Совершенствование и экологизация технологии заключается в создании безотходных технологических процессов на основе:
· разработки принципиально новых технологий и технологических средств;
· комплексного использования сырья и утилизации отходов производства;
· повышения эффективности работы пыле - газоулавливающих установок;
· организации территориально-промышленных комплексов с замкнутой системой использования вещества, включая отходы производства.
Экологизация технологии достигается также такими приемами, как:
· создание более прогрессивных в отношении уменьшения загрязнения окружающей среды технологических схем;
· замена вредных веществ в производстве безвредными или менее вредными;
· перепрофилирование производства, например, вместо производства антибиотиков наладить производство готовых лекарственных форм;
· ликвидация производства;
· очистка сырья от вредных примесей, например, предварительное удаление серы из топлива;
· замена сухих способов переработки пылящих материалов, например, сухого помола в цементной промышленности на мокрый, в результате которого ликвидируется выброс пыли еще на стадии технологического процесса;
· замена местных котельных на централизованные крупные ТЭЦ и ТЭС;
· использование топлива с меньшим количеством продуктов сгорания, например, замена угля и мазута на природный газ;
· электрификация производства, транспорта и быта, например, замена пламенного нагрева электрическим (применение электропечей в стекольной промышленности);
· использование трубопроводного, гидро- и пневмотранспорта для перемещения пылящих материалов;
· замена прерывистых технологических процессов непрерывными и др.
Перечисленные выше технологические мероприятия не охватывают всех возможных приемов экологизации технологии для снижения выбросов в атмосферу.
Самой действенной мерой охраны атмосферного воздуха является строительство предприятий, работающих по принципу безотходного производства, исключающих выбросы в атмосферу. Это принципиально новый подход, основанный на цикличности использования материальных потоков. Эта цикличность подсказана самой природой, и она должна стать основой перспективного малоотходного и ресурсосберегающего производства. Только на этой основе можно найти близкое к оптимальному взаимодействие между развивающейся цивилизацией и окружающей средой. Концепция безотходного производства как идея была предложена нашими учеными, академиками Н. Н. Семеновым, И. В. Петряновым - Соколовым, Б. Н. Ласкориным и др.
Термин «безотходное производство» получил широкое распространение во всем мире. Часто его отождествляют с таким понятием как «безотходные технологии».
Что такое безотходное производство? Это способ производства продукции (в рамках процесса, предприятия, территориально- промышленного комплекса - ТПК), при котором наиболее комплексно и рационально используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы - производство- вторичные сырьевые ресурсы», т.е. таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.
Важное значение для охраны атмосферы имеет перевод автомобилей на сжиженный газ, что позволяет в 3-4 раза снизить выделение оксида углерода и других токсичных веществ. Переоборудование бензинового двигателя на газовый не требует существенной переделки. При этом несколько (до 15 %) снижается мощность двигателя, но эксплуатационные расходы не меняются. Используется в автомобилях и газовый конденсат (самостоятельно или в смеси с дизельным топливом). В последнее время наметилась тенденция перевода карбюраторных двигателей на дизельное топливо, которое дешевле, менее дефицитно и более экологично. Весьма заманчиво использование электромобилей, однако широкого распространения они не получили, так как имеют небольшую мощность двигателя и тяжелые аккумуляторы. Кроме того, они не устраняют загрязнения, так как для заправки аккумуляторов необходима электроэнергия, производство которой в свою очередь оказывает негативное воздействие на биосферу.
Одним из источников загрязнения атмосферы в городе является строительство, поэтому на строительных площадках необходимо переводить на электропитание сварочные аппараты, грузоподъемные механизмы, компрессоры, насосы, агрегаты для забивки свай, средства малой механизации, бульдозеры, экскаваторы, ныне имеющие в основном двигатели внутреннего сгорания. Серьезные загрязнения связаны с проведением буровзрывных работ, разработкой карьеров, устройством котлованов и траншей, углублением рек и намывом грунта земснарядами, выжиганием мусора, а иногда и почвы кострами, вырубкой кустарника и леса, прокладкой коммуникаций, смывом загрязнений на строительной площадке, образованием свалок, нередки самовозгорания. Особое внимание следует обратить на снижение объема земляных работ на городских строительных площадках. Перевозка грунта за город превращает засоряемую им землю в бросовую. Необходимо искать пути использования грунта, например, устраивать лыжные горки, скверы, островки для разведения птиц и т.д. Уменьшению объема земляных работ способствует: строительство способом "стенка в грунте"; прокладка коммуникаций методами прокола, продавливания, пневмопробивкой; устройство фундаментов на свайных основания и т.д.
Важнейшим направлением экологизации технологических процессов и элементов безотходной технологии являются мероприятия по совершенствованию работы пыле - газоулавливающих установок или санитарно-технические мероприятия.
Эта группа включает специальные меры по защите воздушного бассейна при помощи очистных сооружений, которые различаются как принципом работы, так и эффективностью.
Эффективность работы пылеулавливающей установки определяется степенью очистки (коэффициентом эффективности) пылеуловителя в (%), которой называют отношение концентрации уловленной пыли к концентрации пыли, поступающей в пылеуловитель:
h = 100 (С вх - С вых)/ С вх, где (3.2)
С вх, С вых - концентрация пыли в воздухе до и после очистки, мг/м3.
Если очистка осуществляется в несколько ступеней, то общая эффективность очистки определяется по формуле:
hобщ.= [1-(1- h1)(1-h2)...(1-hn)] 100, %, где (3.3)
1, 2,... n - степень очистки воздуха каждой ступени.
Сравнение эффективности очистных устройств проводят по соотношению пропущенной пыли, а не по разности коэффициентов очистки. Например, если один пылеочистной аппарат имеет h1 = 95 %, а второй h2 = 98 %, то второй эффективнее первого не на 3 %, а в (100-95) х (100-98) = 2,5 раза.
Каждый тип пылеуловителя улавливает разные по размеру (фракции) частицы пыли неодинаково. Поэтому для более полной оценки эффективности пылеуловителя необходимо знать его эффективность по фракциям. В этом случае общая степень очистки определяется по формуле:
hi=(С вхi -С выхi) /С вхi, где (3.4)
C вхi, C выхi - содержание i- ой фракции пыли по массе, % до и после очистки;
Гидравлическое сопротивление пылеуловителей (DP) определяют как разность давлений газового потока на входе Pвх и выходе Pвых из аппарата. Величину DP находят экспериментально или рассчитывают по формуле:
DP= Pвх - Pвых = xrw2/2, где (3.5)
r и w -соответственно плотность и скорость газа в расчетном сечении аппарата; x - коэффициент гидравлического сопротивления.
Если в процессе очистки гидравлическое сопротивление пылеуловителя изменяется (обычно увеличивается), то необходимо регламентировать его начальное (Р нач.) и конечное (Р кон.) значения.
При достижении DР=P кон. процесс очистки нужно прекратить и провести регенерацию (очистку) пылеулавливающего устройства. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение для фильтров.
В процессах пылеулавливания весьма важны физико-химические характеристики пылей и туманов, а именно: дисперсный (фракционный) состав; плотность; адгезионные (слипание) свойства; смачиваемость; электрическая заряженность частиц; удельное сопротивление слоев частиц и др.
Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы, прежде всего, сведения о дисперсном составе пылей и туманов.
По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп:
· I - очень крупнодисперсная пыль, d 50 > 140 мкм;
· II - крупнодисперсная пыль, d 50 = 40-140 мкм;
· III - среднедисперсная пыль, d 50 = 10-40 мкм;
· IY - мелкодисперсная пыль, d 50 = 1-10 мкм;
где, d 50 - частицы, для которых эффективность осаждения в пылеуловителе равна 0,5 и называется "медианой d 50 тонкости очистки".
Важный параметр пыли - ее плотность. Различают истинную и кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плотность слоя пыли. Кажущаяся плотность частицы - это отношение ее массы к объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности численно совпадает с истинной плотностью. Насыпная плотность слоя пыли равна отношению массы слоя к его объему и зависит не только от пористости частиц пыли, но и от процесса формирования пылевого слоя. Насыпная плотность слежавшейся пыли примерно в 1,2-1,5 раза больше, чем свеженасыпанной. Насыпная плотность слоя необходима для вычисления объема пыли в бункерах. Склонность частиц пыли к слипаемости определяется ее адгезионными свойствами. Чем выше слипаемость пыли, тем больше вероятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и налипания пыли на газоходах. Чем мельче пыль, тем выше ее слипаемость. Все пыли IY и Y групп дисперсности практически относятся к слипающимся пылям, пыли II и III групп - к среднеслипающимся, а пыли I группы - к слабослипающимся. Слипаемость пыли значительно возрастает при ее увлажнении.
Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пылеуловителей, а электрическая заряженность частиц - на их поведение в пылеуловителях и газоходах.
К общим параметрам пылеуловителей относят их производительность по очищаемому газу и энергоемкость, определяемую величиной затрат энергии на очистку 1000 м 3 газа.
Сухие пылеуловители. Классификация пылеулавливающего оборудования основана на принципиальных особенностях процесса отделения твердых частиц от газовой фазы, это:
· оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которому относятся циклоны, пылеосадительные камеры, вихревые циклоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры;
· оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к которому относятся скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, пенные аппараты и др.;
Пылеосадительная камера (рисунок 3.2) используется для осаждения крупной и тяжелой пыли с размером частиц порядка 100 мкм. Камера представляет собой пустотелый или с полками короб прямоугольного сечения с бункером для сбора пыли. Площадь сечения камеры значительно больше площади сечения подводящих газоходов, поэтому газовый поток движется в камере очень медленно (скорость не более 0,5 м/с) и пыль оседает под действием силы тяжести.
К достоинствам таких камер можно отнести простоту конструкции, низкое гидравлическое сопротивление и небольшие затраты на установку и эксплуатацию, а к недостаткам - громоздкость и низкую эффективность- 15-20 %.
Если внутри камеры установить перегородки, замедляющие скорость воздушного потока и увеличивающие время его прохождения, то коэффициент улавливания пыли повышается до 80-85%
Загрязненный воздух Очищенный воздух
Рисунок 3.2 - Пылеосадительная камера
Твердые частицы могут быть удалены из очищаемого воздуха не только благодаря действию силы тяжести, как в пылевых камерах, но и с помощью инерционных сил, присущих движущимся частицам. Для этого на пути очищаемого потока устанавливают препятствия, отклоняющие его. Частицы, содержащиеся в воздушном или газовом потоке, вследствие своей инерции сохраняют первоначальное положение и, ударяясь о препятствие, задерживаются возле него.
Кроме сил инерции можно использовать и центробежные силы. Одним из наиболее распространенных видов инерционных пылеуловителей являются циклоны - центробежные пылеуловители. Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов (рисунок Ж.2).
Газовый поток вводиться в циклон через патрубок 2, расположенный по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. 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, попавшего в бункер, происходит при повороте газового потока в бункере на 180о. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 3. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то из-за подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу. Все практические задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются цилиндрическими (Ц Н-11, Ц Н-15 и др.) и коническими циклонами НИИОГАЗа (Государственный научно-исследовательский институт по промышленной и санитарной очистке газов).
Избыточное давление газов, поступающих в циклоны, не должно превышать 2500 Па. Температура газов во избежание конденсации паров жидкости выбираются на 30-50оС выше температуры точки росы, а по условиям прочности конструкции - не выше 400оС.
Производительность циклона зависит от его диаметра, увеличиваясь с ростом последнего. Эффективность очистки циклона серии Ц Н падает с ростом угла входа в циклон. Так, при одних и тех же условиях работы получено: цн-15 /цн- 11 =0, 885; а цн-- 24 / цн- 11 =0, 795
Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.
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 таких циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока газов между циклонными элементами, но они меньше занимают производственных площадей.
Ротационные пылеуловители относятся к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемещением воздуха очищают его от фракции пыли крупнее 5 мкм. Они обладают большой компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совмещены в одном агрегате. В результате этого при монтаже и эксплуатации таких машин не требуется дополнительных площадей, необходимых для размещения специальных пылеулавливающих устройств при перемещении запыленного потока обыкновенным вентилятором.
Конструктивная схема простейшего пылеуловителя ротационного типа представлена на рисунке Ж.3.
При работе вентиляторного колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении выхлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводиться в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу 4.
Для повышения эффективности пылеуловителей такой конструкции необходимо увеличивать переносную скорость очищаемого потока в спиральном кожухе (это ведет к резкому повышению гидравлического сопротивления аппарата) или уменьшать радиус кривизны спирали кожуха (это снижает его производительность). Такие машины обеспечивают достаточно высокую эффективность очистки воздуха при улавливании сравнительно крупных частиц пыли (свыше 20-40 мкм).
Более перспективными пылеотделителями ротационного типа, предназначенными для очистки воздуха от частиц размером > 5 мкм, являются ПРП - противопоточные ротационные пылеотделители.
Сравнение ПРП с циклонами свидетельствует о преимуществах ротационных пылеуловителей. Так, габаритные размеры циклона в 3-4 раза, а удельные энергозатраты на очистку 1000 м3 газа на 20- 40 % больше, чем у ПРП при прочих равных условиях. Однако широкое распространение пылеуловителей ротационного действия не получили из- за относительно сложной конструкции и процесса эксплуатации по сравнению с другими аппаратами сухой очистки газов от механических загрязнений.
В радиальных пылеуловителях (рисунок В.1) отделение твердых частиц от газового потока происходит при совместном действии гравитационных и инерционных сил.
Последние возникают при повороте газового потока на 180оС за срезом входной трубы 2. Средняя скорость подъема газа (wг) в корпусе 1 обычно не более 1 м/с, при этом для оседающих частиц должно выполняться условие:
w в> w г, где w в - скорость витания частиц.
Эффективность очистки газа от частиц размером 25-30 мкм обычно составляет 0,65-0,85. Из-за малой эффективности радиальные пылеуловители не применяют для очистки от мелкодисперсной пыли.
Для разделения газового потока на очищенный газ и обогащенный пылью газ используют жалюзийный пылеотделитель (рисунок В.6).
На жалюзийной решетке 1 газовый поток расходом (Q) разделяется на два потока (Q1 и Q2.). Обычно Q1= (0,8-0,9)Q, а Q2=(0,1-0,2)Q. Отделение частиц пыли от основного газового потока на жалюзийной решетке происходит под действием инерционных сил, возникающих при повороте газового потока на входе в жалюзийную решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от поверхности решетки при соударении. Обогащенный пылью газовый поток после жалюзийной решетки направляется в циклоны, где очищается от частиц, и вновь вводится в трубопровод за жалюзийной решеткой. Жалюзийные пылеотделители отличаются простотой конструкции и хорошо компонуются в газоходах, обеспечивая эффективности очистки 0,8 и более для частиц размером более 20 мкм. Они применяются для очистки дымовых газов от крупнодисперсной пыли при температуре до 450 - 600оС.
Электрический метод очистки. Электрический метод очистки запыленных газов является одним из наиболее эффективных. Причем диапазоны размеров частиц пыли и температуры газов очень велики. Принцип отделения пыли в электрофильтрах основан на явлении ионизации газов в электрическом поле и способности разноименно заряженных газов в электрическом поле притягиваться друг к другу.
Электрофильтр состоит из двух электродов - коронирующего и осадительного. Коронирующий электрод выполняют в виде натянутой металлической проволоки. Осадительный электрод имеет большую поверхность и представляет собой или трубу, расположенную вокруг проволоки, или пластину, стоящую параллельно проволоке. Поэтому и различают электрофильтры трубчатые и пластинчатые.
Принципиальная схема работы трубчатого электрофильтра показана на рисунке В.4. На коронирующий электрод 4 подается постоянный ток напряжением 60000-70000 В отрицательного потенциала. Вследствие очень малого радиуса кривизны проволочного электрода вблизи него создается интенсивное электрическое поле. В газе, поступающем через патрубок 1, всегда имеются положительно заряженные молекулы, которые с большой скоростью устремляются к проволоке и в результате столкновения образуют на своем пути новые ионы газа (ионизация), которые в свою очередь имеют большую скорость и вызывают дальнейший лавинообразный процесс ионизации. Этот процесс ионизации вызывает на проволочном электроде свечение или корону, поэтому он и называется коронирующим. Образовавшиеся благодаря ударной ионизации отрицательно заряженные ионы движутся под действием электрического поля к положительному электроду - 2 (стенка). Отдав свой заряд, они оседают на поверхности трубы, образуя слой пыли. При периодическом постукивании пыль удаляется через бункер 5. Очищенный воздух или газ выходит из трубы 3.
Изменение силы тока между электродами по мере роста напряжения можно изобразить графиком, рисунок В.5.
Критическое напряжение (U кр.), при котором возникает корона, определяется по формуле:
U кр. = Е кр.х R 1 х ln R 2/R 1, где (3.6)
R 2, R 1 - радиусы коронирующего и осадительного электродов, м; Е кр. – критическая напряженность электрического поля, при котором возникает корона, В/м.
Степень очистки электрофильтров доходит 99-99,5 %.
Все в большем масштабе для очистки выбросов в атмосферу применяют пластинчатые электрофильтры. Осаждение пыли в них происходит на параллельно размещенных пластинах, служащих осадительными электродами, между которыми натянуты коронирующие электроды. Эти установки требуют герметичных кожухов и устраиваются для горизонтального и вертикального прохода газа. Успешно применяются электрофильтры для очистки отходящих газов ТЭС, влажного пара, выделяющегося из сушилок для обеспыливания технологических выбросов, очистки выбросов вращающихся печей цементных заводов, цементных мельниц, дробилок и устройств для транспортировки сырья и др.
Фильтры. Фильтры широко используются для тонкой очистки газовых выбросов от примесей.
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 рисунке В.7.
Фильтр представляет собой корпус 1, 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 и задерживаются в порах, образуя на поверхности перегородки слой 3, и, таким образом, становится для вновь поступающих частиц частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность очистки фильтра и перепад давления на фильтроэлементе.
В зависимости от фильтрующего материала фильтры принято делить на тканевые, волокнистые, пористые и зернистые. В тканевых фильтрах используют не только ткани, но и нетканевые материалы (войлок, фетр), которые получаются путем сволачивания или механического перепутывания волокон. В волокнистых фильтрах применяют набивные слои из натуральных и синтетических волокон, шлаковаты, стружки металлов, полимерных материалов, а также слои бумаги, картона. Пористые фильтры изготавливают из пористой керамики, металла, пластмасс. Зернистые фильтры состоят из зерен определенной фракции нерудных материалов, металла, керамики, пластмасс.
В фильтрах при прохождении запыленного газового потока через фильтровальный материал пыль осаждается на волокнах, в порах керамики или насыпного зернистого материала в результате действия ситового эффекта, сил инерции, касания, броуновской диффузии, гравитационных и электрических сил.
Для грубой очистки применяют гравий, кокс, металлическую стружку, стекловолокно, а для тонкой - металлическую сетку, смоченную специальным маслом, пористую бумагу или ткань. Наиболее широко применяются матерчатые рукавные фильтры, которые работают по принципу пылесоса. В металлическом шкафу, разделенном вертикальными перегородками на ряд секций, помещаются группы рукавов из фильтрующего материала. При помощи этой рамы рукава периодически встряхиваются, и задержанная ими пыль попадает в бункер. Фильтрующие рукава изготавливают из шерстяных, хлопчатобумажных или синтетических тканей (в зависимости от температуры очищаемого газа). Для очистки от пыли газов, имеющих температуру выше 3000 С, применяют фильтры со стеклотканью. Эффективность очистки выбросов от пыли при помощи рукавных фильтров достигает 99 %. Рукавные фильтры используются, например, на предприятиях по производству извести для окончательной очистки воздуха после циклонов, поскольку циклоном улавливаются не более 2/3 содержащейся в воздухе известковой пыли.
Пылеуловители различных типов, в том числе и электрофильтры, применяются при повышенных концентрациях примесей в воздухе. Фильтры используют для тонкой очистки воздуха с концентрациями примесей не более 50 мг/м 3, если требуемая тонкая очистка воздуха идет при больших начальных концентрациях примесей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров.
Мокрые пылеуловители. Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуется высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с d ч > (0,3-1,0) мкм, а также возможность очистки от пыли горячих 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; 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, для частиц d ч < 1 мкм под действием теплового движения газовых молекул, т.е. броуновского движения.
Эффективность осаждения частиц пыли возрастает с увеличением продолжительности контакта газа с жидкостью, т.е. с понижением скорости движения потока и с увеличением площади поверхности контакта.
Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппараты ударно-инерционного типа, барботажно-пенные аппараты и др. Схема скруббера Вентури приведена на рисунке В.8.
Основная часть скруббера - сопло Вентури 2, в конфузорную часть которого попадает запыленный воздух с V= 15-20 м/с, через центробежные форсунки 1 поступает жидкость на орошение. В конфузорной части сопла газ разгоняется до скорости в узком сечении сопла до 30-200 м/с. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлены массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузной части сопла. Эффект очистки зависит от равномерности распределения частиц жидкости в конфузной части сопла. В диффузорной части сопла поток тормозится до V=15-20 м/с и подается в каплеуловитель 3 (прямоточный циклон).
Очистка выбросов от газа - и парообразных загрязнителей. Процессы очистки и обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов машиностроительных предприятий от газо- и парообразных примесей характеризуется тем, что, во-первых, газы, выбрасываемые в атмосферу, весьма разнообразны по химическому составу; во-вторых, они имеют подчас достаточно высокую температуру и содержат большое количество пыли, что существенно затрудняет процесс газоочистки и требует предварительной подготовки отходящих газов; в-третьих, концентрация газообразных и парообразных примесей чаще в вентиляционных и реже в технологических выбросах обычно переменна и низка.
Создаваемые в промышленности газоочистные установки позволяют обезвреживать технологические и вентиляционные выбросы без или с последующей утилизацией уловленных примесей. Первый тип аппаратов характеризуется санитарными ограничениями, связанными с процессами удаления, транспортировки и захоронения уловленного продукта. Аппараты с выделением продукта в концентрированном виде и дальнейшем использовании его для нужд народного хозяйства наиболее перспективны. Производство таких установок - важный этап в разработке малоотходной и безотходной технологии.
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп:
· промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция);
· промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);
· поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);
· термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей путем применения каталитического превращения.
Метод абсорбции. В технике очистки газовых выбросов процесс абсорбции часто называют скрубберным процессом.
Очистка газовых выбросов методом абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.
Движущийся силой здесь является градиент концентрации на границе фаз «газ - жидкость». Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потока и коэффициенты диффузии, т.е. в процессе проектирования абсорберов особое внимание следует уделять организации контакта газового потока с жидким растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента).
Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и давления. Если растворимость газов при 0oС и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы называют хорошо растворимыми.
Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н2О.
Организация контакта газового потока с жидким растворителем осуществляется либо пропусканием газа через насадочную колонну, либо распылением жидкости, либо барботажем газа через слой абсорбирующей жидкости. В зависимости от реализуемого способа контакта «газ - жидкость» различают: насадочные башни; форсуночные и центробежные скрубберы, скрубберы Вентури; барботажно-пенные, тарельчатые и другие скрубберы.
Метод адсорбции. Этот метод основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией.
Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса).
В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбатом и адсорбируемым веществом.
В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Так, удельная поверхность активных углей достигает 105-106 м2/ кг. Их применяют для очистки газов от органических паров, удаления неприятных и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве адсорберов применяют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорберы иногда пропитывают соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбера происходит хемосорбция.
Поскольку выбросы любого предприятия содержат не одно, а сразу несколько вредных веществ, применяют многоступенчатую (или двухступенчатую) очистку, комбинируя различные методы и установки.
Архитектурно-планировочные мероприятия
При решении задач, связанных с охраной окружающей природной среды, большую роль играют планировочные мероприятия, особенно если они проводятся на стадии выбора района строительства предприятия, что позволит в дальнейшем сэкономить на очистке выбросов и организации санитарно-защитной зоны.
В новых промышленных районах должны быть проведены микроклиматические обследования еще до начала планировки и застройки, а также выполнен анализ возможных деформаций ветровых потоков в приземном слое атмосферы. Данные этих обследований следует учитывать при размещении предприятий, например, не следует размещать предприятия с большими выбросами вредных веществ в местах застоя воздуха, в низинах, котлованах, а также в районах с часто повторяющимися туманами и повышенными приземными инверсиями.
Следует уделять особое внимание взаимному расположению предприятий и жилых районов.
Создание территориально-промышленных комплексов позволяет лучше решать вопросы планировки жилых районов, создания автомобильных дорог в обход населенных пунктов, рационального использования сырья и материалов, утилизации отходов и т.д. Все это снижает загрязнение окружающей среды и позволяет сократить сроки строительства.
При проектировании новых городов выбирают сухие участки с пористой почвой, не загрязненные отбросами, не подверженные развитию оползней и карста, не имеющие шахтных выработок и т.д. Застройка городов ведется методом микрорайонирования (крупными жилыми кварталами), предусматривающим озеленение (более чем на 50 %) территории и создание парка в центре микрорайона. В городах будущего площади зеленых насаждений увеличиваются, дома встанут на высокие опоры, освободив место для скверов и парков; появятся сады на крышах домов. Площадь пригородных районов не менее чем в 10 раз будет превышать площадь городов. Протекающие через город реки станут его планировочно-композиционным стержнем, появятся каналы, водные каскады, бассейны и пруды. Промышленные предприятия будут работать без вредных выбросов, часть предприятий, магистралей и магазинов разместится под землей.
При проектировании новых городов должны учитываться климатические особенности региона и их влияние на распространение токсичных веществ. Новые города делятся на следующие зоны:
· селитебные (жилые), где зеленые насаждения должны составлять не менее 25- 50 %;
· промышленные (в том числе ТЭС);
· коммунально-складские (в том числе гаражи, автопарки и др.);
· внешнего транспорта (порты, вокзалы, аэродромы);
· зона охраняемых природных ландшафтов.
Регулирование окружающей среды средствами функционального зонирования подкрепляется рациональной планировочной организацией каждой из зон:
· для промышленных зон - концентрация промышленности в крупных районах и узлах (по типу ТПК), вынос наиболее вредных в санитарном отношении предприятий за пределы агломерации, организация санитарно-защитных зон и др.,
· для селитебных районов - организация удобных связей групп населенных мест с озелененными территориями, формирование клиньев из зеленых массивов и сельскохозяйственных земель, являющихся экологическими зонами природного равновесия и др.,
· для зон внешнего транспорта - концентрация внешних и транспортных сетей в обширных коридорах, изолированных озелененными полосами от селитебных районов;
· для зон охраняемых природных ландшафтов - ограничение размещения объектов, которые могут вызвать неблагоприятные экологические последствия.
Проектирование территории промышленных предприятий необходимо также проводить по принципу экологического зонирования, в соответствии с которым необходимо предусматривать административную, производственную, подсобно – производственную и складскую зоны.
Производства с вредными выбросами должны располагаться преимущественно в центре промышленной площадки с очисткой выбросов в месте их возникновения, с учетом ветрового режима промплощадки (должно быть сквозное проветривание), ее рельефа, наличия водных поверхностей и зеленых насаждений. Расположение производственной, в том числе и экологической инфраструктуры, также преимущественно в центре, в месте сосредоточения основных вредных выбросов; размещение человекоемких производств и цехов на наимее загрязненных участках территории, в основном по периметру промплощадки. Таким образом, экологическая чистота производств должна нарастать от центра к периферии промышленной территории.
Здания и сооружения на генеральном плане необходимо ориентировать длинной стороной вдоль господствующих ветров, используя магистральные проезды, разрывы между блоками в качестве аэрационных коридоров. При компоновке производств, располагаемых в нескольких зданиях и сооружениях различной высоты, рекомендуется объекты меньшей высоты размещать с наветренной стороны. В отсутствии преобладающего направления ветра более высокие здания и сооружения целесообразно размещать ближе к центру планировочного блока. Административно-хозяйственные здания, размещаемые в производственной зоне, должны быть защищены полосой зеленых насаждений от вредного влияния газов, пыли, шума, инсоляции и т.д.
Главный принцип экологического зонирования заключается в том, что промпредприятия контактируют с окружающими районами только через относительно чистые свои зоны.
