СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА ВЕЛИЧИНЫ МАССОВЫХ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ИЗ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО ПОМЕЩЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO DETERMINE AND MONITOR VALUE OF MASSIVE EMISSION OF POLLUTANTS INTO ENVIRONMENT FROM LIVESTOCK ROOM AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к агроинженерной экологии и может быть использовано для определения и мониторинга выбросов вредных газов из животноводческих помещений с естественными системами вентиляции.
Известен способ расчета выбросов вредных газов, в том числе аммиака, выделяющихся из животноводческих помещений с вентиляционным воздухом, Методика расчета выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферу от животноводческих комплексов и звероферм (по величинам удельных показателей) Санкт-Петербург, 1999, стр.16-18. Способ основан на использовании известных биологических особенностях процессов усвоения корма животными, на основе чего предложены величины удельных выделений газа из животноводческих помещений на центнер живой массы животных, находящихся в данном помещении, Y, г/с. Соответственно, общий выброс газа G, г/с, определяется как:
ж
ж
G=Y·N·М, г/с,
ж
ж
где N - количество животных; М - масса одного животного, ц.
Основным источником аммиака в животноводческом помещении являются экскременты животных, навоз. Процесс образования и выделения аммиака из экскрементов животных является сложным биохимическим процессом, зависящим от многих параметров, к которым относятся: количество азотосодержащих веществ в корме, уровень аэрации поверхности экскрементов, общий уровень воздухообмена в помещении, время нахождения экскрементов в помещении, их температура, площадь поверхности пола, покрытого экскрементами животных и др. Вышеперечисленные условия образования и выделения аммиака из экскрементов животных могут существенно отличаться в различных помещениях, что предопределяет и различную интенсивность образования и выделения аммиака и соответственно различный выброс газа в наружную атмосферу, уровень которого может существенно отличаться от расчетных значений. Таким образом, применение известного способа расчета выбросов аммиака из животноводческого помещения не может обеспечить достоверность оценки выбросов аммиака для всех типов помещений. Известный способ можно применять для прогноза ситуации при экологической экспертизе применяемых проектных решений при проектировании и строительстве новых животноводческих помещений. Осуществлять мониторинг экологического состояния животноводческого помещения по выбросу аммиака в период реальной эксплуатации животноводческого помещения известным способом нельзя.
Известен способ мониторинга выбросов газов из вентилируемых помещений, в том числе и с естественной системой вентиляции, основанный на инструментальном определении содержания газов в воздухе помещений и инструментальном определении объема вентиляционного воздуха внутри помещения. Богословский В.Н., Новожилов В.И. и др. Отопление и вентиляция, часть II. М.: Стройиздат, 1976, стр.81.
3
3
В этом случае выброс газа определяется как произведение содержания газа в воздухе , мг/м, на объем вентиляционного воздуха, L, м/ч:
, мг/ч.
Причем необходимо обеспечить синхронность измерения как концентраций газа , так и объема вентиляционного воздуха L.
Объем вентиляционного воздуха в помещении с естественной вентиляцией инструментальным путем определяется по скорости потока воздуха в вентиляционных отверстиях помещения, специально изготовленных для организации воздухообмена в помещении. Для инструментального определения скорости потока в каждом отверстии используются как механические, так и электронные анемометры.
Механические анемометры позволяют инструментально определять скорость потока воздуха в исследуемой точке путем установки прибора, снятия показаний прибора с последующим определением скорости потока специальным методом.
i
i
i
2
Электронные приборы позволяют определять скорость потока воздуха в заданной точке и непрерывно передавать получаемые результаты в электронном виде на компьютер для последующей обработки и использования. Объем потока вентиляционного воздуха L, проходящего через одно вытяжное отверстие определяется как произведение площади отверстия на S, м, на среднюю скорость потока воздуха V, м/с:
i
i
3
Li=3600·V·S, м/ч.
Общий объем потока вентиляционного воздуха L, уходящего из помещения через все вытяжные отверстия, составляет:
При применении известного способа для определения выброса аммиака из животноводческих помещений с естественной вентиляцией возникает ряд существенных осложнений. Определить применяемым способом объем удаляемого воздуха из животноводческого помещения практически невозможно, ибо в каждом помещении помимо вентиляционных отверстий, предусмотренных для организации воздухообмена, есть множество неорганизованных притворов, окна, двери, щели в ограждающих конструкциях, объемы потока воздуха через которые практически невозможно определить. Кроме того, объем подачи удаляемого воздуха необходимо определять синхронно с определением концентрации аммиака в воздушной среде помещения. Это обеспечить нельзя, т.к. процесс определения скорости потоков воздуха в вентиляционных отверстиях по времени велик и добиться согласования времени определения объемов удаляемого воздуха и концентраций газов практически невозможно.
Производительность вытяжных отверстий зависит от наружных метеорологических условий, которые могут изменяться в период от начала измерения в одних отверстиях до окончания этих измерений в других, что вносит большие погрешности определения измеряемого потока. Также могут изменяться концентрации газов внутри помещения в зависимости от ряда технологических и метеорологических факторов.
Следует также отметить большую сложность в оценке режима работы больших аэрационных щелей современных животноводческих помещений, площадь сечения которых могут составлять до 1,2×80 м, а расположены они на высоте до 10 м. Такие аэрационные щели всегда работают как на вытяжку, так и на приток, в этих же помещениях есть и большое количество организованных и неорганизованных притворов: окна, двери, щели. Вышеотмеченные особенности помещений не позволяют достоверно выполнить определение выбросов аммиака из животноводческих помещений с естественной системой вентиляции.
Типичная (аналитическая) система мониторинга выбросов состоит из автоматического стационарного промышленного анализатора с системой отбора и подготовки проб, расходомера, измерителей температуры, давления и других параметров сбросного потока. Далее измеренные параметры сбросного потока передаются в компьютер для дальнейшей обработки. Однако, аналитическая система мониторинга является весьма дорогостоящей и требует высоких текущих затрат, недостаточно надежна, т.к. датчики анализатора быстро выходят из строя под воздействием содержащихся в выбросах агрессивных компонентов (K.Chin. Rising to the Emissions Chalenge. Chemical Engineering, v.105, N11, 1998), что требует их частых проверок и многочасовых калибровок и т.п. Все эти недостатки ограничивают широкое применение подобных систем мониторинга.
Альтернативой аналитическим системам мониторинга являются параметрические или предсказательные системы мониторинга, которые не имеют в своем составе дорогостоящего и ненадежного аналитического оборудования (M.Collins, K.Terhune. A model solution for tracking pollution, v.101, N6, 1994; K.Chin. Rising to the Emissions Challenge. Chemical Engineering, v.105, N11, 1998). Суть подобных систем заключается в том, что базирующееся на математических моделях источников выбросов программное обеспечение рассчитывает концентрацию загрязняющих компонентов в сбросных потоках в зависимости от параметров технологического режима. Исходные данные для расчета, как правило, выбираются из существующей системы управления производственным процессом. Таким образом, отличие этих систем мониторинга заключается в том, что вместо весьма ненадежных и дорогостоящих газоанализаторов система имеет адекватную математическую модель процесса, а надежность системы определяется только надежностью компьютера и штатной системы контроля и управления.
Наиболее близким к заявляемому способу и устройству относится способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и система для его осуществления, патент РФ 2190875, G06F/40, G05B 13/04.
Способ определения массовых выбросов загрязняющих веществ, имеющих различное агрегатное состояние, в окружающую среду заключается в том, что для определения этих величин используют адекватную математическую модель источника выбросов, исходными данными которой берут параметры, однозначно характеризующие текущий режим работы источника выбросов: показания контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков, и параметры, соответствующие текущим положениям элементов управления режимом работы источника выброса, причем для согласования исходных данных составляют материальные и тепловые балансы установки - источника выбросов с учетом основных физико-химических закономерностей протекающих процессов с последующей корректировкой не согласующихся данных.
Система для определения параметров выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду содержит источник выбросов, включающий контрольно-измерительное оборудование, дополнительные датчики, элементы управления текущим режимом работы источника выбросов, блок периодического анализа выбросов и блок сбора и хранения данных о его режимах работы, показаниях контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков и параметров, соответствующих текущим положениям элементов управления режимом работы источника выброса, она содержит также блок составления материального баланса технологической установки - источника выбросов с учетом основных физико-химических закономерностей протекающих процессов, блок анализа и коррекции исходных данных, блок технологических расчетов с учетом заданных критериев, блок расчета массовых выбросов загрязняющих веществ с учетом корректируемых в процессе калибровки системы параметров математической модели, блок интегрирования массовых выбросов во времени, блок хранения параметров математической модели, комплексный блок коррекции параметров математической модели и блок экспертных оценок, причем вход блока составления материального и теплового балансов соединен с блоком сбора и хранения данных о режимах работы системы, показаниях контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков и параметров, соответствующих текущим положениям элементов управления режимом работы источника выброса, первый выход блока составления материального и теплового балансов подсоединен к блоку анализа и коррекции исходных данных, который присоединен к блоку экспертных оценок, второй выход блока составления материального и теплового балансов подсоединен к блоку технологических расчетов, а третий выход блока составления материального и теплового балансов подсоединен к блоку расчетов массовых выбросов загрязняющих веществ, выходы которого подключены к блоку технологических расчетов и блоку интегрирования выбросов во времени, а входы - к блоку периодического анализа выбросов и блоку хранения параметров математической модели, причем вход последнего соединен с комплексным блоком коррекции параметров математической модели, один из входов которого подключен к блоку составления материального и теплового балансов, а другой - к блоку периодического анализа выбросов, который своим входом связан с источником выбросов.
Недостатком данного способа и устройства является то, что этот способ и устройство не может использоваться для мониторинга выбросов из животноводческих помещений с естественной системой вентиляции из-за невозможности непрерывного контроля воздухообмена в помещениях.
Задача изобретения - автоматический мониторинг величины выбросов в определенный момент времени и в течение заданного периода времени с фиксацией мгновенных значений или суммарных величин за определенный период времени и с возможностью передачи полученных результатов пользователю без выполнения ручных инструментальных измерений, обеспечивающих расчет уровня воздухообмена в помещении.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения и мониторинга величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду из животноводческого помещения, заключающемся в использовании математической модели выбросов, исходными данными которой берут параметры, однозначно характеризующие режим работы источника выбросов, показания контрольно-измерительного оборудования, для согласования исходных данных составляют материальные балансы источников выбросов, при этом определяют концентрацию диоксида углерода внутри помещения и по нему определяют уровень воздухообмена в помещении, одновременно измеряют концентрацию аммиака внутри помещения и по ним определяют фактический выброс аммиака из помещения по формуле:
,
где  - количество выбрасываемого из помещения аммиака, кг/ч;
3
- концентрация аммиака в помещении, мг/м;  - удельное выделение животными диоксида углерода в зависимости от массы и продуктивности, кг/ч;
ж
3
N - количество животных; ,  - концентрация диоксида углерода в помещении и в наружном воздухе соответственно, мг/м.
Система определения и мониторинга величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду из животноводческого помещения содержит источник выбросов и блок материального баланса, сбора, хранения и передачи пользователю данных о его режимах работы, показаний контрольно-измерительного оборудования, при этом система содержит датчики газоанализаторов диоксида углерода и аммиака, расположенные выше зоны содержания животных, а блок материального баланса содержит программу определения выбросов аммиака по величине текущих значений концентрации диоксида углерода и аммиака, а также информации о виде животных, их количестве и физиологических показателях: массе, продуктивности.
Новые существенные признаки
1. Определяют концентрацию диоксида углерода внутри животноводческого помещения и по нему определяют уровень воздухообмена в помещении.
2. Одновременно измеряют концентрацию аммиака внутри животноводческого помещения.
3. По значениям концентрации аммиака и уровня воздухообмена в помещении автоматически определяют фактический выброс аммиака из животноводческого помещения по формуле:
,
где  - количество выбрасываемого из помещения аммиака, кг/ч;
3
- концентрация аммиака в помещении, мг/м;  - удельное выделение животными диоксида углерода в зависимости от массы и продуктивности, кг/ч;
ж
3
N - количество животных; ,  - концентрация диоксида углерода в помещении и в наружном воздухе соответственно, мг/м.
4. Устанавливают датчики диоксида углерода и аммиака газоанализаторов выше зоны содержания животных.
5. Блок материального баланса содержит программу определения выбросов аммиака по величине текущих значений концентрации диоксида углерода и аммиака, а также информации о виде животных, их количестве и физиологических показателях: массе, продуктивности.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяет получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
В отличие от известных способов мониторинга выброса аммиака из животноводческих помещений выброс аммиака по предлагаемому способу определяется и заносится в память компьютера одновременно с определением концентраций диоксида углерода и аммиака, что повышает достоверность мониторинга.
3
Уровень воздухообмена внутри животноводческого помещения с естественной системой вентиляции L, м/ч, определяется автоматически по балансу диоксида углерода:
,
3
3
где  - количество диоксида углерода, выделяемого животными внутри помещения, кг/ч;  - концентрация диоксида углерода внутри помещения, мг/м;  - концентрация диоксида углерода в наружном воздухе, мг/м.
Величина  определяется расчетом в соответствии с отраслевыми нормами технологического проектирования. Значение  определяется автоматически газоанализаторами по заданной программе. Значение  принимается постоянной величиной, соответствующей данному региону.
Перечисленные параметры вводятся в блок расчета материального баланса.
Мониторинг выбросов аммиака из животноводческого помещения с естественной системой вентиляции с применением предлагаемого способа и устройства позволяет оценивать выброс аммиака как текущий контролируемый параметр без промежуточных ручных инструментальных замеров соответствующих параметров с целью определения объема вентиляционного воздуха и промежуточных определений этого параметра.
Устройство сбора и обработки информации (компьютер) собирает и фиксирует в своей памяти данные о содержании  и  в фиксированное время измерений, осуществляет сохранение полученных результатов, с помощью введенной в компьютер программы осуществляется расчет выброса аммиака и в фиксированное время и суммарное значение за период измерений, , ,  с сохранением в памяти полученных результатов. Полученные результаты оценки могут извлекаться из компьютера для последующего анализа пользователем.
2
Программа расчета основана на алгоритме расчета значения  исходя из получаемых значений ,  и введенных характеристик объекта: количество животных, масса животных Мж, продуктивность, удельное выделение CO животными, что позволяет осуществлять определение выбросов аммиака без ручных инструментальных замеров и расчетов уровня воздухообмена внутри помещений. Установка датчиков диоксида углерода и аммиака газоанализаторов выше зоны содержания животных позволяет предотвратить повреждение датчиков животными.
Преимущества:
- отсутствует необходимость в ручных инструментальных работах по определению уровня воздухообмена в помещениях с естественной системой вентиляции;
- возможность синхронного определения измеряемых параметров обеспечивает достоверность оценки величины выброса аммиака;
- отсутствие необходимости в определении значения уровня воздухообмена L снижает трудозатраты на определение объема выбросов;
- возможность получения мгновенных и суммарных за определенный период времени результатов мониторинга обеспечивает оперативность анализа ситуации в исследуемом помещении;
- удобство пользования и сохранения полученных результатов мониторинга делает полученные результаты легкодоступным материалом.
На фиг.1 изображена система мониторинга выбросов аммиака из животноводческих помещений с естественной системой вентиляции. Система мониторинга выбросов аммиака животноводческого помещения 1 включает компьютер 2, датчик концентраций диоксида углерода 3 и аммиака 4, установленные выше зоны содержания животных, соединенные с преобразователями сигналов диоксида углерода 5 и аммиака 6 соответственно, последние, в свою очередь, соединены с компьютером 2. В компьютер 2 введена программа 7 расчета значений выбросов аммиака по текущим значениям концентраций диоксида углерода и аммиака в воздушной среде животноводческого помещения 1 и блок информации о физиологических параметрах животных 8, содержащихся в помещении 1. Получение информации о результатах мониторинга обеспечивается компьютером по запросу пользователя 9.
Мониторинг выброса аммиака из животноводческого помещения с естественной вентиляцией в соответствии с предлагаемым способом и устройством осуществляется следующим образом.
Датчики концентраций диоксида углерода 3 и аммиака 4 реагируют на наличие диоксида углерода и аммиака и передают сигнал на соответствующие преобразователи 5 и 6. В преобразователях 5 и 6 сигналы, полученные от датчиков концентрации диоксида углерода и аммиака 3 и 4, преобразуются в значение фактической концентрации газов в воздушной среде животноводческого помещения 1. Полученные сигналы передаются в компьютер 2. Компьютер 2 по заложенной в него программе 7 рассчитывает выбросы аммиака в зависимости от физиологических параметров животных, получаемых из блока информации 8, содержащихся в животноводческом помещении 1 (вид животного, продуктивность), и данных фактических концентраций диоксида углерода и аммиака в воздушной среде животноводческого помещения 1 в определенный момент времени. Полученные результаты расчета  вводятся в память компьютера 2 и суммируются. В результате по необходимости можно в любое время получить данные о мгновенных (текущих) значениях , ,  и усредненные значения  за определенный период времени.