Методы снижения выбросов в атмосферу. Промышленная экология методы и способы защиты воздушного бассейна

В настоящее время наиболее актуальной является проблема обеспечения малых концентраций токсичных веществ и загрязнений в районе располо­жения источников вредных выбросов.

Радикальным способом уменьшения выброса вредностей является пере­ход на газообразное топливо там, где это возможно.

Проблему уменьшения вредных выбросов можно решить различными способами, главными из которых являются:

1. Уменьшение содержания вредных веществ в топливе.

2. Снижение количества вредных веществ, образующихся в ходе горения.

3. Очистка продуктов сгорания от вредных примесей перед выбросом в атмосферу посредством установки различных уловителей и фильтров.

4. Рассеивание вредных веществ в атмосфере на большие площади с тем, чтобы создать малые концентрации вредностей в районе расположения теплогенерирующего предприятия.

Уменьшение содержания вредных веществ в топливе сопряжено со зна­чительными трудностями. Очистка твердых топлив практически неосуще­ствима, очистка жидких и газообразных топлив (очистка мазута от серы на нефтеперерабатывающих заводах и получение малосернистого природного газа) требует существенных затрат. Уменьшение содержания серы в мазуте на 0.5% увеличивает стоимость топлива, а снижение содержания серы в мазуте с 2.5 до 0.5% удваивает его стоимость. В связи с этим очистка топлив от вредных веществ в настоящее время ограничена.

На практике применяют очистку продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу, а также принимают меры к уменьшению количества вредных веществ, возникающих в процессе горения.

Основным методом борьбы с выбросом золовых частиц и сажи при сжигании твердых и жидких топлив является применение золоуловителей. Золоуловители бывают механические (сухие и мокрые) и электрические . В механических отделение частиц золы от дымовых газов происходит либо за счет изменения направления и скорости потока, либо за счет центробеж­ных сил, возникающих при закрутке потока в специальных устройствах (циклонах). Для повышения эффективности инерционные золоуловители объединяют в группы (батареи). Степень золоулавливания батарейных циклонов достигает 82… 90%.

В электрических золоуловителях частицы золы и пыли приобретают заряд в электрическом поле и улавливаются электродами. Степень очистки газов в электрических фильтрах может достигать 99… 99.5%.

Очистка продуктов сгорания топлив от сернистых соединений выполня­ется с учетом того, что при полном сжигании топлива практически вся сера сгорает и в продуктах сгорания находится, в основном, малореакционный диоксид серы (99%) и лишь 1% триоксида серы. Вода может улавливать существенную часть триоксида серы, а диоксид серы поглощается водой в очень малой степени. Для увеличения доли улавливания необходимо применять поглотители. Приемлемыми являются простейшие с точки зре­ния технологии и применяемой аппаратуры методы, предусматривающие использование наиболее доступных и дешевых реагентов. Одним из таких методов является метод известкования, основанный на нейтрализации сернистой кислоты, полученной в результате растворения диоксида серы дымовых газов щелочными реагентами. Применяя известковое молоко для орошения потока дымовых газов, можно добиться улавливания до 90% диоксида серы.

Основными недостатками метода является образование в газоочистной аппаратуре трудно смываемых карбонатных отложений, а также то, что применение известковых суспензий затрудняет работу распылителей и жидкостных трактов системы газоочистки. С целью устранения этих недо­статков применяется известково-щелочной способ улавливания диоксида серы, при котором улавливание оксидов серы осуществляют с помощью щелочного раствора, а известь используют для подщелачивания жидкости. Описание способа очистки, технологических схем и оборудования приво­дится в специальной литературе.

При сжигании газообразных топлив основная составляющая вредных выбросов -это оксиды азота. Очистка продуктов сгорания от оксидов азота технически сложна и в большинстве случаев экономически нерента­бельна. Необходимо принимать все меры к снижению образования оксидов азота в топках за счет внедрения наиболее рациональных режимов горения, а также применения различных мероприятий конструктивного характера. Для осуществления этих мер необходимо знать наиболее существенные факторы, влияющие на образование оксидов азота.

Решающее влияние на образование оксидов азота при горении оказывает температура. Чем выше значение температуры, тем больше образуется оксидов азота.

Большая часть оксидов азота возникает за счет реакций с азотом воздуха. По длине факела концентрация оксидов азота почти не изменяется и остается близкой к равновесной, соответствующей температуре газов на выходе из топки. За топочным объемом оксиды азота почти не образовы­ваются. В газоходах котлов только 1… 5% общего количества оксида азота доокисляется до диоксида.

Кроме температуры в ядре факела, концентрация оксидов азота зависит от величины избытка воздуха, теплового напряжения топочного объема и эквивалентного диаметра топки.

Для уменьшения выхода оксидов азота следует стремиться к умень­шению значений всех этих величин в ходе эксплуатации котельного аг­регата. Однако это требование находится в противоречии с основными тенденциями проектирования котлов. Уменьшение теплового напряжения приводит к увеличению габаритов топки и удорожанию котельного аг­регата, уменьшение эквивалентного диаметра топочного объема снижает теплопроизводительность.

Избыток воздуха в топке, при котором получается наибольший выход оксидов азота, зависит от максимальной температуры горения данного топлива. В среднем значение этих температур тем выше, чем большей теплотой сгорания обладает топливо. В соответствии с этим максимальное количество оксидов азота образуется при значении коэффициента избытка воздуха для газа, мазута и высококалорийных углей -1.16, для бурых углей-1.13. При наличии подогрева воздуха выход оксидов азота уве­личивается, так как повышается температура в ядре факела. Так, нагрев воздуха до 300° С повышает выход оксидов азота в 2 раза.

Существенное влияние на выход оксидов азота оказывают условия смешивания топлива с воздухом и условия подачи смеси в топку, т. е. тип и устройство горелки. Выход оксидов азота всегда повышается при увеличении размеров горелки и турбулентности факела пламени. При наличии турбулентного факела выход оксидов азота менее зависит от коэффициента избытка воздуха, чем в ламинарном факеле. В вихревых горелках с повышенной интенсивностью закрутки развиваются более вы­сокие температуры, и получается больший выход оксидов азота, чем в прямоточных горелках.

Как правило, мероприятия по уменьшению выбросов оксидов азота приводят к усложнению и удорожанию всей установки. Среди основных мероприятий можно указать организацию рециркуляции в топку продуктов сгорания топлива, а также подачу в топку некоторого количества пара. Существуют и другие мероприятия, описанные в специальной литературе.

Кроме газообразных вредных выбросов теплогенерирующие и техно­логические установки являются источниками сбрасывания загрязненных солями, остатками топлива и различными органическими соединениями вод. Для очистки сточных вод необходимо применять специальные меро­приятия, описание которых выходит за рамки данного пособия.

В XX веке появился новый и опасный источник загрязнения окружа­ющей среды - тепловой двигатель. Начиная с 1970 года, годовой прирост автомобильного парка составляет в среднем 4.7% по легковым автомобилям и 5.1% по автобусам и грузовым автомобилям. Если эта тенденция сохраг нится, то в 2030 году по дорогам земного шара будет бегать 1 миллиард автомобилей.

Автомобильные выхлопы обостряют глобальные экологические пробле­мы. При выработке одного бензобака образуется до 180 кг диоксида углеро­да-основного парникового газа, несущего угрозу глобального потепления. В целом в мире автомобильный транспорт выделяет примерно 14% (1990 г.) от всего диоксида углерода.

При проектировании новых производств, выбросы загрязняющих веществ не должны быть экологически опасными. На действующих предприятиях, если выбросы являются экологически опасными, устанавливают значения временно-согласованных выбросов (ВСВ) сроком на пять лет. В течение этого времени выбросы считаются в пределах лимита, а по истечению данного срока – сверхлимитными. За этот период на предприятии должны быть внедрены мероприятия по снижению выбросов:

Технологические (например, замена токсичных веществ на менее токсичные, менее летучие, сухих способ переработки пылящих материалов мокрыми и т.д.);

Очистка отходящих газовых выбросов;

Методы, которые не снижают величину выброса, но уменьшают приземные концентрации, стимулируя предприятия на проведение природоохранных мероприятий:

например, увеличение высоты труб, что увеличивает значение ПДВ, но также увеличивает площадь загрязненной территории; устройство санитарно защитных зон (СЗЗ).

Согласно требованиям «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий», объекты, являющиеся источниками выделения вредных веществ, должны быть отделены от жилой застройки СЗЗ. Территория СЗЗ должна быть благоустроена и озелена газоустойчивыми породами деревьев и кустарников. СЗЗ нельзя использовать для расширения промышленной площадки. На ее территории допускается размещение объектов более низкого класса вредности: гаражи, пожарное депо, склады, административные здания, научно исследовательские лаборатории, стоянки транспорта и т.д. Ширина СЗЗ устанавливается в зависимости от класса предприятия, мощности выброса, условий осуществления технологического процесса и т.д. Существуют 5 классов предприятий:

1 класс ширина СЗЗ 1000 м

Класс предприятий указан в СанПиН 2.2.1/2.1.1.567-96 “СЗЗ и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов”.

Экономические методы. Предприятия выплачивают денежные средства, которые поступают в экологические фонды и направляются на осуществление природоохранных мероприятий. Размер платежей определяется числом вредных веществ и пылей, содержащихся в выбросах, степенью их токсичности и степенью загрязнения выброса. Норматив платы за экологически опасный выброс М ф > ПДВ (временно согласованный выброс) в 5 раз больше, норматива платы за экологически безопасный выброс М ф ≤ ПДВ, а за сверхлимитный в 25 раз.

Формула для расчета платежей за экологически безопасный выброс:

П= М ф Г i . P i ПДН. К Э. К ИНФ, где

n – количество загрязняющих веществ;

М ф Г i – масса годового фактического выброса i-го загрязняющего вещества, т/год;

Р i ПДН – норматив платы за выброс 1 тонны i-го загрязняющего вещества в пределах допустимых нормативов выбросов, руб./т;

К Э – коэффициент экологической значимости региона;

К ИНФ – коэффициент инфляции.

Главная > Документ

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

1. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

Загрязнение атмосферного воздуха является наиболее серьезной экологической проблемой в настоящее время и на ближайшее будущее. Загрязненный воздух оказывает разрушительное воздействие на здоровье людей, сооружения и природу, причем от загрязненного воздуха значительно труднее уберечься, чем от загрязненной воды. Поэтому борьба с загрязнением воздуха является основной составляющей экологической политики большинства промышленных стран. Загрязнения атмосферного воздуха можно разделить на два вида: природные и антропогенные. К загрязнениям природного характера относятся выбросы газов и пепла при извержениях вулканов, твердые частицы, образующиеся при эрозии почв, лесные пожары, вынос морских солей с поверхности океана, а также биологическое разложение как результат жизнедеятельности почвенных бактерий, которое приводит к образованию больших количеств сероводорода, аммиака, углеводородов, оксидов азота и углерода. Во всех этих случаях поступление загрязняющих веществ в атмосферу значительно превышает антропогенное загрязнение атмосферы, но эти факторы на Земле существовали всегда, и природа научилась справляться с последствиями природных катастроф и неблагоприятных факторов, а от деятельности человека поступают в природу и несвойственные ей вещества, которые в естественных условиях не образуются. Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека, прежде всего при сжигании углеродсодержащих веществ – угля и продуктов его переработки, нефти и древесины, или как отходы производства химических веществ и цемента, металлургической и горнодобывающей промышленности, а также при сжигании бытовых отходов. Наиболее важными с количественной точки зрения являются газообразные продукты сгорания: оксиды серы, углерода и азота и взвешенные вещества. Для нормальной жизнедеятельности населения необходимо, чтобы не были превышены предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных для здоровья веществ. Увеличение масштабов антропогенного загрязнения атмосферы делает целесообразной разработку эффективных способов защиты от загрязнений, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязняющих веществ. Поэтому охрана и защита атмосферы включает комплекс технических, административных и экономических мер, прямо или косвенно направленных на прекращение или, по крайней мере, уменьшения загрязнения атмосферы. При этом защита не может быть эффективной при односторонних или половинчатых мерах, направленных только против конкретных источников загрязнения. Необходимо комплексно подходить к определению причин загрязнения атмосферы, вкладу отдельных источников и выявлению различных возможностей ограничения выбросов загрязняющих веществ. В зависимости от масштабов распространения загрязнений в атмосфере мероприятия по охране воздушного бассейна могут иметь локальное, региональное, федеральное или межгосударственное значение. В настоящее время практически все государства имеют соответствующие законодательные акты, определяющие основу для необходимых нормативных положений в области охраны окружающей среды или целенаправленно в области борьбы с загрязнением воздуха. В Российской Федерации принципы природоохранного законодательства закреплены в Конституции РФ. Более подробно требования по охране окружающей природной среды, в частности, атмосферы, излагаются в законе «Об охране окружающей природной среды» (1991 г.) и в законе «Об охране атмосферного воздуха» (1999 г.) Охрана атмосферы представляет собой совместное выполнение мероприятий по целому ряду направлений, таких как: - мониторинг атмосферы и источников ее загрязнения; - экологическое нормирование качества атмосферы, воздухоохранное нормирование и стандартизация технологических процессов, установок, продукции, оказывающей неблагоприятное воздействие на атмосферу; - экономический и правовой механизмы охраны атмосферы и природопользования, влияющие на ее качество; - охрана и защита атмосферы, ее рациональное использование; - производство и эксплуатация воздухоохранного оборудования и установок; - экологическое образование, воспитание и пропаганда в этой области. Законодательные и нормативные документы определили порядок осуществления государственного контроля над охраной атмосферного воздуха, положения о нормировании его качества путем установления нормативов предельно-допустимых концентраций и предельно-допустимых выбросов (ПДВ), регулирования выбросов вредных веществ, в том числе от транспортных средств; воздухоохранные требования к проектированию и строительству предприятий и сооружений, их эксплуатации. Этими же документами предусматривается ответственность за нарушение нормативов качества атмосферного воздуха, за невыполнение планов воздухоохранных мероприятий. А также обязанность полного возмещения вреда, причиненного загрязнением атмосферы. Таким образом, достижение ПДК на границе санитарно-защитной зоны и в жилой зоне осуществляется, прежде всего, за счет планировочных мероприятий на стадии проектирования, технологических мероприятий по сокращению вредных выбросов, мероприятий по пыле- и – газоулавливанию (технических мероприятий), и мероприятий по улучшению рассеяния вредных веществ в атмосфере.

1. Планировочные мероприятия на стадии проектирования

Планировочные мероприятия позволяют, при постоянстве валовых выбросов, снизить воздействие загрязняющих веществ на человека. Основные планировочные мероприятия: выбор площадки размещения завода, взаимное расположение цехов и взаимное расположение завода и жилого массива. К обязательным требованиям при проектировании предприятия относятся следующие: - создание санитарно-защитных зон вокруг промышленных предприятий; - предприятие и жилой массив должны располагаться на равнинной, открытой местности, которые хорошо продуваются ветрами и отсутствуют участки местности, способствующие образованию застойных зон; - предприятия должны располагаться с подветренной стороны по отношению к жилым массивам; - площадка жилого массива должна быть не выше площадки предприятия, т.к. иначе снижается эффект рассеяния и высоты дымовой трубы; - смежные здания влияют на распространение выбросов из дымовых труб, поэтому такие трубы делают в 2,5 раза выше смежных зданий; - температура воздуха в районе завода с увеличением высоты должна уменьшаться, что способствует лучшему рассеянию примесей в атмосфере; - производства, выбрасывающие максимальное количество загрязняющих веществ должны располагаться со стороны, противоположной жилому массиву; - цеха не должны располагаться в одну линию, чтобы не объединялись выбросы; - целесообразно исключать из состава предприятия цеха, которые не являются обязательными (неотъемлемыми) для данного предприятия (аглофабрика, ТЭЦ, производство огнеупоров); - необходимо озеленение санитарно-защитной зоны специальными зелеными насаждениями.

Технологические мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу

Большинство технологических процессов можно изменять без ущерба для выпуска основной продукции таким образом, чтобы уменьшить количество образующихся загрязняющих веществ. По оценкам ученых, эффективное внедрение разработанных к настоящему времени технологических мероприятий, позволяет снизить валовый выброс загрязняющих веществ до 70%. Некоторые технологические мероприятия позволяют полностью ликвидировать выбросы вредных веществ. Например, непрерывная разливка стали позволяет отказаться от блюминга и нагревательных колодцев, а следовательно, и от их выбросов. На металлургических предприятиях с полным металлургическим циклом более 50 % выбросов в атмосферу пыли, оксидов углерода, азота, серы приходится на долю агломерационных фабрик. Уменьшить количество выбросов позволят технологические мероприятия, внедренные за рубежом и на части наших предприятий. Повышение высоты слоя шихты в агломашинах приводит к снижению количества пыли за счёт улучшения фильтрующей способности спекаемого слоя, Сокращение выбросов в атмосферу объёма технологического газа и пыли на 15-25 % достигается при рециркуляции агломерационного газа, отбираемого из тракта за нагнетателем и подаваемого в слой за горном. При этом изменяется состав выбросов: уменьшается содержание окиси углерода и кислорода, увеличивается концентрация паров воды и двуокиси углерода и серы. Содержание паров воды в рециркулянте способствует уменьшению химического недожога при горении твёрдого топлива и выхода СО на 20-40 %, что обеспечит сокращение расхода твёрдого топлива. Особое значение имеет рециркуляция для агломашин, оборудованных очисткой газа от серы. В связи с большими объёмами на очистку от серы подаётся примерно половина газа, а вторая половина выбрасывается в дымовую трубу без очистки. Часть газа из борова дымовой трубы можно вернуть на агломашины в качестве рециркулянта. На аглофабрике Магнитогорского металлургического комбината это позволит сократить выбросы серы в атмосферу на 28-30 %. Реализация рециркуляции позволит уменьшить расход твёрдого топлива в шихту на 5-9 %, сократить выбросы в атмосферу пыли на 15-25, окислов азота 16-27 и СО на 32-48 %. В доменном производстве для сокращения выбросов в атмосферу можно использовать следующие мероприятия: - создание в межконусном пространстве давления несколько больше, чем на колошнике печи уменьшает выбросы в 10 раз; - применение крытых вагонов для подачи агломерата в бункерную эстакаду и закрытых бункеров значительно снижают запыленность; - добавки извести позволяют связать серу и обойтись без сероочистки. При любом высокотемпературном процессе образуются окислы азота за счет связывания кислорода и азота воздуха. Наиболее эффективными технологическими методами подавления образования оксидов азота в настоящее время считаются метод ступенчатого сжигания топлива, методы рециркуляции продуктов горения с организованным вводом их перед горелками в воздушный или газовый поток, что обеспечивает хорошее смешение рециркулянта с компонентами горения и комбинированное использование методов ступенчатого сжигания и рециркуляции продуктов горения. Хорошие результаты по сокращению выбросов дает замена твердых топлив на жидкие и газообразные, газификация и десульфуризация топлив. Подобные мероприятия можно найти и на других производствах и не только в металлургии или энергетике. Некоторые технологические мероприятия,. приводящие к снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, являются общими практически для любого производства: - переход от периодических процессов к непрерывным снижает выбросы, т.к. ликвидируются промежуточные процессы с их пыле- и – газовыделением (замена скиповой подачи шихты в доменную печь на транспортерную ликвидирует выбросы от пересыпок); - все энергосберегающие мероприятия приводят к опосредованному снижению выбросов вредных веществ за счет экономии сжигаемого топлива; - повышение выхода годного продукта также ведет к сокращению валовых выбросов, поскольку материалы и энергия на производство брака не расходуются; - герметизация технологического и транспортного оборудования. Однако наиболее перспективным направлением является создание новых технологий, основанных на частично или полностью замкнутых циклах, использование альтернативных способов получения энергии и более полное использование отходов.

Технические мероприятия по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу

Технологические мероприятия, как правило, не могут обеспечить санитарных норм по содержанию вредных веществ, поэтому в большинстве случаев необходима очистка отходящих газов от пыли и газообразных составляющих. Целью такой очистки является извлечение или нейтрализация вредных веществ, находящихся в газообразной, жидкой или твердой форме. Требования к очистке выбросов от пыли и газа предъявляются с учетом большого многообразия выбросов в атмосферу, их качественных и количественных особенностей, разной степени очистки. Соответственно разнообразны и методы очистки. Тем не менее, все методы могут быть условно разбиты на две основные группы. К первой относятся физические методы очистки газов от жидких и твердых частиц с использованием сил, имеющих физическую природу (гравитационные, инерционные, центробежные, электростатические и другие силы). Во второй группе для извлечения примесей из газовых потоков используются физико-химические методы. В зависимости от физико-химических свойств загрязняющих веществ и от условий, при которых осуществляется очистка, наиболее часто используются процессы абсорбции, адсорбции, окисления и восстановления, а также каталитические (обычно гетерогенные) химические реакции.

Физические методы очистки газов

Как правило, пылеулавливающие аппараты условно делят на следующие группы:

сухие или механические пылеуловители , в которых частицы пыли отделяются из газового потока при помощи механических сил. Чаще всего используются циклоны различных конструкций и инерционные пылеуловители. Улавливание в циклонах происходит за счет центробежных сил, а в инерционных аппаратах за счет инерции частиц пыли при резком изменении направления газового потока. Эти аппараты могут быть использованы или самостоятельно, если частицы пыли достаточно крупные, или в качестве первой ступени очистки перед более эффективными аппаратами для снижения на них нагрузки; аппараты мокрой очистки , в которых производится промывка запыленного газа жидкостью или осаждение частиц пыли на жидкую пленку. Для осуществления первого варианта мокрой очистки запыленный поток промывают диспергированной жидкостью. Во время промывки частицы пыли захватываются каплями жидкости и выводятся из газового потока. В зависимости от режима температур, давлений и влажности газа в процессе промывки может происходить испарение капель или конденсация паров из газового потока, при этом частицы пыли являются ядрами конденсации. Этот эффект может значительно улучшить осаждение пыли. В зависимости от способа диспергирования жидкости мокрые пылеуловители делят на три группы:

форсуночные скрубберы, в которых диспергирование жидкости осуществляется с помощью форсунок, за счет энергии насоса; скрубберы Вентури, в которых дробление жидкости осуществляется за счет энергии турбулентного потока; динамические газопромыватели, где разбрызгивание жидкости осуществляется за счет механической энергии вращающегося ротора.

Аппараты мокрой очистки желательно применять на производствах, имеющих систему очистки воды, если же такой нет, то лучше по возможности использовать аппараты сухой очистки;

фильтры , которые задерживают пыль при прохождении через них очищаемого газа.

Фильтрация аэродисперсных систем через пористые перегородки является одним из наиболее совершенных способов выделения взвешенных твердых и жидких частиц из газового потока. Особенности этих аппаратов заключаются в следующем:

более высокая степень очистки (свыше 99%) газов от взвешенных частиц любого размера по сравнению с другими аппаратами; универсальностью, т.е. способностью улавливать твердые частицы в сухом виде и жидкие частицы из туманов, возможностью работы при любых давлениях газов (выше или ниже атмосферного); меньшей зависимостью от изменения физико-химических свойств частиц пыли; простотой эксплуатации.

В пылеулавливании применяются тканевые, волокнистые, зернистые и другие фильтры. Осаждение происходит за счет непосредственного касания частиц пыли волокон (нитей) или зерен фильтрующей перегородки, действия сил инерции, диффузии и электростатического притяжения;

электрофильтры , в которых отделение частиц пыли происходит под действием

электрических сил (в коронном разряде). Запыленный газовый поток проходит через сильное электрическое поле, частицы пыли получают электрический заряд и ускорение, что заставляет их двигаться вдоль силовых линий поля с последующим осаждением на электродах. Электрофильтры для очистки газов от пыли работают обычно при постоянном напряжении, могут быть сухими и мокрыми, иметь одну зону, в которой происходит зарядка и осаждение частиц пыли, или несколько зон, где зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах.. Кроме того, электрофильтры бывают пластинчатые и трубчатые. Эффективность работы электрофильтров достаточно велика и обеспечивает степень улавливания более 90%, причем эффективность улавливания частиц пыли размером 1 мкм достигает 88%. При высокой входной запыленности наблюдается явление «запирания короны» (повышение напряжения зажигания коронного разряда), поэтому перед электрофильтрами часто ставят более простые и дешевые аппараты очистки, чтобы запыленность на входе в электрофильтр не превышала 100-150 г/м 3 .

Физико-химические методы очистки газов

Газообразные загрязнители удаляют из промышленных выбросов при помощи физико-химических или химических методов. Существует пять основных методов удаления газообразных загрязнителей: абсорбция, адсорбция, конденсация, сжигание горючих загрязнителей и химическая обработка. 1 Абсорбция. Метод основан на подборе такой жидкости, при прохождении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем без химических взаимодействий и образования новых химических веществ – это физическая абсорбция . Например, физическая абсорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. В тех случаях, когда абсорбенты вступают в химические реакции с очищаемым газом, например при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью водных растворов слабых оснований – аммиака, анилина, ксилидина, происходит процесс, называемый химической абсорбцией Абсорбция представляет собой процесс, включающий массоперенос между растворимым газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в абсорбере. Движущей силой абсорбции является разность между парциальным давлением растворенного газа в газовой смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Если значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит. Если это значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция , и количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти. Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз в аппаратах, называемых абсорберами, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на поверхностные, распыливающие и барботажные. Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, образующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом. В таких абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Примером пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер, в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверхности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом. В качестве насадочных абсорберов широкое распространение получили колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, но течение жидкости происходит только по элементу насадки, а не по всей высоте аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента на другой пленка жидкости разрушается. Барботажные абсорберы представляют собой обычно вертикальные колонны, внутри которых размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке. 2. Адсорбция – это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции , когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений. При физической адсорбции адсорбированное вещество можно полностью удалить при обратном процессе (десорбции), например, понизив давление или увеличив температуру, а хемосорбированное вещество вернуть в газовую фазу невозможно, т.к. процесс необратим. Поскольку процессы хемосорбции идут только в тонких поверхностных слоях адсорбента, то для повышения эффективности процесса активную поверхность хемосорбента увеличивают за счет нанесения его тонкими слоями на поверхности инертного тонкодисперсного носителя. В промышленности в качестве поглотителей чаще всего применяют активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты). Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента. 3. Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары веществ при температурах, близких к их точке росы. Этот метод наиболее эффективен в случае углеводородов и других органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой фазе в относительно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих достаточно низкое давление пара при обычных температурах, можно использовать конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для очень летучих растворителей возможна двухстадийная конденсация с использованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемпературного охлаждения – на второй. Замораживание до очень низких температур только с целью удаления загрязнителей редко является целесообразным; если в замораживании нет необходимости по каким-либо другим технологическим причинам. Максимальное снижение содержания инертных или неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение процесса конденсации и повысить ее экономическую эффективность. Конденсацию можно проводить при непосредственном контакте или косвенном охлаждении. В первом случае охлаждаемый пар непосредственно контактирует с охлажденной или замороженной жидкостью. При косвенном охлаждении используется поверхностный конденсатор с металлическими трубками. Трубки охлаждаются жидким хладореагентом с другой стороны стенки. В случае неконденсирующихся газов пере охлаждением проводят их сжатие, что позволяет достичь эквивалентного парциального давления загрязняющего вещества при более высоких температурах. 4. Очистка газов дожиганием представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до СО 2 и Н 2 О. Это определение может быть полностью отнесено и к жидким отходам. В ходе процесса другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. С точки зрения охраны окружающей среды очистка газов методом дожигания обеспечивает требуемую чистоту выбросов в атмосферу с минимальным содержанием непрореагировавших углеводородов, оксидов азота и серы, галогенов и других органических соединений. 5. Химические методы очистки отходящих газов . Устранение нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция, и ее роль является преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными физико-химическими методами. Рассмотрим химические методы на примере очистки газов от оксидов азота и серы.

Очистка газов от оксидов азота . Наиболее часто для очистки от NO X применяются два метода: некаталитическое гомогенное восстановление NO X добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NН 3 .

Некаталитический процесс основан на восстановлении NO до N 2 и Н 2 О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя – аммиака (NН 3) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота. Метод селективного каталитического восстановления (СКВ) основан на реакции восстановления оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин селективный в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим прежде всего к топочным газам в условиях полного сгорания – содержание кислорода в них не более 1% и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях. Неселективное каталитическое восстановление (НСКВ). В данном методе восстанавливающий агент – аммиак заменяется другими восстановителями (Н 2 , СО, углеводороды). Эти восстановители действуют неселективно, поскольку взаимодействуют с кислородом и SO 2 газового потока: это взаимодействие идет параллельно с целевой реакцией восстановления оксидов азота, что требует значительного избытка восстановителей.

б. Очистка газов от SO 2 . Методы очистки газов от SO 2 предполагают предварительную стадию адсорбции SO 2 , но их основу составляют химические превращения оксидов серы в новое химическое соединение, выделяемое из газового потока.

Процесс с использованием С uO / CuSO 4 . Метод обеспечивает одновременную очистку газов от NO X и SO X в присутствии катализатора – оксида меди (CuO) , нанесенного на оксид алюминия. Топочный газ подается в реактор с параллельным расположением каналов для прохождения газового потока, заполненных катализатором. Методы с добавлением извести: приготовление гранул из угольной крошки с добавлением извести для использования в колосниковых топках и добавление порошкообразной извести к угольной пыли для использования в топках с форсуночным распылением топлива. Введение сухого сорбента позволяет снизить концентрацию диоксида серы на 50%. Сухой щелочной агент вдувается под давлением в магистраль отходящего топочного дыма, и прореагировавшие твердые продукты отделяются от потока. Для отделения используются тканевые фильтры.

Может быть использовано при сжигании угля, нефти и других видов топлива. Готовят топливную дисперсную систему, состоящую из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов, подают приготовленную систему в камеру сгорания, причем приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала готовят суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Позволяет повысить эффективность использования присадок.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к сжиганию угля, нефти, и других видов топлива в топках котлов ТЭС, в отопительных котельных и т.д. Известны способы сжигания топлив, предусматривающие снижение загрязнения отходящих газов на выходе из установки сжигания путем обработки отходящих газов химическими и физико-химическими методами, которые требуют больших капитальных затрат на сооружение очистных установок и расходов на их эксплуатацию . Известны способы снижения концентрации вредных веществ при сжигании топлива непосредственно в камере сгорания путем использования дополнительных веществ, добавляемых к топливам или в топки . В способе для удаления окислов серы и азота из дымовых газов, получаемых при сжигании угля, нефти и других видов топлива, в топочные газы вдувают тонко измельченные частицы оксида магния в избыточном количестве по отношению к количеству, необходимому для полного связывания вредных веществ, в присутствии воды. Известный способ уменьшения выбросов вредных веществ при сжигании основан на впрыскивании присадки в виде водной суспензии непосредственно в камеру сгорания. Эти способы позволяют снизить концентрацию окислов азота и серы в отходящих дымовых газах в 2-2,5 раза. Однако в этих способах присадки вносят непосредственно в камеру сгорания, при этом присадки распределяются в камере относительно топлива и окислителя неравномерно, т.е. относительные концентрации воды и присадки к концентрации топлива и окислителя неоднородны и зависят от координаты пространства в камере сгорания. Поэтому подавление образования вредных компонентов отходящих газов и их поглощение происходят неэффективно. Известны способы снижения выбросов вредных веществ, предусматривающие предварительную обработку топлива и всех добавляемых компонентов перед подачей в камеру сгорания . В этих способах достигается равномерное распределение в пространстве топки всех компонентов и более полное связывание, подавление и удаление вредных выбросов, содержащихся в дымовых газах, являющихся продуктом горения. Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения эффективности сжигания топлива с уменьшенным образованием оксидов азота и серы в отходящих газах путем подготовки топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, присадок в виде поглотителя серы и ингибитора и подачи подготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания . В известном способе также достигается однородность распределения компонентов топлива в камере сгорания, однако в известном способе не предусмотрены условия, обеспечивающие однородность компонентов в топливной дисперсной системе при ее приготовлении, что снижает эффективность использования добавляемых к топливу веществ. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в более полном связывании вредных веществ, образующихся в процессе сжигания топлива. Указанная задача решается за счет приготовления топливной дисперсной системы с улучшенным распределением в ней присадок, что приводит к более эффективному использованию последних. Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающем приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы и диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии присадок в топливе не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм. Получают сложную топливную дисперсную систему, которая состоит из топлива, внутри которого равномерно распределены капли суспензии твердой присадки в жидкой присадке или капли суспензии топлива с твердой присадкой, в которой равномерно распределены капли жидкой присадки. Топливная дисперсная система в виде капель, включающих капли суспензии, попадая в зону высоких температур камеры сгорания, взрывообразно распадается на еще меньшие капли под действием давления паров жидкой присадки (вскипающей воды) с суспензией, которые находятся в капле топливной дисперсной системы, полученной при ее распылении в камере сгорания топлива. При приготовлении суспензии топлива и твердой присадки и последующего диспергирования с жидкой присадкой (водой) получают топливную дисперсную систему, в которой капли жидкой присадки (воды) находятся в суспензии или смеси присадки и топлива. Распыление капель топливной дисперсной системы в камере сгорания и затем дополнительное распыление при взрывообразном вскипании воды приводит к эффективному взаимодействию с образующимися вредными веществами и уменьшению выбросов в отходящие газы вредных продуктов неполного сгорания, окислов азота и серы. В качестве твердых присадок можно использовать CaCO 2 , MgO, Ca(OH) 2 и др. В качестве жидкой присадки можно использовать воду. Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно заявленное изобретение является новым. Анализ известных из уровня техники решений в отношении отличительных признаков заявленного изобретения показал, что заявленное решение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.е. соответствует требованию изобретательского уровня. Обеспечиваемый изобретением технический результат по сравнению с прототипом заключается в следующем. Уменьшаются коэффициенты механического и химического недожога, и увеличивается степень сгорания топлива, за счет тонкого распыления предварительно подготовленного топлива в окислителе в топочном пространстве устройства сгорания топлива. Увеличивается поверхность контакта топлива с окислителем, а это приводит к тому, что продукты неполного сгорания топлива, которые являются вредными и содержатся в отходящих газах, образуются в уменьшенном количестве. Понижается максимальная (пиковая) температура в устройствах сжигания топлива, уменьшается градиент температуры, температурное поле становится более однородным, что приводит к уменьшению образования вредных соединений - окислов азота и продуктов неполного сгорания топлива. Увеличивается интенсивность горения мелких капель топливной дисперсной системы, дополнительно распыленной парами воды, что, кроме уменьшения коэффициентов механического и химического недожога, то есть уменьшения расхода топлива и выброса сажи, вызывает уменьшение длины факела горения, стабилизацию горения факела, что приводит к возможности уменьшения длины и объема установки сжигания топлива и капитальных затрат. При сжигании используют топливную дисперсную систему со следующими компонентами: топливо - жидкий серусодержащий нефтепродукт типа мазута, жидкая присадка - ингибитор реакции образования окислов азота - вода, серусвязующая твердая присадка - измельченный оксид магния. Кроме того, в камеру сжигания подают окислитель - кислород воздуха. На первой стадии измельченный оксид магния до размеров частиц не более 20 мкм, взятый в избыточном количестве по отношению к стехиометрическому в 1,5-1,8 раза, которого достаточно для связывания содержащейся в топливе серы, смешивают с водой, взятой в количестве 30%. Полученную суспензию твердой присадки в воде и мазут в диспергатор. В случае использования суспензии топлива и присадки на первой стадии измельченный оксид магния с размером частиц не более 20 мкм, взятый в количестве в соответствии с вышеуказанным, смешивают с топливом, затем полученную суспензию и воду подают в диспергатор. В диспергаторе непрерывного действия, при необходимости с линией рециркуляции, получают топливную дисперсную систему, в которой дисперсная фаза - суспензия присадки в воде - равномерно распределена в виде мелких частиц размером до 25 мкм в топливе. При сжигании топлива происходит относительное однородное распределение всех подаваемых компонентов системы. Капли топлива с каплями суспензии присадки в воде взрывообразно разбиваются на еще более мелкие капли топлива, сгорающие за меньшее время, что обеспечивает уменьшение коэффициентов механического и химического недожога, уменьшение количества продуктов неполного сгорания и уменьшение вредных выбросов в атмосферу. При проведении испытаний мода распределения частиц суспензии в мазуте изменялась от 7 мкм до 15 мкм в зависимости от режима работы диспергатора и содержания воды. При добавлении воды учитывалась вода, находящаяся в обводненном топливе. Таким образом, предварительное диспергирование присадки с водой или топливом позволяет равномерно распылять в камере сгорания не только топливо, но и равномерно вводить присадки, что ведет к увеличению эффективности связывания вредных компонентов и уменьшению их образования. Источники информации 1. Русанов А. А., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М., Энергия, 1969. 2. Патент ФРГ N 3410731, кл. B 01 D 53/34, 1985. 3. Патент ФРГ N 3444469, кл. C 01 L 10/00, 1986. 4. Патент ФРГ N 3409014, кл. C 01 L 10/00, 1985. 5. Патент ФРГ N 3325570, кл. C 01 L 10/00, 1985. 6. Заявка RU N 94003846/26, кл. B 01 D 53/60, 1995.

Формула изобретения

Способ снижения выбросов вредных веществ в установках сжигания топлива, включающий приготовление топливной дисперсной системы, состоящей из топлива, жидких и твердых присадок путем диспергирования и перемешивания компонентов и подачу приготовленной топливной дисперсной системы в камеру сгорания, отличающийся тем, что приготовление топливной дисперсной системы проводят в две стадии, сначала приготавливают суспензию твердой присадки в жидкой присадке или в топливе, а затем в суспензию присадок или в суспензию топлива и присадки вводят оставшиеся компоненты топливной дисперсной системы, диспергируют, при этом диаметр частиц суспензии не превышает 25 мкм, а диаметр частиц твердой присадки в суспензии не превышает 20 мкм.

Принципиально существует несколько подходов к решению проблемы ограничения вредных выбросов в атмосферу с дымовыми газами ТЭС:

Рассеивание вредных выбросов с помощью высотных дымовых труб на большой площади;

Непосредственное воздействие на механизм образований вредных примесей при горении топлив;

Очистка продуктов сгорания топлив от вредных примесей;

Удаление вредных компонентов из топлива до его сжигания. Специалисты в области теплоэнергетики должны уметь правильно выбирать оборудование и оптимальные режимы эксплуатации котлов, обеспечивающие снижение до минимума вредных выбросов в окружающую среду, в зависимости от вида сжигаемого топлива, рельефа местности и других факторов.

1.1. Высотные дымовые трубы

Хотя тепловые электростанции являются одним из наиболее крупных источников вредных выбросов в атмосферу, их участие в формировании общего фона загазованности в приземном слое воздуха отнюдь не находится в прямой зависимости от массы этих выбросов. Связано это с тем, что в отличие от других источников вредных выбросов (автотранспорта, промышленных предприятий) на ТЭС дымовые газы рассеиваются в атмосфере на высоте несколько сотен метров, благодаря чему достигают поверхности земли, разбавленные воздухом в сотни и тысячи раз. Основной задачей рассевания вредных веществ в атмосфере являются снижение их концентраций до такого уровня, когда они становятся безопасными для живой природы. Для этого на ТЭС используются дымовые трубы, высота которых (по мере укрупнения электростанций и ухудшения качества топлив) постоянно увеличивалась. В настоящее время используются трубы высотой 180, 250, 320 – 360 и 420 м.

Современные высотные дымовые трубы выполняются в виде моно­литных железобетонных стволов, выдерживающих высокие ветровые и весовые нагрузки. С целью предохранения железобетона от воздействия сернистых соединений, влаги и повышенной температуры дымовых газов в трубах выполняется защитная внутренняя оболочка из кислотоупорного кирпича. Высотные дымовые трубы являются дорогостоящим элементом ТЭС.

Концентрация токсичных веществ при увеличении высоты дымовых труб значительно падает в непосредственной близости от электростанции, с увеличением же расстояния относительное снижение концентрации уменьшатся. Для упрощенного определения распределения концентраций вредных примесей на уровне земли при их рассеивании с помощью дымовых труб используется следующая формула :

где М – количество выбросов; и – скорость ветра; Н – эффектив­ная высота трубы; k – коэффициент турбулентной диффузии; х – расстояние от трубы. Наибольшая величина приземной концентрации токсичных веществ С м устанавливается на расстоянии

(1.2)

и составляет

(1.3)

Однако в реальных условиях задача расчета концентрации токсичных примесей существенно осложняется в связи с необходимостью учиты­вать реальные гидрометеоусловия, неоднородность турбулентной структуры атмосферы, разность температур выбрасываемых газов и окружающего воздуха, условия выходя газов из устья трубы и их оседания на поверхности земли.

Высота дымовых труб ТЭС должна рассчитываться с учетом рас­сеяния токсичных примесей до норм ПДК. В табл.1.1 приведены рас­четные значения максимальной концентрации NО Х в приземном слое вблизи газомазутных ТЭС мощностью 3600 и 4800 МВт с дымовыми трубами 250 и 320 м при различных скоростях ветра. Данные расче­та показывают, что даже для трубы высотой 320 м в штиль содержа­ние NO Х в приземном слое может превышать ПДК. Еще большее пре­вышение ПДК будет наблюдаться при содержании в уходящих газах ТЭС, кроме NO Х, других вредных веществ, обладающих эффектом суммации.

Таблица 1.1

Расчетные концентрации NO X в приземном слое.

Высота труб, м	Скорость ветра, м/с	Концентрация NO X , мг/м 3

Поэтому высотные дымовые трубы не следует противопоставлять другим способам защиты окружающей среды. Пока будут существовать вредные выбросы (как следствие несовершенной технологии сжигания топлива), дымовые газы необходимо выбрасывать в верхние слои атмосферы, где их вредные компоненты будут обезвреживаться в ходе процессов естественного самоочищения воздушного океана. Высоту дымовых труб ТЭС следует выбирать после того, как использованы все возможности, связанные с уменьшением количества вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Для этого существует специальная методика, учитывающая суммарное воздействие вредных веществ фоновую загазованность атмосферы городов и т.д. . С учетом этих факторов определяется предельная мощность тепловой электростанции по условиям защиты биосферы от воздействия вредных газообразных выбросов.