Тема 9. Защита атмосферы. Методы очистки атмосферы, новые технологии

9.1. Состав, количество и опасность аэрополлютантов

9.2. Экологизация технологических процессов и оптимизация размещения источников загрязнения

9.3. Классификация систем и методов очистки газов и показатели эффективности

9.4. Улавливание промышленных пылей

9.5. Очистка выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей

Современная практика охраны воздушного бассейна включает следующие подходы: 1) разработку соответствующих законодательных актов; 2) экологизацию технологических процессов; 3) организацию санитарно-защитных зон; 4) очистку выбросных газов от вредных веществ; 50 меры по снижению выбросов автотранспорта; 6) государственный экологический контроль за охраной атмосферного воздуха.

9.1. Состав, количество и опасность аэрополлютантов

Техногенные выбросы в воздушную среду включают десятки тысяч различных соединений. Однако наиболее распространенные, «многотоннажные» загрязнители сравнительно немногочисленны. Это различные твердые частицы (пыль, дым, сажа), окись углерода (СО), диоксид серы (SO₂), окислы азота (NО и NO₂), различные летучие углеводороды (СН_х), соединения фосфора, сероводород (H₂S), аммиак (NH₃), хлор (С1₂), фтористый водород (HF). Общая масса выбросов от всех организованных источников составляет около 800 млн т, в том числе в России - около 36 млн т. В эти количества не входят загрязнения воздуха при ветровой эрозии, лесных пожарах и вулканических извержениях, а также та часть вредных веществ, которая улавливается с помощью различных средств очистки отходящих газов.

Наибольшая загрязненность атмосферы приурочена к индустриальным регионам. Около 90% выбросов приходится на 10% территории суши и сосредоточено в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Особенно сильно загрязняется воздушный бассейн крупных промышленных городов, где техногенные потоки тепла и аэрополлютантов, особенно при неблагоприятных метеоусловиях (высоком атмосферном давлении и термоинверсиях), часто создают явления смога - токсичных смесей тумана, дыма, углеводородов и вредных окислов. Такие ситуации сопровождаются значительными превышениями ПДК многих аэрополлютантов.

В России среди промышленных центров, наиболее сильно загрязняющих атмосферу, первые места занимают города Норильск (2300 тыс. т в год), Магнитогорск (770), Липецк (640), Череповец (600), Новокузнецк (570), Нижний Тагил (550 тыс. т в год). Более 200 городов России с суммарной численностью населения в 65 млн человек испытывают постоянные превышения ПДК. Жители некоторых городов систематически сталкиваются с превышениями ПДК в 10 и более раз. Среди них, кроме названных, необходимо отметить такие крупнейшие города, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Новосибирск, Самара, Омск, Кемерово, Барнаул, Хабаровск и др.

Между тем Россия в целом не является основным поставщиком вредных выбросов в атмосферу. Потоки аэрополлютантов в расчете на одного жителя и единицу площади страны значительно ниже, чем в США и странах Западной Европы. Зато они заметно выше в расчете на единицу ВНП. Это свидетельствует о высокой ресурсоемкости производства, устаревших технологиях и недостаточном применении средств очистки выбросов. Из 25 тысяч российских предприятий, загрязняющих атмосферу, лишь 40% оборудованы пылегазоочистными установками, из которых 20% не работают или работают неэффективно. Это одна из причин повышенных эмиссий некоторых малых по массе, но токсичных загрязнителей - углеводородов и тяжелых металлов.

Россия занимает невыгодное географическое положение по отношению к трансграничному переносу аэрополлютантов. В связи с преобладанием западных ветров значительная доля загрязнения воздушного бассейна Европейской территории России обусловлена аэрогенным трансграничным переносом из стран Западной и Центральной Европы и ближнего зарубежья. Около 50% соединений серы и окислов азота на Европейскую часть России поставляют Украина, Польша, ФРГ и Великобритания.

Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяют индекс суммарного загрязнения атмосферы:

где q_i – средняя за год концентрация в воздухе i-го вещества;

A_i – коэффициент опасности i-го вещества, обратный ПДК этого вещества: A_i =1/ПДК_i;

С_i – коэффициент, зависящий от класса опасности вещества: С_i равно 1,5; 1,3; 1,0 и 0,85 соответственно для веществ 1, 2, 3 и 4-го классов опасности.

1_т является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для т = 5 - наиболее значимых концентраций веществ, определяющих суммарное загрязнение воздуха.

В эту пятерку чаще других попадают такие вещества, как бенз(а)пирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс 1_т изменяется от долей единицы до 15-20 - чрезвычайно опасных уровней загрязнения.

9.2. Экологизация технологических процессов и оптимизация

размещения источников загрязнения

Это направление можно считать наиболее эффективным в системе мер по охране воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. К нему относится, прежде всего, создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, которые исключают или существенно снижают попадание в воздух вредных веществ.

Подобное направление природоохранных мероприятий предусматривает также создание непрерывных технологических процессов (по принципу «отходы одних являются сырьем для других предприятий»), замену сети мелких котельных установок на централизованное теплоснабжение, замену угля и мазута на природный газ и т. п.

В то же время, как показывает опыт, в приземном слое атмосферы вблизи крупных энергетических установок (ГРЭС, ТЭЦ, ТЭС) и других предприятий содержание вредных веществ в отходящих газах нередко превышает предельно допустимые нормы, несмотря на меры по очистке газов и экологизацию технологических процессов. В этих случаях прибегают к рассеиванию пылегазовых выбросов с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. На ряде предприятий высота дымовых труб достигает более 300 м. Так, на медно-никелевом комбинате в г. Садбери (Канада) высота трубы 407 м. Значительную высоту (не менее 100 м) имеют вентиляционные (выбросные) трубы на АЭС для рассеивания радиоактивных выбросов. Следует признать, что рассеивание газовых примесей в атмосфере - это далеко не самое лучшее решение проблемы, связанной с загрязнением воздушного бассейна. Снижая его на местном уровне, ничего не предпринимается в этом аспекте на глобальном.

Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов - сложная, комплексная проблема, вклад в ее решение вносят и мероприятия по рациональному размещению источников загрязнений:

- вынесение промышленных предприятий из крупных городов в малонаселенные районы с непригодными и малопригодными для сельскохозяйственного использования землями;

- расположение промышленных предприятий с учетом топографии местности и розы ветров;

- установление санитарно-защитных зон (ССЗ) вокруг промышленных предприятий;

- рациональная планировка городской застройки.

Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода года. Промышленные объекты как источники выделения вредных веществ в окружающую среду должны располагаться за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов.

Здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещаются по ходу производственного процесса. При недостаточном расстоянии между корпусами загрязняющие вещества могут накапливаться в межкорпусном пространстве, которое оказывается в зоне аэродинамической тени. Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.

9.3. Классификация систем и методов очистки газов и показатели

эффективности

Основным направлением охраны окружающей среды, в том числе и атмосферного воздуха от вредных выбросов должна быть разработка малоотходных и безотходных технологических процессов. Однако такую задачу следует полагать стратегической и рассчитанной на длительный период. А в настоящее время наиболее распространенным и технически более простым решением указанной проблемы является разработка эффективных систем очистки, улавливания и переработки газообразных, жидких и твердых примесей.

Системы очистки газов от вредных примесей представлены на рис. 11.

Для выбора очистного устройства и расчета всей системы очистки необходимо знать основные характеристики, в т. ч. эффективность, гидравлическое сопротивление и производительность.

Общая эффективность очистки определяется по соотношению:

η = (С_вх – С_вых)/С_вх,

где С_вх, С_вых - массовые концентрации примеси в газе до и после аппарата (фильтра).

Гидравлическое сопротивление определяется как разность давлений воздушного потока на входе и выходе из аппарата.

Производительность систем очистки показывает, какое количество воздуха проходит через нее в единицу времени (м³/ч).

Рис. 11 Системы и методы очистки вредных выбросов

9.4. Улавливание промышленных пылей

Аппараты обеспыливания газов можно разбить на 4 группы: 1) сухие пылеуловители - механические устройства, в которых пыль отделяется под действием сил тяжести, инерции или центробежной силы; 2) мокрые, или гидравлические, аппараты, в которых твердые частицы улавливаются жидкостью; 3) пористые фильтры, на которых оседают мельчайшие частицы пыли; 4) электрофильтры, в которых частицы осаждаются за счет электрической ионизации газа и содержащихся в них пылинок.

Сухие пылеуловители. К этим устройствам относятся осадительные камеры, инерционные пылеуловители, циклоны.

Весьма простыми устройствами являются пылеосадительные камеры, в которых за счет увеличения сечения воздуховода скорость пылевого потока резко падает, вследствие чего частицы пыли выпадают под действием сил тяжести. Пылеосадительные камеры используют для очистки от крупных частиц пыли и применяют в основном для предварительной очистки воздуха (рис.12).

Рис. 12 Полая пылеосадительная камера: 1 - корпус; 2 - бункер; 3 – штуцер

для удаления пыли

Эффективными пылеуловителями являются инерционные аппараты, в которых пылевой поток резко изменяет направление своего движения, что способствует выпадению частиц пыли. Широко распространенными инерционными пылеуловителями являются циклоны. В них частицы пыли движутся вместе с вращающимся газовым потоком и под воздействием центробежных сил оседают на стенках. Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуловителей, например, ротационные, вихревые, радиальные. При общих принципах действия они различаются системами пылеулавливания и способами подачи воздуха.

В основе работы пористых фильтров, предназначенных для тонкой очистки, лежит процесс фильтрации газов через пористую перегородку, в результате чего твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. На рис. 13 представлена схема процесса фильтрования: в корпусе 1 фильтра расположена воздухопроницаемая перегородка 2, на которой оседают улавливаемые частицы 3.

Рис. 13 Схема процесса фильтрования

В электрофильтрах очистка газов от пыли происходит под действием электрических сил. По способу удаления осажденной на электродах пыли электрофильтры делятся на сухие и мокрые. В сухих электрофильтрах пыль удаляется с электродов путем встряхивания. Появление влаги в сухих аппаратах может вызвать осложнение при удалении пыли с электродов и их коррозию.

В мокрых электрофильтрах удаление пыли производится путем смыва ее с поверхности электродов орошающей жидкостью. Мокрые электрофильтры могут также применяться для улавливания из газовых потоков жидких частиц в виде тумана или капель.

Мокрые пылеуловители. Указанные устройства имеют одну весьма важную особенность: они обладают высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной (менее 1 мкм) пыли. Имеются и другие достоинства, среди которых: 1) относительно небольшая стоимость и высокая эффективность улавливания взвешенных частиц; 2) возможность очистки газов при относительно высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгорания и взрывов очищенных газов или уловленной пыли. В качестве существенного недостатка можно указать на то, что уловленная пыль представлена в виде шлама, аэто вызывает необходимость обработки сточных вод, т. е. удорожает процесс.

Работают указанные системы по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения.

Большое распространение (в основном из-за простоты конструкции) получили полые форсуночные скрубберы (рис. 14). Они представляют собой колонну круглого сечения, в которой осуществляется контакт между запыленным газом и каплями жидкости (обычно водой).

К недостаткам процесса мокрого пылеулавливания относят: а) возможность щелочной или кислотной коррозии при очистке некоторых газов; 6) ухудшение условий последующего рассеивания через заводские трубы очищенного, но увлажненного газа; в) происходит загрязнение отводимой из аппарата воды вредными для водоемов ПАВ.

Рис. 14 Скрубберы: а - полый форсуночный (1 - корпус; 2 - форсунки); б - насадочный с поперечным орошением (1 - корпус; 2 - форсунка; 3 - оросительное устройство; 4 - опорная решетка; 5 - насадка; 6 - шламосборник)

Весьма эффективны комбинированные методы очистки от пыли.

9.5. Очистка выбросов от токсичных газо- и парообразных

примесей

С этой целью разработаны три основные группы методов очистки: 1) промывка выбросов растворителями содержащейся в них примеси (абсорбционный метод); 2) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод) и 3) обезвреживание примесей путем каталитического превращения в менее опасные вещества.

Метод абсорбции состоит в том, что газовоздушная смесь разделяется на составные части путем поглощения одной или нескольких примесей поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Так, с целью удаления из выбросов таких газообразных веществ, как NH₃, HC1 и др., можно применять в качестве поглотительной жидкости воду.

Абсорбция может быть физической или химической, когда абсорбент и поглощаемый компонент не взаимодействуют или, напротив, взаимодействуют с образованием нового вещества. В последнем случае процесс называется хемосорбцией.

В промышленных абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения более высокого контакта с газовой средой. Все аппараты жидкостной абсорбции делятся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы. На практике чаще всего используют насадочные и пустотелые абсорберы с форсунками.

Если очищаемые газы содержат пыль, то ее предварительно улавливают, а затем газовый поток направляется в абсорбционную установку. Абсорбционные методы применяются для очистки газов от сероводорода, сероуглерода, оксидов серы, азота и углерода, галогенов и их соединений.

Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты и: промышленных выбросов с помощью адсорбентов - твердых тел с ультрамикроскопической структурой, обеспечивающей им очень высокое значение удельной поверхности. К таким адсорбентам относятся, например, активный уголь и глинозем, силикагель и другие вещества.

Адсорбционные методы применяют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку при повышенных температурах.

Адсорбционные методы широко применяются при производстве хранении и использовании летучих растворителей, потери которых с выбросными газами достигают 800-900 тыс. т/год. Хемосорбционная очистка отходящих газов может быть организована на основе различных твердых веществ, способных вступать в химическое взаимодействие с удаляемыми компонентами. Например, для улавливания диоксида серы из дымовых газов теплоэнергетических агрегатов в их топки вдувают тонкоразмолотые известняк СаСО₃.

Суть каталитической газоочистки заключается в превращении токсичных примесей в другие продукты (мало- или нетоксичные) в присутствии катализаторов. При этом различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.

Каталитическая очистка промышленных выбросов применяется для обезвреживания широкого спектра токсичных ингредиентов: оксидов азота, монооксида углерода, паров органических веществ, включая сероорганические соединения. В качестве катализаторов используются металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий) или более дешевые, но менее эффективные составы, включающие никель, хром, Цинк, кобальт, марганец, церий и другие элементы.

Все шире применяются гетерогенные катализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей от оксида углерода, оксида азота и углеводородов (рис. 15).

Рис. 15 Двухступенчатый каталитический нейтрализатор

Выхлопные газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, где нейтрализуется оксид азота (до молекулярного азота). После восстановительного катализатора для создания окислительной среды к выхлопным газам подается воздух через патрубок 3. На окислительном катализаторе 4 происходит нейтрализация оксида СО (до СО₂) и углеводородов. В результате концентрации оксида углерода и углеводородов снижаются соответственно в 10 и 8 раз.

Характерной особенностью катализаторов является их высокая избирательность действия относительно какой-либо химической реакции. Это означает, что катализатор окисления СО, скорее всего, не может ускорять разложение NO. Однако известны случаи проявления катализаторами более широких функциональных возможностей.

Термическое обезвреживание или высокотемпературное дожигание применяют для легкоокисляемых токсичных, а также дурнопахнущих примесей. Его преимуществами являются относительная простота и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов. Подобные способы широко используют в лакокрасочных производствах, процессах получения многих видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, при обезвреживании и окраске деталей и изделий. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. В случае органических веществ продуктами сжигания являются водяные пары и диоксид углерода.

Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать необходимое время пребывания обрабатываемых газов в аппарате при температуре, гарантирующей возможность достижения заданной степени их обезвреживания (нейтрализации). Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания с целью сокращения этих затрат (рис. 16).

Рис. 16 Схема термического нейтрализатора с теплообменником

Биологические (биохимические) методы очистки основаны на способности микроорганизмов разрушать практически любые соединения как природного, так и искусственного происхождения. При фильтрации загрязненных дымовых газов через носитель биомассы, предварительно пропитанный на воздухе питательным раствором для развития микроорганизмов, улавливаются газообразные органические вещества. Последние далее разлагаются под воздействием ферментов (катализаторов природного происхождения), вырабатываемых микроорганизмами. Частично эти вещества расходуются на прирост биомассы, а частично окисляются до СО₂ и Н₂О; выделяющаяся при этом энергия обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов.

Важнейшими элементами питания и последующего развития микроорганизмов служат кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, кальций, магний, калий и железо. В процессе газоочистки часть этих элементов микроорганизмы получают, потребляя органические компоненты фильтруемого (очищаемого) газа, другую часть - из питательного раствора, смачивающего носители биомассы.

Биофильтр представляет собой аппарат высотой 3,5 м, в поперечном сечении - квадрат со стороной 2 м (рис. 17). Максимальная концентрация токсичных веществ на входе - до 1,5 г/м³. Основой биофильтра является специально полученная для конкретных условий культура микроорганизмов (биомасса), которая окисляет органические соединения до СО₂ и Н₂О. Срок службы ее практически не ограничен. Носителями биомассы могут быть различные материалы природного происхождения: древесные опилки, солома злаковых культур и др. Питательный раствор постоянно орошает носители биомассы, уложенные на горизонтальных решетках. Важное условие нормальной работы биофильтра - строгое соблюдение температурного режима внутри его: 20-35°С.

Рис. 17 Схема биофильтра: 1 - носители биомассы; 2 - питательный раствор; 3 - насос; 4 – решетка

Биологический метод очистки – универсален. Он предназначен для обезвреживания выбросов от широкого спектра органических соединений.