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, 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 (О ) 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 (Н ) 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 журнале "Энергосбережение. Практикум", №5, 2019 г.  Оформление подписки по телефону в редакции (017) 336-13-60.