Рассеивание выбросов в атмосфере.

На ТЭС, ТЭЦ, ме­таллургических заводах, химических комбинатах и т.д. достаточ­но эффективным решением пока остается рассеивание нескольких очищенных выбросов в атмосфере с помощью высоких вертикальных труб. Они имеют два назначения: 1) создание тяги для подачи в топку в нужном количестве и с должной скоростью воздуха; 2) отвод продуктов горения из топки в верхние слои атмосферы. Благодаря непрерывному турбулентному движению в этих слоях вредные газы и твердые частицы уносятся далеко от источника их возникновения и рассеиваются. Так, труба высотой 100 м рассеи­вает мощные выбросы с мельчайшими частицами пыли в окружности радиусом 20 км до концентрации, безвредной для человека; высо­той 250 м - радиусом до 75 км. Таким образом, в ближайшем ок­ружении такой трубы создается так называемая теневая зона, в которую совсем не попадают вредные и 3В.

На процесс рассеивания выбросов влияют состояние атмосфе­ры, расположение ИЗА, характер местности, физические и хими­ческие свойства выбрасываемых 3В, высота ИЗА, диаметр устья и т.п. Горизонтальное перемещение загрязнений определяется в ос­новном скоростью ветра , а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении или степенью вертикаль­ной устойчивости атмосферы (СВУА), приведенной в табл. 5.2 и определяемой по табл. 5.3 и 5.4.

Классическая схема распределения концентраций 3В в атмос­фере при выбросе через высокие (более 10 м) трубы приведена на рис. 5.1. Как видим, по мере удаления от трубы по факелу выде­ляются тон зоны: I - зона переброса факела выбросов, которая характеризуется невысоким содержанием 3В в приземном слое из-за выбросов низких ИЗА: II - зона максимального загрязнения приземного слоя и III - зона постепенного снижения уровня заг­рязнения приземного слоя.

Наиболее опасной для населения является зона II и поэтому она должна быть исключена из селитебной застройки. Ее размер колеблется в пределах 10...40 Нт, Концентрация 3В в этой зоне прямо пропорциональна производительности ИЗА и обратно про­порциональна . Подъем горячих струй почти полностью зависит от подъемной силы 3В, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Поэтому повышение температуры и скорости выбрасываемых 3В приводит к увеличении подъемной силы и снижению их приземной концентрации . В условиях безветрия рассеи­вание 3В происходит, главным образом, под действием вертикальных тепловых потоков, вызываемых СВУА. Высокие увеличивают разбавлящую роль атмосферы, что создает более низкие в напра­влении ветра. При этом турбулентные вихри в атмосфере изгиба­ются, разрывают поток 3В и перемешивают его с окружающими воз-душными массами. Но с увеличением уменьшается высота факела над устьем трубы, что способствует повышению . Поэтому вве­дено понятие опасной , при которой имеет наибольшее зна­чение. Чтобы этого избежать, скорость выброса 3В должна вдвое превышать опасную на уровне горловины трубы.

Рис. 5.1. Распределение концентраций 3В в атмосфере при выбросе через высокую трубу: ИЗА - источник загрязнения атмосферы высотой Нт; - угол раскрытия факела: - максимальная концентра­ция 3В в приземном слое; – концентрация ЗВ по Факелу выброса;I, II, II – зоны загрязнения (см. текст).

Данным закономерностям распределения 3В подчиняются газо­образные вещества и пылевые частицы размером менее 10 мкм (см. ОНД-86). Для более крупных частиц эти закономерности нарушают­ся, так как скорость их осаждения возрастает под действием си­лы тяжести. Поэтому выбросы 3В через трубы предварительно очи­щаются от крупных частиц пыли в сухих пылеулавливающих уст­ройствах (ПУ).

С методиками расчета параметров рассеивания студент может познакомиться в разделах 2 и 3 учебного пособия [2].

Таблица 5.2. Степени вертикальной устойчивости атмосферы (CBУА).

Методы очистки выбросов.

Для очистки выбросов от аэрозолей применяют различные методы очистки, используемые в соответствующих ПУ. Последние классифицируют по принципу очистки на четыре следующие группы.

1. Сухие ПУ – циклоны, радиальные, вихревые, жалюзийные и ротационные ПУ, пылеосадительные камеры. В циклонах различных типов под действием центробежных сил частицы пыли движутся по их стенке и попадают в бункер, а газовый поток поворачивает на 180° и через выходную трубу попадает в атмосферу. В радиальных ПУ отделение пыли от газового потока происходит при совместном действии гравитационных и инерционных сил, возникающих при по­ворота газового потока на 180°. В вихревом ПУ под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, частицы пыли устремляются к его перефирии, а затем спиральными струями вторичного потока перемещаются к низу аппарата и в бункер. В жалюзийном ПУ отделение частиц пыли от газового потока на жалюзийной решетке происходит под действием инерционных сил, возникающих при повороте газового потока на входе в решетку, и за счет эффекта отражения частиц от поверхности этой решетки при соударении. Затем обогащенный пылью газовый поток направ­ляется к циклону для дальнейшей его очистки. В ротационном ПУ за счет вращения пылевого потока возникают центробежные силы, под действием которых взвешенные в воздухе частицы пыли разме­ром более 5 мкм выделяются из него в радиальном направлении и поступают в бункер. В пылеосадительных камерах (без и с пере­городками) и многополочных камерах используются гравитационный и инерционный механизмы осаждения пыли, т.е. обеспечивается медленное движение пылегазового потока, изменение направления движения этого потока или установка на его пути препятствий (перегородок или полок).

2. Мокрые ПУ - скрубберы и барботеры, но чаще их называют газопромыватели. В них чаще всего используется вода в качестве орошающей жидкости. В зависимости от поверхности контакта или по способу действия газопромыватели подразделяют на виды:

1) полые форсуночные; 2) насадочные с поперечным орошением;

3) с подвижной насадкой, в качестве которой используются шары, кольца и т.д.; 4) тарельчатые (с провальными тарелками или та­релками с переливом); 5) ударно-инерционного действия (ротоклоны); 6) центробежного действия (циклон с водяной пленкой) и 7) скоростные (скрубберы Вентури и эжекторные). По затратам энергии мокрые ПУ подразделяют на низконапорные (гидравлическое сопротивление которых Па) - форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты и др.; средненапорные ( = 1,5...3000 Па) - динамические скрубберы, газопромыватели ударно-инерционного действия, эжекторные скрубберы высоконапорные ( > 3,0 кПа) - скрубберы Вентури, с подвижной насадкой. Эти ПУ представляют собой колонну круглого или прямоугольного сечения достаточно больших размеров.

В скрубберах различных типов осаждение частиц смачиваемой пыли на поверхность капель, пленку жидкости или зеркало воды происходит под действием сил инерции и броуновского движения или центробежных сил, возникающих при вращении пылегазового потока в аппарате. В барботерах пылегазовый поток поступает под решетку, проходит через ее отверстия и, барботируя через слой жидкости и пены, очищается от частиц пыли за счет осаждения ее частиц внутренней поверхности газовых пузырей, которые удаляются в шлакоотстойник.

3. Электрофильтры сухого и мокрого типов с одной или дву­мя зонами. В них процесс очистки пылегазового потока основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, пере­даче зарядов ионов частицам пыли и осаждении последних на осадительных электродах. При этом важное значение на процесс осаждения пыли на электродах играет электрическое сопротивле­ние слоев пыли, особенно для пыли с удельным электрическим сопротивлением более Ом-м. Поэтому в реальных условиях снижают путем увлажнения пылегазовоздушного потока.

4. Фильтры, в которых процесс тонкой очистки состоит в задержании частиц пыли на пористых перегородках при движении через них дисперсных сред. По типу перегородки они бывают: с зернистыми слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перего­родками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); с полужесткими пористыми перегородками (вязальные и тканевые сетки, прессованные спирали и стружка и др.); с полужесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.). По конструктивному признаку фильтры делят на рукавные, ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные (детально см. в учебнике [11]).

ПУ различных типов, включая и электрофильтры, применяют при концентрациях пыли > 50 мг/ м³ , а фильтры - при < 50 мг/м³. При значительных начальных применяют систему после­довательно соединенных ПУ и фильтров, т.е. двух- или трехсту­пенчатую очистку выбросов. Выбор ПУ в первую очередь зависит от дисперсного состава частиц пыли, как приведено ниже, а также от других свойств пыли, требуемой степени очистки выбросов и, конечно, от стоимости данного ПУ.

Для очистки выбросов от газообразных веществ применяют следующие методы: 1) абсорбции; 2) хемосорбции; 3) адсорбции; 4) каталитический; 5) термический; 6) биохимический. Выбор метода очистки, а следовательно, и конструкции газоуправлявающего устройства зависит от концентрации извлекаемого компонента в отходящих выбросах, объема и температуры газа, наличия в газе других примесей, от требуемой степени очистки и возможности продуктов рекуперации.

Метод абсорбции состоит в промывке выбросов растворителя­ми газовых веществ (например, водой, водными растворами хими­ческих веществ, вязким маслом и т.д.), которые поглощают один или несколько веществ из выброса и образуют концентрированный раствор с извлеченными газами. Последний затем подвергается регенерации или десорбции. Чем меньше насыщен раствор или при­меняемая жидкость (называют абсорбент), тем больше он поглоща­ет газа (например, аммиака, хлористого или фтористого водорода и т.д.). В зависимости от конкретных задач применяют абсорберы различных конструкций (пленочные, насадочные, трубчатые и др.).

Метод хемосорбции состоит в промывке выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически. Хемосорбентами явля­ются растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жидкости. Они вступают в химические реакции с га­зами (например, и т.д.) выбросов и об­разуют малолетучие и малорастворимые соединения. Поглотитель­ная способность хемосорбента почти не зависит от давления, по­этому этот метод выгоден при небольшой концентрации газов в выбросах. Хемосорбент затем подвергается десорбции.

Mетод адсорбции состоит в поглощении газовых примесей по­ристыми телами-адсорбентами, В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикагель, синтетические цеолиты или

молекулярные сита, т.е. вещества, имеющие большую площадь по­верхности на единицу массы. На них поглощенные молекулы газа удерживаются на поверхности твердых тел межмолекулярными сила­ми притяжения (физическая адсорбция) либо химическими силами (хемосорбция). Адсорбенты подвергаются периодической регенера­ции. Адсорбция используется для очистки только сухих и незапы­ленных выбросов с невысоким содержанием газовых примесей (нап­ример, и др.), в том числе и в автомобилях. Она про­водится в адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента.

Каталитический метод состоит в химическом превращении токсичных компонентов выбросов в вещества безвредные или менее вредные на поверхности твердых катализаторов. Последними явля­ются металлы или их соединения (платина и металлы платинового ряда, оксиды меди, марганца и кобальта). Этот метод применяют для очистки газовых выбросов, в которых не содержатся пыли и катализаторные яды, а имеются оксиды азота, серы, углерода или органические примеси. Для очистки применяют реакторы различной конструкции, в тем числе и в автомобилях.

Термический метод состоит в высокотемпературном сжигании или термическом окислении выбросов, имевших легкоокисляемые токсичные и дурнопахнущие примеси. Выбор схемы сжигания или окисления зависит от температуры и количества выбросов, а так­же от содержания в них вредных примесей, и других компонен­тов. Сжигание или окисление горючих примесей осуществляют в топках печей или котельных агрегатов, а также в факельных го­релках. В итоге получают обезвреженные газы на выходе установ­ки, в том числе и автомобиля.

Биохимический метод основан на способности микроорганиз­мов разрушать и преобразовывать различные соединения в отходя­щих газах постоянного состава. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соединений или группы веществ, присутствую­щих в очищаемых газах. Этот метод реализуется в биофильтрах и биоскрубберах. В первых аппаратах очищаемый газ проходит через слой фильтра-насадки (почва, торф, компост и др.), орошаемой водой для создания необходимой влажности для поддержания жиз­недеятельности микроорганизмов. Биоскруббер - это абсорбер или скруббер, в котором орошавшей жидкостью (абсороентом) служит водяная суспензия активного ила. В нем улавливается абсорбен­том вредные вещества, содержащиеся в очищаемых газах, и рас­щепляются микроорганизмами активного ила [11].

Сложный химсостав и высокие концентрации 3В промвыбросов заранее предопределяют многоступенчатые схемы газоочистки, представляющие собой комбинаций вышеназванных методов. Однако выбор метода или методов очистки определяется в конечном счете технико-экономическим расчетом, учитывающим также максимально возможное удержание вредных веществ, теплоты и возврат их в технологический процесс.

С методикой выбора и расчета средств по пылегазоочистке студенты знакомятся при изучении дисциплины “Строительная эко­логия" или "Безопасность жизнедеятельности".

5.2. Защита водной среды от материальных загрязнений*