- •Ю.С. Рыбаков процессы и аппараты защиты окружающей среды
- •280202 – Инженерная защита окружающей среды Екатеринбург
- •Оглавление
- •Глава 1. Научные основы технологических процессов . . . 10
- •1.2.1. Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
- •1.4. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем . . . . . . . . . 35
- •Глава 2. Защита атмосферного воздуха от загрязнения . . . 61
- •Глава 3. Защита водного бассейна от загрязнения . . . . . . . . . 102
- •Глава 4. Утилизация и ликвидация бытовых
- •Глава 5. Защита окружающей среды от энергетического
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Научные основы технологических процессов
- •1.1. Основные понятия и законы природоохранных технологий
- •1.1.1. Два вида переноса вещества и энергии
- •Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (1.1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат, в другие.
- •1.1.2. Движущая сила технологического процесса
- •1.1.3. Закономерности переноса массы и энергии
- •1.1.4. Классификация и принципы оптимизации основных
- •Классификация основных процессов природоохранных технологий
- •1.2. Теплообменные процессы
- •1.2.1. Теплопроводность
- •1.2.2. Конвекция
- •1.2.3. Тепловое излучение
- •1.2.4. Теплоносители и их свойства
- •1.2.5. Теплоотдача при конденсации пара
- •1.2.6. Теплопередача при кипении жидкостей
- •1.2.7. Процессы выпаривания
- •1.3. Массообменные процессы
- •1.3.1. Массопередача, массоотдача и массопроводность
- •1.3.2. Абсорбция
- •1.3.3. Ректификация
- •1.3.4. Адсорбция
- •1.3.5. Ионный обмен
- •1.3.6. Экстракция
- •1.3.7. Сушка
- •1.3.8. Кристаллизация
- •1.4. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем
- •1.4.1. Классификация неоднородных и гетерогенных систем
- •Классификация неоднородных и гетерогенных систем
- •1.4.2. Процессы осаждения под действием силы тяжести
- •1.4.3. Фильтрование
- •1.4.4. Коагуляция и флокуляция
- •1.4.5. Флотация
- •1.5. Химические и биохимические процессы, протекающие при очистке вод
- •1.5.1. Химические процессы
- •1.5.2. Сущность отдельных химических процессов и их роль
- •1.5.3. Биохимические процессы
- •1.6. Воздействие транспорта на окружающую среду
- •1.6.1. Влияние предприятий железнодорожного транспорта
- •1.6.2. Основные процессы, протекающие при воздействии
- •1.6.3. Характеристика топлив, используемых на объектах транспорта
- •1.6.4. Характеристика основных токсичных веществ, содержащихся
- •Глава 2. Защита атмосферного воздуха от загрязнения
- •2.1. Общие вопросы защиты атмосферы от загрязнения
- •2.1.1. Источники загрязнения атмосферы
- •2.1.2. Нормирование качества атмосферного воздуха
- •Предельно допустимые концентрации некоторых веществ в воздухе, мг/м3
- •2.1.3. Классификация источников загрязнения
- •2.2. Пассивные методы защиты атмосферы от загрязнения
- •2.2.1. Стадия проектирования предприятия
- •2.2.2. Инвентаризация и расчет предельно допустимых выбросов
- •2.2.3. Установление санитарно-защитной зоны вокруг предприятия
- •2.2.4. Расчет высоты трубы для рассеивания газовоздушных выбросов
- •2.3. Методы очистки отходящих газов от аэрозолей
- •2.3.1. Сухие пылеуловители
- •2.3.2. Мокрые пылеуловители
- •2.3.3. Электрофильтры
- •2.3.4. Фильтры
- •3.6. Туманоуловители
- •2.4. Очистка промышленных выбросов от токсичных газовых примесей
- •2.4.1. Метод абсорбции
- •2.4.2. Метод хемосорбции
- •2.4.3. Адсорбционные методы
- •2.4.4. Методы каталитической очистки газов
- •2.4.5. Метод термической очистки газов
- •2.5. Методы и устройства для очистки выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей
- •2.5.1. Нейтрализаторы отработавших газов
- •2.5.2. Фильтры для улавливания дисперсных частиц
- •2.5.3. Использование новых рабочих процессов и видов энергоресурсов
- •2.5.4. Очистка отработавших газов при реостатных
- •Глава 3. Защита водного бассейна от загрязнения
- •3.1. Общие вопросы защиты водных объектов от загрязнения
- •3.1.1. Характеристика водопользования и водопотребления
- •3.1.2. Критерии качества воды
- •Критерии оценки загрязненности воды по пдк вредных веществ
- •3.1.3. Качество вод, используемых в промышленности
- •3.2. Пассивные методы защиты гидросферы от загрязнения
- •3.2.1. Особенности канализования сточных вод
- •3.2.2. Условия выпуска производственных сточных вод
- •3.2.3. Расчет предельно допустимого сброса вредных веществ
- •3.2.4. Установление водоохранных зон и прибрежных защитных полос
- •3.3. Классификация сточных вод
- •3.3.1. Классификация по принципу допустимости
- •3.3.2. Классификация сточных вод по дисперсному составу примесей
- •3.3.3. Классификация сточных вод в зависимости
- •4. Механические (физические) методы очистки сточных вод
- •3.4.1. Процеживание и отстаивание примесей
- •4.2. Осветление сточных вод, улавливание жиров и нефтепродуктов
- •4.3. Фильтрование
- •4.4. Гидроциклонирование
- •3.5. Химические, физико-химические и биологические методы очистки и обезвреживания сточных вод
- •3.5.1. Химическая очистка сточных вод
- •3.5.2. Физико-химические методы очистки
- •3.5.3. Методы биологической очистки сточных вод
- •3.5.4. Методы биологической очистки сточных вод
- •3.5.5. Доочистка сточных вод
- •Глава 4. Утилизация и ликвидация твердых отходов
- •4.1. Опасность отходов для окружающей природной среды
- •4.1.1. Источники возникновения твердых отходов
- •4.1.2. Классификация отходов
- •4.1.3. Нормирование допустимого количества отходов
- •Классификация опасности отходов производства
- •4.2. Основные технологические принципы утилизации, обезвреживания и захоронения отходов
- •2.1. Размещение отходов
- •4.2.2. Переработка отходов на месте складирования
- •4.2.3. Переработка отходов пластических масс
- •4.2.4. Сжигание отходов
- •4.2.5. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов
- •4.3. Утилизация и ликвидация осадков сточных вод
- •4.3.1. Технологический цикл обработки осадков сточных вод
- •4.3.2. Уплотнение, стабилизация и кондиционирование осадков
- •4.3.3. Обезвоживание и ликвидация осадков сточных вод
- •Глава 5. Защита окружающей среды от энергетического воздействия
- •5.1. Защита окружающей среды от шума и вибраций
- •5.1.1. Шум и его характеристики
- •5.1.2. Нормирование шума
- •5.1.3. Расчет шумовых характеристик
- •5.1.4. Меры борьбы с шумовым загрязнением
- •5.2. Защита от электромагнитного загрязнения
- •5.2.1. Электромагнитное загрязнение среды и его источники
- •5.2.2. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей
- •5.2.3. Защита от электромагнитных полей
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 УрГупс
- •Ю.С. Рыбаков
- •Процессы и аппараты защиты
- •Окружающей среды
- •Екатеринбург
1.6.3. Характеристика топлив, используемых на объектах транспорта
В качестве топлива чаще всего используют: бензин, дизтопливо, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ; реже – водород, метанол (СН3ОН), диметилэфир (СН3ОСН3). Основным источником теплоты при сгорании топлив является окисление содержащихся атомов углерода и водорода. Кроме того, в топливах могут содержаться в незначительном количестве сера, соединения азота, кислородсодержащие соединения (спирты, эфиры и др.), тяжелые металлы. Свойства топлив, используемых в объектах транспорта, приведены в табл. 1.5, а выделяемые вещества при полном их сгорании – в табл. 1.6.
Условная «молекула» топлива имеет вид СхНуОz (для азотсодержащих топлив – СхНуОzNg, для серосодержащих – СхНуОz Sk). Молярная масса «условной» молекулы топлива определяется по формуле
Мт = 12х + у + 16z, (1.70)
где 12х, у, 16z – масса углерода, водорода, кислорода в молекуле топлива.
В большинстве товарных сортов бензина и дизельных топлив наличием кислорода можно пренебречь. В этом случае условная молекула топлива примет вид СхНу.
Таблица 1.5
Свойства топлив, используемых на объектах транспорта
Топливо |
Элементный состав, % |
Расход воздуха, кг/кг |
Теплота сгорания, МДж/кг |
||||
С |
Н |
О |
N |
S |
|||
Водород |
- |
100 |
- |
- |
- |
34,34 |
119.6 |
Сжатый природный газ |
71.0 |
23,2 |
0,4 |
5,3 |
0,1 |
13,63 |
46,9 |
Сжиженный нефтяной газ |
84,0 |
16,0 |
- |
- |
0,01 |
15,1 |
45,5 |
Метанол |
37,5 |
12,5 |
50,0 |
- |
- |
6,5 |
19,6 |
Диметилэфир |
52,2 |
13,0 |
34,8 |
- |
- |
9,0 |
28,8 |
Бензин |
85,5 |
14,5 |
- |
- |
0,02 |
14,8 |
44,0 |
Дизтопливо |
86,5 |
13,3 |
- |
0,02 |
0,2 |
14,5 |
41,3 |
Мазут |
85,6 |
11,3 |
0,5 |
0,3 |
2,3 |
13,8 |
40,9 |
Каменный уголь |
80,5 |
6,0 |
11,5 |
1,5 |
0,5 |
10,8 |
32,3 |
Таблица 1.6
Потребление кислорода воздуха и выделение различных веществ при полном сгорании 1 кг топлива, кг
Топливо |
Выход веществ в результате сгорания, кг/кг |
Потребление кислорода, кг/кг |
||
Н2О |
N2
|
СО2
|
||
Водород |
8,94 |
26,41 |
- |
7,94 |
Сжатый природный газ |
2,25 |
13,28 |
2,8 |
3,13 |
Сжиженный нефтяной газ |
1,59 |
12,0 |
3,0 |
3,47 |
Метанол |
1,13 |
4,98 |
1,37 |
1,5 |
Диметилэфир |
1,08 |
- |
1,84 |
1,92 |
Бензин |
1,46 |
11,74 |
3,1 |
3,04 |
Дизтопливо |
1,29 |
11,39 |
3,16 |
3,34 |
Мазут |
0,78 |
10,4 |
3,5 |
3,17 |
Каменный уголь |
- |
8,86 |
3,0 |
2,48 |
Полное окисление (сгорание) топлива (бензина или дизтоплива) описывается уравнением:
СхНу + (х + у/4) О2 = хСО2 + (у/2)Н2О. (1.71)
Полное окисление топлива возможно только при определенном избытке воздуха. Количество потребляемого воздуха на полное окисление топлива приведено в табл. 1.5, а количество потребляемого кислорода – в табл. 1.6.
В результате полного сгорания 1 кг топлива потребляется 1,5-7,9 кг кислорода воздуха, а выделение углекислого газа при этом составляет порядка 3 кг, воды – 0,8-2,3 кг, азота – 10,4-13,3 кг.
Неполное окисление. Если количество кислорода будет меньше стехиометрического, то окисление будет неполным: часть углерода окислится лишь до СО, а часть водорода не сгорит вообще. При равенстве массовой доли углерода, окислившегося до СО, и массовой доли несгоревшего водорода в продуктах сгорания (С/О = 1) будет содержаться только СО и несгоревший водород:
СхНу + (х/2)О2 = хСО + (у/2) Н2. (1.72)
При дальнейшем уменьшении содержания кислорода (С/О >1) в продуктах сгорания появляется несгоревший углерод (сажа), а также другие вещества.
В связи с конструктивными особенностями двигателей внутреннего сгорания достичь полного окисления топлива практически не удается. Поэтому в составе отработавших газов, как правило, содержится значительное количество вредных веществ. Типичное содержание различных веществ в отработавших газах двигателей приведено в табл. 1.7.
Исследования отработавших газов двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов показал, что вследствие несовершенства процесса сгорания в выхлопе этих двигателей обнаружено более 200 веществ и высокомолекулярных соединений. Кроме соединений, приведенных в табл. 1.7, в выхлопе содержатся акролеин, металлы, несгоревшие углеводороды – от простейших молекул до высокомолекулярных соединений полициклического строения, и другие вещества. Полициклические, ароматические (3,4-бенз(а)пирен), сложные углеводороды относятся к категории канцерогенных. В составе отработавших газов их количество составляет 1,5-2% от общего объема газов. Содержание токсических веществ в отработавших газах маневровых тепловозов приведено в табл. 1.8.
На содержание токсичных веществ в составе отработавших газов большое влияние оказывают такие факторы, как состав смеси, режим работы двигателя и др. Например, увеличение времени сгорания рабочей смеси в цилиндрах для снижения содержания сажи вызывает повышение температуры сгорания, что ведет к увеличению доли оксидов азота и наоборот. Более поздний впрыск топлива для уменьшения содержания оксидов азота ведет к снижению температуры и неполному сгоранию топлива, что, в свою очередь, ведет к повышению содержания несгоревших углеводородов и твердых частиц. Для преодоления этого внедряют электронные системы управления дизелем, которые позволяют изменить давление в момент впрыска топлива в зависимости от условий движения, тем самым снизить токсичность отработавших газов.
Таблица 1.7
Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
Вещество |
Объемная доля веществ в газах двигателей, %: |
||
бензиновый [15] |
автомобильный дизель [15] |
дизель тепловоза [16] |
|
Кислород |
0,05-8,0 |
2,0-18,0 |
2,0-18,0 |
Углекислый газ |
5-12,5 |
1-12 |
2,5-12 |
Вода |
3-13 |
0,5-10 |
1-12 |
Азот |
74-77 |
76-88 |
74-78 |
Оксиды азота |
0,05-0,5 |
0,1-1,0 |
0,5-4,0 |
Угарный газ |
0,1-10,0 |
0,01-0,5 |
0,5-2,5 |
Углеводороды |
0,2-2,0 |
0,01-0,5 |
0,5-0,8 |
Альдегиды |
0-0,2 |
0-0,05 |
0,05-0,1 |
Сажа |
до 100 мг/м3 |
до 20000 мг/м3 |
0,1-0,5 |
Бенз(а)пирен |
до 25 мкг/м3 |
до 10 мкг/м3 |
до 0,01 мг/м3 |
Оксиды серы |
до 0,003 мг/м3 |
до 0,015 мг/м3 |
0,1-2,1 |
Таблица 1.8
Содержание токсичных веществ в отработавших газах дизельных двигателей маневровых тепловозов [17]
Компонент |
Содержание, мг/м3 |
Класс опасности |
ПДКраб.зоны, мг/м3 |
Превышение ПДК, раз |
Оксид азота |
до 5000 |
2 |
5 |
1000 |
Формальдегид |
20 |
2 |
0,5 |
40 |
Акролеин |
1 |
2 |
0,2 |
5 |
Оксид серы |
700 |
3 |
10 |
70 |
Бенз(а)пирен |
до 0,01 |
1 |
0,0001 |
100 |
Сажа |
до 1100 |
4 |
35 |
31 |
Сложнее с другим фактором, влияющим на содержание твердых частиц. Это повышенное содержание серы в дизельном топливе. В настоящее время в развитых странах содержание серы в топливе не превышает 0,15-0,3%, в США – 0,05%. В отечественном же дизтопливе серы значительно больше. Кроме этого, существенное влияние на дымность двигателя оказывает молекулярная структура топлива. Например, ароматические углеводороды дают большее дымление, чем парафины. Одной из причин окраски в черный цвет отработавших газов является наличие в них твердых частиц, состоящих из множества канцерогенных соединений.
На интенсивность дымления оказывает влияние и техническое состояние топливной аппаратуры: подтекание топлива в распылителе форсунки, неправильно отрегулированное давление начала впрыска, зависание иглы распылителя, засорение воздушного фильтра, снижение давления сжатия из-за износа или повреждения поршневых колец и т.д. При содержании сажи в количестве 130 мг/м3 отработавшие газы становятся видимыми, а при содержании 600 мг/м3 принимают цвет средней черноты. Таким образом, количество сажи в отработавших газах не должно быть больше 130 мг/м3.