровлению атмосферного воздуха при сжигании органического топлива;
разработка теоретических основ'и практической методики анализа, обеспечивающего наиболее эффективное вложение средств в технические мероприятия по охране атмосферы с максимально возможным эффектом оздоровления воздушного бассейна на значительных территориях;
« уточнение нормативно-методических документов в области охраны атмосферы на основе более представительных результатов исследований;
исследование, разработка и широкое внедрение атмосфероохранных технологий для наиболее распространенных типов промышленных теплотехнических (топливосжигающих) установок;
разработка и реализация целевых атмосфероохранных программ, обеспечивающих оздоровление воздушной среды на значительных территориях крупных промышленных городов.
Научная новизна.
сформулировано понятие фактора сдерживания, позволяющего более
достоверно прогнозировать динамику загрязнения атмосферы; установлена
высокая вероятность кризисного развития воздушного бассейна населенных мест;
« разработан метод энерго-экологического анализа состояния окружающей среды и эффективности природоохраннык мероприятий по их совокупному конечному результату;
разработаны теоретические основы целевого энерго-экологического анализа в атмосфероохранной деятельности, позволяющего планировать и осуществлять комплексное оздоровление воздушного бассейна населенных мест при сжигании органического топлива на основе управления целевыми атмосфероохранными программами с наибольшей эффективностью вложения средств по экономическим и совокупным для данной территории экологическим показателям;
теоретически и экспериментально обоснована достоверная база для уточнения методики расчетного определения выбросов оксидов азота в атмосферу топливосжигающими установками;
на основании глубокого структурирования факела горящего топлива обосновано наличие в нем зон, активное воздействие на которые позволяет одновременно решать задачи подавления образования вредных веществ и интенсификации выгорания горючих компонентов;
сформулирован вероятный механизм пульсационного накопления оксида азота в турбулентном факеле, дополняющий термическую теорию окисления атмосферного азота;
» разработан и подтвержден экспериментально механизм комплексной энерго-экологической оптимизации сжигания газового топлива методом направленного дозированного балластирования факела.
Работа выполнялась на кафедре Теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна СПбГАСУ по приоритетному научному направлению "Экология и влияние хозяйственной деятельности на санитарное и экологическое состояние окружающей среды" Межведомственной научно-технической целевой программы "Архитектура и строительство", по проекту "Разработка комплекса научно-технических решений для территориальной программы охрану атмосферного воздуха С.-Петербурга" научно-технической программы "Наука ВУЗов С.-Петербурга городу", по направлению 3.04. "Развитие научных основ создания эффективных систем и технологий охраны воздушной среды" конкурса грантов Российской Федерации, а также в рамках программы "Энергосберегающие и экологичные методы в строительстве" Международной организации "Passive and Low Eneigy Architectvire". Организатором работы автора по данному научному направлению был проф. Н.Л.Стаскевич, а неоценимую многолетнюю помощь в качестве научного консультанта оказал проф. Г.Н.Северинец.
Практическая ценность работы.
методы энерго-экологического анализа состояния и развития окружающей среды и способы повышения энерго-экологической эффективности природоохранных мероприятий позволят более обосновано осуществлять планирование атмосфероохранной деятельности и оценку ее эффективности на региональном и локальном уровнях;
практическая методика целевого энерго-экологического анализа в атмосфероохранной деятельности позволит с высокой достоверностью выявлять приоритетные вредные вещества, источники их выбросов и предпочтительные территории для первоочередного внедрения атмосфероохранных технологий, формировать атмосфероохранные схемы промышленных предприятий, целевые территориальные и проюводственные программы защиты атмосферы и їй их основе осуществлять комплексное оздоровление воздушного бассейна населенных мест с максимальной эффективностью использования выделяемых средств;
уточненная методика расчетного определения выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива позволит на научно обоснованном уровне проводить паспортизацию выбросов и будет стимулировать внедрение современных атмосфероохранных технологий;
разработанные автором и при его участии рациональные принципы сжигания топлива и обезвреживания парогазовых выбросов составляют основу банка данных по атмосфероохранным и топливосберегающим технологиям, способного стать фундаментом комплексного программного оздоровления воздушного бассейна населенных мест на стадии реализации соответствующих атмосфероохранных проектов;
в социальном плане комплексная реализация основных положений диссертации явится действенным механизмом реального оздоровления воздушного бассейна и улучшения условий жизни населения, а при аналогичных успехах в оздоровлении других сфер окружающей среды увеличения продолжительности жизни до близких к развитым странам показателей.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены в практику сжигания топлива и атмосфероохранную деятельность. Методы эффективного и экологичного сжигания топлива, разработанные автором и при его участии, внедрены на различных теплотехнических установках (более 80 паровых и водогрейных котлов, промышленные печи, сушила, установки термического обезвреживания парогазовых выбросов) на промышленных предприятиях и объектах городского хозяйства С.-Петербурга и других городов Северо-Запада и ЦеіггральнойРоссии. Атмосфероохранные и топливосберегающие решения заложены в проект реконструкции фабрики "Гознак" (С.-Петербург) и
"Гознак" (С.-Петербург) и уже реализуются на строительно-монтажной стадии, в проект реконструкции 1-й Невской котельной ГП "ТЭК С.-Петербурга" и в проект очистки газовых выбросов Черкесского химкомбината. Применение авторского целевого территориального подхода обеспечило экологическое согласование строительства крупнейшей в городе "Пороховской" котельной (квартал N 46, "Ржевка-Пороховые") на стадии ТЭО. На основании основных авторских принципов организации деятельности по оздоровлению воздушного бассейна сформированы и действуют атмосфероохранные проекты:
общегородская целевая программа снижения выбросов оксидов азота в воздушный бассейн Городского центра Государственного санэпиднадзора С.Петербурга;
целевые территориальные программы снижения выбросов оксидов азота в воздушный бассейн администраций Адмиралтейского и Красногвардейского районов С.-Петербурга;
целевая ведомственная программа снижения выбросов оксидов азота от муниципальных котельных ГП "ТЭК С.-Петербурге".
Суммарный экономический эффект внедрения разработок засчет экономии топлива и снижения ущерба окружающей среде составил более 1 б млн. руб. в ценах 1984 с
Результаты исследований вошли также в учебную и учебно-методическую литературу по специальности 290700 "Теплогазоспабжеіше, вентиляция и охрана воздушного бассейна" и широко использованы автором при подготовке специалистов этого профиле.
На защиту выносятся:
результаты анализа развития окружающей среды; понятие и математическое описание фактора сдерживания;
метод энерго-экологического анализа состояния воздушного бассейна и результирующей эффективности атмосфероохранных мероприятий;
результаты анализа сложившейся научно-технической практики атмосфероохранной деятельности при сжигании органического топлива и главные направления ее совершенствования;
метод целевого энерго-экологического анализа как концептуальная основа организации комплексного программного оздоровления воздушного бассейна населенных мест;
результаты экспериментального определения концентрации оксидов азота в воздухе газифицированных квартир;
результаты экспериментального определения выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности отечественного производства;
уточненная методика расчетного определения выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании газа и мазута в топках котлов;
теоретические основы, результаты разработки, исследований и внедрения атмосфероохранных и тогшивосберегающих технологий;
результаты реализации целевых атмосфероохранных программ на территории С.-Петербурга.
Личный вклад соискателя.
общая постановка проблемы, конкретизация задач анализа и направлений исследований, теоретическое обоснование, экспериментальные исследования и решение поставленных задач;
разработка и создание базы экспериментальных исследований;
разработка теоретических положений и экспериментальное исследование теехнологии комплексной оптимизации сжигания газового топлива методом направленного дозированного балластирования факела;
-участие в разработке, исследовании и внедрении методов рационального сжигания топлива, тполивосберегаюгцих и атмосфероохранных технологий;
- руководство разработкой и участие в реализации целевых
атмосфероохранных проектов.
Апробация работы. Основные теоретические положения диссертации, разработанные на этой основе практические методы и атмосфероохранные технологии и результаты их внедрения представлялись и получили одобрение: на научных конференциях СПбГАСУ (ЛИСИ), 1977-1997 гг.; XXX научной конференции Казанского ИСИ, 1978 г.; 51 -й Международной научно-технической конференции СПбГАСУ, 1997 г.; на межрегиональном научно-практическом семинаре АП "Ленгаз", С.-Петербург, 1994 г.; на Круглом столе "Экологически чистую среду С.-Петербургу и его курортным зонам", С.-Петербург, 1996 г.; на научно-технической конференции "Экологическая защита городов", Москва, 1996 г.; на международных конференциях организации PLEA ("Passive and low energy architecture"), Израиль, 1995 г., Бельгия, 1996 г., Япония, 1997 г.; на симпозиуме "Технические средства инфраструктуры города" в рамках 2-й специализированной выставки "Городское хозяйство'97", С.-Петербург, 1997 г.; на 2-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", Кронштадт, 1997 г.; на межрегиональном семинаре "Актуальные вопросы производства и потребления тепловой и электрической энергии и энергосбережения", С.-Петербург, 1997 г.; на Всемирном конгрессе Международной ассоциации строительных наук (1AHS), Румыния, 1997 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 51 печатная работа, включая две международных и одно учебное пособие, получено 2 авторских свидетельства.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка литературы из 268 наименований, в том числе 61 зарубежного, и приложений. Работа изложена на 354 страницах, включая 86 рисунков и 18 таблиц.
