Методи запобігання забрудненню атмосфери

Запобігання забрудненню атмосфери та очищення повітря вирішує проблему усунення першопричин небажаного явища - виникнення чинників забруднення атмосфери, тобто викиди їх в атмосферу. Процеси очищення ґрунтуються на тому, що атмосферне повітря забруднюється твердими (пил, сажа), рідкими (крапельними) та газоподібними домішками.

У газоподібних промислових викидах шкідливі домішки можна поділити на дві групи:

а) зважені частки (аерозолі) твердих речовин - пил, дим; рідина - туман;

б) газоподібні й пароподібні речовини.

Відповідно до характеру шкідливих домішок розрізняють методи очищення газів від аерозолів, від газоподібних і пароподібних домішок. Усі способи очищення газів визначаються, в першу чергу, фізико-хімічними властивостями домішок, їх агрегатним станом, дисперсністю, хімічним складом і т.ін. Розмаїтість шкідливих домішок у промислових газових викидах призводить до значної розмаїтості методів очищення, застосовуваних реакторів і хімічних реагентів.

Очищення газів від аерозолів. Методи очищення за їх основним принципом можна поділити намеханічне очищення, електростатичне очищення й очищення за допомогою звукової й ультразвукової коагуляції.

Механічне очищеннягазів включає сухі й мокрі методи. До сухих методів належать: гравітаційне осадження; інерційне й відцентрове пиловловлення; фільтрація.

У більшості промислових газоочисних установок комбінується кілька прийомів очищення від аерозолів, причому, конструкції очисних апаратів досить численні.

Порівняння ефективності способів та обладнання очищення повітря від викидів забруднювальних речовин можна провести за допомогою даних, що наведені у табл. 3.5.

Таблиця 3.5

Ефективність очищення викидів забруднювальних речовин пило-, газоочисними установками

Джерела викидів, пило-, газоочисні установки (апарати)	Ефективність очистки, %
	твердих і рідких речовин	газоподібних речовин
Ваграночні гази:
сухі іскрогасники	15-30
мокрі іскрогасники	50-80
сухі циклони	75-80
напівскрубер, рукавні фільтри	95-97
випалювачі вуглекислого газу		95-97
Гази, що відходять від електропечей:
Насадкові скрубери	68-72
Тканинні фільтри	95-97
Електрофільтри	92-94
Гази, що відходять від котелень		85-94
Електрофільтри	85-95
Відцентровані скрубери (ВТИ)	87-94
Групові циклони (ЦН-15)	70-90
Аспірацій не повітря механічної обробки металів
а) апарати сухого очищення:
Циклони (ЦН-11, ЦН-15)	80-87
Пилоосадні камери	45-55
Конусні циклони «СИОТ»	60-70
Циклони зі зворотним конусом	60-70
Групові циклони	85-90
Рукавні фільтри	95-98
Сітчасті фільтри ЗШІ-900 для волоконного пилу	99
б) апарати мокрого очищення:
Циклони з водяною плівкою (ЦВП)	60-90
Пінні апарати	75-90
Мокрі пиловловлювачі з внутрішньою циркуляцією	90-95
Циклонно-пінні апарати	85-95
Вентиляційні викиди від фарбувальних камер:
Форсункові гідрофільтри	86-92	30-50
Каскадні гідрофільтри	90-92	20-30
Барботажновихрові гідрофільтри	90-97	40-50
Установка каталітичного спалювання газів розчинника		95-98
Спалювання газів у високій температурі котлів		97-99
Вентиляційні викиди гальваніки: а) очищення від аерозолю хрому:
Насадкові скрубери з горизонтальним ходом газу	90-95
Волокнисті тумановловлювачі	96-99
Пінні апарати (ПГН)	до 87
б) очищення від парків кислот і лугів:
Пінні апарати		80-85
Форсункові насадкові скрубери		50-60
Установки для очищення від оксидів азоту:

Гравітаційне осадженняосноване на осадженні зважених часток під дією сили ваги за руху запиленого газу з малою швидкістю без зміни напрямку потоку. Процес проводять у відстійних газоходах і пилоосаджувальних камерах. Для зменшення висоти осадження часток в осаджувальних камерах установлено на відстані 40-100 мм безліч горизонтальних полиць, що розбивають газовий потік на плоскі струмені. Продуктивність осаджувальних камер П =Sω₀, деS– площа горизонтального перетину камери, або загальна площа полиць, м²;ω₀- швидкість осадження часток, м/с. Гравітаційне осадження дієве лише для великих часток діаметром понад 50-100 мкм, причому ступінь очищення становить не вище, ніж 40-50%. Метод придатний лише для попереднього, грубого очищення газів.

Інерційне осадження основане на властивості зважених часток зберігати первісний напрямок руху в разі зміні напрямку газового потоку. Серед інерційних апаратів найчастіше застосовують жалюзійні пиловловлювачі з більшим числом щілин (жалюзі). Гази знепилюються, виходячи через щілини й міняючи при цьому напрямок руху, швидкість газу на вході в апарат становить 10-15 м/с. Гідравлічний опір апарата 100-400 Па (10-40 мм вод. ст.). Частки пилу з діаметром d < 20 мкм у жалюзійних апаратах не вловлюються. Ступінь очищення залежно від дисперсності часток становить 20-70%. Інерційний метод можна застосовувати лише для грубого очищення газу. Крім малої ефективності, недолік цього методу - швидке стирання або забивання (засмічення) щілин.

Відцентрові методи очищення газів основані на дії відцентрової сили, що виникає при обертанні газового потоку в очисному апараті або при обертанні частин самого апарата. Як відцентрові апарати для пилоочищення застосовують циклони різних типів: батарейні циклони, що обертають пиловловлювачі (ротоклони), й т.ін. Циклони найбільш часто застосовують у промисловості для осадження твердих аерозолів. Газовий потік подається в циліндричну частину циклона тан­генціально, він описує спіраль у напрямку до дна конічної частини й потім спрямовується нагору через турбулізоване ядро потоку в осі циклона на вихід. Циклони характеризуються високою продуктивністю щодо газу, простотою будови, надійністю в роботі. Ступінь очищення від пилу залежить від розмірів часток. Для циклонів високої продуктивності, зокрема батарейних циклонів (продуктивністю більш як 2000 м³/г), ступінь очищення становить близько 90% за діаметра часок d > 30 мкм. Для часток зd= 5-30 мкм ступінь очищення знижується до 80%, аd= 2-5 мкм він становить менш, ніж 40%.

Гідравлічний опір високопродуктивних циклонів становить близько 1080 Па. Циклони широко застосовують для грубого й середнього очищення газу від аерозолів. Іншим типом відцентрового пиловловлювача є ротоклон, що складається з ротора й вентилятора, поміщеного в осаджувальний кожух. Лопаті вентилятора, обертаючись, спрямовуюють пил у канал, що веде в приймач пилу.

Фільтрація заснована на проходженні очищуваного газу, через різні фільтрувальні тканини (бавовна, вовна, хімічні волокна, скловолокно й т.ін.) або інші фільтрувальні матеріали (кераміка, металокераміка, пористі перегородки із пластмаси й т.ін.). Найчастіше для фільтрації застосовують спеціально виготовлені волокнисті матеріали -скловолокно, вовна або бавовна з азбестом, асбоцелюлозою. Залежно від фільтрувального матеріалу, розрізняють тканеві фільтри (у тому числі рукавні), волокнисті, із зернистих матеріалів (кераміка, металокераміка, пористі пластмаси). Тканинні фільтри, найчастіше рукавні, застосовують за температури газу, що очищується, не вище за 60-65 °С. Залежно від гранулометричного складу пилу і початкової запиленості, ступінь очищення становить 85-99%. Гідравлічний опір фільтра (Р близько 1000 Па; витрата енергії ~ 1 квт*год на 1000 м³ очищуваного газу. Для безперервного очищення тканини продувають повітряними струменями, які створюються різними пристроями - соплами, розташованими проти кожного рукава, що рухаються зовнішніми продувними кільцями, й т.ін. Зараз застосовують автоматичне керування рукавними фільтрами із продувкою їх імпульсами стисненого повітря.

Волокнисті фільтри, що мають пори, рівномірно розподілені між тонкими волокнами, працюють із високою ефективністю; ступінь очищення 99,5-99,9% за швидкості фільтрованого газу 0,15-1,0 м/с (Р=500-1000 Па).

На фільтрах із скловолокнистих матеріалів можливе очищення агресивних газів за температури до 275 °С. Для тонкого очищення газів у разі підвищених температур застосовують фільтри з кераміки, тонковолокнистої вати, з нержавіючої сталі, що мають високу міцність та стійкість до змінних навантажень; однак їх гідравлічний опір великий - 1000 Па.

Фільтрація- досить розповсюджений прийом тонкого очищення газів. Й переваги - порівняльно низька вартість устаткування (за винятком металокерамічних фільтрів) і висока ефективність тонкого очищення. Недоліки фільтрації-високий гідравлічний опір і швидке забивання (засмічення) фільтрувального матеріалу пилом.

Мокре очищеннягазів від аерозолів основане на промиванні газу рідиною (звичайною водою) за можливо більш розвиненої поверхні контакту рідини із частками аерозолю й можливо більш інтенсивному перемішуванні очищуваного газу з рідиною. Цей універсальний метод очищення газів від часток пилу, диму й тумана будь-яких розмірів є найпоширенішим прийомом заключної стадії механічного очищення, особливо для газів, що підлягають охолодженню. В апаратах мокрого очищення застосовують різні прийоми розвитку поверхні зіткнення рідини й газу.

Вежі з насадкою (насадкові скрубери) відрізняються простотою конструкції й експлуатації, стійкістю в роботі, малим гідравлічним опором (Р=300-800 Па) і порівняно малою витратою енергії. У насадковому скрубері можливе очищення газів з початкової запиленості до 5-6 г/м³. Ефективність одного щабля очищення для пилу зd> 5 мкм не перевищує 70-80%. Насадка швидко забивається пилом, особливо за високої початкової запиленості.

Зрошувані циклони (відцентрові скрубери) застосовують для очищення більших обсягів газу. Вони мають порівняно невеликий гідравлічний опір - 400-850 Па. Для часток розміром 2-5 мкм ступінь очищення становить ~50%. Відцентрові скрубери високопродуктивні завдяки великій швидкості газу; у вхідному патрубку швидкість дорівнює 18÷20 м/с, а в перетині скрубера 4-5 м/с.

Пінні апарати застосовують для очищення газу від аерозолів полідисперсного складу. Інтенсивний пінний режим створюється на полках апарата за лінійної швидкості газу в його повному перетині 1-4 м/с. Пінні газоочисники мають високу продуктивність щодо газу й порівняно невеликий гідравлічний опір (Р однієї полки дорівнює близько 600 Па). Для часток з діаметром d> 5 мкм ефективність їх вловлювання на одну полку апарата 90-99%; заd< 5 мкм вона становить 75-90%. Для підвищення ефективності установлюють двох- і трехполичні апарати.

Скрубери Вентури (рис 3.6)- високоінтенсивні газоочисні апарати, що працюють з великою витратою енергії. Швидкість газу у звуженні труби (горловині скрубера) становить 100-200 м/с, а в деяких установках – до 1200 м/с. За такої швидкості очищуваний газ розбиває на дрібні краплі завісу рідини, що впорскується по периметру труби. Це призводить до інтенсивного зіткнення часток аерозолю із краплями й уловлювання часток під дією сил інерції. Скрубер Вентури – універсальний малогабаритний апарат, що забезпечує вловлювання туману на 99-100%, часток пилу зd= 0,01-0,35 мкм - на 50-85% і часток пилу з d = 0,5-2 мкм - на 97%. Для аерозолів зd= 0,3-10 мкм ефективність уловлювання визначається переважно силами інерції й може бути оцінена за формулою

, де

К - константа;

L- обсяг рідини, що подається в газ, дм³/м³;

φ - інерційний параметр, віднесений до швидкості газу в горловині (є однозначною функцією перепаду тиску в скрубері).

Головний дефект скрубера Вентури - значна витрата енергії для подолання високого гідравлічного опору, що, залежно від швидкості газу в горловині, може становити 0,002-0,013 МПа. Крім того, апарат не відрізняється надійністю в експлуатації, керування ним складне.

Рідина

Рис 3.14. Реактор повного змішування - скрубер Вентури:

1 - сопло; 2 - горловина; 3 - камера змішування;

4 - розділова камера

Основний недолік усіх методів мокрого очищення газів від аерозолів – це утворення більших обсягів рідких відходів (шламу). Таким чином, якщо не передбачені замкнута система водообороту й утилізація всіх компонентів шламу, то мокрі способи газоочищення, власне, тільки переносять забруднювачі з газових викидів у стічні води, тобто з атмосфери у водойми.

Електростатичне очищення газів служить універсальним способом, придатним для будь-яких аерозолів, включаючи тумани кислот, і за будь-яких розмірів часток. Метод оснований на іонізації й заряджанні часток аерозолю під час проходження газу крізь електричне поле високої напруги, створюване коронувальними електродами. Осадження часток відбувається на заземлених осаджувальних електродах. Промислові електрофільтри складаються з ряду заземлених пластин або труб, через які пропускається очищуваний газ. Між осаджувальними електродами підвішені дротові коронувальні електроди, до яких підведена напруга 25-100 кв.

При очищенні від пилу сухих газів електрофільтри можуть працювати в широкому діапазоні температур (від 20 до 500 °С) і тисків. Їх гідравлічний опір невеликий - 100-150 Па. Ступінь очищення від аерозолів - вищий за 90, досягає 99,9% на багатопилових електрофільтрах за d>lмкм. Недолік цього методу - значні витрати на спорудження очисних установок і значна витрата енергії на створення електричного поля. Витрата електроенергії на електростатичне очищення - 0,1-0,5 квт на 1000 м³очищуваного газу.

Звукова й ультразвукова коагуляція, а також попередня електризація поки що застосовуються в промисловості й перебувають переважно в стадії розробки. Вони основані на укрупненні аерозольних часток, що полегшує їх вловлювання традиційними методами. Апаратура звукової коагуляції складається з генератора звуку, коагуляційної камери й осаджувача. Звуковим й ультразвуковим методам для агрегування дрібнодисперсних аерозольних часток (тумана сірчаної кислоти, сажі) віддають перевагу іншим методам. Початкова концентрація часток аерозолю для звукової коагуляції повинна бути не менша ніж 2 г/м³(для частокd= 1-10 мкм).

Коагуляцію аерозолів методом попередньої електризаціїроблять, наприклад, пропущенням газу через електризаційну камеру з коронуючими електродами, де відбувається заряджання й коагуляція часток, а потім - крізь мокрий газоочисник, у якому газорідинний шар є осаджувальним електродом(рис. 3.7).Осаджувальним електродом може бути пінний шар у пінних апаратах, шар газорідинної емульсії в насадкових скруберах та інших мокрих газопромивачах, у яких грати або інші відповідні деталі повинні бути заземлені.

Рис. 3.7. Схема мокрого пиловловлення з попередньою електризацією:

1 - камера електризації; 2 - коронувальний електрод;

З - пінний апарат; 4 - газорідинний (пінний) шар;

5 - заземлені ґрати; І - очищуваний газ; II- вода;

III- очищений газ;IV- злив шламу

Очищення газів від пароподібних і газоподібних домішок. Гази в промисловості звичайно забруднені шкідливими домішками, тому очищення широко застосовується на заводах і підприємствах для технологічних і санітарних (екологічних) цілей. Промислові способи очищення газових викидів від газо- і пароподібних токсичних домішок можна поділити на три основні групи:абсорбція рідинами; адсорбція твердими поглиначами; каталітичне очищення.

У менших масштабах застосовуються термічні методи спалювання (або допалювання) горючих забруднень, спосіб хімічної взаємодії домішок із сухими поглиначами й окислювання домішок озоном.

Абсорбція рідинамизастосовується в промисловості для витягування з газів діоксиду сірки, сірководню й інших сірчистих з'єднань, оксидів азоту, парів кислот (НС1,HF,H₂S0₄), діоксиду й оксиду вуглецю, різноманітних органічних сполук (фенол, формальдегід, летючі розчинники й ін.).

Абсорбційніметоди застосовують для технологічного й санітарного очищення газів. Вони основані на вибірковій розчинності газо- і пароподібних домішок у рідині (фізична абсорбція) або на вибірковому витягуванні домішок хімічними реакціями з активним компонентом поглинача (хемосорбція). Абсорбційне очищення – безперервний і, здебільшого циклічний процес, тому що поглинання домішок звичайно супроводжується регенерацією поглинального розчину і його поверненням до початку циклу очищення. При фізичній абсорбції (і в деяких хемосорбційних процесах) регенерацію абсорбенту проводять нагріванням і зниженням тиску, в результаті чого відбувається десорбція поглиненої газової домішки і її концентрирування(рис. 3.8).

Показники абсорбційного очищення: ступінь очищення (КПД) і коефіцієнт масопередачі kзалежать від розчинності газу в абсорбенті, технологічного режиму в реакторі (w,T, р) і від інших чинників, наприклад від рівноваги й швидкості хімічних реакцій при хемосорбції. У хемосорбційних процесах, де в рідкій фазі відбуваються хімічні реакції, коефіцієнт масопередачі збільшується порівнянно з фізичною абсорбцією. Більшість хемосорбційних процесів газоочищення оборотні, тобто в разі підвищення температури поглинального розчину хімічні сполуки, що утворилися при хемосорбції, розкладаються з регенерацією активних компонентів поглинального розчину й з десорбцією поглиненої з газу домішки. Цей прийом покладений до основи регенерації хемосорбентів у циклічних системах газоочистки. Хемосорбція особливо застосовна для тонкого очищення газів при порівняно невеликій початковій концентрації домішок.

Рис. 3.8. Схема установки для абсорбційно-десорбційного

методу поділу газів:1 - абсорбер; 2 - десорбер;

3 - теплообмінник; 4 – холодильник

Абсорбенти, застосовувані в промисловості, оцінюються за такими показниками: 1) абсорбційна ємність, тобто розчинність витягувального компонента у поглиначі залежно від температури й тиску; 2) селективність, яка характеризується співвідношенням розтворюваностей поділюваних газів і швидкостей їх абсорбції; 3) мінімальний тиск пари, щоб уникнути забруднення очищуваного газу парами абсорбенту; 4) дешевизна; 5) відсутність корозійної дії на апаратуру. Як абсорбенти застосовуються вода, розчини аміаку, їдких і карбонатних лугів, солей марганцю, етаноламіни, масла, суспензії гідроксиду увльцію, оксидів марганцю й магнію, сульфат магнію й т.ін.

Очисна апаратура аналогічна до розглянутих апаратур мокрого вловлювання аерозолів. Найпоширенішим є насадковий скрубер, застосовуваний для очищення газів від діоксиду сірки, сірководню, хлороводню, хлору, оксиду й діоксиду вуглецю, фенолів і т.ін. У насадкових скруберах швидкість масообмінних процесів мала через малу інтенсивність гідродинамічних режимів цих реакторів, що працюють за швидкості газу 0,2-0,7 м/с. Розміри апаратів тому великі й установки громіздкі.

Для очищення викидів від газоподібних і пароподібних домішок застосовують і інтенсивну масообмінну апаратуру - пінні апарати, безнасадковий форсунковий абсорбер, скрубер Вентури, що працюють за більш високих швидкостей газу. Пінні абсорбери працюють за швидкості 14 м/с і забезпечують порівняно високу швидкість абсорбційно-десорбційних процесів; їх габарити в кілька разів менші, ніж у насадкових скруберів. За достатнього числа щаблів очищення (багатополичний пінний апарат) досягаються високі показники глибини очищення: для деяких процесів до 99,9%. Особливо перспективні для очищення газів від аерозолів і шкідливих газоподібних домішок пінні апарати зі стабілізатором пінного шару. Вони порівняно прості за конструкцією й працюю у режимі високої турбулентності за лінійної швидкості газу до 4÷5 м/с.

Прикладом безвідходної абсюрбційно-десорбційної циклічної схеми може бути поглинання діоксиду вуглецю з газів, що відходять, розчинами моноетаноламіну з наступною регенерацією поглинача при десорбції CO. На рис.3.9 наведена схема абсорбції СО₂у пінних абсорберах; десорбція СО₂проводиться також при пінному режимі. Установка безвідходна, тому що чистий діоксид вуглецю після скраплення передається споживачеві у вигляді товарного продукту.

Рис. 3.9. Схема абсорбційного очищення газів від С0₂ з одержанный

товарного діоксиду вуглецю:1 - холодильник; 2 - повітродувка,

З - пінний абсорбер; 4 - насос; 5 – теплообмінник;

6 - пінний десорбер; 7 - кип'ятильник десорбера;

І - газ на очищення; II- вода;III- очищений газ;

IV- діоксид вуглецю;V– пара

Абсорбційні методи характеризуються безперервністю й універсальністю процесу, економічністю й можливістю витягування більших кількостей домішок з газів. Недоліком цього методу є те, що насадкові скрубери, барботажні й навіть пінні апарати забезпечують досить високий ступінь витягу шкідливих домішок (до ГДК) і повну регенерацію поглиначів тільки за великої кількості ступенів очищення. Тому технологічні схеми мокрого очищення, зазвичай складні, багатоступінчасті, а очисні реактори (особливо скрубери) мають великі розміри.

Любий процес мокрого абсорбційного очищення вихлопних газів від газо- і пароподібних домішок доцільний тільки у випадку його циклічності і безвідходності. Але й циклічні системи мокрого очищення конкурентоспроможні тільки тоді, коли вони сполучені з пилоочищенням і охолодженням газу.

Адсорбційні методи застосовують для різних технологічних цілей - поділ парогазових сумішей на компоненти з виділенням фракцій, осушування газів і для санітарного очищення газових вихлопів. Останнім часом адсорбційні методи виходять на перший план як надійний засіб захисту атмосфери від токсичних газоподібних речовин, що забезпечує можливість концентрування й утилізація цих речовин.

Адсорбційні методи засновані на вибірковому витягуванні з парогазової суміші певних компонентів за допомогою адсорбенті-твердих високопористих матеріалів, що мають велику питому поверхню S_yд(S_yд- відношення поверхні до маси, м²/г). Промислові адсорбенти, що найчастіше застосовуються в газоочищенні, - це активоване вугілля, силікагель, алюмогель, природні й синтетичні цеоліти (молекулярні сита). Основні вимоги до промислових сорбентів - висока поглинальна здатність, вибірковість дії (селективність), термічна стійкість, тривала служба без зміни структури й властивостей поверхні, можливість легкої регенерації. Найчастіше для санітарного очищення газів застосовують активне вугілля завдяки його високій поглииальній здатності й легкості регенерації.

Адсорбція газових домішок звичайно ведуть у поличних реакторах періодичної дії без теплообмінних пристроїв; адсорбент розташовують на полицях реактора. Коли потрібен теплообмін (наприклад, необхідно одержати при регенерації десорбат у концентрованому вигляді), використовують адсорбери з вбудованими теплообмінними елементами або будують реактор у вигляді трубчастих теплообмінників; адсорбент засипають у трубки, а в міжтрубному просторі циркулює теплоносій.

Газ, що очищається, проходить адсорбер зі швидкістю 0,05-0,3 м/с. Після очищення адсорбер перемикається на регенерацію. Адсорбційна установка, що складається з декількох реакторів, працює в цілому безупинно, тому що одночасно одні реактори перебувають у стадії очищення, а інші - на стадіях регенерації, охолодження й т.ін. (рис. 3.10). Регенерацію проводять нагріванням, наприклад, випалюванням органічних речовин, пропущенням перегрітої пари, повітря, інертного газу (азоту). Іноді адсорбент, що втратив активність (екранований пилом, смолою), повністю заміняють.

Найперспективнішими є безперервні циклічні процеси адсорбційного очищення газів у реакторах зі зваженим шаром адсорбенту, які характеризуються високими швидкостями газового потоку (на порядок вище, ніж у періодичних реакторах), високою продуктивністю щодо газу й інтенсивністю роботи.

Загальні переваги адсорбційних методів очищення газів:

глибоке очищення газів від токсичних домішок;

порівняна легкість регенерації цих домішок з перетворенням їх у товарний продукт або поверненням у виробництво; у такий спосіб здійснюється принцип безвідходної технології.

Рис. 3.10. Схема адсорбційної газоочисної установки:

1 - фільтр; 2, 3 - адсорбери; 4 - конденсатор; 5 – сепаратор;

І - очищуваний газ; II- очищений газ;III- водяна пара;

IV- неконденсовані пари;V-зконденсованийадсорбтив у сховищы;

VI- водний конденсат

Адсорбційний метод особливо раціональний для видалення токсичних домішок (органічних сполук, парів ртуті й т.ін.), що втримуються в малих концентраціях, тобто як завершальний етап санітарного очищення газів, що відходять.

Недоліки більшості адсорбційних установок - періодичність процесу й пов'язана із цим мала інтенсивність реакторів, висока вартість періодичної регенерації адсорбентів. Застосування безперервних способів очищення шарів адсорбенту частково усуває ці недоліки, але вимагає високоміцних промислових сорбентів, розробка яких для більшості процесів ще не завершена.

Каталітичніметоди очищення газів засновані на реакціях у присутності твердих каталізаторів, тобто на закономірностях гетерогенного каталізу. В результаті каталітичних реакцій домішки, що перебувають у газі, перетворюються на інші з'єднання, тобто, на відміну від розглянутих методів, домішки не витягаються з газу, а трансформуються в нешкідливі з'єднання, присутність яких допустима у вихлопному газі, або в з'єднання, що легко видаляються з газового потоку. Якщо речовини, що утворилися, підлягають видаленню, то потрібні додаткові операції (наприклад, витягування рідкими або твердими сорбентами).

Важко провести границю між адсорбційними й каталітичними методами газоочищення, тому що такі традиційні адсорбенти, як активоване вугілля, цеоліти, є активними каталізаторами для багатьох хімічних реакцій. Очищення газів на адсорбентах-каталізаторах називають адсорбційно-каталітичним. Цей прийом очищення вихлопних газів досить перспективний через високу ефективність очищення від домішок і можливості очищати більші обсяги газів, що містять малі частки домішок (наприклад, 0,1-0,2 в об'ємних частках S0₂). Але методи утилізації з’єднань, отриманих при каталізі, інші, ніж в адсорбційних процесах.

Адсорбційно-каталітичніметоди застосовують для очищення промислових викидів від діоксиду сірки, сірководню й сіркоорганічних з'єднань. Каталізатором окислювання діоксиду сірки в триоксид і сірководню в сірку є модифіковане добавками активоване вугілля й інші вуглецеві сорбенти. У присутності пари води на поверхні вугілля в результаті окислюванняSО₂утворюється сірчана кислота, концентрація якої в адсорбенті становить, залежно від кількості водяної пари при регенерації вугілля, від 15 до 70%.

Схема каталітичного окислювання H₂Sу зваженому шарі високоміцного активного вугілля наведена нарис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема каталітичного очищення газу

від сірководню у зваженому шарі активного вугілля:

1 – циклон-пиловловлювач; 2 - реактор зі зваженим шаром;

3 – бункер з живильником; 4 - сушильна камера;

5 – елеватор; 6 – реактор промивання каталізатора (шнек);

7 – реактор екстракції сірки (шнек-розчинник); І - газ на очищення;

ІІ – повітря з добавкою NH₃;III- розчин (NH₄)₂Snна регенерацію;

ІV– розчин (NH₄)₂S;V- регенероване вугілля;VI- свіже активне

вугілля; VII- очищений газ;VIII- промивні води

Активатори цієї каталітичної реакції - водяна пара й аміак, що додається до очищуваного газу у кількості ~0,2г/м³. Активність каталізатора знижується в міру заповнення його пор сіркою, й коли масаSдосягає 70-80% від маси вугілля, каталізатор регенерують промиванням розчином (NH₄)₂S. Промивний розчин полісульфіду амонію розкладають гострою парою з одержанням рідкої сірки.

Становить великий інтерес очищення димових газів ТЕЦ або інших газів, що містять SО₂(концентрацією 1-2%SО₂), у зваженому шарі високоміцного активного вугілля з одержанням як товарного продукту сірчаної кислоти й сірки.

Іншим прикладом адсорбційно-каталітичного методу може бути очищення газів від сірководню окислюванням на активному вугіллі або на цеолітах у зваженому шарі адсорбенту-каталізатора.

Широко розповсюджений спосіб каталітичного окислюваний токсичних органічних сполук і оксиду вуглецю в складі газів, що відходять, із застосуванням активних каталізаторів, які не вимагають високої температури запалювання, наприклад металів групи платини, нанесених на носії.

У промисловості застосовують також каталітичне відновлення й гідрування токсичних домішок у вихлопних газах. Застосовують відновлення оксидів азоту в елементарний азот на паладієвому або платиновому каталізаторах.

Каталітичні методи знаходять дедалі більше застосування завдяки глибокому очищенню газів від токсичних домішок (до 99,9%) за порівняно невисоких температур і звичайного тиску, а також за досить малих початкових концентрацій домішок. Каталітичні методи дозволяють утилізувати реакційну теплоту, тобто створювати енерготехнологічні системи. Установки каталітичного очищення прості в експлуатації й малогабаритні.

Недолік багатьох процесів каталітичного очищення – утворення нових речовин, які підлягають видаленню з газу іншими методами (абсорбція, адсорбція), що ускладнює установку й знижує загальний економічний ефект.

Термічні методи знешкодження газових викидів застосовані в разі високої концентрації горючих органічних забруднювачів або оксиду вуглецю. Найпростіший метод - смолоскипове спалювання - можливий, коли концентрація горючих забруднювачів близька до нижньої межі запалення. У цьому випадку домішки служать паливом, температура процесу 750-900 °С, а теплоту горіння домішок можна утилізувати.

Коли концентрація горючих домішок менша за нижню межу запалення, то необхідно підводити деяку кількість теплоти ззовні. Найчастіше теплоту підводять добавленням горючого газу і його спалюванням в очищуваному газі. Горючі гази проходять систему утилізації теплоти й викидаються в атмосферу. Такі енерготехнологічні схеми застосовують у разі досить високого вмісту горючих домішок, інакше зростає витрата додаваного горючого газу.

Для повноцінного очищення газових викидів доцільні комбіновані методи, у яких застосовується оптимальне для кожного конкретного випадку сполучення грубого, середнього й тонкого очищення газів і парів. На перших стадіях, коли вміст токсичної домішки великий, більше підходять абсорбційні методи, а для доочищення - адсорбційні або каталітичні.

Методи запобігання забрудненню атмосфери газоподібними домішками за характером перебігу фізико-хімічних процесів поділяють на такі основні групи:

промивання викидів розчинниками домішок (метод абсорбції);

промивання викидів розчинами реагентів, які зв'язують викиди хімічно (метод хемосорбції);

поглинання газоподібних домішок твердими активними речовинами (метод адсорбції);

поглинання домішок способом використання каталітичного перетворення;

термічний метод, суть якого полягає в тому, що домішки в атмосферних потоках нейтралізуються в результаті їх високотемпературного спалювання.

У всіх підприємствах на джерелах викидів шкідливих речовин в атмосферу повинні застосовуватись газоочисні та пилевловлювальні апарати. Крім цього, необхідно проводити такі заходи:

герметизацію обладнання - джерел викиду шкідливих речовин;

поліпшення способів спалювання палива, заміну твердого і рідкого палива в котельнях природним газом;

удосконалення способів газоочищення, систем пилевловлювачів і газоочисних установок;

підвищення кваліфікації персоналу, постійний технічний і санітарний нагляд.

Обов’язковим є проведення інвентаризації джерел забруднення атмосфери та постійного контролю за їх викидами. Можливе прийняття рішення про припинення експлуатації екологічно небезпечних об'єктів до повного усунення виявлених недоліків. Крім цього, на кожний екологічно небезпечний об'єкт підприємств та організацій вводиться екологічний паспорт, що полегшить контроль за їх викидами і дасть можливість проведення екологічного моніторингу на об'єктах.

Забороняється ведення в експлуатацію нових чи реконструйованих об’єктів, які не відповідають вимогам «Закону про охорону атмосферного повітря», без реалізації заходів, що забезпечують мінімальні викиди (ГДВ) шкідливих речовин або їх повне уловлювання (утилізацію і знешкодження), а також без спеціального дозволу на ГДВ, виданого місцевими органами контролю екобезпеки України.

У цілому, поряд із застосуванням перелічених методів очищення викидів в атмосферу, новітні досягнення науково-технічного прогресу дозволяють застосувати інші методи запобігання шкідливим викидам в атмосферу, а саме: впровадження безвідходних та маловідходних виробництв, технологічні схеми яких унеможливлюють забруднення повітря.

Найбільш надійним і економічним способом охорони біосфери від шкідливих газових викидів є перехід до безвідходного виробництва, або до безвідходних технологій. Термін «безвідходна технологія» уперше запропонована академіком Н.Н. Семеновим. Під ним мають на увазі створення оптимальних технологічних систем із замкнутими матеріальними й енергетичними потоками. Таке виробництво не повинне мати стічних вод, шкідливих викидів в атмосферу й твердих відходів й не повинне споживати воду з природних водойм.

Звичайно ж, поняття «безвідходне виробництво» має трохи умовний характер; це ідеальна модель виробництва, тому що в реальних умовах не можна повністю ліквідувати відходи й позбутися впливу виробництва на навколишнє середовище. Точніше, варто називати такі системи маловідходними, що дають мінімальні викиди, за яких збиток, заподіяний природним екосистемам, буде мінімальний.

Нині визначилося кілька основних напрямків охорони біосфери, які в остаточному підсумку ведуть до створення безвідходних технологій:

розроблення й впровадження принципово нових технологічних процесів та систем, які працюють у замкнутому циклі, що дозволяє унеможливити утворення основної кількості відходів;

створення безстічних технологічних систем і водооборотних циклів на базі найефективніших методів очищення стічних вод;

перероблення відходів виробництва й споживання як вторинної сировини;

створення територіально-промислових комплексів із замкнутою структурою матеріальних потоків сировини й відходів усередині комплексу.

Рухомі джерела забруднення атмосфери (транспортні засоби загального і спеціального призначення) значно забруднюють атмосферне повітря вихлопними газами. Шкідливий вплив вихлопів двигуна автомобіля на людей визначається, токсичністю викиду.Величина шкідливих викидів залежить від кількості транспортних одиниць і кількості вихлопних газів кожного автомобіля.

Встановлені допустимі норми і стандарти на вміст шкідливих речовин у вихлопних газах, проводиться періодичний контроль за їх дотриманням.

Наведемо ці стандарти:

17.2.2.01 – 86 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения дымности отработанных газов тракторных и комбайновых дизелей»;

17.2.2.03 – 87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработанных газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности»;

17.2.2.05 – 86 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения выбросов вредных веществ с отработанными газами тракторных и комбайновых дизелей».

Названі вище стандатри відповідають не гігієнічним вимогам до якості повітря населених місць, а технічним можливостям сучасних технічно справних і правильно відрегульованих двигунів машин.

Заходи зниження викидів автотранспорту та техніки спеціального призначення можна розбити на три групи: технічні, планувальні та організаційні. До групи технічних заходівборотьби із забрудненням атмосферного повітря усіма видами машин належить утримання їх у технічно справному стані. У викидах автомобіля з несправним двигуном міститься окису вуглецю в 10-20 разів більше за норму, тобто один такий автомобіль викидає в атмосферу стільки окису вуглецю, скільки 10-20 автомобілів зі справними двигунами.

Згідно з відомостями, які наведено в літературі, після установки на автомобілях, які раніше мали підвищений вміст окису вуглецю у вихлопних газах (5-6%) нових, добре відрегульованих карбюраторів, концентрація його знизилась до 1,5%. Так карбюратори після ремонту та регулювання мали вміст окису вуглецю до 1,5-2,0%. Згідно з ГОСТ 16533 - 70 двигун, який працює нормально, може містити СО до 2% в об'ємі відпрацьованих газів (на великих оборотах).

У цілому регулювання двигунів - один із важливих технічних заходів зниження токсичності вихлопів. У карбюраторних двигунах це досягається головним чином зміною кута випередження запалювання і складу суміші (зміни коефіцієнта надлишку повітря). У дизельних двигунах регулюють інші параметри, а саме: кут випередження та тривалість впорскування палива. В наш час значне поширення дістали електронні системи запалювання, які забезпечують систему електронного регулювання кута випередження запалювання і тим самим знижують токсичність вихлопів.

У містах створюються контрольно-вимірювальні пункти для діагностики двигунів машин. В автопарках на спеціальних бігових барабанах машина проходить випробування, під час якого вимірюється хімічний склад вихлопних газів за різних режимів роботи двигуна. Один цей захід може знизити забруднення повітря в 4 рази.

Велике значення для скорочення токсичності вихлопів має зменшення вмісту свинцю в паливі. Для запобігання детонації палива в двигунах автомобілів використовуються хімічні засоби, які містять свинець, що робить вихлопи особливо токсичними. Сьогодні реалізують спроби виведення свинцю зі складу палива. В Західній Європі узаконена максимальна кількість свинцю на 1 л палива, яка не повинна перевищувати 0,4 г, але у паливі, яке використовується у нашій країні, в 1 л міститься понад 1 г свинцю. Для усунення його з палива необхідна заміна конструкції нафтоочисних установок. Сьогодні значну увагу спеціалісти нафтохімічної промисловості приділяють добуванню стійкого до детонації бензину з етилену.

Зменшення токсичності вихлопів можна досягти додаванням до палива присадок, які змінюють перебіг реакції окислення вуглеводнів у бік меншого утворення окису вуглецю, альдегідів, сажі та ін. Для карбюраторних двигунів найбільш ефективними виявились суміші різних спиртів, добавка яких до бензину дозволяє помітно знизити вміст окису вуглецю у вихлопах. Розроблена значна кількість присадок до дизельного палива, найбільш ефективними з яких виявились ті, які містять барій. Додавання до палива 1% за обсягом присадки А₂вітчизняної розробки знижує концентрацію сажі у вихлопних газах за всіх режимів роботи двигуна приблизно на 70-90%. При цьому також зменшується на 60-80% викид канцерогенних речовин. В Англії запатентований спосіб використання як присадки водяних парів, який дозволяє боротися з детонацією навіть у разі використання низькооктанового неетилованого бензину без втрат потужності.

Нині почали надавати перевагу автомашинам, які працюють на газовому паливі. У вихлопах газобалонних автомобілів міститься в 3-4 рази менше окису вуглецю, ніж у бензинових двигунах, причому, газ згоряє майже повністю, а вихлопні гази від пропан-бутану на 60% менше забруднюють повітря порівняно з бензиновими.

Відпрацьовані гази автомашин можна знешкодити за допомогою спеціальних пристроїв у системі випуску двигуна автомобіля, які називають нейтралізаторами. Існують каталітичні, полум'яні, термічні та рідинні нейтралізатори. Автомобілі іноземних марок, не обладнані каталізаторами, не допускаються до експорту в Україну.

Для зменшення кількості шкідливих речовин у вихлопах проводяться розробки поліпшення конструкції існуючих двигунів серійного виробництва, а саме карбюраторів, а також розробляються двигуни нових систем (роторно-поршневий, на рідкому азоті, водні та ін.). Заслуговує уваги двигун з форкамерно-факельним запалюванням, особливістю якого є розподіл камери згорання на дві частини з різним складом робочої суміші. Штучний розподіл робочої суміші дозволяє значно збільшити збіднення суміші в основній камері згорання. Застосування форкамерно-факельної, системи запалювання дозволяє знизити токсичність вихлопних газів у 1,8-2,5 раза порівняно зі стандартною системою запалювання. При цьому значно знижується викид продуктів неповного згоряння палива та концентрація окисів азоту.

На сьогодні розроблені спеціальні регулятори розрідження та економайзери холостого ходу, які ефективно знижують викид токсичних речовин при роботі двигуна в режимі вимушеного холостого ходу. Це пояснюється тим, що регулятор розрідження на холостому ходу з'єднує впускний трубопровід двигуна з атмосферою, а економайзер унеможливлює подачу палива, що приводить до заповнення трубопроводу та циліндрів тільки повітрям, а процес згоряння палива припиняється.

Найбільш екологічно чистим є електромобіль, який випускається багатьма автомобільними компаніями світу, але характеризується слабкістю акумуляторної батареї порівняно з бензиновим двигуном. Крім цього, існує проблема створення надійних, дешевих і легких джерел електроживлення.

Техніка з дизельними двигунами має свої економічні переваги, але дизелі є серйозними забруднювачами атмосферного повітря. Один автомобіль з дизельним двигуном завдає середовищу стільки ж шкоди, скільки 30 машин з двигунами на бензині.

До технічних заходів зниження емісії авіаційного транспортуналежать перспективні методи створення «чистих» двигунів, у т.ч. впровадження на літаках системи дренажу, яка унеможливлює навмисний викид в атмосферу рідкого палива. Конструкторські методи стосуються робочих процесів у камері згоряння палива авіадвигунів, а також її конструкції. На сьогодні важко вирішуваною є проблема зменшення емісії окисів азоту, що становить основні напрямки сучасних досліджень. Розроблені двохзонні камери згоряння, в яких емісія окисів азоту, порівняно із звичайними, знизилась у 2 рази.

До основних планувальних заходівзниження викидів рухомими джерелами належать:

чітке функціональне зонування територій підприємств з необхідним віддаленням парків техніки, автодромів, естакад і т.ін. від території житлової забудови (згідно з існуючими будівельними нормами);

використання екранувальних нежитлових споруд між зонами підвищеної концентрації шкідливих викидів і житловою забудовою;

обов’язкове влаштування санітарно-захисних зон, засаджених деревами та чагарниками.

До організаційних заходівналежать:

раціональне розташування транспортних засобів на території;

обов'язкове введення системи контролю технічного стану техніки;

введення в дію талону токсичності для кожного транспортного засобу;

утримання дорожніх покриттів у належному стані та своєчасний їх ремонт;

правильна організація руху машин зі зменшеною потребою в зупинці машин і роботі двигунів на холостому та форсованому режимах.

У разі неможливості досягти ГДК очищенням іноді застосовують багаторазове розведення токсичних речовин або викид газів через високі димарі для розсіювання домішок у верхніх шарах атмосфери. Теоретичне визначення концентрації домішок у нижніх шарах атмосфери, залежно від висоти труби та інших чинників, пов'язане із законами турбулентної дифузії в атмосфері й поки розроблене не повністю. Висоту труби, необхідну, щоб забезпечити ГДК токсичних речовин у нижніх шарах атмосфери на рівні подиху, визначають за наближеними формулами, наприклад:

, де

ГДВ - гранично допустимий викид шкідливих домішок в атмосферу, що забезпечує концентрацію цих речовин у приземному шарі повітря, не вищий за ГДК, г/с;

Н - висота труби, м;

V- обсяг газового викиду, м³/з;

∆t- різниця між температурами газового викиду й навколишнього повітря, °С;

А - коефіцієнт, що визначає умови вертикального й горизонтального розсіювання шкідливих речовин у повітрі;

F- безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість седиментації шкідливих речовин в атмосфері (для СІ₂НСІ,HF,F₂= 1);

m- коефіцієнт, що враховує умови виходу газу з устя труби, його визначають графічно або приблизно за формул

, де

- середня швидкість на виході із труби, м/с;

D_r- діаметр труби, м.

Метод досягнення ГДК за допомогою «високих труб» є лише паліативом, тому що не охороняє атмосферу, а лише переносить забруднення з одного району в інші.