5 отзывов
+375 (17) 336 13 60
+375 (29) 394-88-33
+375 (17) 336 70 90
БеларусьМинскул. 3-я Щорса, 9, офис 301
ОДО "Полипарк" (редакция) тел. (017) 336-13-60
Оставить отзывНаличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или индивидуального предпринимателя.

Организация защиты атмосферного воздуха от загрязняющих веществ на объектах энергетики. А. И. Доценко

Организация защиты атмосферного воздуха от загрязняющих веществ на объектах энергетики. А. И. Доценко

Статья из журнала "Энергосбережение. Практикум", №5, 2019 год. Организация защиты атмосферного воздуха от загрязняющих веществ на объектах энергетики.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАЩИТЫ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ.

А. И. Доценко, инженер-электромеханик

Планируя сооружение новых и расширение или реконструкцию действующих энергообъек­тов, необходимо учитывать опасное техногенное воздействие на уже сложившийся воздушный бассейн населенных пунктов и промышленных районов, поскольку практически все технологи­ческие процессы, связанные с выработкой энергии, сопровождаются газопылевыми выбросами. Попадая в атмосферный воздух, вредные газы и пыль изменяют его состав, уменьшая количе­ство кислорода, необходимого для жизнедеятельности всего живого. Поэтому строительство и эксплуатация энергообъектов должны сопровождаться разработкой технологий и аппарату­ры, предотвращающих выбросы в атмосферу либо ограничивающих их допустимыми уровнями.

Предисловие

Проблемы защиты атмосферного воздуха со­ставляют обширную область исследований на стыке наук. Они включают как общие задачи химической технологии, машиностроения и метеорологии, так и вопросы, решением которых могут заниматься узкие специалисты – математики, физики, электро­техники, программисты-аналитики, врачи, гигиени­сты, биологи, геологи, юристы, конструкторы и т.д.

Говоря о загрязнениях атмосферного воздуха, необходимо учитывать индивидуальные характе­ристики различных веществ. Так, например, ряд современных технологических процессов по ге­нерированию энергии дают лишь малые количе­ства выбрасываемых в атмосферу химикатов или следовых элементов, но вследствие их способно­сти накапливаться с течением времени на опре­деленных территориях опасность этих загрязне­ний резко возрастает. Таким образом, меньший по масштабам источник выбросов может нанести более существенный ущерб окружающей среде, чем «традиционные» загрязняющие вещества.

Технологии защиты атмосферы основаны на традиционно применяемых принципах – необ­ходимо выявить причинно-следственные связи появления отрицательных факторов и найти опти­мальные технические и экономические решения по их устранению или ограничению. Кроме того, приходится решать чисто технические проблемы: выбор вида сырья для каждого производственного процесса, создание соответствующей технологии его переработки, включая методы управления и применение оптимальных практических мер для ограничения загрязняющих выбросов, а также из­мерительной техники для их контроля.

Расходы на выполнение перечисленных меро­приятий неуклонно возрастают, что выдвигает на первый план требование о максимальной эффектив­ности и экономичности внедряемых технологий. От решения этой двуединой задачи в конечном счете зависят перспективы экономического развития не только отдельных регионов, но республики в целом.

Быстрое развитие технологии защиты атмо­сферного воздуха в последнее десятилетие обуслов­лено не только увеличением загрязнения атмосферы, но и изменением исходных критериев его защиты, диктуемых переоценкой подходов к использованию топливных и сырьевых материалов, а также расши­ряющимся международным содружеством, приме­ром которого может служить Конвенция о трансгра­ничном загрязнении воздуха на большие расстояния, подписанная в г. Женеве 13 ноября 1979 г.

В Республике Беларусь данная Конвенция рати­фицирована Указом Президиума Верховного Сове­та БССР от 14 мая 1980 г. № 175-Х «О ратификации Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» и протоколами к ней.

Кратко об атмосферном воздухе и атмосфере Земли

Атмосфера Земли представляет собой смесь га­зов, водяного пара и некоторого количества аэрозолей. В определенных условиях в составе воздуха меняется концентрация водяного пара, углекислого газа, озона и некоторых других составляющих, содержание кото­рых в атмосфере незначительно. Больше других под­вержено изменению содержание водяного пара, кон­центрация которого у поверхности Земли при высокой температуре может достигать 4%, а с увеличением высоты и понижением температуры быстро падает2.

Состав сухого воздуха атмосферы до высоты 90–95 км остается практически постоянным (табл. 1).

Иногда атмосферу разделяют на свободную, или наружную, т.е. находящуюся вне замкнутых пространств (зданий и других сооружений), и вну­треннюю атмосферу в замкнутых пространствах для работы, проживания, культурных, спортивных и других мероприятий.

Таблица 1

 Состав сухого воздуха атмосферы

Газ

Объемное содержание, %

Молярная масса М, кг/кмоль

Азот (N )

2

78,084000

28,01340

Кислород )

2

20,947600

31,99880

Аргон (Аr)

0,934000

39,94800

Углекислый газ (СО )

2

0,031400

44,00995

Неон (Ne)

1,818∙10–6

20,18300

Гелий (Не)

524,0∙10–6

4,00260

Криптон (Кr)

114,0∙10–6

88,80000

Ксенон (Хе)

8,7∙10–6

131,30000

Водород )

2

50,0∙10–6

2,01594

Окись азота (N O)

2

50,0∙10–6

44,01280

Метан (СН )

4

200∙10–6

16,04303

Озон (O ):

3

летом – до 7,0∙10–6; зимой до – 2,0∙10–6

47,99820

Сернистый ангидрид(SO )

2

до 100∙10–6

64,06280

Перекись азота (NO )

2

до 2,0∙10–6

46,00550

Иод (J )

2

до 1,0∙10–6

253,80880

Воздух

100

28,96442

Суммарная масса земной атмосферы составляет 5,3•1018 кг. Нагрузка воздуха на каждый см2 на уровне моря составляет около 1 кгс. Примерно 90 % массы воздуха находится на высоте менее 15 км, 99 % – менее 30 км и 99,99 % – менее 48 км от поверхности земли.

Потребность человека в воздухе следующая: в состоянии покоя – 5–10 л/мин; при усилиях – око­ло 30 л/мин; при больших усилиях – до 100 л/мин; в среднем за сутки – около 15 кг. Удельная поверх­ность легких составляет от 55 до 90 м2. В легких воздух нагревается и увлажняется, из него удаля­ются посторонние частицы и кислород, а содержа­ние диоксида углерода возрастает.

Чистый воздух, лишенный пылевидных и газо­образных загрязнений, является идеалом, не встреча­ющимся в природе из-за постоянного динамического обмена между атмосферой и земной поверхностью, гидросферой, биосферой и т.д. Ученые-вулканологи предполагают, что при смертоносном извержении самого старейшего в мире индонезийского вулка­на Кракатау в 1883 г. в атмосферу поступило пыли больше, чем с дымом от всех рукотворных костров за всю историю человечества. Следовательно, даже природный состав воздуха непостоянен.

Содержание пыли в природной наружной атмосфе­ре также существенно изменяется в зависимости от ско­рости ветра, влажности, содержания пыли на поверх­ности земли и плотности природных источников пыли. Среднее массовое содержание пыли в незагрязненном воздухе – 20 мг•м–3. Концентрация твердых частиц в не­загрязненном воздухе колеблется от 5 до 30 млн на 1 м3.

Загрязнение атмосферного воздуха

Здесь под загрязняющими веществами по­нимают химические вещества или их смесь, ми­кроорганизмы (грибки, бактерии, вирусы, споры грибов и другие биологические вещества), посту­пление которых в атмосферный воздух оказывает вредное воздействие на окружающую среду.

Установившееся содержание загрязнений в воздухе (выбросы) определяет степень разрушаю­щего воздействия на данный регион. Можно ска­зать, что степень загрязнения атмосферы зависит от числа и массы выбросов.

Установившееся поступление загрязняющих веществ в атмосферный воздух от источников выбросов, называемых выбросами загрязняю­щих веществ в атмосферный воздух или просто выбросами, определяет степень разрушающего воздействия на данный регион. Можно сказать, что степень загрязнения атмосферы зависит от числа и массы выбросов.

Оценка результатов загрязнения атмосферы включает отрицательное воздействие на отдельные объекты живой природы (на людей, животных, ра­стения) и на неживые составляющие природы (на воду, почву и ландшафт в целом, строения и мате­риалы). В более широком смысле в качестве такого отрицательного воздействия можно рассматривать саму загрязненную атмосферу, климат, а также ряд экономических и социальных условий.

В общем плане концепция загрязнения атмо­сферного воздуха включает значительное число действий и явлений, ведущих к ухудшению ее ис­ходного природного качества.

В табл. 2 дана классификация возникающих про­блем, связанных с загрязнением атмосферного возду­ха, в зависимости от региона, высоты и времени.

Таблица 2,  Классификация видов загрязнения атмосферного воздуха

Как видно, динамическое загрязнение атмосфер­ного воздуха происходит главным образом в нижних слоях, а долговременные изменения вследствие за­грязнений воздействуют на всю земную атмосферу.

Вещества, загрязняющие атмосферный воздух

Вещества, загрязняющие атмосферный воз­дух, могут быть твердыми, жидкими или газо­образными. Они оказывают вредное действие на окружающую среду либо непосредственно, либо после химических превращений в атмосфере, либо совместно с другими веществами.

Эти вещества обусловливают изменения при­родного состава атмосферного воздуха, которые сопровождаются серьезными последствиями: опасностями для здоровья людей и животных; раз­рушением окружающей среды или некоторых ее частей (природных ареалов, районов проживания или трудовой деятельности), которое приводит к таким воздействиям на общество, которые не всег­да могут быть исчислены в денежном выражении; ухудшением комфортности, например появлением неприятных запахов, ухудшением видимости.

Указанные последствия являются результатом действия как самих загрязняющих веществ, так и их сочетания с компонентами атмосферы, уси­ливающих действие загрязнений. Эти компонен­ты включают озон, фотохимические окислители, солнечное излучение и участвуют в образовании фотохимических смогов.

Перечисленные три группы загрязняющих ве­ществ иногда могут рассматриваться совместно.

Так, твердые и жидкие вещества могут быть сгруппированы и обозначены как частицы, по­скольку принципы их удаления из атмосферного воздуха базируются главным образом на физиче­ских законах, причем плотность частиц примерно на три порядка выше плотности воздуха или дру­гого газа-носителя.

Вместе с тем жидкие и газообразные вещест­ва часто объединяют при количественной оцен­ке выбросов загрязнений из данного источника загрязнения. Некоторые вещества находятся в газе-носителе в газообразном виде (пары), но в ходе конденсации образуют туман или капли. Та­ким образом, на основании химического состава, определяемого с помощью адекватного метода измерения, устанавливают количество выброса.

Что касается твердых веществ, то вначале определяется общее количество пыли, а затем проводится более детальный гранулометрический или химический анализ.

Далее кратко рассмотрим основные характери­стики загрязняющих веществ, присутствующих в вы­бросах в атмосферный воздух при генерации энергии.

Пыль

Производственной пылью называют взвешенные в воздухе, медленно оседающие твердые частицы размерами от нескольких десятков до долей мкм.

Многие ее виды являются аэрозолями, которые представляет собой сложную аэродисперсную систе­му, состоящую из дисперсной фазы, представленной частицами твердого вещества или нескольких веществ, и дисперсионной среды, представленной воздухом и/или другой смесью газов или отдельным газом.

По размеру частиц (дисперсности) различают крупнодисперсную (размер частиц более 50 мкм), сред­недисперсную (50–10 мкм) и мелкодисперсную (менее 10 мкм)3 пыль. Наиболее вредное воздействие на ор­ганизм оказывают частицы размером от 0,1 до 5 мкм.

Согласно общепринятой классификации все виды производственной пыли подразделяются на органические, неорганические и смешанные.

Первые пыли, в свою очередь, делятся на пыль естественного (древесная, хлопковая, льняная, шер­стяная и др.) и искусственного (пыль пластмасс, рези­ны, смол и др.) происхождения, а вторые – на метал­лическую (железная, цинковая, алюминиевая и др.) и минеральную (кварцевая, цементная, асбестовая и др.).

К смешанным видам пыли относят каменно­угольную пыль, содержащую частицы угля, квар­ца и силикатов, а также пыли, образующиеся в химических и других производствах.

Специфика качественного состава пыли пре­допределяет возможность и характер ее дейст­вия на организм человека: токсичная (свинцовая, марганцевая, мышьяковая, цементная и др.); не­токсичная (хлопковая, льняная, древесная, пень­ковая, мучная, сахарная и др.).

Также определенное значение имеют форма и консистенция пылевых частиц, которые в значи­тельной мере зависят от природы исходного ма­териала. Частицы пыли могут быть округлой или кристаллической формы. Первая оказывает мень­шее воздействие на организм, а вторая – большее, т.к. обладает острыми краями.

Пары и газы

При сжигании различных видов органического топлива, работе двигателей транспортных средств, гальванических процессах, во время окрасочных, сварочных и термических работ, а также при дру­гих производственных процессах выделяется значи­тельное количество вредных газообразных веществ. В большинстве случаев эти вещества являются ядо­витыми, оказывающими сильное токсическое дейст­вие на организм человека. Свойства их определяются химической структурой и агрегатным состоянием.

Среди органических веществ, относящихся к ядам, в воздухе рабочих зон некоторых производств наиболее часто встречаются углеводороды ароматического ряда (бензол, толуол, ксилол), их производные (хлорбензол, нитробензол, анилин), спирты и альдегиды.

Ядами неорганического происхождения яв­ляются соединения: углерода и серы (сероводо­род, сернистый газ); азота (аммиак, оксиды азота). Кроме этого, в воздухе могут присутствовать пары тяжелых и редких металлов (свинца, ртути, цинка, марганца, кобальта, хрома, ванадия).

Перечисленные вредные пары и газы проника­ют в организм человека через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт или кожный покров. При дыхании ядовитые пары и газы, смешанные с воздухом, поступают в легкие. Во время приема пищи, особенно из загрязненных рук, а также ку­рения они попадают в желудок и далее разносятся по организму. На участки кожи яды могут оказы­вать локальное болезненное воздействие.

Исходя из всего вышесказанного, необходи­мо атмосферный воздух каким-то образом «охра­нять» и «очищать».

Основные принципы охраны атмосферно­го воздуха

Охрана атмосферного воздуха – деятель­ность государственных органов, обществен­ных объединений, иных юридических лиц, граждан, в том числе индивидуальных пред­принимателей, направленная на сохранение и восстановление качества атмосферного воз­духа посредством уменьшения и (или) пред­отвращения его загрязнения.

Ее основными принципами являются:

{ государственное регулирование и управ­ление в области охраны атмосферного воздуха;

{ обязательность оценки воздействия на ат­мосферный воздух хозяйственной и иной де­ятельности при принятии решений об ее осу­ществлении;

{ допустимость воздействия хозяйственной и иной деятельности на атмосферный воздух с учетом требований в области охраны атмосфер­ного воздуха;

{ платность за выбросы загрязняющих ве­ществ в атмосферный воздух при осуществле­нии хозяйственной и иной деятельности;

{ нормирование в области охраны атмо­сферного воздуха; { предотвращение загрязнения атмосферного воздуха и причинения вреда окружающей среде;

{ возмещение вреда, причиненного окружа­ющей среде выбросами загрязняющих веществ в атмосферный воздух, жизни, здоровью и иму­ществу граждан, в том числе индивидуальных предпринимателей, имуществу юридических лиц и имуществу, находящемуся в собственно­сти государства, посредством загрязнения ат­мосферного воздуха в результате хозяйственной и иной деятельности;

{ доступность экологической информации о состоянии атмосферного воздуха, воздействиях на него и мерах по его охране.

Выделение загрязняющих веществ при ге­нерации энергии на объектах энергетики. Ме­тоды ограничения выбросов диоксида серы

Генерация тепловой, электрической энергии и пара базируется на классическом сжигании твер­дого, жидкого и газообразного топлива в котлах тепловых станций, в печах, в пароэнергетических установках объектов энергетики. В результате процессов горения в перечисленном оборудова­нии в воздух поступает наибольшее количество твердых и газообразных выбросов.

Виды загрязняющих веществ, формирующих­ся в ходе горения, зависят от состава топлива и от протекающих химических реакций. Твердые ве­щества (зола) образуются при горении твердого и, в значительно меньшей степени, жидкого топлива либо из негорючих (минеральных) компонентов топлива, либо из горючих, но не сожженных (не полностью сожженных). Последнее приводит к образованию частиц сажи или кокса.

Некоторые элементы, содержащиеся в мине­ральных компонентах твердого и жидкого топлива (мышьяк, фтор и т.д.), могут привести к образова­нию очень нежелательных видов твердых и газо­вых выбросов. Эти вещества и их соединения, как правило, не обнаруживаются в отходящих газах процессов горения. Их вид и количество зависят главным образом от основных элементов топлива.

Основным же загрязняющим веществом на объектах энергетики является диоксид серы (SO2). Для ограничения его выбросов при процессах го­рения применяют четыре основных метода:

{ использование топлива с пониженным содержанием серы;

{ снижение содержания серы в топливе;

{ ограничение выбросов диоксида серы в процессах горения;

{ удаление оксидов серы из отходящих газов.

Простейшим решением является замена то­плива на содержащее меньшее количество серы, конечно, если имеющийся альтернативный вари­ант характеризуется теми же необходимыми свой­ствами для данного процесса горения.

Основные принципы газоочистки

Работа любого устройства, удаляющего взве­шенные частицы из какой либо среды (газа/воз­духа), основана на использовании одного или не­скольких механизмов осаждения4. Основными из них являются: гравитационное осаждение (седи­ментация); осаждение под действием центробеж­ной силы; инерционное осаждение – зацепление (эффект касания); электрическое осаждение.

Гравитационное осаждение происходит в результате вертикального оседания частиц при прохождении их через обезвреживающее устрой­ство. Сила сопротивления F (стоксова сила), дей­ствующая на частицу диаметром d при ее дви­жении в ламинарном режиме со скоростью V в среде газа или жидкости вязкостью μ , описыва­ется законом Стокса: F=3*Пи*μ*d*V/С, где C – поправочный коэффициент на размер ча­стиц (при O частиц 0,1 мкм C = 2,9; при O1,0 мкм – 1,16; при O10 мкм = 1,0).

При гравитационном осаждении сила со­противления равна весу частицы в среде ее нахождения с учетом архимедовой силы. Ско­рость осаждения сферических частиц в газо­очистных аппаратах, использующих действие силы тяжести, пропорциональна квадрату ди­аметра частиц: V=dквадрат* ρ *g/(18*μ), где ρ – плотность частицы; μ – коэффициент динамической вязкости газа (жидкости).

Скорость восходящего потока газа, при ко­торой сила тяжести частицы уравновешивает­ся силой сопротивления воздуха, называется скоростью витания. Это понятие важно для систем пневмотранспорта, дымовых труб, ас­пирации и пылеуловителей, где происходит пе­ремещение среды с взвешенными в ней части­цами. Ее величина зависит от диаметра частиц, их плотности и определяется по соответствую­щим нонограммам.

Центробежное осаждение происходит при криволинейном движении дисперсного потока, когда развиваются центробежные силы. Ско­рость центробежного осаждения V частицы массой m, вращающейся в потоке газа по ради­усу r со скоростью Vt можно рассчитать, при­равнивая центробежную (формула) и стоковую силу (формула).

Таким образом, величина скорости центро­бежного осаждения больше скорости гравитаци­онного осаждения в разы.

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации, могут применяться два конструктивных решения – поток вращается: в неподвижном корпусе аппарата; вместе с ротором. Первое решение реализуется в циклонах, второе – в ротационных пылеуловителях.

Инерционное осаждение происходит в том случае, когда кинетическая энергия частицы на­столько велика, что она не может следовать вдоль искривленной линии тока, а сталкивается с пре­пятствием и осаждается на нем (рис. 1).

 

Осаждение – выделение дисперсной фазы (твердого осадка) из запыленных газов (пара), раствора или расплава одного или нескольких компонентов. Для этого создают условия, когда система из исходного устойчивого состояния переходит в не­устойчивое под действием инерционных и/или электростатических сил и в ней происходит образование твердой фазы.

Критерием подобия инерционного осаждения является критерий Стокса: (формула), где V – скорость потока в некоторой точке; R – характерный размер обтекаемого тела.

Существует минимальное (критическое) значе­ние числа Стокса, при котором инерция частицы до­статочна, чтобы она достигла поверхности тела и была им захвачена. Коэффициент эффективности инерци­онного осаждения дисперсных частиц на шаре kSt (%) определяется долей частиц, извлеченных из потока при обтекании им тела, и равен нулю при Stкр = 0,0417.

Захват частицы возможен при условии St > Stкр. Расчетами определено, что инерционное осаждение эффективно для частиц размером более 1 мкм.

Зацепление частицы на поверхности наблюда­ется, когда расстояние частицы в потоке от обтека­емого тела равно или меньше ее радиуса. Эффект зацепления становится значительным при осажде­нии частиц на сферах с малым диаметром Dш. Эф­фект зацепления не зависит от скорости набегаю­щего потока газа.

Осаждение взвешенных в воздухе частиц под действием электрического поля осуществляется после электрической зарядки частиц коронным разрядом. Коронный разряд – это характерная форма самостоятельного газового разряда, воз­никающего в резко неоднородных полях, между электродами высокого напряжения, имеющими разную кривизну (рис. 2).

Здесь около электрода 1 напряженность поля Е (В/м) имеет большую величину. В этой зоне, называ­емой чехлом короны, и образуется коронный разряд. Зона начинает светиться и потрескивать. Образующи­еся здесь из положительных ионов 2 электроны 3 при движении в сторону плоского электрода 5 выбивают из нейтральных молекул новые электроны. В этом заклю­чается суть пробоя в газах. При выходе из чехла короны электроны прилипают к молекулам газа и взвешенным частицам, образуя отрицательно заряженные ионы 4.

Величина заряда (Кл), приобретаемого прово­димой сферической частицей с диэлектрической проницаемостью воздуха ε, равна (формула), где ε = 8,85•10–12 Ф/м.

В электрофильтре зарядка частиц происходит быстро – за доли секунды. Приравнивая кулонов­скую силу силе Стокса, получаем скорость оса­ждения заряженных частиц

Осаждение взвешенных частиц при контакте газового потока с жидкостью может осуществлять­ся на каплях, пузырьках и на поверхности жидкости.

Улавливание взвешенных частиц каплями может происходить в спокойном режиме, когда аэрозоль движется с малой скоростью, т.е. капли падают под действием силы тяжести, и когда по­ток сильно турбулизован, т.е. капли интенсивно диспергируются. Преобладающим эффектом яв­ляется инерционный. Действие сил инерции ре­ально проявляется в отношении частиц диаметром свыше 1 мкм. Здесь решающими являются два фактора: скорость потока и удельное орошение.

При удельном орошении 1,5–2,0 л/м3 и при значениях критерия Стокса 1–170 эффективность осаждения на каплях определяется по формуле (формула).

При движении пузырьков газа через слой жид­кости (барботаж) их размер колеблется от 2 до 20 мм. При скорости газового потока до 4 м/с пузыри при­дают жидкости характер пены. Осаждение частиц происходит в основном за счет инерционного эф­фекта. Для увеличения степени очистки необходимо уменьшать размеры пузырьков.

При осаждении твердых частиц на поверхно­сти жидкости преобладает инерционный эффект. При соударении с толстым слоем жидкости части­ца или остается на поверхности, или пробивает поверхность и погружается в слой. Путь, проходи­мый частицей в жидкости по инерции (до релак­сации) составляет от нескольких микрон до 2 мм.

Фильтрация через пористые материалы за­ключается в пропуске загрязненного газа через фильтровальные перегородки, которые пропускают воздух, но задерживают аэрозольные частицы. Ча­стицы при соприкосновении с цилиндрическими волокнами задерживаются силами межмолекуляр­ного взаимодействия. Расстояние между волокнами в фильтре в 5–10 раз превышают размеры частиц.

При движении потока через фильтровальный ма­териал газ огибает волокна, более крупные частицы пыли сохраняют прямолинейное направление движе­ния, сталкиваются с волокнами и прилипают к ним. Чем больше значение числа Стокса, тем больше про­исходит столкновений с поверхностью волокон филь­тра. Мелкие частицы могут прилипнуть к волокнам, участвуя в броуновском движении или за счет эффек­та зацепления, а также действия электрических сил. Эффективность очистки обратно пропорцио­нальна диаметру волокна. На перечисленных принципах очистки атмос­ферного воздуха основано функционирование га­зоочистных установок.

Назначение, классификация и порядок эксплуатации газоочистных установок

В общем смысле отделение от газа или пре­вращение в безвредное состояние загрязняющих атмосферный воздух веществ называют очисткой газа. Ее осуществляют в специальных установках.

Газоочистная установка (далее – ГОУ) – сооружение и (или) оборудование, предназначенные для очистки газов, отходящих от источника выделения загрязняющих веществ, посредством физических, химических, биологических и других методов улавливания, нейтрализации, обезвреживания загрязняющих веществ.

Ее основным элементом является аппарат очист­ки газа, в котором непосредственно осуществляется избирательный процесс улавливания из потока газа загрязняющих веществ или их обезвреживание. В состав ГОУ входят:

{ один или несколько расположенных по­следовательно или параллельно однотипных (разнотипных) аппаратов очистки газов, осу­ществляющих избирательный процесс извле­чения, обезвреживания загрязняющих веществ, отходящих от источников их выделения;

{ оборудование, предназначенное для пере­мещения загрязненного и очищенного газа;

{ вспомогательное оборудование, пускорегули­рующая и запорная арматура, технические устрой­ства для сбора и транспортирования уловленных ве­ществ, средства автоматики и прочее оборудование, необходимое для обеспечения работы ГОУ;

{ огражденная рабочая площадка на входе и на выходе из ГОУ для контроля инструменталь­ными методами параметров работы ГОУ, вклю­чающая места отбора проб;

{ измерительные приборы и вспомогательные устройства для контроля за работой ГОУ при экс­плуатации, техническом обслуживании и ремонте, а также обеспечения безопасности при выполне­нии всех видов работ, в т.ч. люки, лазы, штуце­ра для отбора проб, листовые задвижки (шибера), лестницы и площадка для технического обслужи­вания, защитные ограждения движущихся и вра­щающихся узлов и элементов оборудования.

Аппараты очистки газов по принципу дейст­вия делят на следующие группы:

{ С– аппараты сухой механической очистки газа от твердых частиц, принцип работы которых основан на осаждении частиц за счет силы тяжести, центро­бежной силы, изменения скорости потока газа;

{ М – аппараты мокрой очистки газа от твер­дых частиц, а также жидких и газообразных за­грязняющих веществ;

{ Ф– аппараты и устройства фильтрующего типа;

{ Э – электрические фильтры;

{ Х – аппараты сорбционной (химической, биологической) очистки газа от газообразных загрязняющих веществ;

{ Т – аппараты термического, термокатали­тического и каталитического способов обезвре­живания газообразных загрязняющих веществ;

{ Д – аппараты других способов очистки газа.

Эксплуатируют ГОУ должностные лица, от­ветственные за эксплуатацию, техническое об­служивание и ремонт ГОУ, назначенные приказом владельца ГОУ и прошедшие обучение и (или) по­вышение квалификации, инструктаж и проверку знаний по вопросам охраны окружающей среды, включающим вопросы эксплуатации, техническо­го обслуживания и ремонта ГОУ в соответствии с инструкцией по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту ГОУ.

При эксплуатации ГОУ запрещается: от­ключение установок при работающем техноло­гическом оборудовании; увеличение произво­дительности технологического оборудования, сопровождающееся изменением качественного и (или) количественного состава отходящих газов с превышением значений, установленных в про­ектных решениях на оснащение организованных стационарных источников выбросов ГОУ, без опе­режающего либо одновременного наращивания мощности действующих ГОУ.

Методы и способы газоочистки, использу­емые в ГОУ

Существует большое количество методов и способов газоочистки. Однако при этом есть мно­жество нерешенных проблем. Так, например, при деаэрации воды задача всегда конкретна – удалить растворенные в ней газы (О2 и СО2). В газовых же выбросах приходится иметь дело с фактически не ограниченным списком возможных компонентов, разнообразием их свойств и состояний, плюс к тому необходимо учитывать еще и колебания па­раметров очищаемого газа.

Здесь надо иметь в виду, что указанные зада­чи делятся на две группы, отличающиеся мето­дами решений, физикой явлений и аппаратным обеспечением процессов газоочистки. Разделение обусловлено природой подлежащих удалению за­грязняющих веществ: первое – газообразные ком­поненты; второе – взвешенные частицы. Поэтому методы и способы газоочистки выбирают в зави­симости от физико-химических свойств загряз­няющего вещества, его агрегатного состояния, концентрации в очищаемой среде и др.

При очистке газообразных выбросов прихо­дится решать одновременно несколько проблем, связанных с тем, что в выбросах, содержащих вредные пары и газы, находятся также аэрозоли – пыль, сажа. Кроме того выбросы в ряде случаев нагреты до высоких температур, а загрязнения, содержащиеся в них, многокомпонентны, и их не­обходимо подвергать различным методам очист­ки. Также надо учитывать, что расход выбросов по времени непостоянен, а концентрация в них различных вредных веществ постоянно изменя­ется и т.д. Например, для ремонтно-механиче­ских подразделений и твердотопливных складов с дробильными помещениями объектов энергетики (исходя из состава реальных отбросных газов) до­статочно установить устройства пылеочистки без учета газообразных загрязнителей. Выбросы же энергетических котлов требуют удаления и дис­персных, и газовых загрязнителей.

При выборе способа и метода очистки и обез­вреживания газовых выбросов от составляющих их компонентов необходимо учитывать:

{ состав выбрасываемых в атмосферу газов;

{ температуру этих газов;

{ наличие взвешенных частиц в выбрасываемых газах;

{ концентрацию газообразных и капельных примесей.

В зависимости от состава выбросов могут быть использованы механические и/или физико­химические методы очистки газовых выбросов.

На рис. 3 показаны возможные методы и спо­собы поэтапной газоочистки от газообразных ком­понентов и взвешенных частиц с учетом типа ап­паратов очистки ГОУ.

С целью улавливания газообразных примесей применяют: конденсацию, т.е. переход вещества из газообразного в жидкое состояние; сорбцию (абсорбции и адсорбции), т.е. поглощение газов твердыми или жидкими веществами; хемосорб­цию, т.е. процесс, при котором поглощаемое ве­щество химически взаимодействует с поглотите­лем. А превращают «отловленные» загрязняющие вещества в безвредные соединения посредством термохимических (термическая деструкция, тер­мическое и термокаталитическое окисление) и химических процессов.

К перспективным способам обработки больших объемов выбросов с невысокими концентрациями органических газообразных загрязнителей можно отнести схему термообезвреживания с предвари­тельным концентрированием загрязнителей посред­ством адсорбции. Такая схема может быть техни­чески и экономически приемлемой при начальной концентрации загрязнителя выше 50 мг/м3. Теплоту, выделяющуюся при сгорании загрязнителей, можно достаточно легко утилизировать. Если концентра­ция горючих загрязнителей может быть доведена ориентировочно до 5–6•10–3 кг/м3, то термообработ­ку можно организовать с незначительным добавле­нием топлива, а при более высоких концентрациях можно ожидать и экономической эффективности работы газоочистной установки.

Все известные методы очистки являются либо «сухими» (гравитационное, инерционное и центро­бежное осаждение, фильтрование через пористые слои различных материалов, осаждение в электроста­тическом поле, в псевдоожиженном слое), либо «мо­крыми» (улавливание взвешенных частиц в мокрых скрубберах самых различных типов и конструкций).

Выбор того или иного метода и способа об­условливают многие факторы: расход, темпера­тура и влагосодержание очищаемого газового выброса, концентрация улавливаемых частиц, их физико-химические свойства, дисперсный состав и т.д., а также, безусловно, энергоэффективность процесса газоочистки, ожидаемые капитальные и эксплуатационные затраты при заданной степени очистки выбросов в атмосферу.

Ниже более подробно рассмотрим некоторые спо­собы и технологии очистки газообразных выбросов.

Абсорбционная газоочистка

Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпонентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдель­ные ингредиенты и поглощать или сорбировать их.

Абсорбцией называют перенос компонен­тов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы, т.е. абсорбция – это процесс избирательного поглощения газа или пара жидкостью. Обратный процесс, т.е. удаление из объема конденсированного ве­щества поглощенных молекул газа, называют дегазацией или десорбцией.

Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют раство­рителем, поглотителем или абсорбентом. Абсор­бент подбирают индивидуально с учетом многих параметров, в т.ч. свойств очищаемого газа, извле­каемых компонентов, их дальнейшего использова­ния и т.д. При организации процесса принимают во внимание также требуемую степень очистки и селективности, экзо- или эндотермическое про­текание процесса, параметры равновесия, а при хемосорбции – тип реакции и многое другое.

Молекулы поглощаемого вещества – абсорба­та удерживаются в объеме поглотителя – абсорбен­та, равномерно распределяясь среди его молекул вследствие растворения или химической реакции.

Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, назы­вают абсорбтивом, а вещество, которое содержит­ся в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу – газом­носителем.

Для очистки газов от газообразных загрязните­лей применяются, например, следующие абсорбенты:

{ для удаления диоксида серы (SO2) – вода, суспензия известняка в воде, водный раствор

поташа или соды;

{ для удаления сероводорода (H2S) – водный раствор фосфата калия или поташа;

{ для удаления диоксида азота (NO2) – вода, раствор серной кислоты, водный раствор соды.

Различают физическую и химическую абсорб­цию, т.е. промывание газа жидкостью, способной извлекать требуемый компонент (или группу ком­понентов). Оба процесса являются массообмен­ными, но существенно различаются. При физиче­ской абсорбции в качестве абсорбента используют воду, а также органические и неорганические рас­творители, не реагирующие с извлекаемыми ком­понентами и их водными растворами.

При физической абсорбции извлекаемый ком­понент растворяется в промывной жидкости, но не вступает с ней в химическую реакцию. Про­цесс подчиняется известным закономерностям массопереноса, в т.ч. закону Генри.

При хемосорбции происходит химическое связывание извлекаемого компонента промывной жидкостью. В качестве абсорбента здесь исполь­зуют водные растворы солей, органические веще­ства и водные суспензии различных веществ.

Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберами.

Все абсорбционные аппараты, относящиеся к группе Х, можно разделить на две большие под­группы – противоточные и прямоточные (рис. 4).

В противоточных аппаратах (рис. 4-а) тес­ный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различны­ми способами жидкости во встречном газовом потоке. В них объемные коэффициенты массо­передачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесценции капель (укрупнение капель) и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.

К достоинствам противоточных полых рас­пыливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивле­ние, возможность работы с загрязненными газа­ми, легкость осмотра, очистки и ремонта.

Недостатки этих аппаратов следующие: невы­сокая эффективность, значительный расход энергии на распыливание жидкости, трудность работы с аб­сорбентом, низкие допустимые скорости газа, значе­ния которых ограничены уносом капель жидкости.

Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы (рис. 4-б), в которых распыленная жидкость захва­тывается и уносится попутным газовым потоком, движущимся с большой скоростью (20–30 м/с и более), а затем отделяется от газа в сепарационной камере. В аппаратах Вентури, основной частью которых является труба Вентури, жидкость посту­пает в конфузор, течет в виде пленки и в пережиме распыливается газовым потоком, который из-за су­жения в пережиме возрастает в 2,5–3,5 раз. Далее жидкость выносится газом в диффузор, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетиче­ская энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в сепарационной камере.

Нужно отметить, что рассмотренные абсорбе­ры относятся к так называемым мокрым скруббе­рам, и в них одновременно могут осуществляться пылеулавливание, охлаждение газов и утилизация тепла. Другими словами, они пригодны для реше­ния комплексных задач. Но при этом подход дол­жен быть еще более индивидуальным, с выделени­ем приоритетов, экономическими оценками и т.д.

Адсорбционная газоочистка

Адсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонента газа, пара или раствора пористой поверхностью твердого тела (адсорбента).

Адсорбцию применяют для очистки газов с невысоким содержанием газо- или парообразных загрязнений до получения их очень низких объ­емных концентраций. Ее используют для улавли­вания из газов вентиляционных выбросов серни­стых соединений, углеводородов, хлора, окислов азота, паров органических растворителей и др.

Процессы адсорбции бывают избирательными и обратимыми. Каждый поглотитель обладает способ­ностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощать другие. Поглощенное вещество всегда мо­жет быть выделено из поглотителя путем десорбции.

В отличие от абсорбционных методов адсорб­ция позволяет проводить очистку газов при повы­шенных температурах.

Целевой поглощаемый компонент, находящий­ся в очищаемом газе, называют адсорбтивом, этот же компонент в адсорбированном состоянии, т.е. поглощенное вещество в адсорбенте, – адсорбатом.

Способность поверхностных частиц (ионов, атомов или молекул) конденсированных тел при­тягивать и удерживать молекулы газа обусловлена избытком энергии на поверхности (по сравнению со средней энергией частиц в объеме тела) и при­суща всем твердым веществам и жидкостям. На практике в качестве адсорбентов выгодно исполь­зовать вещества с развитой удельной (на единицу объема) поверхностью.

Количество адсорбата, удерживаемое на единич­ной площади поверхности раздела фаз, в конечном счете определяется силой взаимодействия между мо­лекулами адсорбируемого вещества и частицами, на­ходящимися в приповерхностных слоях адсорбента.

По характеру взаимодействия адсорбата с по­верхностью различают физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция обусловливается силами межмолекулярного взаимодействия (дисперсионный, ориентационный и индукционный эффекты). Для нее характерна высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью адсорбента и адсорбтивом, ма­лая теплота адсорбции (до 60 кДж/моль).

Химическая адсорбция (хемосорбция) осу­ществляется за счет ненасыщенных валентных сил поверхностного слоя. В ее основе лежит хи­мическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физиче­ской адсорбции, а высвобождающаяся теплота совпадает с теплотой химической реакции (она колеблется в пределах 20–400 кДж/моль).

Преимуществом физической адсорбции яв­ляется легкая обратимость процесса. При умень­шении давления или увеличении температуры ад­сорбируемые молекулы легко десорбируются, а регенерируемый адсорбент может использоваться многократно. Характер протекания процессов за­висит от того, как они протекают: периодически или непрерывно. Периодически процессы прово­дят с неподвижным слоем адсорбента, а непре­рывные – с движущимся или кипящим слоем.

Адсобционная емкость адсорбента выражается в граммах поглощенного вещества на единицу массы адсорбента. Она возрастает с увеличением пористо­сти и давления в системе. Внутренняя поверхность микропор адсорбента радиусом до 15 ангстрем может достигать 1000 м2/г. Хорошие адсорбенты выдержива­ют несколько тысяч циклов адсорбции/десорбции без существенной потери активности. Одним из основных их недостатков является химическая нестойкость к кислороду, особенно при повышенных температурах.

Основная задача адсорберов, относящихся также к группе Х, – обеспечить интенсивный кон­такт очищаемого газа с адсорбентом, например активированным углем (рис. 5).

Хорошими адсорбентами являются также гель кремниевой кислоты (силикагель), глинозем, каолин, некоторые алюмосиликаты (алюмогели), цеолиты и другие вещества, отличающиеся друг от друга природой материала и, как следствие, своими адсорбционными свойствами, размерами гранул, плотностью и др.

Для процессов хемосорбции используется им­прегнирование (пропитывание) некоторых из при­веденных адсорбентов. Импрегнирующие (пропи­тывающие) вещества могут действовать двояко: вступать в реакции с определенными загрязните­лями или катализировать реакции, ведущие к их обезвреживанию – распаду, окислению и т.д.

Аппараты сухой механической очистки газа от твердых частиц

Оборудование для сухой механической очист­ки относится к группе С и может быть квалифи­цировано по следующим признакам: назначению; способу очистки; эффективности и размеру улав­ливаемых частиц (Рис. 5).

По назначению различают воздушные филь­тры и пылеуловители.

По методам очистки пылеуловители разбиты на четыре группы: сухая механическая газоочистка; мокрая газоочистка; фильтрация газа через пористые перегородки; электрическая газоочистка (рис. 6).

Основные характеристики ГОУ – эффектив­ность газоочистки; производительность; гидрав­лическое сопротивление; расход энергии (тепло­вой и электрической); стоимость очистки.

Эффективность очистки, или степень очист­ки, выражается отношением количества уловленных загрязняющих веществ к количеству этих веществ, поступающих на газоочистку. Производительность газоочистки характеризуется количеством воздуха, которое очищается за 1 ч. Гидравлическое сопро­тивление зависит от типа оборудования и опреде­ляет необходимое давление и температуру процесса газоочистки, а значит и расход энергии (обычно расход, например, электроэнергии находится в пре­делах от 0,035 до на 1,0 кВт•ч на 1000 м3 воздуха).

Стоимость очистки в различных ГОУ зна­чительно отличается. Так, если стоимость очист­ки в циклоне принять за единицу, то стоимость очистки такого же количества воздуха составит: в батарейном циклоне – 1,2; в электрофильтре – 2,2; в тканевых фильтрах – 2,8; в системе батарейный циклон – электрофильтр – 3,3.

Заключение

Современная ГОУ включает в себя комплекс машин, механизмов и автоматизированного обо­рудования, которые предъявляют повышенные требования к культуре производства и к специаль­ной подготовке обслуживающего персонала.

Объекты энергетики независимо от форм соб­ственности обязаны обеспечить бесперебойную эффективную работу и безопасную эксплуатацию систем пылегазоочистки, поддерживать в исправ­ном состоянии сооружения, устройства и аппара­ты для очистки выбросов согласно требованиям действующих ТНПА.

«Загрязнение атмосферного воздуха посредством поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух от источников выбросов с превышением уста­новленных нормативов допустимых выбросов и (или) временных нормативов допустимых выбросов загряз­няющих веществ в атмосферный воздух – влечет на­ложение штрафа в размере от четырех до двадцати базовых величин, на индивидуального предпринима­теля – до пятидесяти базовых величин, а на юридиче­ское лицо – до двухсот базовых величин...

 Невыполнение требований по оснащению ста­ционарных источников выбросов ГОУ и автомати­зированными системами контроля за выбросами загрязняющих веществ в атмосферный воздух, а равно нарушение правил эксплуатации газоочист­ных установок – влекут предупреждение или на­ложение штрафа в размере до двадцати базовых величин, на индивидуального предпринимателя – предупреждение или наложение штрафа в размере до семидесяти базовых величин, а на юридическое лицо – предупреждение или наложение штрафа в размере до трехсот базовых величин»8.

 

Статью в полном виде с картинками, рисунками и формулами Вы можете посмотреть в бесплатном номере журнала "Энергосбережение. Практикум", №5, 2019 г. в электронном виде, заказав его по ссылке из сообщения полученного по электронной почте.

Другие статьи