СРС викладач Тверда О.Я. виконав Легеза Б.В.

Розділ 2

Технологічні, конструктивні та організаційні заходи та засоби забезпечення нормативного стані інженерних екосистем.

Тема 2.1 Захист атмосферного повітря від викидів промислового пилу.

Механічні принципи вилучення пилу з повітряного (газового) потоку

Ці принципи є найбільш гнучкими і поширеними та існують в чотирьох варіантах. Розглянемо суть кожного з них.

Перший варіант ґрунтується на застосуванні сил маси. Встановлено, що частинки горизонтального повітряного потоку, змішаного з пилом, знаходяться під дією двох сил: інерції газового потоку та сил маси (важкості). Внаслідок турбулізації повітряного потоку та теплового руху молекул повітря (броунівського руху) малі частини дифундують. Ці два явища необхідно враховувати, оскільки вони суттєво впливають на переміщення малих частинок, гальмуючи їхнє гравітаційне вилучення з повітряного (газового) потоку.

Другий варіант механічного принципу базується, як відомо, на застосуванні сил інерції твердих частинок, тобто на законі Ньютона. Відомо, що за законом Ньютона кожне тіло намагається зберігати свій початковий динамічний стан за умови, якщо на нього не діють будь-які зовнішні сили. При дії зовнішньої сили змінюється рух тіла в напрямку дії рушійної сили. Цей принцип використаний при усуненні з повітряного потоку домішок твердих або рідких речовин.

У різних сухих механічних пиловловлювачах (наприклад, у пилозбірниках, решітчастих сепараторах і циклонах) для відокремлення частинок використовують траєкторії різної кривизни. У вихрових сепараторах також змінюється кривизна траєкторії завдяки пересувним стінкам. Цей принцип використаний у конструкції гравітаційних пиловловлювачів.

Використовуючи сили інерції для вилучення твердих частинок пилу, переважно не враховують дифузію в повітряному (газовому) потоці, що визначає межі дії сили маси та сил інерції. Оскільки сила інерції значно перевищує силу маси, дифузійне переміщення стає значним лише для дуже дрібних частинок. Отже, можна застосовувати силу інерції для відокремлення значно менших частинок, ніж під дією сили маси.

На рис 1.1 зображені реальні умови сепарації пилинок біля стінки пиловловлювача. До змінних входять флуктації швидкості твердих частинок, реальний профіль швидкості повітря (газу), а також товщина пограничного шару біля стінки пиловловлювача.

Третій варіант механічного принципу ґрунтується на безпосередньому захопленні твердих частинок за допомогою спеціальних матеріалів (наприклад, волокнами фільтрувальної тканини). Цей принцип застосовується переважно тоді, коли розмір пилинок і характеристичний розмір матеріалу (наприклад, розмір комірок фільтрувальної тканини) порівнювані. За таким принципом працюють тканинні пиловловлювачі.

Рис. 1.1. Схема руху твердих частинок пилу в повітряному потоці біля стінки пиловловлювача: Umах — максимальна швидкість пилинок; у — лімітуюча товщина шару; d — еквівалентний діаметр пилинки

Четвертий варіант механічного принципу ґрунтується на явищі молекулярної дифузії твердих частинок у повітряному потоці. Під молекулярною дифузією розуміють рух молекул, спричинений тепловим рухом або різницею парціальних тисків. Цей принцип закладений у конструкцію рукавних фільтрів.

Електричні принципи видалення пилу з повітряного потоку

Електричне очищення — один з найбільш досконалих видів очищення повітря від зважених частинок пилу й туману. В основі цього принципу лежать ударна іонізація повітря (газу) в зоні коронуючого розряду, передача заряду іонів частинкам домішок і їх осаджування на осаджувальних і коронуючих електродах.

Забруднене повітря, що надходить в електрофільтр, завжди є частково іонізованим завдяки дії різних зовнішніх факторів (рентгенівських, радіоактивних, електромагнітних випромінювань та ін.), тому здатне проводити електричний струм, потрапивши в простір між двома електродами. Сила струму залежить від числа іонів і напруги між електродами. При збільшенні напруги рух між електродами охоплює все більше іонів і сила струму зростає доти, доки в русі не візьмуть участь усі іони, які знаходяться в повітрі. При цьому величина сили струму стає постійною, незважаючи на подальший ріст напруги.

Критичну напругу и на електродах, при якому виникав коронуючий розряд, можна визначити за формулою.

де Яр Яг — відповідно радіуси коронуючого та осаджувального електродів, м; Е — критична напруга електричного поля, при якій виникає корона, в/м.

Величину Екр визначають за емпіричними формулами Піка. Для коронуючого електрода позитивної полярності можна використати формулу

Від’ємну полярність для коронуючого електрода можна визначити за формулою

У формулах (3.2) і (3.3) фігурує параметр р — поправка на густину повітря в робочих умовах, що визначають за формулою

де Рне — тиск навколишнього середовища, Па; Рп — розрідження або надлишковий тиск у повітропроході, Па; і — температура повітря, °С.

Формули Піка отримані для повітря та електрода круглого поперечного перерізу. Коронуючий розряд виникає переважно при високих напругах — 50 кВ і більше.

Рух заряджених частинок пилу до осаджувального електрода здійснюється під дією аеродинамічних сил, а також сили взаємодії електричного поля та заряду частинки, сили тяжіння та сили електричного вітру. Під дією аеродинамічних сил частина рухається в напрямку основного потоку повітря зі швидкістю ш , близькою до швидкості повітря, яка становить 0,5—3 м/с. Основною силою, що спричиняє рух частинок пилу до осаджувального електрода, є сила взаємодії між електричним полем і зарядом частинки. Основним чинником електричного вітру у місцях генерації іонів є механічна дія рухомих іонів на молекули та частинки пилу.

Частинки пилу в іонізованому повітрі (газі) заряджаються двома способами. Малі частинки (розміром менше 1 мкм) «зв’язують» на своїй поверхні електрони або іони внаслідок дифузійного зближення. Переміщення електронів та іонів у повітрі аналогічне руху малих частинок пилу в ламінарному потоці повітря (газу). При цьому вторинні переміщення призводять до відхилення траєкторій електронів та іонів у напрямках, перпендикулярних до силового поля, і внаслідок цього до їхньої дифузії у повітряний потік. Крупні частинки заряджаються електричним полем тоді, коли їх поляризація за допомогою електронів або іонів супроводжується дифузією, а також виникненням сили притягання зарядів.

Електрично заряджені частинки, незважаючи на опір середовища, переміщаються в силовому полі вздовж силових ліній до протилежного за знаком полюса з відносно малою (приблизно декількох см х с»1) швидкістю, що називають швидкістю сепарації.

Акустичний принцип вилучення пилу з повітряного потоку

Цей принцип ґрунтується на процесі коагуляції — злипанні дрібних частинок у крупні під дією ультразвукових хвиль і вилученні цих частинок інерційним пиловловлювачем.

У наш час, крім вищеописаних принципів усунення пилу з повітряного потоку, в інженерній практиці відомі також інші принципи: ефект коагуляції під впливом теплових, гравітаційних, турбулентних та електростатичних сил. У рукавних і деяких інших фільтрах (з волокнистими, гранувальованими, пористими фільтрувальними елементами) для очищення повітря застосовують ефект сита. Він ґрунтується на збиранні часток пилу на фільтрувальній решітці з отворами, меншими за розміри частинок.

Усі описані принципи вилучення пилу є основою конструкцій різноманітних пиловловлювачів.

Тема 2.2 Захист атмосферного повітря від промислових викидів газоподібних шкідливих речовин

Основні методи очищення атмосферного повітря від шкідливих парів і газів

Очищення та знешкодження технологічних і вентиляційних викидів промислових підприємств від газо- і пароподібних домішок характеризується тим, що, по-перше, гази, які викидаються в атмосферу, надто різні за хімічним складом; по-друге, вони мають іноді достатньо високу температуру і містять значну кількість пилу, що суттєво ускладнює процес газоочищення, і потребують попередньої підготовки відвідних газів; по-третє, концентрація газоподібних і пароподібних домішок часто у вентиляційних і рідше в технологічних викидах є змінна та низька.

Існуючі газоочисні установки дозволяють знешкоджувати технологічні та вентиляційні викиди без або з подальшою утилізацією вловлених домішок. Перший тип апаратів характеризується санітарними обмеженнями, пов’язаними з процесами видалення, транспортування та захоронення вилученого продукту. Найбільш перспективними є апарати з виділенням продукту в концентрованому вигляді та подальшим його використанням для потреб народного господарства. Виробництво таких установок є важливим завданням у розроблення маловідходної та безвідходної технологій.

Для реалізації завдань захисту атмосфери від шкідливих викидів зараз застосовують шість основних методів: абсорбція; адсорбція; хемосорбція; термічна нейтралізація; каталітичне знешкодження; хімічне знешкодження (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Методи та апарати для очищення промислових викидів паро- і газоподібних речовин

Абсорбцію в техніці часто називають скруберним процесом очищення атмосферного повітря від парів та газів. Принцип цього методу полягає в розкладанні газоподібної суміші на складові частини поглинанням одного або декількох газових компонентів (абсорбентів) цієї суміші рідким поглиначем (абсорбентом) з утворенням розчину. Основним при цьому є градієнт концентрації на межі фаз «газ — рідина”. Розчинений у рідині адсорбат унаслідок дифузії проникає у внутрішні шари абсорбенту.

Метод адсорбції ґрунтується на властивостях деяких твердих тіл з ультрамікроскопічною структурою селективно вилучати та концентрувати на поверхні окремі компоненти із газової суміші. У пористих тілах з капілярною структурою поверхневе поглинання доповнюється капілярною конденсацією.

Адсорбція поділяється на фізичну і хемосорбцію. При фізичній адсорбції молекули газу прилипають до поверхні твердого тіла під дією міжмолекулярних сил притягання (сил Ван-дер-Ввальса). Вивільнене при цьому тепло залежить від сили притягання і за порядком значення (як правило, в межах від 2 до 20 кДж/моль) збігається з кількістю тепла конденсації випарів. Великою перевагою фізичної адсорбції є зворотність процесу. При зменшенні тиску адсорбату в потоці газу або при збільшенні температури поглинений газ легко десорбується без зміни хімічного складу. Зворотність цього процесу виключно важлива, якщо економічно вигідно рекуперувати адсорбований газ або адсорбент.

Метод хемосорбції ґрунтується на поглинанні газів і парів твердими або рідкими поглиначами з утворенням малолетких або малорозчинних хімічних сполук. Поглинальна здатність хемосорбенту майже не залежить від тиску, тому хемосорбція доцільніша за невеликої концентрації шкідливих речовин у вихідних газах. Більшість реакцій, що протікають у процесі хемосорбції, є екзотермічними та зворотними, тому при підвищенні температури розчину хімічні сполуки розкладаються з виділенням вихідних елементів. На цьому принципі базується механізм десорбції хемосорбенту.

Прикладом хемосорбції може слугувати очищення газоповітряної суміші від сірководню із застосуванням миш’яково-лужного, еталоламінового та інших розчинів. При миш’яково-лужному методі вилучений із вихідного газу сірководень зв’язується оксисульфомиш’яковою сіллю, що знаходиться у водному розчині:

Регенерацію розчину здійснюють окисленням кисню, що виділяється в очищуваному повітрі:

У цьому випадку побічним продуктом є сірка.

Метод термічної нейтралізації ґрунтується на здатності горючих токсичних компонентів (гази, пари та дуже ароматні речовини) окислювання до менш токсичних за наявності вільного кисню та високої температури газової суміші. Цей метод застосовується у випадках, коли об’єми викидів надто великі, а концентрації забруднювальних речовин перевищують 300 млн’1.

Методи термічної нейтралізації шкідливих домішок у багатьох випадках мають переваги перед методами адсорбції та абсорбції. Відсутність шламів, невеликі габарити очисних установок, простота їх обслуговування, а також можливість автоматизації їхньої роботи, висока ефективність знешкодження шкідливих речовин та інші позитивні якості стали причиною їх широкого застосування у машинобудівній промисловості.

Ділянка застосування методу термічної нейтралізації шкідливих домішок обмежується характером утворених при окисленні продуктів реакції. Так, при спалюванні газів з вмістом фосфору, галогену, сірки утворені продукти реакції за токсичністю в декілька разів перевищують вихідний газовий викид. Виходячи з цього, метод термічного знешкодження може застосовуватися лише для викидів, що не містять токсичних компонентів. До них належать речовини органічного походження, до яких не входять галогени, сірка та фосфор.

Каталітичний метод використовують для перетворення токсичних компонентів промислових викидів у речовини, нешкідливі або малошкідливі для довкілля введенням у систему додаткових речовин — каталізаторів. Каталітичні методи ґрунтуються на взаємодії вилучених речовин з одним із компонентів, наявних в очищуваному газі. Каталізатор, взаємодіючи з однією із реагуючих сполук, утворює проміжну речовину, яка розпадається з утворенням продукту регенерованого каталізатора.

Каталітичне окислення має деякі переваги над термічним, зокрема, характеризується короткочасністю процесу, невеликими габаритами реактора, значно нижчою температурою для нагрівання газів (до 300 °С) тощо. Основним критерієм вибору каталізаторів є їх активність і довговічність.

Як каталізатори можуть застосовуватися метали (платина, паладій та інші метали) або їхні сполуки (оксиди міді, марганцю та ін.).

Про активність каталізатора свідчить кількість продукту, отриманого з одиниці об’єму каталізатора, або об’ємна швидкість каталітичного процесу, при яких забезпечується потрібний ступінь знешкодження оброблюваного газу. Об’ємну швидкість визначають як відношення витрати газу, що обробляється (м3/год), приведеного до нормальних умов, до об’єму каталізаторної (м3).

Каталізаторна маса зазвичай виготовляється з кульок, кілець, пластин або дроту, сплетеного у вигляді спіралі із ніхрому, нікелю, оксиду алюмінію з нанесенням на їхню поверхню (соті частки % до маси каталізатора) шляхетних металів. Каталітичний шар повинен створювати незначний перепад тиску, забезпечити максимальну поверхню контакту з газовим потоком і максимальну довговічність каталізатора.

Об’єм каталізаторної маси визначають на основі максимальної швидкості знешкодження газу, яка, в свою чергу, залежить від природи і концентрації шкідливих речовин у відвідному газі, а також від температури й тиску каталітичного продукту та активності каталізатора.

Біохімічний метод очищення повітря від газів ґрунтується на здатності мікроорганізмів руйнувати й перетворювати різні сполуки. Речовини розпадаються під дією ферментів, вироблених мікроорганізмами під впливом окремих сполук або групи речовин, наявних у газах, що очищаються. Біохімічний метод газоочищення найбільше застосовується для очищення відвідних газів постійного складу. При частій зміні складу газу мікроорганізми не встигають адаптуватися до нових речовин і виробляють недостатню кількість ферментів для їх розкладання, внаслідок чого біологічна система матиме слабку руйнівну здатність відносно шкідливих компонентів газів. Високий ефект газоочищення досягається за умови, що швидкість біохімічного окислення вилучених речовин більша, ніж швидкість їх надходження із газової фази.

Абсорбційне очищення атмосферного повітря від шкідливих газів

Для вилучення із технологічних викидів таких газів, як аміак, хлористий або фтористий водень доцільно застосовувати як поглинач воду, оскільки розчинність газів у воді становить сотні грамів на 1 кг Н20. При поглинанні з газів сірчистого ангідриду або хлору витрата води є досить значною, оскільки їх розчинність становить лише частку грама на 1 кг води. У деяких випадках замість води застосовують водні розчини сірчистої кислоти (для вловлювання водяних парів), в’язкі масла (для вилучення ароматичних вуглеводнів із коксового газу) та ін.

Забруднений повітряний потік контактує з рідким розчинником, проходячи через насадкову колону, розпилюючи рідини, або барботуючи газ через шар абсорбованої рідини. Залежно від реалізації способу контакту «газ — рідина» розглядають такі види очисних установок: насадні башти; форсункові та відцентрові скрубери; скрубери Вентурі; барбатажно-пінні скрубери; тарілчасті скрубери та інші очисні установки..

На рис. 1.2 зображена схема протитічної насадкової башти-абсорбера. В абсорбер через патрубок 1 надходить загазоване повітря з максимальним парціальним тиском, барботує через шар рідини 5 (у вигляді бульбашок) і виходить через патрубок 3 з мінімальним парціальним тиском. Погливна рідина протитечією надходить в апарат через розбризкувач 4 і виходить через патрубок 7. Процес абсорбції є гетерогенним, що протікає на межі «газ — рідина», тому для його прискорення застосовують різні пристрої, що збільшують площу контакту газу з рідиною.

Рис, 1.2. Схема башти-абсорбера: 1 — вхідний патрубок для загазованого повітря; 2 — патрубок для подавання рідини; 3 — вихідний патрубок для відведення очищеного повітря; 4 — розбризкувач; б — шар рідини з насадкою; 6 — сітка; 7 — вихідний патрубок для відведення забрудненої води

Для підвищення ефективності очищення повітря від пари розчинників, розріджувачів і газів застосовують хімічні поглиначі у вигляді водних розчинів електролітів (кислот, солей, лугів тощо). Наприклад, для очищення повітря від діоксиду сірки як поглинач (нейтралізатор) застосовують розчин лугу, в результаті реакції одержують сіль:

Рідина, що виводиться із абсорбера, підлягає регенерації, десорбуючи забруднювальну речовину, і повертається знову в процес (або відводиться як відходи).

Хімічно інертна насадка, яку додають у рідину, призначається для збільшення її поверхні, розтікається на сітці колони у вигляді плівки. Як насадку використовують тіла різної геометричної форми, кожна з яких характеризується власною питомою поверхнею та опором руху газоповітряного потоку. Типові форми насадок зображені на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Типові форми насадок для абсорберів: 1 — сідло Берля; 2 — кільце Рашипа; 3 — кільце Палля; 4 — розетка Теллера; 5 — сідло «Інталюкс»

Матеріали для виготовлення насадок (кераміка, порцеляна, пластмаси, метали) вибирають, враховуючи антикорозійну стійкість.

На промислових підприємствах часто можна побачити башти з ковпаковими тарілками. На рис. 1.4 наведена схема тарілчастого абсорбера, в якому замість насадки встановлено декілька тарілок 1.

Кожна тарілка обладнана ковпачками 2 із зубчастими краями, патрубками 3 і переливними патрубками 4. Абсорбент у цих апаратах стікає від тарілки до тарілки через переливні вертикальні трубки. Очищуване повітря рухається знизу вгору в напрямку, вказаному стрілками, барботуючи через шар рідини. Під час проходження між зубцями ковпачків загазоване повітря розподіляється на велику кількість струмочків і пухирців, унаслідок чого збільшується поверхня контакту взаємодіючих речовин. Іноді замість ковпакових тарілок застосовують перфоровані пластини з великою кількістю дрібних отворів (діаметром 6 мм), що призначаються для створення пухирців газу однакової форми та розміру.

Рис. 1.4. Схема ковпаково-тарілчастого абсорбера: 1 — тарілка; 2 — ковпачок; 3 — патрубок; 4 — переливна трубка

Такі абсорбери широко застосовуються у машинобудівній, металургійній та деревообробній промисловостях.

Адсорбційне очищення атмосферного повітря від шкідливих газів

При адсорбційному очищенні повітря від шкідливих газів одним із основних завдань є регенерація адсорбенту або його рекуперація. Для цього необхідно, щоб у вибраному адсорбційному середовищі переважав процес фізичної адсорбції.

Адсорбентами в цьому випадку є речовини з великою площею поверхні на одиницю маси. Так, питома поверхня активованого вугілля досягає 105—10е м2/кг. Його застосовують для очищення повітря від парів органічних речовин, усунення неприємних запахів і газоподібних домішок, що містяться в незначних кількостях у промислових викидах, а також летких розчинників та інших газів. Адсорбентами можуть виступати прості та комплексні оксиди (активований глинозем, силікагель, активований оксид алюмінію, синтетичні цеоліти або молекулярні сита), які володіють більшою селективною здатністю, ніж активоване вугілля.

Одним із основних параметрів при виборі адсорбента є адсорбційна здатність, або маса речовини а, поглинена одиницею маси адсорбента в будь-який момент часу, залежність від концентрації адсорбованої речовини (парціального тиску P, Па) на поверхні адсорбента, загальної площі цієї поверхні, фізичних, хімічних та електричних властивостей адсорбованої речовини й адсорбента, температурних умов і наявності при цьому інших домішок.

Для характеристики адсорбційних властивостей пористих речовин використовують залежність адсорбційної здатності а від парціального тиску р погливного газового компонента при постійній температурі (ізотерму адсорбції) а = f(p) при Т = const.

В основі інженерно-технічних розрахунків адсорбційного методу очищення повітря від газів є сукупність кривих, яка відображає рівновагу поглинаючого компонента з адсорбентом, тобто сітка ізотерм адсорбції. На рис. 1.5 зображені ізотерми адсорбції діоксиду сірки (S02) на активованому вугіллі СТК у діапазоні температур від 20 до 150 °С.

Рис. 1.5. Ізотерми адсорбції SО2 на активованому вугіллі СТК при різних температурах: 1 — 20 °С; 2 — 50 °С; З — 100°С; 4 — 150 °С (де а — маса погливної речовини)

З цього графіка видно, що із збільшенням температури зменшується адсорбційна здатність активованого вугілля. На цій властивості адсорбентів ґрунтується процес їхньої регенерації. Регенерацію здійснюють нагріванням адсорбента до температури вище робочої або продуванням його водяною парою чи гарячим газом.

Адсорбційні установки, що вловлюють пари розчинників і розріджувачів, які після додаткового оброблення знову повертаються у виробництво, називають рекупераційними. Такі установки широко застосовуються в машинобудівній та приладобудівній промисловостях (у малярних цехах), в опоряджувальних цехах меблевих підприємств, на підприємствах з виробництва скловолокна, склотканин, а також для видалення парів ефіру, ацетону, фурфуролу при виробництві нітроцелюлози. На рис. 1.6 наведена схема рекупераційної установки.

Рис. 1.6. Схема рекупераційної установки: 1,2 — вентилятори; З — нагрівам; 4 — адсорбер; 5 — конденсатор; 6 — холодильник; 7 — сепаратор

Опишемо принцип роботи установки. Повітря, що містить пари розчинника, вентилятором 1 подається в адсорбер 4. Пройшовши шихту адсорбера, очищене повітря викидається в атмосферу. Після спрацювання шихти потік повітря подають у паралельний адсорбер, а в попередньому адсорбері здійснюють десорбцію парів розчинника перегрітою водяною парою, що подається протитечією в напрямку подавання забрудненого повітря на стадії адсорбції. Суміш водяної пари та парів розчинника потрапляє в холодильну камеру 6, де відбувається охолодження і конденсація водяної пари. Конденсат подається в конденсатор 5, а далі виводиться за межі установки. Пари розчинника подаються у сепаратор 7 для висушування, а потім у фракціонатор, де вони розподіляються на легкі та важкі вуглеводні. Отримані компоненти надходять до спеціальної камери, де за певних умов здійснюється перетворення газової суміші в рідку, після чого вже готовий розчинник подається у виробництво для повторного використання.

Ступінь видалення розчинника в таких установках досягає 95—99 %, а його залишковий вміст у повітрі, що виходить з адсорбера, не перевищує 0,5 г/м3.

На одну тонну вловленого розчинника при концентрації 10 г/м3 витрачають:

— водяної пари (0,3—0,5 МПа), т 2—3,5;

— води для охолодження (15 °С), м3 30—50;

— електроенергії, кВт х год. 100—250;

— активованого вугілля, кг 0,5—1,0.

Тривалість роботи одного завантаження — 10 000 циклів.

Продуктивність рекупераційних установок такого типу коливається від 10 до 150 тис. м3 очищення повітря за 1 годину, а концентрація в ньому парів розчинника змінюється від 0,5 до 20 г/м8.

Адсорбційні установки добре себе зарекомендували при вилученні із гарячих топкових газів діоксиду сірки вО,. На рис. 1.7 наведена схема адсорбційної установки для вилучення 802.

Основним агрегатом установки слугує адсорбер 1, заповнений деревним активованим вугіллям. Гарячий топковий газ подається через теплообмінник 2, підігріває повітря, поступає в топку, після чого потрапляє в нижню частину адсорбера, де при температурі 150—200 °С вилучається в02.

Очищений димовий газ викидається в атмосферу через димову трубу. Адсорбент після насичення подається в десорбер 5, де за допомогою підігрівача 3 підтримується температура 300—600 °С. Збагачений діоксидом сірки газ виводиться з десорбера і може бути використаний для інших потреб. Регенерований адсорбент надходить у бункер, а потім за допомогою ковшового елеватора подається у верхню частину адсорбера.

Рис. 1.7. Адсорбційна установка для вилучення SO2 із гарячого топкового газу: 1 — адсорбент; 2 — теплообмінник; 3 — підігрівач; 4 — бункер; 5 — десорбер

Адсорбційно-абсорбційне очищення атмосферного повітря від парів формальдегіду

Очищення атмосферного повітря від токсичних парів формальдегіду, що виділяється при варінні сечовино-формальдегідних смол і приготуванні клеїв, застосуванні їх при склеюванні деревини та деревних матеріалів (виробництво меблів, фанери, деревостружкових і шаруватих пластиків), здійснюється комбінованим адсорбційно-абсорбційним методом. Для цього на промислових підприємствах застосовують спеціальні адсорбційно-абсорбційні установки, одна з яких наведена на рис. 1.8.

Опишемо принцип роботи установки. Повітря, забруднене формальдегідом, подається в адсорбер і знизу вгору через шари активованого вугілля, в результаті чого відбувається адсорбція (поглинання) парів формальдегіду. Процес адсорбції триває 30 хв, після чого вугілля автоматично висипається в реактор 3. У цей момент у реактор подається вода, а з мірника 2 — розчин аміаку. Вся суміш у реакторі перемішується спеціальним роторним механізмом, відбувається хімічна реакція

Рис. 1.8. Схема адсорбційно-абсорбційної установки для очищення повітря від парів формальдегіду: І — шеститарілчаста колонка; 2 — мірник аміаку; З — реактор; 4 — місткість; 5 — насос; 6 — збирач; 7 — вентилятор

Унаслідок реакції вловлений поглиначем формальдегід Н2СО під дією аміаку нейтралізується та переходить в уротропін (СН2)6^. Отже, досягається відповідне очищення повітря від формальдегіду та утворюється нова речовина — уротропін, сфера застосування якого досить різноманітна.

Термічна нейтралізація шкідливих газів, що викидаються в атмосферу

Розглядають три схеми термічної нейтралізації газових викидів в атмосферне повітря: пряме спалювання шкідливих речовин у полум’ї, термічне окислення та каталітичне спалювання. Пряме спалювання у полум’ї та термічне окислення здійснюють при температурах 600—800 °С, а каталітичне спалювання — при 250—450 °С. Вибір схеми нейтралізації визначається хімічним складом забруднюваних речовин, їхньою концентрацією, початковою температурою газових викидів, об’ємною витратою та гранично допустимими нормами викиду цих речовин.

Пряме спалювання слід використовувати тільки в тих випадках, коли відвідні гази забезпечують підведення значної частини енергії, необхідної для здійснення процесу. Однією з проблем, яка

ускладнює пряме спалювання, є висока температура (1300 °С), що може спричинити утворення шкідливих оксидів азоту.

Нині існує ряд конструктивних варіантів прямого спалювання шкідливих речовин у закритій камері. Основними вимогами до таких камер є високий ступінь турбулентності газоповітряного потоку та обмежений час перебування газу в камері — 0,2—0,7 с. Найбільш поширеною ділянкою застосування камерних доспалювачів з відкритим полум’ям є доспалювання органічних відходів від лакофарбових цехів машинобудівних і деревообробних підприємств, відвідних газів та оксидів азоту, що утворюються в процесі нітрування тощо.

На рис. 1.9 наведена схема установки очищення газових викидів лакофарбового виробництва.

Рис. 1.9. Схема установки для очищення газоподібних викидів лакофарбового виробництва

Установка — це циклонна топка з газовим пальником і камерою розведення газів після їхнього очищення. Опишемо принцип роботи установки. Повітря, забруднене токсичними газами органічних речовин (толуол, ксилол та ін.), подається у вихоровий двозонний пальник 2 каналом 6 і далі у внутрішню порожнину печі 4 через тангенціальні канали б. Природний газ подається у пальник через трубу 3. Час перебування газу в порожнині — не менше 0,5 с, і контакт з розжареними стінками камери забезпечує повноту їх згоряння. Атмосферне повітря подається через центральну трубу 1 пальника тільки при знешкодженні викидів з вмістом менше 15 % кисню. Запуск установки, виведення у робочий режим та його підтримка здійснюється за допомогою блоку автоматичного керування.

Термічне окислення застосовують тоді, коли температура викидних газів висока, але вони не містять достатньої кількості кисню, або коли недостатня концентрація горючих домішок для забезпечення підведення кількості тепла, необхідної для підтримування полум’я. Важливими факторами, що повинні враховуватися при проектуванні установок для термічного окислення, є час, температура та турбулентність.

Одна із найпростіших установок, що використовуються для вогневого знешкодження технологічних і вентиляційних низькотемпературних викидів, зображена на рис. 1.10. Установка працює таким чином. Забруднений викидний газ подається через вхідний патрубок 1 та порожнину теплообмінника-підігрівача З у У-подібну порожнину його колектора. При цьому горючі компоненти вихідних газів доводять до необхідної температури й спалюють у кисні, наявному у потоці забрудненого газу.

Рис. 1.10. Схема установки для вогневого знешкодження технологічних і вентиляційних викидів

Процес доспалювання відбувається у камері змішування 4, де хвостова частина факела контактує із знешкодженими викидами при їх турбулізації перегородками камери. Вихідні гази, що проходять через патрубок 5, викидаються в атмосферу або пропускаються через додатковий теплообмінник для рекуперації тепла гарячих газів.

Каталітичне очищення атмосферного повітря від викидів шкідливих газів

Каталітичне очищення ґрунтується на процесі знешкодження шкідливих домішок, зокрема метену, етилену, пропілену, пропану, ацетону, етилацетату, бензолу, ксилолу, толуолу та ін. Температура початку окислення на каталізаторах для різних речовин є неоднаковою.

Таблиця. Значення оптимальних температур окислення деяких речовин

Речовини, що окислюються

Температура початку окислення, °С

Речовини, що окислюються

Температура початку окислення, °С

Ацетилен

207—234

Оксид вуглецю

316—343

Альдегіди

173—234

Пропан

293-332

Бензин

261—298

Розчинник

260—400

Бензол

277—300

Толуол

200—250

Ксилол

300—340

Фенол

216—427

Нітротолуол

265—297

Етанол

261—293

Для кожного каталізатора існує граничний температурний рівень. Для багатьох каталізаторів максимальна робоча температура становить 800—850 °С.

В інженерній практиці нині відомі два конструктивні варіанти газоочисних каталітичних установок:

— каталітичні реактори, в яких здійснюється контакт газоповітряного потоку з твердим каталізатором, розташованим в окремому корпусі;

— термокаталітичні реактори (апарати), в яких у загальному корпусі розташовані контактний вузол і підігрівам.

Найпростішу конструкцію має каталітичний реактор уніфікованого збирального комплексу типу УКС-39, розроблений Мінським конструкторсько-технологічним інститутом (МКТЕІ). Це прямокутний зварений теплоізольований корпус, в якому одна із стінок знімна для забезпечення можливості монтажу (демонтажу) касети з каталізатором. Реактор призначений для обладнання в комплексі з електропідігрівачем і спеціальним крапельним теплообмінником сушарок фарбувальних ліній, що працюють на машинобудівних, меблевих, приладобудівних та інших промислових підприємствах.

На підприємствах машинобудівної, меблевої, текстильної та автомобільної промисловостей найбільш поширеними є термокаталітичні реактори, до складу яких входять реактор тепла, підігрівам і контактний вузол. На рис. 1.11 наведена схема каталітичного реактора, призначеного для очищення повітря від парів толуолу.

Рис. 1.11. Схема каталітичного реактора: 1 — теплообмінник-рекуператор; 2 — контактний пристрій; З — каталізатор; 4 — пальник; б — підігрівач

Опишемо принцип дії такого реактора. Забруднене толуолом повітря потрапляє в теплообмінник-рекуператор / для попереднього підігрівання, звідки через обхідний канал подається в підігрівач 5. Одночасно до пальника 4 подається природний газ, який згоряє. Продукти згоряння природного газу змішуються із загазованим повітрям, підвищуючи його температуру до 250—350 °С, тобто до такого рівня, при якому відбувається інтенсивна оксидація толуолу з утворенням нетоксичних продуктів — діоксиду вуглецю та водяної пари:

Процес хімічного перетворення відбувається на поверхні каталізатора 3, розташованого в контактному вузлі 2, Суміш повітря та продуктів хімічної реакції при температурі 350—450 °С подається у рекуператор 1, де віддає тепло забрудненій газоповітряній суміші, а потім після певного охолодження через канали виводиться в атмосферу в очищеному вигляді.

Перед початком каталітичного очищення повітря від будь-яких газів досить важливим є визначення необхідної товщини каталізатора

де Qn — — витрата повітря, м3/с; с, — — концентрація шкідливих речовин у повітрі до очищення, моль/м3; с2 — концентрація шкідливих речовин у повітрі після очищення, моль/м3; Sk — площа шару каталізатора, м2; опп — насичена густина каталізатора, кг/м8; Snn — питома поверхня каталізатора кг/м8; wt — швидкість гетерогенної каталітичної реакції, моль/(м2 х с).

Ефективність очищення каталітичного реактора становить 0,96—0,98 при витраті природного газу 3,5—4,0 м3 на 1000 м* очищеного повітря. Гідравлічний опір реактора при номінальному навантаженні (800—900 м3/год) не перевищує 150—180 Па. Швидкість процесу каталітичного очищення знаходиться в межах від 8000 до 10 000 об’ємів на об’єм каталітичної маси в годину.

Каталітичні методи очищення широко застосовують і для нейтралізації вихлопних газів автотранспортних засобів.

Тема 2.3 Захист поверхневих і підземних вод від промислових викидів.

Антропогенний вплив на гідросферу та його негативні наслідки

     Господарська діяльність, що посилюється з кожним роком, різко негативно впливає на гідросферу нашої планети. Цей негативний вплив проявляється у вигляді виснаження ненормованими водовідборами джерел водопостачання; порушення гідрологічного та гідрогеологічного режимів на значних територіях; забруднення і засмічення поверхневих та підземних вод.     Розвиток людської цивілізації потребує все більшої й більшої кількості прісної води. У містах та інших населених пунктах добові витрати води на побутові потреби досягають від 125 до 400 л на одну особу. Крім того, внаслідок неякісної водогінної системи губиться на шляху від водозаборів до споживачів величезна кількість води.

     Дуже велика кількість води іде на промислові потреби. Близько 50-80 % води, яка подається на зрошення, або надто швидко профільтровується через ґрунт, або стікає з полів, не зволожуючи коріння рослин, тобто використовується вкрай неефективно.

          До найбільш небезпечних видів негативного антропогенного впливу на гідросферу Землі належить забруднення та засмічення поверхневих і підземних вод відходами господарської діяльності. Під забрудненням води розуміють викликані антропогенною діяльністю зміни її фізичних, хімічних та біохімічних властивостей у порівнянні з природним станом, які роблять воду частково або цілком непридатною для використання. Забруднення підземних вод відбувається внаслідок просочування вглиб гірських порід з поверхні землі рідких відходів виробництва та забруднених атмосферних опадів. У підземні водоносні горизонти полютанти надходять шляхом: а) фільтрації рідких стоків підприємств та атмосферних опадів, що промивають тверді відходи; б) фільтрації з полів, зрошуваних забрудненими стічними водами та оброблюваних отрутохімікатами і хімдобривами; в) проникнення через колодязі, свердловини та карстові порожнини; г) бокової та вертикальної фільтрації забруднених річкових і озерних вод; д) інфільтрації забруднених атмосферних опадів.

 

Стадії, види та джерела забруднення поверхневих і підземних вод.

     Розрізняють три стадії забруднення природних вод.

     Початкова стадія. Концентрація полютантів (забруднювачів) у воді вища за фонову, але менша за ГДК (гранично допустимої концентрації). Властивості води в межах норми. Зміни, що спостерігаються, не є перепоною для використання води для господарсько-питних потреб, але вказують на наявність джерела забруднення.

     Небезпечна стадія. Концентрація полютантів досягає ГДК або трохи перевищує її. Площа забрудненої ділянки (для підземних вод) становить 0,02-0,5 км2.

     Дуже небезпечна стадія. Вміст полютантів значно (на порядок) перевищує ГДК. Площа забрудненої ділянки (для підземних вод) становить 0,5-1,0 км2 і більше. 

     До основних видів забруднення поверхневих та підземних вод належать: хімічне, бактеріальне, теплове і радіоактивне.

     Хімічне забруднення. Проявляється у збільшенні загальної мінералізації й концентрації макро- та мікрокомпонентів, появі у водах невластивих їм мінеральних сполук. Часто супроводжується появою запаху, забарвлення та підвищення температури.

     Бактеріальне (мікробне) забруднення. Полягає в появі у воді патогенних організмів, зокрема бактерій групи кишкової палички. Бактерії живуть від 30 до 400 діб, тому таке забруднення локалізується на порівняно невеликій ділянці і є тимчасовим.

     Теплове забруднення. Виявляється у підвищенні температури води. Його супроводжує зміна хімічного та газового складу води, зменшення кількості кисню, “цвітіння” води, збільшення вмісту в ній мікроорганізмів.

     Радіоактивне забруднення. Пов’язане з підвищенням у воді вмісту радіоактивних речовин. Через те що час напіврозпаду різних радіонуклідів триває від кількох годин до тисяч років, радіоактивне забруднення води є дуже стійким і може зберігатися тривалий час. Багато радіонуклідів сорбується гірськими породами і тому локалізуються. У відкритих водоймах вони осідають на дно.

     Потужним джерелом хімічного (як неорганічного, так і органічного) забруднення гідросфери є промислові підприємства Рідкі неочищені або погано очищені промислові стоки підприємств забруднюють поверхневі, а відтак і підземні води. Крім того, газопилові викиди промислових підприємств та ТЕС в атмосферу забруднюють дощову воду або осідають на рослинно-грунтовому покриві й також стають причиною забруднення поверхневих та підземних вод. Забруднюються і води, що фільтрується крізь товщу промислових відходів. Щорічно при спалюванні вуглецевого палива в атмосферу надходить до 150 млн т оксиду сірки (IV). Сполучаючись з водою атмосфери, ця сполука утворює сірчану кислоту і зумовлює появу кислотних дощів, які не лише згубно впливають на наземну рослинність, а й суттєво погіршують стан водоймищ та водотоків.

     При рН = 7,0 зменшується вміст кальцію у воді, гинуть ікринки окремих земноводних; при рН = 6,0 — гинуть молюски, прісноводні креветки, ікра всіх земноводних; при рН = 6,0-5,5 з донних відкладів починається вилуговування отруйних металів: алюмінію, ртуті, свинцю, кадмію, олова, берилію, нікелю тощо і внаслідок цього швидко зменшуються видовий склад та кількість водних організмів. Коли рН досягає 4,5, в озері чи річці не залишається нічого живого, крім анаеробних бактерій, які виділяють вуглекислий газ, метан та сірководень.

     Інтенсивно забруднюються поверхневі та підземні води при розвідці та збагачуванні корисних копалин. Свердловини та гірничі виробки нерідко порушують суцільність водотривких шарів і внаслідок цього – ізольованість водоносних горизонтів. Шахтні, рудничні води й супутні води нафтових та газових родовищ часто мають підвищену мінералізацію і містять великі кількості полютантів. Скидання таких вод на земну поверхню призводить до забруднення поверхневих, підґрунтових та близьких до поверхні міжпластових вод. Крім того, в свердловинах може відбуватися перетікання мінералізованих вод і нафти в горизонти з чистою питною водою. При розробці уранових родовищ крім хімічного відбувається радіоактивне забруднення навколишніх поверхневих та підземних вод. Джерелами радіоактивного забруднення води виступають також атомні електростанції, небезпечний вплив яких різко зростає при аваріях.

     У місцях видобутку та збагачення корисних копалин часто накопичуються потужні відвали гірських порід, збагачених піднятими з глибин Землі і шкідливими для живих організмів хімічними елементами та сполуками, які згодом розмиваються атмосферними опадами і потрапляють у поверхневі, а згодом і у приповерхневі підземні води. Особливо небезпечними для людини є важкі метали. 

     До головних джерел хімічного та бактеріологічного забруднення гідросфери належить також сучасне сільське господарство, в якому широкомасштабно застосовуються отрутохімікати (пестициди) для боротьби з шкідниками та мінеральні добрива. Особливо небезпечною виявляється хімізація сільського господарства при порушеннях технологічних норм зберігання та застосування хімічних речовин. Найбільш поширеними групами пестицидів є гербіциди, що вживаються для боротьби з бур’янами, інсектициди — препарати для знищення шкідливих комах у сільськогосподарських культурах та фунгіциди — засоби проти грибних захворювань рослин. Ще більше поступає в ґрунт мінеральних добрив. При розмиванні дощовими водами шкідливі хімічні речовини інфільтруються у ґрунт і підґрунтя, забруднюють підґрунтові води, змиваються у поверхневі водоймища та водотоки. Деякі пестициди дуже стійкі і зберігаються у ґрунті понад 10 років.

     Забруднення отрутохімікатами та мінеральними добривами пверхневих вод відбувається кількома шляхами. Вони потрапляють у воду при змиві з рослинно-грунтового покриву, при обприскуванні та обпиленні ланів отрутохімікатами та при надходженні у водоймища забруднених підґрунтових вод. Забруднення вод добривами та пестицидами особливо небезпечне своєю повсюдністю. Забруднення води пестицидами понад гранично допустимі норми особливо поширене в районах з постійним застосуванням зрошування. 

     Крім хімічного неорганічного забруднення природних вод, сільське господарство сприяє їхньому органічному та бактеріальному забрудненню. Збагачені органікою та хвороботворними бактеріями тваринницькі стоки безперешкодно потрапляють у поверхневі та підземні води. Евтрофікація водоймищ, коли збільшення у водоймищах біогенних речовин, зокрема тих, що містять багато азоту і фосфору, порушує в них нормальний біологічний кругообіг, викликає загнивання їх, зменшення вмісту кисню і зрештою – загибель водних організмів. Бактеріальне забруднення поверхневих та підземних вод спричинює спалахи епідемій важких інфекційних хвороб.

Не менш небезпечними є побутові комунальні стоки, які в недостатньо очищеному або й зовсім неочищенному стані поступають з населених пунктів у річки, озера, моря та на поля фільтрації. Крім різноманітних хімічних шкідливих речовин ці стоки містять збудників різноманітних інфекційних захворювань, таких як паратиф, дизентерія, вірусний гепатит, туляремія тощо.      Останнім часом у побутові стоки все більше потрапляє дуже шкідливих синтетичних мийних речовин. Навіть незначна кількість їхніх домішок викликає неприємний смак і запах води, а утворення піни на поверхні відкритих водоймищ утруднює доступ атмосферного кисню і веде до замору і загибелі водяних організмів.

     Одним із суттєвих джерел забруднення гідросфери є водний (й частково наземний) транспорт. Особливо великої шкоди завдають їй танкери, що доставляють нафту водним шляхом у різні пункти земної кулі. При аваріях, ремонтах та очистці їх величезна кількість нафтопродуктів потрапляє у воду морів та океанів, викликаючи справжні екологічні катастрофи й масову загибель морських мешканців. Крім того, у воду в значних кількостях потрапляє бензин, гас, мазут, мастильні речовини і різне сміття з кораблів та моторних човнів, щo заполонили весь Світовий океан, стан забрудненості якого погіршується з кожним роком.

     Велику небезпеку для річок становить сплав лісу розсипом, особливо заздалегідь обробленого сильнодіючими отрутохімікатами, що застосовуються в лісовій промисловості для обробки необкорованої деревини. Вода стає непридатною для споживання і життя у ній. Крім того, при сплаві розсипом багато деревини тоне і загниває на дні, що також призводить до пригнічення життєдіяльності і вимирання водяних організмів.  



Страницы: 1 | 2 | Весь текст