Амирханова Н.А., Белоногов В.В., Беляева Л.С. и др. Лабораторные работы по экологии: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

130

Пыль различного состава и происхождения. Постоянно присутствует в

атмосфере. Особую опасность для человека представляют тонкодисперсные

пыли с размером частиц 0,5-10 мкм, легко проникающие в органы дыхания.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей. Основной

физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация -

количество вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях,

обычно в мг/м

ПДК - это максимальная концентрация примеси в атмосфере,

отнесенная к определенному времени, которая при периодическом

воздействии или на протяжении всей жизни не оказывает на человека и

окружающую среду в целом вредного воздействия, включая отдаленные

последствия.

По времени различают максимально разовую ПДК и

среднесуточную ПДК. В табл. 5.2 приведены допустимые концентрации

некоторых наиболее характерных веществ, загрязняющих атмосферу.

Таблица 5.2

Предельно-допустимые концентрации некоторых веществ

ПДК, мг/м

Класс

Вещество максимально разовая среднесуточная опасности

0,085 0,085 2

0,2 0,2 4

0,5 0,05 2

HCl 0,2 0,2 4

S 0,008 0,008 2

0,3 0,1 4

0,03 0,05 2

CO 3,0 1,0 4

Фтористые

соединения

0,035

0,003

0,05 0,05 3

Hg (металл) - 3·10

-4

Рb - 3·10

-4

Бензапирен - 10-6 1

Фенол 0,01 0,01 2

5.2.4. Методы очистки и обезвреживания газовых выбросов

Под очисткой газа понимают отделение от газа и превращение в

безвредное загрязняющего вещества, поступающего из промышленного

источника.

Классификация методов очистки газов в настоящее время не вполне

устоялась; их различают по типу процесса (абсорбционные,

хемосорбционные, адсорбционные, каталитические), по характеру

процесса

131

(регенерационные и нерегенерационные), по типу получаемого продукта, по

виду загрязнений (пыль, аэрозоли, туманы, газы) и т. д.

Условная классификация методов и аппаратов для обезвреживания

газовых выбросов от различных примесей приведена на рис. 5.2.

Выбор метода и аппарата очистки зависит:

1) от концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах;

2) дисперсного состава;

3) объема газа;

4) температуры газа;

5) наличия в газе других примесей;

6) от требуемой степени очистки;

7) возможности использования продуктов рекуперации.

В данной работе рассмотрены основные виды методов очистки газов:

абсорбционные, хемосорбционные, адсорбционные, каталитические,

термические, способы очистки от пыли и характерных для авиационной

промышленности загрязнений, а также их действие на организм,

нормирование, методы контроля загрязнений.

5.2.4.1. Очистка отходящих газов от пыли

Многие современные технологические процессы связаны с дроблением и

измельчением веществ, транспортированием сыпучих материалов. При этом

часть материалов переходит в пыль, которая вредна для здоровья и наносит

значительный материальный ущерб народному хозяйству вследствие потери

ценных продуктов.

Пылевые частицы имеют большую суммарную поверхность, поэтому

химическая и биологическая активность пыли значительно выше, чем у

исходных материалов.

Улавливание пыли возможно сухим и мокрым способом с помощью

различных пылеулавливающих аппаратов (рис.5.3). В зависимости от

дисперсного состава загрязнений используют следующие аппараты для

очистки газов (табл. 5.3).

132

Таблица 5.3

Аппараты для очистки газов

Размеры

частиц,

мкм

40 –

1000

20 –

1000

5 –

1000

20 –

100

0,9 –

100

0,05 –

100

0,01 –

100

Аппара-

Пы

ле-

осади-

Циклоны

диаметром, м

Ск

руб-

Ткане-

вые

Волок-

нистые

Элек-

тро-

ты тель

ные

камеры

1-2

беры фильт-

ры

фильт-

ры

фильт-

ры

131

Рис. 5.2. Классификация методов и аппаратов для обезвреживания газовых выбросов

Газооб

азные отхо

Очистка от пылей Очистка от

туманов и брызг

Очистка от

газообразных

Очистка от

парообразных

Сухие

методы

очистки

Мокрые

методы

очистки

Электричес

кие методы

очис

тки

Абсо

рбцион-

ные методы

очистки

Адсорбцион-

ные методы

очистки

Катали

тичес-

кие методы

очистки

Конденсац

и-онные

методы

очистки

Пылеосадите

ль

ные

Пылеуловите

ли:

инерционные,

динамические,

Циклоны

Фильтры:

волокнистые,

тканевые,

зернистые,

керамические

Газопромыв

а-тели:

полые,

насадочные

тарельчаты

е, ударно-

инерционно

го действия

Сухие

электро

Мокрые

элек-

Фильтры-

туманоулов

тели

Сеточные

брызгоулавли-

ватели

Абсорберы:

тарельчатые,

насадочные,

пленочные,

аспыливаю-

щие

Адсор

беры

с неподвиж-

ным, движу-

щимся и

псевдоожиж

Реакторы

Конденса-

торы

Термически

Печи,

горелки

137

129

К механическим очистным устройствам относятся гравитационные и

инерционные пылеуловители.

Частицы в циклонных аппаратах выделяются под действием центробежной

силы в процессе вращения газового (воздушного) потока в корпусе

уловителя. При повороте газового потока или его криволинейном движении

(вращении) на частицы, помимо сил тяжести и газового потока, действует

сила инерции.

Под ее влиянием частицы стремятся двигаться

прямолинейно и выбрасываются из потока. Запыленный газ (рис. 5.4) входит

в циклон через тангенциальный патрубок

1 и, приобретая вращательное

движение в цилиндрической камере

2, по наружной спирали спускается вниз

вдоль внутренних стенок

3. Спустившись до пылесборочного бункера 4,

воздушный поток внутренней спирали выходит наружу через выхлопную

трубу

Рис.5.3. Классификация пылеулавливающих систем

Эффективность работы циклона зависит от размеров частиц пыли: при

4-5 мкм она составляет 60 %, при 10 мкм – 80 % и при 30-40 мкм до 95 %.

Ротационные пылеуловители обеспечивают сравнительно высокую

эффективность очистки: для частиц пыли от 10 до 20 мкм – 80 %, для более

крупных - до 95 %.

Гидравлические очистные устройства основаны на процессе мокрого

пылеулавливания за счет контакта запыленного газового потока с

жидкостью. В результате этого контакта частички увлажняются,

утяжеляются и уносятся жидкостью из аппарата в виде шлама.

Аппараты пылеулавливания

Механические Ги

др

авлические Электри-

ческие

Фильт

ионные

иклоны

Вих

евые

Ротационные пыле

лавливатели

Радиальные пыле

лавливатели

Ск

ру

ббе

Ба

ботажные и пенные

ент

обежные

Механические

ур

лентные

Тканевые

ильт

Зе

нистые

Волокнистые

130

Гидравлические устройства применяются для очистки газов высокой

температуры и повышенной влажности, для улавливания газо- и

парообразных компонентов, для одновременного охлаждения и увлажнения

газов, а также при опасности возгорания и взрывов очищаемых газов и

пыли.

Рис. 5.4. Схема циклонного пылеуловителя:

1 - тангенциальный патрубок; 2 - камера; 3 - корпус;

4 - пылесборочный бункер; 5 - выхлопная труба

По принципу работы гидравлические аппараты подразделяются на

полые и насадочные, барботажные и пенные, аппараты ударно-

инерционного типа, центробежного действия, динамические и турбулентные

газопромыватели. При этом жидкая фаза может находиться в аппаратах в

виде пленки, струи, капель, пены или различных сочетаний.

В полых и насадочных аппаратах, называемых скрубберами, очистка

воздуха происходит в результате его контакта с жидкостью или капельками

воды. В полых скрубберах (рис.5.5) распыление жидкости осуществляется

центробежными форсунками навстречу запыленному потоку. Диаметр

капель - 0,5-1 мм. Полые скрубберы применяются для улавливания частиц

пыли размером более 10 мкм.

Насадочные аппараты представляют собой колонны, заполненные

телами различной конфигурации (насадкой), которые крепятся на опорных

решетках. Пыль удерживается на смоченной поверхности насадки.

Эффективность очистки достигает 90 % при улавливании частиц размером

более 2 мкм.

131

Рис. 5.5. Схема полого аппарата

В барботажных аппаратах очищаемый поток в виде пузырьков проходит

через слой жидкости. Из-за низкой производительности аппараты данного

типа не нашли широкого применения.

В пенных аппаратах очищаемые газы также барботируют через

жидкость, но с более высокими скоростями, при этом образуется слой

высокотурбулизированной пены, в которой происходит улавливание пыли.

В пенных аппаратах улавливается до 98 % частиц размером 2 мкм и более.

Фильтрационные очистные устройства основаны на прохождении газа

через пористую перегородку (фильтр), в ходе которого взвешенные частицы

задерживаются фильтром, а газ проходит через него.

Достоинства фильтрационного метода: высокая степень очистки

(эффективность выше 99 % даже для частиц меньше 0,1 мкм); возможность

улавливания частиц в газах, имеющих широкий диапазон температур и

входных концентраций; относительная простота конструкции. К

недостаткам следует отнести необходимость периодической замены

фильтрующих элементов и громоздкость оборудования.

Фильтры, применяемые для пылеулавливания, делятся на тканевые,

зернистые и волокнистые.

Наибольшее распространение в авиационной промышленности получили

рукавные тканевые фильтры. В фильтрах применяются ткани из

натуральных и синтетических волокон и войлоки-фетры. Рукавные фильтры

соединяются в секции с числом рукавов в каждой 8-15, иногда до 200,

диаметр рукавов не превышает 600 мм.

Зернистый фильтр представляет собой пористую перегородку,

состоящую из зерен сферической или другой формы.

Волокнистый фильтр представляет собой слои различной толщины, в

которых более или менее однородно распределены волокна. Эти фильтры

обеспечивают улавливание по всей глубине слоя. Например, для улавливания

аэрозолей с частичками 0,05 - 0,5 мкм применяются фильтрующие материалы

в виде тонких листков или объемных слоев из полимерных смол (фильтры

Петрякова). Эффективность этих фильтров не менее 99 %.

Электрофильтр - устройство, в котором улавливание взвешенных частиц

происходит под воздействием электростатических сил (рис.5.6). В поле

коронного разряда, возникающего при подаче напряжения до 100 тыс. В,

происходит ионизация газа. Ионы газа адсорбируются на поверхности

пылинок, вследствие чего пылинки заряжаются и приобретают способность

под действием электрического поля двигаться к осадительным электродам, с

которых они периодически удаляются.

Достоинство электрофильтров - их универсальность: они обеспечивают

очистку газов больших объемов от пыли и туманов с высокой

эффективностью (99-99,9 %). Такие фильтры способны улавливать частицы

различных размеров, в том числе и меньше 1 мкм, при концентрации частиц

132

в газе выше 50 г/м

. Электрофильтры применяются для очистки газов при

температурах до 400-450

С, а также в условиях воздействия коррозионных

сред. К недостаткам электрофильтров относится их высокая стоимость и

невозможность проводить очистку взрывоопасных газов.

Рис. 5.6. Схема электрофильтра

5.2.4.2. Абсорбционные методы очистки газов

Суть абсорбции заключается в поглощении удаляемых компонентов

жидкостью. В зависимости от особенностей взаимодействия поглотителя и

извлекаемого из газовой смеси компонента абсорбционные методы

подразделяются на методы физической абсорбции и химической

(хемосорбция), сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе.

Для физической абсорбции применяют поглотители - воду, органические

растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом.

При хемосорбционной очистке выделяемые из газов компоненты

вступают в химические реакции с хемосорбентами, в качестве которых

используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и

органические жидкости.

Абсорбционные методы используют для очистки газов от CO, N

, Н

S, НСl, СO

5.2.4.2.1. Очистка газов от диоксида серы

Для очистки газов от SO

предложено большое количество

хемосорбционных методов, однако на практике нашли применение лишь

некоторые из них. Это связано с тем, что объемы отходящих газов велики, а

концентрация SO

в них мала, газы характеризуются высокой температурой и

значительным содержанием пыли.

Для абсорбции могут быть использованы вода, водные растворы и

суспензии солей щелочных и щелочно-земельных металлов.

Известняковые и известковые методы

133

Достоинством этих методов являются доступность и дешевизна

абсорбентов, простая технологическая схема процесса, низкие капитальные

и эксплуатационные затраты, возможность очистки газа без

предварительного охлаждения и обеспыливания.

Недостатки - невысокая эффективность очистки, недостаточная степень

использования известняка, образование отходов в виде шлама или

загрязненного гипса.

Процесс абсорбции диоксида серы для известкового и известнякового

методов представляется в виде следующих стадий:

химические реакции при абсорбции известковым молоком:

+ Н

O = Н

; (5. 1)

+ Са(ОН)

= СаSО

+ Н

O ; (5. 2)

2 СаSО

+ O

= 2 СаSO

. (5. 3)

Известняки содержат разное количество СаСО

и примесей, поэтому

1 кг известняка поглощает от 0,4 до 0,6 кг SO

. Для уменьшения отложений

СаSO

и СаSО

рН суспензии должен быть не < 5.

Абсорбция SO

сульфитом натрия

Метод двухстадийный и заключается в следующем:

Nа

+ SO

+ Н

O = 2 NаНSО

; (5. 4)

2 NаНSО

= SO

+ Н

O + Nа

. (5. 5)

Вторая стадия - регенерация сульфита натрия - проводится при

температуре 130

С, при этом выделяется газообразный SO

. Охлажденный

раствор сульфита натрия снова возвращается на абсорбцию, а SO

направляется на переработку в серную кислоту.

Аммиачный способ улавливания SO

Этот метод основан на протекании реакции:

+ NН

OН = NН

НSO

; (5.6)

(NН

)

+ SO

+ Н

О = 2 NН

HSО

. (5.7)

При нагревании бисульфит аммония разлагается:

2 NН

НSO

= (NН

)

+ SO

+ Н

О. (5. 8)

Этим методом достигается высокая степень улавливания SO

Другие методы: магнезиальный (абсорбция SO

суспензией оксида -

134

гидроксида магния); фосфатный (абсорбция SO

водным раствором фосфата

натрия); кислотно-каталитический (применение разбавленной Н

полученной в процессе абсорбции, в качестве катализатора - соединения

марганца); озоно-каталитический; радиационно-каталитический, с

использованием органических сорбентов (ксилидина, диметиланилина и др.).

5.2.4.2.2. Очистка газов от оксидов азота

Газы, содержащие оксиды азота (N

), образуются в ряде производств

химической промышленности, металлургии, машиностроения, при сжигании

топлива.

На практике с отходящими газами выбрасываются в основном NO и

одновременно. Основная сложность абсорбционной очистки связана с

низкой химической активностью и растворимостью оксида азота. Имеется

несколько путей решения этой проблемы: полное или частичное окисление

NO в NO

, использование селективных абсорбентов и катализаторов

абсорбции.

При абсорбции оксидов азота используют воду, растворы щелочей и

селективные сорбенты, кислоты и окислители. Например, при абсорбции

диоксида азота водой в газовую фазу выделяется часть менее опасного

оксида азота, скорость окисления которого мала:

3 NO

+ Н

O = 2 HNO

+ NO + Q . (5.9)

Для очистки газов применяют различные растворы щелочей и солей

(NаОН, Nа

СО

, КОН, Са (ОН)

, NН

OН, МgСO

и др.).

+ Nа

СО

= 2 NаNO

+ СO

+ Q . (5.10)

Для очистки газов при отсутствии кислорода используют растворы

FеSO

, FеС1

, Nа

, NaHCO

, Nа

. При взаимодействии NO, например

с FеС1

, протекает следующая реакция

FеС1

+ NO = Fе(NO)C1

. (5.11)

Применение растворов-восстановителей NаНSО

, Nа

, (NН

)

СО

приводит к получению азота

2 Nа

+ 6 NO = 3 N

+ 2 Nа

+ 2 SO

. (5.12)

5.2.4.2.3. Очистка газов от сероводорода

Технологические и топочные газы, содержащие Н

S, очень

коррозионно-активны. Очистка газов от сероводорода производится с