Методи та засоби очищення викидів в атмосферу

Однією з особливостей атмосфери є її здатність до самоочищення. Самоочищення атмосферного повітря відбувається внаслідок сухого та мокрого випадання домішок, абсорбції їх земною поверхнею, поглинання рослинами, переробки бактеріями, мікроорганізмами та іншими шляхами. Садіння дерев та кущів сприяє очищенню повітря від пилу, оксидів вуглецю, діоксидів сірки та інших речовин. Найкращі поглинальні властивості стосовно діоксиду сірки має тополя, липа ясен. Одне доросле дерево липи може акумулювати протягом доби десятки кілограмів діоксиду сірки, перетворюючи його в нешкідливу речовину. Велика роль в очищенні атмосферного повітря належить ґрунтовим бактеріям та мікроорганізмам. При температурі 15-35 ºС мікроорганізми переробляють на 1м² до 81 т на добу оксидів та діоксидів вуглецю. Однак можливості природи щодо самоочищення мають обмеження, що слід враховувати при розробці нормативів ГДВ.

Одним з основних показників очищення викидів є ступінь їхнього очищення від шкідливих речовин К_оч:

, (8)

де – маса шкідливих речовин, які вловлюються в очисному пристрої;

– загальна маса шкідливих речовин у викидах.

 

Ступінь очищення повинен визначатися за кожною забруднюючою речовиною. Ступінь очищення поділяється на проектний та фактичний, а за рівнем – на максимальний та експлуатаційний.

Для оцінки забезпеченості підприємств очищенням в часі використовується коефіцієнт технологічних процесів газоочищенням:

, (9)

де – час роботи технологічного обладнання;

– час роботи газоочисних установок.

 

За несприятливих метеорологічних умов, коли викиди із забрудненням можуть бути шкідливими для здоров’я населення, підприємства повинні знизити викиди шкідливих речовин за рахунок технічних засобів або повної (часткової) зупинки джерел забруднення.

Сучасні вимоги до якості та ступеня очищення викидів досить високі. Для їхнього дотримання необхідно використовувати технологічні процеси та обладнання, котрі знижують або повністю виключають викид шкідливих речовин в атмосферу, а також забезпечують нейтралізацію утворених шкідливих речовин; експлуатувати виробниче та енергетичне обладнання, котре виділяє мінімальну кількість шкідливих речовин; закрити невеликі котельні та підключити споживачів до ТЕЦ; застосовувати антитоксичні присадки, перевести теплоенергетичні установки з твердого палива на газ.

 

Способи очищення викидів в атмосферу від шкідливих речовин можна об’єднати в такі групи:

– очищення викидів від пилу та аерозолів шкідливих речовин;

– очищення викидів від газоподібних шкідливих речовин;

– зниження забруднення атмосфери вихлопними газами від двигунів внутрішнього згорання транспортних засобів та стаціонарних установок;

– зниження забруднення атмосфери при транспортуванні, навантаженні і вивантаженні сипких вантажів.

Для очищення викидів від шкідливих речовин використовуються механічні, фізичні, хімічні, фізико-хімічні та комбіновані методи.

Механічні методи базуються на використанні сил ваги (гравітації), сил інерції, відцентрових сил, принципів сепарації, дифузії, захоплювання тощо.

Фізичні методи базуються на використанні електричних та електростатичних полів, охолодження, конденсації, кристалізації, поглинання.

У хімічних методах використовуються реакції окислення, нейтралізації, відновлення, каталізації, термоокислення.

Фізико-хімічні методи базуються на принципах сорбції (абсорбції, адсорбції, хемосорбції), коагуляції та флотації.

Гравітаційні пилоочисні камери працюють за принципом зниження швидкості руху газів до рівня, коли пил та частинки рідини осідають під впливом сил ваги. Ефективність роботи пилоочисних камер

(10)

де – діаметр частинок, які осаджуються;

– кінематична в’язкість газу;

– висота камери;

– швидкість течії газу;

– гравітаційне прискорення;

– довжина камери;

– густина частинок;

– густина газу.

Гравітаційні пилоосаджувальні камери –це порожнинна або з полицями коробка з листової сталі з бункером для збирання пилу. Довжина коробки

, (11)

де – висота камери;

– швидкість руху газів;

– швидкість, за якої пил випадає в бункер.

 

При зниженні висоти камери процес очищення поліпшується, тому порожнину камери розподіляють полицями, котрі проектуються під кутом або з можливістю регулювання. Гравітаційні пилоосаджувальні камери придатні для осадження частинок пилу діаметром понад 50 мкм. Гідравлічний опір гравітаційних камер лежить в межах 50-150 Па. Швидкість газу – 0,2 –1,5 м/с. Камери забезпечують ступінь очищення не більше 50%, тому їх використовують як попередній ступінь пиловловлювання.

Інерційні сепаратори працюють на принципі різкої зміни напрямку потоку газів. У місцях зміни напрямку відбувається осідання твердих частинок забруднюючих речовин. Сепаратори дозволяють осаджувати частинки діаметром 25–30 мкм. Інерційні газоочисники мають продуктивність від 45 до 582 м³/год. До цього типу можна віднести і жалюзійні пиловловлювачі, котрі мають гідравлічний опір 100–400 Па, допускають температуру газу, що очищається, до 450º С, швидкість на підході до решітки – 15–25 м/с.

Циклонні сепаратори працюють за принципом використання відцентрового ефекту. Відокремлення твердих частино в них відбувається під дією відцентрових сил:

, (12)

де –постійний безрозмірний коефіцієнт;

–густина частинок;

d – діаметр частинок;

– тангентальна складова швидкості руху частинок;

– радіус частинок;

– радіус установки;

n – постійна, яка залежить від радіуса установки і робочої температури;

–висота циклона.

 

Практично використовуються такі типи циклонних сепараторів:

– горизонтальні пиловловлювачі, котрі працюють за принципом надання газам вихроподібного кругового руху за допомогою вертушки з системою невідхилюваних лопатей;

– вертикальні сепаратори, що працюють за принципом подавання газу зверху через горизонтально встановлену кільцеву крильчатку, котра надає газові обертового руху; тверді частинки осідають на дні, а очищений газ відводиться через центральну трубу;

– вертикальні сепаратори з тангенціально розташованою вхідною частиною. У цьому сепараторі затриманий газ надходить збоку або знизу і набуває тангенціального руху, котрий виносить тверді частинки до стінок, а потім в пилозбирачі;

– ротаційні струменеві пиловловлювачі є різновидом відцентрового циклонного сепаратора, в котрому вихроподібність руху газу посилена тангенціальним повітряним потоком. У них пил накопичується в середині повітряного середовища і під дією гравітаційних сил падає на дно пилозбирача.

Апарати мокрого очищення газів від пилу працюють за принципом промивання газів. Ці види очисних пристроїв застосовуються на дільницях фарбування виробів, нанесення полімерних покриттів, в замкнених системах повітрокористування. Такі пристрої дозволяють очищати гази від дрібних механічних забруднень. Існує велика кількість апаратів мокрого очищення газів. Застосовуються і прості водяні завіси, через котрі пропускаються забруднені потоки повітря.

За принципом роботи апарати мокрого очищення газів поділяються на порожнинні і насадкові; барботажні та пінні; ударно-інерційні; відцентрові; динамічні та турбулентні промивачі.

Порожнинні та насадкові апарати-скрубери працюють за принципом пропускання газів через потік розпиленої розбризканої або стікаючої по насадках води. Швидкість потоку газів не перевищує 1–1,2 м/с, гідравлічний опір апаратів не перевищує 250 Па. Витрата води складає до 10 м³ на 1м апарата. Найбільш повно скрубери видаляють частки розміром більше 10 мкм. Недоліком скруберів є часте забивання отворів розпилювачів.

При роботі барботажних та пінних апаратів забруднені гази проходять через шар рідини або піни. Апарати мають великий гідравлічний опір (до 2000 Па). Вони дозволяють вловлювати частки розміром до 2 мкм. Продуктивність апаратів конструкції ЛТІ – від 2 до 45 тис. м³/год., швидкість проходження газів –до 2 м/с, ступінь очищення –до 99 %.

Апарати ударно-інерційного типу працюють за принципом інерційного осаджування механічних забруднень під час зміни напрямку газового потоку над поверхнею рідини. Найбільшого застосування набули статичні пиловловлювачі типу ПВМ, ротоклони та скрубери ударної дії. Продуктивність ударно-інерційних апаратів –2500-90000 м³/год. Швидкість потоку газу – до 56 м/с, ступінь очищення – до 98 %. Витрата води – 0,8–4 м³/год. На 1000 м³ газу.

Відцентрові апарати мокрого очищення газів працюють за принципом завихрення газів спеціальними лопатками або за рахунок тангентального підведення газу з одночасним зрошення з форсунок. Їх використовують для очищення димових газів з великим вмістом сірчаних газів, забезпечуючи ступінь очищення до 90 %. Використовуються також динамічні та турбулентні промивачі.

При роботі електростатичних установок очищувані гази пропускають через електростатичне поле високої напруги (до 50 кВ), створюване спеціальними електродами. При проходженні через електричне поле частинки набувають негативного заряду і притягуються до електродів, котрі з’єднані із землею, тому мають позитивний заряд відносно частинок. Для очищення електродів передбачена спеціальна механічна система. Електростатичний метод очищення газів дозволяє вловлювати частинки розміром до 0,1 мкм. Початкові видатки на створення електростатичних фільтрів вищі, ніж для апаратів інших типів, однак експлуатаційні видатки нижчі. Споживання енергії цими пристроями складає 0,3-0,6 кВт на 10000 м³ газу.

У пористих фільтрах забруднені гази пропускають через тканину, сукно, повсть, синтетичні матеріали (нітрон, лавсан, хлорин), металеві сітки, гравій тощо. Ці фільтри забезпечують високу якість очищення. Основний їх недолік –зниження тиску газу після фільтрації, висока вартість експлуатації, часта заміна фільтрувальних елементів.

Найбільш поширеними апаратами для очищення газів від механічних частинок є рукавні фільтри, основним елементом котрих є рукавоподібний мішок, натягнений на трубчасту раму. При проходженні газів через мішок пилові частинки залишаються на тканині. Видалення пилу з мішків здійснюється механічним витрушуванням, продуванням його в зворотному напрямку, очищенням струменями повітря, використанням низькочастотних акустичних генераторів для відокремлення твердих частинок від мішка.

Використовуються також зернисті фільтри, в тому числі з металокераміки, а також тканинні рулонні фільтри, котрі забезпечують високу якість очищення. Однак їхнім недоліком є невисока пилоємність та швидке засмічування.

У технологічних вентиляційних та енергетичних викидах на підприємствах найбільш часто зустрічаються діоксид сірки, оксиди азоту, оксиди та діоксиди вуглецю, мінеральні речовини від виробництва будівельних матеріалів, сполуки металів, феноли, синтетичні матеріали, лакофарбові матеріали тощо.

Методи очищення викидів від газоподібних речовин за характером фізико-хімічних процесів з очищуваними середовищами поділяються таким чином:

– промивання викидів розчинниками, що не сполучаються із забруднювачами (метод абсорбції);

– промивання викидів розчинами, що вступають в хімічне з’єднання з забруднювачами (метод хемосорбції);

– поглинання газоподібних забруднювачів твердими активними речовинами (метод адсорбції);

– поглинання та використання каталізаторів;

– термічна обробка викидів;

– осаджування в електричних та магнітних полях;

– виморожування.

Метод абсорбції базується на розділенні газоповітряної суміші на складові частини шляхом поглинання шкідливих компонентів абсорбентом.

В якості абсорбентів вибирають рідини, здатні поглинати шкідливі домішки. Для видалення з викидів аміаку, хлористого та фтористого водню використовується вода. Один кілограм води здатен розчинити сотні грамів хлористого водню та аміаку. Сірчисті гази у воді розчиняються погано, тому витрата води у цьому випадку дуже велика. Для видалення з викидів ароматичних вуглеводів, водяної пари та інших речовин застосовується сірчана кислота. Для здійснення процесу очищення газових викидів методом абсорбції застосовуються плівкові, форсункові, трубчасті апарати –абсорбери. Об’ємна витрата рідини

, (13)

де –маса домішок, що підлягають видаленню;

, –початкова і кінцева концентрації шкідливої домішки в рідині.

Площа контакту газу з рідиною

, (14)

де – коефіцієнт абсорбції (масопередачі);

– середня рушійна сила абсорбції.

Значення є вищим при зустрічному русі газу та рідини, ніж при русі в одному напрямку. Процес абсорбції повинен обов’язково передбачати застосування десорбції – регенерації рідини з метою вилучення розчинених домішок.

Метод хемосорбції базується на поглинанні газів та пари рідкими і твердими поглиначами з утворенням хімічних сполук. Цей метод використовується при очищенні викидів через вентиляції гальванічних дільниць. При цьому розчинником для очищення викидів від хлористого водню є 3 %-й розчин їдкого натру. Цей метод використовується також для очищення викидів від окисів азоту.

Метод адсорбції базується на селективному вилученні з газових сумішей шкідливих домішок за допомогою твердих адсорбентів. Найбільш широко як адсорбент застосовується активоване вугілля, іонообмінні смоли тощо.

Необхідна маса адсорбенту

, (15)

де –об’ємна витрата газу, що очищається;

– концентрація домішки, яка видаляється;

–час протікання адсорбції;

– поглинальна здатність адсорбенту.

 

Геометричні параметри адсорбенту вибираються та враховуються за номограмами або за аналітичними залежностями.

Каталітичний метод базується на перетворенні токсичних компонентів викидів у менш токсичні або нешкідливі за рахунок використання каталізаторів. Швидкість каталітичних реакцій можна визначити згідно з рівнянням

, (16)

де –константа каталітичної реакції;

– концентрація речовин, які вступають в реакцію;

а, б, в, n – порядок реакції за відповідним компонентом.

В якості каталізатора використовують платину, метали платинового ряду, окиси міді, двоокис марганцю, п’ятиокис ванадію тощо.

Каталітичний метод використовується для очищення викидів від окису вуглецю за рахунок його окислення до двоокису вуглецю.

Термічний метод базується на допалюванні та термічній нейтралізації шкідливих речовин у викидах.

Цей метод використовується тоді, коли шкідливі домішки у викидах піддаються спаленню. Термічний метод ефективний у випадку очищення викидів від лакофарбових та просочувальних дільниць. Системи термічного та вогневого знешкодження забезпечують ефективність очищення до 99 %.

Загалом послідовність вибору типу очисних пристроїв та фільтрів така:

– виявлення характеристик викидів (температура, вологість, вид та концентрація домішок, токсичність, дисперсність тощо);

– визначення типу очисного пристрою або фільтра за витратою газу, необхідним ступенем очищення, можливостями виробництва та іншими факторами;

– знаходження робочої швидкості газів;

– техніко-економічний аналіз можливих варіантів очищення;

– розрахунок параметрів очисного пристрою;

– проектування та вибір очисного пристрою або фільтра.

При виборі засобів очищення викидів в атмосферу слід керуватися такими рекомендаціями:

– сухі механічні способи та пристрої не ефективні при видаленні дрібнодисперсного та липкого пилу;

– мокрі методи не ефективні при очищенні викидів, в котрих містяться речовини, що погано злипаються і утворюють грудки;

– електроосаджувачі не ефективні у випадку видалення забруднень з малим питомим опором і котрі погано заряджаються електрикою;

– рукавні фільтри не ефективні для очищення викидів з липкими та зволоженими забрудненнями;

– мокрі скрубери не можна застосовувати для роботи поза приміщеннями в зимових умовах.