Современные способы очистки выбросов в атмосферу

 

Выбросы в атмосферу вредных веществ ведут к нарушению экологического равновесия природной среды. Основными способами очистки воздуха от паров и газов являются сорбционные и окислительные (Рис.2.3.9.). При применении сорбционных методов вредные вещества извлекаются из газового потока твердыми или жидкими поглотителями. Собственно сорбционные способы можно разделить на две большие группы - адсорбционные иабсорбционные способы.

Адсорбционный метод. При применении адсорбционного метода улавливаются пары многих органических растворителей органических и неорганических веществ. Принцип построения установок очень прост и практически постоянный для работы по улавливанию различных газов. Адсорбционная установка состоит из двух адсорберов, заполненных твердым поглотителем (адсорбентом) и вспомогательного  оборудования. Загрязненная газовоздушная смесь, проходя через слой адсорбента, очищается от вредных примесей, а адсорбент насыщается поглощенным веществом. После полного насыщения поглотитель заменяется новым, а старый регенерируется. Регенерация, как правило, осуществляется обдувкой водяным паром. В результате такой работы, поглотитель очищается, а вредные вещества конденсируется в виде ценных растворителей, и возвращаются в производство. В качестве адсорбентов широко используются вещества с высокоразвитой удельной поверхностью и пористостью, такие как активированный уголь, пемза, силикагель, окись алюминия, цеолиты и другие поглотители.Достоинством адсорбционного метода является высокая эффективность очистки выбросов  от вредных (ядовитых) веществ, которая достигает 97-99 %. Возвращение (рекуперация) уловленного вещества в производства осуществляется в виде товарного продукта. Недостатками адсорбционного метода является высокая эффективность очистки вредных выбросов только при низких температурах. Однако вредные выбросы производства в атмосферу в большинстве своем имеют высокую температуру, что затрудняет применение адсорбционного способа очистки. Существенными недостатками являются ограниченный срок службы адсорбента и большие энергозатраты, связанные с его регенерацией, низкие объемные скорости (м³/с) очистки, что приводит к увеличению адсорбентов.

Абсорбционный метод основан на физическом и химическом поглощении жидкими абсорбентами токсичных газообразных веществ. Обезвреживание производится в скрубберах, барботажных и пенных аппаратах, ловушках, трубах Вентури. В абсорбционной колонне промывочная жидкость, (с которой контактируют загрязненные газы), может быть представлена водой, едким натром, известковым молоком, аммиачной щелочью, раствором соды и др. Эффективность очистки с применением аппаратов различных конструкций колеблется от 90- 99 %.

К недостаткам абсорбционного способа очистки вредных выбросов в атмосферу можно отнести следующие. Это громоздкое оборудование, требующее больших производственных площадей; образование твердых осадков, забивающих оборудование; возникновение коррозионных сред; охлаждение вредных выбросов до температур 30 ⁰ С –40 ⁰ С; нейтрализация сточных вод.

Для санитарной очистки выбросов, имеющих многокомпонентный состав вредных горючих веществ, применяют окислительные способы. Окислительные способы можно разделить на две большие группы – прямое сжигание и каталитическое дожигание.

Каталитическое дожигание (Рис.2.3.15, 2.3.16).

Предприятия промышленности часто выбрасывают в атмосферу вредные выбросы с очень малой концентрацией (до 2 г/м³) токсичных горючих газов. Прямое сжигание их экономически не выгодно, так как для поддерживания высокой температуры (950 ⁰ С – 1300 ⁰ С) требуется большой дополнительный расход топлива.

Процесс очистки газовоздушной смеси при каталитическом дожигании протекает при низкой температуре 250 ⁰ С – 450 ⁰ С, с разрушением молекул органического вещества до СО₂ (диоксида углерода) и H₂O. Преимущество данного способа заключается в его универсальности, так как можно очищать выбросы с различными вредными горючими веществами; простотой аппаратурного оформления; небольшими габаритами; пониженным расходом топлива (на 20 – 60 % меньше, по сравнению с прямым сжиганием) за счет применения катализаторов; высокой эффективностью очистки (97  2 %); отсутствием побочных продуктов очистки.

Прямое сжигание. Если выбросы в атмосферу имеют многокомпонентный состав горючих газов и высокую концентрацию, то необходимо обезвреживать выбросы прямым сжиганием в специальных топочных устройствах (нейтрализаторах) или в открытом диффузионном факеле.

Экономически каталитический способ в три раза дешевле других методов очистки. Выбор технологической схемы очистки и конструкции аппаратов зависит от конкретных условий производства, количества, температуры выбросов, состава и концентрации горючих компонентов и других факторов.

 

 

Рис. 2.3.15. Каталитические нейтрализаторы НК и НКД.

 

Принципиальная схема установки каталитического дожигания включает вентилятор – для протягивания загрязненного воздуха; теплообменник – подогреватель, в котором воздушная смесь нагревается до определенной температуры и контактный аппарат, где на катализаторе при повышенной температуре происходит деструктивное окисление токсичных соединений.

Катализатор должен характеризоваться большой удельной поверхностью, стойкостью к контактным ядам, высокой механической прочностью, термостойкостью, легкостью регенерации, обладать сроком службы от 3 до 5 лет.

Материалом для катализаторов может быть силикагель, окись алюминия, окислы не благородных металлов и т.д. По форме катализаторы могут быть с упорядоченной структурой и насыпные катализаторы (рис.3.5.2.). Насыпные катализаторы представлены в виде проволок, гранул, сеток. Однако они создают высокое сопротивление газовому потоку до 2943 Па и выше. Катализаторы с упорядоченной структурой очень эффективны и по форме напоминают гофрированную ленту, фарфоровые стержни.

 

 

 

Рис.2.3.16. Схема нейтрализатора выхлоп-

ных газов с каталитическим дожиганием:

1 – катализатор; 2 – фильтр грубой очистки;

 3 – фильтр тонкой очистки; 4 – масло и то

пливосборник; 5 – лопатки для выравниния

газового потока; 6 – теплоизоляционный слой; 7 – газы от двигателя; 8 – выход газов в атмосферу

Таким образом, для предупреждения загрязнения атмосферы промышленными выбросами необходимо более широко и квалифицированно применять современные способы очистки и своевременно контролировать их эффективную работу.

По крупности частичек пыль подразделяется на три класса:

I класс – пыль с размерами частиц 30-40 мкм (видимая). Такая пыль видна невооруженным глазом, в спокойном состоянии оседает с возрастающей скоростью, подчиняясь закону Ньютона. Эти частицы пыли способны к коагуляции и диффузии, хорошо задерживаются бумажными и ватными фильтрами.

II класс – пыль с размерами частиц от 0,1 до 30 мкм (микроскопическая). Эти частицы пыли не видны невооруженным глазом, а различимы в проходящем и отраженном свете под микроскопом. В неподвижном воздухе они оседают с постоянной скоростью, подчиняясь закону Стокса. Эти частицы пыли частично коагулируют, задерживаются на бумажных фильтрах.

III класс – пыль с размерами частиц менее 0,1 мкм (ультрамикроскопическая). Такая пыль обнаруживается только в темном поле (ультра микроскопирование), не осаждается даже в неподвижном воздухе, находится в постоянном движении, подчиняясь законам теплового (Броуновского), движения не задерживается на бумажных фильтрах.

Существуют классификации, основанные на составе вещества пылинок. Пыль, находящуюся в дисперсной фазе, можно разделить на органическую, неорганическую и смешанную.

К органической относится пыль животного и растительного происхождения: древесная, хлопчатобумажная и другие. К неорганической относится пыль минеральная, кварцевая, керамическая, цементная, металлическая и т.д.

В зависимости от заряда пыль подразделяется на: положительно заряженную; отрицательно заряженную; нейтральную.

По вредности пыль разделяется на инертную и агрессивную (вступающую в химическое взаимодействие с организмом).

В зависимости от отношения к возгоранию пыль подразделяется на: горючую; негорючую; взрывопожароопасную.

Разновидностями аэрозолей являются: дым (взвешенные в воздухе твердые частички), туман (взвешенные в воздухе капли жидкости).

Классификация способов борьбы с пылью. Средства защиты от пыли разделяются на общие, с помощью средств обеспечивается улучшение условий труда в производственном помещении в целом или на рабочих местах вблизи источников пылеобразования, и индивидуальные, применение которых защищает органы дыхания, лицо и глаза рабочих. К общим средствам защиты относятся системы естественной и искусственной вентиляции, применение различных пыле улавливающих аппаратов для удаления пыли из помещений и рабочих зон непосредственно от мест её образования и ряд организационных мер, направленных на снижение запыленности и уборку пыли на промышленных и рабочих местах. Очистка воздуха от пыли рабочих помещений осуществляется путем улавливания и осаждения ее специальными устройствами. Пылеулавливающие аппараты основаны на различных принципах и имеют разнообразные конструктивные решения. В связи с этим предложены различные классификации пыле улавливающих устройств. Все пыле улавливающие устройства можно разделить на четыре большие группы (рис.2.3.17.): а) сухие, механические аппараты; б) аппараты с применением воды; в) аппараты с применением фильтров; г) комбинированные устройства.

Правильное применение аппаратов любой группы дает положительный эффект по улавливанию пыли. Однако при выборе устройств необходимо учитывать их недостатки. Так, сухие механические аппараты характеризуются вторичным уносом пыли, имеют большие габариты (пылеотстойные камеры), ограниченные области применения по крупности пыли.

Аппараты с применением воды характеризуются потреблением большого ее количества. Использование воды требует дорогостоящей очистки и постройки соответствующих сооружений. В аппаратах с применением воды образуются наросты и кислые жидкости. Существенным недостатком устройств этой группы является вынос частиц жидкости, что отрицательно сказывается на здоровье людей и технологическом оборудовании. Аппараты с

Рис. 2.3.17. Пылеочистные устройства

применением фильтров обычно очень дорогие, требуют регенерации фильтрующего материала или его замены. Электрофильтры характеризуются обратным взметыванием пыли. Электрофильтры категорически запрещается применять, если пыль обладает взрывчатыми свойствами: эта группа аппаратов требует постоянного квалифицированного ухода.

Комбинированным устройствам присущи недостатки тех пыле очистных аппаратов, которые используются в I, II, III группах. Такая классификация дает возможность с учетом технологии работ выбрать эффективные и экономически более выгодные пыле улавливающие аппараты и способствовать сохранению окружающей среды.

Сухие механические аппараты

Принцип работы пылеосадительных камер основан на использовании силы тяжести при медленном движении пылевого потока в камере. На частицу пыли с одной стороны действует сила воздушного потока, которая заставляет пылинку двигаться вдоль камеры со скоростью:

,                       (2.3.31)

где L - длина пылеосадительной камеры, м;t — время движения части цы пыли, с.

На частицу пыли действует сила тяжести, заставляя частицу падать в спокойной среде со скоростью, определяемой по формуле (2.3.22). Тогда скорость движения в пылеосадительных камерах будет равна:

 

(2.3.32)

 

где W₁ — суммарная скорость движения пылинки в камере, м/с. Используя выражения (2.3.23) и (2.3.24), получим:

   (2.3.33)

 

Тогда время пребывания пылинки в камере определяем из выражения:

или,                               (2.3.34)

 

где t₁ — время пребывания пылинки в камере, с.

 

 

Пропускная способность камеры равна:

                                                               (2.3.35)

 

где Q – пропускная способность камеры, м³/с;

H, L, b – соответственно высота, длина, ширина камеры, м.

Подставив в уравнение (2.3.30) выражение (2.3.29), получим:

 

             .                                            (2.3.36)

 

Таким образом, основными параметрами, определяющими эффективность аппаратов по степени очистки в зависимости от диаметра и плотности вещества частиц (2.3.26), являются высота и длина пылеотстойных камер (2.3.29). Как показывает формула (2.3.25), резкое уменьшение скорости движения воздуха увеличивает эффективность улавливания пыли. При скоростях движения воздуха 0,3 - 0,4 м/с улавливаются частицы пыли диаметром 15-25 мкм. Для уменьшения скорости воздуха до 0,02-0,01 м/с приходится строить камеры большого сечения. Вторым направлением по повышению эффективности улавливания пыли в камерах (рис.2.3.14) является устройство перегородок, лабиринтов, полок и других устройств и приспособлений, устанавливаемых на пути движения запыленного воздуха. Это направление дает возможность более эффективно использовать скорость осаждения W₁ за счёт силы тяжести (2.3.26) и использовать эффект оседания и прилипания к поверхности частиц пыли.

Эффективным средством улавливания пыли является циклон (рис.2.3.15.).

Рис. 2.3.19. Схема циклона:

1 – входной патрубок; 2 – дно конической части; 3 – центробежная труба.

 

Циклон представляет собой цилиндр, в верхнюю часть которого по касательной подводится воздух. Воздушная струя получает вращательные движения, пылевые частички за счет центробежных сил прижимаются к стенкам и по ним опускаются вниз. Коэффициент очистки до 90 %, за счет смачивания 95-98 %.

Скорость осаждения пылинок (W₂) в циклонах с использованием центробежной силы оценивается по равенствуцентробежной силы запыленного потока (F_{П. Ц}):

(2.3.37)

 

 

кстоковой силе сопротивления газовой среды:

 

,                                (2.3.38)

 

где m — масса частицы, кг; W₃ — угловая скорость, рад/с; R — радиус вращения потока, м.

Следовательно, эффективность улавливания пыли зависит от диаметра частиц, угловой скорости и радиуса вращения потока воздуха. Однако эти и другие формулы дают только качественную сторону процесса, так как не учитывают турбулентных скоростей потока.

Центробежные пылеотделители (циклоны) более эффективны, чем пыле стойкие камеры, так как циклон с объемом 0,15 м³ имеет производительность 1000 м³/ч. Циклоны различных конструкций (рис.2.4.19) можно ставить на нагнетающий и всасывающий трубопровод. Струя запыленного воздуха поступает из трубопровода в циклон по касательной к его круглому сечению и движется вниз по спирали между наружным кожухом и внутренней выходной трубой. При таком движении на пылинки действуют центробежные силы, отбрасывающие пылинки к стенке, где они укрупняются в агрегаты. С поступательным движением воздуха эти пылинки опускаются в нижний кожух циклона и в приемный бункер. Циклоны эффективны при очистке воздуха от пыли с размером частиц 10 мкм и более. При размере пылинок 5 мкм эффективность работы не превышает уже 50 %, поэтому внутренние стенки циклона увлажняют. Применяют в сочетании с другими способами улавливания пыли. Скорость движения воздуха для эффективной очистки воздуха должна быть не менее 15-18 м/с.

Ультразвуковые аппараты предназначаются главным образом для предварительного укрупнения частичек пыли в агрегаты, размеры которых могут достигать 5-100 мкм. Такое укрупнение (коагуляция) частичек пыли позволяет улавливать их в обычных циклонах. Частицы пыли, находясь в ультразвуковом поле, начинают вибрировать с различными скоростями и сталкиваться. При столкновении они слипаются под действием различных по интенсивности и частоте колебаний звукового поля. Этот процесс называется ортокинетической коагуляцией.

Отметим, что недостатком ультразвуковых установок является вредное воздействие ультразвука на организм человека при больших мощностях, представляющее опасность для жизни людей. Поэтому ультразвуковые аппараты устанавливают в изолированных помещениях, полностью преграждающих выход ультразвуковым волнам в зону работы людей.

Пылеочистные устройства с применением воды. По способу распыливания жидкости аппараты разделяют: сфорсуночным распылением, с распылением под действием потока жидкости (эжекторные пылеуловители), с механическим распылением при помощи роторов, вращающихся лопастей и т.д. В аппаратах, в которых жидкость распыляется в газе и при орошении водой частицы пыли могут оседать на каплях жидкости вследствие взаимодействия сил инерции, касания, оседания под воздействиями силы тяжести и броуновского движения частиц, электростатического напряжения. Инерционные силы заставляют частицу сталкиваться с каплей воды и оседать на ней, в то время как газовый поток обтекает каплю.

Эффективность улавливания пыли растет с увеличением массы и скорости движения частиц, с увеличением диаметра капель и сопротивления среды. Эффективность (hин) инерционного осаждения может быть оценена уравнением:

                                          (2.3.39)

 

 

где dk - диаметр капель, м.

 

Осаждение частиц пыли на каплях воды, за счет эффекта касания, может происходить при пересечении траекторий их движения или когда траектории их движения проходят от поверхности тела на расстоянии, равном радиусу частицы (R1). Если пылинки очень малы, то эффективность зацепления равна hк = 3R1. При обтекании частиц со значительными размерами эффект зацепления hк = 2R1. При небольших размерах капель, малой скорости движения их относительно частиц пыли и если размеры частиц менее 0.1 мкм, то на осаждение частиц существенное влияние оказывает броуновская диффузия (тепловое движение).

Эффективность оседания (hd) определяется из отношения силы тяжести и силы сопротивления.

,            (2.3.40)

 

 

где Wc – скорость осаждения частиц или скорость седиментации, м/с;

Wп – скорость газового потока относительно частиц при их осаждении, м/с.

Параметр hd еще называют коэффициентом осаждения частиц пыли под действием силы тяжести или параметром седиментации.

Процесс взаимодействия частиц пыли, и капли может быть обусловлен электростатическими силами. Тогда эффективность осаждения описывается уравнением:

,                                         (2.3.41)

где gп,gк - соответственно заряд пылинки и

 капли;  – электрическая постоянная газового пространства (e0 = 8,85* Ф/м);

С – коэффициент сопротивления, учитывающий особенность движения небольших частиц.

Общая эффективность осаждения частиц пыли равна:

h об = 1-(1- h ин)·(1- h к)·(1- h d)·(1- h эл).                                      (2.3.42)