13.1. 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 патрубок 2 по касательной и внутренней поверхности корпуса 1. Далее поток совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по бункеру 4. Отделение частиц пыли от газа происходит под 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)

и коническимх (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СДК-ЦН-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. 132. 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 поток; противодействует этой силе только сила адгезии; если она оказывается недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очистки;

2) пыли с удельным электрическим сопротивлением от 10 до 10Ом-см; они хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании;

3) пыли с удельным электрическим сопротивлением более 10 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.

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

WэFyд………………… 3,0 3,7 3,9 4,6

µ………………………. .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 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, 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.

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 dч > 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; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Рис. 13.4. Рукавный фильтр:

1 — рукав; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — блок регенерации; 5 — входной патрубок

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 конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости ( W_T = 15+20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 80—200 м/с и более.

Очищенный газ

Шлам

Рис. 13.5. Схема скруббера Вентури

Процесс осаждения пыли 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 d_ч частиц равна:

d₄, мкм…………. 1 5 10

г……………….. ...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 барботажнопенные 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 барботажно-пенные 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 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, хлоро- или 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 барботажнопенных 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, барботажнопенные аппараты, скрубберы Вентури и т.п. 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.

Абсорбент

воздух

слив

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 нейтра¬лизации 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.

Для легких автотранспортных средств (категорий Ml и N1) с массой от 0,4 до 3,5 т и числом пассажиров до восьми, помимо места водителя, согласно действующим Правилам 83 ЕЭК ООН установлены соответствующие нормативные требования, приведенные в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Нормы выбросов вредных веществ в атмосферу для легких автотранспортных средств

Россия приняла нормы ЕЭК ООН в качестве национальных стандартов. По многим причинам российская автомобильная промышленность не в состоянии производить продукцию, соответствующую нормативам EURO-3 и тем более EURO-4. Поэтому Правительством РФ принято постановление о введении с июля 2006 г. нормативов EURO-2 в полном объеме. В то же время иностранные производители, создающие совместные предприятия на территории России, обязаны соблюдать нормы ЕЭК ООН в объеме и сроки, принятые Европейским Союзом.

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

µ = (1-µ1)(1-µ2)-(1-µn),

где µ1,µ2,….,µn — эффективность очистки 1-, 2- и n-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.

Производство и применение очистного оборудования. Перечень пыле-, газо- и туманоочистного оборудования, раз­работанного НИИОГАЗом, приведен ниже.

Электрофильтр ЭГВ — для очистки от пыли невзрыво­опасных технологических газов и аспирационного воздуха с температурой до 330 °С.

Электрофильтр ЭГАВ СРК — для эффективной очистки от пыли невзрывоопасных и непожароопасных дымовых газов при температуре от 130 до 250 °С после котлоагрегатов СРК целлюлозно-бумажной промышленности.

Электрофильтр ЭВЦТ — для очистки от пыли фосфор­содержащих газов с температурой от 230 до 600 °С, отходя­щих от электротермических печей.

Электрофильтр ЭТМ— для очистки газов, содержащих до 40% тумана и капель серной кислоты со следами окислов мышь­яка, селена, серы и возможных примесей фтора и его соединений.

Электрофильтр ЭГАЛТ— для очистки высокозапылен-ных (до 1000 г/м³) высокотемпературных (до 500 °С) агрес­сивных газов автогенных процессов цветной металлургии.

Электрофильтровентиляционный агрегат ЭФВА для отсоса и высокоэффективной очистки невзрывоопасной и непожароопасной смеси воздуха с аэрозолем, образующимся

при сварке и холодной штамповке металлов при температуре очищаемой смеси до 60 "С, разрежении не более 0,6 кПа.

Рукавный фильтр ФРОС — для очистки от пыли высоко­температурных газов в химической, нефтехимической и дру­гих отраслях промышленности.

Рукавный фильтр ФРИД-Б — для очистки запылен­ных газов, не являющихся токсичными, агрессивными, пожаро- и взрывоопасными в линиях высоконапорного пнев­мотранспорта химической, цементной и других отраслей про­мышленности.

Рукавный фильтр ФРИ-ЗО — для очистки высокозапы-ленных газов, не являющихся токсичными, агрессивными, пожаро- и взрывоопасными, в системах аспирации и линиях пневмотранспорта химической, цементной, машинострои­тельной и других отраслей промышленности.

Рукавные фильтры ФРИ-Б, ФРИ-72 — для очистки запыленного воздуха на предприятиях мукомольной, ком­бикормовой, пищевой промышленности.

Рукавный фильтр ФРБИ — для улавливания мелко­дисперсных взрывоопасных красителей, пигментов и дру­гих пылей из воздуха и негорючих газов.

Рукавный фильтр ФРМ — для очистки от пыли аспира-ционного воздуха технологического оборудования и дымо­вых газов сушильных печей на предприятиях асбестовой промышленности.

Фильтры бумажные патронные ФБПИ — для улав­ливания свинецсодержащих аэрозолей из вентиляционных выбросов, а также для очистки неагрессивных, нетоксич­ных, невзрывоопасных газов от химически неактивных, сухих нецементирующих пылей.

Скруббер с шаровой насадкой СДК — для очистки газов от фтористого водорода, тетрафторида кремния, фосфорного ангидрида на предприятиях по производству минеральных удобрений. Для очистки газов в цветной металлургии, энер­гетике, в химической и других отраслях промышленности.

Скруббер центробежный вертикальный полый СЦВП — для очистки воздуха, удаляемого вытяжными вентиляцион­ными системами, от пыли средней дисперсности.

Скруббер полый СП — для очистки технологических и вен­тиляционных выбросов от пыли и газообразных соединений фтора, хлора, сернистого ангидрида.

Скруббер полый СПК-Б — для очистки технологических и вентиляционных выбросов производств по переработке сырья биологического происхождения от дурнопахнущих веществ, а также для улавливания пыли, газообразных соеди­нений хлора, серы различных производств.

Центробежный скруббер батарейного типа СЦВБ-20— для мокрой очистки нетоксичных и невзрывоопасных газов от пыли в различных отраслях машиностроения, например в литейных производствах.

Скруббер Вентури СВ-Кк — для охлаждения и тонкой очи­стки нетоксичных и невзрывоопасных газов от частиц пыли, не склонных к образованию отложений.

Труба Вентури ГВПВ — для установки в системах охлаж­дения и тонкой очистки запыленных технологических газов в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материа­лов, энергетике и др.

Каплеуловитель КЦТ — для улавливания капель жид­кости с осевшими на них частицами пыли. Устанавливаются в технологической линии за трубами Вентури.

Конъюнктуру спроса и использования пылегазоочистного обо­рудования в различных отраслях промышленности можно про­следить на примере рынка США. Расходы (млн долл.) компаний США на защиту атмосферного воздуха в отдельных отраслях про­мышленности, как правило, составляют значительные суммы:

теплоэнергетика — 808;

нефтеперерабатывающая промышленность — 656;

химическая промышленность — 597;

горнодобывающая отрасль — 57;

целлюлозно-бумажная промышленность — 168; металлургическая (черная и цветная)

промышленность — 94;

автомобильная отрасль — 31;

машиностроение (общее) — 88;

электротехническое машиностроение — 36;

приборостроение — 36;

Системы рассеивания выбросов. Процесс организованного выброса и распространения загрязняющих веществ в атмосфер­ном воздухе зависит от ряда факторов. К ним прежде всего относятся следующие параметры выбрасываемых газов:

1. мощность выброса. По мощности выброса источники делятся на мощные, крупные и мелкие. К мощным источни­кам относятся, например, металлургические и химические заводы, заводы строительных материалов, тепловые элек­тростанции. К мелким источникам относятся небольшие котельные, предприятия местной и пищевой промышленно­сти, трубы печного отопления;

2. температура выбрасываемых газов. Источники условно называют нагретыми, если температура выбрасы­ваемой газовой смеси выше 50 °С, и холодными при более низкой температуре;

3. высота выброса. Весьма важными являются также геометрические параметры системы выброса и ее располо­жение в пространстве. По высоте выбросов источники клас­сифицируются на высокие (выше 50 м), средней высоты (от 10 до 50 м), низкие (2—10 м) и наземные (высотой менее 2 м);

4. геометрическая форма источника: точечная, линей­ная, плоская. Точечный источник выбрасывает загрязняющие вещества в атмосферу из отверстия; линейный источник — из щели или из ряда линейно расположенных отверстий; пло­ский источник выбрасывает загрязнения с площади.

Точечные источники используются для удаления загрязнений через выбросные трубы, шахты, крышные вентиляторы и другие места выбросов при условии, что выде­ляющиеся из них загрязняющие вещества при рассеивании не накладываются одно на другое на расстоянии двух высот здания.

Линейные источники — это аэрационные фонари, откры­тые окна, близко расположенные вытяжные шахты и крыш-11 ые вентиляторы;

5) ветровой режим. Главным фактором, влияющим на распространение примесей в атмосфере, является вет- ровой режим рассматриваемой территории. Скорость ветра по-разному влияет на рассеивание примеси, поступающей и атмосферу от различных типов источников выброса при- месей. В зоне высоких источников выброса при слабом ветре концентрации примесей у Земли уменьшаются за счет подъ- ема факела выброса и уноса примеси вверх. Подъем примеси особенно значителен при нагретых выбросах. При сильном негре начальный подъем примеси уменьшается, но происхо-

дит возрастание скорости переноса загрязняющих веществ по горизонтали.

Быстрому рассеиванию выбросов из низких источни­ков способствуют большие скорости движения воздуха. При штиле и слабом ветре в приземном слое формируются наибольшие концентрации загрязняющих веществ. При этом зоны более высоких концентраций примесей созда­ются в подветренных зонах по отношению к источникам выбросов.

Влияние скорости ветра на загрязнение атмосферы имеет сложный характер, и для каждого источника существует неко­торая опасная скорость ветра, при которой наблюдается максимальная концентрация примесей в приземном слое атмосферы.

Опасная скорость ветра зависит от параметров системы выброса. Например, для мощных источников выбросов с боль­шим перегревом дымовых газов относительно окружающего воздуха (таких, как ТЭС) она составляет 5—7 м/с, для метал­лургических предприятий — 2—4 м/с. Для низких источни­ков со сравнительно малым объемом выбросов и при низкой температуре отходящих газов она близка к 0,5—1 м/с.

Расчет рассеивания выбросов в приземном слое атмосферы проводят по методике ОНД-86.