Защита урбанизированных территорий и природных зон от опасного воздействия техносферы

Защита атмосферного воздуха от выбросов

Средства защиты атмосферного воздуха от выбросов объектов экономики, средств транспорта и т. п. включают:

• — очистку выбросов от примесей в специальных аппаратах и устройствах перед поступлением газов в атмосферу;
• — рассеивание очищенных выбросов в атмосферном воздухе.

Для очистки отходящих газов от примесей нашли свое применение следующие аппараты и устройства:

• — сухие пылеуловители (циклоны, фильтры, электрофильтры, рукавные фильтры, адсорберы);
• — аппараты мокрой очистки (скрубберы Вентури, барботажно-пенные пылеуловители, туманоуловители, абсорберы, хемосорберы);
• — аппараты термической и каталитической нейтрализации газовых выбросов.

Широкое применение получили циклоны (рис. 13.1), в которых газовый поток вводится через патрубок2 по касательной и внутренней поверхности корпуса 1. Далее поток совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по бункеру 4. Отделение частиц пыли от газа происходит иод действием центробежных сил, возникающих при вращении газа и его повороте к входу выходной трубы 3.

Многие задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются с помощью цилиндрических (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2).

Рис. 13.1. Схема циклона.

и конических (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СДК-ЦП-33) циклонов НИИОГАЗа. Цилиндрические циклоны предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.

Конические циклоны серии СК, предназначенные для очистки газа от сажи, обладают повышенной эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет большего гидравлического сопротивления циклонов серии СК.

Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны, состоящие из большого числа параллельно установленных циклонных элементов. Конструктивно они объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа. Опыт эксплуатации батарейных циклонов показал, что эффективность очистки у таких циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока газов между циклонными элементами.

Электрическая очистка (электрофильтры) — один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах. Для этого применяют электрофильтры.

Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим 1 и осадительным 2 электродами (рис. 13.2), адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд, и получают тем самым ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от подвижности ионов, траектории их движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, электрофильтры обычно делают с короной отрицательной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц невелико и измеряется долями секунды. Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием аэродинамических сил и силы взаимодействия электрического поля и заряда частицы.

Рис. 13.2. Схема электрофильтра.

Большое значение для процесса осаждения пыли на электродах имеет электрическое сопротивление слоев пыли. По величине электрического сопротивления различают:

• 1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (< 10⁴ Ом см), которые при соприкосновении с электродом мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возникает сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый ноток; противодействует этой силе только сила адгезии; если она оказывается недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очистки;
• 2) пыли с удельным электрическим сопротивлением от КГ до 10¹⁰ Ом см; они хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании;
• 3) пыли с удельным электрическим сопротивлением более 10¹⁰ Ом-см; они труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значительной степени препятствует осаждению новых частиц.

В реальных условиях снижение удельного электрического сопротивления пыли можно осуществить увлажнением запыленного газа.

Определение эффективности очистки запыленного газа в электрофильтрах обычно проводят по формуле Дейча.

где W₃ — скорость движения частицы в электрическом поле, м/с; F — удельная поверхность осадительных электродов, равная отношению поверхности осадительных элементов к расходу очищаемых газов, м² • с/м³.

Из формулы Дейча следует, что эффективность очистки газов зависит от показателя степени W₃F_yjl:

W₃F_ya…3,0 3,7 3,9 4,6.

rj .V…0,95 0,975 0,98 0,99.

Для тонкой очистки газов от частиц и капельной жидкости применяют различные фильтры. Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении через них дисперсных сред. Принципиальная схема процесса фильтрования в пористой перегородке показана на рис. 13.3. Фильтр представляет собой корпус 7, разделенный пористой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении фильтроэлемента. Частицы примесей оседают на входной части пористой перегородки, образуя на поверхности перегородки слой 3, и задерживаются в порах. Для вновь поступающих частиц этот слой становится частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность очистки фильтра и перепад давления на фильтроэлементе.

Рис. 133. Схема фильтра.

Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.

По типу перегородки фильтры бывают следующих разновидностей: с зернистыми слоями (неподвижные, свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); полужесткими пористыми перегородками (вязаные и тканые сетки, прессованные спирали и др.); жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.).

Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов получили рукавные фильтры (рис. 13.4).

Аппараты мокрой очистки газов — мокрые пылеуловители — имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с с1_ч > 0,3 мкм, а также возможностью очистки от пыли нагретых и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до температуры точки росы; необходи;

Рис. 13.4. Рукавный фильтр:

1 — рукав; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — блок регенерации; 5 — входной патрубок мость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность либо капель, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель на практике более применимы скрубберы Вентури (рис. 13.5). Основная часть скруббера — сопло Вентури 2. В него подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В копфузорной части сопла происходит разгон газа от вход;

Рис. 135. Схема скруббера Вентури

ной скорости (W_r = 15^-20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 80—200 м/с и более.

Процесс осаждения ныли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла поток тормозится до скорости 15—20 м/с и подается в каплеуловитель 3. Каплеуловитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона.

Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей при начальной концентрации примесей до 100 г/м³. Если удельный расход воды на орошение составляет 0,1—6,0 л/мин, то эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли с различными размерами d₄ частиц равна:

d₄, мкм…1 5 10.

ц…0,70−0,90 0,90−0,98 0,94−0,99.

Скрубберы Вентури широко используют в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц более 0,3 мкм достигает 0,999, что вполне сравнимо с высокоэффективными фильтрами.

К мокрым пылеуловителям относятся барботажно-пенные пылеуловители с провальной (рис. 13.6, а) и переливной решетками (рис. 13.6, б). В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от пыли путем осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим работы аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе 1 аппарата до 2—2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из аппарата. Современные барботажнопенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли — 0,95—0,96 при удельных расходах воды 0,4—0,5 л/м³. Практика эксплуатации этих аппаратов показывает, что они весьма чувствительны к неравномерности.

Рис. 13.6. Схема барбогажно-ненного пылеуловителя с провальной (а) и переливной (б) решетками подачи газа под провальные решетки. Неравномерная подача газа приводит к местному сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов склонны к засорению.

Метод абсорбции — очистка газовых выбросов от газов и паров основан на поглощении последних жидкостью. Для этого используют абсорберы. Решающим условием для применения метода абсорбции является растворимость паров или газов в абсорбенте. Так, для удаления из технологических выбросов аммиака, хлороили фтороводорода целесообразно применять в качестве абсорбента воду. Для высокоэффективного протекания процесса абсорбции необходимы специальные конструктивные решения. Они реализуются в виде насадочных башен (рис. 13.7), форсуночных барботажно-пенных и других скрубберов.

Работа хемосорберов основана на поглощении газов и паров жидкими или твердыми поглотителями с образованием малорастворимых или малолетучих химических соединений. Основными аппаратами для реализации процесса являются насадочные башни, барботажно-пенные аппараты, скрубберы Вентури и т.н. Хемосорбция — один из распространенных методов очистки отходящих газов от оксидов азота и паров кислот. Эффективность очистки от оксидов азота составляет 0,17—0,86 и от паров кислот — 0,95.

Рис. 13.7. Схема насадочной башни:

1 — насадка; 2 — разбрызгиватель.

Термическая нейтрализация основана на способности горючих газов и паров, входящих в состав вентиляционных или технологических выбросов, сгорать с образованием менее токсичных веществ. Для этого метода используют нейтрализаторы. Различают три схемы термической нейтрализации: прямое сжигание; термическое окисление; каталитическое дожигание.

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 циановодород в вертикально направленных факелах на нефтехимических заводах. Разработаны схемы камерного сжигания отходов. Такие дожигатели можно использовать для нейтрализации паров токсичных горючих или окислителей при их сдувах из емкостей.

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 (дожигание оксида углерода и углеводородов), 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. Для реализации процесса необходимо, кроме наличия катализаторов, поддержание таких параметров газового потока, как температура и скорость газов.

В качестве катализаторов используют платину, палладий, медь и др. Температуры начала каталитических реакций газов и паров изменяются в широких пределах — 200—400 °С. Объемные скорости процесса каталитического дожигания обычно устанавливают в пределах 2000—6000 ч (объемная скорость — это отношение скорости движения газов к объему каталитической массы).

Каталитические нейтрализаторы применяют для обезвреживания оксида углерода, летучих углеводородов, растворителей, отработавших газов и т. п.

Термокаталитические реакторы с электроподогревом типа ТКРВ разработаны Дзержинским филиалом НИИОГАЗа. Они предназначены для очистки газовых выбросов сушильных камер окрасочных линий от органических веществ и других технологических производств.

Каталитическая нейтрализация отработавших газов ДВС на поверхности твердого катализатора происходит за счет химических превращений (реакции окисления или восстановления), в результате которых образуются безвредные или менее вредные для окружающей среды и здоровья человека соединения.

С целью решения проблемы негативного влияния автотранспорта на состав атмосферы в городах и селитебных зонах применяют нормирование и контроль токсичности выбросов.

Классификация топлива, принятая в России, определяется количеством серы в его составе. Так, содержание серы в бензинах 3-го класса составляет 150 мг/кг, 4-го класса — 50, а 5-го — всего 10 мг/кг. Таким образом, чем выше класс топлива, тем ниже концентрация вредных веществ в его составе и продуктах сгорания. Эта классификация соответствует международной европейской классификации EURO («ЕВРО»),.

Легкие автотранспортные средства с массой от 0,4 до 3,5 т и числом пассажиров до 8, помимо места водителя, имеют в соответствии с действующими Правилами 83 ЕЭК ООН нормативные требования, приведенные в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Нормы токсичных выбросов с ОГ двигателей (дизелей) серийных автомобилей с полной массой до 3,5 т.

Россия приняла нормы ЕЭК OOII в качестве национальных стандартов. По многим причинам отечественная автомобильная промышленность не в состоянии производить продукцию, соответствующую нормативам ЕВРО-3 и ЕВРО-4. Правительством РФ принято постановление о введении нормативов ЕВРО-3 с 1 января 2013 г. в полном объеме. В то же время иностранные производители, создающие совместные предприятия на территории России, обязаны соблюдать нормы ЕЭК ООН в объеме и в сроки, принятые в ЕС. В настоящее время в Российской Федерации действует технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ».

Нефтяная компания «Лукойл» в 2005 г. приступила к поставке на рынок бензина по нормам «ЕВРО-4». Объем поставок более 500 тыс. т. В 2011 г. эта компания уже поставляет на рынок бензин по нормам «ЕВРО-5».

Для высокоэффективной очистки выбросов необходимо применять аппараты многоступенчатой очистки. В этом случае очищаемые газы последовательно проходят несколько автономных аппаратов очистки или один агрегат, включающий несколько ступеней очистки. В системе последовательно соединенных аппаратов общая эффективность очистки равна.

где 'П₁, Г|2, …, Т|" — эффективность очистки 1-, 2- и и-го аппаратов.

Такие решения находят применение при высокоэффективной очистке газов от твердых примесей; при одновременной очистке от твердых и газообразных примесей; при очистке от твердых примесей и капельной жидкости и т. п. Многоступенчатую очистку широко применяют в системах очистки воздуха с его последующим возвратом в помещение.