Защита воздушного бассейна пылегазовоздушными выбросами от загрязнения промышленных предприятий

Защита воздушного бассейна пылегазовоздушными выбросами от загрязнения промышленных предприятий

Промышленные предприятия являются одним из основных источников поступления вредных веществ в среду обитания. Знание химического состава и объема пыле газовоздушных выбросов, образующихся на предприятиях в ходе разнообразных производственных процессов, необходимо для совершенствования систем подавления, очистки и обезвреживания выбросов вредных веществ в атмосферу и выбора основных направлений вторичного использования уловленных веществ.

Основным источником загрязнения атмосферы являются процессы горения, в ходе которых водород и углерод топлива соединяются с атмосферным кислородом, генерируя тепло и свет с выделением углекислого газа и водяных паров. Однако вредные примеси, содержащиеся в топливе, обедненная или обогащенная смеси "топливо-воздух" при горении, а также слишком высокая или слишком низкая температура горения приводят к образованию оксидов углерода, серы и азота, сажи и несгоревших углеводов и т.д., которые являются загрязнителями атмосферы.

В результате сжигания топлива, прежде всего каменного угля, в среду обитания попадает летучая зола, частицы которой содержат углерод, диоксид кремния, оксиды алюминия и железа, серу и некоторые органические соединения, тяжелые металлы и др. При сжигании жидкого и газообразного топлива выход загрязнений меньше, нежели при сжигании угля, однако летучая зола и газовые загрязнения характеризуются высокими концентрациями многих вредных химических элементов.

Одним из самых массовых загрязнителей атмосферы является диоксид серы, который образуется при сжигании сернистых топлив (угля, мазута, топливного газа нефтеперерабатывающих заводов) предприятиями тепловой энергетики: тепловыми электростанциями (ТЭС), теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), а также котельными. Образующийся при сгорании сернистых топлив диоксид серы постепенно окисляется кислородом воздуха до триоксида, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя серную кислоту, которая присутствует в атмосферном воздухе в виде тумана. Этот туман обладает высокой корродирующей способностью.

В мировой практике известно много технологических способов очистки пылегазовоздушных выбросов (отходящих дымовых газов) ТЭС, ТЭЦ и котельных от диоксида серы с помощью сероулавливающих установок.

Наибольшее распространение в сероулавливающих установках получили абсорбционные способы очистки дымовых, газов, основанные на промывке отходящих газов ТЭС и ТЭЦ различными щелочными реагентами или физическими растворителями. Среди них следует различать регенеративные способы, в которых в результате регенерации поглотительных растворов поглощенный из дымовых газов диоксид серы выделяется в концентрированном виде и может быть переработан в ценные товарные продукты (жидкий серный газ (SO_:), серную кислоту, элементарную серу), а также нерегенеративные способы, в которых при поглощении диоксида серы различными поглотителями образуются не менее ценные товарные продукты (двухводный гипс CaSО₄ *2Н₂О; сульфат магния MgSO7*Н₂О; сульфат аммония и др.). В ряде случаев применяются адсорбционные способы очистки дымовых газов от диоксида серы с использованием активных углей или других твердых поглотителей, а также аддитивные способы, при которых диоксид серы связывается при определенных условиях различными добавками непосредственно н котельных, печных и других технологических агрегатах.

Оксиды азота образуются в результате высокотемпературного сгорания топлива даже в тех случаях, когда в топливе не содержится азот. При соединении с атмосферной влагой оксиды азота образуют азотную кислоту, выпадающую с осадками. Для обезвреживания пылегазовоздушных выбросов оксиды азота разлагают в присутствии газообразных восстановителей, а также используют сорбционные методы.

Другим опасным загрязнителем атмосферного воздуха является оксид углерода, образующийся при неполном сгорании углерода, для обезвреживания которого применяют процессы окисления.

В отличие от других загрязнителей взвешенные частицы очень разнообразны по своему химическому составу. В воздухе присутствуют в виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, имеющие различную природу происхождения. Например, при сгорании угля образуются твердые частицы оксидов металлов, такие, как кальций и железо.

Пыль является одним из наиболее многотоннажных выбросов промышленных предприятий. Под пылью понимают содержащиеся в выбрасываемом в атмосферу технологическом воздухе твердые частицы, которые могут быть классифицированы по природе (органические и неорганические), по токсичности (токсичные и нетоксичные), по составу (содержащие металлы, кварц, песчаник) по растворимости (растворимые и нерастворимые), по размерам частиц, по склонности к агрегации, адгезии, слипаемости и т.д.

Частицы пыли, независимо от их происхождения, бывают настолько малого размера, что могут в течение длительного времени находиться в воздухе во взвешенном состоянии.

Пыль отрицательно воздействует на человека. По степени такого воздействия различают активные, вызывающие уплотнение легочной ткани, и нейтральные пыли. К активным относятся токсичные пыли, содержащие свинец, мышьяк и ртуть, инфекционные пыли с болезнетворными бактериями и едкие пыли. Пыль, в состав которой входят соединения кремния, вызывает уплотнение легочной ткани и способствует возникновению профессиональных заболеваний. Нейтральная пыль приводит только к загрязнению кожи человека.

Здоровье человека, его работоспособность, само существование зависят от качества окружающего воздуха, в значительной степени от того, насколько воздух свободен от аэрозольных, газовых, радиоактивных и бактериальных загрязнений.

Вредные вещества, попадая в организм даже в небольших количествах через дыхательные пути (основной способ проникновения), через кожу и пищеварительный тракт, нарушают его нормальную жизнедеятельность и могут привести к необратимым патологическим изменениям.

Поэтому зашита атмосферного воздуха, который необходим для жизни людей, животного и растительного мира, а также служит основой многих технологических процессов, от вредных веществ предполагает реализацию целого комплекса организационных, технологических, инженерно-технических, экологических и экономических мероприятий.

Поэтому на современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка пылегазовоздушных выбросов (технологического воздуха) с помощью эффективных устройств является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна от загрязнений и ее следует рассматривать как компонент безотходной технологии [IJ.

Для улавливания пыли из технологического воздуха применяют фильтры-пылеуловители, которые по принципу действия делятся на механические и силовые.

В механических фильтрах очистка воздуха от пыли достигается за счет использования различных жестких или гибких перегородок или слоев фильтрующего материала.

Конструктивно фильтрующие перегородки (кроме стационарных) оформляют в виде сменных патронов, кассет, рукавов, а также неподвижного, движущегося или псевдоожиженного слоя зернистых частиц.

Фильтрующие перегородки и слои бывают сухими и мокрыми. В качестве фильтрующих материалов используются природные, синтетические, минеральные, металлические волокна или ткани; пористые листовые материалы из резины или пластмассы, нетканые волокнистые материалы из войлока, фетра или картона и др. (для жестких перегородок); гравий, кварцевый песок, кокс, древесные опилки, адсорбенты и тл- (для насыпных слоев).

Очистка технологического воздуха от пыли в силовых фильтрах осуществляется за счет использования силовых полей: гравитационного, инерционного, магнитного, электрического и т.д.

В гравитационных фильтрах пыль, содержащаяся в очищаемом воздухе, осаждается под действием силы тяжести. Эти фильтры целесообразно применять при больших концентрациях в очищаемом воздухе крупнодисперсной пыли или для предварительной очистки технологического воздуха.

Для осаждения пыли в инерционных фильтрах используют силы инерции, возникающие при поступательном или вращательном движении потока запыленного воздуха.

В инерционных фильтрах-пылеуловителях сухого типа отделившаяся пыль всегда отводится вместе с частью воздуха из пылеотделителя в пространство, где происходит ее окончательное оседание под действием собственной массы. В фильтрах-пылеуловителях мокрого типа процесс сепарации заканчивается при контакте частиц пыли со смачивающей жидкостью. Эффективность такого улавливания значительно выше, чем сухого, при условии, если поверхности сепарации непрерывно омываются водой или обновляются, так как в противном случае они покрываются сплошной пленкой уловленной пыли и перестают удерживать осаждающие частицы.

Высокой эффективностью работы отличаются инерционные фильтры-пылеуловители мокрого типа, в которых орошение очищаемого воздуха производится в канале, по конфигурации сходном с расходомерной трубой Вентури (фильтры-пылеуловители Вентури). В горловине этой трубы движение воздуха вместе с частицами пыли резко ускоряется, ускорение же капель воды, обладающих большей массой, значительно меньше. Разница в скоростях движения капель и пылевых частиц может превышать 100 м/с. Положительное влияние на эффективность пылеулавливания оказывает турбулизация течения, а также конденсация пара вследствие падения давления в горловине, где скорость воздуха резко возрастает, и ряд других факторов. Пылеулавливание в этих фильтрах происходит при сравнительно большом аэродинамическом сопротивлении.

В центробежных фильтрах-пылеуловителях используются силы инерции, возникающие при плавном искривлении потока очищаемого воздуха.

Для улавливания ферромагнитных частиц пыли применяют магнитные фильтры. Опыт показывает, что магнитные фильтры улавливают из воздуха не только ферромагнитные частицы, но и неметаллические образования.

Принцип очистки в электрофильтрах состоит в том, что частицы пыли, содержащиеся в газовоздушных технологических выбросах промышленных предприятий, проходя электростатическое поле, получают электрический заряд, а за тем осаждаются на противоположно заряженных электродах.

Механический тканевый воздушный фильтр

Для очистки пылегазовоздушных выбросов промышленных предприятий от вредных паров, газов и токсичных веществ используется адсорбционный, абсорбционный, химический, биологический, биохимический и термический методы.

В последние годы ведущие в области фильтровальной техники российские и зарубежные фирмы разработали, запатентовали и начали выпуск новых воздушных фильтровпылегазоуловител ей различных типов, отличающихся улучшенными характеристиками.

Механические тканевые фильтры в зависимости от формы фильтрующей поверхности подразделяются на рукавные и рамочные. Наибольшее распространение в промышленности получили рукавные фильтры. Рукавный фильтр-пылеуловитель (аппарат) обычно состоит из ряда тканевых рукавов, подвешенных в металлической камере. Верхняя часть рукавов обычно заглушена. Запыленный воздух поступает в нижнюю часть аппарата и проходит через ткань рукавов. На поверхности ткани и в ее порах осаждается пыль. По мере увеличения толщины слоя пыли возрастает аэродинамическое сопротивление фильтра, поэтому осевшую на ткани пыль периодически удаляют. Процесс фильтрации технологического воздуха зависит от типа ткани и вида пыли. Гладкие и неворсистые ткани сравнительно легко пропускают запыленный воздух. В порах таких тканей задерживаются только крупные частицы пыли. Фильтр начинает хорошо задерживать мелкую пыль только после накопления на поверхности фильтрующих элементов слоя пыли. Для ворсистых, шерстяных тканей с мелкими порами влияние начального слоя пыли менее заметно. Ворсистые ткани целесообразно применять при улавливании зернистой гладкой пыли, а при улавливании волокнистой пыли лучше использовать гладкие ткани.

Фильтрация тонкой пыли (частицы менее 1 -- 2 мкм) возможна лишь на поверхности ранее осажденной пыли.

Ткани, используемые в качестве фильтровальных материалов, должны отличаться высокой пылеемкостью, воздухопроницаемостью, механической прочностью, стойкостью к истиранию, стабильностью свойств, при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, а также минимальным влагопоглощением и способностью к легкому удалению накопленной пыли. Не все применяемые в промышленности материалы удовлетворяют перечисленным требованиям, поэтому каждый материал используют в определенных, наиболее благоприятных для него условиях.

Повышенной надежностью работы и продолжительным сроком эксплуатации отличается механический тканевый фильтр для очистки воздуха от пыли. Фильтр-пылеуловитель содержит корпус 7 (рис. 1) с патрубком 2 отвода очищенного воздуха и патрубком подвода загрязненного воздуха (на рисунке этот патрубок не показан). Фильтрующий элемент 6 разделяет корпус 7 на зоны запыленного Б и очищенного А воздуха, выполнен в виде гофра. Фильтровальное тканевое полотно изгибаясь образует верхние и нижние ребра, соединенные по краям посредством пружинных элементов 5 вверху с подвижной рамой 4, на пружинах 3 подвешенной к верхней части корпуса 7, и с неподвижной рамой 9 внизу посредством пружинных элементов 8. Рычажный механизм встряхивания (регенерации) фильтрующего элемента 6 установлен с возможностью колебательного движения посредством электромагнитного привода и ручного привода 11.

Воздух, подаваемый на очистку от пыли, поступает в нижнюю часть корпуса 7 (полость Б), далее запыленный воздух проходит фильтрующий элемент 6, где происходит отделение частиц пыли, оседающей на фильтровальной ткани и ссыпающейся в поддон 10 с помощью pычажного механизма встряхивания.

Удобен в эксплуатации механический гофрированный фильтр-пылеуловитель. Фильтр (рис. 2) имеет корпус, выполненный из двух половин 1 и 7с патрубками входа 3загрязненного воздуха и выхода 8 очищенного воздуха. Края стенок половин корпуса фильтра отбортованы и образуют плоскую сопрягаемую поверхность, по которой они соединяются болтами 4 и гайками 5. Между половинами 1 и 7 корпуса закреплен фильтрующий элемент, выполненный в виде съемной вставки, состоящей из двух противолежащих рамок 2 и 6. Рамки имеют профилированные взаимно сопрягаемые друг с другом гребенчатые сегменты 9. На гребнях гофров установлены фиксаторы, выполненные в виде упругого резинового шнура, пропущенного "змейкой" поперек фильтрующего полотна через отверстия, предусмотренные в сегментах 9. Фиксаторы гофр предназначены для обеспечения требуемого натяга фильтрующего полотна между гребнями сегментов 9 рамок 2 и 6.

Собранная отдельно вне корпуса фильтра вставка, состоящая из рамок 2 и 6 с сегментами 9, покрытыми фильтрующим полотном, позволяет быстро и легко произвести замену засоренной рамки.

Наиболее распространенными установками сухого пылеулавливания являются воздушные силовые фильтры-пылеуловители циклонного типа (циклоны). Они часто используются для улавливания золы, образующейся при сжигании топлива в котлах ТЭС. В циклонах осаждение сухой золы происходит вследствие ее закрутки под действием центробежного (инерционного) эффекта. Центробежный эффект сильнее проявляется у крупных частиц. С увеличением размера частиц и диаметра циклона степень очистки возрастает.

Для золоулавливания используют несколько циклонов неболыиого диаметра, которые собираются в секции -- батареи (батарейные циклоны). К недостаткам батарейных циклонов следует отнести подверженность их сильному изнашиванию, что ведет к снижению эффективности работы. Кроме того, степень очистки газовоздушных выбросов (дымовых газов) от золы в батарейных циклонах ниже, чем в электрофильтрах, скрубберах и механических фильтрах, поэтому их используют для предварительной очистки дымовых газов от золы на входе основных фильтров (электрофильтров, скрубберов и механических фильтров).

Высокой степенью очистки дымовых газов ТЭС от взвешенных частиц загрязнений за счет разделения потока очищаемых газовоздушных выбросов в процессе инерционной очистки на условно чистую и запыленную части с удалением условно чистой части на фильтрующие рукава и в связи с этим со снижением пылевой нагрузки на их фильтрующую поверхность обладает фильтр-циклон с устройством регенерации фильтрующих рукавов (Пат. 2060792 РФ).

Фильтр-циклон содержит цилиндрический корпус 4 (рис. 3) с коническим днищем 2, в нижней части которого размешено пылесбрасываюшее устройство /, тангенциальный входной патрубок 5 и выходной патрубок 12. Внутри цилиндрического корпуса по его оси установлена цилиндрическая обечайка 13 с днищем 14, разделяющая внутренний объем фильтра-циклона на камеры загрязненного Б и очищенного А газов.

Цилиндрическая обечайка установлена внутри корпуса 4 с зазором относительно корпуса, образующим кольцевую полость В, в нижней части которой установлен цилиндроконический элемент 15. Цилиндрическая часть этого элемента установлена коаксиально корпусу 4 на уровне низа обечайки 13. В камере загрязненного газа Б под днищем 14 обечайки 13 установлены выполненные съемными конические кольцевые элементы 16 и обтекатель 17. Внутри цилиндрической обечайки 13 размешены фильтрующие рукава 3, внутренней полостью сообщающиеся с камерой загрязненного газа Б. Продувочный коллектор 6 устройства регенерации (на рисунке полностью не показан) содержит электромагнитный клапан 7, сопловые трубы 8 и 9 и элемент Вентури 10, установленный в камере очищенного газа А по оси корпуса 4.

Сопловые трубы 8 и 9 своими верхними концами подведены к верхней кромке элемента Вентури 10, а нижними выходами направлены к днищу 14 обечайки. Фильтрующие рукава 3 фиксируются в рабочем положении посредством натяжных устройств //.

Регенерация фильтрующих рукавов 3 обеспечивается за счет подачи импульса сжатого воздуха посредством быстродействующего электромагнитного клапана 7, который, открываясь, пропускает сжатый воздух из ресивера по сопловым трубам 8 и 9 и элементу Вентури 10. Такой импульс сжатого воздуха достаточен для стряхивания поверхностного пылевого слоя (задержанных частиц загрязнений) с рукавов 3 в коническое днище 2 корпуса 4 и в пылесбрасывающее устройство /.

В вихревых фильтрах-пылеуловителях (вихревых пылеуловителях), как в циклонах, очистка газовоздушных выбросов (дымовых газов) от взвешенных зольных частиц (пыли) основана на использовании центробежных сил. Основное отличие вихревых фильтров-пылеуловителей от циклонов заключается в наличии вспомогательного закручивающего газового потока. В настоящее время нашли применение два типа вихревых пылеуловителей: сопловые и лопаточные аппараты. В этих аппаратах запыленный газ поступает в камеру через входной патрубок с завихрителем типа "розетка" и обтекателем. В кольцевом пространстве между корпусом аппарата и входным патрубком расположена отбойная шайба, которая обеспечивает безвозвратный спуск пыли в бункер.

Обтекатель направляет поток газа к периферии. Пылевые частицы за счет воздействия центробежных сил перемещаются из центральной части потока к периферии. Далее процесс в аппаратах двух типов несколько отличается.

Рис. 2. Механический гофрированный воздушный фильтр-пылеуловитель

В сопловом аппарате на запыленный поток воздействуют струи вторичного воздуха (газа), выходящие из сопел, расположенных тангенциально. Поток получает вращательное движение.

Отброшенные под воздействием Центробежных сил к стенкам аппарата пылевые частицы захватываются спиральным потоком вторичного воздуха (газа) и вместе с ним движутся вниз в бункер. Здесь частицы пыли выделяются из потока, а очищенный воздух (газ) снова поступает на очистку.

В аппарате лопаточного типа вторичный воздух, отобранный в периферии очищенного потока, подается кольцевым направляющим аппаратом с наклонными лопатками.

Вихревые пылеуловители применяются для очистки газовоздушных выбросов с температурой до 700 *С, в них не наблюдается износа внутренних стенок аппаратов, что связано с особенностями газового режима очистки.

Компактной конструкцией, повышенной эффективностью отделения от газовоздушных выбросов взвешенных частиц загрязнений с малым удельным весом и пониженным уровнем воздушного шума при работе обладает вихревой пылеуловитель (Пат. 2268770 РФ). Пылеуловитель (рис 4) имеет корпус, выполненный из верхней части J и нижней части 7 большего диаметра, а также конической части 1, являющейся бункером для сбора пыли.

Воздушный фильтр-циклон с фильтрующими рукавами

Воздушный вихревой фильтр-пылеуловитель

Осевой ввод 2 запыленного газа выполнен с периферийным завихрителем 8 без обтекателя с утлом наклона подводящего патрубка, равным углу наклона периферийного ввода 5 вторичного потока, а профиль сечения отбойной шайбы 6 выполнен таким образом, что максимальный диаметр ее лежит в плоскости соединения цилиндрических частей 3 и 7 корпуса. Внутренние поверхности периферийного завихрителя 8, осевого ввода 2, периферийного ввода 5, верхней части 3, нижней части 7 и конической части / корпуса, трубы 4 для выхода очищенного газа и отбойной шайбы 6 покрыты вибродемпфилирующим материалом, значительно снижающим уровень шума, возникающего при работе вихревого пылеуловителя.

В Тульском государственном университете разработан компактный, отличающийся низким аэродинамическим сопротивлением фильтр-пылеуловитель центробежного типа для мокрой очистки промышленных газовоздушных выбросов от пыли [21- Фильтр-пылеуловитель позволяет повысить эффективность пылеулавливания и снизить унос капельной жидкости, насыщенной пылью, из фильтра-пылеуловителя.

Эффективно очишают пылега-зовоздушные выбросы промышленных предприятий от частиц пыли удобные в эксплуатации эл е ктрофил ьтры.

Повышенной надежностью, небольшими габаритами и массой отличается электрофильтр (Пат. 2179879 РФ), схема которого приведена на рис. 5. Фильтр состоит из корпуса 4, внутри которого расположены осадительные и корони-руюшие электроды, механизм встряхивания 3 осадительных и коронируюших электродов с выходным валом 2, соединенных с валом-изолятором, закрытым кожухом /. Крутящий момент от приводного электродвигателя (на рисунке электродвигатель не показан) через вал 2 и вал-изолятор передаётся на молотковый вал механизма встряхивания 3, последний, вращаясь, поднимает и сбрасывает молотки, которыми встряхиваются осадительные и коронируюшие электроны. Так как осадительные и коронируюшие электроны периодически очищаются от пыли, а вал-изолятор защищен от загрязнения его поверхностности пылью, надежность и ресурс работы электрофильтра значительно увеличены.

Для эффективной очистки сухих и влажных промышленных пылега-зовоздушных выбросов фирма Forschungszenimm Karslsrue GmbH (Германия) разработала электрофильтры CAROLA производительностью 300 - 2500 мУч |31. Скорости движения очишемых пылегазо-водушных выбросов в этих электрофильтрах в 2 -- 5 раз выше по сравнению с существующими электрофильтрами. Они имеют небольшие габариты и массу, низкий расход электроэнергии, а также отличаются низким аэродинамическим сопротивлением.

Первостепенными факторами, определяющими пригодность технического решения для реализации устройств очистки пылегазовоздушных выбросов являются:

экологическая безопасность (использование способов очистки, которые исключают попадание в окружающую среду вредных компонентов);

экономическая эффективность (использование недорогих и доступных реагентов, типовых процессов и типового очистительного оборудования, надежного в эксплуатации).

Развитие различных отраслей промышленности, связанное с современными достижениями науки и техники, потребовало усовершенствования конструкций воздушных фильтров-пылегазоуловителей, являющихся важными элементами технологического оборудования. Эти усовершенствования направлены на повышение степени улавливания частиц загрязнений и вредных газовых примесей из пылегазовоздушных выбросов, увеличение надежности, повышение ресурса работы и технологичности изготовления, уменьшения массы и габаритных размеров, обеспечение более удобной эксплуатации и технического обслуживания фильтров, применение новых фильтрующих материалов.

Литература

Буренин В.В. Очистка воздуха от производственной пыли, токсичных паров и газов с помощью фильтров-пылегазоуловителей // Экология и промышленность России. 2008. Сентябрь.

Володин Н.И., Лапина О.Ю., Пузырева В.М. н др. Пылеуловитель центробежного типа для мокрой очистки газов от пыли // Изв. Тульского государственного университета. Сер. Экология и рациональное природопользование. 2006. № 2.

Bologa A.. Paur H.R., Seifert Н. CAROLA aerosol filter for process technology // 28 International Exhibition -- Congress on Chemical Engineering, 15-19 May, 2006, Frankfurt, 2006.

Контролирование экологической безопасности вблизи предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.