64. Система мероприятий по предупреждению (снижению) поступлений вредных выбросов в атмосферу. Общая характеристика.

Технологические и технические мероприятия

Технологические и технические мероприятия осуществляются в источнике загрязнения атмосферного воздуха. К ним относятся замена источников энергии менее вредными, сырья — менее токсичными, предварительная обработка топлива или сырья с целью снижения вредности выброса, совершенствование технологического процесса с целью снижения объема выброса или его вредности (использование мокрых технологических процессов взамен сухих). Большое значение имеет также герметизация технологического оборудования, аппаратуры, межцехового транспорта, рекуперация (возвращение в технологический процесс) летучих веществ. В качестве примера рассмотрим несколько технологических мероприятий в наиболее актуальных отраслях хозяйства.

Ярким примером технологических мероприятий, резко сокративших объемы и вредность выбросов в атмосферный воздух в черной металлургии, является бездоменный процесс прямого восстановления железа из предварительно подготовленной руды с помощью каталитически разложенного на оксид углерода и метан природного газа. При этом исключается выброс пыли, характерный для доменного процесса, а большая часть непрореагировавших горючих газов и аэрозолей оксидов металлов рекуперируется.

Замена каменного угля топочным мазутом или природным газом на предприятиях тепловой энергетики позволяет исключить загрязнение атмосферного воздуха золой и значительно снизить объемы газообразных выбросов. Большую роль играют переход от традиционных методов сжигания угля к использованию новых топочных устройств, внедрение парогазовых и газотурбинных установок с внутрицикловой газификацией угля. Потери легких фракций углеводородов при хранении нефти могут быть сокращены за счет уменьшения объема газового пространства резервуаров хранения нефтепродуктов с помощью плавающих крыш, понтонов и др., применения дисков-отражателей. Предварительная десульфурация топлива (понижение содержания серы) дает существенный эффект, особенно при сжигании в качестве топлива природного газа. Очистка газа от сероводорода производится на специальных установках с помощью моноэтаноламина, который используется в качестве абсорбента.

Немаловажное значение для охраны атмосферного воздуха на предприятиях нефтедобычи имеют обеспечение рациональной эксплуатации резервуаров, сокращение числа внутрискладских перекачек. Заполнение резервуаров нефтепродуктами должно производиться по возможности сразу после их опорожнения, ибо в этот период паровоздушная смесь в резервуаре является бедной, т.е. содержит углеводороды в малых концентрациях. Известно, что газовое пространство полностью насыщается (за счет жидких остатков) после опорожнения резервуара через 2-3 сут, что увеличивает выброс паров нефтепродуктов при заполнении резервуара.

Технологические приемы уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами ДВС разнообразны. Среди них наибольшее значение имеют применение присадок к топливу для уменьшения дымности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей, замена антидетонационных присадок, в частности тетраэтилсвинца, новыми, менее токсичными добавками к моторному топливу.

Выброс отработавших газов может быть снижен также за счет разнообразных приемов регулировки двигателя (обогащение смеси, уменьшение угла опережения зажигания, снижение степени сжатия, увеличение частоты вращения вала двигателя, впрыск воды во впускной трубопровод, частичная рециркуляция отработавших газов).

Количество и токсичность отработавших газов ДВС автомобилей на газовом топливе значительно ниже, чем на бензиновом. Перспективны также разработки по замене углеводородного топлива другими продуктами, например метанолом или растительным маслом, а также использование в городах автомобилей (городских такси) с комбинированными двигателями (электрическим и ДВС на газе).

Санитарно-технические мероприятия

Их целью является извлечение или нейтрализация компонентов выбросов, находящихся в газообразной, жидкой или твердой форме, от организованных стационарных источников. Уловленные компоненты в дальнейшем могут быть возвращены в это же производство, использованы в качестве сырья или добавок (утилизированы; от лат. utilis — полезный) на других предприятиях или захоронены на полигонах твердых промышленных отходов (ТПО), в золоотвалах.

Требования к очистке выбросов от пыли и газа предъявляются с учетом большого многообразия компонентов выбросов в атмосферу, их качественных особенностей. Методы очистки выбросов могут быть разделены на две группы.

Физические методы, используемые для извлечения твердых и жидких примесей — пыли, дыма, капелек тумана или брызг. Это так называемое пылеулавливание. Сюда относятся механические и электростатические методы очистки.

Физико-химические методы очистки для извлечения и утилизации тех или иных примесей из отходящих газов — газоочистка.

Пылеулавливание

Пыль (аэрозоль) в промышленности образуется во многих технологических процессах при механическом измельчении твердых тел, горении топлива, конденсации паров металлов или их оксидов, химическом взаимодействии двух или нескольких газов.

Борьба с пылью возможна путем как предупреждения образования ее в процессе производства, так и очистки выбросов в специальных аппаратах. Все пылеулавливающие аппараты подразделяются на 4 группы.

Сухие, или механические, пылеуловители, в которых частицы пыли отделяются от газа с помощью механической силы. Сюда относятся пылеосадительные камеры, жалюзийные пылеуловители, циклоны, батарейные циклоны и др. Они применяются в качестве первой ступени очистки газов перед более эффективными пыле- и золоуловителями.

В мокрых пылеуловителях частицы пыли отделяются от газа с помощью промывки той или иной жидкостью, преимущественно водой. Среди аппаратов мокрого пылеулавливания следует назвать скрубберы, барботажные и пенные уловители, мокрые пылеуловители ударно- инерционного действия.

Фильтры, которые задерживают пыль при пропускании через тот или иной фильтрующий материал. Фильтры делятся на тканевые, волокнистые и зернистые. Принцип действия электрофильтров отличается от такового описанных выше аппаратов. В них задержка пыли происходит под действием электростатических сил. Особенно эффективны электрофильтры при улавливании мелкодисперсной пыли.

Очень часто только один из указанных способов не позволяет добиться достаточно полной очистки газов от пыли. Поэтому приходится прибегать к комбинации очистных сооружений, например, может быть использована система, состоящая из циклона и электрофильтра, из скруббера и пенного промывателя и др.

Сооружения для сухой инерционной очистки выбросов от пыли. В гравитационных пылеотделителях, так называемых пылеосадочных камерах или инерционных пылеотделителях (рис. 1), отделение пылевых частиц происходит вследствие осаждения под действием силы тяжести. Благодаря переходу газовой струи из трубы или канала в большую по сечению камеру скорость воздушного потока, содержащего пылевые частицы, резко снижается и частицы выпадают, увлекаемые силой тяжести. Как правило, эти сооружения используются для очистки воздуха от сравнительно крупных (диаметр 40-100 мкм) пылевых частиц. Эффективность их работы зависит от размера пылевых частиц, скорости движения воздуха в камере. Максимальная скорость воздушного потока, содержащего пылевые частицы, в камере не должна превышать 3 м/с. При большей скорости воздуха возможен унос пылевых частиц. Пылеосадочные камеры могут работать при повышенной температуре выброса. В основном их применение оправдано в качестве первой ступени очистки газа перед подачей в более эффективные пылеуловители.

Наиболее распространенный тип инерционных пылеуловителей — циклоны. Для придания пылевым частицам большей силы инерции используется непрерывно действующая центробежная сила. Пылеуловители этого типа представляют собой сооружения цилиндрической или конической формы, в которые очищаемая пылегазовая смесь подается по касательной к поверхности корпуса сооружения (рис. 2). Благодаря быстрому вихревому движению газового потока пылевые частицы с силой отбрасываются к стенкам циклона и под действием силы тяжести скатываются вниз, в конусовидную часть циклона (пылесборник). При периодическом автоматическом открывании заслонки пылесборника пыль проваливается в бункер.

Циклоны находят широкое применение во многих отраслях промышленности, в частности в цементной, бумажной, текстильной, лесообрабатывающей, пищевой и др. Циклоны служат в качестве первой ступени очистки газов, поступающих из сушильных барабанов, углесушилок, мельничных агрегатов. Они применяются также для одноступенчатой очистки дымовых газов в небольших котельных. Циклоны служат преимущественно для удаления из воздуха частиц размером более 30-40 мкм. С уменьшением размеров частиц пыли эффективность очистки понижается.

Эффективность работы циклонов зависит от многих факторов. Большое значение имеют время нахождения пылевых частиц в вихревом потоке, число витков газового потока, дисперсность пылевых частиц. В эффективности задержки твердых частиц важную роль играет диаметр циклона. Установлено, что чем он меньше, тем эффективнее очистка от пылевых частиц. Поэтому вместо циклонов с диаметром в несколько метров стали строить аппараты, диаметр которых исчисляется сантиметрами.

Поскольку при этом пропускная способность понижается, для очистки больших количеств выбросов устанавливают батарею таких устройств малого диаметра. Эти сооружения получили название батарейных циклонов, или мультициклонов. Каждый единичный циклон в мультициклоне имеет собственный вход газа, но пылесборник у них общий (рис. 3). Частицы пыли размером 10-15 мкм улавливаются в батарейных циклонах более чем на 90%. С эффективностью пылеулавливания 90-96% мультициклоны применяются для очистки выбросов летучей золы из топок с колосниковыми решетками, из установок, использующих пылевидное топливо, для отделения пыли, выбрасываемой из вращающихся печей цементного производства, из агломерационных установок, различного рода сушилок и известковых печей

Сооружения для мокрого пылеулавливания. Устройства для мокрого пылеулавливания используются для улавливания пылевых частиц размером от 1 до 100 мкм. Их применяют для предварительной очистки выбросов перед электрофильтрами, рукавными фильтрами. В качестве орошающей жидкости в аппаратах мокрого пылеулавливания используют, как правило, воду.

По способу действия аппараты для мокрой очистки газов делятся на следующие группы: 1) полые газопромыватели (промывные камеры и башни, полые скрубберы); 2) насадочные газопромыватели (насадочный скруббер); 3) барботажные и ценные аппараты; 4) мокрые аппараты ударно-инерционного типа (ротоклон и др.); 5) мокрые аппараты центробежного действия (циклон с водяной пленкой, скруббер ВТИ, мокрые прутковые уловители ВТИ); 6) динамические газопромыватели (механические скрубберы, дезинтеграторы); 7) скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури).

Распространенными сооружениями для мокрого пылеулавливания являются скрубберы, обеспечивающие высокую степень очистки воздуха от частиц пыли (рис. 4). В некоторых типах скрубберов для улавливания частиц пыли используется только распыление воды (полый скруббер). В других типах скрубберов могут быть встроенные насадки с пористым материалом (насадочные скрубберы). В них воздух очищается от пыли за счет как действия распыленной воды, так и улавливания ее смоченной поверхностью насадки. В барботажных и пенных аппаратах очищаемые газы проходят через слой жидкости в виде пузырьков. Эти сооружения эффективны для улавливания пылевых частиц размером более 5 мкм. Однако вследствие невысокой производительности барботажные пылеуловители сейчас применяются мало.

В пенных аппаратах за счет определенной скорости подачи очищаемого газа в зону контакта с жидкостью происходит переход жидкости в состояние турбулизированной пены. Линейная скорость газов, равная 1 м/с, обеспечивает устойчивый пенный режим.

Фильтрующие сооружения для пылеулавливания. Для очистки газа путем фильтрации существуют тканевые, волокнистые фильтры и фильтры с зернистой загрузкой.

Тканевые фильтры. Другое название этих сооружений — рукавные фильтры. Как видно на рис. 7.5, рукавный фильтр состоит из ряда матерчатых рукавов, подвешенных внутри корпуса фильтра. Подлежащий очистке газ подается в нижнюю часть корпуса, поступает внутрь матерчатых рукавов; пыль остается на внутренней поверхности рукавов, а воздух проникает через поры материала рукавов и выводится наружу. По мере работы фильтра поры материала забиваются пылью, сопротивление фильтра возрастает и возникает необходимость очистки фильтра. Очистка производится путем автоматического встряхивания рукавов. В некоторых конструкциях, кроме того, производится продувка рукавов обратным током воздуха. Пыль из рукавов при встряхивании попадает в бункер, из которого удаляется шнековым устройством. Рукавные фильтры находят широкое применение в цветной металлургии, цементной промышленности, на мукомольных предприятиях.

Волокнистые фильтры. Фильтрующие волокнистые материалы выпускаются на основе перхлорвинила (ткань ФПП), ацетилцеллюлозы (ткань ФПА) и др. Ткань ФПП может эксплуатироваться при температуре от 60 °С до -250 °С. Ткань ФПА является термостойкой, выдерживает температуру до 200 °С, но растворяется в сильных кислотах. Фильтры тонкой очистки газов работают эффективно лишь в том случае, если концентрация аэрозоля в воздухе не превышает 0,5 мг/м3. Поэтому воздух должен подвергаться предварительной очистке с помощью любых других устройств — циклонов, тканевых фильтров на основе грубого волокна и пр. Кроме того, на эффективность работы фильтров тонкой очистки неблагоприятно влияет наличие паров или капель жидкости в очищаемом воздухе.

Зернистые фильтры. В них улавливающие элементы (полимерные гранулы, куски гранита и другой материал) могут быть в неподвижном или подвижном состоянии. Эти типы фильтров позволяют очищать газы с температурой до 1000 °С. Кроме того, материал загрузки фильтра устойчив к действию кислот, щелочей и других агрессивных сред.

Пылеочистка в постоянном электрическом поле, электрофильтры. Очистка воздуха на электрофильтре осуществляется за счет электростатических сил. Для этого воздух пропускают между двумя электродами с направленным в одну сторону полем высокого напряжения. Частицы пыли задерживаются у противоположно заряженного так называемого осадительного электрода. С него пылевые частицы удаляются механическим путем в бункер. Различают трубчатые и пластинчатые электрофильтры. В первых осадительные электроды имеют вид трубок, внутри них подвешиваются коронирующие электроды. Пластинчатые электрофильтры состоят из параллельно размещенных пластин осадительных электродов, а между ними располагаются коронирующие электроды. Осадительные электроды электрофильтров заземляются. Электрофильтры с успехом применяются для обеспыливания выбросов и аспирационного воздуха агломерационных установок в металлургии, для очистки доменного газа, выбросов из вращающихся печей цементных заводов, в производстве серной кислоты.

Электрофильтры относятся к наиболее эффективным средствам очистки воздуха от пыли. Достоинством их является способность очищать воздух, содержащий частицы с самым малым диаметром — собственно пыль, дымы и туманы.

Зная техническую эффективность тех или иных сооружений, а также объем выброса и дисперсный состав пыли в нем, в процессе гигиенической экспертизы проектов строительства объектов хозяйственной и иной деятельности, а также санитарно-эпидемиологического надзора при их эксплуатации можно грамотно оценивать гигиеническую эффективность предусматриваемых или осуществляемых санитарно-технических мероприятий по охране атмосферного воздуха.

Химические методы газоочистки

Для очистки промышленных выбросов в атмосферу от газовых компонентов используются абсорбция жидкостью, адсорбция твердым веществом, каталитическое превращение вредных газообразных компонентов выброса в безвредные соединения.

Абсорбционный метод. Суть его состоит в переводе молекул вредных примесей из газовой среды выброса в жидкую фазу абсорбента. Чаще всего в качестве абсорбента применяются вода или водные растворы оснований и кислот, в некоторых случаях предпочтение отдается маслам или другим жидкостям. Абсорбенты могут просто растворять газы, не вступая с ними во взаимодействие (физические абсорбенты). Другие абсорбенты могут вступать в реакции с очищаемым газом, образуя при этом другие соединения, например раствор едкого натра, этаноламин и др. (химические абсорбенты). Химическая абсорбция применяется для очистки газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы и др. При этом абсорбентами являются водные растворы слабых оснований. Часть абсорбентов после использования может быть регенерирована и возвращена в технологический процесс. Выпадающие в процессе регенерации соли (шлам) утилизируются, а при невозможности утилизации направляются на захоронение в шламоотвалы или на полигоны ТПО.

Наиболее простым аппаратом абсорбционной очистки является промывная башня. Она представляет собой полое цилиндрическое сооружение с различными насадками внутри, которые обеспечивают большую поверхность контакта газа с абсорбентом. Газ поступает снизу навстречу жидкости через насадки, проходит через жидкость и поднимается к следующей тарелке с колпачками. Используются также мокрые центробежные скрубберы. Вода в них распыляется вверху башни и подается противотоком очищаемому газу.

Одной из широко применяющихся разновидностей химической абсорбции, сопровождающейся необратимой реакцией, является процесс поглощения кислых газов растворами сильных оснований.

Адсорбционный метод основан на способности некоторых материалов поглощать из газов примеси. Он находит применение прежде всего там, где в ходе производственного процесса теряются ценные продукты, в частности растворители. Чаще всего в качестве адсорбента применяют активированный уголь, силикагель и другие материалы.

Процесс очистки состоит их 3 этапов: контакта газа с твердым адсорбентом, десорбции, т.е. отделения уловленных газообразных примесей паров растворителей), и рекуперации растворителей после регенерации. Десорбция производится с помощью пара. После этого уголь вновь пригоден к использованию в качестве адсорбента. Эффективность адсорбционных методов может достигать 98%.

Следует заметить, что абсорбционные и адсорбционные методы очистки газов имеют ряд недостатков. В частности, при низких концентрациях удаляемых примесей, например диоксида серы, галоидов, сероводорода, серной кислоты эти методы малоэффективны и неэкономичны. В этих случаях предпринимаются попытки использовать для поглощения и очистки газов ионообменные смолы.

Поглощение газов ионообменными смолами представляет собой процесс молекулярной сорбции. Ионитами могут быть кислоты, основания, комплексообразователи, окислители. Применяются и полимеры с неионогенными функциональными группами.

Каталитические методы. В некоторых производствах, когда в выбросах имеются многокомпонентные смеси загрязняющих веществ, химические, сорбционные и конденсационные методы очистки отходящих газов не дают нужного эффекта. Эффективными в этих случаях могут оказаться методы очистки воздуха от органических примесей каталитическим окислением (дожиганием). Большое значение имеют подбор соответствующего катализатора и режим его работы. Схема процесса каталитического окисления представлена на рис.5.

Отходящие газы в ловушке освобождаются от несгораемых компонентов и конденсата. Затем они нагреваются в теплообменнике за счет тепла очищенного газа и в подогревателе до температуры начала реакции. В контактном аппарате газы окисляются на том или ином катализаторе до диоксида углерода и воды. Очищенные газы выбрасываются в атмосферу.

Исследования показали, что наибольшей каталитической активностью обладают хромоникелевые сплавы. Пропускание паров этилового спирта и ксилола через эти катализаторы при температуре 350- 450 °С приводит к полному их окислению.

На нефтеперегонных заводах остаточные горючие газы, не задержанные на очистных сооружениях, обезвреживают путем сжигания (окисления) «на трубе».

При достаточных концентрациях горючих веществ в выбросе сгорание осуществляется самопроизвольно после инициированного первичного воспламенения. При малых концентрациях сжигание осуществляют с помощью различных катализаторов.

Для обеспечения окисления оксида углерода и углеводородов в отработавших газах ДВС автомобилей до конечных продуктов сгорания применяются пламенные нейтрализаторы. Для дожигания углеводородов и оксида углерода, разложения оксидов азота внедряются каталитические нейтрализаторы. Каталитические нейтрализаторы делятся на окислительные, восстановительные и трехкомпонентные. Из них более распространены окислительные, используемые и на дизельных, и на бензиновых двигателях. Они обеспечивают окисление оксида углерода, углеводородов и альдегидов. Восстановительные нейтрализаторы используются меньше, в основном для восстановления оксида азота. Трехкомпонентные нейтрализаторы предназначены для очистки отработавших газов от оксида углерода, углеводородов, оксидов азота. Каталитические нейтрализаторы достаточно эффективны, однако стоимость их очень велика.

Из рассмотренных типов сооружений и их модификаций на предприятии разрабатывают схемы очистных сооружений для обезвреживания выбросов; состав сооружений и их последовательность в схеме определяются физико-химическими характеристиками выброса, мощностью предприятия, техническими параметрами отдельных очистных сооружений.

Планировочные мероприятия

Технологическими и санитарно-техническими мероприятиями не всегда удается обеспечить качество выброса, при котором соблюдается состав атмосферного воздуха поселений на уровне требований санитарных правил и нормативов. В этом случае возникает необходимость использования планировочных мероприятий. 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, температурной инверсии, образования туманов, фоновых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, перспективы развития районов города; 2) озеленение города; 3) организация СЗЗ для объектов, являющихся источниками загрязнения атмосферного воздуха.

Высота дымовой или вентиляционной трубы

Одним из планировочных мероприятий по защите атмосферного воздуха является регулирование условий рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере путем увеличения высоты выброса. Чаще всего это касается трубы предприятий тепловой энергетики. Обычная высота трубы таких предприятий 100-120 м. При этом радиус зоны задымления, в которой приземные концентрации превышают уровень ПДК, составляет 2-2,5 км. При увеличении высоты трубы до 180-240 м, а в некоторых случаях до 300 м радиус зоны задымления увеличивается до 5-10 км, однако приземные концентрации загрязнений значительно уменьшаются. Это обусловлено двумя причинами: расширением угла раскрытия факела выброса и повышением турбулентности за счет более высоких скоростей ветра на высоте. Таким образом, увеличение высоты трубы на энергетических объектах не сопровождается сокращением объема выброса или снижением его вредности; оно лишь снижает приземные концентрации его компонентов. Однако при этом увеличивается количество населения, проживающего в зане влияния выброса.

Планировка территории поселения

Некоторые планировочные мероприятия на территории селитебной зоны направлены в основном на уменьшение вредности автотранспорта, как источника загрязнения атмосферного воздуха. Кроме упомянутых выше санитарных разрывов между автомагистралями и жилой зоной и их озеленения, снижения концентрации отработавших газов ДВС (двигателей внутреннего сгорания) в жилой зоне можно добиться некоторыми планировочными приемами.

Учитывая, что неравномерность работы ДВС (частые остановки, работа на холостом ходу, частые переключения скоростей и др.) является ведущей причиной повышения токсичности отработавших газов, большую роль в оздоровлении атмосферы играет рационализация дорожной сети. К приемам рационализации относится организация безсветофорных транспортных развязок путем строительства подземных туннелей, надземных эстакад. Большой эффект дает строительство обводных или кольцевых дорог для исключения транзитных потоков автотранспорта через территорию городской застройки.

Административные мероприятия

Административные мероприятия, направленные на охрану атмосферного воздуха поселений, заключаются в организации одностороннего движения на узких улицах города, пешеходных зон, на которых запрещено движение автотранспорта, оборудование перехватывающих стоянок автотранспорта у конечных станций метрополитена и других способов регулирования транспортных потоков.

Не менее эффективны и мероприятия, направленные на контроль состояния ДВС: соблюдение установленных сроков и регламента технического обслуживания, сроков техосмотра транспортных средств органами ГАИ, введение штрафных санкций за нарушение указанных сроков.

Особо следует отметить административно вводимое временное ограничение мощности предприятий, имеющих выбросы в атмосферу, на период прогноза опасных погод (глубокие температурные инверсии, длительное безветрие и др.).