Глава 4

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ

Если что-нибудь, изменившись, переступит свои пределы, это есть смерть того, что было прежде.

Лукреций. О природе вещей, гл. 11.

4.1. Методы очистки промышленных выбросов в атмосферу

Отходы — это вещества, которые не характерны для окружающей сре­ды. Следствием загрязнения среды становится изменение ее физиче­ских (тепловых, шумовых, электромагнитных, световых, радиоактивных), химических и биологических параметров, что может оказать отрица­тельное влияние на жизнь человека, растений и животных.

По агрегатному состоянию отходы делят на твердые, жидкие и га­зообразные. В зависимости от источника отходы классифицируют на есте­ственные, коммунальные, производственные, сельскохозяйственные и строительные.

Загрязнение атмосферы происходит главным образом за счет про­дуктов сжигания топлива; извержения вулканов; выбросов газов и пы­ли; выдувания почвы; лесных пожаров; разложения органических ве­ществ. Основные виды выбросов: углекислый газ, оксид углерода, пыль, сернистый газ, углеводороды и оксиды азота. Оксиды серы и азота взаимодействуют с атмосферной водой и образуют растворы кислот.

Ежегодно сжигается примерно 9 млрд т условного топлива, что приводит к выбросу в атмосферу более 20 млрд т СО и более 700 млн т других соединений.

Способ очистки газового потока характеризуется 6 группами фак­торов: состав используемого оборудования; необходимые ресурсы; па­раметры входного и выходного потоков; влияние на основной процесс; вариант использования газового потока. Интегральные экономиче­ские характеристики способа очистки — это коэффициент очистки газо­вого потока (КОГ), производительность, экономичность (количество уловленных веществ на единицу издержек), эффективность (рис. 4.1).

Коэффициент очистки газового потока рассчитывают по отдель­ным элементам:

КОГ₁ = («⁽⁰⁾-а⁽¹⁾)/«⁽⁰⁾,

и по потоку в целом:

КОГ = (а^(и)-а⁽¹⁾)/Ха^(и).

Здесь а⁽ и а, — концентрации г-го элемента в единице исходно­го и очищенного потоков газов; у₁ — относительная экологическая опасность загрязнения -м элементом.

Характеризуя способ очистки газового потока, важно учитывать реальную и мнимую очистку. Например, если продукты сгорания очи­щаются от оксидов серы в газоочистных установках, то затраты суще­ственно выше, чем при использовании высоких газовых труб, снижа­ющих загрязнение воздушного бассейна над предприятием. В этом случае мнимая очистка лучше во втором варианте, однако если учесть

Входной поток газа

(концентрация загрязняющих веществ: пыль, углекислый газ, оксид углерода, сернистый газ, углеводороды, оксиды азота)

Выходной поток газа

(концентрация загрязняющих веществ: пыль, углекислый газ, оксид углерода, сернистый газ, углеводороды, оксиды азота)

У

Влияние на основной процесс (производительность основного оборудования, дополнительные

ресурсы, качество продукции)

Рис. 4.1. Факторы, характеризующие способ очистки газового потока

неизбежный возврат токсичных выбросов с осадками в нижние слои атмосферы и на землю, то картина меняется. Другой причиной рас­хождения оценки реальной и мнимой очистки являются аварийные выбросы (надежность оборудования), которые дают пиковый рост концентрации при длительном присутствии примесей в атмосфере.

Производительность способа очистки газового потока — это объем газа, проходящего очистку в единицу времени (м³/с, м³/мин, м³/ч). В ряде способов очистки газового потока производительность связана с требуемым КОГ, повышение сопровождается снижением КОГ, и на­оборот:

КОР = (д).

Вид функций предопределяет диапазон допустимой интенсив­ности газового потока на входе очистного оборудования.

Экономичность очистки — это соотношение результата и издержек на единицу объема газового потока:

Э = (ЕС-у,(а⁽⁰⁾ -а⁽¹⁾))/(1Ц ■ й_к + (IЦ ■Аг_]

В качестве результата принимают натуральную или стоимостную оценку уловленных веществ. Издержки способа очистки складывают­ся из издержек на эксплуатацию очистного оборудования в расчете на единицу объема газа (й_к и Ц_к — расход и цена к-го вида ресурсов) и из­менения издержек в основном производстве при использовании об­орудования по очистке (Аг. и Ц- — дополнительный расход на единицу продукции ресурсов, вовлекаемых в основной процесс, и их цена); V — объем выходящего газового потока на единицу продукции; С — удель­ный ущерб от выбросов в атмосферу.

Если использование очистки снижает производительность основ­ного процесса, то вычисляют экономичность на единицу продукции:

Э = ЕУ(а⁽⁰⁾-а⁽¹⁾)С■у₁ /(IЦ_к -й_к-V + Ар),

} к

где Ар — снижение прибыли в основном производстве на единицу про­дукции.

Эффективность способа очистки — это интегральная оценка: е = 1 (Р,(а⁽⁰⁾,а⁽¹⁾)-Ф,(Л_к)-АР,)а<)/ 1К -а,,

где Р₍ (а_ъ⁽⁰⁾,а_ъ⁽¹⁾) — выручка от реализации утилизированных материа­лов и снижение платы за выбросы или величины экологического ущерба за год (; Ф₍(а'_/г) — издержки на эксплуатацию системы очистки за год (; АР₍ — снижение прибыли в основном производстве за год (; а₍ — коэффициент приведения разновременных затрат; К — единовремен­ные расходы на установку и пуск системы очистки в году (.

Технологические газы из рабочего пространства электросталепла­вильной печи содержат более 50% Ре₂0₃, около 15% РеО, около 10% СаО, 5-7% 8Ю₂, 5-7% А1₂0₅, до 15% СО. В составе газов имеются хром, алюминий, марганец, медь, цинк, кальций, оксиды азота, серни­стый ангидрид. Максимальное пылеобразование возникает в период расплавления металлошихты, минимальное (в 2-3 раза меньше) — при доводке плавки. Очистка технологических газов включает дожи­гание в камере, охлаждение, кондиционирование пылегазового пото­ка и очистку в электрофильтрах. Основным элементом являются элект­рофильтры. Они предусматривают проход пылегазового потока между коронирующими и плоскими осадительными электродами. Осажден­ная на электродах пыль удаляется путем циклического встряхивания электродов.

Поток газа в системе очистки рассмотрим на примере 100-тонной печи. На сводном патрубке скорость потока составляет 15-30 тыс. м³/ч, в камере дожигания 50-80, на выходе камеры охлаждения 90-95, пе­ред электрофильтрами 800 тыс. м³/ч. На выходе из камеры дожигания запыленность газов в период расплавления составляет 7-10 г/м³, до­стигая в некоторые моменты 15 г/м³. Для дисперсного состава пыли характерно преимущественное содержание высокодисперсных воз­гонных частиц. На долю частиц крупностью более 40 мкм приходится 20-30% общей массы. Приняты следующие уровни классификации: по составу улавливаемых веществ; по составу оборудования (способ очистки); по степени влияния на основное производство; по режиму эксплуатации (рис. 4.2). К первому уровню относят:

• удаление твердых частиц (механические осадители, мокрые инер­ционные пылеуловители, фильтры и электрофильтры);

• удаление газообразных загрязнителей (абсорбция, адсорбция, конденсация, дожигание, химические методы очистки). Напри­мер, для того чтобы применять в качестве топлива коксовый газ из коксовых батарей, необходимо обеспечить в нем содержание сероводорода не более 0,5 г/м³. Коксовый газ, образующийся в процессе коксования, содержит 10-20 г/м³ сероводорода, поэто­му перед применением он должен быть очищен одним из мето­дов, относящихся ко второй группе классификации (абсорбция и адсорбция).

Улавливаемые вещества

Состав оборудования

Привлекаемые ресурсы

Степень влияния на основное

производство

Режим эксплуатации

Рис. 4.2. Классификационные признаки систем очистки

Ко второму уровню относят варианты конструкции оборудования очистки. Например, для абсорбции используют абсорберы с насадкой, брызгальные скрубберы, скрубберы Вентури, мокрые электрофильт­ры, колонны с отражателем. По видам привлекаемых ресурсов выде­ляют варианты с использованием воды (для удаления газов НС1, НР, 81Р₄, МН₄), щелочных растворов (для удаления газов 80₂, С1₂, Н₂), малолетучих органических жидкостей (для удаления органических газообразных загрязнителей), твердых материалов (для удаления Н₂8, 8).

Рассматривая признаки третьего уровня, выделяют следующие па­раметры: количество выбрасываемых газов в процессе основного про­изводства (производительность основных объектов); концентрация загрязнителей в выбрасываемых газах; наличие твердых частиц в га­зовом потоке; способы транспортировки, утилизации и удаления материалов, образующихся в результате очистки; возможности ис­пользования очищенных газов в основном производстве; издержки, возникающие в основном производстве в связи с использованием про­цесса очистки. Возвращаясь к нашему примеру с очисткой коксового газа, отметим, что концентрация Н₂8 в нем невелика (по объему), а ко­личество образующегося газа значительно.

Способы очистки газовых потоков классифицируются в зависимо­сти от состава и значения определяющих признаков (табл. 4.1).

Если реализовать процесс абсорбции в скруббере, то могут быть удалены и твердые частицы, что в целом уменьшает затраты на очистку как от газа Н₂8, так и от пыли. При очистке методом абсорбции загряз­нители переходят в раствор, который после определенной переработ­ки может быть использован в качестве удобрений, что дает дополни­тельную прибыль предприятию.

Четвертый уровень классификации основан на вариантах режима эксплуатации оборудования очистки. Для процесса абсорбции, например,

Окончание табл. 4.1
Способы очистки	Классификация
Конденса­ция	По видам очищаемых газов (пары веществ с температурой, близкой к точке росы, органические соединения, углеводороды); по конструкции оборудования (с охлаждением при непосредственном контакте и косвенным)
Дожигание	По видам очищаемых газов (углеводороды, органические соединения); по типам горелок (с регулируемой подачей топлива, многоструйные с предварительным смешиванием, форсунки) по видам топлива (нефть, газ)
Химиче­ские методы очистки	По видам очищаемых газов (оксид азота, оксид серы); по характеру процесса (некаталитическое восстановление добавками аммиака, селективное каталитическое восстановление, неселективное каталитическое восстановление, облучение потоком электронов с добавлением аммиака)

они определяются параметрами: скорость газового потока (2,44 кг/(см²)); скорость потока жидкости (2,03-2,71 кг/(см²)); направление газового потока; направление потока жидкости; размер и тип насадки (седла, тарелки, кольца); величина гидравлического сопротивления (8,3-166 мм вод. ст/м).

Мероприятия по предотвращению выбросов в атмосферу можно разделить на группы:

• усовершенствование технологических процессов;

• применение более современных конструкций металлургических агрегатов;

• модернизация методов пылеулавливания;

• герметизация агрегатов и материальных потоков;

• подавление процессов образования вредных веществ;

• рециркуляция тепловых и материальных потоков в технологи­ческих схемах;

• предварительная термоподготовка топлива.

В последние годы активно внедряются методы «сухой» очистки га­зов, новые конструкции аппаратов по очистке газов от пыли и приме­сей. В электросталеплавильных цехах устанавливают слоевые фильтры, в огнеупорном производстве — вихревые пылеулавливатели, в агло­мерационном производстве — каталитическое обезвреживание оксида углерода и т. д.

В доменном производстве подавляются выбросы через межконус­ное пространство, герметизируются оборудование подбункерных по­мещений и газоотводящее оборудование; увеличивается использова­ние доменного газа; поглощаются газы у желобов литейных дворов, мест заливки и перелива чугуна, при доменной грануляции шлака.

В агломерационном производстве наиболее перспективным спосо­бом подавления выбросов является рециркуляция газов, что сокраща­ет вынос оксида углерода на 80-90%, оксидов серы и азота на 30% при экономии топлива на 25-30%. Герметизируются места погрузки и раз­грузки сыпучих материалов, повышается контроль за фракционным составом используемого на аглоленте топлива.

Замена мартеновских печей в сталеплавильном переделе уменьша­ет выбросы оксида азота в атмосферу. В конвертерном производстве сокращается пылевыделение за счет выбора оптимальных конфигура­ций и угла наклона сопел, перехода от верхнего на донное дутье. При­менение рассредоточенного дутья кислорода в электросталеплавиль­ном производстве позволяет сократить вынос пыли в отходящих газах на 40%. При разливке и транспортировке металла применяют систему защиты его поверхности инертными газами.

4.2. Методы очистки промышленных сточных вод

Уже высокоразвитые культуры Древнего Востока, Египта и античные культуры создали системы удаления сточных вод и отходов, которые, к сожалению, исчезли вместе с исчезновением этих культур. След­ствием этого в Средние века явились опустошающие эпидемии. В 1417 г. в Страсбурге от инфекций погибло около 15 тыс. человек. При этом причину болезни не могли узнать, ибо беспечно оставляли экскремен­ты людей и животных рядом с домами на тесно застроенных улицах или устраивали ямы для навозной жижи рядом с колодцами, откуда брали питьевую воду. Зачастую сточные воды из домов выпускали прямо на улицу через так называемые желоба. Следствием этого было не только заражение почвенных вод, но и невыносимая грязь на ули­цах, а также катастрофическое гигиеническое состояние городов.

В настоящее время основой системы удаления сбросов является канализационная сеть.

Основная причина загрязнения водных ресурсов — аварийный или технологический сброс в водоемы промышленными, бытовыми и транс­портными предприятиями неочищенных или недостаточно очищен­ных сточных вод. Основные виды загрязнителей воды: нефть, фенол,

органические вещества, тяжелые металлы, синтетические поверхно­стно-активные вещества, ядохимикаты, горюче-смазочные материалы. Кроме того, воды загрязняются стоками с полей и свалок, животно­водческими комплексами и жилищно-коммунальными хозяйствами.

Для оценки метода очистки сточных вод применяются следующие показатели: коэффициент очистки сточных вод, экономичность про­цесса, производительность, эффективность. Состав факторов, харак­теризующих способы очистки, приведен на рис. 4.3.

Коэффициент очистки сточных вод является функцией от показа­телей качества воды — температуры воды (Г), содержания взвешен­ных веществ (й), содержания растворимых веществ (С), водородного показателя (рН), общей и карбонатной жесткости (у):

КОВ = /(Г, й, С, рН, у).

Для определения коэффициента очистки сточных вод при отсут­ствии теплового загрязнения используются следующие соотношения:

где КОВ₁ — коэффициент очистки сточных вод от г-го вида загрязне-

ния; КОВ — суммарный коэффициент очистки сточных вод по всем

Используемые

на очистку ресурсы

(концентрация

механических

Поступающая вода

примесей, нефти, масла, органических веществ, сульфидов,

фенола, аммиака, растворенных солей)

Т