Основные методы защиты биосферы от промышленных выбросов - Венцель В. Д. и др. Основы промышленной экологии и проиродопользования

Универсальных методов защиты биосферы, радикально решающих проблему борьбы с загрязнениями, пока не существует, и только сочетание нескольких научно обоснованных мероприятий в каждом конкретном случае может привести к желаемому эффективному результату.

Рассмотрим известные методы защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.

Технологический метод – непосредственное воздействие на технологические процессы, являющиеся источниками загрязнения. При этом проблема устранения загрязнений решается радикально, но их разработка и внедрение связаны с трудоемкими дорогостоящими мероприятиями: реконструкцией предприятий и изменением существующей технологии; значительными капитальными затратами; проведением специальных научно-исследовательских проектно-конструкторских работ; решением сложных технологических и организационных задач не только научно-технического, но и социально-экономического плана.

Организационно-технический метод – уменьшение концентраций и уровней загрязнения на пути их распространения в биосфере. Этот метод предполагает борьбу при помощи технических средств с уже образовавшимся, результате существующего технологического процесса, загрязнением.

Планировочные мероприятия. Этот метод позволяет за счет рационального размещения источников загрязнения снизить их влияние на человека. Промышленное предприятие должно располагаться на возвышенном месте, хорошо продуваемом ветрами. Площадка жилой застройки не должна быть выше предприятия, в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания промышленных выбросов практически сводится на нет. Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров (преимущественному направлению ветров) теплого периода года.

Производственные здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещают по ходу производственного процесса. Вместе с тем цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.

Средства защиты атмосферы. На практике реализуются следующие варианты использования средств защиты атмосферы:

– локализация токсичных веществ в зоне их образования, очистка загрязненного воздуха в специальных аппаратах и его возврат в производственное или бытовое помещение;

– локализация токсичных веществ в зоне их образования, очистка загрязненного воздуха, технологических и газовых выбросов или отработанных газов в специальных аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере.

Классификация аппаратов очистки вентиляционных и технологических выбросов в атмосферу приведена на рис. 1 [4].

Рис. 1. Классификация аппаратов очистки вентиляционных технологических газовых выбросов

Размер частиц, мкм	Аппарат	Эффективность очистки
40–1000	Пылеосадительные камеры	до 0,75
5–1000	Циклоны	0,85–0,95
0,05–100	Фильтры тканевые, волокнистые, мокрые	0,7–0,999
0,01–10	Электрические пылеуловители	до 0,999

Пылеулавливающее оборудование отделяет твердые частицы от газового потока. Выбор метода и аппарата для улавливания пыли в первую очередь зависит от их дисперсного состава.

Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов, использующие инерционный механизм осаждения пыли.

Один из них представлен на рис. 2. Газовый поток вводится в циклон через патрубок 1 по касательной к внутренней поверхности корпуса 2 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 3. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа происходит при повороте газового потока в бункере на 180°. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 4.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель на практике более применимы скрубберы Вентури
(рис. 3). Запыленный поток газа через сопло Вентури 1 подается со скоростью 15–20 м/с. В конфузорной части сопла происходит разгон газа в узкой части сопла до скорости 30–200 м/с, сюда же через центробежную форсунку 2 подводится вода на орошение. В диффузорной части сопла поток тормозится до скорости 15–20 м/с и подается в каплеуловитель 3, выполненный в виде прямоточного циклона. К недостаткам мокрых пылеуловителей относится образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность либо капель жидкости, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Броуновское движение характерно для частиц пыли не менее 1 мкм, которые не обладают достаточной кинетической энергией и при сближении обычно огибают капли.

В основе работы фильтров лежит процесс задерживания частиц примесей на пористых перегородках фильтроэлементов. Широко используются для изготовления фильтроэлементов различные ткани и войлоки из синтетических волокон, губчатая резина, пенополиуретан стружка, керамика, пористые металлы, гравий и др.

Электрический пылеуловитель. Работа электрического пылеуловителя основана на создании сильного электрического поля при помощи выпрямленного тока высокого напряжения, подводимого к коронирующим и осадительным электродам. При прохождении запыленного воздуха через зазор между электродами происходит ионизация молекул воздуха с образованием положительных и отрицательных ионов. Ионы, адсорбируясь на частицах пыли, заряжают их положительно или отрицательно, после чего пыль оседает на электродах с зарядом противоположного знака. Эти электроды периодически встряхиваются при помощи специального механизма, после чего пыль собирается в бункере, откуда удаляется. Принципиальная схема двухзонного электрофильтра типа ФЭ и РИОН приведена на рис. 4.

Рис. 4. Двухзонный электрофильтр ФЭ и РИОН:
1 и 2 – положительные и отрицательные электроды соответственно;
3 и 4 – осадительные электроды

В электрофильтре загрязненный воздух со скоростью V~2 м/с проходит ионизатор, в состав которого входят положительные 1 и отрицательные 2 электроды. Зарядившиеся частицы пыли воздушными потоками увлекаются в осадитель, представляющий собой систему пластин осадительных электродов 3 и 4, где частицы оседают на пластинках противоположной полярности.

Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используют волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием сил тяжести.

Туманоуловители разделяют на низкоскоростные (рис. 5) и высокоскоростные (рис. 6).

В пространство между двумя цилиндрами 3, изготовленными из сеток, помещается волокнистый фильтроэлемент 4, который крепится через фланец 2 к корпусу туманоуловителя 1. Жидкость, осевшая на фильтроэлементе, стекает на нижний фланец 5 и затем через трубку гидрозатвора 6 и стакан 7 сливается из фильтра.

Волокнистые низкоскоростные туманоуловители обеспечивают очень высокую эффективность очистки (до 0,999) газа от частиц размером менее 3 мкм и полностью улавливают частицы большего размера. Волокнистые слои формируются набивкой стекловолокна диаметром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон (лавсан, ПВХ, полипропилен) диаметром от 12 до
40 мкм. Толщина слоя составляет 5–15 см.

На рис. 6 показана конструкция высокоскоростного волокнистого туманоуловителя с цилиндрическим фильтрующим элементом 1, который представляет собой перфорированный барабан с глухой крышкой. V_r = 2 – 2,5 м/с. В барабане установлен глубоко волокнистый войлок 2 толщиной 3–5 мм. Вокруг барабана по его внешней стороне расположен брызгоуловитель 3, представляющий собой набор перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент. Брызгоуловитель и фильтроэлемент нижней частью установлены в слой жидкости. Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие габаритные размеры и обеспечивают эффективность очистки газа от тумана с частицами менее
3 мкм, равную 0,90–0,98 при Δр=1500 – 2000 Па. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях используются войлоки из полипропиленовых волокон, которые успешно работают в среде разбавленных и концентрированных кислот (H₂SO₄, HCl, HF, Н₃РО₄, HNO₃) и крепких щелочей.

Аппараты для улавливания паров и газов. Абсорберы.

Метод абсорбции – очистка газовых выбросов от газов и паров, основанная на поглощении последних жидкостью. Решающим условием для применения метода абсорбции являтся растворимость паров или газов в абсорбенте. Простейшим абсорбентом является вода, которая применяется для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый и фтористый водород, двуокись серы. В качестве абсорбентов, в зависимости от улавливаемого газа, применяют соли натрия, калия, железа, ароматические амины, аммиачные растворы, щелочи, вязкие масла и другие вещества.

Для высокоэффективного протекания процесса абсорбции применяют различные абсорберы: насадочные башни, форсуночные, барботажно-пенные и другие скрубберы. Конструкция простейшей насадочной башни приведена на рис. 7. Загрязненный газ входит в нижнюю часть башни, а очищенный покидает ее через верхнюю, куда при помощи одного или нескольких разбрызгивателей вводят чистый абсорбент, а из низшей отбирают обработанный раствор.

Химически инертные насадки, заполняющие внутреннюю полость колонки, предназначены для увеличения поверхности жидкости, растекающейся по ней в виде пленки. В качестве насадок используют тела различной геометрической формы, выполненные из керамики, фарфора, пластмассы, металла.

Отработанный раствор, покидающий абсорбер, обычно подвергают регенерации, десорбируя загрязняющее вещество, возвращают в процесс или выводят в качестве отхода.

Хемосорберы. Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода с применением мышьяково-щелочного раствора. При этом сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе:

Проводя регенерацию раствора, получают в качестве побочного продукта серу:

Для реализации процесса хемосорбции используют те же аппараты, что и при абсорбции, – насадочные башни, различные типы скрубберов.

Адсорберы. Метод адсорбции основан на способности некоторых тонкодисперсных тел селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты газовой смеси. Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения, а при хемосорбции происходит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбирующим веществом. Адсорберы применяют для очистки воздуха от паров растворителей, эфира, ацетона, различных углеводородов, сернистого ангидрида, паров ртути и т.д. В качестве адсорбентов, в зависимости от вида извлекаемого газа, применяют активированный уголь, авизированный глинозем, силикагель, синтетические цеолиты и другие вещества.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. В качестве примера можно привести патроны с адсорбентом, применяемые в фильтрующих респираторах и противогазах.

Термические нейтрализаторы. Термическая нейтрализация основана на способности горючих газов и паров, входящих в состав вентиляционных или технологических выбросов, сгорать с образованием менее токсичных веществ.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда очищаемые газы обладают значительной энергией, достаточной для поддержания горения.

Примером такого процесса является факельное сжигание горючих отходов. Так нейтрализуют цианистый водород в вертикально направленных факелах на нефтехимических заводах.

Термическое окисление находит применение в тех случаях, когда очищаемые газы имеют высокую температуру, но не содержат достаточно кислорода, или когда концентрация горючих веществ незначительна и недостаточна для поддержания пламени. В первом случае процесс термического окисления проводят в камере с подачей свежего воздуха (дожигания СО, С_nН_m), а во втором – при подаче дополнительно природного газа.

Каталитическое дожигание используют для превращения токсичных компонентов, содержащихся в отходящих газах, в нетоксичные или менее токсичные путем их контакта с катализаторами. На практике в качестве катализаторов используют платину, палладий, оксиды меди, марганца, другие благородные металлы и их соединения. Данным методом обезвреживают оксиды углерода, летучие углеводороды, растворители, отработанные газы. В качестве примера рассмотрим реакцию окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски. Реакция протекает в присутствии марганцевой руды при температуре t = 250–350 °С:

Каталитические методы очистки применяют и для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.

Аппараты многоступенчатой очистки. Одноступенчатые системы не всегда обеспечивают высокоэффективную очистку выбросов. Для повышения эффективности очищаемые газы последовательно пропускают через несколько автономных аппаратов очистки или через один агрегат, включающий несколько ступеней очистки. Многоступенчатую очистку применяют также и в том случае, когда необходима очистка воздуха одновременно от газов и твердых примесей, от твердых примесей и капельной жидкости, от нескольких газов.

Применение конкретных методов и соответствующих аппаратов зависит от вида загрязняющих веществ и от заданной степени очистки воздуха.

Процесс очистки от вредных примесей с применением любого способа очистки характеризуется рядом параметров, основными из которых являются эффективность очистки

где С_вх и С_вых – массовые концентрации примесей в газе до и после очистки. Если очистка ведется в системе последовательно соединенных аппаратов, то их общая эффективность очистки определяется по формуле

где η₁, η₂, … , η_n– эффективность очистки 1-го, 2-го, ... , n-го аппаратов.

Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу

2.5. Основные методы защиты биосферы от промышленных выбросов