6.3 Мероприятия по защите атмосферы от загрязнения

Все источники загрязнения атмосферы подразделяют на естественные и антропогенные.

Естественное загрязнение атмосферы происходит в результате извержений вулканов, ветровой эрозии и пыльных бурь, попадания в нее космической пыли. Главную роль при этом играет вулканическая активность Земли. Крупные извержения вулканов приводят к единовременному выбросу в атмосферу огромного количества газов и пепла. Воздушные потоки разносят их на очень большие расстояния. При этом влияние их сказывается иногда на протяжении нескольких лет.

В качестве примера такого рода можно привести извержение вулкана Кракатау (вблизи о. Ява) в 1883 г., которое считают самым сильным за всю историю человечества. Согласно сообщениям, взрыв этого вулкана был слышен в Индийском океане на расстоянии 4800 км. На высоту почти 20 км было выброшено 75 млн м³ мельчайших твердых частиц вулканического пепла. Неудивительно, что в течение нескольких следующих месяцев этот пепел опоясал весь земной шар, главным образом в средних широтах.

В результате антропогенного загрязнения на каждого человека в год приходится по 240 кг вредных веществ, а 73 % населения РФ живет в городах, где концентрация вредных веществ в несколько раз превышает ПДК.

Например, тепловая электростанция мощностью 2400 Мвт, работающая на угле средней зольности, выбрасывает в атмосферу около 9 млн. м³/час дымовых газов, содержащих 180 т золы. Особенно загрязнены отходящие газы металлургических предприятий, цементных заводов, тепловых электростанций, химических и нефтехимических заводов.

Источники антропогенного загрязнения атмосферы представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Источники антропогенного загрязнения

Источник антропогенного загрязнения по РФ	Вклад, %	Вредное вещество
Теплоэнергетика	30,7	Зола, оксиды серы и азота
Автотранспорт	22.2	Угарный газ, углеводороды, сажа, альдегиды, оксиды азота, бензапирен
Черная металлургия	15,7	Аэрозоли, оксиды углерода, серы, азота
Промышленность стройматериалов	13,3	Аэрозоли цемента
Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность	10.1	Углеводороды, сероводород, сернистый газ, бензапирен (НПЗ)
Цветная металлургия	7,4	Сернистый газ, СО, фтористый водород

Таким образом, основные загрязнители атмосферы это:

• аэрозоли - вызывают заболевания дыхательных путей,

• сажа, асбест - обладают канцерогенным действием,

• оксид углерода (II)- кровяной яд,

• оксиды серы и азота - раздражают дыхательные пути,

• бенз(а)пирен - обладает канцерогенным действием на человека.

Мероприятия по защите атмосферы от загрязнения зависят от физико-химических свойств загрязнителя, его агрегатного состояния, дисперсности, химического состава и концентрации.

6.3.1 Пылеулавливание

 Отходящие промышленные газы содержат примеси в виде твёрдых частиц, капелек жидкости, а также вредные газообразные продукты.

По агрегатному состоянию загрязнители атмосферы делятся на две группы:

1. взвешенные (аэрозоли)

2. газообразные и парообразные.

Аэрозоли - взвеси в воздухе мелких частиц, подразделяются на пыль, дым и туман (таблица 2).

Таблица 2 – Классификация аэрозолей

Азрозоль	Размер частиц, мкм	Агрегат состояние	Происхождение
Пыль	10-100	твердое	Механическое измельчение
Дым	0,1-5	твердое	Горение топлив
Туман	Больше 10	жидкое	Туманы кислот

Пылеулавливание - очистка газов от взвешенных в них мелкодисперсных твердых частиц пыли или дыма. 

В промышленности применяют механический, электрический и физико-химический способы очистки газов. Механическую и электрическую очистку используют для улавливания из газов твёрдых и жидких примесей, а газообразные примеси улавливают физико-химическими способами.

Механическую очистку газов производят осаждением частиц примесей под действием силы тяжести или центробежной силы, фильтрацией сквозь волокнистые и пористые материалы, промывкой газа водой или др. жидкостью. Наиболее простым, но малоэффективным и редко применяемым является способ осаждения крупной пыли под действием силы тяжести в так называемых пылеосадительных камерах.

В промышленности пылеосадительные камеры используются для предварительной обработки газов. Их применяют на первых уровнях систем газоочистки, для улавливания крупных фракций пыли (более 100 мкм) и снижения  нагрузки на аппараты последующих ступеней. Ограждающие конструкции пылеосадительных камер выполняются стальными, кирпичными или железобетонными, в зависимости от требуемых размеров, они так же могут быть полыми или иметь рассекатели (перегородки), для достижения инерционного эффекта, как в жалюзийных пылеуловителях.

Эффективность пылеосадительных камер во многом зависит от времени, которое частицы находятся внутри камеры, и от скорости пылевого потока. Скорость движения газов в пылеосадительных камерах составляет в среднем 0,2 - 1 м/с; в пылевых мешках – 1-1,5 м/с. Стандартные конструкции пылеосадительных камер и пылевых мешков инерционного типа представлены на рисунке 6.1 (а-г).

Рисунок 6.1 - Конструкции пылеосадительных камер и пылевых мешков инерционного типа

Основным минусами пылеосадительных камер являются их громоздкость (требуются большие производственные площади) и низкая эффективность очистки, хотя данные аппараты и отличаются низкими показателями гидравлического сопротивления.

Инерционный способ осаждения частиц пыли (или капель жидкости) основан на изменении направления движения газа со взвешенными в нём частицами. Т. к. плотность частиц примерно в 1—3 тыс. раз больше плотности газа, они, продолжая двигаться по инерции в прежнем направлении, отделяются от газа. Инерционными уловителями пыли служат т. н. пылевые мешки, жалюзийные решётки, зигзагообразные отделители и т.п. рисунок 6.1 (д-ж) В некоторых аппаратах используется и сила удара частиц. Всеми такими аппаратами пользуются для улавливания сравнительно крупных частиц; высокой степени очистки газов эти методы не дают.

Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами газоочистки, широко применяемыми для улавливания из газов твердых частиц.

Циклоны находят применение в самых различных отраслях промышленности: в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, энергетике.

При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны в зависимости от характеристик улавливаемой пыли, типа и режима работы циклона обеспечивают эффективность очистки газов 80-95%.

Циклоны могут использоваться как для предварительной очистки газов и устанавливаться перед тканевыми фильтрами или электрофильтрами, так и самостоятельно.

Основными элементами циклонов являются входной патрубок, корпус, состоящий из конической и цилиндрической частей, выхлопной патрубок и бункер (рисунок 6.2). Газ в основных типах циклонов поступает в верхнюю часть корпуса через приваренный к корпусу входной патрубок. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопным патрубком. Уловленная пыль попадает в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопной патрубок в атмосферу или поступает на доочистку.

Рис 6.2 - Схема течения газовых потоков в циклоне. 1, 4 - входной и отводящий патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой бункер.

Так как центробежная сила во много раз превосходит силу тяжести, в циклонах осаждается и сравнительно мелкая пыль, с размером частиц примерно 10—20 мкм.

Тканевые и бумажные фильтры, а также фильтры в виде слоя коксовой мелочи, гравия или каких-либо пористых материалов (например, пористой керамики) применяют для очистки газов посредством фильтрации. Наиболее распространёнными газоочистителями такого типа являются тканевые мешочные, или рукавные, фильтры. В зависимости от характера пыли и состава газа мешки изготовляют из шерстяной, хлопчато-бумажной или специальной (например, стеклянной) ткани. Газ проходит сквозь ткань, а частицы пыли задерживаются в мешках (рукавах). Рукавные фильтры служат главным образом для улавливания весьма тонкой пыли; например, при очистке газов, отходящих от ленточных агломерационных машин или от шахтных печей, в рукавных фильтрах улавливается 98—99% всей пыли.

Принцип работы рукавного фильтра следующий (рисунок 6.3): Воздух поступает в фильтр (рисунок слева) по воздуховоду через патрубок (1) в камеру запыленного воздуха (2), проходит через очистные рукава (3), при этом частицы пыли задерживаются на их наружной поверхности, а очищенный воздух поступает в камеру (4) и отводится из фильтра. По мере увеличения толщины слоя пыли на поверхности рукавов возрастает сопротивление движению воздуха и пропускная способность фильтра снижается. Для очистки предусмотрены различные типы систем регенерации запыленных рукавов, наиболее эффективной из которых является система импульсной продувки. К камере запыленного воздуха подключен ресивер сжатого воздуха (5) с электромагнитными клапанами (6). Воздух из ресивера через клапаны поступает в продувочные трубы (7). Регенерация осуществляется кратковременными импульсами сжатого воздуха, поступающего внутрь рукавов сверху через отверстия в продувочных коллекторах. Пыль, отряхиваемая с рукавов, осыпается в бункер и через питатель (8) удаляется из фильтра.

Рис 6.3 – Рукавный фильтр

 Очистку газов от пыли промывкой водой применяют в аппаратах различного типа. Наиболее широкое распространение получили Скрубберы, мокрые циклоны, скоростные пылеуловители и пенные пылеуловители. В скоростных (турбулентных) пылеуловителях вода, вводимая в поток запылённого газа, движущегося с высокой скоростью, дробится на мелкие капли. Высокая степень турбулизации газового потока при такой скорости способствует слиянию частиц пыли с каплями воды. Относительно крупные капли воды вместе с частицами пыли легко отделяются затем в простейших уловителях (например, в мокрых циклонах). Аппараты этого типа широко применяются для улавливания очень мелкой пыли (возгонов) и могут обеспечить высокую степень очистки газов. В пенных пылеуловителях запылённый газ в виде мелких пузырьков проходит через слой жидкости с определённой скоростью, вследствие чего образуется пена с высокоразвитой поверхностью контакта между жидкостью и газом. В пенном слое происходит смачивание и улавливание частиц пыли. Благодаря высокой степени улавливания пыли с размерами частиц более 2—3 мкм и малому гидравлическому сопротивлению (порядка 80—100 мм вод. ст.) пенные пылеуловители получили большое распространение.

Электрическая очистка газов основана на воздействии сил неоднородного электрического поля высокого напряжения (до 80 000 в). Аппараты для очистки газов этим методом называются электрическими фильтрами или электрофильтрами. При пропускании через такие фильтры загрязнённого газа происходит его ионизация, заряженные частицы увлекаются к осадительному электроду и осаждаются на нём. Применение электрических фильтров чрезвычайно распространено, особенно для тонкой очистки дымовых газов тепловых электростанций, в цементной промышленности, чёрной и цветной металлургии.

Общий вид электрофильтра приведен на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4.- Конструкция электрофильтра 1-коронирующие электроды; 2-пластинчатые  осадительные электроды;  a – входной газоход;  б –выходной газоход;  в- камера.

Периодическая очистка осуществляется встряхиванием электродов. Электрофильтры различают сухие и мокрые, с трубчатыми и пластинчатыми электродами. Степень очистки промышленных электрофильтров составляет 85-99%.