Пассивные методы защиты атмосферы от загрязнения

Выше было сказано, что защита окружающей среды может осуществляться активными методами (которые непосредственно связаны с изменением в технологии производства) и пассивными, которые не вносят изменений в технологию, применяются лишь нейтрализация или ограничение вредного воздействия (это организация санитарно-защитных зон, рассеивание загрязняющих веществ за счет строительства высоких труб и т.д.).

Важным природоохранным этапом является стадия проектирования предприятия. Если на ее стадии будут решены вопросы охраны окружающей среды, то бед будет гораздо меньше. Поэтому проекты проходят тщательную санитарную и экологическую экспертизу.

При проектировании предприятий в проект следует включать разработки по созданию малоотходных технологий и совершенствованию конструкций аппаратов и оборудования, систем очистки и рекуперации выбросов, а также определение допустимых выбросов и по создание санитарно-защитных зон.

При планировании предприятий необходимо учитывать следующие моменты.

В городах не разрешается размещать промышленные предприятия, распространяющие пылевидные и газообразные выбросы. Предприятия располагают вдали от городов, с подветренной стороны по отношению к ближайшему жилому району и отделять от границ жилых районов санитарно-защитными зонами. Для уменьшения задымления, запыления и отравления газами атмосферы предприятия должны располагаться на возвышенных местах, хорошо обдуваемых ветрами. Это увеличивает высоту выброса дыма и газов, а следовательно, и их разбавление.

Одним из важнейших элементов при проектировании мероприятий по охране атмосферы является прогноз максимально возможных концентраций загрязняющих веществ на определенной территории.

Для этого Главной геофизической обсерваторией им. А.И.Воейкова разработана методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия. Данная методика изложена в общесоюзном нормативном документе ОНД-86, обязательном для применения во всех подобных расчетах. Также для расчета максимальных концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, необходимо использовать одну из модификаций унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) для ЭВМ, являющейся приложением к ОНД (Эфир, РУЗА, ЛБЭД-РК, Эколог и др.).

Инвентаризация и расчет предельно допустимых выбросов. В процессе разработки норм ПДВ (ВСВ) производится специальная процедура, инвентаризация выбросов – систематизация сведений о наличии и распределении источников на территории предприятия, количестве и составе выбросов.

При инвентаризации учитывается комплекс параметров:

мощность (интенсивность) выброса (г/сек, т/год);

высота, размер и конфигурация устья источника;

расход и температура газовоздушной смеси в устье источника;

расположение источника на площадке, фиксируемое на карте-схеме (ситуационном плане) в заданной системе координат.

Учету подлежат все вредные вещества, содержащиеся в отходящих газах (технологических выбросах), аспирационном воздухе (вентиляционные выбросы), а также выбросы транспортных средств.

При инвентаризации выбросов вредных веществ в атмосферный воздух допускается использование как прямых инструментальных измерений, так и расчетные методы по методикам, утвержденным контролирующими органами в установленном порядке.

Совершенствование технологических процессов, применение высокоэффективных систем газоочистки позволяют в значительной мере уменьшить размеры промышленных выбросов в атмосферу. В то же время полностью уловить пыле- и газообразные примеси в отходящих газах не удается. Для того, чтобы концентрация вредных веществ в приземном слое не превышала ПДК, пылегазовые выбросы подвергают рассеиванию в атмосфере через высокие трубы. На рис. 3 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса.

х_м

Рис. 3. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выброса

По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов их концентрация в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума в зоне задымления (на расстоянии х_м) и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зона переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; зона задымления – зона максимального содержания вредных веществ, расположенная на расстоянии х_м от источника, и зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Расчет ПДВ проводится после инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по формуле:

г/с, (3)

где С_Д = ПДК – С_ф – концентрация вредных веществ допустимая к отведению в атмосферу; С_ф – фоновая концентрация рассматриваемого вещества; Н – высота трубы; Q – объем выбрасываемой газовоздушной смеси; ΔТ – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха; А – коэффициент температурной стратификации атмосферы (для Свердловской области А = 160); F – коэффициент оседания веществ в атмосфере (для пыли F = 3, для газов F=1); m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса (диаметр и высота устья, температура и скорость выхода газовоздушной смеси).

Следующим природоохранным мероприятием является установление санитарно-защитной зоны (СЗЗ) вокруг предприятия. Согласно СНиП и СанПиН, санитарно-защитные зоны следует создавать вокруг всех промышленных предприятий, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу, в том числе и общественного производства. СЗЗ – благоустроенная или озелененная территория, отделяющая площадку предприятия, являющегося источником загрязнения атмосферы, шумовых, радиационных и прочих воздействий, от жилой и общественной застройки. Размеры ее устанавливаются с учетом санитарной классификации предприятий, расчетов загрязнения атмосферы и других факторов. Санитарная классификация приведена в Санитарных правилах и нормах – СанПиН 2.2.1/2.1.1567-96. Нормами установлено 5 классов предприятий и соответственно 5 размеров нормативных СЗЗ: I класс – 2000 м; II класс – 1000 м; III класс – 500 м; IV класс – 300 м; V класс – 100 м.

Размеры СЗЗ должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы (расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере) с учетом перспективы развития предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха. Полученные таким образом размеры расчетной СЗЗ должны уточняться отдельно для различных направлений ветра в зависимости от результатов расчета и среднегодовой розы ветров района по формуле:

(4)

где L – уточненный размер СЗЗ в направлении, противоположном розе ветров, м; L₀ – нормативный размер СЗЗ, полученный по данным СанПиН 2.2.1/2.1.1567-96, м; Р – среднегодовая повторяемость рассматриваемого направления ветра, %; Р₀ – повторяемость направлений ветров при круговой розе ветров (при восьмирумбовой розе ветров Р₀ = 100:8 = 12,5 %).

Зачастую при реконструкции предприятия возникают проблемы, связанные с рассеиванием загрязняющих веществ в атмосфере: имеющиеся мощности по очистке отходящих газов не гарантируют ПДВ, расчетная величина СЗЗ больше, чем расстояние от предприятия до жилой зоны и другие проблемы. Для их решения необходима установка дорогостоящего комплекса по очистке отходящих газов либо переход на другую технологию. Но есть более простое решение – увеличение высоты трубы для рассеивания выбросов. Это может гарантировать достижение ПДВ, предприятие по классу опасности становится менее опасным, и санитарно-защитная зона предприятия может быть уменьшена.

В основу методики расчета необходимой минимальной высоты положено то, что величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы не должна превышать максимально разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе. Учитывая это равенство, по формуле (3) можно определить минимальную высоту трубы.

Лекция 11. ОЧИСТКА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

План лекции

1. Классификация методов очистки отходящих газов.

2. Механические методы очистки с использованием гравитационных и центробежных сил, методы фильтрации.

3. Промывные методы очистки газов.

4. Электростатические, адсорбционные, каталитические и термические методы очистки газов.

Активные методы очистки газов подразделяются на:

1) механические (физические):

а) очистка в сухих механических пылеуловителях;

б) очистка в мокрых пылеуловителях;

в) очистка газов в фильтрах

2) промывные (абсорбционные);

3) электростатический (электрофильтрация);

4) адсорбционные;

5) каталитические;

6) термические.

Основные меры защиты атмосферы от загрязнения промышленными пылями и туманами предусматривают широкое использование пыле- и туманоулавливающих аппаратов и систем. Исходя из современной классификации пылеулавливающих систем, основанной на принципиальных особенностях процесса очистки, пылеочистное оборудование можно разделить на четыре группы: сухие пылеуловители, мокрые пылеуловители, электрофильтры и фильтры. Пылеуловители различных типов используют при повышенных концентрациях примесей в воздухе. Фильтры используются для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м³. Если требуется тонкая очистка воздуха при высоких начальных концентрациях примесей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров.

К сухим пылеуловителям относятся все аппараты, в которых отделение частиц примесей от воздушного потока происходит механическим путем за счет сил гравитации, инерции. Конструктивно их разделяют на пылеосадительные камеры, циклоны, ротационные, вихревые, радиальные, жалюзные пылеуловители и др.

Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации пылеосадительные камеры, в которых частицы пыли отделяются от газового потока под действием сил тяжести. Главное предназначение аппарата очистки – обеспечение определенного времени пребывания газового потока в обособленном пространстве и непрерывного отведения осевшей пыли из камеры улавливания. Основные трудности очистки газов с помощью осадительных камер обусловлены полидисперсностью пылей, размеры частиц которых распределяются по закону нормального распределения. Экономически приемлемым может быть выделение с помощью этих аппаратов крупных частиц с размером не менее 25-50 мкм. Часто при этом степень очистки не превышает 40-50%, что приводит к необходимости использовать более совершенные конструкции аппаратов механической очистки газов.

Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов (рис. 4). Газовый поток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклонов пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, происходит за счет поворота газового потока в бункере на 180^о. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выхлопную трубу 3. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то за счет подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Для очистки газов от пыли с успехом применяются цилиндрические (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24) и конические (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, СДК-ЦН-33) циклоны, разработанные институтом НИИОГАЗ.

Кроме циклонов в настоящее время разработаны ротационные, вихревые, радиальные и жалюзийные пылеуловители.

Рис. 4. Конструкция циклона:

1 – корпус; 2 – патрубок для ввода газового потока; 3 – выходная труба для очищенного газа; 4 – бункер для сбора пыли.

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с диаметром менее 1,0 мкм, а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, что ограничивает область их применения: образование в процессе очистки шлама, требующего специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в газоотходах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли либо на поверхности капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Кроме этих основных сил на процесс осаждения влияют турбулентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных частиц, процессы конденсации, испарения и др. Во всех случаях очистки газов в мокрых пылеулавителях важным фактором является смачиваемость частиц жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппараты ударно-инерционного типа, барботажно-пенные аппараты и др.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхности капель наибольшее практическое применение нашли скрубберы Вентури (рис. 5). Основная часть скруббера – сопло Вентури, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В конфузорной части сопла (в горловине) 2 происходит разгон газа от входной скорости (15-20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 60-150 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части (камере смешения) 3 сопла поток тормозится до скорости 15-20 м/с и подается в каплеулавитель (камеру разделения) 4. Каплеулавитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона или скруббера ВТИ. Скруббер Вентури обеспечивает эффективность очистки 96-98% аэрозолей и более при начальной концентрации примесей 100 г/м³. Удельный расход воды на орошение при этом составляет 0,4-0,6 л/м³.

Рис. 5. Скруббер Вентури:

1 – сопло; 2 – горловина; 3 – камера смешения; 4 – камера разделения.

Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц около 0,3 мкм достигает 99,9%, что сравнимо с высокоэффективными фильтрами.

Электростатическая очистка – один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газов в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах. Между ними создается электрическое поле высокого напряжения (30-100 кВ). Поскольку коронизирующие электроды изготавливаются из относительно тонких стержней, то около них создается поле высокой напряженности, вызывающее интенсивную ионизацию газовых молекул. Этот процесс и вызывает образование вокруг электродов светящейся короны. Под действием электрического поля, заряженные аэрозольные частицы движутся от коронизирующего электрода к осадительному и прилипают к нему, отдавая свой заряд.

Ударная ионизация газа протекает устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора (рис. 6). В зазоре между коронирующим 1 и осадительным электродами создается поле убывающей напряженности с силовыми линиями 3, направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот. Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4.

Рис. 6. Схема расположения электродов в электрофильтре:

1 – коронирующий электрод; 2 – осадительный электрод; 3 – силовые линии электрического поля в электрофильтре; 4 – выпрямитель.

Электрофильтры используют для тонкой очистки газов от масляных туманов, смолы и пыли в различных отраслях промышленности.

Фильтры широко используются в промышленности для тонкой очистки вентиляционного воздуха от примесей, а также для промышленной и санитарной очистки газовых выбросов.

Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении дисперсных сред через них. Принципиальная схема процесса фильтрования в пористой перегородке показана на рис. 7. Фильтр представляет собой корпус 1, разделенный пористой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении фильтроэлемента. Частицы примесей оседают на входной части пористой перегородки, задерживаются в порах, образуя слой пыли 3, и таким образом становятся для вновь поступающих частиц частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность очистки и перепад давления на фильтроэлементе. Осаждение частиц на поверхности пор фильтроэлемента происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также процессов диффузионного, инерционного и гравитационного осаждения частиц.

Рис. 7. Схема процесса фильтрования:

1 – корпус фильтра; 2 – фильтроэлемент, 3 – слой частиц примесей.

Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначения, тонкости очистки и др.

По типу перегородки все фильтры делятся на фильтры: с зернистыми слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); с полужесткими пористыми перегородками (вязанные сетки, прессованные спирали и стружка и др.); с жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.). По конструктивному признаку воздушные фильтры делятся на ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные.

Для очистки воздуха в системах вентиляции обычно используют ячейковые фильтры, представляющие собой рамку или каркас с фильтрующими элементами, выполненными из набора металлических сеток (фильтры Река – ФиР). винипластовых сеток (ФяВ), пенополиуретана (ФяП), упругого стекловолокна (ФяУ), войлока и др. Выбор типа фильтрующих материалов зависит от требуемой тонкости очистки, химического состава загрязнителей и условий эксплуатации фильтра.

Для повышения эффективности очистки можно использовать каркасные фильтры с набивкой каркаса волокнистыми материалами. Одним из фильтров такого типа (ПФ-6) обеспечивается очистка шахтного воздуха с эффективностью 80-85% при начальной запыленности до 3 мг/м³. Гидравлическое сопротивление фильтра составляет 200 Па при производительности 12000 м³/ч. Недостатком ячейковых фильтров является ограниченный срок службы из-за быстрого засорения ячеек фильтрующего элемента и образования слоя осадка на его входной части, что требует частой смены фильтрующих элементов или их периодической очистки (регенерации). Этот недостаток частично устраняется при использовании рулонных фильтров, которые нашли применение для очистки воздуха с концентрацией примесей не более 10 мг/м³.

Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов от примесей имеют тканевые рукавные фильтры. В корпусе фильтра устанавливается необходимое число рукавов, во внутреннюю полость которых подается запыленный газ от входного патрубка. Частицы загрязнений за счет ситового и других эффектов оседают в ворсе и образуют пылевой слой на внутренней поверхности рукавов. Очищенный воздух выходит из фильтра через соответствующий патрубок. При достижении определенного перепада давлений на фильтре его отключают от системы и производят регенерацию встряхиванием рукавов с обратной их продувкой сжатым газом. Регенерация осуществляется специальным устройством. При очистке ткани удаляется значительная часть пылевого слоя, но внутри ткани между волокнами остается достаточное количество пыли, что обеспечивает высокую эффективность очистки газов в фильтре после его регенерации. Для изготовления рукавов применяют ткани и войлоки.

Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием силы тяжести. Осаждение капель на поверхности пор происходит под действием ранее рассмотренных механизмов отделения частиц загрязнителей от газовой фазы на фильтроэлементах.

Туманоуловители делят на низкоскоростные (скорость фильтрации менее 0,15 м/с), в которых преобладает механизм диффузного осаждения капель, и высокоскоростные (скорость фильтрации 2-2,5 м/с), где осаждение происходит главным образом под воздействием инерционных сил.

Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие габариты и обеспечивают эффективность очистки газа от тумана с частицами менее 3 мкм, равную 90-98% при избыточном давлении 1500-2000 Па. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях используют войлоки из полипропиленовых волокон, которые успешно работают в среде разбавленных и концентрированных кислот и крепких щелочей.