Μαθηματική Μοντελοποίηση Διασποράς Αερίων Ρύπων Αριστοποίηση Ύψους Καμινάδας Διυλιστηρίου

Καβαθάς, Γεώργιος; Kavathas, George

dc.contributor.author	Καβαθάς, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Kavathas, George	en
dc.date.accessioned	2020-11-21T10:00:34Z
dc.date.available	2020-11-21T10:00:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51980
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19678
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Διυλιστήριο, Καμινάδα, Αέριοι Ρύποι, Νέφος Προσομοίωση	el
dc.subject		en
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.subject	Refinery, Stack, Air Pollutant, Plume, Simulation
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.subject
dc.title	Μαθηματική Μοντελοποίηση Διασποράς Αερίων Ρύπων Αριστοποίηση Ύψους Καμινάδας Διυλιστηρίου	el
dc.title	Mathematical Simulation of Air Pollutant Dispersion, Refinery Stack Height Optimization	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.classification	Computational Mechanics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-06-30
heal.abstract	Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την προσομοίωση της διασποράς ρύπων από καμινάδα διυλιστηρίου με χρήση και τροποποίηση του εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής PHOENICS v. 2009. Οι μετεωρολογικές συνθήκες που λαμβάνονται υπόψη, είναι η ταχύτητα του ανέμου (σχετίζεται άμεσα με την ένταση της τύρβης) και η επικρατούσα θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι ρύποι που προσομoιώνονται είναι το διοξείδια θείου και αζώτου, καθώς και τα συνολικά αιωρούμενα σωματίδια. Εξετάστηκαν σενάρια προσομoίωσης με καμινάδα με και χωρίς κώνο, σε διάφορες τιμές ταχύτητας ανέμου και σε δύο τιμές τραχύτητας εδάφους. Επίσης εξετάστηκαν διάφορα ύψη καμινάδας ως προς την επίδρασή τους στην συγκέντρωση των ρύπων στο επίπεδο του εδάφους. Παράλληλα αξιολογήθηκε η χρήση της αδιάστατης συγκέντρωσης στον υπολογισμό της συγκέντρωσης του ρύπου άμεσα και χωρίς την χρήση του κώδικα. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο τύρβης RNG derived k~ε και η αριθμητική επίλυση έγινε με το υβριδικό σχήμα διακριτοποίησης. Το πεδίο ροής των προσομοιώσεων είναι τρισδιάστατο με διαστάσεις, 6.250 m x 600 m x 500 m (για ύψος τραχύτητας 0,1 m) ή 700 m (για ύψος τραχύτητας 0,3m). Κατά την αριθμητική επίλυση ελήφθη υπόψη το επίπεδο συμμετρίας παράλληλο στο μήκος και κάθετο στο πλάτος του πεδίου ροής, δηλ. η επίλυση έγινε για πλάτος του πεδίου ροής 300 m. Από την ανεξαρτησία πλέγματος έχει προκύψει ένα πεδίο με 156.000 κελιά (25 x 78 x 80). Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα για την συγκεκριμένη καμινάδα της εργασίας. Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα αποτελέσματα της εργασίας έχουν γενικότερα εφαρμογή σε οποιαδήποτε καμινάδα διυλιστηρίου. Η αύξηση της τραχύτητας εδάφους προκαλεί μείωση της ανύψωσης του πλουμίου των ρύπων με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι μέγιστες συγκεντρώσεις στο επίπεδο του εδάφους και επιπλέον οι μέγιστες συγκεντρώσεις να παρουσιάζονται σε μικρότερες σχετικά αποστάσεις από την καμινάδα. Επίσης ανάλογα φαινόμενα παρατηρούνται και με την αύξηση της ταχύτητας του ανέμου. Μάλιστα σε πολύ ισχυρούς ανέμους (και στις δύο τιμές τραχύτητας), το πλούμιο έχει παρόμοια συμπεριφορά σε μεγάλες αποστάσεις από την καμινάδα. Η καμινάδα με ειδικό κώνο αύξησης της ταχύτητας εκροής των καυσαερίων παρουσιάζει μεγαλύτερη ανύψωση του πλουμίου των ρύπων σε σχέση με αυτήν χωρίς κώνο, με αποτέλεσμα τη μείωση των συγκεντρώσεων στο επίπεδο του εδάφους σε αποστάσεις μέχρι 4.000 m από την καμινάδα, ενώ σε μεγαλύτερες αποστάσεις οι συγκεντρώσεις είναι παρόμοιες. Η μείωση αυτή εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου και είναι μεγάλη (έως 300%) για χαμηλές ταχύτητες ανέμου, σημαντικά μικρότερη (έως 20%) για μέτριες ταχύτητες ανέμου και πολύ μικρή (έως 10% για μικρότερες αποστάσεις από την καμινάδα) για ισχυρές ταχύτητες. Σε πολύ ισχυρούς ανέμους οι συγκεντρώσεις και στις δύο περιπτώσεις καμινάδας είναι παρόμοιες. Για καμινάδα με κώνο, όσο αυξάνεται το ύψος της έχουμε μείωση συγκεντρώσεων διοξειδίου του θείου στο επίπεδο του εδάφους. Υψηλότερη καμινάδα οδηγεί σε μεγαλύτερο ενεργό ύψος, άρα αυξημένη ανύψωση του πλουμίου. Η μείωση αυτή είναι πιο ελαφριά σε ύψη καμινάδας από 80 m σε 90 m. Αύξηση κατά 10 m του ύψους της καμινάδας οδηγεί σε μείωση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του θείου στο επίπεδο αναπνοής κατά 19% μέσο όρο περίπου. Η συνολική μείωση είναι της τάξης του 50,00% κατά μέσο όρο για καμινάδα ύψους 90 m. Όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου μειώνεται το ποσοστό μείωσης της συγκέντρωσης του διοξειδίου του θείου ανά 10 m αύξησης ύψους καμινάδας. Για καμινάδα χωρίς κώνο, όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου, τόσο μειώνεται η ανύψωση του πλουμίου με αποτέλεσμα να δίνει υψηλότερες αδιάστατες συγκεντρώσεις και κατά επέκταση συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου. Επίσης όσο μειώνεται η ανύψωση του πλουμίου (αύξηση ταχύτητας ανέμου), οι μέγιστες συγκεντρώσεις παρατηρούνται σε μικρότερες αποστάσεις από την καμινάδα. Για την καμινάδα με κώνο, σε σταθερή ταχύτητα ανέμου, όσο αυξάνεται η παροχή των καυσαερίων, τόσο αυξάνεται η ανύψωση του πλουμίου με αποτέλεσμα να δίνει μικρότερες αδιάστατες συγκεντρώσεις και κατά επέκταση συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου. Κρίσιμος παράγοντας για την αύξηση της παροχής καυσαερίων είναι η ταχύτητα εκροής καυσαερίων από την καμινάδα. Αυτή με την σειρά της επηρεάζεται από τον ρυθμό εκροής (m3/sec) των καυσαερίων από την καμινάδα – ανάλογα – και από την επιφάνεια εκροής – αντιστρόφως ανάλογα. Επίσης όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου με παράλληλη αύξηση της παροχής εκροής καυσαερίων, τόσο μειώνεται η ανύψωση του πλουμίου με αποτέλεσμα να δίνει υψηλότερες αδιάστατες συγκεντρώσεις και κατά επέκταση συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου. Για την εκτίμηση της επίδρασης της δημόσιας υγείας από την διασπορά ρύπων στις πόλεις της Ελευσίνας και Μάνδρας σε ετήσια βάση, συμπεραίνεται ότι η διασπορά των ρύπων από καμινάδα διυλιστηρίου ευθύνεται για μικρό σχετικά μέρος των μετρούμενων συγκεντρώσεων ρύπων σε ετήσια βάση στις εν λόγω πόλεις, στις οποίες μάλιστα δεν καταγράφονται υπερβάσεις των νομοθετημένων οριακών τιμών. Ως προς το διοξείδιο του θείου για την καμινάδα με κώνο η συνολική μέση τιμή για την πόλη της Ελευσίνας είναι το 33,45% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 16,73% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου. Για την πόλη της Μάνδρας η τιμή αποτελεί το 17,89% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 8,95% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου. Ως προς το διοξείδιο του αζώτου για την καμινάδα με κώνο η συνολική μέση τιμή για την πόλη της Ελευσίνας είναι το 5,35% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 2,67% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου. Για την πόλη της Μάνδρας η τιμή αποτελεί το 2,90% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 1,45% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου Σχετικά με τα αιωρούμενα σωματίδια για την καμινάδα με κώνο η συνολική μέση τιμή για την πόλη της Ελευσίνας είναι το 0,16% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 0,10% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου. Για την πόλη της Μάνδρας η τιμή αποτελεί το 0,09% της μετρούμενης ετήσιας τιμής από το Σταθμό της Ελευσίνας και το 0,005% του νομοθετημένου ετήσιου ορίου.	el
heal.abstract	The present work refers to the simulation of pollutants dispersion from a refinery stack by modifying appropriately the commercial software ‘’PHOENICS’’. The meteorological conditions taken into account are the wind velocity (related to the turbulence intensity) and the ambient temperature. The simulated pollutants are the sulfur and nitrogen dioxides, as well as the total particulate matter. Many simulation cases were examined for a stack (with and without a cone) at various wind velocities and at two ground roughness values. Different stack heights were also examined for their effect on pollutant concentrations on the ground level. Futhermore, the use of a non- dimensional concentration in calculating the pollutants concentration directly from the relative diagrams, was evaluated.The Hybrid Differencing Scheme was used. This scheme switches the discretization of the convection terms between Central Differencing Scheme and Upwind Differencing Scheme, according to the local cell Peclet number. The turbulence model used was the RNG derived k ~ ε model for all the simulation cases. The simulation flow field is considered as three dimensional, with dimensions 6.250 m X 600 m X 500 m (for roughness value equal to 0,1) or 700 m (for roughness value equal to 0,3). In the field considered there is a layer of symmetry which is parallel to the length and perpendicular to the width of the flow field. Due to that symmetry the width of the flow field considered is 300 m. From the grid independency study performed , the finess of the grid required to obtain grid-independent results is 156.000 cells (25 x 78 x 80). The evaluation of the simulation results obtained, leads to the following conclusions for the specific stack of this work. It should be noted that the results of this work are generally applied to any refinery stack. Increasing the ground roughness causes a decrease in the elevation of the plume, resulting in an increase of the maximum pollutants concentrations at the ground level; and to take place at relatively shortrer distances from the stack ( at smaller lengths of the flow field). Similar phenomena are also observed with increasing wind speed. In fact, in very strong winds (at both roughness values), the plume has similar behavior over long distances from the stack. Stack with cone, for increasing the exhaust gas velocity, has a higher plume elevation than stack without cone. It presents lower pollutants concentrations at ground level up to long distances from the stack (4.000 m), while at longer distances the concentrations are similar. This reduction depends on the wind velocity and is significant (up to 300%) for low wind velocities, significantly lower (up to 20%) for moderate wind velocities and very low (up to 10% for shorter distances from the stack) for high velocities. At very strong winds the concentrations in both cases of stack are similar. For stack with cone, rise of its height results to the reduction of sulfur dioxide concentrations at ground level. Higher stack leads to a higher active height, thus increased plume elevation. This decrease is not so acute when the stack height varies from 80 m to 90 m. This is the reason why we consider as the optimum stack height the value of 80 m. In general an increase of 10 m of stack height leads to a decrease in the sulfur dioxide concentration at breathing level by approximately 19% on average. The total reduction is about 50.00% for a 90 m stack height. For a cone-free stack, as the wind velosity increases, the plume elevation decreases, with result higher non-dimensional concentrations and consequently higher concentrations of sulfur dioxide. Also, as the plume elevation decreases (with wind velocity increase), the maximum pollutants concentrations are observed at smaller distances from the stack. For the cone stack, at constant wind velocity, the higher exhaust gasses flow the higher the plume elevation, resulting in smaller non- dimensional concentrations and therefore smaller sulfur dioxide concentrations. A critical factor for the increase of the exhaust gasses flow rate, is the velocity of the gasses coming out from the stack. This velocity is affected by the outlet flow rate (m3/sec) of the exhaust gasses from the stack – accordingly - and by the outlet surface - inversely. Also, as the wind velocity increases, while the exhaust gasses flow rate increases, the plume elevation decreased which results to higher non- dimensional concentrations and therefore higher sulfur dioxide concentrations. Estimating the health impact of pollutant dispersion in the cities of Elefsina and Mandra, we conclude that the pollutants dispersion from a refinery stack gives concentrations at the ground level bellow the annual limit set by legislation. Therefore there is no negative effect in the health of the residents. These concentrations also constitute a small percentage of the annual results which are available from the Elefsina air pollution monitoring station. As for sulfur dioxide for the stack with cone, the total average concentration for the city of Elefsina is 33,45% of the measured annual value from the Elefsina Environmental Station and 16,73% of the legislated annual permitted limit. For the city of Mandra, the concentration is 17,89% of the measured annual value from the Elefsina Station and 8,95% of the legislated annual limit. For nitrogen dioxide for the stack with cone, the total average concentration for the city of Elefsina is 5,35% of the measured annual value from the Elefsina Environmental Station and 2,67% of the legislated annual limit. For the city of Mandra, the concentration is 2,90% of the measured annual value from the Elefsina Station and 1,45% of the legislated annual limit. Relating PM for the stack with cone, the total average concentration for the city of Elefsina is 0,16% of the measured annual value from the Elefsina Environmental Station and 0,10% of the legislated annual limit. For the city of Mandra, the concentration is 0,09% of the measured annual value from the Elefsina Station and 0,005% of the legislated annual limit.	en
heal.advisorName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκάτος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Φουντή, Μαρία
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	223 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false