Инженерная защита окружающей среды при разработке недр. Учебное пособие

Промышленные газообразные отходы, содержащие пары и газы метана, очищают в специальных промывочных камерах или адсорбционных, абсорбционных очистителях с последующим их сжиганием.

Термическое дожигание – там, где в газах – высокая концентрация примесей + большое количество кислорода.

Каталитическое дожигание – окисление примесей в присутствии металлических катализаторов.

Абсорбционный метод – поглощение жидкими реагентами токсичных газов и паров.

Хемосорбция – удаление вредных газов, путём реагирования с растворителями и нейтрализации их.

Адсорбция – твёрдые поглотители (активированный уголь, силикагель, цеолит), применяется для удаления запахов.

Высокие трубы – равномерное рассеивание на большие расстояния.

Зелёные насаждения.

Взрывчатые вещества – с нулевым кислородным балансом + спец. добавки.

Мероприятия, снижающие пылевыделение, разделяются на две группы, обеспечивающие:

-снижение образования пыли и запыленности воздуха при различных технологических процессах;

-очистку воздуха при его выбросе в атмосферу.

Основными мероприятиями первой группы являются предварительное увлажнение, орошение, пылеподавление пеной, пылеулавливание, смыв осевшей пыли со стенок выработок.

Предварительное увлажнение обеспечивает снижение пылеобразования. При выемке угля широко используется орошение через исполнительные органы, что снижает запыленность на 80.. .90%. В последнее время при очистных работах на крутых пластах наиболее употребительно пылеподавление пеной. Используя водовоздушные эжекторы, возможно, не только подавить пыль диспергированной водой, но и очистить воздух от взвешенной пыли. При бурении шпуров и скважин пыль отсасывают специальными устройствами. Для снижения газовыделений изолируют выработанное пространство, дизельную технику заменяют машинами и оборудованием с электроприводом.

При разработке угольных месторождений выделяется большое количество метана, который необходимо утилизировать для защиты атмосферы. Трудность решения данной проблемы связана с тем, что

51

основная часть метана (до 80... 85 %) выносится вентиляционными потоками, в которых его концентрация не превышает 1 %. Для утилизации этих метано-воздушных смесей необходимы эффективные способы повышения концентраций метана. Остальная часть метана извлекается средствами дегазации, и ее утилизация не представляет трудности: в основном его используют в котельных, иногда на сушильных установках обогатительных фабрик и на передвижных электростанциях.

Значительные объемы вредных газов выделяется в атмосферу при пожарах. Для предотвращения самовозгорания угля кроме изоляции выработанного пространства оставленные целики угля обрабатывают антипирогенами, которые прекращают или активно тормозят процессы окисления угля. При необходимости выработанное пространство заиливают песчано-глинистой пульпой.

Для уменьшения образования оксида углерода и оксидов азота следует применять взрывчатое вещество (ВВ) с нулевым кислородным балансом и со специальными добавками как в самом ВВ, так и в оболочках патронов и в забойке. Кроме того, нельзя допускать неполного взрывания ВВ, забойки шпуров угольной мелочью.

На окружающую среду сильно влияют породные отвалы и склады добытых полезных ископаемых. Так, только на предприятиях угольной отрасли насчитывается 2280 отвалов, в том числе более 360 горящих. Для предотвращения самовозгорания отвалам придают плоскую форму, формируя их послойно с укаткой каждого слоя и чередованием со слоем глины, обрабатывая антипирогенами, заиливая глинистым раствором или покрывая инертным материалом. Тушат горящие породные отвалы заиливанием, а если горят конические или хребтовые отвалы, то в основном их переформировывают в отвалы плоской формы. Практически все технологические процессы сопровождаются выделением пыли.

Все существующие способы пылеулавливания можно разделить на сухие и мокрые, а пылеулавливающие устройства можно сгруппировать по принципу действия на использующие гравитационно-инерционное осаждение, в том числе циклонное; фильтрацию газа через пористые материалы; электрическое осаждение пыли; гидравлическое улавливание пыли.

Для сухой очистки газов наиболее употребительны циклоны различных типов (рис. 4), в которых под действием центробежной силы частицы перемещаются к стенкам корпуса циклона и по ним попадают в бункер. Недостатком этого способа является низкая эффективность улавливания частиц размером менее 5...10мкм.

52

Рис. 4. Схемы циклонов.

а – цилиндрический, б - конический

Коэффициент улавливания частиц размером 15...20 мкм составляет 98...99 % и выше, причем практически независимо от конструкции, для частиц 10 мкм ‒ от 80 до 98 % в зависимости от модели аппарата, для частиц 5 мкм ‒от 50 до 90 %.

Производительность циклона увеличивается с ростом его диаметра. По конструкции различаются цилиндрические (ЦН, рис. 4а) и конические (СДК-ЦН и СК-ЦН, рис. 4б) циклоны. Цилиндрические циклоны, эффективность которых падает с ростом угла, входа в циклон, обладают высокой производительностью, но несколько пониженным КПД при улавливании мелких частиц; конические лучше

53

улавливают мелкие частицы, однако характеризуются повышенными потерями давления.

При больших объемах очищаемых газов применяют групповые или батарейные циклоны. Групповые циклоны имеют общий подвод и отвод газа, разделенный на параллельные каналы по числу элементов. В батарейном циклоне элементы объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа через направляющее устройство, закручивающее поток. Эффективность батарейных циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементов.

К аппаратам центробежного действия относятся также ротационные и вихревые пылеуловители. В радиальных пылеуловителях твердые частицы отделяются от газового потока совместным воздействием гравитационных и инерционных сил, которые обусловлены поворотом газового потока. Эффективность очистки газа от частиц размером 25...30 мкм обычно составляет

65...85%.

Простота конструкции и эффективность на уровне 80 % и более для частиц размером не менее 20 мкм отличает жалюзийные пылеотделители, в которых частицы пыли выделяются под действием инерционных сил..

В пылеосадительных или пылевых камерах пылъ выпадает под действием силы тяжести. Основными недостатками их являются значительные размеры, сложность очистки и низкая эффективность, особенно для тонких фракций. Поэтому в настоящее время они используются только для предварительной очистки, особенно при высокой начальной концентрации пыли.

Высокую степень улавливания тончайшей пыли (до 99,9 % и более) обеспечивают рукавные (тканевые) фильтры, в которых очистка газов при фильтровании через пористую перегородку основана на осаждении пыли под действием нескольких сил: инерции, адгезии, броуновской диффузии, электростатических и других. В реальных фильтрах гравитационный механизм осаждения частиц не играет заметной роли вследствие малых скоростей витания частиц по сравнению со скоростью фильтрации. Этот эффект становится заметным лишь при фильтрации аэрозоля с частицами диаметром 1 мкм со скоростью менее 0,05 м/с.

Инерционный эффект осаждения частиц практически отсутствует при движении частиц размером менее 1 мкм со скоростью менее 1 м/с. Броуновское движение вызывается столкновением твердых частиц размерами менее 0,5 мкм с молекулами газа. С уменьшением размера

54

частиц усиливается влияние электрической силы по сравнению с силой инерции.

Важную роль в общей улавливающей способности играет адгезия пылевых частиц на волокнах. Эффективность адгезии зависит от свойств фильтрующего материала, соотношения характерных размеров пор и частиц и уменьшается с ростом скорости частиц.

Кроме этих механизмов оседания частиц пыли весьма значимы такие процессы, как фильтрование частиц слоем осадка, образующегося на входной поверхности, а также процесс постепенного закупоривания пор слоем осадка и т.п.

По типу перегородки различают фильтры с зернистыми слоями (неподвижные свободнонасыпные материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, губчатая резина и др.); с полужесткими, пористыми перегородками (вязаные и тканые сетки, прессованные спирали и др.); с жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.).

По конструкции тканевые фильтры делят на рукавные и пакетные, по системе регенерации ткани ‒ на механические (встряхивание) и пневматические (обратная, сопловая, пульсирующая продувки и т.п).

Одним из условий нормальной работы фильтров является поддержание температуры очищаемых газов в определенных пределах: с одной стороны, она не должна превышать максимально допустимую для материала фильтра, а с другой ‒ на 15...30° С быть выше температуры точки росы. Фильтры используют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей не более 50 мг/м3, если начальная концентрация примесей больше, то очистку ведут системой последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров.

К недостаткам тканевых фильтров относятся их значительная металлоемкость и большие размеры, так как, фильтрование газов происходит при малых скоростях ‒ 15. ..20 мм/с, для фильтров с импульсной продувкой ‒ 50.. .75 мм/с. Это на 1 - 2 порядка меньше скоростей газа в рабочей зоне электрофильтра и на 2 - 3 порядка меньше, чем в циклоне.

Одним из наиболее совершенных видов сухой тонкой очистки газов от пыли является электрическая очистка. Принцип действия электрофильтров основан на прохождении газового потока через электрическое поле высокого напряжения, в котором частицы пыли заряжаются и осаждаются на электродах.

Процесс электростатического осаждения твердой частицы состоит из четырех основных стадий: ионизации газа, зарядки частицы

55

пыли, перемещения частицы в электрическом поле и осаждения ее на электроде. Ионизация газа происходит за счет высокого напряжения, подводимого от источника электропитания к коронирующему электроду. В промышленных установках критическое напряжение, соответствующее началу процесса, составляет 20...40 кВ. Этот процесс устойчив лишь в неоднородном электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора.

Для процесса осаждения пыли на электродах весьма важно электрическое сопротивление слоев пыли. По его значению различают пыли

судельным сопротивлением:

•менее 104Ом·см‒ при соприкосновении с электродом они, теряя свой заряд, приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возникает сила отталкивания, которой противодействует только сила адгезии;

•от 104до1010Ом·см‒ они хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании;

•более 1010 Ом·см‒ они труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значительной мере препятствует осаждению новых частиц. В реальных условиях удельное сопротивление пыли снижают увлажнением или химическим кондиционированием газа.

В воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, поэтому обычно используют электрофильтры с короной отрицательной полярности. Конструкцию электрофильтров определяют состав и свойства очищаемых газов, концентрация и свойства взвешенных частиц, параметры газового потока, требуемая эффективность очистки и т.д.

К преимуществам электрофильтров относятся: возможность получения высокой степени очистки (до 99,9 %); небольшое аэродинамическое сопротивление; незначительный расход электроэнергии (0,1 ...0,8 кВт·ч на 100 м3 газа); возможность очистки газов при высокой температуре и с химически агрессивными компонентами; полная автоматизация работы. Недостатки: высокая стоимость, большие размеры (особенно по высоте), требование высококвалифицированного обслуживания, взрывоопасность при улавливании взрывчатыхпылей, снижение эффективности улавливания пыли с малым электрическим сопротивлением.

Широко распространенные аппараты мокрой очистки газов ха-

рактеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей (0,3... 1,0 мкм), а также возможностью очистки от пыли горячих

и взрывоопасных газов. В зависимости от формы

56

контактированиягазовой и жидкой сред способы мокрой очистки можно условно сгруппировать на: улавливающие в объеме жидкости (рис. 5а), пленками жидкости (рис. 56), жидкостью, распыленной в объеме газа (рис. 5в). При этом важным фактором является смачиваемость частиц пыли жидкостью.

Рис. 5. Схемы способов мокрой очистки газов

Рис.6. Устройства для очистки газов распыляющей жидкостью

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

В барботерах и пенных аппаратах используется первый способ мокрой очистки. В скрубберах с насадкой, мокрых циклонах, ротоклонах и т.п. реализуется второй способ.

57

Наиболее употребительный третий способ очистки выполняется с помощью форсунок под давлением или за счет энергии самого потока газа.

Первый способ распыления применяется в полых скрубберах (рис. 6а), второй ‒ в турбулентных промывателях и скрубберах Вентури (рис. 6б).

Последние широко используются и для очистки газов от туманов. Эффективность скрубберов изменяется в широких пределах. Так, эффективность улавливания частиц мелкой фракции (3...5мкм) изменяется от менее 10% в полых скрубберах до более 90 % в скрубберах Вентури.

Аппараты мокрой очистки обычно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, достаточно эффективны, позволяют одновременно утилизировать тепло нагретых газов и очищать от многих газообразных, вредных компонентов. К недостаткам мокрой очистки относятся повышенные энергозатраты, брызгоунос и необходимость организации шламового хозяйства.

Большое влияние на выбор способов и средств пылеулавливания

ипылеподавления оказывают свойства пыли, такие как плотность частиц, их дисперсность; склонность к адгезии, сыпучесть, смачиваемость, абразивность и гигроскопичность пыли, а также растворимость частиц, их электрические и электромагнитные свойства, способность к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом.

Выбор способа пылеулавливания и пылеподавления определяется

ивидом технологического процесса.

При подготовительных работах на карьерах в процессе механического бурения наиболее распространены пылеподавление воздушноводяной и воздушноэмульсионными смесями, а также сухое пылеулавливаение.

При взрывных работах пылегазовыделение снижаются путем осуществления технологических и инженерно-технических мероприятий. К первым относят такие способы управления взрывом, как взрывание высоких уступов; взрывание в зажатой среде; рассредоточение заряда.

Из инженерно-технических мероприятий следует выделить:

•орошение участка взрыва, прилегающих зон и зоны выпадения

пыли;

•применение водяной забойки;

•предварительное увлажнение массива;

•применение ВВ с положительным кислородным балансом;

58

•добавка в забоечный материал нейтрализаторов;

•интенсификация рассеивания пылегазового облака;

•предотвращение интенсивного взметывания пыли, оседающей из пылегазового облака;

•подавление вредных примесей в пылегазовом облаке и многие другие.

При выемке и погрузке горных пород пылеобразование и пылевыделение снижаются предварительным увлажнением массива; увлажнением разрыхленной горной массы; пылеулавливанием.

Способы и средства борьбы с запыленностью и загазованностью атмосферы при транспортировании во многом определяются видом транспорта. При использовании автомобильного транспорта основными источниками пылевыделения являются автодороги, а загазованность атмосферы связана с выделением вредных примесей с выхлопными газами. При эксплуатации железнодорожного транспорта, пыление в основном связано со сдуванием мелких частиц при перевозке горной массы в открытых транспортных сосудах — думпкарах, полувагонах.

При конвейерном транспорте образование пыли обусловлено сдуванием ее при движении и перемещении горной массы с одного конвейера на другой. При комбинированном транспорте причины запыленности и загазованности связаны с каждым видом транспорта, входящем в комбинацию и, кроме того, с большим количеством выделяемой пыли в пунктах перегрузки с одного вида транспорта на другой.

Для предупреждения пылевыделения на автодорогах применяют их орошение водой или растворами гигроскопичных солей, а также обработку эмульсиям и с различными связывающими веществам и.

На железнодорожном транспорте поверхность транспортируемой горной массы закрепляют пылесвязуюшими материалами, укрывают пленкой либо увлажняют водой. При конвейерном транспорте исполъзуют различные укрытия конвейеров, а конвейерную ленту очищают от налипшего материала. Пункты перегрузки оборудуют укрытиями с аспирационными системами.

Для отвалов, откосов карьеров, шламохранилищ характерны большие объемы пылевыделения.

Для снижения их используют:

•орошение водой с добавками химически активных веществ, обеспечивающих закрепление поверхности;

•закрепление битумной эмульсией;

•закрепление пылящей поверхности латексами;

59

•озеленение нерабочих площадей;

•гидропосев.

Различают технологические; механические; физико-

химические; биологические; рекультивационные способы борьбы с пылением гидроотвалов и хвостохранилищ.

Технологические способы предусматривают изменения способов складирования; изменение состава и состояния продуктов складирования; безотходную или малоотходную технологию обогащения; утилизацию отходов.

Из механических способов распространены создание заграждений, предотвращающих распространение пыли, и сплошное покрытие пылящей поверхности изолирующим материалом.

Среди физико-химическихспособов следует отметить гидрообеспыливание; стабилизацию пылящей поверхности полимерами, органическими и неорганическими веществами; изменение физических свойств пылящей поверхности (электризация, намагничивание и пр.).

Биологические способы обеспечивают снижение пылевыделения за счет создания защитного слоя из низших растений или выращивания высших растений.

При выполнении всех технологических процессов на открытых горных разработках кроме пыли в той или иной мере выделяются вредные газы, особенно при производстве массовых взрывов, транспортировании горной массы автотранспортом, при обжиге и обогащении полезных ископаемых, эксплуатации котельных установок и т.д.

Методы очистки от газообразных загрязнителей по характеру физико-химических процессов делят на пять групп: абсорбции, адсорбции, хемосорбции, термической нейтрализации и каталитический.

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.

Процесс абсорбциичасто называют скрубберным. Выбор абсорбента обусловлен растворимостью в нем извлекаемого компонента и ее зависимостью от температуры и давления.

В зависимости от реализуемого контакта газ‒жидкость различают насадочные башни; форсуночные и центробежные скрубберы; скрубберы Вентури, тарельчатые, барботажно-пенные и другие скрубберы. Необходимым элементом технологии сбора

60