1.4. Охрана атмосферного воздуха на предприятиях

Критериями оценки объема выбросов веществ, загряз­няющих атмосферу, по их видам являются предельно до­пустимая концентрация (ПДК) и предельно допустимый выброс (ПДВ).

ПДК — это такая концентрация химического вещества или соединения, которая при ежедневном воздействии на человека в течение длительного времени не вызывает в его организме патологических изменений и заболеваний. Максимальная разовая ПДК (ПДК_мр) установлена для рефлекторных ощущений человека (запах, свет) при крат­ковременном (20 мин) воздействии. Среднесуточная ПДК (ПДК_{С с}) не должна оказывать вредного влияния на орга-

41

низм человека в течение долговременного круглосуточно­го воздействия.

ПДК основных веществ, загрязняющих атмосферу, приведены в Приложении 1.

Нормальные условия существования человека обеспе­чиваются при соблюдении следующего неравенства:

пдк; ⁺ пдк^ ⁺ - ⁺ пдк;^< '

где С|, с₂, ..., с_п — реальная концентрация веществ, мг/м³, мг/л, мг/кг; ЙДК^ ПДК₂, ..., ПДК„ — предельно допус­тимая концентрация веществ.

Научно-технический норматив ПДВ изменяется во времени и устанавливается для каждого источника орга­низованного выброса при условии, что выброс вредных веществ при их рассеивании не создает приземной кон­центрации, превышающей предельно допустимую.

Расчет ПДВ для дымовых труб промышленных пред­приятий проводят по формуле

^ТЩВ~ AF-mn '

где Н — высота дымовой трубы, м; V^ — количество ухо­дящих дымовых газов, м³/с; Т = 7^ — Т_окр — разность между температурами уходящих газов и окружающего воздуха, °С; A, F, m, n — соответственно коэффициенты стратификации атмосферы, скорости оседания загряз­няющего вещества, условий выхода газов из трубы.

Классификацию промышленных выбросов с учетом их ПДК проводят по следующим показателям:

• по среде загрязнения (атмосфера, вода, почва);

• по токсичности вредных веществ.

Наибольшее влияние на качество атмосферы оказыва­ют следующие вещества:

• монооксид и диоксид углерода (СО и С0₂);

• диоксид серы (S0₂);

42

• монооксид и диоксид азота (N0 и N0₂), закись азо­ та (N₂0) (вместе — N0_X);

• летучие органические соединения: метан (СН₄), бензол (С₆Н₃), хлорфторуглероды, фенол;

• взвешенные частицы (капли): пыль, сажа (углерод), асбест, соли свинца, мышьяк, серная кислота, нефть;

• суперэкотоксиканты: диоксины, бенз-а-пирен, гек- сахлорциклогексан, N-нитродиметиламин, нефтиламин, трихлордифенил, пентахлорбифенил;

• окислители: озон, перекись водорода, формальде­ гид;

• галогены (хлор и фтор) и фреоны;

• радиоактивные вещества: радон-222, йод-131, строн- ций-90, плутоний-239.

Радиоактивные вещества нормируются по предельно допустимой дозе облучения (ПДЦ). Значения ПДД при­ведены в специальной литературе. Радиоактивный фон не должен превышать 20 мкР/ч; смертельный уровень ради­ации — 200 Р и выше — в зависимости от веса человека. Классификацию веществ, загрязняющих атмосферу, по токсичности проводят исходя из их ПДК. Чем ниже ПДК, тем токсичнее вещество.

Наибольшей токсичностью обладают суперэкотокси­канты (например, ПДК некоторых диоксинов в атмосфе­ре достигает 5—10 мг/м³ — это молекулярный уровень), чрезвычайно опасны N-нитродиметиламин, бенз-а-пи­рен, сероводород, нитробензол, фтористые соединения, фенол, дихлорэтан, аммиак, коксовая пыль. Из газовых загрязнителей, наиболее часто выбрасываемых в атмосфе­ру, первое место занимают оксиды азота, второе — дву­окись серы, третье — оксиды углерода. Если ранжировать их по степени относительной опасности, то верным будет соотношение 20 : 12 : 1.

Особое место среди загрязнителей ОС занимают ра­дионуклиды. Этот джинн, выпущенный человеком из бу­тылки в XX в., убивает живые клетки, и природа от него практически не самоочищается (периоды полураспада радионуклидов длятся годами и десятилетиями).

43

Классификация вредных веществ, загрязняющих воду и почву, приведена в Приложении 1.

Основные методы очистки газовых выбросов

Для промышленности и транспорта воздух является важнейшим сырьем; он необходим для горения топлива, для охлаждения, для транспортирования отходов.

Несмотря на то что за последнее время в России резко сократилось промышленное производство, средняя кон­центрация оксидов азота и сероуглерода в воздухе превы­шает ПДК, а формальдегида и бенз-а-пирена — 2 ПДК. В восьми городах нашей страны (в том числе в Москве) разовые вредные выбросы для трех веществ (NO_x, S0₂ и фенола) превышают 10 ПДК.

Решение проблемы очистки дымовых газов предприя­тий — это и забота о здоровье человека (по некоторым данным, причина 25% смертных случаев — отравленная атмосфера), и возможность возврата в производство цен­ных веществ (из 1 т пыли, попадающей в воздух при плавке меди, можно извлечь 100 кг меди). В свое время установка котлов-утилизаторов на Норильском горно-ме­таллургическом комбинате заинтересовала в первую оче­редь технологов, а затем энергетиков, потому что эти кот­лы-утилизаторы служат отстойниками пылевыноса из ме­таллургических печей, а содержание ценных металлов в пылевыносе весьма значительно.

Газовые выбросы делят на твердые (в виде пыли), жидкие и газообразные; непрерывные и периодические (а также залповые); организованные и неорганизованные. Из них наиболее опасны неорганизованные выбросы, ко­торые возникают при разгерметизации оборудования, а также из-за отсутствия или неудовлетворительной работы пылегазоочистных сооружений.

Работа над снижением вредных выбросов в атмосферу ведется в двух направлениях: собственно очистка дымо­вых газов и по возможности устранение причин образова­ния вредных веществ. Например, в энергетике приме­няют целый ряд средств снижения образования оксидов серы и азота при сжигании топлива путем совершенство­вания топочных процессов.

44

Методы очистки газовых выбросов классифицируют:

• по виду загрязнения: от пылевыноса, от тумана и брызг, от газообразных примесей, от парообразных при­ месей;

• по процессу очистки: механические (пылеосадитель- ные камеры, циклоны, фильтры, мокрые пылеулавлива­ тели, электрофильтры) и физико-химические (абсорберы, адсорберы, каталитические реакторы).

Механические методы очистки газов

Наиболее простыми в изготовлении и эксплуатации являются отстойники. На рис. 1.5 показана схема пыле-отстойника. Поток запыленного газа поступает в отстой­ник, ударяется о верхнюю перегородку; крупные частицы оседают в первом бункере. Затем направление потоков га­зов изменяется. Они минуют нижнюю перегородку, затем снова изменяют направление; в средний бункер оседает пыль с меньшим размером, и газы снова направляются вверх; и так далее до выходного патрубка.

Пылеотстойники имеют низкую степень улавливания (около 58%), они материалоемки, и для их размещения требуются значительные производственные площади.

ВЕРХНИЕ ПЕРЕГОРОДКИ

Рис. 1.5. Схема пылеотстойника

45

Эффективность механических методов очистки газо­вых выбросов зависит от размера частиц выноса. Легче всего удаляются тяжелые частицы диаметром более 40 мкм, труднее всего — частицы размером менее 5 мкм.

Для увеличения эффективности пылеулавливания при­меняют циклоны, в конструкции которых использован центробежный эффект. Схема циклона показана на рис. 1.6.

Подача запыленного газа осуществляется в верхнюю часть корпуса циклона по касательной. Поток газа закру­чивается, поступает вниз, затем изменяет направление движения и через центральную трубу уходит вверх. При этом за счет изменения направления потока воздуха частицы пыли от 5 до 40 мкм попадают в бункер, откуда пыль регулярно удаляют и по возможности из нее извле­кают ценные вещества для повторного использования в производстве.

Очищенные газы

Запыленные газы

_*ш

_d

Бункер

Пыль

46

Рис. 1.6. Схема циклона для пылеулавливания

Циклон улавливает около 65% пыли. Затраты на мате­риалы для его изготовления меньше, чем для изготовле­ния пылеотстойников. Чем меньше диаметр аппарата, тем больше степень крутки потока и, следовательно, тем выше эффективность циклона (но при этом возрастает сопро­тивление циклона по воздуху, а значит, увеличивается расход электроэнергии на тягодутьевые устройства).

Для эффективной очистки газов их подают в циклон под давлением. При больших расходах газа циклоны объ­единяют в мультициклоны.

Радикальным средством очистки газов от пыли явля­ются фильтры различной конструкции. Эти аппараты просты в эксплуатации, но требуют затрат энергии на преодоление сопротивления фильтрующего элемента (тка­ни, слоя зернистых материалов, перфорированных пере­городок). Диаметр улавливаемых частиц зависит от разме­ра ячейки фильтра. Степень очистки даже от мелких час­тиц (менее 5 мкм) очень значительна (до 99,7%). При эксплуатации фильтра следует постоянно очищать его от налипшей пыли.

Мокрые пылеулавливатели также имеют высокую степень очистки (98,5%), но используемая при их работе вода быстро загрязняется, и ее необходимо постоянно очищать.

При выборе тех или иных аппа­ратов газоочистки необходимо учи­тывать экономические затраты.

Л Шлам

аппарата Рис. 1.7. Схема скруббера

Схема мокрого пылеулавливате­ля — скруббера — показана на рис. 1.7. В скруббер запыленные газы пода­ют снизу. Поднимаясь, они встре­чаются с каплями орошающей во­ды; пыль прилипает к каплям, осаждается в бункер скруббера и в виде шлама направляется на до-очистку и использование. Очищен­ные газы удаляются из

47

сверху. В качестве орошающего агента в скруббер может подаваться химический реагент (например, известковое молоко). В этом случае в аппарате будет происходить и химическая очистка газов. В скруббере возможны потери воды за счет брызг и утечек из шлама. Эффективность улавливания мелких частиц (до 5 мкм) в этом аппарате составляет 90%.

Вода используется также в пенных пылеулавливателях и скрубберах Вентури, методики расчета которых приведены в гл. 2.

Электрофильтры применяют главным образом на ТЭЦ, при большом расходе уходящих газов и высокой их температуре (450 °С). При их работе происходит иони­зация молекул электрическим разрядом. Под действием разряда пылинки осаждаются на коронирующем электро­де. Степень очистки газов в электрофильтре — 97%. Пре­имущества электрофильтров заключаются в их способ­ности очищать газы от мелких частиц (от 0,2 мкм) и от­казе от водопотребления; недостатки — в значительном расходе электроэнергии, необходимости чистить корони-рующий электрод с помощью встряхивающих устройств, а также в высоких требованиях к технике безопасности.

Для более эффективной очистки газов от пыли и ее рекуперации можно применять комбинированные мето­ды. Туманы из газов удаляют с помощью фильтров или мокрых электрофильтров.

Физико-химические методы очистки газов

Аппараты для физико-химической очистки газов на­зывают абсорберами; они представляют собой скрубберы, в которые подается не вода, а жидкий реагент. В отли­чие от обычных скрубберов в абсорберах имеется насад­ка для увеличения площади контакта жидкости и газов. В них происходит механическая и главным образом хи­мическая очистка газов от таких вредных выбросов, как оксиды азота, серы, угля, от сероуглерода и меркаптанов. (Схему и метод расчета абсорбера — пенного улавливате­ля — см. в гл. 2.)

48

Очистка газов от оксидов азота происходит следую­щим образом: оксиды азота (N0) сначала абсорбируются водой в соответствии с реакциями

3N0₂ + Н₂0 = 2HN0₃ + NO

2N0₂ + N₂C0₃ = NaN0₃ + С0₂

FeS0₄ + NO = Fe(NO)S0₄

После улавливания N0_X загрязненная вода проходит очистку, например с помощью метода нейтрализации.

В промышленности наибольшее применение нашли методы очистки газов от оксидов серы с помощью извести (СаС0₃) и известняка (CaS0₃). Простейшая схема очист­ки от S0₂ показана на рис. 1.8.

В результате превращений в ходе химических реакций после реакции с водой, известью или известняком оксид серы превращается в нейтральный в экологическом от­ношении гипс (CaS0₄ • 2Н₂0), который используют в строительстве.

При очистке газов от сероводорода применяют раз­личные абсорбенты типа Fe₂C0₃. При этом следует иметь

CaCOJCaSOJ

Шлам

Рис. 1.8. Схема известкового (известнякового) метода очистки газов от SO,

49

в виду, что очистка газов от H₂S (и сероуглерода CS₂) связана с интенсивной коррозией металла труб и аппа­ратов.

Очистку газов от соединений фтора и хлора проводят с помощью солей аммония и растворов щелочей.

Адсорбционная очистка газов протекает при их контак­те с твердыми веществами (адсорбентами). Расход газов при этом не должен быть большим; процесс очистки в от­личие от абсорбции может проводиться при повышенных температурах. Основными адсорбентами являются алю-могель, цеолиты и иониты. Наиболее эффективны мето­ды адсорбционной очистки газов от растворителей, фено­ла и этанола, от NO_x, S0₂, фтора, хлора, сероводорода, ртути (с использованием марганцовой руды).

Каталитическую очистку проводят в специальных ре­акторах, в которые вводят катализаторы, чтобы ускорить процесс увеличения глубины очистки газов. Напомним: катализаторы ускоряют ход химической реакции, но не вступают в нее; они имеют свойство загрязняться и «от­равляться» (чаще всего серой) и поэтому нуждаются в ре­генерации (восстановлении). Отходы регенерации катали­заторов, как правило, ядовиты, и их требуется извлекать и захоранивать. На рис. 1.9 показана схема каталитической очистки газов от N0_X, конструкция аппарата для которой была разработана автором настоящего учебника (автор­ское свидетельство № 1663364).

Для очистки газов от оксидов серы применяют, как правило, ванадиевый катализатор. Каталитическая очист­ка эффективна при удалении из газов органических ве­ществ и оксида углерода.

Для высокотемпературного обезвреживания легко-окисляемых, токсичных и дурно пахнущих газов приме­няют печи различных конструкций. В печах происходит сжигание вредных веществ в атмосфере кислорода. Ха­рактерным примером очистки газов этим методом яв­ляется применение факела на нефтеперерабатывающих заводах. Некоторые защитники природы считают факелы

50

чуть ли не основными загрязнителями, образующимися в процессе нефтепереработки, в то время как факел здесь является очистным сооружением: со всех производств нефтеперерабатывающего завода отработавшие газы с различным содержанием горючих веществ собирают в од­ну магистраль, подают в трубу и на высоте 100 м сжигают. Выброс этих отходов производства без сжигания недопус­тим, так как они не только ядовиты, но и взрывоопасны. (Автор предлагал установить на МНПЗ вокруг этого фа­кела котел-утилизатор, однако по ряду причин, в том числе субъективных, это не удалось.) Преимущество ме­тода сжигания вредных веществ — полная очистка газов от таких примесей с выделением оксида углерода и пара; недостаток — дополнительный расход топлива.

Очищенные газы

Бодана орошение

Вода на орошение

Аппарат с

активной

насадкой

Бодана охлаждение

Рис. 1.9. Схема каталитической очистки газов от NO_v

51

Выбор метода очистки зависит от многих факторов: объема, расхода и температуры загрязненных газов, ха­рактера загрязнения, начальной и конечной (требуемой) концентрации вредных веществ, содержания примесей, возможности вторичного использования отходов, нали­чия химических веществ, необходимых для проведения процесса очистки. Каждый раз следует проводить техни­ко-экономический расчет и выбирать вариант с наимень­шими затратами.

Пылеосадительные камеры применяют для улавлива­ния крупной пыли; циклоны — при концентрации пыли выше 2 г/м³ и незначительной глубине очистки; скруб­беры мокрой очистки — при охлаждении газа и когда требуется высокая эффективность улавливания мелких частиц (если газы пожароопасны, нужно улавливать и твердые частицы, и газообразные вредные примеси); тка­ные фильтры применяют для высокой степени очистки, при необходимости доиспользования пыли и низкой тем­пературе; электрофильтры — при больших расходах газа и высокой температуре, а также при необходимости ис­пользовать ценные качества пылевыноса.

Замкнутые газооборотные циклы

В отличие от воды газ как носитель вредных примесей трудно «собрать» воедино, например, со всего предприя­тия, очистить и снова запустить в процесс. Газообразные выбросы (дымовые газы котлов и печей) частично очища­ют и направляют в дымовые трубы, которые чем выше, тем лучше рассеивают вредные вещества. К тому же воз­дух не является таким ценным сырьем, как вода, и его повторное использование экологически менее эффек­тивно.

Технологические аппараты, использующие воздух, рабо­тают, как правило, под давлением (возникает опасность попадания загрязненного воздуха в атмосферу) или под разрежением (в этом случае возможны подсосы наружного воздуха, что иногда также бывает нежелательным).

Приведем несколько примеров создания газооборот­ных циклов. На горно-обогатительных комбинатах по про-

52

изводству асбеста (который, как известно, способствует развитию у человека раковых опухолей) вентиляционные выбросы собирают из различных точек цехов, направляют на глубокую очистку от пылевидного асбеста, при необ­ходимости разбавляют свежим воздухом и снова направ­ляют вентиляторами в цеха. Уловленный асбест использу­ют вторично.

В доменных печах часть газа с нижнего уровня печи (колошниковый газ) может подаваться в ее верхнюю часть, при этом его необходимо очищать от окиси углерода.

На атомных электростанциях воздух в части помеще­ний разрежен во избежание попадания в атмосферу ра­дионуклидов. Воздух этих помещений подвергают очист­ке и рециркуляции.

В энергетических котлах, устанавливаемых на ТЭЦ, целесообразно обеспечить рециркуляцию дымовых газов из «хвоста» котла (из воздухонагревателей или экономай­зеров) в топку. Это способствует более эффективному сжиганию топлива, так как повышает температуру надду­ва в горелках. Между «хвостами» котлов и горелками ды­мовой газ целесообразно очищать от оксидов азота, что позволит снизить выброс его в атмосферу. В системах кондиционирования воздуха и пневмотранспорта воздух может быть использован многократно, так как он не всту­пает в химические реакции, однако его необходимо очи­щать от вредных взвешенных и газообразных веществ. При работе в замкнутых системах (под водой или в кос­мосе) без регенерации и повторного использования воз­духа обойтись нельзя; здесь его очистка проходит с уче­том гигиенических требований.

В настоящее время разработаны схемы газообразных циклов при производстве фосфорных удобрений. С не­которыми оговорками можно считать газообразным циклом сбор отходящих газов из аппаратов нефтепере­рабатывающих заводов для последующего их сжигания в факеле.

Организация замкнутых газообразных циклов — дело будущего, но уже сейчас ученым и инженерам необходимо

53

решать сложные технические задачи для ее реализации, так как это одно из эффективных направлений защиты окружающей среды.