Технология защиты воздушного бассейна (атмосферы) от загрязнений

Виталий Чихарин

Этот краткийобзор технологии защиты атмосферы не рассчитан на специалистов, многое в немсильно упрощено (для специалистов есть толстые и подробные книги), но он даетосновное понятие о методах очистки.

Для начала --вещь, которую следует четко понять и усвоить, и повторять которую я, возможно,буду еще несколько раз: технология сама по себе ничего не значит. Почтинаверняка имеется способ очистить любые выбросы от любых загрязненийпрактически до нулевой их концентрации. Единственная проблема, сколько этобудет стоить: повышение степени очистки на порядок (например, с 90% улавливается/10%уходит до 99% улавливается/ 1% уходит ) приводит к увеличению стоимостипримерно в 10 раз. Так что дело не в технологии, а в экономическойцелесообразности ее применения.

Сначала немноготерминологии.

Здесь и далеепод загрязняющим веществом (ЗВ)мы будем понимать любое вещество, находящееся в неположенных количествах и/илив неположенное время и/или в неположенном месте.

Эмиссиейзагрязняющих веществ называется выброс ЗВ (загрязняющих веществ).

Источникивыбросов делят на:

организованные(например, дымовая труба предприятия);

инеорганизованные (например, неплотность в аппарате).

Второе деление:

стационарные(трубы предприятий)

и передвижные(автомобили, железнодорожный транспорт и т.п.).

Наконец,выбросы деляется на подвергающиеся очистке (это могут быть выбросы только оторганизованных источников) и неподвергающиеся очистке -- от неорганизованныхисточников и от части организованных. Конечно, выбросы ЗВ можно также делить всоответствии с характером содержащихся в них ЗВ.

Основнымиисточниками выбросов в атмосферу являются промышленные предприятия иавтотранспорт. Доля автотранспорта колеблется в широких пределах и зависит отстраны и района. По России эта величина составляет (в среднем) около 13%.Состав загрязнений от промышленных предприятий зависит от типа производства. Ввыбросных газах автотранспорта преобладают оксиды азота, соединения свинца(если в качестве антидетонатора используется тетраэтилсвинец, от чего внастоящее время практически отказались), полициклические ароматические углеводороды(ПАУ), а также сажа и оксид серы (для дизельных двигателей).

Для любогопредприятия важно, чтобы схема очистки выбросных газов была наиболее дешевойпри выбранной степени очистки (как по капитальным, так и по текущим затратам),позволяла повторно использовать ценные компоненты, находящиеся в выбросныхгазах, а аппаратура и сооружения занимали бы возможно меньшую площадь.

Степень очисткиопределяется относительно величины ПДВ (предельно допустимых выбросов, то естьтакого количества выбрасываемых в атмосферу загрязнителей, которое обеспечит ихконцентрацию в приземном слое, не превышающую ПДК - предельно допустимуюконцентрацию), либо по величине ВСВ (временно согласованных выбросов).

Величинаконцентрации в приземном слое рассчитывается по утвержденным методикам и вобщем и целом зависит от характеристики трубы - ее высоты, диаметра; свойстввыбросных газов - их температуры, скорости истечения; метеорологическиххарактеристик - скорости ветра, частоты низких инверсий. Из вышеизложенногоясно, что при одном и том же количестве выбрасываемых загрязнителей можноуложится в ПДК, просто увеличив высоту трубы. Поэтому, например, в Сибири, гдечастота низких инверсий выше, чем в европейской части России, высота трубпромышленных предприятий больше. Также в областях с большей средней силой ветрарассеивание происходит быстрее и для предприятия расположенного в этом районевеличина ПДВ по сравнению с предприятием того же профиля и той же мощностибудет выше.

Теперьрассмотрим собственно технологии очистки. Все методы очистки делятся нарегенеративные и деструктивные. Первые позволяют возвращать в производствокомпоненты выбросов, вторые трансформируют эти компоненты в менее вредные.

В случае, еслив газовом потоке содержатся ценные вещества (например, летучие растворители),может быть выгоднее использовать регенеративные методы (но все опять-такиопределяется экономической целесообразностью: возможно, себестоимость выделенияэтих компонентов будет больше их цены). Все зависит от характеристикзагрязнителя и его концентрации в газовом потоке: чем она меньше, тем дорожевыделение.

По другомупризнаку все методы очистки можно разделить на реагентные и безреагентные.Использование дополнительных реагентов, естественно, удорожает процесс.

Наконец, методыочистки газовых выбросов можно разделить по типу обрабатываемого компонента(очистка от аэрозолей - от пыли и тумана, очистка от кислых и нейтральных газови так далее).

Обычно,аэрозоли (взвеси твердых или жидких частичек в газе) имеются в каждом выбросе.Для их удаления используются следующие методы очистки:

гравитационные-- в них осаждение взвешенных частичек происходит под действием силы тяжести:газовый поток с небольшой скоростью проходит через определенный аппарат, приэтом наиболее крупные взвешенные частицы падают на дно и затем удаляются;

инерционные --в них используется резкое изменение направления движение газового потока:взвешенные частицы по инерции продолжают движение, ударяются о специальноустановленные преграды и либо прилипают к ним, либо падают на дно и удаляются.К классу аппаратов, основанных на этом методе, относится, например, жалюзийныйпылеуловитель - газовый поток проходит через жалюзи, элементы которыхустановлены под углом к направлению его движения.

Сюда жеотносятся аппараты, где осаждение происходит под действием центробежной силы(центробежная сила является частным случаем силы инерции). Самымираспространенными из таких аппаратов являются циклоны. На их устройстве я быхотел остановится подробнее, ввиду того, что почти никакое производство без нихне обходится. Очень часто вся очистка заключается в пропускании газового потокачерез циклон, например, на мебельных и деревообрабатывающих производствах.

Циклон - этовертикальный аппарат, верхняя часть которого представляет собой цилиндр, анижняя - конус, сужающийся к основанию аппарата. Внутри (соосно) находится ещеодна труба меньшего диаметра, доходящая примерно до середины конусной части(впрочем, этой внутренней трубы может и не быть). Загрязненный газовый потокподводится тангенциально (то есть по касательной) в верхней части аппарата,закручивается спиралью и опускается вниз. Отброшенные центробежной силойвзвешенные частицы ударяются о стенки и падают вниз, где под днищем аппаратаобычно имеется бункер. Очищенный газовый поток в нижней части закручивается вобратную сторону и поднимается вверх, выходя из верхней части аппарата. Чемменьше диаметр циклона, тем эффективнее он очищает, но тем меньше егопроизводительность, поэтому газовый поток можно распараллелить и пуститьодновременно в несколько маленьких циклонов (батарею).

основанные нафильтрации (используются фильтры из ткани, нетканого полотна, а также жесткиефильтры -- насыпные или сита). Материал фильтра может иметь щелочную реакцию,тогда он помогает очистить газовый поток также от кислых газов (SOx,NOx). Фильтры регенерируют продувкой в обратном направлении иливстряхиванием.

электрическиеметоды очистки. При этом способе очистки газовый поток направляется вэлектрофильтр, где проходит в пространстве между двумя электродами -коронирующим и осадительным. Частицы пыли заряжаются, движутся к осадительномуэлектроду, разряжаются на нем. Таким методом можно очищать пыли с удельнымсопротивлением от 100 до 100 млн. Ом*м. Пыли с меньшим удельным сопротивлениемсразу же разряжаются и улетают, а с большим - образуют плотный изолирующий слойна осадительным электроде, резко уменьшая степень очистки. Методомэлектрической очистки можно удалять не только пыли, но и туманы. Очисткаэлектрофильтров производится путем смыва пыли водой, вибрацией или с помощьюударно-молоткового механизма.

различныемокрые методы - использование пенных аппаратов, скрубберов.

Возможныкомбинации всех этих методов (например, фильтроциклон - комбинация циклона ифильтра, центробежный скруббер -- практически орошаемый водой циклон и т.д.).При выборе конкретного метода очистки руководствуются его стоимостью, объемамиподлежащих очистке газовых потоков, характеристиками взвешенных частиц(дисперсионный состав, плотность пыли, смачиваемость, электропроводность).

Для очистки отгазов применяют следующие методы:

адсорбция, тоесть поглощение твердым веществом газового (в нашем случае) компонента. Вкачестве адсорбентов (поглотителей) применяют активные угли различных марок,цеолиты, силикагель и другие вещества. Адсорбция -- надежный способ,позволяющий достигать высоких степеней очистки; кроме того, это регенеративныйметод, то есть уловленный ценный компонент можно вернуть обратно впроизводство. Применяется периодическая и непрерывная адсорбция. В первом случаепо достижении полной адсорбционной емкости адсорбента газовый поток направляютв другой адсорбер, а адсорбент регенерируют - для этого используется отдувкаострым паром или горячим газом. Затем ценный компонент можно получить изконденсата (если для регенерации использовался острый пар); для этой целииспользуется ректификация, экстракция или отстаивание (последнее возможно вслучае взаимной нерастворимости воды и ценного компонента). При непрерывнойадсорбции слой адсорбента постоянно перемещается: часть его работает напоглощение, часть - регенерируется. Это, конечно, способствует истираниюадсорбента. В случае достаточной стоимости регенерируемого компонентаиспользование адсорбции может быть выгодным. Например, недавно (весной 2001года) проведенный для одного из кабельных заводов расчет участка рекуперацииксилола показал, что срок окупаемости составит менее года. При этом 600 тксилола, которые ежегодно попадали в атмосферу, будут возвращены впроизводство.

абсорбция, тоесть поглощение газов жидкостью. Этот метод основан либо на процессерастворения газовых компонентов в жидкости (физическая адсорбция), либо нарастворении вместе с химической реакцией -- химическая адсорбция (например,поглощение кислого газа раствором с щелочной реакцией). Этот метод такжеявляется регенеративным, из полученного раствора можно выделить ценныйкомпонент (при использовании химической адсорбции это не всегда возможно). Влюбом случае вода очищается и хотя бы частично возвращается в системуоборотного водоснабжения.

термическиеметоды -- являются деструктивными. При достаточной теплотворной способностивыбросного газа его можно сжечь напрямую (все видели факелы, на которых горитпопутный газ), можно применить каталитическое окисление, или (при малойтеплотворной способности газа) использовать его в качестве дутьевого газа впечах. Получающиеся в результате термического разложения компоненты должны бытьменее опасными для окружающей среды, чем исходный компонент (например,органические соединения можно окислить до углекислого газа и воды -- если нетдругих элементов, кроме кислорода, углерода и водорода). Этот метод позволяетдобиться высокой степени очистки, но может стоить дорого, особенно еслииспользуется дополнительное топливо.

различныехимические методы очистки - как правило связанные с использованиемкатализаторов. Таковым, например, является каталитическое восстановлениеоксидов азота из выхлопных газов автотранспорта (в общем виде механизм этойреакции описывается схемой:

где в качествекатализатора kt используется платина, палладий, рутений или другие вещества).Методы могут требовать применения реагентов и дорогих катализаторов.

биологическаяочистка - для разложения загрязняющих веществ используются специально подобранныекультуры микроорганизмов. Метод отличается низкими затратами (реагентовиспользуется мало и они дешевые, главное - микроорганизмы живые и размножаютсясами, используя загрязнения как пищу), достаточно высокой степенью очистки, нов нашей стране, в отличие от Запада, широко распространения, к сожалению, покане получил.

конденсация,компримирование - физические методы очистки, применимые лишь при значительныхконцентрациях ЗВ в выбросе.

В заключениехотелось бы добавить следующее: на многих функционирующих сейчас предприятияхсистемы очистки не позволяют добиться концентраций в приземном слое ниже ПДК(да и сами величины ПДК постоянно пересматриваются в сторону снижения). Частьэлементов системы очистки выбросов не работает, часть работает в нештатном режиме,на закупку нового оборудования нет денег, а если бы даже и нашлись деньги, егоэксплуатация сильно повысит себестоимость продукции. Так что никакая технологиясама по себе для охраны природы ничего не сделает. Нужны "правилаигры", которые сделают выгодным затраты на природоохранные мероприятия.

Глоссарий

Краткий словарьиспользованных терминов:

ВСВ

временносогласованный выброс -- выбросы вредных веществ, установленные для аналогичныхпо профилю и мощности предприятий, имеющих лучшую на данный момент технологиюпроизводства.

Инверсия (инверсионный слой)

такоевертикальное распределение температур в атмосфере, когда с увеличением высотытемпература воздуха не падает, а растет.

Низкая инверсия

инверсия внижнем слое атмосферы. При этом затруднено вертикальное перемешивание воздуха,а следовательно, затрудняется рассеивание ЗВ в атмосфере.

Острый пар

водяной пар внепосредственном контакте с каким-то компонентом (если контакт через стенку --это глухой пар).

ПДВ

предельнодопустимый выброс -- такое количество вредного вещества, выбрасываемых изконкретного источника, которое с учетом рассеивания не даст в приземном слоеконцентрации выше ПДК (к сожалению, здесь не учитываются санитарные нормы --концентрация веществ может быть значительно ниже ПДК, но вещества эти имеютвесьма неприятные органолептические -- ощущаемые органами чувств -- свойства.Каждый, кто проходил, например, мимо табачной фабрики мог в этом убедится).

ПДК

предельнодопустимая концентрация вредного вещества -- та концентрация вредного вещества,присутствие которого в воздухе в течение определенного промежутка временипрактически не повлияет на здоровье человека и его потомков. Различают ПДКр.з.(рабочей зоны), ПДКм.р. (максимально разовое) и т.д. Обратитевнимание на это определение, потому что часто ПДК путают с летальнойконцентрацией (мол, если концентрация выше ПДК -- вдохнул и все). На самомделе, значение ПДК -- именно та концентрация, которая (по современнымпредставлениям) совершенно не влияет на здоровье человека и его потомков(другое дело, что значения ПДК часто пересматривались, когда выяснялось, чтосчитавшееся практически безвредным вещество на самом деле чрезвычайно опасно --как это случилось с винилхлоридом, асбестом и многими другими веществами). Есливеществ несколько, безопасность проверяется по формуле 1/S ПДКi?1 (ксожалению, эта формула не учитывает синергестического, то естьвзаимоусиливающие свойства веществ).

Ректификация

методразделения веществ (смеси), основанный на разнице температур кипения этих веществ.

Экстракция

методразделения веществ (смеси), основанный на их различной растворимости вопределенном растворители. Компоненты смеси извлекаются путем перевода их изодной жидкой фазы (например, водного раствора) в другую (например, какой-либоорганический растворитель), играющую роль экстрагента.

Рекуперация (отходов)

процессизвлечения ценных веществ, участвующих в технологическом процессе, ивозвращения их в исходном товарном виде для повторного использования.

Списоклитературы

Для подготовкиданной работы были использованы материалы с сайта http://geographer.ru/