Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Газовое загрязнение атмосферного воздуха»



Содержание

1. Источники загрязнения атмосферного воздуха

2. Выбросы в атмосферу при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива в теплоэнергетических установках

3. Тканевые фильтры

4. Характеристика адсорбционного метода очистки газовых выбросов



1. Источники загрязнения атмосферного воздуха

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару.

Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т. углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 - 1960 гг.) содержание СО2 увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фтор углеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями различных газов.

7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель - монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40- 50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитро соединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических - тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест.

Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.

Основные загрязнители воздуха жилых помещений - пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания. газовый выброс отчистка атмосфера воздух

Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.

Время «жизни» газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 - 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно- способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).

Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода - ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно - урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно - урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих веществ.

Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К ним, прежде всего, относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решенииэтой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей - количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.

2. Выбросы в атмосферу при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива в теплоэнергетических установках

Предприятия угольной промышленности оказывают существенное отрицательное влияние на водные и земельные ресурсы. Основные источники выброса вредных веществ в атмосферу - промышленные, вентиляционные и аспирационные системы шахт и обогатительных фабрик и др.

Загрязнение воздушного бассейна в процессе открытой и подземной добычи угля, транспортировки и обогащения каменного угля вызвано буровзрывными работами, работой двигателей внутреннего сгорания и котельных, пылением угольных складов и породных отвалов и другими источниками.

В 2002 году объём выбросов вредных веществ в атмосферу от предприятий отрасли возрос относительно 1995 года на 30 процентов, главным образом, из-за вновь учитываемых выбросов метана от вентиляционных и дегазационных установок на шахтах.

По объёму выбросов вредных веществ угольная отрасль занимает шестое место в промышленности Российской Федерации (вклад на уровне 5%). Степень улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ крайне низка (9,1%), при этом не улавливаются углеводороды и ЛОС.

В 2002 году выросли выбросы углеводородов (на 45,5 тыс. т), метана (на 40,6 тыс. т.), сажи (на 1,7 тыс. т), ряда других веществ; отмечено снижение выбросов ЛОС (на 5,2 тыс. т), диоксида серы (на 2,8 тыс. т), твёрдых веществ (на 2,2 тыс. т).

Зональность угля, поступающего от отдельных поставщиков на ТЭС, превышает 79% (в Великобритании она в соответствии с законодательством - 22%, в США - 9%). И увеличение выброса летучей золы в атмосферу продолжается. Между тем электрофильтры для золоулавливания производит лишь один Семибратовский завод, удовлетворяя ежегодные потребности в них не более чем на 5%.

ТЭС, работающие на твёрдом топливе, интенсивно выбрасывают в атмосферу продукты угля и сланцев, содержащих до 50% негорючей массы и вредных примесей. Удельный вес ТЭС в электробалансе страны составляет 79%. Они потребляют до 25% добываемого твёрдого топлива и сбрасывают в среду обитания человека более 15 млн. т золы, шлаков и газообразных веществ.

В США каменный уголь продолжает оставаться основным видом топлива для электростанций. К концу столетия все электростанции там должны стать экологически чистыми, предстоит повысить КПД до 50% и более (сейчас 35%). Чтобы ускорить внедрение технологий очистки угля, ряд угольных, энергетических и машиностроительных компаний при поддержке федерального правительства разработал программу, на реализацию которой потребуется 3,2 млрд. долларов. В течение 20 лет только в США новые технологии будут внедрены на существующих электростанциях общей мощностью 140 тыс. МВт и на новых переоборудуемых электростанциях общей мощностью 170 тыс. кВт.

Традиционный диффузионный способ сжигания даже высококачественных углеводородных топлив приводит к загрязнению окружающей атмосферы главным образом оксидами азота и канцерогенными веществами. В связи с этим необходимы экологически чистые технологии сжигания этих видов топлива: с высоким качеством распыления и смешения с воздухом до зоны горения и интенсивным сжиганием обедненной, предварительно перемешанной, топливно-воздушной смеси, оптимальная с термохимической точки зрения камера сжигания (КС) должна обеспечивать предварительное испарение топлива, полное и равномерное перемешивание его паров с воздухом и устойчивое сжигание обедненной горючей смеси при минимальном времени её пребывания в зоне горения.

В этом плане гораздо эффективнее традиционного диффузного гибридный способ сжигания, представляющий комбинацию диффузной зоны с каналом для предварительного испарения и перемешивания топлива с воздухом.

Разработаны технологии сжигания угля в котлах с циркулирующим кипящим слоем, где достигается эффект связывания экологически опасных примесей серы. Эта технология внедрена при реконструкции Шатурской, Черепетской и Интинской ГРЭС. В Улан-Удэ строится ТЭЦ с современными котлами. Институтом «Теплоэлектропроект» разработана технология газификации угля: сжигается не сам уголь, а выделенный из него газ. Это экологически чистый процесс, но пока он, как и любая новая технология, дорог. В будущем будут внедрены технологии газификации даже нефтяного кокса.

При сжигании угля в псевдосжиженном слое выброс в атмосферу соединений серы уменьшается на 95%, а окислов азота - на 70%.

Очистка дымовых газов. Для очистки дымовых газов применяется известково-каталитический двухступенчатый метод с получением гипса, основанный на поглощении диоксида серы известняковой суспензией в две ступени контакта. Подобная технология, как свидетельствует мировой опыт, наиболее распространена на тепловых электростанциях, сжигающих жидкое и твёрдое топливо с различным содержанием серы в нём, и обеспечивает степень очистки газов от окислов серы не ниже 90-95%. Большое количество отечественных электростанций работают на топливе со средним и высоким содержанием серы в нем, поэтому этот метод должен получить широкое распространение в отечественной энергетике. У нас в стране практически отсутствовал опыт очистки дымовых газов от сернистого ангидрида мокрым известняковым способом.

На долю ТЭС приходится около 70% выбросов оксидов азота в атмосферу. В США и Японии методы очистки дымовых газов от оксидов азота нашли широкое применение, в этих странах работает более 100 установок, в которых используется метод селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком на платино-ванадиевом катализаторе, правда, стоимость этих установок очень высока, а срок службы катализатора - незначителен.

В последние годы в США разработана технология получения, так называемого самоочищающегося угля. Такой уголь лучше горит, и при его использовании в дымовых газах оказывается на 80% меньше диоксида серы, дополнительны же расходы составляют лишь часть затрат на установку скрубберов. Технология получения самоочищающегося угля включает две стадии. Первоначально от угля посредством флотации отделяются примеси, затем уголь размалывается в порошок и добавляется в шлам, при этом уголь всплывает и примеси тонут. На первой стадии удаляется почти вся неорганическая сера, а органическая остается. На второй стадии порошкообразный уголь соединяется с химическими веществами, название которых является коммерческой тайной, а затем уплотняется в комки величиной с виноградину. При сгорании эти химические вещества вступают в реакцию с органической серой, причем сера надежно изолирована, что исключает ее попадание в атмосферу. Комки такого модифицированного угля можно транспортировать, хранить и применять как обычный уголь.

Парогазовые системы. Эффективная комплексная система, обеспечивающая не только улавливание вредных примесей из дымовых газов ТЭС, но и одновременно снижающих примерно на 20% удельный расход топлива на производство электроэнергии, разработана в Энергетическом институте Г.Н. Кржижановского. Суть ее в том, что перед сжиганием в топке паровых котлов ТЭС уголь газифицируют, очищают от твердых (содержащих вредные вещества) примесей и направляют в газовые турбины, где продукты сгорания с температурой 400-500 градусов Цельсия сбрасываются в обычные паровые котлы. Подобные парогазовые системы широко используют энергетики ряда стран для уменьшения выброса в атмосферу.

Глубокая комплексная переработка угля. За рубежом интенсивно ведутся работы по отработке технологий и оборудования газификации угля для полного обеспечения промышленности в горючих газах, синтез-газе и водороде. В Нидерландах введена в действие демонстрационная установка кислородной газификации угля для энергоблока мощностью 250 МВт. Намечен ввод четырех подобных установок от 175 до 330 МВт в Европе, десяти установок от 100 до 500 МВт в США и одной установки мощностью 400 МВт в Японии. Процессы газификации при высоких температурах и давлениях дают возможность перерабатывать угли широкого ассортимента. Известны исследования по высокоскоростному пиролизу и каталитической газификации, реализация которых сулит огромные выгоды.

Необходимость углубления переработки угля продиктована предшествующим ходом развития тепло- и электроэнергетики: наилучшие результаты достигаются при комбинированной переработке угля в электричество и тепло. Качественный скачок в использовании угля связан с его комплексной переработкой в рамках гибких технологий. Решение этой сложной проблемы потребует новых технологических установок для энергохимических комплексов, которые обеспечат повышение экономичности ТЭС, снижение капитальных удельных затрат и кардинальное решение вопросов экологии.

В своё время нефть потеснила уголь и вышла на первое место в мировом энергетическом балансе. Однако это чревато определёнными экологическими проблемами.

Так, в 2002 году российские предприятия отрасли выбросили в атмосферу 621 тыс. т загрязняющих веществ (твёрдые вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота и др.). Сточные воды в объёме до 1302.6 млн. м. сбрасываются в поверхностные водные объекты и на рельеф.

При сжигании жидких топлив (мазута) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, газообразные и твёрдые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо обладает более «гигиеническими» свойствами: отпадает проблема золоотвалов, которые занимает значительные территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы и районе станции из-за уноса золы с ветрами. В продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола. Применение двух топливных гибридных камер сгорания вместо традиционных одно зонных диффузионных КС с использованием частичного замещения части углеводородного топлива водородом (6% от массы углеводородного топлива) снижает расход нефтяного топлива на 17-20%, уровни выброса частиц сажи - на порядок, бензопирена - в 10-15 раз, оксидов азота - в 5 раз) .

В большинстве стран запрещено сжигание нефтяного топлива с сернистостью выше 0,5%, в России же половина солярки не укладывается в этот норматив, а сернистость котельного топлива достигает 3%.

Сжигать нефть, говоря словами Д.И. Менделеева, все равно, что топить печь ассигнациями. Поэтому доля использования жидкого топлива в энергетике за последние годы существенно снижается. Зарождающаяся тенденция будет в дальнейшем усиливаться в связи с существенным расширением использования жидкого топлива в других областях народного хозяйства: на транспорте, в химической промышленности, в том числе в производстве пластмасс, смазочных материалов, предметов бытовой химии и т.д. К сожалению, используется нефть не лучшим образом. В 1984 году при мировом производстве нефтепродуктов 2750 млн т бензина получено 600 млн т керосина и реактивного топлива - 210, дизельного топлива - 600, мазута - 600 млн т. Хороший пример ресурсосбережения показала Япония, которая стремится максимально снизить зависимость страны от импорта нефти. Для решения этой важной экономической задачи на протяжении последних 20 лет прилагались просто гигантские усилия. Приоритетное внимание получила энергосберегающая технология. И как итог проделанной работы - для производства того же объёма валового национального продукта Японии сегодня требуется в два раза меньше нефти, чем в 1974 году. Несомненно, нововведения благоприятно сказались на улучшении экологической обстановки.

По экологическим критериям природный газ - наиболее оптимальное топливо. В продуктах сгорания отсутствуют зола, копоть и такие канцерогены, как бензопирен.

При сжигании газа единственным существенным загрязнителем атмосферы остаются окислы азота. Однако выброс окислов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20 процентов ниже, чем при сжигании угля. Это объясняется не свойствам самого топлива, а особенностями процессов их сжигания. Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля ниже, чем при сжигании природного газа. Таким образом, природный газ - наиболее экологически чистый вид энергетического топлива и по выделению оксидов азота в процессе горения.

Изменения в окружающей среде при транспортировке газа. Современный магистральный трубопровод представляет собой сложное инженерное оборудование, которое помимо линейной части (собственно трубопровода) включает в себя установки для подготовки нефти или газа к перекачке, насосные и компрессорные станции, резервуарные парки, линии связи, систему электрохимической защиты, дороги, идущие вдоль трассы, и подъезды к ним, а также временные жилые посёлки эксплуатационников.

Существенному загрязнению подвергается атмосферный воздух вследствие потерь от больших и малых «дыханий» резервуаров, утечек газа и т.д.

Загрязнение атмосферы в результате аварийного выброса газа или сжигания нефти и нефтепродуктов, различных на поверхности при аварии, характеризуется значительно меньшим периодом воздействия, и его можно отнести к кратковременному.

Атмосферный воздух загрязняется также в результате утечки газа через негерметичные соединения трубопровода, утечки и испарения в процессе хранения и выполнения сливно-наливных операций, потерь на газонефте - и нефтепродуктопроводах и т.д. В результате может подавляться рост растительности и повышаться предельно допустимые концентрации в воздухе.

Решение проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия предприятий тепловой энергетики требует комплексного подхода.

Размещение ТЭС. Ряд ограничений и технических требований при выборе площадке под строительство диктуется экологическими соображениями.

Во-первых, так называемый фон загрязнений, который возникает в связи с работой в этой зоне ряда промышленных предприятий, а иногда и уже существующих электростанций. Если величина загрязнений в месте предполагаемого строительства уже достигла предельных значений или близка к ним, размещение, например, тепловой станции не должно разрешаться.

Во-вторых, при наличии определённого, но недостаточно высокого фона загрязнений должны быть проведены подробные оценки, позволяющие сопоставить значения возможных выбросов от проектируемой тепловой станции с уже существующими в данном районе. При этом нужно учитывать различные по характеру и содержанию факторы: направленность, силу и периодичность ветров в этой местности, вероятность осадков, абсолютные выбросы станции при работе на предполагаемом виде топлива, инструкции топочных устройство, показатели систем очистки и улавливания выбросов и т.д. После сопоставления полученной суммарной (с учётом воздействия от проектируемой тепловой станции) величины выбросов с предельно допустимой и должен быть сделан окончательный вывод о целесообразности строительства ТЭС.

При сооружении электростанций, прежде всего ТЭЦ, в городах или пригородах предусматривается создание лесных полос между станцией и жилыми массивами. Они уменьшают воздействие шума на близлежащие районы, способствуют задержанию пыли при ветрах в направлении жилых массивов.

При проектировании и строительстве ТЭС необходимо планировать их оснащение высокоэффективными средствами очистки и утилизации отходов, сбросов и выбросов загрязняющих веществ, использование экологически безопасных видов топлива.

Защита воздушного бассейна. Защита атмосферы от основного источника загрязнений ТЭС - диоксида серы - происходит, прежде всего, путём его рассеивания в более высоких слоях воздушного бассейна. Для этого сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и даже 420 м. Более радикальное средство сокращения выбросов диоксида серы - выделение серы из топлива до его сжигания на ТЭС.

Наиболее эффективный способ снижения выбросов сернистого газа - сооружение на ТЭС известняковых сероулавливающих установок и внедрение на обогатительных фабриках установок по извлечению из угля пиритной серы.

Одним из важных документом в охране атмосферы от тепловых выбросов на территории Республики Беларусь является Закон Республики Беларусь «Об охране атмосферного воздуха». В Законе подчёркивается, что атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды, благоприятное состояние, которого составляет естественную основу устойчивого социально-экономического развития республики. Закон направлен на сохранение и улучшение качества атмосферного воздуха, его восстановление для обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности человека, а также предотвращение вредного воздействия на окружающую среду. Закон устанавливает правовые и организационные основы норм хозяйственной и иной деятельности в области использования и охраны атмосферного воздуха.

Главная опасность теплоэнергетики для атмосферы заключается в том, что сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению двуокиси углерода CO2 , которая выбрасывается в атмосферу и способствует созданию парникового эффекта.

Наличие в сжигаемом угле добавок серы приводит к появлению окислов серы, они поступают в атмосферу и после реакции с парами воды в облаках создают серную кислоту, которая с осадками падает на землю. Так возникают кислотные осадки с серной кислотой.

Другим источником кислотных осадков являются окислы азота, которые возникают в топках ТЭС при высоких температурах (при обычных температурах азот не взаимодействует с кислородом атмосферы). Далее эти окислы поступают в атмосферу, вступают в реакцию с парами воды в облаках и создают азотную кислоту, которая вместе с осадками попадает на землю. Так возникают кислотные осадки с азотной кислотой.

ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт = 10' Вт, ежегодно потребляет 3 млн. угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т СО2, 120 тыс. т двуокиси серы, 20 тыс. т оксидов азота NО2, и 750 тыс. т золы.

В каменном угле и летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных примесей. Годовой выброс в атмосферу в районе расположения ТЭС мощностью 1 ГВт приводит к накоплению на почве радиоактивности, в 10-20 раз превышающей радиоактивность годовых выбросов АЭС такой же мощности.

Таким образом, защита атмосферы от тепловых выбросов должна быть направлена на снижение объёмов газовых выбросов и их очистку и включать следующие мероприятия:

- контроль за состоянием окружающей среды;

- применение методов, способов и средств, ограничивающих объёмы выбросов газа и подачи его в промысловую газосборочную сеть;

- использование в аварийных случаях факельных устройств, обеспечивающих полное сгорание сбрасываемого газа;

- обеспечение соблюдения экологических нормативов проектируемыми объектами и сооружениями;

- применение системы автоматических блокировок технологических потоков в нефтепереработке, позволяющей герметизировать опасные участки в аварийных ситуациях и осуществить разрядку этого звена в факельную систему;

- максимально возможное изменение топливных режимов тепловых энергетических установок в пользу экологически чистых видов топлива и режимов его снижения;

- достижение основного объёма снижения газовых выбросов в нефтепереработке путём строительства установок по подготовке попутного и нефтяного газа и систем газопроводов, обеспечивающих утилизацию.

Снижение объёмов вредных выбросов и нефтепереработке достигается в процессе реконструкции и модернизации нефтеперерабатывающего производства, сопровождаемых строительством природоохранных объектов.

3. Тканевые фильтры

Одной из особенностей современного технического прогресса является распространенность и непрерывное развитие различных технологических процессов, сопровождающихся образованием аэродисперсных систем, состоящих из твердых частиц пыли, взвешенных в газообразной среде.

Все известные способы улавливания пыли можно разделить на сухие и мокрые.

Мокрые способы характеризуются большими энергозатратами, наличием стоков, необходимостью защиты аппаратуры от коррозии и устранения отложений на стенках аппаратов и трубопроводов и т. п., поэтому предпочтение отдается сухим способам пылеулавливания за исключением тех случаев, когда мокрое пылеулавливание обусловливается технологическими требованиями. Например, в процессе очистки необходимо охлаждать газ до температуры точки росы или обработку уловленной пыли вести гидравлическим способом.

Среди известных различных сухих способов очистки промышленных газов от пыли наибольшая эффективность улавливания тонкодисперсных частиц (размером до 5 мкм) достигается практически только при использовании рукавных фильтров и электрофильтров. Выбор одного из этих двух типов аппаратов определяется технико-экономическим сопоставлением. При этом надо учитывать следующие факторы.

Установки пылеулавливания с применением электрофильтров характеризуются наименьшими среди других способов энергозатратами и соответственно минимальными эксплуатационными расходами. Однако для их сооружения требуются значительные капитальные затраты и, кроме того, они весьма чувствительны к изменениям технологических параметров очищаемого газа. Сухие электрофильтры применяются до температур 400--500° С и наиболее экономичны при больших объемах газов, начиная с 0,5 млн. м3/ч. Использование электрофильтров для очистки газов в установках меньшей производительности сопровождается высокими удельными затратами.

Серьезными ограничениями, сужающими область применения сухих электрофильтров, является невозможность добиться в них стабильной остаточной запыленности ниже 50 мг/м3 без значительного увеличения затрат на очистку, недостаточная эффективность улавливания при высоком удельном электрическом сопротивлении пыли, а также неприменимость электрического метода очистки для взрывоопасных сред. В этом отношении рукавные фильтры имеют определенные преимущества перед электрофильтрами. При их использовании могут быть стабильно обеспечены остаточная запыленность ниже 5--10 мг/м3 независимо от свойств улавливаемой пыли и колебаний технологического режима, работа в широком диапазоне расхода очищаемого газа, возможность применения при соблюдении определенных мер безопасности для очистки взрывоопасных газовых сред.

С другой стороны, для работы рукавных фильтров требуются более высокие энергозатраты из-за их повышенного гидравлического сопротивления -- 1000--1500 Па (против 100--150 Па для электрофильтров), а также необходимость периодически (1 раз в 0,5--2 года) заменять фильтрующий материал высокой стоимости, что требует значительных эксплуатационных расходов. К недостаткам установок рукавных фильтров следует отнести также громоздкость, что в ряде случаев сдерживает их применение при очистке больших объемов газов (свыше 0,5 млн. м3/ч).

Широкое использование рукавных фильтров долгое время сдерживалось ограниченным температурным пределом эксплуатации фильтрующих материалов. Натуральные шерстяные и хлопчатобумажные ткани не выдерживали температур выше 80--90° С, что явно недостаточно для обеспыливания промышленных газов. Однако за последние 15--20 лет достигнут прогресс в создании новых фильтровальных материалов. Появление синтетических тканей типа лавсан и нитрон привело к увеличению температурного предела работы рукавных фильтров до 130--140° С, а применение стеклоткани, которая однако обладает несколько худшими фильтровальными свойствами, дало возможность широкого применения фильтров до температур 250° С.

Фильтрующие элементы фильтра могут быть выполнены в виде тканевых рукавов, мешков, полотен. Запыленный газ пропускается через ткань, в результате чего на поверхности ткани и в ее порах осаждается пыль. По мере увеличения толщины слоя пыли возрастает сопротивление фильтра, поэтому осевшую на ткани пыль периодически удаляют.

Процесс фильтрации газа зависит от типа ткани и вида пыли. Гладкие и не ворсистые ткани сравнительно легко пропускают запыленный газ. 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 гладкие ткани.

Тканевые фильтры применяются для очистки больших объемов воздуха со значительной концентрацией пыли на входе (до 60 г/м3). В качестве фильтрующих элементов в этих аппаратах часто используются тканевые рукава, которые обеспечивают тонкую очистку воздуха от пылевых частиц, имеющих размер менее 1 мкм. Известны всасывающие и нагнетательные рукавные фильтры.

Всасывающие фильтры устанавливаются до вентилятора, т. е. на его всасывающей линии, нагнетательные - на нагнетательной линии. Воздух, очищенный в рукавах нагнетательных фильтров, поступает непосредственно в помещение, где установлены фильтры.

В настоящее время выпускается и эксплуатируется много разнообразных конструкций тканевых фильтров. По форме фильтровальных элементов и тканей они могут быть рукавные и плоские (полотняные), по виду опорных устройств - каркасные, рамные и т.д., по наличию корпуса и его форме цилиндрические, прямоугольные, открытые (бескамерные), по числу секций - одно- и многосекционные. Фильтры могут также различаться по способу регенерации (чистки) и ряду других признаков.

Для тканевых фильтров применяются тканые или валяные материалы. Ткани для фильтров изготавливают из натуральных или синтетических волокон диаметром 10...30 мкм, скручиваемых в нити диаметром около 0,5 мм. Размеры пор между нитями обычно составляют 100...200 мкм.

При прохождении запыленного воздуха через ткань пылевые частицы задерживаются между нитями и ворсом. Наличие ворса повышает эффективность фильтрации.

Ворс должен быть обращен навстречу запыленному потоку. При движении запыленного потока воздух прижимает ворсинки к ткани. При обратной продувке происходит выпучивание ворсинок, и накопившиеся пылевые частицы удаляются.

Фильтровальные ткани, используемые в фильтрах, должны отличаться высокой пыле емкостью, воздухопроницаемостью, механической прочностью, стойкостью к истиранию, антистатическими свойствами, стабильностью свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, а также минимальным влагопоглощением и способностью к легкому удалению накопленной пыли.

Не все фильтровальные ткани удовлетворяют перечисленным требованиям, поэтому каждую ткань используют для определенных, наиболее благоприятных для нее условий. В фильтрах для улавливания древесных частиц, наиболее часто используют следующие фильтровальные ткани: "Ланит К", "Смог" (старое название "Ланит 500") плотностью 460 ± 23 г/м2, "Искра", "Искра 2". Это иглопробивной лавсановый материал. Ткань "Искра" - антистатический материал, имеющий металлические вкрапления для снятия статического электричества. Рукава из этой ткани используют для фильтрования пылевоздушной смеси, содержащей пыль, образующуюся при шлифовании древесины или лаковых покрытий. Материал "Искра 2" - каркасный, более долговечный. Каркасная основа повышает прочность ткани и сохраняет размеры изделия в течение всего срока службы. Физические параметры фильтровальных тканей, такие как плотность, толщина, объем пор варьируются в широких пределах, что позволяет эффективно фильтровать газопылевые смеси с различными характеристиками. Швы рукавных фильтров могут быть как тройными сшивными, так и термосварными. В зависимости от конструкции фильтра, рукавный фильтр снабжается металлическими кольцами, усилениями, донышком и прочими элементами.

Фильтровальные рукава имеют диаметр 90…450 мм и длину 2…10 м.

Тканевые рукава - это наиболее изнашиваемые элементы фильтра, периодически требующие их замены. Заводы изготовители пылеулавливающих аппаратов гарантируют степень очистки воздуха до 99,9%, а срок эксплуатации фильтровальной ткани устанавливают до 1…5 лет. Ткань фильтра в процессе работы изнашивается: истирается проникающим воздухом, истирается прилипшими древесными частицами, прокалывается иглообразными стружками, истирается налипшей "шубой" при регенерации фильтра встряхиванием или продувом, изнашивается при изменении влажности древесных частиц и температуры воздуха. По мере износа сопротивление ткани фильтра проникновению воздуха уменьшается, и ткань пропускает большее количество пыли, особенно после регенерации. Нормальная фильтрация наступит только после того, как на поверхности ткани осядет слой пыли. Чем толще слой осевшей пыли, тем выше степень очистки воздуха, тем выше сопротивление фильтра.

Изношенный фильтр, особенно после регенерации, пропускает мелкодисперсную пыль, которая возвращаться и накапливаться в цехе. Это можно обнаружить, если в цехе налажен контроль запыленности воздуха. Однако деревообрабатывающие предприятия не оснащены диагностическим оборудованием и не контролируют ни состояния воздуха, ни состояния ткани рукавов. Более того, конструкции выпускаемых фильтров таковы, что использовать современные средства диагностики невозможно. Неисправный рукав можно обнаружить только визуально и тогда, когда он фонтанирует крупную пыль, а чтобы заменить неисправный рукав, надо демонтировать почти все рукава. Для удобства диагностики и эксплуатации фильтры должны иметь блочную (секционную) конструкцию.

Очистку тканевых рукавов производят несколькими способами: механическим встряхиванием, обратной струйной и импульсной продувкой рукавов. Механическое встряхивание вертикальных рукавов осуществляют волнообразным изменением натяжения ткани рукавов с помощью механических вибраторов. Изготовители фильтров рекомендуют выполнять встряхивание через каждый час работы в течение 15 с.

При обратной струйной продувке, применяемой при отложении пыли на внутренней поверхности рукава, изменяют направление дутья, подавая на регенерацию свежий или очищенный воздух. Для выполнения обратной продувки фильтр отключают посекционно или полностью. Расход воздуха на обратную продувку принимают до 10% от количества очищаемого газа.

Для продувки воздух от высоконапорного вентилятора подается в трубку-каретку с кольцевой щелью (рис. 26), надетой на рукав и перемещаемой вдоль него. Воздух, выходящий из щели со скоростью 10…30 м/с, проникает внутрь рукава, разрушает слой пыли, выдувает пыль.

Из-за сложности конструкции струйная продувка используется для регенерации только толстых фильтрующих материалов - войлоков, фетров.

4. Характеристика адсорбционного метода очистки газовых выбросов

Газы в промышленности обычно загрязнены вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на заводах и предприятиях для технологических и санитарных (экологических) целей. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы:

- абсорбция жидкостями;

- адсорбция твердыми поглотителями ;

- каталитическая очистка.

В меньших масштабах применяются термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном.

Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей - разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ.

Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов -- твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью Sуд (Sуд -- отношение поверхности к массе, м2/г). Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, -- это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные требования к промышленным сорбентам - высокая поглотительная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительная служба без изменения структуры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации. Чаще всего для санитарной очистки газов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной способности и легкости регенерации.

Адсорбцию газовых примесей обычно ведут в полочных реакторах периодического действия без теплообменных устройств; адсорбент расположен на полках реактора. Когда необходим теплообмен (например, требуется получить при регенерации десорбат в концентрированном виде), используют адсорберы с встроенными теплообменными элементами или выполняют реактор в виде трубчатых теплообменников; адсорбент засыпан в трубки, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель.

Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью 0,05-0,3 м/с. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие -- на стадиях регенерации, охлаждения и др. (рис. 6). Регенерацию проводят нагреванием, например выжиганием органических веществ, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смолой), полностью заменяют.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на порядок выше, чем в периодических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы (см. рис. 7).

Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:

- глубокая очистка газов от токсичных примесей;

- сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии.

Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

Недостатки большинства адсорбционных установок - периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.

Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами газоочистки, так как такие традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах-катализаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выхлопных газов весьма перспективен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и возможности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0,1--0,2 в объемных долях SO2). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах.

Адсорбционно-каталитические методы применяют для очистки промышленных выбросов от диоксида серы, сероводорода и серо-органических соединений. Катализатором окисления диоксида серы в триоксид и сероводорода в серу служат модифицированный добавками активированный уголь и другие углеродные сорбенты. В присутствии паров воды на поверхности угля в результате окисления SO2 образуется серная кислота, концентрация которой в адсорбенте составляет в зависимости от количества водяного пара при регенерации угля от 15 до 70%..

Другим примером адсорбционно-каталитического метода может служить очистка газов от сероводорода окислением на активном угле или на цеолитах во взвешенном слое адсорбента-катализатора.

Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Только в США введены и успешно эксплуатируются десятки тысяч адсорбционных систем. Основными промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он менее селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации растворителей и т.д.

Оксидные адсорбенты (ОА) обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам в силу собственного неоднородного распределения электрического потенциала. Их недостатком является снижение эффективности в присутствии влаги. К классу ОА относят силикагели, синтетические цеолиты, оксид алюминия.

Можно выделить следующие основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки:

- После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других примесей.

- После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий, пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей.

- После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемо сорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов.

- Для десорбции примесей используют нагревание адсорбента, вакуумирование, продувку инертным газом, вытеснение примесей более легко адсорбирующимся веществом, например, водяным паром. В последнее время особое внимание уделяют десорбции примесей путем вакуумирования, при этом их часто удается легко утилизировать.

Для проведения процессов адсорбции разработана разнообразная аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем.

В последние годы все более широкое применение получают волокнистые сорбционно-активные материалы. Мало отличаясь от гранулированных адсорбентов по своим емкостным характеристикам, они значительно превосходят их по ряду других показателей. Например, их отличает более высокая химическая и термическая стойкость, однородность пористой структуры, значительный объем микропор и более высокий коэффициент массопередачи (в 10-100 раз больше, чем у сорбционных материалов). Установки, в которых используются волокнистые материалы, занимают значительно меньшую площадь. Масса адсорбента при использовании волокнистых материалов меньше, чем при использовании АУ в 15-100 раз, а масса аппарата в 10 раз. Сопротивление слоя не превышает при этом 100 Па.

Повысить технико-экономические показатели существующих процессов удается также путем оптимальной организации стадии десорбции, например, за счет программированного подъема температуры.

Следует отметить эффективность очистки на активированных углях сотовой (ячеистой) структуры, обладающих улучшенными гидравлическими характеристиками. Такие сорбенты могут быль получены нанесением определенных композиций с порошком АУ на вспененную синтетическую смолу или вспениванием смеси заданного состава, содержащей АУ, а также выжиганием наполнителя из смеси, включающей АУ вместе со связующим.

Еще одним направлением усовершенствования адсорбционных методов очистки является разработка новых модификаций адсорбентов - силикагелей и цеолитов, обладающих повышенной термической и механической прочностью. Однако гидрофильность этих адсорбентов затрудняет их применение.