Классификация технологий и средств защиты атмосферы

Любой промышленный газ, отличающийся по своему составу от атмосферного воздуха, должен быть разбавлен в атмосфере до такого состояния, чтобы исключить негативное воздействие на природную среду и здоровье населения.

Если первый путь зависит от особенностей технологических процессов, то два других являются универсальными; выбор того или 378

иного определяется характеристиками физико-химических свойств загрязнений. Но чаще же всего их реализация осуществляется одновременно.

Обычно технологии и оборудование для очистки определяются характеристиками выбросов, которые подразделяются на неорганизованные и организованные. В последнее время наметилась тенденция с помощью различных технических средств (зонтов, кожухов и т. п.) собирать неорганизованные выбросы и, превращая их таким образом в организованные, выбрасывать с помощью дымовых или выхлопных труб в атмосферу.

Источники пылегазовых выбросов в атмосферу могут быть сосредоточенными (точечными) или рассредоточенными (пространственно распределенными). Поэтому отвод выбросов для очистки и рассеивания в атмосфере может осуществляться целым рядом способов (рис.

При относительно небольшой интенсивности газопылевых выделений их эвакуация от источника производится с помощью зонта

Рис. 14.2. Схемы организации очистки выбросов в атмосферу: а — аспирационный отбор с рециркуляцией очищенного газа; 6— аспирационный отбор с обменной вентиляцией; в — организованный отбор от объекта образования загрязнений;

г — отвод выбросов от автотранспорта; 1 —источник пылегазовых выбросов;

2—аспирационный зонт, 3—пылегазоочистное устройство. 4—тяговое устройство (дымосос, эксгаустер); 5-труба для рассеивания выбросов; 6—воздухозаборное устройство; 7—устройство подачи воздуха (вентилятор, воздуходувка)

с последующим отводом (аспирацией), очисткой разбавленного подсасываемым воздухом газа и возвратом очищенного газа в пространство цеха (рис. 14.2,а). Если в отходящих газах содержатся вредные компоненты примесей, то очищенный выброс выводят за пределы цеха, одновременно забирая чистый воздух из атмосферы (рис. 14.2,6). У объектов с локальными выбросами большого количества вредных и (или) опасных загрязнений создается организованный отбор с эвакуацией загрязненного технологического газа через систему газоходов (боровов). После очистки газы подаются в трубы для рассеивания и при необходимости разбавляются атмосферным воздухом (рис. 14.2,6). В последнее время автотранспорт (рис. 14.2,г) снабжается уловителями сажистых частиц, нейтрализаторами для дожигания топлива с помощью катализаторов горючих компонентов. С переводом двигателей внутреннего сгорания на водородное топливо отпадает необходимость в установке пылегазоочистных устройств.

Рассеивание примесей, поступающих в атмосферу от источников выбросов, связано с движением масс воздуха при наличии атмосферной турбулентности (вихревого движения газовых объемов) и массовой диффузии, которая определяется градиентом концентраций компонентов в аэродисперсной системе.

Если восходящие массы воздуха расширяются адиабатически, (без теплообмена с окружающей средой), то их температура снижается примерно на 1 °С на каждые 100 м по высоте. Эта величина называется адиабатическим градиентом температуры уа. При этом восходящие потоки будут иметь те же свойства, что и окружающий их воздух, т. е. будут двигаться без ускорения. Такое состояние атмосферы называется нейтральным. Если же приземной слой подвержен сильному нагреву и фактический градиент температуры воздуха больше адиабатического, то восходящие потоки приобретают ускорение и перемещаются в верхние слои атмосферы. Если градиент

температуры отрицателен, т. е. температура воздуха возрастает по мере удаления от земной поверхности (инверсия температуры), то восходящие потоки оказываются холоднее масс «внедрения» и тормозятся. Такое движение характеризуется слабым турбулентным обменом, оно наиболее устойчиво и называется инверсионным.

Облако выброса от источника проникает в атмосферу под действием ветра и турбулентного переноса, направленного в поперечном ветровому потоку направлении, вызывая расслоение воздушных масс (стратификацию атмосферы). Наиболее типичные формы распространения выбросов от источника их рассеивания (трубы) приведены на рис. 14.3.

Волнообразный факел формируется в неустойчивой атмосфере с градиентом температур больше адиабатического (у gt; уа).

Конусообразный факел формируется при у lt; уа и наиболее типичном

нормальном градиенте температуры (y = dH fdt = -0,65х10-2 К/м). Такая стратификация атмосферы более устойчива, чем волнообразный факел. Она наблюдается при облачной, ветреной погоде и повышенной влажности воздуха.

Веерообразная форма факела присуща условиям, характерным для инверсии или для температурного градиента, близкого к нулю (у= 0). Рассеивание в вертикальном направлении несущественно и определяется продольным переносом примесей на большие расстояния. Поэтому максимум концентрации примесей в приземном слое относительно мал и удален от источника выброса. Такая структура атмосферы характерна в ночное время, когда температура воздуха выше, чем температура поверхности земли, особенно при слабом ветре, в ясную погоду или при наличии снежного покрова. Такая форма факела особенно опасна при неорганизованных выбросах в нижние слои атмосферы (автотранспорта, горяших свалок и т.д.).

Если в нижней части атмосферы имеет место инверсионная температура, а вверху нормальная с отрицательным градиентом, то облако имеет приподнятую форму. Зона наибольших концентраций примесей находится на верхней границе инверсионного слоя. Такая форма наблюдается в часы захода солнца и наиболее благоприятна при рассеивании примесей, особенно от высоких труб.

Задымляющая форма факела возникает тогда, когда вблизи земной поверхности расположен слой с нормальным адиабатическим градиентом, а выше него формируется инверсионный слой атмосферы. Такая форма наблюдается чаще всего в утренние часы, после рассеивания ночной инверсии под действием солнечной радиации. Факел распространяется вблизи земной поверхности у источника выброса, что сопровождается значительным и опасным ростом максимума концентрации примесей в приземном слое.

Из анализа форм распространения выбросов становится ясно, что наиболее опасен волнообразный факел, наименее — приподня

тый факел. Но при этом следует учитывать влияние географического положения источника на процесс рассеивания характеристик дымовой трубы (в котловине, на возвышенности и др.), а также особенности земной поверхности (лесная, степная, с застройками или без них и др.).

В обшем случае распространение факела выброса (рис. 14.4) происходит в направлении действия ветровой нагрузки (.X). По нормали к этому направлению (К) факел близок к симметричному. На некотором расстоянии ЙГ0 в приземной слой выпадают первые из оседающих примесей. По мере удаления от источника концентрация выпадающих загрязнений возрастает, достигая максимума на оси факела Cmax (^ax)gt; а затем постепенно уменьшается, так как содержание примесей в атмосфере убывает.

Рис.14.4. Схема распределения концентраций примесей в приземном слое

Наибольшая концентрация примеси в факеле выброса наблюдается на его оси. По мере распространения факела он «раскрывается» за счет вовлечения в него окружающего воздуха, и максимум концентраций примесей на его оси снижается (С(Хgt;Х йХ)lt;

ах))-

Анализ факторов, влияющих на процессы рассеивания в атмосфере, показывает, что существуют такие сочетания ветровой нагрузки и метеорологических условий (влажность, температурный градиент и Др ), при которых создаются условия для наиболее интенсивного осаждения примесей из факела выброса и происходит наибольшее загрязнение приземного слоя. Такие условия называются неблагоп

риятными метеорологическими условиями (НМУ), а скорость ветра, при которой они создаются, — опасной.

Вышеуказанное следует учитывать как при решении вопросов очистки и рассеивания выбросов, так и при управлении работой оборудования и установок — источников загрязнений в НМУ (например, снижение интенсивности выбросов за счет перехода на пониженную производительность, отключение части объектов и др.).

Зашита атмосферы от выбросов наиболее эффективно достигается путем очистки загрязненных газов в специальных аппаратах. В основе работы таких аппаратов используются закономерности различных физико-механических и физико-химических процессов. Представление о классификации существующих способов и устройств для очистки пылегазовых выбросов дает рис. 14.5.

Степень эффективности очистки, или степень очистки технологических выбросов от пыли (л), определяется отношением массы пыли, уловленной в аппарате (М,), к массе всей пыли, содержащейся в очищаемом газе (М), т.е. л = (М, /М) 100%. Если оценивают фракционную эффективность для /-й фракции, то определяется отношение г|ф(/) = (М^/М)100% , а общая степень очистки вычисляется суммированием фракционных коэффициентов:

где              — общая масса ггыли в газах, поступающих на очистку.

Очистка газов от пыли часто проводится группой из нескольких последовательно работающих аппаратов (сначала грубая очистка от крупных фракций, затем более тонкая очистка). Общая степень очистки в группе (А: = 1,2,..., К) будет

где Л],              — степени очистки каждым аппаратом. При парал

лельном соединении аппаратов степень очистки оценивается по формулам для одного аппарата. Требование, которое должно быть выполнено при организации параллельно работающих пылеуловителей, заключается в том, чтобы пылеуловители имели одинаковые аэродинамические характеристики.

Для выделения частиц пыли из газового потока в сухих аппаратах используют принципы инерции и фильтрования. Применение этих принципов позволило создать пылеуловители, обладающие следующими достоинствами: простой конструкцией, обеспечивающей самые низкие по сравнению с другими способами эксплуатационные расходы по улавливанию пыли; способностью в случае применения тканевых и им подобных фильтров обеспечивать достижение высоких степеней очистки; улавливанием примесей в сухом виде, что облегчает операции по дальнейшему их использованию (транспортировке, переработке ит. п.).

Эти особенности определили области промышленного производства и транспорта, где нашли применение сухие пылеулавливатели, в которых обычно подвергаются обработке слабо слипающиеся, нетоксичные, взрывопожаробезопасные выбросы. Сухие пылеуловители — самые распространенные аппараты; их можно встретить как на крупных промышленных предприятиях энергетики, металлургии, машиностроения, химии, производства строительных материалов, так и в сфере услуг, в быту и т. п.

В мокрых аппаратах улавливание примесей достигается промывкой загрязненного газа жидкостью или осаждением частиц на жидкоструйную пленку. В результате контакта газового потока с жидкостью происходит захват взвешенных частиц и унос их из аппарата в виде шлама. Для аппаратов мокрой очистки газа характерны: простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость; меньшие габариты при такой же производительности; возможность очищать газ повышенной температуры и влажности; возможность улавливать, кроме пыли, пары и газовые компоненты; способность подвергать очистке взрыво- и пожароопасные газы.

Объективности ради следует отметить и недостатки мокрой очистки газов. Это: значительные затраты энергии при относительно высоких степенях очистки; повышенная влажность уловленного продукта (шлама); необходимость организации системы оборотного водоснабжения при использовании воды в качестве улавливающей среды или подобных систем (при использовании других жидких сред); ухудшение условий рассеивания выбросов в воздушном бассейне. Несмотря на более высокие затраты энергии при мокрой

очистке газов, она широко применяется в металлургии, химии и других отраслях промышленности для улавливания выбросов взры- во- и пожароопасных смесей, а также при комплексной очистке газов от пылей и примесей (газовых, жидких), являющихся опасными.

В электрических фильтрах осаждение пыли происходит в результате сообщения частицам электрического заряда. К числу основных достоинств электрических фильтров относятся: высокая эффективность (ц = 99% и более) очистки больших объемов промышленных газов; сравнительно низкие расходы электроэнергии на процесс улавливания пыли; возможность улавливания частиц пыли, имеющих размер от 0,1 до 100 мкм; возможность очистки газа с начальным пылесодержанием до 50 г/м3 и температурой до 300 °С; возможность полной автоматизации работы установок по улавливанию пыли.

Так как использование электрических фильтров требует высоких капитальных затрат, а также специальных знаний по эксплуатации, то пылеуловители данного типа нашли применение в теплоэнергетике, металлургии, химии и других отраслях промышленности, для которых достоинства электрических фильтров являются определяющими.

В аппаратах сорбционного типа улавливаются вредные газообразные компоненты. Основными процессами здесь становятся процессы массообмена, т.е. диффузионного перехода газообразного компонента в твердую или жидкую среду. Поглощающие среды должны обладать: большой абсорбционной способностью, т.е. поглощать большие количества газового компонента при малых его концентрациях в газовой фазе; высокой селективностью, т.е. выборочностью по отношению к поглощаемому веществу; химической инертностью по отношению к другим компонентам разделяемой смеси; способностью к регенерации (восстановлению); низкой стоимостью.

Из перечисленного следует необходимость подбора поглощающих сред в зависимости от физико-химических свойств поглощаемых газовых компонентов. Это приводит к тому, что в промышленности для очистки газовых выбросов применяется широкий спектр твердых и жидких поглотителей: от активированного угля и воды до специальных ионообменных смол, а также кислот и щелочей. Область применения аппаратов сорбционного типа охватывает преимущественно предприятия химических производств. Однако в последнее время, по мере ужесточения требований по нормативам газовых выбросов, подобные способы очистки распространяются на металлургию, теплоэнергетику, машиностроение.