Об утверждении методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Физико-математическая модель и методика расчета текущих
выбросов вредных веществ в атмосферу при горении торфяников

К отдельному типу лесных пожаров относятся почвенные и торфяные пожары, которые возникают под влиянием заглубления горения ЛГМ при низовых лесных пожарах. Под влиянием нагрева от фронта низового лесного пожара и притока окислителя из окружающей среды высушивается, гидролизуется, а затем загорается подстилка - слой полуразложившихся листвы, хвои, травы и тонких веточек. Плотность подстилки в абсолютно сухом состоянии изменяется в пределах от 30 до 300 кг/куб.м, что выше, чем плотность опада. Влагосодержание подстилки тоже выше, чем у напочвенного покрова и по данным /15/ изменяется, как правило, в пределах от 470% до 560%. Поэтому подстилка высыхает значительно медленнее, чем напочвенный покров, и лишь в очень сухую погоду достигает минимального значения - 14%. Если под подстилкой расположен слой продуктов неполного разложения растительных материалов, называемых торфом, то процесс заглубления горения может продолжаться и может возникнуть торфяной пожар.

По условиям образования различают низинный, переходный и верховой торфы. Низинный торф залегает на глубине 1,6-3,5 м и имеет степень разложения 26-31%, зольность 6-12% и влажность в естественном состоянии 86-92%, а верховой - глубину залегания 1,6-4,4 м, степень разложения 18-46%, зольность 2,7-4% и влажность 89-93%. Под степенью разложения понимают отношение массы гумуса (разложившейся части органики) ко всей массе торфа. Низинный торф образуется на болотах в результате грунтового питания болот водой, а верховой - при поступлении воды из атмосферы. Влагосодержание торфов существенно больше влагосодержания подстилки и составляет от 2500 до 3070%. С увеличением степени разложения его влагосодержание уменьшается. Как и у лесных горючих материалов, основными горючими элементами у торфов являются углерод (52-56% от общей массы) и водород (5-6% от общей массы), кроме того, в составе торфа имеется от 30% до 40% атомов кислорода, связанного в молекулах химических веществ, из которых состоит торф. Среднее значение величины теплотворной способности торфа равно 5500 ккал/кг.

При нагревании торф высушивается, затем происходит его пиролиз с образованием газообразных горючих компонентов и кокса и, если в зоне нагрева имеется окислитель, то происходит воспламенение и последующее горение торфа. Из наблюдений следует, что горение торфа в естественных условиях после его заглубления под слой почвы в условиях избыточного влагосодержания и недостатка кислорода происходит в режиме тления. Линейная скорость распространения фронта торфяного пожара составляет в среднем 7 мм/час. Горение носит диффузионный характер, то есть лимитируется поступлением окислителя.

Максимальная температура горения изменяется в пределах 623К=<Т(г)=<673К. Фронт торфяного пожара неоднороден, то есть горение носит очаговый характер. В результате горения образуются продукты полного (СО(2), Н(2) О и пепел), неполного окисления (СО) и пиролиза торфа - метан (СН(4)), водород (Н(2)), сажа, дым. Пепел имеет белый цвет, рыхлую структуру и отваливается на вертикальных участках. В процессе горения торфа первоначально плоская, поверхность фронта горения может принимать форму параболоида вращения. В связи с тем, что горение при торфяных пожарах носит подпочвенный характер, его очень трудно обнаружить. Над поверхностью почвы при пожаре на торфянике стелется синеватый дымок (угарный газ - газообразный продукт неполного горения торфа в толстых слоях имеет синеватый цвет). В отличие от низового лесного пожара, процессы переноса массы, энергии и количества движения имеют существенно меньшую скорость, чем при низовых пожарах. В частности, течение газа на торфяных пожарах принимает характер просачивания газа через поры, называемое фильтрацией, что, в конечном счете, существенно замедляет скорость поступления окислителя к фронту торфяного пожара и предопределяет малую скорость его распространения.

Таким образом, общая схема физико-химических процессов при лесных пожарах, приведенная на рис.3.3, сохраняет свою силу и для пожаров на торфяниках, но, в отличие от низового и верхового лесных пожаров, роль излучения при передаче тепловой энергии из зоны горения торфяного пожара мало по сравнению с передачей энергии путем теплопроводности и фильтрации продуктов горения. Другим отличием является то, что фронт горения представляет собой поверхность, положение которой в пространстве определяется расположением торфяной залежи и приходом кислорода из приземного слоя атмосферы. Поскольку горение при торфяных пожарах имеет диффузионный характер, то фронт горения можно отождествлять с поверхностью, расположенной внутри торфяной залежи, на которой температура Т = Т(г), где Т(г) температура горения, а плотность диффузионного потока кислорода q(1) = q(1:), где q(1:) - значение q, соответствующее Т = Т(г).

Пусть поверхность горения S(г), плотность торфа в торфяной залежи ро(т) и скорость нормального распространения горения омега(n) по торфянику известны.

Тогда для массовой скорости выброса альфа - поллютанта и тепла в атмосферу имеем уравнение и начальные условия:

где К(альфа) - удельный выброс альфа - поллютанта в атмосферу;

К - коэффициент полноты сгорания;

N - общее количество поллютантов, возникающих при торфяном пожаре.

Если считать, что поверхность горения - плоскость, перпендикулярная вектору силы тяжести, а К(альфа), ро(Т) и омега(n) не зависят от координаты точки внутри торфяной залежи, то уравнения (В.1), (В.2) упрощаю 0тся и принимают вид:

Значение полноты сгорания К в (В.3) и (В.4) определяется по формуле (А.10), где величина предельного влагосодержания W(*) = 30.

Значения удельного выброса (коэффициента генерации) К(альфа) даются в таблице Г.1 приложения Г.

Если считать, что все величины в правых частях (В.3), (В.4) не зависят от времени, то интегрируя (В.3), (В.4) по времени с учетом начального условия, получаем значение выброса для любого альфаполлютанта и тепла:

Выражение для скорости горения омега(n) имеет вид:

Здесь омега(0) = 0.002 мм/с, W и W(*) - влагосодержание и предельное влагосодержание торфа.

Если известна масса торфяной залежи М(0), то, пользуясь определением М(альфа), из (В.5), (В.6) получаем:

где М - текущая масса торфа в торфяной залежи.