Средства защиты атмосферы
В настоящее время перечень веществ, загрязняющих атмосферу на предприятиях и в селитебной зоне широк. К антропогенным источникам загрязнений атмосферы относят газы, аэрозоли и промышленные пыли. Основной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация – масса вещества (мг) в единице объема воздуха при нормальных условиях. Концентрация примесей определяет физическое, химическое и токсической воздействия веществ на окружающую среду и человека и служит основным параметром при нормировании содержания примесей в атмосфере. Для оценки качества компонентов окружающей среды введены ряд критериев качества к которым относятся: предельно допустимая концентрация вещества (ПДК), предельно допустимый выброс (сброс) (ПДВ, ПДС), предельно допустимая доза (ПДД) и другие. Эти нормативы установлены для большинства веществ, которые могут оказаться в окружающей среде и которые способны оказать негативное воздействие на здоровье человека или компоненты природной среды.
Для обеспечения нормативных уровней концентраций вредных веществ в воздухе населенных мест и вблизи промышленных предприятий на практике реализуются следующие варианты защиты атмосферного воздуха:
- вывод токсичных веществ из помещений общеобменной вентиляцией;
- локализация токсичных веществ в зоне их образования с помощью местной вентиляции с последующей рециркуляцией;
- локализация токсичных веществ в зоне их образования с помощью местной вентиляции с последующей очисткой и выбросом в атмосферу;
- очистка технологических газовых выбросов в специальных аппаратах и их выброс в атмосферу;
- очистка отработавших газов энергоустановок (двигателей внутреннего сгорания) в специальных агрегатах и их выброс в атмосферу или производственную зону;
- размещение предприятий и объектов по отношению к селитебной застройке с учетом розы ветров и рельефа.
Таким образом, все средства защиты атмосферы от вредных производственных выбросов можно объединить в две группы:
1) пассивные – создание условий для рассеивания вредных примесей в атмосферном воздухе (санитарно-защитные зоны, высокие трубы);
2) активные – средства осуществляющие очистку воздуха от разнообразных примесей (пылеуловители, туманоуловители, аппараты для улавливания паров и газов, аппараты многоступенчатой очистки).
Пассивные методы обеспечения требуемых уровней безопасности атмосферного воздуха. В целях обеспечения безопасности населения и в соответствии с Федеральным Законом «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» от 30.03.1999 № 52-ФЗ, вокруг объектов и производств, являющихся источниками воздействия на среду обитания и здоровье человека устанавливается специальная территория с особым режимом использования - санитарно-защитная зона (СЗЗ), размер которой обеспечивает уменьшение воздействия загрязнения на атмосферный воздух (химического, биологического, физического) до значений, установленных гигиеническими нормативами. По своему функциональному назначению санитарно-защитная зона является защитным барьером, обеспечивающим уровень безопасности населения при эксплуатации объекта в штатном режиме. Для объектов, являющихся источниками воздействия на среду обитания разрабатывается проект обоснования размера санитарно-защитной зоны.
Ориентировочный размер санитарно-защитной зоны по классификации определяется расчетами ожидаемого загрязнения атмосферного воздуха (с учетом фона) и уровнями физического воздействия на атмосферный воздух, уточненных результатами натурных исследований и измерений. Критерием для определения размера санитарно-защитной зоны является не превышение на ее внешней границе и за ее пределами ПДК (предельно допустимых концентраций) загрязняющих веществ для атмосферного воздуха населенных мест, ПДУ (предельно допустимых уровней) физического воздействия на атмосферный воздух.
В зависимости от характеристики выбросов для промышленного объекта и производства, по которым ведущим для установления санитарно-защитной зоны фактором является химическое загрязнение атмосферного воздуха, размер санитарно-защитной зоны устанавливается от границы промплощадки и/или от источника выбросов загрязняющих веществ. От границы территории промплощадки:
- от организованных и неорганизованных источников при наличии технологического оборудования на открытых площадках;
- в случае организации производства с источниками, рассредоточенными по территории промплощадки;
- при наличии наземных и низких источников, холодных выбросов средней высоты.
От источников выбросов (рис.6.4): при наличии высоких, средних источников нагретых выбросов. По мере удаления от источника выброса, по направлению ветра условно выделяют три зоны загрязнения атмосферы:
- зоны переброса факела с относительно невысоким содержанием вредных веществ;
- зоны задымления с максимальным содержанием вредных веществ;
- зоны постепенного снижения уровня загрязнения.
Максимальные концентрации (см) примесей в приземной слое можно измерить с помощью приборов или рассчитать с соответствии с «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86».
Рисунок 6.4 – Классификации источников загрязнения атмосферы
Максимальные концентрации прямо пропорциональны производительности источника и обратно пропорциональны квадрату его высоты над землей:
| (6.1) |
Где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (г/с);
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе;
m и n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;
ΔΤ – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха (ºC);
Η – высота источника выброса над уровнем земли, м;
V1 – расход воздушной смеси (м3/с);
Η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности.
Используя расчетные методы, можно определить величину ПДВ для обеспечения в приземном слое ПДК вредных веществ. Если же реальные выбросы превышают ПДВ, в системе выброса используют аппараты для очистки газов от примесей, т.е. применяют активные методы обеспечения требуемых уровней безопасности атмосферного воздуха.
Примеси вредных веществ могут находиться в атмосферном воздухе в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Именно агрегатным состоянием загрязнителей обусловливается выбор технических средств очистки воздуха: пылеуловители, туманоуловители, аппараты для улавливания паров и газов, аппараты многоступенчатой очистки, используемые при сложном составе выбрасываемых предприятием загрязнителей (рис. 6.5).
Многие производственные процессы сопровождаются значительным выделением пыли. Пыль – это мельчайшие твердые частицы, способные находиться в воздухе или промышленных газах длительное время во взвешенном состоянии. Виды классификаций производственной пыли приведены на рисунке 6.6. Вредность пыли зависит от ее химического состава, концентрации в воздухе и крупности частиц. В легких человека при дыхании задерживаются частицы размером от 0,2 до 7 мкм. Пыль вызывает такие заболевания, как пневмокониозы, дерматиты, экземы, коньюктивиты и др. Очистка воздуха от пыли может быть грубой, при которой задерживается пыль с размером частиц более 100 мкм, средней – с размером пылинок 10 – 100 мкм и тонкой – менее 10 мкм.
Наиболее простыми и широко распространенными от крупной не слипающейся пыли являются аппараты сухой очистки воздуха и газов. К их числу относятся разнообразные по конструкции циклоны, принцип действия которых основан на использовании центробежной силы, воздействующей на частицы пыли во вращающемся потоке воздуха. Для разделения газового потока на очищенный и загрязненный пылью, используются жалюзийные пылеотделители. Эти устройства просты. Применяются для очистки дымовых газов от крупнодисперсной пыли при температуре 450-600ºC. Ротационные пылеуловители предназначены для очистки воздуха от частиц размером более 5мкм и относятся к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемешиванием воздуха очищают его от пыли.
Аппараты мокрой очистки газов (скубберы) имеют широкое применение. Они характеризуются высокой степенью эффективности очистки от мелкодисперсной пыли с
Рисунок 6.5 – Виды аппаратов для очистки воздуха от производственных выбросов
Рисунок 6.6 – Классификации производственной пыли
размером более 0.3 мкм и возможностью очистки от горячих и взрывоопасных газов. Принцип действия основан на осаждении частиц пыли на поверхности капель или пленке жидкости, в качестве которой используется либо вода (при очистке от пыли), либо химический раствор (при улавливании одновременно с пылью вредных газообразных компонентов).
Аппараты фильтрационной очистки предназначены для тонкой очистки газов за счет осаждения частиц пыли на поверхности пористых перегородок. Осаждение частиц в порах происходит в результате совокупного действия касания, диффузного, инерционного и гравитационного процессов. Фильтры классифицируются по: типу фильтровальной перегородки, конструкции фильтра и его назначения, тонкости очистки и т.д. Большинство фильтрующих установок работает в 2 режимах: фильтрации и регенерации, т.е. очистки от уловленной пыли.
Аппараты электрофильтрационной очистки предназначены для очистки объемных расходов газа от пыли и тумана (масляного). Их принцип действия основан на осаждении частиц пыли в электрическом поле. Достоинствами электрофильтров являются высокая эффективность очистки при соблюдении режимов работы, сравнительно низкие энергозатраты, а недостатками – крупные габариты и большая металлоёмкость.
Существует 2 типа паро- и газоулавливающих установок:
1) обеспечивает санитарную очистку выбросов без последующей утилизации уловленных примесей, количество которых невелико, но которые даже в малых концентрациях опасны для человека;
2) обеспечивают очистку от большого количества веществ с последующей концентрацией их и использованием в качестве исходного сырья в различных технологических процессах.
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и парообразных веществ по характеру протекания физико-химических процессов делят на 4 группы:
1) промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция) - основан на поглощении вредных газообразных примесей жидкими поглотителями: водой, раствором соды, аммиака. Например, газообразные цианистые соединения абсорбируют 5% раствором железного купороса.
2) промывка растворами реагентов, химически связывающих примеси (хемосорбция) заключается в поглощении вредных веществ с твердыми или жидкими поглотителями, в результате чего образуются малолетучие или малорастворимые химические соединения. Например, мышьяково-щелочной раствор используют для очистки от сероводорода.
3) поглощение газообразных примесей твердыми телами ультрамикроскопической структурой (адсорбция) – основан на поглощении вредных примесей поверхностью твердых пористых тел – адсорбентов. Чем больше пористость адсорбента, том больше его эффективность. Адсорбентами выступают: активированный уголь, глинозем, цеолиты, сланцевая зола. Например, на АЭС сорбция радиоактивных продуктов осуществляется угольными фильтрами.
4) термическая нейтрализация отходящих газов обеспечивает окисление токсичных примесей в газовых выбросах до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газов. Метод применяется при больших объёмах газа и высоких концентрациях газа. Существует 3 схемы применения:
-прямое сжигание в пламени применяется при высокой температуре отходящих газов;
-термическое окисление при температуре 600-800 ºC применяется, если отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет либо кислорода, либо концентрация горючих газов низка;
- каталитическое сжигание при температуре 250-450 ºC предназначен для превращения вредных примесей в горячих газах в безвредные или менее вредные с использованием катализаторов.
Процесс очистки газов от твердых и капельных примесей в различных аппаратах характеризуется несколькими параметрами:
1) Производительностью – объёмом воздуха, который способно очистить данное устройство в единицу времени (м3/ч, м3/с);
2) Общим коэффициентом очистки – отношением массы пыли, уловленной аппаратом, к массе поступившей в него пыли за единицу времени, %:
| (6.2) |
Где свх и свых – массовые концентрации примесей в газе соответственно до и после очистки.
3) Фракционным коэффициентом очистки, который выражает эффективность пылеулавливания аппарата по отношению к отдельным фракциям пыли и определяется по формуле:
| (6.3) |
Где Фвх, Фвых – содержание фракции пыли в воздухе на входе и выходе пылеуловителя, %.
Эффективность пылеулавливания высокоэффективных фильтров может выражаться через коэффициент проскока ε, представляющий собой отношение концентрации пыли за фильтром к концентрации пыли перед фильтром в процентах и определяется по формуле:
| (6.4) |
4) Пылеемкостью, представляющей количество пыли, которое способен уловить и удержать фильтр (г, кг).
5) Гидравлическим сопротивлением пылеуловителя
6) Расходом электроэнергии на очистку воздуха (кВт·ч на 1000 м3/ч), воды (л/м3), масла (кг/год) и т.д.
7) Капитальными затратами на воздухоочистительную установку (руб.)
8) Стоимостью очистки воздуха (рублей на 1000 м3 воздуха).