Коммунальная гигиена

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

образные лопасти, твердые частицы за счет центробежной силы выпадают из потока и собираются в бункере. Очищенный газ по центральным трубам циклончиков направляется в верхнюю часть батарейного циклона и выводится из него по патрубку. Эффективность очистки составляет: от частиц пыли диамет­ ром 5 мкм — 85—90%, 10 мкм — 85—90%, 20 мкм — 90—95%. Циклоны ис­ пользуют главным образом для первой ступени очистки (в строительной, ме­ таллургической промышленности, на ТЭС) в комбинации с аппаратами для тон­ кой очистки газа, например электрофильтрами и скрубберами. К недостаткам относятся сложности в изготовлении и большая металлоемкость аппаратов. Кроме того, батарейные циклоны эффективно работают лишь при очистке га­ зов от сухой и не слипающейся пыли.

Фильтрационные пылеуловители. В этих устройствах газовый поток про­ ходит через пористый материал различной плотности и толщины, в котором задерживается основная часть пыли. Фильтрационные устройства в зависимос­ ти от фильтрующих материалов разделяют на 4 группы:

1) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических и минеральных волокон, из тканевых, нетканевых волокнистых материалов (вой­ лока, картона, губчатой резины, пенополиуретана, металлотканей). В послед­ ние годы натуральные ткани (шерсть, хлопок) заменяют на синтетические, хи­ мически, термически, механически стойкие к воздействию микроорганизмов, с меньшей влагоемкостью (ровил из поливинилхлорида, крилор из полиакрилнитрила, тергаль из полиэфирной смолы), а также используют стекловолокно, обработанное силиконом, которое выдерживает температуру 300 °С;

2)с полужесткими перегородками (из стружки, сеток);

3)с жесткими перегородками (из керамики, пластмасс, прессованного по­ рошка, металла);

4)с зернистыми слоями (из кокса, гравия,

кварцевого песка).

Фильтрующий эффект пористого мате­ риала состоит в улавливании частиц, диаметр которых превышает размер отверстий (пор) материала. При этом более крупные частицы пыли располагаются поперек этих отверстий, образуя сплошной слой пыли, который задер­ живает тонкую пыль. Чем меньше диаметр пор, тем эффективнее улавливание аэрозолей. Час­ тицы, достигая поверхности материала, оседа­ ют под действием сил Ван-Дер-Ваальса, элект­ ростатического притяжения. На практике широ­ ко используют рукавные фильтры. Рукавный фильтр запатентован в 1886 г. Бетом. Поэто­ му его еще называют бета-фильтром (рис. 93). Тканевые фильтры изготавливают в форме ци­ линдрических труб (рукавов), расположенных параллельно в несколько рядов, что обеспечи-

521

Рис. 94. Фильтр с полужесткими пористыми перегородками

вает большую площадь поверхности. Вентилятор через входной газоход на­ гнетает газ в камеру, затем он проходит через тканевые рукава, нижние концы которых закреплены хомутами на патрубках распределительной решетки. Пыль оседает на внутренней поверхности рукава, а очищенный газ проходит через поры ткани и выводится в атмосферу.

Рукавные фильтры очищают газ от тонкодисперсной пыли, т. е. от частиц диаметром 0,001—0,5 мкм. Частицы диаметром более 1 мкм задерживаются в основном путем соударений и прямого захвата, в то время как частицы диаме­ тром 0,001—1 мкм улавливаются вследствие диффузии и электростатического взаимодействия. После образования достаточно толстого слоя пыли с перепа­ дом давления 40—70 мм вод. ст. эффективность очистки ГВС возрастает до 99%. Когда перепад давления достигает 120—150 мм вод. ст., фильтр необхо­ димо очищать. Это достигается механической вибрацией или встряхиванием, обратным продуванием пульсирующими потоками, обратным потоком воздуха, звуковыми волнами. Тканевые фильтры рекомендуют применять в таких слу­ чаях: 1) когда необходима высокая эффективность улавливания пыли; 2) когда пыль является ценным продуктом, который необходимо собрать сухим; 3) когда температура газа выше чем его точка росы; 4) когда объемы ГВС небольшие; 5) в цветной металлургии, цементной, мукомольной промышленности. Недо­ статки рукавных фильтров: 1) для их размещения необходимы значительные производственные площади; 2) невозможность работать с гигроскопичными ма­ териалами.

Фильтры с полужесткими пористыми перегородками состоят из ячеек-кас­ сет, между стенками которых расположен слой стекловолокна, шлаковаты, ме­ таллической стружки, насыщенной маслом. Собранные в секции кассеты уста­ новлены перпендикулярно к газовому потоку или под углом к нему (рис. 94).

Эффективность очистки при использовании таких фильтров составляет 99%. Их применяют для улавливания пылевых частиц всех размеров, при раз­ ных объемах выбросов и концентрации пыли на производстве технического углерода, пестицидов, красителей, сталелитейном, цементном, во время измель­ чения полевого шпата, графита.

Электрофильтры впервые были применены в 1903 г. Принцип очистки ГВС в электрофильтрах состоит в следующем. Если напряженность электри­ ческого поля между электродами превышает критическую величину, которая

522

Рис. 95. Электрофильтр с трубчатыми (а) и пластинчатыми (б) электродами

равна 30 KB/СМ, то молекулы воздуха ионизируются у негативно заряженного коронирующего электрода и приобретают отрицательный заряд. Во время дви­ жения негативно заряженные ионы воздуха встречают пылинки и передают им свой заряд. В свою очередь пылинки направляются к положительно заряжен­ ным осадительным электродам, достигают их поверхности и теряют свой за­ ряд. Слой образовавшейся пыли удаляется при помощи вибрации и поступает в бункер. Очищенный газ через верхний конфузор поступает в дымовую тру­ бу. Электрофильтры могут быть с трубчатыми (рис. 95, а) или пластинчатыми (рис. 95, б) электродами. Электрофильтр с трубчатыми электродами представ­ ляет собой камеру, в которой расположены осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды — это трубки из графита, стали или пласт­ массы диаметром 15—30 см и длиной 3—4 м, расположенные параллельно, за­ земленные и соединенные с положительным полюсом выпрямителя. По оси труб натянуты коронирующие электроды из нихромовой или фехралевой про­ волоки диаметром 1,5—2 мм, подвешенные к раме и соединенные с отрица­ тельным полюсом.

Электрофильтр с пластинчатыми электродами — это камера, в которой между осадительными пластинами высотой 10—12 м и шириной 8—10 м под­ вешены коронирующие электроды. Ионизирующие электроды натягиваются в центре между осадительными электродами, а газовый поток движется парал­ лельно к осадительным электродам. Эффективность очистки ГВС от частиц пы­ ли диаметром 0,05—200 мкм составляет 98—99,99%. Осевшую пыль удаляют с осадительных электродов путем встряхивания или вибрации. Встряхивание применяют в том случае, если толщина слоя пыли достигает 3—6 мм.

Акустический ультразвуковой пылеулавливатель. Степень очистки ГВС может быть повышена путем увеличения размеров пылевых частиц за счет

523

Рис. 96. Акустический ультразву­ ковой пылеуловитель

акустической коагуляции, возникающей вслед­ ствие действия на загрязненный газ акустичес­ ких колебаний звуковой и ультразвуковой час­ тот. Звуковые и ультразвуковые колебания вы­ зывают интенсивную вибрацию частиц, что приводит к резкому увеличению количества случаев их столкновения и увеличения диа­ метра. Промышленная установка имеет вид резонансного цилиндра (рис. 96) с источником ультразвука. Газ поступает в сепарационную камеру. Озвучивание газа при 150 дБ и 50 кГц приводит к коагуляции частиц пыли с даль­ нейшим выпадением под действием их массы.

Установки для "мокрой" очистки. В этих установках сочетается очистка ГВС от пыли и вредных газов путем сорбции. Процесс сорб­

ции предусматривает адсорбцию и абсорбцию. Адсорбцией называется кон­ центрирование любого вещества в поверхностном слое сорбента. Адсорбцион­ ное равновесие определяется двумя процессами: притяжением молекул или частиц к поверхности сорбента под действием межмолекулярных сил и тепло­ вым движением. Адсорбция наблюдается на поверхности раздела фаз, напри­ мер, твердое вещество — жидкость, твердое вещество — газ. Твердое веще­ ство, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом, а вещество, которое концентрируется на границе раздела фаз, — адсорбатом. Абсорбцией называется поглощение пара, газа или растворимых веществ сор­ бентом. При этом осуществляется переход вещества из газовой фазы в жидкую, выборочное поглощение газа жидкостью без реакции. Процесс протекает в том случае, если парциальное давление абсорбированного компонента в газовой фа­ зе выше равновесного парциального давления этого компонента над данным раствором. Чем больше разница между величинами давления, тем с большей скоростью протекает абсорбция. При хемосорбции абсорбированный компо­ нент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химичес­ кие соединения. Наиболее распространенными твердыми сорбентами являются активированный уголь и силикагель, которые для интенсификации процесса очистки обрабатывают катализаторами — медью, серебром, палладием, плати­ ной и др. Из жидких сорбентов чаще всего используют воду (вместе с маслами, органическими растворителями, растворами солей, кислот, щелочей и спир­ тов, которые должны иметь высокую поглотительную способность, термичес­ кую стойкость, не вызывать коррозии, обладать способностью к регенерации). Во время разработки установок стараются обеспечить максимальную площадь контакта газового потока с поверхностью адсорбента. Этого достигают в пер­ вом случае путем использования сорбентов соответствующей, т. е. наимень­ шей фракции, во втором — с помощью пленок абсорбента (жидкости), кото­ рый стекает по стенкам перегородок, или распыления жидкости в виде мелких капель. Поверхность контакта может быть разной. Это может быть пленка, как

524

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

в скруббере с насадкой, пузырек — как в барботажных скрубберах с решетка­ ми, капли — как в форсуночных скрубберах, газопромывателях Вентури. Очи­ стку ГВС путем сорбции применяют в том случае, если загрязненный газ слож­ но или невозможно сжечь, необходима гарантированная рекуперация примеси вследствие ее значительной стоимости или концентрация загрязняющего ве­ щества в газовом потоке незначительна.

По способу действия аппараты для "мокрой" очистки распределяют на по­ лые и насадочные газопромыватели; скоростные турбулентные газопромыва­ тели; аппараты барботажные и ударно-инерционного действия.

Полые и насадочные газопромыватели. Одним из наиболее простых газо­ очистных устройств "мокрого" типа является круглая или прямоугольная брызгопромывная колонна (рис. 97) с форсунками или водораспределительной уста­ новкой, через которую распыляется жидкая фаза для обеспечения эффектив­ ного контакта с улавливаемыми частицами.

Газовый поток подводят через трубу, которая расположена тангенциально (рис. 97, а). Благодаря этому ГВС приобретает вращательное движение, под­ нимается вверх, и частицы пыли отбрасываются к стенкам камеры, орошаемым водой из водораспределителя, который вращается с большой скоростью. Захва­ ченные водной пленкой частицы пыли выводятся в виде шлама через трубу в нижней части установки.

На рис. 97, б изображен форсуночный абсорбер, в котором поверхность между фазами формируется за счет распыления жидкости в камере при помо­ щи форсунок, расположенных в два ряда. ГВС поступает снизу и поднимает­ ся навстречу водяному дождю. Частицы пыли приближаются к каплям, захва­ тываются ими и попадают в нижнюю часть камеры. При этом частицы пыли

Рис. 97. Полые скрубберы

525

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

испытывают действие двух основных сил: собственно силы инерции и силы сопротивления омывающего газа. В нижней части камеры уровень воды дол­ жен быть постоянным и образовывать водяной затвор. Над ним расположен распределительный экран для равномерного движения ГВС по сечению уста­ новки. В верхней части колонны устанавливают брызгоотбойник, предназна­ ченный для отделения избыточных капель как чистой воды, так и загрязнен­ ных, которые слишком малы и не могут опускаться в потоке поднимающегося газа. Используют такие установки для предварительной очистки газа в черной и цветной металлургии, где одновременно необходимо снизить температуру и увлажнить горячие газы. Эффективность очистки ГВС от пылевых частиц диа­ метром 1 мкм составляет 60%, 5 мкм — 94%, 25 мкм — 99%. Применение пе­ регородок для увеличения продолжительности контакта между газом и жидкос­ тью приводит к повышению эффективности очистки от частиц диаметром 5 мкм до 97%, 10 мкм — до 100%.

Насадочные абсорберы, или пылеуловители со смоченными поверхностями.

Широко применяют в промышленности колонные аппараты, наполненные на­ садкой. Контакт ГВС с жидкостью в таких аппаратах происходит обычно на смоченной поверхности насадки, по которой стекает жидкость-ороситель. От вы­ бора типа насадки и ее загрузки зависят гидравлический режим и эффектив­ ность работы абсорбера. Насадки должны иметь малую насыпную массу, боль­ шую удельную поверхность и значительный свободный объем, хорошо смачи­ ваться, не забиваться осадком, равномерно распределять жидкость, отличаться высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью. В промышлен­ ности используют следующие типы насадок. Кольцевые насадки: 1) кольца Рашига (тонкостенные тела из керамики, фарфора, реже — из металлов, углеграфитовых и пластичных масс); 2) кольца Лессинга (с одной или двумя кресто­ образными перегородками); 3) спиральные кольца (имеют одну, две или три спирали); 4) кольца Палля (с перфорированными стенками). Седла Берля и Инталокс из керамики загружают насыпью высот от 6 до 25 мм. Такие насадки имеют большую удельную поверхность и свободный объем, лучше смачивают­ ся и обусловливают меньшее гидравлическое сопротивление. Плоскопараллель­ ные насадки имеют вид вертикальных пакетов высотой 400—800 мм из плоских или волнистых металлических пластин, которые устанавливают с интервалом 10 мм. Контакт между жидкостью и газом достигается за счет пленочного стекания жидкости по стенкам пластин. Плавающая насадка: полые или цельные пластмассовые шары, которые при достаточно высокой скорости газа переходят во взвешенное состояние. Блочная насадка: большие пустотелые керамические блоки прямоугольной формы. Имеются также насадки в виде кусков материалов (кокс, кварц), проволочных спиралей, розеток, перфорированных металлических полос, пластмассовых и стекловолокнистых материалов {пропеллерная насадка).

Насадочный абсорбер (рис. 98) — вертикальная колонна с опорной (колос­ никовой) решеткой в нижней части. На решетку навалом или рядами уклады­ вают насадку. Оросительную жидкость подают на насадку сверху при помо­ щи оросительных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа и отведения жидкости. Запыленный газ движется снизу вверх со

526

Рис. 98. Насадочный абсорбер

скоростью 0,8—1,5 м/с и орошается водой из форсунок, или брызгал (с диамет­ ром отверстий 1—10 мм), которые устанавливают по всей высоте аппарата. При этом сечение скруббера перекрывается распыленной жидкостью. Части­ цы пыли захватывает пленка жидкости, и они выводятся из газового потока. Степень очистки ГВС от пыли составляет 75—85%.

Скоростные турбулентные газопромыватели, или скрубберы Вентури.

Скрубберы Вентури (рис. 99) применяют для тонкой очистки газов от пыли. Этот процесс состоит в том, что запыленный газ через конфузор, встроенный в газопровод для разгона газового потока, попадает в горловину (диаметром 250—1000 мм), где газ движется с наибольшей скоростью — 50—70 м/с. Через отверстия в горловине под давлением со скоростью 70—100 м/с поступает во­ да, которая, сталкиваясь с газовым потоком, разбрызгивается на мелкие ка­ пельки (диаметром 10 мкм). При столкновении с частицами пыли капельки жидкости поглощают их и коагулируют. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор, в котором скорость газового потока снижается до 25 м/с, и по­ ступают в циклонный сепаратор. В циклоне скорость газожидкостной смеси составляет 5 м/с, и капли под действием центробежной силы отделяются от га­ за, и вместе со шламом попадают в отстойник. В отстойнике воду отделяют от шлама и вновь подают насосом в скруббер. Эффективность очистки от частиц пыли диаметром 0,2—2 мкм составляет 99%.

В скруббере Вентури также эффективно улавливаются продукты сублима­ ции или туман, который образуется при производстве серной кислоты.

527

Рис. 99. Скруббер Вентури

Барботажные абсорберы применяют для очистки очень загрязненных га­ зов. Принцип работы таких абсорберов основывается на прохождении (барботаже) пузырьков газа через слой жидкости. Поверхность массообмена в этом случае, когда жидкость является сплошной фазой, а газ — дисперсной, эквива­ лентна суммарной поверхности пузырьков газа или пены, которая образуется вследствие барботажа. В зависимости от способа образования межфазной по­ верхности (поверхности массообмена) различают барботажные абсорберы со сплошным барботажным слоем, тарельчатого типа, с плавающей насадкой, с механическим перемешиванием жидкости.

Абсорбер со сплошным барботажным слоем имеет вид камеры с круглым или прямоугольным сечением, внутри которой установлена перфорированная плита для разбивания потока газа на струи. Вода или другая жидкость поступа­ ет на плиту через штуцер, а загрязненный газ подается в аппарат через патру­ бок со скоростью 6—13 м/с. Он проходит в направлении снизу вверх через от­ верстия в плите, барботирует жидкость и превращает ее в слой подвижной пе­ ны. В этом слое пены пыль поглощается жидкостью, основная часть которой (80%) удаляется вместе с пеной через регулированный порог; 20% жидкости сливаются через отверстия в плите и улавливают в пространстве под плитой частицы пыли. Эта суспензия удаляется через штуцер (рис. 100).

Для повышения степени очистки газов применяют аппараты, в которых по высоте устанавливают не одну, а несколько ступеней (тарелок). Широко рас­ пространены колпачковые тарелки. В таких аппаратах ГВС проходит через центральное отверстие и прорези в колпачках, барботирует в виде пузырьков

528

через жидкость, образуя слой пены, пос­ ле чего попадает на расположенную выше тарелку. Жидкость перекрестным потоком перемещается по тарелке и за­ тем переливается сверху вниз. С увели­ чением количества колпачков улучша­ ются условия контакта газа с жидкостью. В абсорберах с подвижной насадкой до­ стигается большая скорость массопередачи. В аппаратах может быть несколь­ ко секций с перфорированными решет­ ками. На каждой решетке имеется слой насадки, которая под действием газа пе­ реходит в подвижное (псевдосжиженное) состояние, что способствует уве­ личению контакта пылинок с водяной пленкой и повышению эффективности очистки (причем движение насадки хао­ тично). После этого газ попадает в атмо­ сферу.

Рис. 100. Абсорбер со сплошным барботажным слоем

Циклонно-ротационные пылеулови­ тели. В этих аппаратах воплощен принцип двухступенчатого распределения

неоднородных пылегазовых систем в поле центробежных сил: на первой сту­ пени газ очищается в циклоне, а на второй — в ротационном пылеуловителе.

К установкам ударно-инерционного типа относится ротоклон (роторный сепаратор), который состоит из статоров и роторов. Жидкость подается сквозь сопла в ротор и разбивается на капельки. Запыленный газ проходит через зону распыленной воды, в которой частицы пыли смачиваются, отбрасываются на лопатки ротора, покрытые пленкой воды, и выносятся из аппарата в шламонакопитель.

Каталитические методы очистки ГВС являются наиболее перспектив­ ными. Они основываются на превращении вредных примесей в нейтральные вещества, которые легко удалить из газа (экологический катализ). При этом вещества, принимающие участие в химической реакции (катализаторы), не из­ меняются. Во время гомогенного катализа и катализатор, и реагирующее ве­ щество находятся в одной фазе, например в газовой, а во время гетерогенного катализа — в разных фазах. Для очистки газов от примесей в качестве катали­ заторов применяют твердые вещества (металлы группы рутения, палладия, ро­ дия, платины), которые наносят на основу из сплава никеля, меди, марганца и алюминия. Чтобы произошла химическая реакция между атомами, молеку­ лами или ионами, необходимо их взаимодействие (столкновение) при наличии энергии (активации). При температуре 500 °С в 1 см3 рекреационной смеси происходит 1028 столкновений частиц в 1 с. Катализ на твердых катализаторах проходит такие стадии: внешней диффузии веществ к поверхности катали­ затора; внутренней диффузии в порах катализатора; активированной — хими-

529

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

ческой адсорбции компонентов на поверхности катализатора; перегруппиров­ ки атомов (химическая реакция).

На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыш­ ленности ГВС обезвреживают термическими методами. Однако при этом необ­ ходимо учитывать токсичность продуктов, образующихся в процессе окисле­ ния. Аппараты термического обезвреживания ГВС имеют: камерные печи, печи с использованием циклонного принципа смешивания газов, печи со струйным смешиванием газов.

Планировочные мероприятия в градостроительстве определяются схе­ мами районных планировок, генпланом города, санитарными нормами и прави­ лами. К ним относятся: 1) рациональное расположение селитебной территории по отношению к промышленной зоне с учетом розы ветров, опасной скорости ветра, микроклимата данной местности, неблагоприятных метеорологических ситуаций для рассеивания промышленных выбросов, рельефа местности, тем­ пературной инверсии, образования туманов, фоновых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, перспективы развития районов города; 2) озе­ ленение города; 3) организация СЗЗ для объектов, являющихся источниками загрязнения атмосферного воздуха.

СЗЗ устанавливают непосредственно от источников загрязнения до гра­ ниц селитебной территории в зависимости от количества газо- и пылеобраз­ ных выбросов, концентрации вредных веществ и веществ с неприятным запа­ хом в атмосферном воздухе, уровня шума, вибрации ультразвука, интенсив­ ности электромагнитных излучений, с учетом реальной санитарной ситуации (фонового загрязнения, особенностей рельефа, метеоусловий). В тех случаях, когда расчетами не подтверждается размер СЗЗ или невозможна ее организа­ ция в конкретных условиях, необходимо изменение технологии производства для снижения выбросов вредных веществ в атмосферу, его перепрофилирова­ ние или закрытие.

В соответствии с санитарной классификацией, для предприятий, произ­ водств и сооружений IA класса размер СЗЗ составляет 3000 м, ІБ класса — 1000 м, II класса — 500 м, III класса — 300 м, IV класса — 100 м, V класса — 50 м. Для предприятий и объектов, которые проектируются с внедрением но­ вой технологии или реконструируются, при необходимости и надлежащем тех­ нико-экономическом и гигиеническом обосновании СЗЗ может быть увели­ чена, но не более чем в 3 раза, при: отсутствии способов очистки выбросов; не­ возможности уменьшить поступление в атмосферный воздух химических ве­ ществ, ограничить влияние электромагнитного и ионизирующего излучения

идругих вредных факторов до пределов, установленных нормативами; распо­ ложении жилой застройки, оздоровительных и других приравненных к ним объектов с подветренной стороны по отношению к предприятиям в зоне воз­ можного загрязнения атмосферы. При организации новых, не изученных в са­ нитарно-гигиеническом отношении производств и технологических процессов,

атакже строительстве или реконструкции предприятий I и II класса опасности

иих комплексов, которые могут неблагоприятно влиять на качество атмосфер­ ного воздуха и здоровье населения, размеры СЗЗ определяют в каждом конк-

530