Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы инженерной экологии. Учебное пособие
.pdf
например, химической, нефтехимической отраслей, металлургии.
Следует отметить, что пока ни один из видов крупнотоннажных отходов химической, деревообрабатывающей,
угледобывающей промышленностей, теплоэнергетики, черной и цветной металлургии не отнесен к категории товарной
продукции соответствующей отрасли. Одной из важных причин невозможности вовлечения их обратно в кругооборот
процесса воспроизводства, наряду с необходимостью экономических затрат, является отсутствие в настоящее время достаточно эффективных, надежных и дешевых способов переработки этих видов отходов в новую товарную продукцию.
Очевидно, что все технологии и особенно «чистые»
должны стать одним из главных предметов специальных
экологических исследований, в том числе с позиций концепции «устойчивого развития». Необходимо учитывать, что
оценка степени безотходности производства – очень сложная
задача и единых критериев для всех отраслей промышленности не существует.
21
Глава 2
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
2.1. Постановка задачи при очистке газов
В настоящее время в России на очистку газовых выбросов направляется треть всех инвестиций в охрану окружающей среды. Наиболее эффективным направлением снижения
газовых выбросов представляется внедрение замкнутых газообразных потоков, однако основным средством предотвращения загрязнения атмосферы остается разработка и внедрение эффективных систем очистки газовых выбросов. В
целом без развития газоочистительной техники комплексное
решение проблемы экологической безопасности промышленных предприятий не представляется возможным.
Под очисткой газа следует понимать выделение из технологических газов или газовых выбросов содержащихся в
них вредных примесей, которые или извлекаются из газового
потока, или могут быть переведены в безвредные вещества
непосредственно в самом газовом потоке. Газ, очищенный от
вредных примесей, поступает далее в технологический поток
(цикл) или выбрасывается в атмосферу.
Прежде чем рекомендовать и сконструировать соответствующее газоочистное оборудование, необходимо определить:
22
¾ объем газового потока и его параметры (скорость га-
зового потока, температуру и состав газа и т. п.);
¾ состав газа в отношении извлекаемых компонентов;
¾ природу удаляемых примесей;
¾ минимальную степень очистки извлекаемых компо-
нентов.
Степень очистки в настоящее время устанавливается
относительно величины предельно допустимых выбросов
(ПДВ),– т.е. такого количества выбрасываемых в атмосферу
загрязнителей, которое обеспечит их концентрацию в приземном слое, не превышающую ПДК, – либо по величине
ВСВ. На многих работающих предприятиях системы очистки
не позволяют добиться концентраций в приземном слое ниже
ПДК. Сами же величины ПДК постоянно пересматриваются
в сторону снижения.
Для любого предприятия важно, чтобы схема очистки
выбросных газов была наиболее дешевой при выбранной степени очистки (как по капитальным, так и по текущим затратам), позволяла повторно использовать ценные компоненты,
находящиеся в выбросных газах, а аппаратура и сооружения
занимали бы возможно меньшую площадь.
Создаваемые в промышленности установки очистки относятся к двум типам: одни предназначены для разрушения
вредных примесей в газах, другие – для выделения примесей
с их последующим использованием в качестве сырья для
различных производств.
Примером установок первого рода могут служить очистные сооружения для каталитического разрушения оксидов
азота, а также установки для сжигания некоторых вредных
органических веществ. Примером установок второго типа
являются установки по извлечению из дымовых и других газов диоксида серы, который в дальнейшем используется для
получения товарной продукции. Создание таких установок
можно рассматривать в качестве важного этапа в разработке
мало- и безотходных технологий.
23
2.2. Очистка газовых выбросов от аэрозольных
загрязнений
Обычно аэрозоли (взвеси твердых или жидких частиц в
газе) имеются в каждом выбросе парогазовой смеси. Для
очистки газы пропускают через камеру, в которой с помощью гравитационных, инерционных, электростатических сил
мелкодисперсные частицы удаляются из газового потока.
Несмотря на принципиальные различия, все методы улавливания мелкодисперсных примесей описываются одной моделью, учитывающей скорость движения частиц относительно
газового потока под действием одной из указанных сил в течение времени пребывания газа в камере.
Общим является и то, что, чем меньше размер частиц,
тем обычно требуется более сложное оборудование, работающее с большими энергозатратами. Значительный эффект
может быть достигнут модификацией основной технологии с
целью уменьшения выбросов загрязнений воздуха. Однако
для этого скорее необходимы дальнейшие технические разработки или новые системы, чем усовершенствование и усложнение аппаратуры для очистки от аэрозолей.
В промышленном масштабе для удаления аэрозолей из
газовой смеси используют следующие методы:
¾ Гравитационный способ позволяет осаждать частицы
примесей под действием силы тяжести при прохождении газового потока с небольшой скоростью через определенный
аппарат. Наиболее простым, но малоэффективным и редко
применяемым является способ осаждения крупной пыли под
действием силы тяжести в так называемых пылевых камерах.
¾ Инерционный способ осаждения аэрозольных частиц
основан на изменении направления движения газового потока.
Взвешенные частицы по инерции продолжают движение, ударяются о специально установленные преграды и либо прилипают к ним, либо падают на дно и удаляются. К классу аппа-
24
ратов, основанных на этом методе, относится, например, жалюзийный пылеуловитель. Сюда же относятся аппараты, где
осаждение происходит под действием центробежной силы.
Самыми распространенными из таких аппаратов являются циклоны. Очень часто вся очистка заключается в пропускании
газового потока через циклон.
¾ Электрическая очистка газов основана на воздействии
сил неоднородного электрического поля высокого напряжения. Аппараты для очистки газов этим методом называются
электрическими фильтрами. При пропускании через такие
фильтры загрязненного газа происходит его ионизация, заряженные частицы увлекаются к осадительному электроду и
осаждаются на нём. Применение электрических фильтров для
очистки газов чрезвычайно распространено, особенно для
тонкой очистки дымовых газов тепловых электростанций, в
цементной промышленности, черной и цветной металлургии.
Возможны комбинации этих методов, например, фильтроциклон – комбинация циклона и фильтра, центробежный
скруббер – практически орошаемый водой циклон и т.д. Гравитационные, инерционные, центробежные или фильтрационные механизмы осаждения лежат в основе работы сухих
аппаратов. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом осаждение
происходит на каплю, на поверхность газовых пузырей или
на пленку жидкости.
2.3. Очистка газовых выбросов от вредных
газообразных примесей
В настоящее время известно более 250 загрязняющих атмосферу веществ, причем по мере освоения новых технологических процессов их число неуклонно возрастает. Самыми
распространенными веществами, загрязняющими атмосферу,
помимо диоксида серы и оксидов азота, являются: оксид и
25
диоксид углерода, сероводород, углеводороды, летучие растворители и аэрозоли.
В промышленном масштабе традиционно существуют
три физико-химических метода удаления газообразных компонентов из газовой смеси:
¾ Абсорбция вредных газовых примесей жидкостью.
Этот метод можно условно разделить на две основные группы
– физической абсорбции и хемосорбции.
¾ Адсорбция вредных газовых примесей поверхностью
твердого тела.
¾ Химическое превращение в безвредный газ. Этот ме-
тод обычно включает в себя сжигание вредных газовых примесей непосредственно или каталитически.
Механизм этих методов основан на диффузии газа либо
к поверхности поглощающей жидкости, твердого адсорбента
или катализатора, либо в реакционную зону с лучшей химической реакцией. В этом отношении удаление газовых компонентов представляет собой не столь сложную задачу по
сравнению с удалением твердых частиц и капель жидкости.
Абсорбция газов широко применима в тех случаях, когда очистке подвергаются большие газовые потоки. Адсорбция и каталитическое превращение используются для поглощения незначительных количеств газов.
При удалении частиц и капель по сравнению с диффузией бóльшую роль играют такие процессы, как гравитационное разделение и центрифу
гирование, перехват и инерционное столкновение, действие электростатических или электромагнитных сил.
Помимо рассмотренных традиционных методов в настоящее время разрабатываются и проходят апробацию в
промышленности множество других методов очистки газов и
парогазовых выбросов от вредных примесей.
¾ Озо
мовых газов от SO
нные методы применяют для обезвреживания ды-
и NOx и дезодорации газовых выбросов
2
промышленных предприятий. Введение озона ускоряет реак-
26
ции окисление NO до NO2 и SO2 до SO3. После образования
NO2 и SO3 в дымовые газы вводят аммиак и выделяют смесь
образовавшихся комплексных удобрений (сульфата и нитрата
аммония). Время контакта газа с озоном, необходимое для
очистки от SO2 (80-90%) и NOx (70-80%) составляет 0,4-0,9
сек. Энергозатраты на очистку газов озонным методом оценивают в 4-4,5% от эквивалентной мощности энергоблока, что
является, по-видимому, основной причиной, сдерживающей
промышленное применение данного метода.
Применение озона для дезодорации газовых выбросов
основано на окислительном разложении дурно пахнущих
веществ. В одной группе методов озон вводят непосредственно в очищаемые газы, в другой газы промывают предварительно озонированной водой. Применяют также последующее пропускание озонированного газа через слой активированного угля или подачу его на катализатор. При вводе
озона и последующем пропускании газа через катализатор
температура превращения таких веществ как амины, ацетальдегид, сероводород и др. понижается до 60-800C. В качестве катализатора используют как Pt/Al2O3, так и оксиды меди, кобальта, железа на носителе. Основное применение
озонные методы дезодорации находят при очистке газов, которые выделяются при переработке сырья животного происхождения на мясо- (жиро-) комбинатах и в быту.
¾ Биохимические методы очистки основаны на способ-
ности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Разложение веществ происход
ит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами в
среде очищаемых газов. При частом изменении состава газа
микроорганизмы не успевают адаптироваться для выработки
новых ферментов, и степень разрушения вредных примесей
становится неполной. Поэтому биохимические системы более
всего пригодны для очистки газов постоянного состава.
Биохимическую газоочистку проводят либо в биофильт-
рах, либо в биоскру
бберах. В биофильтрах очищаемый газ
27
пропускают через слой насадки, орошаемый водой, которая
создает влажность, достаточную для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Поверхность насадки покрыта
биологически активной биопленкой (БП) из микроорганизмов.
Микроорганизмы БП в процессе своей жизнедеятельности поглощают и разрушают содержащиеся в газовой среде
вещества, в результате чего происходит рост их массы. Эффективность очистки в значительной мере определяется массопереносом из газовой фазы в БП и равномерным распределением газа в слое насадки. Такого рода фильтры используют, например, для дезодорации воздуха. В этом случае очищаемый газовый поток фильтруется в условиях прямотока с
орошаемой жидкостью, содержащей питательные вещества.
После фильтра жидкость поступает в отстойники и далее
вновь подается на орошение.
В настоящее время биофильтры используют для очистки отходящих газов от аммиака, фенола, крезола, формальдегида, органических растворителей покрасочных и сушильных линий, сероводорода, метилмеркаптана и других сероорганических соединений.
К недостаткам биохимических методов следует отнести:
низкую скорость биохимических реакций, что увеличивает
габариты оборудования; специфичность (высокую избирательность) штаммов микроорганизмов, что затрудняет переработку многокомпонентных смесей; трудоемкость переработки смесей переменного состава.
¾ Плазмохимический метод основан на пропускании че-
рез высоковольтный разряд воздушной смеси с вредными
примесями. Используют, как правило, озонаторы на основе
барьерных, коронных или скользящих разрядов, либо импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах.
Проходящий низкотемпературную плазму воздух с примесями подвергается бомбардировке электронами и ионами. В результате в газовой среде образуется атомарный кислород,
озон, гидроксильные группы, возбуждённые молекулы и ато-
28
мы, которые и участвуют в плазмохимических реакциях с
вредными примесями. Основные направления по применению
данного метода идут по удалению SO2, NOx и органических
соединений. Использование аммиака при нейтрализации SO2
и NOx, дает на выходе после реактора порошкообразные
удобрения (NH4)2SO4 и NH4NH3, которые отфильтровываются.
Недостатком данного метода являются: недостаточно
полное разложение вредных веществ до воды и углекислого
газа; в случае окисления органических компонентов при приемлемых энергиях разряда наличие остаточного озона, который необходимо разлагать термически либо каталитически;
существенная зависимость от концентрации пыли при использовании озонаторов с применением барьерного разряда.
¾ Плазмокаталитический метод является довольно но-
вым способом очистки, который сочетает в себе два известных метода – плазмохимический и каталитический. Установки, работающие на основе этого метода, состоят из двух ступеней. Первая – это плазмохимический реактор (озонатор),
вторая – каталитический реактор. Газообразные загрязнители,
проходя зону высоковольтного разряда в газоразрядных ячейках и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в безвредные соединения, вплоть до СО2 и
Н2О.
Глубина конверсии (очистки) зависит от величины
удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции. После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе. Синтезируемый в газовом разряде плазмохимического реактора озон попадает на
катализатор, где сразу распадается на активный атомарный и
молекулярный кислород. Остатки загрязняющих веществ (активные радикалы, возбужденные атомы и молекулы), не уничтоженные в плазмохимическом реакторе, разрушаются на катализаторе благодаря глубокому окислению кислородом.
Преимуществом этого метода являются использование
каталитических реакций при температурах, более низких (40-
29
1000C), чем при термокаталитическом методе, что приводит
к увеличению срока службы катализаторов, а также к меньшим энергозатратам (при концентрациях вредных веществ
до 0,5 мг/м3).
Недостатками данного метода являются: большая зависимость от концентрации пыли, необходимость предвари-
3
тельной очистки до концентрации 3-5 мг/м
концентрациях вредных веществ (свыше 1 мг/м
; при больших
3
) стоимость
оборудования и эксплуатационные расходы превышают соответствующие затраты в сравнении с термокаталитическим
методом.
¾ В настоящее время широко изучается и развивается
фотокаталитический метод окисления органических соединений. В основном при этом используются катализаторы на
основе ТiО2, которые облучаются ультрафиолетом. Известны
бытовые очистители воздуха японской фирмы «Daikin», использующие этот метод. Недостатком метода является засорение катализатора продуктами реакции. Для решения этой задачи используют введение в очищаемую смесь озона, однако
данная технология применима для ограниченного состава органических соединений при небольших концентрациях.
¾ Мембранные технологии для очистки природных,
технологических и выбросных газов в разнообразных отраслях промышленности из-за несовершенства существующих
технологий приобретает особую остроту. В настоящее время
развернуты широкие исследования в области мембранного
разделения газов. Особенностью мембранных процессов газоразделения является проточный режим их работы.
Предполагается, что мембранное разделение газов для
решения задач экологии может быть применено в следующих вариантах:
1) выделение и отвод вредных компонентов из газовых
выбросов;
2) включение мембранных процессов в технологию для
предотвращения образования побочных продуктов;
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]