Методы консультантов / Экологическая часть / Лекции по Промэкологии ППП

Рис. 2.4. Конструкция циклона:

1 – корпус; 2 – патрубок для ввода газового потока; 3 – выходная труба для очищенного газа; 4 – бункер для сбора пыли

Газовый поток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклонов пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, происходит за счет поворота газового потока в бункере на 180о. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выхлопную трубу 3. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то за счет подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Для очистки газов от пыли с успехом применяются цилиндрические (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24) и конические (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, СДК-ЦН-33) циклоны, разработанные институтом НИИОГАЗ.

Расчет циклонов ведется методом последовательных приближений в следующем порядке:

1. Задаваясь типом циклона, определяют оптимальную скорость газа wопт в сечении циклона диаметром D по следующим данным.

Тип циклона: ЦН-24; ЦН-15У; ЦН-15; ЦН-11; СДК-ЦН-33; СК-ЦН-34

2. Вычисляют диаметр циклона по формуле

где Q – объемный расход воздуха, проходящего через циклон, м3/ч.

3. По выбранному диаметру циклона находят действительную скорость

nD2

где n – число циклонов.

Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15%.

4. Определяют коэффициент гидравлического сопротивления:

где k1 – поправочный коэффициент на диаметр циклона,

k2 – поправочный коэффициент на запыленность газов,

ζ500 – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диаметром 500 мм.

Эти коэффициенты определяются по специальным таблицам, например, приведенным в учебнике под редакцией С.В.Белова [3].

5. Гидравлическое сопротивление циклона (∆р) вычисляют как разность давлений воздушного потока на входе (рвх) и на выходе (рвых) из аппарата:

где ρ и w – плотность и скорость воздуха в расчетном сечении аппарата. 6. Эффективность очистки газа в циклоне определяют по формуле

где Ф(х) – табличная функция от параметра х, определенного по методике, изложенной в учебнике С.В.Белова [3].

Кроме циклонов, в настоящее время разработаны ротационные, вихревые, радиальные и жалюзийные пылеуловители.

Фильтрационная очистка.

Фильтры широко используются в промышленности для тонкой очистки вентиляционного воздуха от примесей, а также для промышленной и санитарной очистки газовых выбросов.

Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.

По типу перегородки все фильтры делятся на фильтры: с зернистыми слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); с

полужесткими пористыми перегородками (вязаные сетки, прессованные спирали и стружка и др.); с жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.).

По конструктивному признаку воздушные фильтры, выпускаемые в России, делятся на ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные.

Для очистки воздуха в системах вентиляции обычно используют ячейковые фильтры, представляющие собой рамку или каркас с фильтрующими элементами, выполненными из набора металлических сеток (фильтры Река – ФиР). винипластовых сеток (ФяВ), пенополиуретана (ФяП), упругого стекловолокна (ФяУ), войлока и др. Выбор типа фильтрующих материалов зависит от требуемой тонкости очистки, химического состава загрязнителей и условий эксплуатации фильтра. В табл. 2.5 приведены основные параметры ячейковых фильтров.

Для повышения эффективности очистки можно использовать каркасные фильтры с набивкой каркаса волокнистыми материалами. Одним из фильтров такого типа (ПФ-6) обеспечивается очистка шахтного воздуха с эффективностью 80-85% при начальной запыленности до 3 мг/м3. Гидравлическое сопротивление фильтра составляет 200 Па при производительности 12000 м3/ч.

Недостатком ячейковых фильтров является ограниченный срок службы из-за быстрого засорения ячеек фильтрующего элемента и образования слоя осадка на его входной части, что требует частой смены фильтрующих элементов или их периодической очистки (регенерации). Этот недостаток частично устраняется при использовании рулонных фильтров (рис. 2.11, а), которые нашли применение для очистки воздуха с концентрацией примесей не более 10 мг/м3.

В каркасе 1 такого фильтра устанавливаются подающий 2 и приемный 3 барабаны, на которых укреплена фильтрующая ткань 4 и направляющие ролики 5. Периодическая подача нового участка фильтрующей ткани выполняется автоматически или вручную при достижении максимально допустимого перепада давлений на фильтрующей перегородке (обычно 2-3 начальных давления). Для уменьшения габаритов рулонных фильтров или увеличения их производительности по газу применяют компактные фильтры

(рис. 2.11, б), в которых фильтрующая ткань зигзагообразно поступает через направляющие ролики 5 от подающего к приемному барабану.

Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов от примесей имеют тканевые рукавные фильтры (рис. 2.12). В корпусе фильтра 2 устанавливают необходимое число рукавов 1, во внутреннюю полость которых подают запыленный газ от входного патрубка 5. Частицы загрязнений за счет ситового и других эффектов оседают в ворсе и образуют пылевой слой на внутренней поверхности рукавов. Очищенный воздух выходит из фильтра через патрубок 3.

Рис. 2.11. Рулонные фильтры обычного типа (а) и компактные (б):

1 – каркас фильтра; 2 – подающий барабан; 3 – приемный барабан; 4 – фильтрующая ткань; 5 – направляющие ролики

При достижении определенного перепада давлений на фильтре его отключают от системы и производят регенерацию встряхиванием рукавов с обратной их продувкой сжатым газом. Регенерация осуществляется специальным устройством 4. При очистке ткани удаляется значительная часть пылевого слоя, но внутри ткани между волокнами остается достаточное количество пыли, что обеспечивает высокую эффективность очистки газов в фильтре после его регенерации.

Рис. 2.12. Рукавный фильтр:

1 – тканевые рукава; 2 – корпус фильтра; 3 – патрубок для выхода очищенного воздуха; 4 – устройство для регенерации рукавов; 5 – патрубок для ввода загрязненного воздуха

Для изготовления рукавов применяют различные ткани и войлоки (табл. 2.6).

Таблица 2.6 Характеристика тканевых фильтрующих материалов

Примечание: ОХ – очень хорошая, Х – хорошая, У – удовлетворительная, П – плохая, ОП – очень плохая.

Промывные или мокрые способы. На промывке газов жидкостью основана их мокрая очистка от аэрозолей. Это универсальный метод очистки

отходящих газов от пыли, дыма и тумана с любым размером частиц. Поэтому он чаще всего применяется в качестве последнего этапа очистки после механического удаления примесей. К мокрым пылеулавливающим аппаратам относятся скрубберы, барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури.

Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной пыли с диаметром менее 1,0 мкм, а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако эти аппараты обладают рядом недостатков, что ограничивает область их применения: образованные в процессе очистки шламы требуют специальной переработки; вынос влаги в атмосферу; образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли либо на поверхности капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Кроме этих основных сил на процесс осаждения влияют турбулентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных частиц, процессы конденсации, испарения и др. Во всех случаях очистки газов в мокрых пылеуловителях важным фактором является смачиваемость частиц жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).

Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппараты ударноинерционного типа, барботажно-пенные аппараты и др.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхности капель наибольшее практическое применение нашли скрубберы Вентури (рис. 2.5). Основная часть скруббера – сопло Вентури, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В этой части сопла (в горловине) 2 происходит разгон газа от входной скорости (15-20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 60-150м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости по сечению этой части сопла. В диффузорной части (камере смешения) 3 сопла поток тормозится до скорости 15-20 м/с и подается в каплеуловитель (камеру разделения), который обычно выполняют в виде прямоточного циклона или скруббера ВТИ. Скруббер Вентури обеспечивает эффективность очистки 9698% аэрозолей и более при начальной концентрации примесей 100 г/м3.

Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц около 0,3 мкм достигает 99,9%, что сравнимо с высокоэффективными фильтрами.

Рис. 2.5. Схема скруббера Вентури:

1 – сопло; 2 – горловина; 3 – камера смешения

Мокрые способы очистки газов применяются, например, при очистке от сернистого газа и сероводорода. Причем, на улавливании этих газов основано производство серной кислоты и гидросульфида натрия.

2SO2 + 2H2O + O2 + ванадиевый катализатор = 2H2SO4

H2S + NaOH = NaHS + H2O

По такой же схеме можно очистить газ от оксида азота:

3NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO + Q

На мокром улавливании основано также производство некоторых редких металлов, таких как индий, кадмий, и др. В данном случае, например, при производстве цинка индий переходит в возгоны, т.е. в газ, который затем улавливается как в дистиллировочном аппарате. Эти возгоны собирают, которые затем служат полупродуктом для производства металла.

Но мокрые способы очистки газов имеют и недостатки. При очистке получают разбавленные растворы и шламы, которые затем нужно куда-то утилизировать. Кроме этого из-за высокой коррозионной активности газов и полученных растворов оборудование приходится делать в коррозиостойком исполнении и по возможности герметичным, что удорожает стоимость этого оборудования.

Электростатическая очистка газов. Данный способ реализуется в аппаратах, называемых электрофильтрами. Основными функциональными устройствами электрофильтров являются осадительный и коронизирующий электроды. Между ними создается электрическое поле высокого напряжения (30-100 кВ). Поскольку коронизирующие электроды изготавливаются из относительно тонких стержней, то около них создается поле высокой напряженности, вызывающее интенсивную ионизацию газовых молекул. Этот процесс и вызывает образование вокруг электродов светящейся короны. Под действием электрического поля заряженные аэрозольные частицы движутся от коронизирующего электрода к осадительному и прилипают к нему, отдавая свой заряд.

Адсорбционные методы. Адсорбция – диффузионный процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью:

-активные угли;

-селикагели – гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2 .nH2O);

-алюмогель – активный оксид алюминия (Al2O3 .nH2O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия;

-цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов;

-иониты - высокомолекулярные соединения.

Методы каталитической очистки газов. Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Катализатор обеспечивает взаимодействие на его поверхности преобразуемых веществ, образование промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы.

Термическая очистка газов. Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Их преимуществом является простота используемой аппаратуры и универсальность использования – независимо от состава обрабатываемых газов.

Термическая очистка широко применяется в лакокрасочных производствах, процессах получения некоторых видов химической,

электротехнической и электронной продукции, пищевой промышленности, окраске деталей и других процессах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо.

Лекция 11. Основы защиты водных объектов от загрязнения

Французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери посвятил воде следующие строки “Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты сама жизнь. Ты самое большое богатство на свете”. Другой француз, Р. Дюбуа, сказал о ней “Жизнь - это одушевленная вода”. Академик Вернадский В.И. же сказал "Жизнь - это особое царство природных вод"

Я не зря начал лекцию с этих поэтических строк. Данным богатством мы наделены щедро. Но как использовать это богатство и как его защищать, как рационально использовать так и не научились. Вроде бы зачем? Ведь “Вода, вода. Кругом вода” Но какая? Земной шар содержит около 16 млрд. км3 воды, что составляет 0,25% массы планеты. Но 13 млрд. км3 рассредоточено и надежно законсервировано в глубинных слоях, составляющих мантию. Большая часть воды входит в состав горных пород и минералов, слагающих земную кору. 1,45 млрд. составляют гидросферу Земли. Из них 1,370 млрд. км3 мировой океан, 60 млн. км3 подземные минерализованные воды, 24 млн. км3 ледники. Пресные же воды составляют только 28,5 млн км3 из них 24 млн. км3 это ледники недоступные для человека. Озера и водохранилища зааккумулировали только 155 тыс км3, в речных же водах содержится только 1,2 тыс. км3 воды. Если сюда добавить, что Евразия вообще-то обделена водными источниками (здесь на душу населения приходится 6 тыс м3/год), то ясно, что воду нужно беречь и защищать. Правда, в России на душу населения приходится более 20 тыс. м3 /год воды. Но где она сосредоточена? В Байкале, да в Сибирских реках. Для сведения озеро Байкал вмещает 23 тыс. км3 воды.

Ну а теперь от статистики перейдем к делу. Во-первых, что такое вода? Вода химическое соединение кислорода и водорода, существующее в жидком и газообразном состоянии. Водные ресурсы запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы. Водный объект сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа либо в недрах, имеющие границы, объем и черты водного режима. Водный режим изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах.

Водные ресурсы нашей планеты образуют оболочку, называемую гидросферой. Все воды разделяются на природные и сточные.

Природные воды формируются под действием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия и подразделяются на атмосферные, поверхностные и подземные.

Атмосферные осадки в виде дождей или растаявшего снега стекают по дневной поверхности суши, называемой водосбором, образуя поверхностные воды, а часть их инфильтрует в грунт и переходит в подземные воды.

Поверхностные воды представляют собой скопление воды на земной поверхности в виде водотоков, водоемов, морей и ледников

Водотоки - реки, каналы, ручьи. Водоемы - озера, водохранилища, пруды.

Моря - окраинные, внутренние, территориальные. Ледники – материковые, горные.

Различают 3 основных типа подземных вод: верховодка, грунтовые, артезианские.

Верховодка располагается в самой верхней части земной коры на небольших глубинах.

Грунтовые воды залегают на относительно небольших глубинах на первом от земной поверхности водоупорном слое, состоящем из водонепроницаемых пород

Артезианские воды залегают на большой глубине в водоносных горизонтах, перекрытых сверху и снизу водоупорными слоями.

Скопление подземных вод представляют собой подземные водные объекты, которые разделяются на водоносные горизонты, месторождения и бассейны.

Вода используется в быту, промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и в других видах деятельности человека. От вида целевого назначения воды ее применение подразделяется на водопользование и водопотребление.

При водопользовании вода, оставаясь в водоемах и водотоках, является средой или механическим источником энергии. Основные водопользователи являются: водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, гидроэнергетика

Водопотребление связано с забором воды из водоемов и водотоков. Круг водопотребителей очень широк - это промышленность, сельское хозяйство, коммунально-бытовые организации, предприятия общественных производств, железнодорожный транспорт и т.д. Водопотребление от водопользования отличается не только безвозвратным изъятием части воды, но и загрязнением природных вод возвратными стоками.

Подсчитано, что если город потребляет в день 600 тыс. м3, то он дает около 500 тыс. м3 сточных вод. Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека. Водоотведение - технологический процесс, обеспечивающий прием сточных вод с последующей подачей их на очистные сооружения канализации. Сточные воды, как правило, несут на себе загрязнения и засорение.

Загрязнение поверхностных и подземных вод это вызванные хозяйственной деятельностью изменения физических, химических и биологических свойств воды по сравнению с нормами качества воды в естественном состоянии