Защита атмосферы

Защита атмосферы Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динами чность, обусловленная как бы стрым перемещением воздушных масс в латера льном и вертикальном направлениях, так и вы сокими скоростями, разнообр азием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмо сфера рассматри вается как огромный «химический котел», который находится под воздейст вием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Г азы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реак ционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лес ных пожарах, сорбируют тяжелые ме таллы и радионуклиды и при осаждении н а поверхность могут загрязнить обширные террито рии, проникнуть в орган изм человека через органы дыхания. Загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введени е в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на каче ство и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой приро де, экосистемам, строительным материалам, природным ресурсам – всей окр ужающей среде. Очистка воздуха от при месей. Для защиты атмосферы о т негативного антропогенного воздействия используют следующие меры: - экологизацию технологических процессов; - очистку газовых выбросов от вредных примесей; - рассеивание газовых выбросов в атмосфере; - устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решени я. Безотходная и малоотх одная технология Экологизация тех проц ессов – это создание замкнутых технологических циклов, безотходных и м алоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных заг рязняющих веществ. Наиболее надежным и самым экономичным способом охраны биосферы от вред ных газовых выбросов является переход к безотходному производству, или к безотходным технологиям. Термин «безотходная технология» впервые пр едложен академиком Н.Н. Семеновым. Под ним подразумевается создание опти мальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергети ческими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредн ых выбросов в атмосферу и твердых отходов и не должно потреблять воду из природных водоемов. То есть понимают принцип организации и функциониро вания производств, при рациональном использовании всех компонентов сы рья и энергии в замкнутом цикле : (первичные сырьевые ресурсы – производство – потреблен ие – вторичные сырьевые ресурсы). Конечно же, понятие «безотходное производство» имеет несколько условн ый характер; это идеальная модель производства, так как в реальных услов иях нельзя полностью ликвидировать отходы и избавиться от влияния прои зводства на окружающую среду. Точнее следует называть такие системы мал оотходными, дающими минимальные выбросы, при которых ущерб природным эк осистемам будет минимален. Малоотходная технология является промежуто чной ступенью при создании безо тходного про изводства. В настоящее время определилось несколько основных направлений охраны биосферы, которые в конечном счете ведут к созданию безотходных техноло гий: 1) разработка и внедрение п ринципиально новых технологических процессов и систем, работающих по з амкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количест ва отходов; 2 ) переработка отходов производства и потребления в качес тве вторичного сырья; 3 ) создание территориально-промышленных комплексов с замк нутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекс а. Важность экономного и рационального использования природных р есурсов не требует обоснований. В мире непрерывно растет потребность в с ырье, производство которого обходится всё дороже. Будучи межотраслевой проблемой, разработка малоотходных и безотходных технологий и рациона льное использования вторичных ресурсов требует принятия межотраслевы х решений. Разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образов ание основного количества отходов, является основным направлением тех нического прогресса. Очистка газовых выбро сов от вредных примесей Газовые выбросы класс ифицируются по организации отвода и контроля – на организованные и нео рганизованные, по температуре на нагретые и холодные. Организованный выброс – это выброс, поступающий в атмосф еру через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы. Неорганизованные называют промышленные выбросы, поступающие в атмосфе ру в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичн ости оборудования. Отсутствие или неудовлетворительной работы оборудо вания по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта. Для снижения загрязнения атмосферы от промышленных выбросов использую т системы очистки газов. Под очисткой газов понимают отделение от газа и ли превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступа ющего от промышленного источника. Средства защиты атмосферы должны ограничивать налич ие вредных веществ в воздухе среды обитания человека на уровне не выше П ДК. Во всех случаях должно соблюдаться усло вие: С+Сф < ПДК (1) по каждому вредному веществу (Сф - фоновая концентрация). Соблюдение этого требования достигается локализацией вредных веществ в месте их образования, отводом из помещения или от оборудования и рассе иванием в атмосфере. Если при этом концентрации вредных веществ в атмосф ере превышают ПДК, то применяют очист ку выбросов от вредных веществ в ап паратах очистки, установленных в выпускной системе. . Механическая очистка газов Она включает сухие и мокрые методы. Очистка газов в сухих механических пылеуловителях К сухим механическим п ылеуловителям относятся аппараты, в которых использованы различные ме ханизмы осаждения: гравитационный (пылеосадительная камера), инерционн ый (камеры, осаждение пыли в которых происходит в результате изменения н аправления движения газового потока или установки на его пути препятст вия) и центробежный. Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием с илы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменен ия направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеоса дительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительн ых камерах установлено на расстоянии 40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих га зовый поток на плоские струи. Производительность осадительных камер П = sw 0 , где S — площадь горизон тального сечения камеры, или общая площадь полок, м 2 ; w 0 — скорость осаждения частиц , м/с. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаме тром более 50-100 мкм, пр ичем степень очистки составляет не .выше 40-50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубо й очистки газов. Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять пер воначальное направление движения при изменении направления газового п отока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийны е пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, вых одя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на вх оде в аппарат составляет 10-15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100 - 400 Па (10 - 40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах н е улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц со ставляет 20-70%. Инерци онный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой э ффективности недостаток этого метода - быстрое истирание или забивание щелей. Данные аппараты отличаются простотой изготовления и эксплуата ции, их достаточно широко используют в промышленности. Но эффективность улавливания не всегда достаточна. Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращен ии частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочист ки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся п ылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промыш ленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в цили ндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направле нию к дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизова нное ядро потока у оси циклона на выход. Циклоны харак теризуются высоко й производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в рабо те. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высо кой производительности, в частности батарейных циклонов (производител ьностью более 20000 м 3 /ч), степень очистки с оставляет около 90% п ри диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d = 5-30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d == 2-5 мкм она составляет менее 40%. Диаметр частиц, ул авливаемых циклоном на 50%, можно опреде лить по эмпирической формуле Гидравлическое сопротивление высокопроизводительных циклонов соста вляет около 1080 Па. Ци клоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей. Другим типом центробежного пылеуловителя служит ротоклон, состоящий и з ротора и вентилятора, помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентил ятора, вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник пыли. Циклонные аппараты наиболее распространены в промышленности, так как у них отсутствуют движущиеся части в аппарате и высокая надежнос ть работы при температуре газов до 500 0 С, улавл ивание пыли в сухом виде, почти постоянное гидравлическое сопротивлени е аппарата, простота изготовления, высокая степень очистки. Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление 1250-1500 Па, плохое улавлив ание частиц размером меньше 5мкм. Для очистки газов используют также фильтры . Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фи льтрующие материалы. Фильтрующие перегородки состоят из волокнистых и ли зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы. Гибкие пористые перегородки – тканевые материалы из природных, синтет ических или минеральных волокон, нетканные волокнистые материалы (войл оки, бумаги, картон) ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мемб ранные фильтры). Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее п реимущества - сравн ительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамич еских фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки филь трации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильт рующего материала пылью. Очистка выбросов газообразных веществ промышленных пред приятий В настоящее время, когд а безотходная технология находится в периоде становления и полностью б езотходных предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит до ведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных т оксичных примесей можно разделить на пять основных групп: 1 Метод абсорбции – заключается в поглощении отде льных компонентов газообразной смеси абсорбентом (поглотителем) в каче стве которого выступает жидкость. Абсорбенты, применяемые в промышленности, оце ниваются по следующим показателям: 1) абсорбционная ем кость, т. е. растворимость извлекаемого компонента в поглотителе в завис имости от температуры и давления; 2) селективность, ха рактеризуемая соотношением растворимостей разделяемых газов и скорос тей их абсорбции; 3) минимальное давл ение паров во избежание загрязнения очищаемого газа парами абсорбента; 4) дешевизна; 5) отсутствие корро зирующего действия на аппаратуру. В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелоч ей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, окс идов марганца и магния, сульфат магния и др. Например, для очистки газов от аммиака, хлористого и фтористого водорода в качестве абсорбента исполь зуют воду, для улавливания водяных паров – серную кислоту, для улавлива ния ароматических углеводородов – масла. Абсорбционная очистка - непрерывный и, как правило, ц иклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цик ла очистки. При физической абсорбции регенерацию абсорбента проводят н агреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбци я поглощенной газовой примеси и ее концентрированно . Для реализа ции процесса очистки применяют абсорберы различных конструкций (плено чные, насадочные, трубчатые и др.). Наиболее распространен насадочный скр уббер, применяемый для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, хло роводорода, хлора, оксида и диоксида углерода, фенолов и т. д. В насадочных скрубберах скорость массообменных процессов мала из-за малоинтенсивно го гидродинамического режима этих реакторов, работающих при скорости г аза 0,02-0,7 м/с. Объемы ап паратов поэтому велики и установки громоздки. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальн остью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших коли честв примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные ск рубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно вы сокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технол огические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и о чистные реакторы (особенно скрубберы) име ют большие объемы. Любой процесс мокрой абсорбционной очистки выхлопных газов от газо- и парообразных примесей целесообразен только в случае его цикличн ости и безотходности. Но и циклические системы мокрой очистки конкур ентоспособны только тогда, когда они совмещены с пылеочисткой и охлажде нием газа. 2. Метод хемосорбции – основан на поглощении газов и паров твердыми и жид кими поглотителями, в результате чего образуются мало летучие и малорас творимые соединения. Большинство хемосорбционных процессов газоочист ки обратимы, т. е. при повышении температуры поглотительного раствора хи мические соединения, образовавшиеся при хемосорбции, разлагаются с рег енерацией активных компонентов поглотительного раствора и с десорбцие й поглощенной из газа примеси. Этот прием положен в основу регенерации х емосорбентов в циклических системах газоочистки. Хемосорбция в особен ности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой на чальной концентрации примесей. 3. Метод адсорбции - основан на улавливании вредных газовых примесей поверхностью твердых тел, высоко пористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью . Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей — разделение парогазовых смесей на компоненты с выделени ем фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. В пос леднее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное с редство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечив ающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ. Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированный уго ль, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярн ые сита). Основные требования к промышленным сорбентам — высокая поглотительная сп особность, избирательность действия (селективность), термическая устой чивость, длительная служба без изменения структуры и свойств поверхнос ти, возможность легкой регенерации. Чаще всего для санитарной очистки га зов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной спо собности и легкости регенерации. Известны различные конструкции адсорбентов (вертикальн ые, используемые при малых расходах, горизонтальные, при больших расхода х, кольцевые). Очистку газа осуществляют через неподвижные слои адсорбен та и движущиеся слои. Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью 0,05-0,3 м/с. После очистки ад сорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящ ая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновре менно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие — на стадиях регенерации, ох лаждения и др. Реген ерацию проводят нагреванием, например выжиганием органических веществ , пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азо та). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смол ой), полностью заменяют. Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбцион ной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбе нта, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на по рядок выше, чем в периодических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы . Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов: 1) глубокая очистка газов от токсичных примесей; 2) сравнительная ле гкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт и ли возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безо тходной технологии. Адсорбционный метод особенно рационален для удале ния токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), сод ержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной оч истки отходящих газов. Недостатки большинства адсорбционных установок — периодичность 4. Метод каталитического окисления – основан на удалении примес ей из очищаемого газа в присутствии катализаторов. Действие катализаторов проявляется в промежуточном химическом взаимодействии катализатора с реагирующими веществами, в р езультате чего образуется промежуточные соединения. В качестве катализаторов применяют металлы и их соединения (оксиды меди, марганца и др.) Катализаторы имеют вид шаров, к олец или другую форму. Особенно широко этот метод используется для очист ки выхлопных газов ДВС. В результате каталитических реакций примеси, находящиес я в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренны х методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвред ные соединения, присутстви е которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, ле гко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежа т удалению, то тре буются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами). Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9%) при сравнительно невысоки х температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных ко нцентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать р еакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Устан овки каталитической очистки просты в эксплуатации и ма логабаритны. Недостаток многих процессов каталитической очистки — образование новых веществ , которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбц ия), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект. 5.Термический метод заключается в очистке газов перед выбросом в атмосферу путем высокотемпературного дожигания. Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителе й или оксида углерода. Простейший метод — факельное сжигание — возможен, когда концентра ция горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В это м случае примеси служат топливом, температура процесса 750— 900 °С и теплоту горения прим есей можно утилизировать. Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламене ния, то необходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще вс его теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Такие энерготехнологические схемы применяют при достаточ но высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавл яемого горючего газа. Рассеивание пылегазовых выбросов в атмосферу. При любом способе очис тке, часть пыли и газов остается в воздухе, выбрасываемом в атмосферу. Рас сеивание газовых выбросов используют для снижения опасных концентраци й примесей до уровня соответствующего ПДК. Используют различные технол огические средства для осуществления процесса рассеивания: трубы, вент иляционные устройства. На процессы рассеивания выбросов существенное влияние оказывает состо яние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характ ер местности и т. д. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур в вертикальном направлении. При распределении концентрации вредных веществ в атмосфере над факело м организованного высокого источника выброса выделяют 3 зоны загрязнен ия атмосферы: Рис. 1. Переброс факела выбросов, характеризующийся относительно невысоким с одержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы. 2. Зона задымления с максимальным содержанием вредных веществ и постепен ное снижение уровня загрязнения. Эта зона является наиболее опасной для населения. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических услови й находятся в пределах 10-49 высоты трубы. 3. Зона постепенного сниж ения уровня загрязнения. При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда при меняют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов че рез высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмо сферы. Теоретическое определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов связано с зако нами турбулентной диффузии в атмосфере и пока разработано не полностью. Высоту трубы, необходимую, чтобы обеспечить ПДК токсичных веществ в нижн их слоях атмосферы, на уровне дыхания, определяют по приближенным формул ам, например: ПДВ = где ПДВ - предельно допустимый выброс вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концен трацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, г/с; Н — высота трубы, м; V - объем газового выброса, м^с; ∆ t - разность между температурами газового выброса и окружаю щего воздуха, °С; А - коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рас сеив ания вредных веществ в воздухе ; F — безразмерный к оэффициент, учи тывающий скорость седиментации вредных веществ в атмос фере ; т — коэффициент, учитывающий условия выхода газа из устья тр убы, его определяют графически или приближенно по формуле: Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб» служит лишь паллиативом, т ак как не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие. Устройство санитарно-защитных зон Санитарно-з ащитная зона - это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнен ия от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вред ных факторов производства. Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса пр оизводства, степени вредности и количества, выделенных в атмосферу веще ств, и принимают равной от 50 до 1000 м. Санитарно-защитная зона должна быть благоустроена и озеленена. Различают 3 типа зон: Круговые, при полном окружении предприятия жилой застройкой; Секторные, при частичном окружении предприятия жилой застройкой и прим ыкания завода к естественной природной преграде. Трапециидальные, при отрыве предприятия от селитебной зоны. Устройство са н-защитных зон – вспомогательное средство защиты, так как очень дорогос тоящее мероприятие, это увеличение протяженности дорог, коммуникаций и т.д. Архитектур но-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса в населенных пунктах с учетом направления ветра, выб ор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места , хорошо продуваемого ветрами, сооружение автомобильных дорог в обход на селенных пунктов и др.