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.