6.2. Методи очищення повітря від забруднень

Самочинне очищення атмосфери полягає в утворенні нетоксичних речовин, видаленні речовин у вигляді важкорозчинних сполук, які під впливом сили гравітації осідають і випадають з атмосферними опадами. Часточки, розмір яких перевищує 10 мкм, досить швидко випадають на землю, менші піднімаються вверх на висоту понад 1 км і переміщаються повітряними потоками на далекі віддалі. Ось зокрема деякі процеси, завдяки яким відбувається самоочищення атмосфери. Токсичні гази взаємодіють між собою:

2NH₃+SO₂+H₂O=(NH₄)₂SO₃,

SO₃+2H₂S=2H₂O+3S.

Так з токсичних утворюються нетоксичні речовини.

Випадають кислотні дощі, які вимивають з атмосфери оксиди:

2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄,

NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃.

Тривалість перебування в атмосфері SO₂ i NO₂ становить 5 діб; H₂S – 40 діб; СО – 4 місяці; СН₄ – 100 років. Бенз()пірен за 2 доби під дією світла розкладається на 12%, а під дією УФ-випромінювання – на 24%, процес прискорюється дією кисню. Однак самоочищення атмосфери не безмежне, особливо в умовах значного забруднення, тому газові викиди доводиться додатково очищувати.

Методи очищення повітря дуже різноманітні. Для цього використовують спеціальні установки, які містять один або декілька газоочисних апаратів, обладнання для вловлювання з газів шкідливих домішок. Першим етапом очищення повітря від забруднювачів є видалення пилоподібних домішок. Після цього застосовують спеціальні методи знешкодження певних токсичних речовин. Розрізняють фізичні, фізико-хімічні та хімічні методи очищення газуватих викидів.

6.2.1.Механічні методи очищення газуватих викидів

Сухе інерційне очищення газів від пилу полягає в механічному відділення важких часточок внаслідок дії сили гравітації, відцентрової сили та сили інерції. Апарати сухого інерційного очищення прості, однак часто недостатньо ефективні, і застосовуються як перший етап для видалення з викидів важких частинок.

У гравітаційних апаратах частинки з газового потоку поступово осідають у камері, в якій перебувають тривалий час (рис. 6.2).

Рис.6.2. Камера для осадження пилу	Рис.6.3. Інерційна камера з низкою секцій для видалення пилу з повітря

В інерційному апараті газовий потік подається на декілька горизонтальних пластин і під час руху розбивається на декілька потоків, з яких важкі часточки осідають на пластини (рис. 6.3).

Більш ефективними є циклонні сепаратори, в яких відділення часточок з потоку газу відбувається під дією відцентрової сили (рис.6.4).

У циклоні газ обертається по спіралі, при цьому важчі часточки ударяються об стінки циклона і опадають на дно. Так можна відділити невеликі часточки (≥ 25 мкм). Це досить ефективний метод очищення від пилу, яким видаляють до 80% частинок розміром 30-40 мкм. Для вищої ефективності відділення пилу застосовують циклони, які містять декілька циклонних елементів (батарею циклонів).

Рис.6.4. Циклонний сепаратор для осадження пилу; 1,2 –циліндрична та конічна камери, 3–камера для збору пилу

Фільтруванням газів відділяють з викидів тверді та рідкі аерозольні часточки, які залишаються на поверхні фільтрів або потрапляють у пори. Апарати можуть мати нерухомий або рухомий фільтруючий шар, можуть бути сухими і зволоженими. Фільтрувальні апарати поділяють за методом регенерації фільтрів: промиванням, вібраційним витрушуванням, відцентровим очищенням, бувають одно- та багатосекційними. Процес фільтрування може відбуватися під тиском або навпаки при розрідженні (не більше 5000 Па) і переважно застосовується для очищення газів, температура яких не перевищує 200С. Але залежно від фільтруючого матеріалу (кераміка, гравій) деякі фільтри розраховані на очищення високотемпературних пароподібних викидів навіть до 900С.

Тверді фільтри виготовляють з пористих матеріалів або пластичних мас. Можливе використання природних твердих речовин, таких як пісок, гравій. Ці фільтри здатні витримувати різкі перепади тиску та температури. Тверді фільтри поділяють на дві основні групи: жорсткі та зернисті.

Жорсткі фільтри виготовляють зі спечених або спресованих зерен кераміки, можуть бути використані пористі метали та пластмаси. Керамічні та металокерамічні фільтри вловлюють дуже малі часточки (біля 1 мкм) з високою ефективністю (до 99,9%). Однак ці фільтри чутливі до різких перепадів температури і досить дорогі, тому застосовуються для вловлювання з газових потоків цінних речовин.

Зернисті насипні фільтри – галька, гравій, пісок, шлаки, керамічні кільця і гранули, засипані у насадку. Гранули можуть утворювати нерухомі шари, а можуть переміщатися під впливом сили гравітації. Процес фільтрування парових викидів відбувається аналогічно до фільтрування на жорстких фільтрах.

Волоконні фільтри використовують для очищення газових викидів від тонкодисперсних домішок. Часточки затримуються у шарах волокон різної товщини. Залежно від структури волокон використовують грубо-, глибоко- та тонковолокнисті фільтруючі елементи.

Грубоволокнисті фільтри мають високу пилоємність, використовуються для відділення відносно великих часточок. Їх можна досить легко регенерувати, вони дешевші за інші волокнисті фільтри.

Глибокі волокнисті фільтри містять на поверхні грубоволокнистий матеріал, а в нижньому шарі тонковолокнистий, тобто товщина волокон змінюється у розрізі матеріалу фільтра. Ними здійснюють більш глибоке очищення газів.

Тонковолокнисті фільтри утворені з синтетичних волокон з діаметром отворів 1-2 мкм. Матеріал фільтру наносять на основу з більш товстих волокон або на марлю. Ефективність вловлювання часточок розміром 0,05-0,5 мкм є не меншою за 99%. Іноді використовують ультратонкі волокна. Нажаль ці фільтри не піддаються регенерації. Тому після забивання пор їх необхідно знищувати і замінювати на нові.

Тканинні фільтри очищають вентиляційне повітря та технологічні гази. Вони виготовлені з бавовни, шерсті, лавсану, нітрону, скловолокна, менше вологоємкі, витримують температуру до 250С. Тканину поміщають на раму; фільтри бувають різної форми – рукавні, плоскі, а фільтрувальні установки – одно- та багатокамерні. Тканинний фільтр піддається регенерації, яка полягає у струшуванні чи вібрації, в імпульсній продувці, зворотній продувці повітря через використаного фільтра. Тканинними фільтрами очищають гази від тонкодисперсних домішок. До цієї групи фільтрів можна віднести і паперові фільтри.

Біологічне абсорбційне очищення застосовується для видалення аерозолю біологічних речовин (викиди дріжджевого виробництва, речовини з неприємним запахом) з відхідних газів. Газ пропускають знизу вверх через біофільтр, що містить відповідні мікроорганізми. Краплі аерозолю осідають на поверхні біофільтра, сконцентровуються і стікають на дно апарата.

Мокре очищення газів проводять декількома різними способами під час контакту запиленого газу з промивною рідиною. При першому способі рідина, яка використовується для очищення, поступає у запилений газовий потік, при другому забруднений газ продувають через шар рідини. Найчастіше промивною рідиною є вода, іноді інший розчин. Цей метод переважно застосовують для вловлювання твердих та рідких аерозолів, пожежо- та вибухонебезпечних речовин. Апарати відрізняються за своєю конструкцією. До недоліків методу можна віднести необхідність у додатковому водопостачанні, а потім у ліквідації одержаного шламу.

Для очищення використовують промивні камери. Камери сконструйовані з цегли, залізобетону, іноді з металу і містять декілька рядів форсунок, з яких подається промивна рідина. Газ проходить через камеру зі швидкістю до 2,5 м/с і перебуває в ній декілька секунд. Бризки рідини захоплюють забруднення з газу і осідають на дно.

Порожнисті колони з форсунками – це круглі або прямокутні башти, які містять декілька форсунок. Через форсунки подається рідина, яка захоплює аерозольні частинки з газу, який піднімається колоною. Конструкційно є три типи колонок: з однонаправленим рухом газу та поданої рідини, з протилежно направленим рухом (рис. 6.5), з поперечним підводом рідини відносно потоку газу. Їх виготовляють з цегли, залізобетону або металу. У швидкісних колонках швидкість потоку газу досягає 0,6-1,2 м/с. Найвищою є ефективність при очистці газу від частинок з розміром понад 10 мкм.

Порожнисті газопромивачі. У цих апаратах забруднені гази проходять через завісу розпиленої рідини, яка, опадаючи, захоплює важчі частинки з газового потоку. У зрошуваному проході форсунки вмонтовані у димову трубу або газохід. З них подається рідина і створює водяну завісу. Ефективність очищення у газоході не дуже висока (50-60%), найкраще гази очищаються від частинок з розміром понад 20 мкм.

Рис. 6.5 Порожниста колона з форсунками для очищення газів

Промивачі з насадками. Насадки – це наповнювачі природного (галька, кокс), та штучного походження (кільця з перегородками, скло, пориста гума, полімерні кульки). Їх поміщають у спеціальні пристрої, заповнені рідиною. Механізм процесу очищення не відрізняється від попередньо описаних, однак в апаратах такого типу є кращий контакт промивної рідини з газом. Є апарати з нерухомими насадками (компактні пористі матеріали), придатні для вловлювання часточок у вигляді туману та часточок, добре розчинних у воді чи іншій рідині. Вони ефективні (90%) навіть при вловлюванні часточок з розміром біля 2 мкм, хоча недоліком є поступове забивання каналів у насадці. Апарати з рухомими насадками (кульки розміром 2-4 см) цього недоліку не мають, бо бруд з рухомої насадки постійно змивається рідиною.

Для підвищення ефективності використовують способи очищення газів, у яких додатково діє сила інерції, відцентрова сила, а також вловлювання пилу піною.

Барботажно-пінні апарати. Газ у вигляді дрібних бульбашок пропускають через шар рідини товщиною 5-10 см, у якій містяться поверхнево-активні речовини. Речовини з газу захоплюються утвореною піною і ефективність очищення від дрібнодисперсних домішок підвищується до 99%. Цей спосіб очищення найбільше придатний для відділення часточок з розміром понад 5 мкм під час очищення гарячих газів.

В ударно-інерційних апаратах потік газу ударяється об поверхню рідини, одержана паро-рідинна суміш проходить через отвори різної конструкції, у яких відділяються важчі часточки. Ефективність очищення від часточок, більших за 3 мкм, досягає 98%.

Ультразвукові апарати – це зволожувані циклони, у яких під впливом ультразвуку відбувається злипання часточок, і тому вони краще відділяються. Цим способом вловлюють туман, сажу, аерозолі кислот.

Апарати відцентрової дії – це, по суті, циклони, в яких газ вводять внизу циліндричної камери, а зверху камери по дотичній до корпусу розміщені сопла, з яких витікають струмені води. Вода рухається по колу так само, як і потік газу. Після контакту рідини з газом утворюється тонка водяна плівка, яка по стінках камери стікає вниз у приймач шламу. Апарати є декількох різних конструкцій, можуть містити всередині кільця, пластини для збільшення інерційного відділення. Ефективність очищення від часточок розміром понад 30 мкм досягає 99,5%, а для менших часточок до 5 мкм – 85%.

Турбулентні пиловловлювачі, у яких очищення здійснюється як за рахунок турбулентного руху, так і за рахунок інерційного очищення та мокрого вловлювання у циклоні, мають найвищу ефективність.

Недоліком мокрого очищення газів є низька температура, у результаті чого одержаний очищений газ погано розсіюється в атмосфері. Вловлений пил перетворюється на мокрий шлам, для усунення якого необхідні додаткові конструкції. При очистці деяких газів розчин стає або сильно кислим, або сильнолужним, що може спричинити корозію металевого обладнання.