Лекция№2 Рациональное использование атмосферного воздуха

Вопросы:

1. Основные виды и источники загрязнения атмосферы.

2. Экологизация технологических процессов и оптимизация расположения источников загрязнения.

3. Очистка и переработка технологических газов, дымовых отходов и вентиляционных выбросов.

4. Государственный экологический контроль за охраной атмосферного воздуха.

1 вопрос.Основные виды и источники загрязнения атмосферы.

В настоящее время к загрязнениям принято относить все те антропогенные факторы, которые оказывают нежелательное воздействие, как на самого человека, так и на ценные для него организмы и ресурсы неживой природы.

Промышленные загрязнения могут быть механическими, химическими, физическими и биологическими.

К механическим загрязнениям относятся запыление атмосферы, твердые частицы и разнообразные предметы в воде и почве.

Химическими загрязнениями являются всевозможные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой.

К физическим загрязнениям относятся все виды энергии как отходы разнообразных производств. Это – тепловая, механическая (включая вибрации, шум, ультразвук), световая энергии, электромагнитные поля, все ионизирующие излучения.

Биологические загрязнения – все виды организмов, появившиеся при участии человека и наносящие вред ему самому или живой природе.

По другой классификации все промышленные загрязнения окружающей среды подразделяются на две основные группы: материальные (вещества), включающие механические, химические, биологические загрязнения, и энергетические (физические) загрязнения. Объединение механических и химических загрязнений в одну группу обусловлено тем, что большая часть веществ оказывает на окружающую среду оба рода воздействия. Более того, некоторые виды загрязнений, например, радиоактивные отходы, могут быть одновременно материальными и энергетическими.

В основу классификации материальных загрязнений приняты среда распространения загрязнений (атмосфера, гидросфера, литосфера), их агрегатное состояние (газообразные, жидкие, твердые), применяемые методы обезвреживания, а так же степень токсичности загрязнений.

Необходимо помнить, что абсолютно безвредных отходов не существует. Так, углекислый газ вреден уже тем, что при больших концентрациях снижает в воздухе относительное содержание кислорода.

Выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются по агрегатному состоянию этих веществ (газо- и парообразные, жидкие, твердые, смешанные выбросы) и по массовому выбросу, т. е. массе веществ, выбрасываемых в единицу времени (тонн в сутки).

Оказывая отрицательное влияние на окружающую среду, материальные загрязнения, в свою очередь, могут подвергаться определенному воздействию окружающей среды. Поэтому, весьма важному с экологической точки зрения признаку, загрязнения разделяют на две группы: стойкие (неразрушаемые) и разрушаемые под действием природных химико-биологических процессов.

Энергетические загрязнения окружающей среды включают промышленные тепловые выбросы, а так же все виды воздействующих на биосферу излучений и полей.

Тепловое загрязнение атмосферы, являющееся следствием конвективного и радиационного теплообмена между нагретыми выбросами или технологическими установками (источниками теплоты) и окружающей средой и проявляющееся в повышении температуры атмосферы, в большей или меньшей степени присуще всем производствам.

Шум, вибрация и ультразвук представляют собой волнообразно распространяющиеся периодические колебательные движения частиц упругой среды (газообразной, жидкой или твердой). Они различаются по частоте колебаний и характеру восприятия их человеком.

Колебания с частотой 16-20 000 Гц, передаваемые через газообразную среду, производят звуки или шумы (беспорядочные сочетания звуков различной частоты и интенсивности) и воспринимаются органами слуха. Колебаниясчастотойниже16 Гц называются инфразвуками, а выше 20 кГц- ультразвуками; органами чувств человека они не воспринимаются, однако оказывают на него влияние.

Для выполнения различных контрольных операций (радиоизотопная дефектоскопия, контроль размеров проката, поковок и т. п.) в машиностроении самое широкое применение находят ионизирующие излучения (альфа, бета, гамма, рентгеновское, нейтронное). Такие излучения при взаимодействии с веществом вызывают его ионизацию, т.е. сообщают его нейтральным атомам и молекулам электрический заряд, превращая их в ионы. Степень воздействия на вещество ионизирующего излучения зависит от его проникающей и ионизирующей способности.

Большинство энергетических загрязнений окружающей среды в отличие от материальных действуют лишь во время их производства и не аккумулируются в природе (это не распространяется на тепловые выбросы и ионизирующие излучения). Другой особенностью энергетических загрязнений является ограниченность сферы их активного воздействия на окружающую среду.

Источники загрязнения воздушного пространства промышленными выбросами могут быть классифицированы следующим образом.

По назначению:

– технологические, содержащие отходящие газы после их улавливания на установках;

– вентиляционные – местные отсосы и общеобменная вентиляция.

По месту расположения:

– незатененные (высокие) или точечные, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую здание в 2,5 раза;

– затененные (низкие) на высоте менее 2,5 высоты здания; наземные – открыто расположенное технологическое оборудование.

По геометрической форме:

– точечные (трубы, шахты и т.п.);

– линейные (аэрационные фонари, окна, факела и т.д.).

По режиму работы: непрерывного и мгновенного действия; залповые и мгновенные.

По дальности распространения: внутриплощадные, внеплощадные.

Горно-добывающая промышленность. Загрязнение атмосферного воздуха при разработке месторождений минерального сырья (Основными источниками загрязнения являются газопылевые «выбросы» из подземных горных выработок, газопылевые выделения из породных отвалов и складов полезных ископаемых. В данном случае под выбросом понимается поступление в атмосферу из подземных горных выработок рудничного (шахтного) воздуха; масса этого воздуха может быть весьма значительной, а концентрации в нем загрязняющих веществ обычно не столь велики. Рудничный воздух представляет собой смесь атмосферного воздуха с различными газообразными примесями, выделяемыми из пород, полезных ископаемых или шахтных вод (например, СН₄, СО₂, Н₂, N₂, Н₂S и др.), а так же образуемыми при взрывных работах и в ряде других процессов.). Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность. К наиболее распространенным загрязняющим веществам атмосферного воздуха при добыче, подготовке, транспортировке и переработке нефти и газа, а также при их сжигании относятся углеводороды, сероводород, оксиды азота и серы, механические взвеси. К выбросам их при добыче нефти и газа приводят следующие случаи: аварийное фонтанирование, опробование и испытание скважин, испарение из мерников и резервуаров, разрывы трубопроводов, очистка технологических емкостей. Источниками оксидов углерода, азота и серы, сажи являются факельные системы, на которые подаются вредные газопарообразные вещества для сжигания из технологических установок, коммуникаций и предохранительных устройств при невозможности их использования в качестве топлива в котельных установках. Все производственные объекты газовой промышленности характеризуются наличием постоянной фоновой загазованности. При хранении потери от так называемого «дыхания».

Загрязнения атмосферы воздуха выбросами предприятиями черной металлургии с полным металлургическим циклом следует рассматривать по отдельным видам производства:

- коксохимическое,

- доменное,

- сталеплавильное.

Выбросы коксохимического производства.

Коксование - метод переработки жидких и твердых горючих ископаемых нагреванием при 900-1050^оС без доступа воздуха. Выбросы от коксохимического производства содержат оксид углерода (на порядок больше других примесей), угольную и коксовую пыль, сернистый ангидрид, цианиды, ароматические углеводороды, аммиак, фенол, сероводород.

Процесс выплавки чугуна в доменной печи заключается в восстановлении оксидов железа углеродом, оксидом углерода и водородом. Углерод поступает в доменную печь в составе кокса, пылевидного топлива, вдуваемых газов, водород - в составе природного газа, мазута и других добавок. Основные загрязнители: доменный газ, содержащий 60% N₂, 30 % CO, 10 % СО₂ и много пыли; тепловое излучение; уровень шума и вибрация.

Машиностроение. Газ, содержащий оксиды углерода, серы, азота, пары масел, полидисперсную пыль; при литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества.

Транспорт. Загрязнение атмосферы передвижными источниками автотранспорта происходит в большей степени отработавшими газами через выпускную систему автомобильного двигателя. Отработавшие газы автомобилей в числе наиболее токсичных компонентов содержат оксид углерода, оксиды азота и углеводороды, а газы дизелей - оксиды азота, углеводороды, сажу и сернистые соединения. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода. Кроме того, АЗС, автодороги (пыль).

Топливная промышленность. С дымовыми газами электростанций в воздушный бассейн выбрасывается большое число твердых и газообразных загрязняющих веществ, среди которых такие вредные вещества как зола, оксиды углерода, серы и азота. Помимо этого в воздушный бассейн попадает огромное количество диоксида углерода и водяных паров. При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся его масса превращается в отходы, причем количество продуктов сгорания в несколько раз превышает массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода (количество отходов в 5 раз больше массы исходного топлива при сжигании газа, в 4 раза больше при сжигании угля).

2 вопрос.Экологизация технологических процессов и оптимизация расположения источников загрязнения.

Это направление можно считать наиболее эффективным в системе мер по охране воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. К нему относится, прежде всего, создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, которые исключают или существенно снижают попадание в воздух вредных веществ. Например, производство феррита (магнитного оксида железа, широко применяемого при изготовлении магнитных носителей информации в ЭВМ, теле- и радиотехнике) основано на прокаливании сульфата железа:

Fe₂(S0₄)₃ →Fe₂0₃ + S0₂ ↑

и сопровождается выделением больших количеств вредного соединения — диоксида серы. Однако в случае замены сульфата на карбонат образование газообразных компонентов, опасных для здоровья человека, исключается:

Fe₂(C0₃)₃→ Fe₂0₃ + C0₂ ↑.

При проведении предварительного обессеривания твердого (каменного угля) или жидкого (мазута) топлива перед подачей его в топку тепловых электростанций возможно существенное понижение содержания S0₂ в дымовых газах.

Вполне эффективны методы подавления генерации NO_x в зоне горения топлива на предприятиях тепловой энергетики (двухстадийное сжигание топлива, рециркуляция дымовых газов). Так удается почти на половину сократить выбросы оксидов азота с дымовыми газами.

Подобное направление природоохранных мероприятий предусматривает также создание непрерывных технологических процессов (по принципу «отходы одних являются сырьем для других предприятий»), замену сети мелких котельных установок на централизованное теплоснабжение, замену угля и мазута на природный газ и т. п.

В то же время, как показывает опыт, в приземном слое атмосферы вблизи крупных энергетических установок (ГРЭС, ТЭЦ, ТЭС) и других предприятий содержание вредных веществ в отходящих газах нередко превышает предельно допустимые нормы, несмотря на меры по очистке газов и экологизацию технологических процессов. В этих случаях прибегают к рассеиванию пылегазовых выбросов с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. На ряде предприятий высота дымовых труб достигает более 300 м. Так, на медно-никелевом комбинате в г. Садбери (Канада) высота трубы 407 м. Значительную высоту (не менее 100 м) имеют вентиляционные (выбросные) трубы на АЭС для рассеивания радиоактивных выбросов. Следует признать, что рассеивание газовых примесей в атмосфере — это далеко не самое лучшее решение проблемы, связанной с загрязнением воздушного бассейна. Снижая его на местном уровне, ничего не предпринимается в этом аспекте на глобальном.

Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов — сложная, комплексная проблема, вклад в ее решение вносят и мероприятия по рациональному размещению источников загрязнений:

· вынесение промышленных предприятий из крупных городов в малонаселенные районы с непригодными и малопригодными для сельскохозяйственного использования землями;

· расположение промышленных предприятий с учетом топографии местности и розы ветров;

· установление санитарно-защитных зон (ССЗ) вокруг промышленных предприятий;

· рациональная планировка городской застройки.

Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода года. Промышленные объекты как источники выделения вредных веществ в окружающую среду должны располагаться за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов.

Здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещаются по ходу производственного процесса. При недостаточном расстоянии между корпусами загрязняющие вещества могут накапливаться в межкорпусном пространстве, которое оказывается в зоне аэродинамической тени. Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.

3 вопрос.Очистка и переработка технологических газов, дымовых отходов и вентиляционных выбросов.

Основным направлением охраны окружающей среды, в том числе и атмосферного воздуха от вредных выбросов должна быть разработка малоотходных и безотходных технологических процессов. Однако такую задачу следует полагать стратегической и рассчитанной на длительный период. А в настоящее время наиболее распространенным и технически более простым решением указанной проблемы является разработка эффективных систем очистки, улавливания и переработки газообразных, жидких и твердых примесей.

Выбор метода очистки пром. выбросов зависит от след. факторов:

· вида выбрасываемой примеси;

· дисперсного состава примесей, концентрации извлекаемого компонента в выбросах;

· объема и температуры выброса;

· возможности использования продуктов очистки.

Эффективность очистки:

· метод не должен удорожать себестоимость продукта;

· используемые реагенты не должны быть дефицитными;

· конечные продукты очистки должны быть использованы или должны быть удобны для переработки;

· коррозия оборудования должна быть минимальна;

· установка по очистке должна допускать автоматизацию;

· другие вещества, которые содержаться в газах, не должны влиять на работу установки;

· очищенные газы должны содержать минимальное кол-во загрязняющих веществ, температура должна быть достаточной для рассеивания в атмосфере.

Выбор воздухоочистительного аппарата или сооружения проводят на основании результатов расчета их эколого-экономической эффективности.

Улавливание промышленных пылей.

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие 4 класса: механическая пыль — образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса; возгоны — образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат; летучая зола — содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении; промышленная сажа — входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, — это их размер, который колеблется в широких пределах — от 0,1 до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны для человека частицы от 0,5 до 5 мкм.

Аппараты обеспыливания газов можно разбить на 4 группы: I) сухие пылеуловители — механические устройства, в которых пыль отделяется под действием сил тяжести, инерции или центробежной силы; 2) мокрые, или гидравлические, аппараты, в которых твердые частицы улавливаются жидкостью; 3) пористые фильтры, на которых оседают мельчайшие частицы пыли; 4) электрофильтры, в которых частицы осаждаются за счет электрической ионизации газа и содержащихся в них пылинок.

Сухие пылеуловители. К этим устройствам относятся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны.

Весьма простыми устройствами являются пылеосадительные камеры, в которых за счет увеличения сечения воздуховода скорость пылевого потока резко падает, вследствие чего частицы пыли выпадают под действием сил тяжести. Пылеосадительные камеры используют для очистки от крупных частиц пыли и применяют в основном для предварительной очистки воздуха. Эффективность улавливания в них зависит от времени пребывания газов в камере и расстояния, проходимого частицами под действием гравитационных сил. В свою очередь время пребывания газов зависит от объема камеры и скорости потока.

Эффективными пылеуловителями являются инерционные аппараты, в которых пылевой поток резко изменяет направление своего движения, что способствует выпадению частиц пыли. К ним относятся аппараты, в которых действие удара о препятствие используется в большей степени, чем инерция. Широко распространенными инерционными пылеуловителями являются циклоны. В них частицы пыли движутся вместе с вращающимся газовым потоком и под воздействием центробежных сил оседают на стенках. Циклоны широко применяются для улавливания частиц размерами около 10 мкм при скоростях газового потока от 5 до 20 м/с. По конструкции циклоны подразделяются на циклические, конические и прямоточные. Циклический циклон состоит из двух цилиндров: наружного 1, к которому в верхней части по касательной подсоединен патрубок 2, а в нижней части — конус и пылесборник (бункер) 5, и внутреннего 3, к которому в верхней части подсоединяется труба, отводящая очищенный воздух. Запыленный воздух поступает в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса, где совершается нисходящее спиралеобразное движение вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежной силы частицы пыли прижимаются к внутренним стенкам наружного цилиндра и скатываются в пылесборник. В бункере поток воздуха меняет направление на 180°, теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение частиц пыли из потока. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь, выходит из бункера и выбрасывается через выхлопную трубу.

Эффективность улавливания частиц пыли в циклоне пропорциональна линейной скорости газов в степени 1/2 и обратно пропорциональна диаметру аппарата в степени также 1/2. Так что процесс целесообразно вести при больших линейных скоростях газового потока и небольших диаметрах циклонов. Однако увеличение скорости может привести к резкому увеличению гидравлического сопротивления. Поэтому целесообразно увеличивать эффективность циклона за счет уменьшения диаметра аппарата, а не за счет роста скорости газа.

Средняя эффективность обеспыливания газов в циклонах составляет 0,98 при размере частиц пыли 30—40 мкм, 0,8 — при 10 мкм, 0,6 — при 4—5 мкм. Производительность циклонов лежит в диапазоне от нескольких сот до десятков тысяч кубических метров в час. Преимущество циклонов — простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей; недостатки — затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку циклонов (батарею). Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки. Запыленный газ входит через общий коллектор, а затем распределяется между циклонными элементами.

Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуловителей, например, ротационные, вихревые, радиальные. При общих принципах действия они различаются системами пылеулавливания и способами подачи воздуха. К наиболее эффективным следует отнести ротационный пылеуловитель. Основной частью здесь является вентиляционное колесо 1, при вращении которого частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются к стенке кожуха 2 и, оседая на стенках, попадают в пылеприемник 3, а чистый воздух выходит через патрубок 4. Благодаря активному действию такие системы имеют эффективность 0,95—0,97.

В основе работы пористых фильтров, предназначенных для тонкой очистки, лежит процесс фильтрации газов через пористую перегородку, в результате чего твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. В корпусе 1 фильтра расположена воздухопроницаемая перегородка 2, на которой оседают улавливаемые частицы 3.

Перегородки, применяемые в фильтрах, могут быть различных типов:

1) в виде неподвижных зернистых слоев, например гравия. Такие фильтры дешевы, просты в эксплуатации, их эффективность 0,99. Они используются для очистки от пылей механического происхождения (мельниц, дробилок, грохота);

2) гибкие пористые (различные ткани, войлоки, губчатая резина, пенополиуретан). Указанные фильтры широко используются для тонкой очистки газов от примесей, но имеют и недостатки: относительно низкая термостойкость, малая прочность;

3) полужесткие пористые (прессованные спирали и стружка, вязанные сетки). Такие фильтры изготавливаются из различных сталей, меди, бронзы, никеля и других металлов. Они могут работать при повышенных температурах и в агрессивных средах;

4) жесткие пористые (пористая керамика, пористые металлы). Фильтры указанного типа технологичны и находят широкое применение для очистки горючих газов и жидкостей, выбросов дыма, туманов, кислот, масел, так как материалы (керамика, металлы)

обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью (выдерживают 500°С).

Из пористых фильтров наибольшее распространение получили рукавные фильтры, что обусловлено и созданием в последнее время новых температуростойких и устойчивых к воздействию агрессивных газов тканей, например, стекловолокно выдерживает температуру 250°С.

Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены к раме, соединенной с встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер со шнеком для выгрузки пыли.

В типичных фильтровальных тканях размер сквозных пор между нитями составляет 100—200 мкм. Остаточная концентрация пыли после тканевых фильтров составляет 10—50 мг/м3. Эффективность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером более 0,5 мкм. Удельный расход энергии — 0,3—0,6 кВт ч на 1000 м³ газа.

В электрофильтрах очистка газов от пыли происходит под действием электрических сил. В процессе ионизации молекул газов электрическим разрядом происходит заряд содержащихся в них частиц (коронирующий электрод). Ионы адсорбируются на поверхности пылинок, а затем под действием электрического поля пылинки перемещаются к осадительным электродам. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: воздействием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффузией ионов. Первый механизм преобладает при размерах частиц более 0,5 мкм, второй — менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2—0,5 мкм эффективны оба механизма. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм — диаметру частицы.

По способу удаления осажденной на электродах пыли электрофильтры делятся на сухие и мокрые. В сухих электрофильтрах пыль удаляется с электродов путем встряхивания. Нормальная работа сухих аппаратов обеспечивается при температуре очищаемых газов выше температуры точки росы, что необходимо для предотвращения конденсации влаги и увлажнения осажденной пыли. Появление влаги в сухих аппаратах может вызвать осложнение при удалении пыли с электродов и их коррозию.

В мокрых электрофильтрах удаление пыли производится путем смыва ее с поверхности электродов орошающей жидкостью. Температура очищаемого газа при этом должна быть выше или близкой к температуре точки росы. Мокрые электрофильтры могут также применяться для улавливания из газовых потоков жидких частиц в виде тумана или капель. В этом случае применяются аппараты без устройства для промывки электродов, так как осажденная влага самостоятельно стекает с них.

Электрофильтры способны очищать большие объемы газов от пыли с частицами размером от 0,01 до 100 мкм при температуре газов до 400— 450°С. Затраты электроэнергии составляют 0,36—1,8 МДж на 1000 м3 газа. Эффективность работы электрофильтров зависит от свойств пыли и газа, скорости запыленного потока в сечении аппарата и т. д. Чем выше напряженность поля и меньше скорость газа в аппарате, тем лучше улавливается пыль.

Эксплуатационные затраты на содержание и обслуживание электрофильтров, установленных на электростанциях, составляют около 3% общих расходов.

Мокрые пылеуловители. Указанные устройства имеют одну весьма важную особенность: они обладают высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной (менее 1 мкм) пыли. Имеются и другие достоинства, среди которых: 1) относительно небольшая стоимость и высокая эффективность улавливания взвешенных частиц; 2) возможность очистки газов при относительно высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгорания и взрывов очищенных газов или уловленной пыли. В качестве существенного недостатка можно указать на то, что уловленная пыль представлена в виде шлама, а это вызывает необходимость обработки сточных вод, т. е. удорожает процесс.

Работают указанные системы по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения.

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерционного, барботажного и других типов.

Большое распространение (в основном из-за простоты конструкции) получили полые форсуночные скрубберы. Они представляют собой колонну круглого сечения, в которой осуществляется контакт между запыленным газом и каплями жидкости (обычно водой). Высота скруббера составляет =2,5 ее диаметра. Удельный расход орошающей жидкости выбирают в пределах 0,5—8 л/м³ газа.

Более эффективными мокрыми пылеуловителями являются скрубберы Вентури.

Очищенный газ через патрубок подается в устройство, называемым соплом Вентури. Последнее имеет сужение (конфузор), в который через форсунки подается вода на орошение. В этой части сопла скорость газа увеличивается, достигая максимума в самом узком сечении (с 10—20 до 100—150 м/с). Благодаря этому происходит осаждение частиц пыли на каплях воды. Напротив, в диффузорной части сопла Вентури скорость потока мокрых газов снижается до 10—20 м/с. Далее поток поступает в корпус, где под действием сил гравитации происходит осаждение загрязненных пылью капель. Очищенный газ выходит в верхнюю часть корпуса, шлам попадает в нижнюю часть.

У скрубберов Вентури эффективность очистки достигает 0,97— 0,98, расход воды 0,4—0,6 л/м3 газа.

Среди систем мокрой пылеочистки высокая эффективность отмечена в скрубберах ударно-инерционного действия. В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется при ударе газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы.

Надежной и простой конструкцией мокрого пылеуловителя является промывная башня (скруббер), заполненная кольцами Рашига, стекловолокном или другими насадками.

Запыленный газ подается снизу вверх через распыляющее устройство. Одновременно сверху вниз поступает вода. В том случае, когда пыль является плохо смачиваемым веществом, в воду добавляют поверхностноактивные вещества (ПАВ). Расход энергии составляет 2 кВт-ч/1000 м³ газа.

К недостаткам процесса мокрого пылеулавливания относят: а) возможность щелочной или кислотной коррозии при очистке некоторых газов; б) ухудшение условий последующего рассеивания через заводские трубы очищенного, но увлажненного газа, тем более охлажденного (снижается подъемная сила); в) происходит загрязнение отводимой из аппарата воды вредными для водоемов ПАВ.

Весьма эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Так, хорошие результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах.

Улавливание туманов

С целью очистки воздуха и технологических газов, в т. ч. отходящих в атмосферу, от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей применяются волокнистые фильтры. Принцип их действия основан на осаждении капель на поверхности пор, после чего образовавшаяся жидкость стекает под действием гравитации.

В качестве материала фильтрующего элемента используется войлок, лавсан, полипропилен и другие материалы толщиной 5—15 см. Эффективность туманоуловителей для размеров частиц менее 3 мкм может достигать 0,99.

Для улавливания кислотных туманов применяются также сухие электрофильтры.

Очистка выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей.

С этой целью разработаны три основные группы методов очистки:

I) промывка выбросов растворителями содержащейся в них примеси (абсорбционный метод);

2) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод);

3) обезвреживание примесей путем каталитического превращения в менее опасные вещества.

Метод абсорбции состоит в том, что газовоздушная смесь разделяется на составные части путем поглощения одной или нескольких примесей поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Так, с цеплью удаления из выбросов таких газообразных веществ, как NH₃, НС1 и др. можно применять в качестве поглотительной жидкости воду.

Абсорбция может быть физической или химической, когда абсорбент и поглощаемый компонент не взаимодействуют или, напротив, взаимодействуют с образованием нового вещества. В последнем случае процесс называется хемосорбцией. Большинство реакций, сопровождающих хемосорбцию, являются экзотермическими (идут с выделением тепла) и обратимыми. Поэтому при последующем повышении температуры раствора образовавшееся химическое соединение разлагается с выделением исходных компонентов. Так, для очистки выбросов от диоксида серы применяется аммиачно-циклический метод. Он основан на способности NH₃ и S0₂ в водных растворах образовывать нормальную и кислую соли:

S0₂ + 2NH₃ + Н₂0↔(NH₄)₂S0₃

(NH₄)₂S0₃ + S0₂ + Н₂0↔2NH₄HS0₃.

По мере накопления в растворе гидросульфита аммония он может быть регенерирован нагреванием до 90—95°С, в результате чего выделяется диоксид серы:

2NH₄HS0₃ ↔ (NH₄)₂S0₃ + SO₂↑ + H₂O.

Раствор сульфита аммония затем вновь направляется на поглощение S0₂.

Упругость паров диоксида серы над растворами сульфит-гидросульфита аммония падает с понижением температуры. Вследствие этого необходимая степень извлечения достигается только после охлаждения их до 30—35°С. Метод позволяет получать 95% S0₂, являющейся сырьем для производства серной кислоты.

Технологически более простыми являются методы без регенерации сорбентов. Например, диоксид серы можно поглощать суспензией известняка СаС03. При этом протекают следующие реакции:

S0₂ + H₂0↔H₂S0₃, H₂S0₃ + СаС0₃ = CaS0₃ + Н₂0 + C0₂↑.

Образующийся сульфит кальция способен окисляться кислородом до сульфата кальция — гипса CaS0₄∙2H20, являющегося ценным строительным материалом:

2CaS0₃ + 0₂ = 2CaS0₄,

CaS0₄ + 2Н₂0 = CaS0₄∙2H₂0.

В промышленных абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения более высокого контакта с газовой средой. В орошаемом скруббер-абсорбере насадка размещается в плоскости вертикальной колонны. В качестве насадки используют кольца с перфорированными стенками, изготавливаемые из металла, керамики, пластмассы и других материалов с максимальной коррозионной устойчивостью. Орошение колонн абсорбентом осуществляется при помощи разбрызгивателей. Загрязненный газ движется снизу вверх, подвергаясь непрерывной очистке. Чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции.

Все аппараты жидкостной абсорбции делятся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы. На практике чаще всего используют насадочные и пустотелые абсорберы с форсунками.

Если очищаемые газы содержат пыль, то ее предварительно улавливают, а затем газовый поток направляется в абсорбционную установку. Абсорбционные методы применяются для очистки газов от сероводорода, сероуглерода, меркаптанов, оксидов серы, азота и углерода, галогенов и их соединений.

Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов — твердых тел с ультрамикроскопической структурой, обеспечивающей им очень высокое значение удельной поверхности (десятки и сотни м²/г). К таким адсорбентам относятся, например, активный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты и другие вещества.

Адсорбционные методы применяют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку при повышенных температурах.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые молекулы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции — химическими силами.

Адсорберы конструктивно выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит очищаемый газ.

Активные угли характеризуются гидрофобностью (плохой сорбируемостью полярных веществ, к которым принадлежит и вода). Это свойство определяет широкое использование их в практике очистки отходящих газов разнообразной влажности.

Активные угли сильно адсорбируют органические вещества — многоатомные углеводороды и их производные, слабее — низшие спирты. Получают термической обработкой угля-сырца или древесной массы без доступа воздуха.

Силикагели по своей химической природе представляют собой аморфные кремнеземы Si0₂∙nH20. Служат для поглощения полярных веществ, в том числе паров воды и ряда органических соединений. Высокое сродство к парам воды обусловливает широкое использование силикагелей для осушки разнообразных газовых сред.

Алюмогель (активный оксид алюминия А1₂0₃∙nН₂0, где 0 < n < 0,6) получают прокаливанием различных гидроксидов алюминия. Используют, как и силикагели, для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.

Цеолиты представляют собой алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочноземельных металлов и характеризующиеся регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами улавливаемых молекул, что определило и другое их название — «молекулярные сита». Поглощение веществ происходит в адсорбционных полостях цеолитов, соединяющихся друг с другом входными окнами строго определенных размеров. Проникать через окна могут лишь те молекулы, диаметр которых меньше диаметра входного окна.

Цеолиты различных марок получают синтетическим путем или добывают при разработке природных месторождений. Одни цеолиты могут адсорбировать сероводород, сероуглерод, аммиак, низшие диеновые и ацетиленовые углеводороды, этан, этилен, пропилен, другие органические сернистые, азотистые и кислородные соединения, третьи — спирты нормального строения.

Процесс очистки выбросных газов — циклический при пониженных температурах, с периодической регенерацией насыщенных адсорбентов при нагревании до 100—400°С.

Адсорбционные методы широко применяются при производстве, хранении и использовании летучих растворителей, потери которых с выбросными газами достигают 800—900 тыс. т/год. Улавливание паров растворителей возможно любыми адсорбентами. Однако активные угли, являющиеся гидрофобными сорбентами, наиболее предпочтительны для решения этой задачи: при относительной влажности очищаемых газов до 50% влага практически не влияет на сорбируемость паров органических растворителей.

Хемосорбционная очистка отходящих газов может быть организована на основе различных твердых веществ, способных вступать в химическое взаимодействие с удаляемыми компонентами. Например, для улавливания диоксида серы из дымовых газов теплоэнергетических агрегатов в их топки вдувают тонкоразмолотые известняк СаС0₃ или доломит CaC03∙MgC03. Карбонаты вначале разлагаются:

СаС0₃→ СаО + S0₂↑, затем образуется сульфит кальция:

СаО + S0₂ →CaS0₃, который частично или полностью переходит в сульфат:

CaS03 + 1/20₂ → CaS04.

Пылевидные частицы сульфата вместе с летучей золой улавливаются в соответствующих аппаратах и направляются на золоотвалы. Подобный метод очистки не предусматривает ни рекуперации улавливаемого компонента (S0₂), ни регенерации адсорбента (СаС0₃). Его достоинство — в простоте технологической схемы.

Суть каталитической газоочистки заключается в конверсии (превращении) токсичных примесей в другие продукты (мало- или нетоксичные) в присутствии катализаторов. При этом различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы. На практике в ходе эксплуатации катализаторы подвергаются постепенной дезактивации или деструкции. Последние вызываются химическими (отравление каталитическими ядами) или физическими (механическое истирание, спекание) факторами и обуславливают необходимость периодической замены катализаторов.

В этой связи к промышленным катализаторам предъявляют требования в отношении высокой стойкости к каталитическим ядам, механическим и термическим нагрузкам.

Каталитическая очистка промышленных выбросов применяется для обезвреживания широкого спектра токсичных ингредиентов: оксидов азота, монооксида углерода, паров органических веществ, включая сероорганические соединения (сероуглерод, тиофены, меркаптаны, дисульфиды). В качестве катализаторов используются металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий) или более дешевые, но менее эффективные составы, включающие никель, хром, цинк, кобальт, марганец, церий и другие элементы. С целью увеличения поверхности контакта их наносят на пористые или непористые материалы: металлические ленты или сетки, керамические соты или решетки, оксид алюминия, силикагель, изготавливают в виде гранул, зерен, таблеток различной формы.

Установка каталитической очистки газов (гетерогенный катализ).

Все шире применяются гетерогенные катализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей от оксида углерода, оксида азота и углеводородов.

Характерной особенностью катализаторов является их высокая селективность, т. е. избирательность действия относительно какой-либо химической реакции. Это означает, что катализатор окисления СО, скорее всего, не может ускорять разложение N0. Однако известны случаи проявления катализаторами более широких функциональных возможностей. Например, в производстве углеграфитовых электродов отходящие газы цехов обжига содержат монооксид углерода СО, оксид азота N0 и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) СхНу. Для детоксикации каждого ингредиента известен свой специфический катализатор, работающий в определенном температурном интервале.

Позже удалось найти новый катализатор, способный одновременно ускорять эти 3 реакции. Им оказался муллитокремнезем 3Al203∙2Si0₂.

Одним из перспективных подходов к решению проблемы очистки газовых выбросов является применение фотокаталитических методов. Они используют принципы гетерогенного катализа, основанного на окислении широкого спектра органических веществ, а также СО и аммиака. Метод применим при тщательной предварительной очистке газов от пыли и при сравнительно невысокой концентрации экотоксикантов в очищаемых газовоздушных выбросах.

Термическое обезвреживание или высокотемпературное дожигание применяют для легкоокисляемых токсичных, а также дурнопахнущих примесей. Его преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов. Подобные способы широко используют в лакокрасочных производствах, процессах получения многих видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, при обезвреживании и окраске деталей и изделий. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. В случае органических веществ продуктами сжигания являются водяные пары и диоксид углерода.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществ входит в пределы воспламенения. Процесс проводят в обычных или усовершенствованных топочных устройствах, в промышленных печах и топках капельных агрегатов, а также в открытых факелах.

Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать необходимое время пребывания обрабатываемых газов в аппарате при температуре, гарантирующей возможность достижения заданной степени их обезвреживания (нейтрализации). Время пребывания обычно составляет 0,1 —0,5 с, рабочая температура в большинстве случаев ориентирована на температуру самовоспламенения обезвреживаемых газов и превосходит ее на 100—150°С.

Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания с целью сокращения этих затрат.

Столь простые технологические схемы составляют большинство, хотя существуют исключения. Они касаются, в частности, обезвреживания так называемых стойких органических загрязнителей, к которым относятся и полихлорбифенилы (ПХБ). Все они попадают под юрисдикцию Стокгольмской Конвенции по стойким органическим загрязнителям биосферы (май, 2004 г.) и должны быть обезврежены. Высокая химическая и термическая стойкость ПХБ, обусловливающая ценные потребительские свойства их при изготовлении и эксплуатации электротехнического оборудования, становится затем препятствующим фактором при организации термической детоксикации. В процессе горения хлорорганических соединений возможно образование хлороводорода НС1, хлора С1₂, фосгена СОС1₂ и диоксина — веществ весьма токсичных. Поэтому процедура обезвреживания ПХБ — сложная, многоступенчатая и дорогостоящая.

Биологические (биохимические) методы очистки основаны на способности микроорганизмов разрушать практически любые соединения как природного, так и искусственного происхождения. При фильтрации загрязненных дымовых газов через носитель биомассы, предварительно пропитанный на воздухе питательным раствором для развития микроорганизмов, улавливаются газообразные органические вещества. Последние далее разлагаются под воздействием ферментов (катализаторов природного происхождения), вырабатываемых микроорганизмами. Частично эти вещества расходуются на прирост биомассы, а частично окисляются до С0₂ и Н₂0; выделяющаяся при этом энергия обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов.

Важнейшими элементами питания и последующего развития микроорганизмов служат кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, кальций, магний, калий и железо. В процессе газоочистки часть этих элементов микроорганизмы получают, потребляя органические компоненты фильтруемого (очищаемого) газа, другую часть — из питательного раствора, смачивающего носители биомассы. Например, в случае очистки выбросных газов от фенола, формальдегида и фурилового спирта питательный раствор содержит нитрат аммония NH₄N0₃, дигидрофосфат калия КН₂Р0₄, сульфат магния MgS0₄, хлориды кальция СаС1₂ и железа FeCl, а также лигносульфонаты.

Биофильтр представляет собой аппарат высотой 3,5 м, в поперечном сечении — квадрат со стороной 2 м. Производительность по очищаемому газу — 10000—14000 м³/ч. Максимальная концентрация токсичных веществ на входе — до 1,5 г/м³. Основой биофильтра является специально полученная для конкретных условий культура микроорганизмов (биомасса), которая окисляет органические соединения до С0₂ и Н₂0. Срок службы ее практически не ограничен. Носителями биомассы могут быть различные материалы природного происхождения: древесные опилки, солома злаковых культур и др. Питательный раствор постоянно орошает носители биомассы, уложенные на горизонтальных решетках. Важное условие нормальной работы биофильтра — строгое соблюдение температурного режима внутри его: 20—35°С.

Биологический метод очистки — универсален. Он предназначен для обезвреживания выбросов от широкого спектра органических соединений (стирола, ксилола, толуола, бензола, этанола, этилацетата, фенола, формальдегида, фурилового спирта и др.) промышленных предприятий, обувных, мебельных и кожевенных фабрик, а также для дезодорации вентиляционных выбросов на мясоперерабатывающих и рыбоперерабатывающих предприятиях.

Вопрос 4. Государственный мониторинг и контроль за охраной атмосферного воздуха

Государственный мониторинг за состоянием атмосферного воздуха в основном проводит Росгидромет, который располагает стационарными постами, химическими лабораториями. Полномочия по осуществлению экологического мониторинга возложены как на органы государственной власти Российской Федерации, так и на субъекты Федерации (ФЗ от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»).

Государственный экологический мониторинг на территории Оренбургской области осуществляет территориальный орган Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды – Оренбургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Оренбургский ЦГМС – филиал ФГБУ «Приволжское УГМС» на территории Оренбургской области располагает постоянно действующей государственной сетью наблюдения за атмосферным воздухом – проводятся на 16 стационарных постах контроля атмосферного воздуха в 5 городах области (Оренбург – 6, Орск – 4, Новотроицк – 2, Медногорск – 2, Кувандык – 2) по 27 загрязняющим веществам, в т.ч. бенз(а)пирену и 9 тяжелым металлам. Аналитические работы проводятся комплексной лабораторией по мониторингу загрязнения окружающей среды (Оренбург) и лабораториями по мониторингу загрязнения атмосферного воздуха (Орск и Медногорск). Стационарные посты мониторинга атмосферного воздуха расположены по следующим адресам:

г.Оренбург ПНЗ № 2 – ул. Орджоникидзе, 111 (центр города).

г.Орск ПНЗ № 1 – ул. Вокзальное шоссе, 20.

г.Новотроицк ПНЗ № 1 – ул. Железнодорожная, 15а.

г.Медногорск ПНЗ № 2 – с. Никитино, перекресток улиц Береговая и Моторная.

г.Кувандык ПНЗ № 1 перекресток улиц Мичурина и Фестивальной;

ПНЗ № 5 – гора Сулак, метеостанция города (южная часть города).

ПНЗ № 6 – ул. Театральная, 29 (северная часть города).

СКАТ № 7 – ул. Илекская, 13а (Южный микрорайон).

СКАТ № 8 – ул. 10 Линия, 2а (Восточный микрорайон).

СКАТ № 9 – ул. Котова, 46а (Промышленный район).

ПНЗ № 3 – ул. Орское шоссе, 4.

ПНЗ № 4 – ул. Шевченко, 52.

ПНЗ № 5 – ул. Пацаева, 16.

ПНЗ № 3 – ул. Зеленая, 14а.

ПНЗ № 3 – СУ-4 ул.Кирова, 2.

ПНЗ № 2 перекресток улиц Железнодорожная и Молодежная.

Дополнительно к постам Оренбургского ЦГМС контроль качества атмосферного воздуха ГБУ «Экологическая служба Оренбургской области» осуществляет в г. Оренбурге на 5 стационарных постах (г. Оренбург – ул. Караваева роща, 28; с. Ивановка – ул. Комсомольская, 50, с. Черноречье – здание Чернореченского сельского совета; г. Оренбург – ул. Центральная, 1а; г. Оренбург – ул. Волгоградская, 9), в г. Орске – на 3 стационарных постах (г. Орск – пер. Клубный, 3, г. Орск – ул. Нахимова, 2, г.Орск – АЗС-100) и на 4 передвижных экологических постах (ПЭП-1-1) в гг.Оренбурге, Орске и Бузулуке.

Все результаты измерений, получаемые с каждого поста, в режиме реального времени передаются на единый диспетчерский пульт, где специалистами мобильной группы осуществляется анализ и обработка данных. Информация с автоматизированных и передвижного постов ГБУ «Экологическая служба Оренбургской области» передает в МКУ «Единая дежурно-диспетчерская служба города Орска» и ФГБУ «Оренбургский ЦГМС». В случае необходимости данные направляются в федеральные органы государственного надзора и промышленным предприятиям для принятия мер. Данные о концентрации загрязняющих веществ размещаются на сайтах Правительства Оренбургской области и министерства природных ресурсов, экологии и имущественных отношений Оренбургской области.

Работы по мониторингу состояния атмосферного воздуха проводятся в соответствии с Федеральным законом от 19.07.1998 № 113-ФЗ «О гидрометеорологической службе», РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы», ГОСТ 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов».

Разработаны мобильные лазерные комплексы (лидары) для контроля за загрязнением атмосферного воздуха на относительно большом расстоянии от источника загрязнения.

Для слежения за трансграничным переносом вредных веществ (в частности, с территорий сопредельных с Россией стран) развернута сеть станций на западных границах страны. При этом особенно тщательно контролируются такие вредные газы, как диоксиды серы и азота.

В биосферных заповедниках России расположены станции, составляющие систему фонового мониторинга. На них собирается информация о наиболее значимых для человечества и биосферы в целом компонентах атмосферы — озоне и диоксиде углерода, химическом составе осадков, атмосферно-электрических характеристиках, оптической плотности аэрозолей и т. п.

Данные об уровне загрязнения атмосферы после их обработки передаются в компетентные органы, которые на их основе составляют прогнозы, вырабатывают мероприятия, направленные на снижение концентрации вредных веществ, предупреждают население о возможном повышении уровня загрязненности атмосферного воздуха в связи с неблагоприятными метеорологическими условиями и др.

Государственный контроль за охраной атмосферного воздуха осуществляют Минприроды России и его территориальные органы; порядок контроля определен Правительством РФ (ст. 24 Закона «Об охране атмосферного воздуха»).

Государственный контроль должен обеспечить соблюдение условий, установленных разрешениями на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; стандартов, нормативов, правил и иных требований охраны атмосферного воздуха; соблюдение режима санитарно-защитных зон объектов, имеющих стационарные источники выбросов вредных веществ в атмосферный воздух; выполнение федеральных и региональных программ охраны атмосферного воздуха, а также соответствующих программ субъектов Федерации; выполнение иных требований законодательства РФ в области охраны атмосферного воздуха.

Дата добавления: 2014-11-06; просмотров: 1005; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!