17. Оценка эффективности устройств для очистки газовых выбросов
Экологическое совершенство очистного оборудования определяется отношением достигаемого уровня обезвреживания и экологически приемлемого уровня загрязнения биосферы. Объективным критерием последнего служит темп естественного изменения качества атмосферы, характеризуемый параметром изменчивости R:
где С0 и τ – начальная концентрация вещества и время наблюдения за ее изменением.
Оценка эффективности работы очистных устройств по ПДК удобна, но экологически малоинформативная. Однако не это препятствует распространению санитарно-гигиенического метода оценки эффективности очистных устройств, основанного на сравнении достигаемого уровня обезвреживания с ПДК. Неувязка в том, что обработка выбросов современными методами позволяет уменьшить концентрации вредных примесей более чем на 95%, и все же их значения остаются на 4…5 и более порядков выше нормативов ПДК.
Дальнейшее понижение концентраций загрязнителей до уровня, сопоставимого с ПДК, обошлось бы слишком дорого.
Так, например, минимальное количество энергии, необходимое для конденсации единицы массы (1 кг) гомогенной примеси, численно равно работе процесса изотермического обратимого сжигания ее объема от парциального давления pп до давления насыщения pнас:
где A – работа сжатия, Дж/кг; R – газовая постоянная, Дж/(кг К); T – абсолютная температура смеси, К.
Приняв по порядку величины давления газовых выбросов и pнас близкими к атмосферному, а ПДКсс загрязнителя порядка 10-5 % об. (10-7 об.долей), вычислим соотношение затрат энергии К на компрессию примеси с концентрацией, сравнимой с ПДКсс, например, 10-4 % об. (10-6 об.долей). Парциальные давления примеси в рассматриваемых случаях составят: p1=101325·10-6 = 0,1013 Па и p2 = 101325·10-3 = 101,325 Па, а соотношение затрат энергии будет равно:
Таким образом, энергетические затраты на удаление одинакового количества загрязнителя посредством конденсации логарифмически возрастают с понижением его концентрации. Аналогичная зависимость характерна и для сорбционных методов очистки, основой которых также является конденсация примесей.
Химические (в том числе и термоокислительные) методы обработки выбросов характеризуются ростом затрат энергии с понижением начальных концентраций загрязнителей как на единицу обрабатываемой массы, так и на процесс в целом вследствие уменьшения скорости реакции:
где α и β – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции с исходными реагентами А и В; w и k – скорость и константа скорости прямой реакции.
Для обеспечения прежней степени завершенности при замедлении превращения веществ необходимо повысить температурный уровень процесса, компенсируя коэффициент проскока загрязнителя через n-ый аппарат; понижение концентрации обеспечивается увеличением константы скорости реакции или интенсифицировать процесс за счет подвода механической энергии.
В ряде случаев для очистки пылегазовых выбросов применяют термохимические, термокаталитические, хемосорбционные и другие способы обработки, которые по сути являются скомбинированными из рассмотренных выше. Процессы, происходящие при этом, будут иметь еще более сложный характер, однако принцип возрастания затрат энергии с увеличением глубины очистки справедлив и для них.
По этой причине уровень обезвреживания пылегазовых выбросов устанавливается исходя из экономических соображений, а не по экологическим или санитарно-гигиеническим требованиям.
В экономически допустимых пределах совершенство современных пылегазоочистных устройств принято оценивать по степени (коэффициенту) очистки:
где Mн, Cн, Vн – масса, средняя концентрация загрязнителя и расход газовых выбросов до очистки; Mк, Cк, Vк – то же, после очистки.
В ряде конкретных случаев можно принять с достаточной для практических расчетов точностью Vн= Vк; тогда
Если отбросные газы последовательно обрабатываются в нескольких аппаратах, то коэффициент очистки определяют из выражения:
Где εп = 100-ηп – коэффициент проскока загрязнителя через n-ый аппарат; ηп – коэффициент очистки в n-ом аппарате; N – количество аппаратов.