Газовоздушные выбросы производства: источники, состав и методы очистки

Выбросы вредных веществ в атмосферу подразделяются на естественные и антропогенные. Естественные выбросы происходят за счет природных процессов. К ним относятся: вулканическая деятельность, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др. Антропогенные, в том числе техногенные, выбросы образуются в результате деятельности человека. Основными техногенными источниками вредных выбросов являются объекты энергетики, сжигающие твердое, жидкое и газообразное топливо, транспорт, и практически все действующие промышленные предприятия, в первую очередь металлургические, горнодобывающие и горнообогатительные, нефтеперерабатывающие и др.

Газовоздушные выбросы традиционно классифицируют по агрегатному состоянию:

  • • газообразные — оксиды серы, азота, углерода, углеводороды с короткой цепыо;
  • • жидкие (туманы) — пары кислот, щелочей, растворов солей, жидких углеводородов и др.;
  • • твердые (пыли, дымы) — твердые взвешенные частицы (ТВЧ), состоящие из оксидов металлов, сажи, смолистых веществ и др.

Жидкие и твердые выбросы относят к аэрозолям. [1]

Пыль — это полидисперсная малоустойчивая система, содержащая более крупные частицы, чем дым. Неорганическая пыль образуется в процессе истирания или измельчения, поэтому форма и размеры частиц промышленной пыли отличаются большим разнообразием — шарики, пластинки, иглы, чешуйки, волокна и т.д.; размер — обычно больше 10~5 м, но может меняться в большую или меньшую сторону. Частицы пыли размером меньше 0,1 мкм могут слипаться и образовывать агломераты, поэтому понятие размера частицы условно. Пыль является основным загрязняющим компонентом при горных разработках, переработке руд и металлов, при производстве минеральных солей и удобрений, строительных материалов и др. Промышленная пыль органического происхождения — это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и т.д.

Дым представляет собой монодиснерсную достаточно стабильную систему с малой скоростью оседания. Дымы образуются как следствие процессов сжигания топлива и его деструктивной переработки, а также в результате химических реакций, например при взаимодействии аммиака и хлороводорода, окислении паров металлов в электрической дуге и т.д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли, и составляют от 10~9 до 10 5 м.

Туман состоит из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении. По размерам частиц туманы ближе к пыли — от 10-7 до 10~5 м. В промышленных выбросах туманы формируются в основном из кислот — серной, азотной, фосфорной и др., или паров жидких углеводородов. К газообразным и парообразным веществам, содержащимся в промышленных газовоздушных выбросах, относятся: кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты. Эта группа вредных примесей наиболее многочисленна.

Рассмотрим процессы и аппараты, используемые для очистки газообразных и аэрозольных выбросов. Основная задача газоочистки — снижение содержания токсичных веществ в газовых выбросах до уровня ПДК. При содержании в воздухе нескольких токсичных веществ их суммарная концентрация не должна превышать единицы. При отсутствии технологических возможностей обеспечить полную очистку применяют выброс газов через высокие дымовые трубы, что обеспечивает рассеивание загрязняющих веществ и снижение их концентраций до уровня ПДК в приземном слое, при этом рассчитывается предельно допустимый выброс (ПДВ) (методику расчета см. практическую работу в гл. 2). Выбор метода очистки для обезвреживания газовоздушных выбросов зависит от физико-химических свойств примесей, их агрегатного состояния, степени дисперсности и химического состава. В целом все эти методы защиты можно подразделить на сухие и мокрые.

Методы сухой механической очистки газовых выбросов от аэрозолей.

К сухим методам очистки относятся: гравитационное осаждение, инерционное и центробежное пылеулавливание, фильтрация. Все эти методы относятся к механическим методам очистки и основаны на силах гравитации. Как правило, в схеме очистки газовоздушной смеси используют последовательно сразу несколько очистных устройств.

Гравитационное осаждение проводится в пылеосадительных камерах разного типа и основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока[2] (рис. 5.3).

Схема полой пылеосадительной камеры

Рис. 53. Схема полой пылеосадительной камеры:

1 — входной патрубок; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — бункеры

Рабочие габариты аппаратов гравитационного улавливания достаточно большие, поскольку параметры осадительной камеры определяются размером наименьших частиц — чем мельче частицы, тем больше скорость и длиннее пройденный путь. На практике в системе вентиляции в качестве пылеосадителей часто используют гибкие аспирационные гофрированные рукава, имеющие простое аппаратурное исполнение и обеспечивающие высокую степень очистки от взвешенных частиц. Гравитационное осаждение целесообразно использовать для предварительной, грубой очистки газов от крупных частиц диаметром более 100 мкм, при этом степень очистки не превышает 40—50%.

Инерционное пылеулавливание также основано на свойстве взвешенных частиц продолжать движение по инерции при изменении направления газового потока. На этом принципе основаны разнообразные конструкции жалюзийных пылеулавливателей и вентиляционных решеток (рис. 5.4). Камерные инерционные пылеулавливатели используют для грубой и средней очистки. Скорость движения газового потока в камере около 1 м/с, при этом улавливаются частицы пыли размером 25-кЗО мкм с эффективностью очистки 65^-85%. Частицы пыли размером меньше 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Помимо низкой эффективности недостаток этого метода — быстрое истирание и забивание щелей.

Жалюзийный пылеулавливатель (а) и схема камерного инерционного пылеулавливателя (б)

Рис. 5.4. Жалюзийный пылеулавливатель (а) и схема камерного инерционного пылеулавливателя (б)

Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, влияющей на твердые частицы разного размера и возникающей при завихрении загрязненного газового потока. Такие аппараты называются циклонами (рис. 5.5). В другом аппаратурном оформлении могут вращаться части самого аппарата, тогда они называются ротоклонами, кроме того, но конструкции камеры циклоны подразделяются на цилиндрические, конические и прямоточные. Общий принцип действия циклона основан на том, что газовый поток подают под давлением в цилиндрическую часть циклона тангенциально, он описывает спираль по направлению к дну конической части. В нижней части газовый поток меняет направление движения на противоположное и устремляется вверх через турбули- зованное ядро потока у оси циклона. Под действием центробежной силы частицы пыли прижимаются к внутренним стенкам наружного цилиндра и собираются в пылесборнике. Циклоны широко применяются для улавливания частиц размером более 10 мкм, т.е. при грубой и средней очистке газа от аэрозолей1. Принцип действия циклона используется также в бытовых пылесосах-циклонах.

Для обеспечения механической очистки газового потока от сухих аэрозолей в производстве и быту применяются различные конструкции фильтров. В таких устройствах газовый поток проходит через фильтрующий материал, при этом частицы пыли задерживаются волокнами фильтра. В зависимости от используемого фильтрующего материала фильтры подразделяются на:

  • • тканевые (хлопок, шерсть, химические волокна и др.);
  • • волокнистые (стекловолокно, хлопок с асбестом, асбоцеллюлоза);
  • • зернистые (керамика, металлокерамика, пластмасса)[3] [4].
Устройство цилиндрического циклона

Рис. 5.5. Устройство цилиндрического циклона:

а — схема; б — внешний вид

Кроме механических фильтров для очистки выбросов от взвешенных частиц используют электрические фильтры, принцип действия которых основан па ионизации и осаждении взвешенных частиц под действием электрического тока. На первой стадии взвешенные частицы приобретают электрический заряд под действием поля высокого напряжения (25— 100 кВ) коронирующих электродов; затем происходит движение и прилипание заряженных частиц к осадительным электродам в поле высокого напряжения выпрямленного тока. Удаление прилипшей пыли к электродам осуществляется за счет их периодического встряхивания (рис. 5.6). С помощью электрофильтров достигается высокая степень очистки газовоздушных выбросов — выше 90%.

В результате применения сухих механических методов очистки газовоздушных выбросов образуются большие объемы твердых пылевидных многокомпонентных отходов. В случае высокой токсичности такие отходы чаще всего подлежат захоронению. Однако в некоторых случаях в результате очистки могут образовываться монокомпонентные отходы, являющиеся ценным вторичным сырьем. Например, при плавке свинцового лома в аспирационных рукавах улавливаются большие количества свинцовой пыли. После прессования и брикетирования эта пыль поступает на вторичную переплавку вместе с ломом.

Рассмотрим методы мокрой очистки газовоздушных выбросов от газов и аэрозолей. Мокрая очистка газов основана на принципах использования сорбционных физико-химических процессов — абсорбции и хемосорбции объемом жидкости. Обе технологии предполагают промывку газа жидкостью (водой или растворами химических веществ) при возможно более развитой поверхности контакта фаз и возможно более интенсивном массоб- мене. Таким образом, обеспечивается очистка газов от частиц пыли, дыма, капелек жидкости или газа-загрязнителя. Чаще всего влажные методы применяют на заключительной стадии механической очистки, особенно при необходимости охлаждения. Очистка проводится в скрубберах, конструкции которых различаются в зависимости от того, каким способом осуществляется контакт между разделами фаз реагирующих веществ и жидкости-сорбента. Принципиально можно выделить три основных способа пыле- и газоулавливания: в объеме жидкости, в пленочном слое жидкости или на поверхности распыленной жидкости (рис. 5.7).

Принципиальная схема действия электрофильтра

Рис. 5.6. Принципиальная схема действия электрофильтра:

АТ — регулирующий автотрансформатор и источник питания;

Т — повышающий трансформатор; В — высоковольтный выпрямитель;

R — сопротивление; Эк — коронирующий электрод;

Э0 — осадительный электрод

Первый тип устройств относится к скрубберам барботажпого типа, которые называются пенными или флотационными скруберами. В этом случае сорбция происходит на поверхности пузырька газа, барботиру- ющего через жидкость. За счет сил поверхностного натяжения частицы загрязнителя прилипают к поверхности пузырька воздуха и образуют загрязненную пену, которая затем удаляется и собирается в виде влажного шлама. Для увеличения поверхностного натяжения к раствору добавляют поверхностно-активные вещества — флокулянты.

Второй тип устройств относится к скрубберам пленочного типа. Устройство скруббера предполагает подачу под давлением загрязненного газа тангенциально к поверхности жидкости. Частицы загрязнителя, ударяясь о поверхность, захватываются верхним пленочным слоем жидкости, затем осаждаются в нижней части скруббера и выводятся в виде шлама. Очищенный газ, отражаясь от поверхности раздела фаз, собирается в верхней части и выводится через патрубок.

Третий тип устройств относится к скрубберам капельного типа, в которых обеспечивается очистка газа за счет сорбции на поверхности капель жидкости, формируемых в специальных распылительных устройствах - диффузорах. Технологическими разновидностями скрубберов являются орошаемые циклоны, пенные аппараты, скрубберы Вентури.

Схемы основных способов мокрого пылеулавливания в скрубберах

Рис. 5.7. Схемы основных способов мокрого пылеулавливания в скрубберах

(по М. Д. Харламовой, Д. А. Кривошеину, 2007): а — в объеме жидкости; 6 — пленками жидкости; в — распыленной жидкостью; 1 — пузырьки газа; 2 — капли жидкости; 3 — твердые частицы

При очистке газовоздушных смесей от аэрозолей вся твердая фаза переходит в шламовый остаток, поэтому влажные способы газоочистки по существу только переводят загрязнители из газовых выбросов в твердые отходы.

В случае хемосорбции растворенные газы могут сорбироваться жидкой поверхностью физически либо вступать в химические реакции с жидким сорбентом, образуя новые химические соединения, которые могут обладать новыми полезными свойствами. Например, наиболее распространенным случаем обезвреживания газовых выбросов является очистка воздуха от аммиака. При этом в качестве сорбента можно использовать воду или растворы кислот. С водой аммиак образует нестабильный гидроксид аммония NH4OH, а в случае азотной кислоты образуется нитрат аммония NH4N03 — аммиачная селитра, являющаяся ценным минеральным удобрением. Таким образом, использование хемосорбции часто помогает избежать образования вредных отходов, образующихся в результате очистки, и обеспечить ресурсосбережение. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, является экзотермическими и обратимыми.

Для улавливания и обезвреживания газообразных примесей, например оксидов серы и азота, сероводорода, углеводородов, применяются также методы адсорбции, каталитического и термического окисления.

Адсорбция — физико-химический процесс, основанный на селективном поглощении газообразных веществ твердыми сорбентами (уголь, торф, силикагель, цеолиты и др.), за счет развитой микропористой поверхности. В адсорберах очищаемый газовый поток подается снизу вверх через слой сорбента, как правило, в гранулированной форме. Примером бытового использования адсорбции являются кухонные вытяжки, в которых в качестве сорбента используется активированный уголь. Химические примеси связываются сорбентом, который впоследствии можно регенерировать или утилизировать сжиганием. Недостатки использования адсорбционных установок — низкая скорость процесса и высокая стоимость периодической регенерации сорбента.

Термическое окисление предусматривает высокотемпературное 750— 900°С, как правило, факельное сжигание вредных примесей. Его применяют для сжигания горючих веществ, например летучих углеводородов. В этом случае сами примеси являются топливом, а образующуюся тепловую энергию можно утилизировать. Твердых отходов при этом не образуется, и при сжигании в закрытых камерах и соблюдении технологических режимов такой способ утилизации является рентабельным и достаточно безопасным.

Каталитическое окисление является разновидностью термического окисления, но протекает при более низких температурах за счет использования катализатора. В некоторых случаях катализаторами являются сорбенты, используемые в процессе очистки, например активированный уголь или цеолиты. Примером каталитического процесса очистки может служить окисление диоксида серы и образование серной кислоты на угольном катализаторе в присутствии паров воды. В качестве твердофазных катализаторов могут также использоваться оксиды металлов, полиоксидные соединения. Каталитическое окисление обеспечивает глубокую очистку газов (до 99%) при относительно невысоких температурах и давлении, а также в случае низких концентрациях примесей, однако при каталитической обработке может происходить образование новых вредных химических соединений, для которых требуется дополнительная очистка.

  • [1] Гринин А. С., Новиков В. Н. Указ. соч.
  • [2] Харламова М. Д., Зволинский В. П., Кривошеин Д. А. Указ. соч.
  • [3] Харламова М. Д, Зволинский В. П., Кривошеин Д. А. Указ. соч.
  • [4] Там же.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >