РЕФЕРАТ
Курсова робота: 42 сторінки., 5 рисунків, 11 джерел.
Мета роботи: Охарактеризувати основні типи забруднювачів повітряного басейну, оцінити наслідки їх впливу на навколишнє середовище, привести приклади процесів очистки промислових газоподібних викидів, розглянути суть і механізми функціонування апаратів для знешкодження промислових газоподібних викидів.
Завдання роботи: описати класифікацію різних типів забрудників атмосферного повітря; розглянути особливості нормування викидів шкідливих речовин в атмосферу, розглянути і про класифікувати процеси повітря газоочисні апарати.
Об’єкти дослідження: атмосферне повітря; діяльність у сфері очищення повітря від промислових газових викидів, і методика процесів.
В роботі розглянуто проблему забруднення повітряного басейну, і який вплив це чинить на навколишнє середовище. В процесі виконання роботи було розглянуто методологічні підходи, з рядом методів по очищенню промислових газових викидів , описано декілька типів апаратного устаткування стосовно очищення повітря від промислових газових викидів .
Ключові слова:
ЗАБРУДНЕННЯ, ПРОМИСЛОВІ ГАЗОВІ ВИКИДИ, АТМОСФЕРНЕ ПОВІТРЯ, ГАЗООЧИСНІ АПАРАТИ, МЕТОДИ ОЧИСТКИ.
ЗМІСТ
Вступ
1. Типи забруднювачів повітряного басейну
2. Особливості та оцінка ступеню забруднення атмосферного повітря
3. Суть методів очистки промислових газових викидів
3.1 Абсорбційний метод
3.2 Адсорбційний метод
3.3 Термічне допалювання
3.4 Термокаталітичні методи
3.5 Озонні методи
3.6 Біохімічні методи
3.7 Плазмокаталітичний метод
4. Апарати для знешкодження промислових газових викидів
4.1 Апарати для абсорбції газових викидів
4.1.1 Поверхневі (плівкові) абсорбери.
4.1.2 Насадочні абсорбери
4.1.3 Барботажні абсорбери
4.1.4 Розпилюючі абсорбери
4.2 Апарати для адсорбції газових викидів
4.3 Установки термічного методу знешкодження газоподібних відходів
Висновки
Перелік посилань
ВСТУП
Атмосферне повітря – це газова оболонка Землі зі своїм певним відсотковим складом газів в повітряному середовищі, з основними складовими, такими як азот – 78%, і кисень – 20%. Але добре відомо,що атмосферне повітря певним чином зазнає впливу різних факторів, зокрема і забруднень. Нині, досить гострою залишається проблема забруднення повітряного басейну, яка була особливо характерною як у ХХ столітті, так і в наш час. Під забрудненням атмосфери розуміють потрапляння речовин будь-якого походження, які або не властиві природному складу атмосфери, або знаходяться в концентраціях, що значно відрізняються від свого природного вмісту в атмосфері, і які шкідливо впливають на живі організми та пригнічують їхню життєдіяльність. Основними джерелами забруднення атмосферного повітря є промислові підприємства та енергетичні системи; нафтопереробна і транспортна системи; металургійна промисловість, теплоенергетика та багато інших факторів антропогенного і природного походження.
Необхідність проведення роботи полягає у визначенні типів забруднюючих повітря речовин, класифікації забрудників, причини і джерела забруднень. Вбачаючи всі причини і види забруднень, необхідною умовою є застосування процесів і апаратів для знешкодження промислових газових викидів.
Практичне значення цієї теми полягає у впровадженні процесів очищення повітря від промислових газових викидів, переваги тих чи інших апаратних устаткувань на промислових підприємствах, різні типи і функціональні особливості апаратів.
Актуальність цієї теми є досить вагомою в теперішній час, оскільки промислово-індустріальний фактор досить широко чинить вплив, зокрема на атмосферне повітря, його складові і необхідним є більш широке впровадження газоочисних технологій, активно застосовувати їх на промислових підприємствах.
Метою цієї роботи є суть винайдення тенденції розумного підходу до
. очищення атмосферного повітря: при мінімальній затраті ресурсів, отримання ефективного результату щодо якнайоптимальнішого способу очищення повітря, вбачаючи її важливу значущість
1. ТИПИ ЗАБРУДНЮВАЧІВ ПОВІТРЯНОГО БАСЕЙНУ
Атмосфера – це повітряна оболонка Землі, яка має свої особливості в різних аспектах. Насамперед, повітряна оболонка Землі є однією з найголовніших умов життя. Атмосфера має велике екологічне значення. Вона захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів, є носієм тепла і вологи. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури досягали б 200°С. Через атмосферу відбувається фотосинтез та обмін енергії та інформації — основні процеси в біосфері. Наявність атмосфери на планеті обумовлює ряд складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність повітряних мас і природних вод тощо). Для деяких організмів (бактерії, літаючі комахи, птахи та інші) атмосфера є основним середовищем життя.
Забрудненість — це несприятливі зміни стану атмосферного повітря, цілком або частково викликані діяльністю людини, які безпосередньо або опосередковано змінюють розподіл енергії, що надходить, рівні радіації, фізико-хімічні властивості атмосфери і умови існування живих організмів. Ступінь змін і масштаби наслідків залежать, по-перше, від інтенсивності й характеру самого забруднення, по-друге, стійкості атмосферного повітря до антропогенного навантаження. [1].
Проте, ще з екстенсивним розвитком народного господарства швидкими темпами зростали антропогенні викиди в атмосферу. Ще 60 років тому масштаби цих викидів були на декілька порядків меншими від їх природних надходжень в атмосферу. Тому існуючі в природі механізми утримання рівноваги та стабільності характеристик атмосфери істотно не порушувались. Однак за останні десятиріччя масштаби техногенних викидів наблизилися до їх природних надходжень або навіть перевищують їх. Крім того, відбуваються якісні зміни: в атмосферу викидається ще більша кількість речовин, яких там раніше не було або було в дуже малих кількостях. Тому в атмосфері не встигають сформуватися механізми очищення від них.
Атмосферне повітря характеризується певним чином неоднорідністю своїх складових, і завжди зазнає впливу оточуючого середовища в цілому. Добре відомо, що лише відносно постійними складовими атмосфери є азот (N2
) – 78%, кисень (О2
) – 21%. Але інший відсотковий склад відповідним чином містить в більшій чи меншій мірі певні газові компоненти, різноманітні забруднюючі речовини, домішки, аерозолі та інше. Слід відзначити основні особливості забруднюючих речовин і їх класифікацію:
1). Основні (критерійні) забруднювачі атмосфери - СО, SO2
оксиди азоту, вуглеводні, тверді частинки.
2). Поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ)
3). Сліди елементів (в основному метали)
4). Постійні гази (СО2,
фтоpхлоpметани і ін.)
5). Пестициди
6). Абразивні тверді частинки (кварц, азбест і ін.)
7). Різноманітні забруднювачі, що надають багатобічну дію на організм (нітроза міни, озоносульфати, нітрати, кетон, альдегіди та інші.)
За походженням всі джерела забруднення атмосфери поділяють на природні та антропогенні. До природних джерел забруднення атмосфери відносять виверження вулканів, лісові пожежі, поверхні вивітрювання, також в деяких аспектах сюди відносяться космічний пил, сонячне та космічне випромінювання тощо. Серед основних джерел антропогенного забруднення особливу увагу слід приділяти викидам промислових підприємств та енергетичних систем та багато інших факторів.
Всі забруднювачі атмосферного повітря об*єднують в дві основні групи : - матеріальні та енергетичні.
В свою чергу, матеріальні забруднювальні атмосферу речовини поділяють на хімічно інертні (нетоксичні) та хімічно активні (токсичні). Токсичними називають такі інгредієнти, які при перевищенні певних граничнодопустимих концентрацій (ГДК) спричиняють загибель живих істот або пригнічують їхню життєдіяльність, в тому числі впливають на здоров*я людей. Нетоксичними є такі інгредієнти, які необхідні для розвитку живих організмів або вони не впливають на їхню життєдіяльність у межах певних концентрацій, що характерна для природного складу атмосферного повітря. Значне відхилення від меж природних концентрацій нетоксичних інгредієнтів може надавати негативного впливу на живі організми.
Забруднювальні атмосферу речовини класифікують на основі характеру впливу на живі організми. Виділяють п*ять основних груп забруднювальних речовин :
- загальносоматичні, які при певній кількісній дії можуть викликати отруєння всього організму, наприклад, оксид Карбону, пари Меркурію, неорганічні сполуки Плюмбуму, тощо;
- подразнювальні, які викликають подразнення дихальних шляхів та слизових оболонок, наприклад, оксиди Сульфуру та Нітрогену, озон, хлор, тощо;
- алергени або сенсибілізуючі, тобто хімічно інертні речовини, які здатні викликати алергії та шкіряні захворювання типу екзем, наприклад, нетоксичний пил, квітковий пилок, тощо;
- канцерогенні, які викликають появу злоякісних пухлин, наприклад, бенз(а)пірен, азбест, сполуки Хрому, радон, тощо;
- мутагенні, які викликають небажані мутації в живих організмах.
Відповідним чином ці всі фактори класифікуються на категорії по небезпечності.
В основі забруднення повітря, певним чином, наявні різні хімічні речовини.
Оксиди азоту утворюються переважно при високотемпературній фіксації азоту і кисню в силових установках і двигунах внутрішнього згорання. Оксид азоту утворюється при електричних розрядах в атмосфері і присутній у відпрацьованих газах автомобілів. Діоксид сірки утворюється при згоранні палива з високим вмістом сірки ( нафта, кам'яне вугілля).
Джерелами емісії цього токсичного газу є стаціонарні джерела горіння, наприклад СДЗ (85%-95%), промислові об’єкти (5-10%), двигуни внутрішнього згорання (2-7%).
Діоксид сіpки відносять до головних і найбільш важливим забруднювачам повітря, небезпечним для тварин і рослин, що бере участь в утворенні фотохімічного смогу. Загальна емісія діоксиду сірки в атмосферу складає 8-10 т в рік тобто значно перевершує надходження в атмосферу більшості інших токсичних хімічних речовин, і постійно зростає пpопоpційно зростанню споживання енергії.[2]
Чадний газ - найбільш небезпечний і надзвичайно розповсюджений з газоподібних забруднювачів повітря, токсичність якого обумовлена реакцією з гемоглобіном крові. Утворення СО відбувається при неповному згоранні різного палива. Природним джерелом СО є лісові пожежі і фотохімічне перетворення органічних сполук в атмосфері. Близько 25% СО антропогенного походження. Значна кількість чадного газу надходить в атмосферу міст і промислових регіонів з відпрацьованими газами автотранспорту.
Тверді частинки, що містяться в атмосфері, є пилом, піском, золою, сажею, вулканічний пил і аерозолі органічної (високомолекулярні сполуки) і неорганічної природи. Часто токсичність твердих частинок обумовлена адсорбцією на їх поверхні таких небезпечних сполук, як ПАВ або нітpозаміни.
Фотоксиданти утворюються в атмосфері при взаємодії реакцієздатних вуглеводнів і оксидів азоту під дією УФ - радіації. Зрештою утворюються високотоксичні речовини: пеpоксіацетилнітpат і ін.
Оксиданти забруднюють повітряний басейн більшості крупних міст світу, оскільки їх утворення пов'язане з розвитком промисловості і автотранспорту.
Наступна група забруднювачів - поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ) - можуть бути як первинними, так і вторинними забруднювачами атмосфери і зазвичай адсорбуються на твердих частинках. Багато які з ПАВ відрізняється вираженою канцерогенною, мутагенною і тератогенною дією і представляє серйозну загрозу для людини. Основним джерелом емісії ПАВ є ТЕЦ, що працюють на нафті або кам'яному вугіллі, а також підприємства нафтохімічної промисловості.
З декількох мільйонів відомих сполук лише близько 6000 перевірені на канцерогенну активність. В даний час встановлено, що 1500 хімічних сполук, що є потенційними забруднювачами атмосфери, володіють вираженими канцерогенними властивостями.
Вміст ПАВ і інших канцерогенних речовин, що потрапляють в атмосферу з викидами промислових підприємств, складає в великих індустріальних містах близько 80% від загального забруднення навколишнього середовища.
Кількості слідів хімічних елементів представлені в атмосфері такими високотоксичними забруднювачами, як миш'як, берилій, кадмій, свинець, магній і хром. Вони зазвичай присутні в повітрі у вигляді неорганічних солей, адсорбованих на твердих частинках.
Близько 60 металів ідентифіковано в продуктах згорання вугілля. У димових газах ТЕЦ виявлені ртуть, миш'як, барій, берилій, вісмут, бром, кадмій, хлор, кобальт, мідь, залізо, фтор, свинець, марганець, сурма молібден, нікель, селен, телур, хром, вольфрам, талій, олово, титан, уран, ванадій, цинк і цирконій.
Для більшості перерахованих елементів їх викид в атмосферу з димовими газами ТЕЦ складає від абсолютного рівня забруднення повітря всіма джерелами емісії цих елементів. При цьому максимальна кількість забруднювачів потрапляє в атмосферу при спалюванні вугілля. Hа частку цього джерела доводиться більше 95% твердих частинок, 85% оксидів сірки, 70% оксидів азоту і більше 90% слідів елементів від загальної кількості викидів для всіх ТЕЦ, що працюють на вугіллі, нафті і газі.
Скупчуючись в атмосфері, забруднювачі взаємодіють один з одним, гідролізуються і окислюються під дією вологи і кисню повітря, а також змінюють свій склад під впливом радіації. Внаслідок цього тривалість перебування забруднюючих домішок в атмосфері тісно пов'язана з їх хімічними властивостями. Велика тривалість перебування в повітрі малоактивних сполук наступної групи токсичності - постійних газів (фреони і діоксид вуглецю). З пестицидів, які зазвичай розпилюють з літаків, особливо токсичні фосфорорганічні пестициди, при яких в атмосфері утворюються продукти ще токсичніші, ніж початкові сполуки. [3]
2. ОСОБЛИВОСТІ ТА ОЦІНКА СТУПЕНЮ ЗАБРУДНЕННЯ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯОцінка стану повітряного басейну, перш за все, включає визначення потенційної небезпеки його забруднення залежно від природно-кліматичних чинників конкретної території міста або району, що визначають здатність атмосфери розсіювати і адсорбувати шкідливі домішки. Це залежить від характеру турбулентного обміну і швидкості вітру, наявності туманів, рельєфу місцевості й інших чинників. Несприятливий характер розсіювання шкідливих речовин спостерігається, зокрема, при настанні температурних інверсій. Інверсії є таким станом атмосфери, при якому температура в приземному шарі повітря росте, а не падає, як це буває в звичайних умовах. При цьому нижня менш нагріта поверхня інверсійного шару унаслідок більшої щільності, грає роль екрану, від якого факел забруднюючих речовин відбивається до землі і розповсюджується на великі відстані.Значне підвищення рівня забруднення повітряного басейну, як правило, спостерігається при застоюваннях повітря (поєднання слабких вітрів з приземними інверсіями температури) і штилях (низькі швидкості вітру в градації від 0 до 1 м/с). Такі метеорологічні умови характерні, наприклад, для районів гірських долин, де має місце скупчення щільнішого і холоднішого повітря в приземному шарі, часто спостерігається висока стійкість стану повітряних мас. У разі розташування в долинах промислових підприємств з шкідливими викидами, створюються небезпечні умови забруднення атмосфери. Позитивну роль в очищенні атмосфери грають інтенсивне перемішування повітряних мас, яке може складатися на тлі підвищених швидкостей вітру і інших чинників, а також осідання, що забезпечують вимивання домішок з атмосфери. [4]Поєднання метеорологічних параметрів, що зумовлюють той або інший рівень забруднення повітряного басейну (концентрації домішок в приземному шарі повітря) для джерел з фіксованими параметрами викидів прийнято характеризувати величиною так званого "потенціалу забруднення повітря" (ПЗП).В процесі оцінки забруднення повітряного басейну міста визначаються: основні джерела шкідливих викидів в повітряний басейн (промислові і енергетичні об'єкти, автотранспорт) і їх характеристики; райони міста з рівнем забруднення атмосферного повітря понад нормативний; соціально-економічна оцінка рівня забруднення атмосфери.Для характеристики основних джерел шкідливих викидів в повітряний басейн за даними інвентаризації (форми статистичної звітності "2ТП-воздух") визначається кількісний і якісний склад шкідливих викидів, розраховується річний валовий викид всіх шкідливих речовин промисловими, енергетичними і транспортними джерелами в цілому по місту, дається ретроспективний аналіз викидів за 5-10 років. Оцінка забруднення атмосферного повітря міста і його окремих районів базується на розрахункових методах визначення концентрації шкідливих речовин і їх з'єднань в приземному шарі атмосферного повітря і встановленні ареалів їх розповсюдження на території, прилеглій до джерел викидів.При оцінці забруднення атмосфери на розрахунковий термін враховуються не тільки кількість шкідливих речовин, що викидаються, при існуючих об'ємах промислового виробництва, але і передбачуване зростання його потужностей і об'ємів, можливі варіанти очищення, дані про зміну соціально-економічних показників і інфраструктури міста або району. Останніми роками широко використовуються уніфіковані програми розрахунку забруднення атмосфери (УПРЗА), наприклад програми типу "ефір", які дозволяють описати внесок в забруднення до 1000 і більш за джерела забруднення.Результати забруднення повітряного басейну, отриманим на ЕОМ, є ізолінії рівних концентрацій окремих речовин або груп. Шляхом графічного поєднання схем розподілу концентрацій окремих речовин або груп на території міста складається підсумкова карта районування міських територій по забрудненню повітряного басейну. Такі карти виконуються на опорній схемі міста в масштабі 1:25000. На карті виділяють території з наднормативним рівнем забруднення, а також показують місця розташування основних джерел шкідливих викидів.[5]Рівні забруднення повітряного басейну в ході проведення розрахунків можуть бути описані або в натуральних показниках - концентраціях шкідливих речовин (мг/м3
), або в нормованих показниках, що характеризують кратність перевищення ГДК. Оскільки на окремих ділянках території міста концентрації шкідливих речовин можуть у декілька разів перевищувати нормативи ГДК, вводять додаткову оцінку забруднення по ступенях небезпеки для здоров'я населення. Використовується умовний індекс "Р", що характеризує ступінь небезпеки забруднення для одного компоненту або для суми шкідливих речовин з урахуванням кратності перевищення ГДК і класу небезпеки речовини.ГДК - такі концентрації, які на людину і її потомство, не чинять прямої або непрямої дії, не погіршують працездатність, самопочуття, а також санітарно-побутових умов життя людей. Узагальнення всієї інформації по ГДК, що отримується всіма відомствами, здійснюється в ГГО - Головній Геофізичній Обсерваторії. Щоб за наслідками спостережень визначити значення повітря, зміряні значення концентрацій порівнюють з максимальною разовою гранично допустимою концентрацією і визначають число випадків, коли були перевищені ГДК, а також в скільки разів найбільше значення було вище за ГДК. Середнє значення концентрації за місяць або за рік порівнюється з ГДК тривалої дії - середньостійкої ГДК. Стан забруднення повітря декількома речовинами, спостережувані в атмосфері міста, оцінюється за допомогою комплексного показника - індексу забруднення атмосфери (ІЗА). Для цього нормовані на відповідні значення ГДК і середні концентрації різних речовин за допомогою нескладних розрахунків приводять до величини концентрацій сірчистого ангідриду, а потім підсумовують.Ступінь забруднення повітря основними забруднюючими речовинами знаходиться в прямій залежності від промислового розвитку міста. Найбільші максимальні концентрації характерні для міст з чисельністю населення більше 500 тис. жителів. Забруднення повітря специфічними речовинами залежить від виду промисловості, розвиненої в місті. Якщо в крупному місті розміщені підприємства декількох галузей промисловості, то створюється дуже високий рівень забруднення повітря, проте проблема зниження викидів багатьох специфічних речовин до цих пір залишається невирішеною.Результатом оцінки може з'явитися виділення на території міста зон з "допустимим", "слабким", "помірним" і "сильним" рівнем забрудненням.При визначенні чинників, обумовлюючих той або інший стан атмосферного повітря, приймаються до уваги особливості планування і забудови міста в цілому і його окремих елементів (орієнтація і профілі вулиць, що формують аераційний режим на міській території, вплив відкритих, забудованих і таких, що озеленюють просторів на характер руху і турбулентний режим повітряних потоків і ін.).[6]
Випробування атмосферного повітря повинне здійснюватися у складі досліджень на стаціонарних, маршрутних і пересувних постах спостереження.Методики вимірювання ступеня забрудненості повітря, перелік забруднюючих компонентів і значення їх ГДК для повітря селітерної і виробничої зон приведені до відповідних нормативних и методичних документів.
Забруднення атмосферного повітря може оцінюватися як за даними інструментальних вимірів (або відбору проб для подальших лабораторних аналізів) в житловій забудові населених місць, на промислових майданчиках, на межі СЗЗ і в повітрі робочої зони виробничих ділянок підприємств, так і за розрахунковими даними для найсприятливіших і найбільш вірогідних умов з урахуванням показників фонового забруднення атмосфери на сучасних комп'ютерних моделях.
3. СУТЬ МЕТОДІВ ОЧИСТКИ ПРОМИСЛОВИХ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
В даний час розроблено і випробувано в промисловості велика кількість різних методів очищення газів від технічних забруднень: NOx, SO2
, H2
S, NH3
, оксиду вуглецю, різних органічних і неорганічних речовин. [8]
Опишемо ці основні методи і вкажемо їх переваги і недоліки.
3.1 Абсорбційний метод
Абсорбція є процесом розчинення газоподібного компоненту в рідкому розчиннику. Системи абсорбції розділяють на водні і неводні. У другому випадку застосовують зазвичай малолетючі органічні рідини. Рідину використовують для абсорбції тільки один раз або ж проводять її регенерацію, виділяючи забруднювач в чистому вигляді. Схеми з одноразовим використанням поглинача застосовують в тих випадках, коли абсорбція приводить безпосередньо до отримання готового продукту або напівпродукту. Як приклади можна назвати:
· отримання мінеральних кислот (абсорбція SO3
у виробництві сірчаної кислоти, абсорбція оксидів азоту у виробництві азотної кислоти);
· отримання солей (абсорбція оксидів азоту лужними розчинами з отриманням нітрит-нітратних лугів, абсорбція водними розчинами винищити або вапняку з отриманням сульфату кальцію);
· інших речовин (абсорбція NH4 водою для отримання аміачної води і ін.).
Схеми з багатократним використанням поглинача (циклічні процеси) поширені ширше. Їх застосовують для уловлювання вуглеводнів, очищення від SO2
димових газів ТЕС, очищення вентгазів від сірководню залізно-содовим методом з отриманням елементарної сірки, моноетаноламінового очищення газів від CO2
в азотній промисловості.
Залежно від способу створення поверхні зіткнення фаз розрізняють поверхневі, барботажні і розпилюючі апарати абсорбції.
У першій групі апаратів поверхнею контакту між фазами є дзеркало рідини або поверхня текучої плівки рідини. Сюди ж відносять абсорбенти насадок, в яких рідина стікає по поверхні завантаженої в них насадки з тіл різної форми.
У другій групі абсорбентів поверхня контакту збільшується завдяки розподілу потоків газу в рідину у вигляді бульбашок і струменів. Барботаж здійснюють шляхом пропускання газу через заповнений рідиною апарат або в апаратах колонного типу з тарілками різної форми.
У третій групі поверхня контакту створюється шляхом розпилювання рідини в масі газу. Поверхня контакту і ефективність процесу в цілому визначається дисперсністю розпиленої рідини.
Найбільшого поширення набули насадки (поверхневі) і барботажні тарілчасті абсорбери. Для ефективного застосування водних середовищ абсорбції компонент, що видаляється, повинен добре розчинятися в середовищі абсорбції і часто хімічно взаємодіяти з водою, як, наприклад, при очищенні газів від HCl, HF, NH3
, NO2
. Для абсорбції газів з меншою розчинністю (SO2
, H2
S) використовують лужні розчини на основі NAOH або Ca(OH)2
. Добавки хімічних реагентів у багатьох випадках збільшують ефективність абсорбції завдяки протіканню хімічних реакцій в плівці. Для очищення газів від вуглеводнів цей метод на практиці використовують значно рідше, що обумовлене, перш за все, високою вартістю абсорбентів. Загальними недоліками методів абсорбції є утворення рідинних стоків і громіздкість апаратурного оформлення. [8].
3.2 Адсорбційний метод
Адсорбційний метод є одним з найпоширеніших засобів захисту повітряного басейну від забруднень. Основними промисловими адсорбентами є активоване вугілля, складні оксиди і імпрегновані сорбенти. Активоване вугілля (АВ) нейтральне по відношенню до полярних і неполярних молекул адсорбованих з'єднань. Воно менш селективне, чим багато інших сорбентів, і є одним з небагатьох, придатних для роботи у вологих газових потоках. Активоване вугілля використовують, зокрема, для очищення газів від речовин з неприємним запахом, рекуперації розчинників і т.д.
Оксидні адсорбенти (ОА) володіють вищою селективністю по відношенню до полярних молекул через власний неоднорідний розподіл електричного потенціалу. Їх недоліком є зниження ефективності у присутності вологи. До класу ОА відносять силікагелі, синтетичні цеоліти, оксид алюмінію.
Можна виділити наступні основні способи здійснення процесів адсорбційного очищення:
· Після адсорбції проводять десорбцію і витягують уловлені компоненти для повторного використання. У такий спосіб уловлюють різні розчинники, сірковуглець у виробництві штучних волокон і ряд інших домішок.
· Після адсорбції приміси не утилізовують, а піддають термічному або каталітичному допалюванню. Цей спосіб застосовують для очищення газів хіміко-фармацевтичних і лакофарбових підприємств, харчової промисловості і ряду інших виробництв. Даний різновид адсорбційного очищення економічно виправданий при низьких концентраціях забруднюючих речовин і (або) багатокомпонентних забруднювачів.
· Після очищення адсорбент не регенерують, а піддають, наприклад, похованню або спалюванню разом з міцно хемосорбційним забруднювачем. Цей спосіб придатний при використанні дешевих адсорбентів.
Для десорбції домішок використовують нагрівання адсорбенту, вакуумування, продування інертним газом, витіснення домішок більш речовиною, що легко адсорбується, наприклад, водяною парою. Останнім часом особливу увагу приділяють десорбції домішок шляхом вакуумування, при цьому їх часто вдається легко утилізувати.
Для проведення процесів адсорбції розроблена різноманітна апаратура. Найбільш поширені адсорбери з нерухомим шаром гранульованого або стільникового адсорбенту. Безперервність процесів адсорбції і регенерації адсорбенту забезпечується застосуванням апаратів з киплячим шаром.
Останніми роками все більш широке застосування отримують волокнисті сорбційно-активні матеріали. Мало відрізняючись від гранульованих адсорбентів по своїх характеристиках місткостей, вони значно перевершують їх по ряду інших показників. Наприклад, їх відрізняє вища хімічна і термічна стійкість, однорідність пористої структури, значний об'єм мікропор і вищий коефіцієнт вагопередачі (у 10-100 разів більше, ніж у сорбційних матеріалів). Установки, в яких використовуються волокнисті матеріали, займають значно меншу площу. Маса адсорбенту при використанні волокнистих матеріалів менша, ніж при використанні АУ в 15-100 разів, а маса апарату в 10 разів. Опір шару не перевищує при цьому 100 Па.
Підвищити техніко-економічні показники існуючих процесів вдається також шляхом оптимальної організації стадії десорбції, наприклад, за рахунок програмованого підйому температури.
Слід зазначити, що ефективність очищення на активованому вугіллі стільникової (комірчастою) структури, володіє покращеними гідравлічними характеристиками. Такі сорбенти можуть бути отримані нанесенням певних композицій з порошком АУ на спінену синтетичну смолу або спінюванням суміші заданого складу, що містить АУ, а також випалюванням наповнювача з суміші, що включає АУ разом з тим, що пов'язує.
Ще одним напрямом удосконалення адсорбційних методів очищення є розробка нових модифікацій адсорбентів – силікагелей і цеолітів, що володіють підвищеною термічною і механічною міцністю. Проте гідрофільність цих адсорбентів утрудняє їх застосування.[11].
Найбільшого поширення набули адсорбційні методи витягання з газів, що відходили, розчинників, зокрема хлорорганічних. Це пов'язано з високою ефективністю процесу очищення газів (95-99%), відсутністю хімічних реакцій утворення вторинних забруднювачів, швидкою окуповуваністю установок (зазвичай 2-3 року) рекуперацій, завдяки повторному використанню розчинників і тривалим (до 10 років) терміном служби. Ведуться активні роботи по адсорбційному витяганню з газів оксидів сірки і азоту.
Адсорбційні методи є одним з найпоширеніших в промисловості способів очищення газів. Їх застосування дозволяє повернути у виробництво ряд цінних з'єднань. При концентраціях домішок в газах більше 2-5 мг/м2
, очищення виявляється навіть рентабельним. Основний недолік адсорбційного методу полягає у великій енергоємності стадій десорбції і подальшого розділення, що значно ускладнює його застосування для багатокомпонентних сумішей.
3.3 Термічне допалювання
Допалювання є метод знешкодження газів шляхом термічного окислення різних шкідливих речовин, головним чином органічних, в практично нешкідливих або менш шкідливих, переважно СО2
і Н2
О. Звичайні температури допалювання для більшості з'єднань лежать в інтервалі 750-1200 °C. Застосування термічних методів допалювання дозволяє досягти 99%-ого очищення газів.
При розгляді можливості і доцільності термічного знешкодження необхідно враховувати характер продуктів горіння, що утворюються. Продукти спалювання газів, що містять з'єднання сірки, галогенів, фосфору можуть перевершувати по токсичності початковий газовий викид. В цьому випадку необхідне додаткове очищення. Термічне допалювання є вельми ефективним при знешкодженні газів, що містять токсичні сполуки у вигляді твердих включень органічного походження (сажа, частинки вуглецю, деревного пилу і т.д.).
Найважливішими чинниками, що визначають доцільність термічного знешкодження, є витрати енергії (палива) для забезпечення високих температур в зоні реакції, калорійність знешкоджуваних домішок, можливість попереднього підігріву газів, що очищаються. Підвищення концентрації допалюваних домішок веде до значного зниження витрати палива. В окремих випадках процес може протікати в автотермічному режимі, тобто робочий режим підтримується тільки за рахунок тепла реакції глибокого окислення шкідливих домішок і попереднього підігріву початкової суміші знешкоджуваними газами, що відходять.
Принципову трудність при використанні термічного допалювання створює утворення вторинних забруднювачів, таких як оксиди азоту, хлор, SO2
і ін. [8].
Термічні методи широко застосовуються для очищення відхідних газів, від токсичних горючих з'єднань. Розроблені останніми роками установки допалювання відрізняються компактністю і низькими енерговитратами. Застосування термічних методів ефективне для допалювання пилу багатокомпонентних і запилених газів, що відходять.
3.4 Термокаталітичні методи
Каталітичні методи газоочистки відрізняються універсальністю. З їх допомогою можна звільняти гази від оксидів сірки і азоту, різних органічних сполук, монооксиду вуглецю і інших токсичних домішок. Каталітичні методи дозволяють перетворювати шкідливі домішки в нешкідливі, менш шкідливі і навіть корисні. Вони дають можливість переробляти багатокомпонентні гази з малими початковими концентраціями шкідливих домішок, добиватися високих ступенів очищення, вести процес безперервно, уникати утворення вторинних забруднювачів. Застосування каталітичних методів найчастіше обмежується трудністю пошуку і виготовлення придатних для тривалої експлуатації і достатньо дешевих каталізаторів. Гетерогенно-каталітичне перетворення газоподібних домішок здійснюють в реакторі, завантаженому твердим каталізатором у вигляді пористих гранул, кілець, кульок або блоків із структурою, близькою до стільникової. Хімічне перетворення відбувається на розвиненій внутрішній поверхні каталізаторів, що досягає 1000 м2
/г.
В якості ефективних каталізаторів, що знаходять застосування на практиці, служать самі різні речовини – від мінералів, які використовуються майже без всякої попередньої обробки, і простих масивних металів до складних з'єднань заданого складу і будови. Зазвичай каталітичну активність проявляють тверді речовини з іонними або металевими зв'язками, що володіють сильними міжатомними полями. Одна з основних вимог, що пред'являються до каталізатора, - стійкість його структури в умовах реакції. Наприклад, метали не повинні в процесі реакції перетворюватися на неактивні з'єднання. [8]
Сучасні каталізатори знешкодження характеризуються високою активністю і селективністю, механічною міцністю і стійкістю до дії отрут і температур. Промислові каталізатори, що виготовляються у вигляді кілець і блоків стільникової структури, володіють малим гідродинамічним опором і високою зовнішньою питомою поверхнею.
Найбільшого поширення набули каталітичні методи знешкодження газів, що відходили, в нерухомому шарі каталізатора. Можна виділити два принципово різних методу здійснення процесу газоочистки - в стаціонарному і в штучно створюваному нестаціонарному режимах.
1. Стаціонарний метод.
Прийнятні для практики швидкості хімічних реакцій досягаються на більшості дешевих промислових каталізаторів при температурі 200-600 °C. Після попереднього очищення від пилу (до 20 мг/м3
) і різних каталітичних отрут (As,Cl2
і ін.), гази зазвичай мають значно нижчу температуру.
Підігрів газів до необхідних температур можна здійснювати за рахунок введення гарячих димових газів або за допомогою електропідігрівача. Після проходження шару каталізатора очищені гази викидаються в атмосферу, що вимагає значних енерговитрат. Добитися зниження енерговитрат можна, якщо тепло відхідних газів, використовувати для нагрівання газів, що поступають в очищення. Для нагріву слугують зазвичай рекуперативні трубчасті теплообмінники.
За певних умов, коли концентрація г
, здійснення процесу по схемі з теплообмінником дозволяє обійтися без додаткових витрат.
Такі апарати можуть ефективно працювати тільки при постійних концентраціях (витратах) або при використанні довершених систем автоматичного управління процесом.
Ці труднощі вдається подолати, проводячи газоочистку в нестаціонарному режимі.
2. Нестаціонарний метод ( реверс-процес).
Реверс-процес передбачає періодична зміна напрямів фільтрації газової суміші в шарі каталізатора за допомогою спеціальних клапанів. Процес проходить наступним чином. Шар каталізатора заздалегідь нагрівають до температури, при якій каталітичний процес протікає з високою швидкістю. Після цього в апарат подають очищений газ з низькою температурою, при якій швидкість хімічного перетворення надто мала. Від прямого контакту з твердим матеріалом газ нагрівається, і в шарі каталізатора починає з помітною швидкістю йти каталітична реакція. Шар твердого матеріалу (каталізатора), віддаючи тепло газу, поступово охолоджується до температури, рівній температурі газу на вході. Оскільки в ході реакції виділяється тепло, температура в шарі може перевищувати температуру початкового розігрівання. У реакторі формується теплова хвиля, яка переміщається у напрямі фільтрації реакційної суміші, тобто у напрямі виходу з шару. Періодичне перемикання напряму подачі газу на протилежне дозволяє утримати теплову хвилю в межах шару як завгодно довго.
Перевага цього методу в стійкості роботи при коливаннях концентрацій горючих сумішей і відсутність теплообмінників.
Основним напрямом розвитку термокаталітичних методів є створення дешевих каталізаторів, що ефективно працюють при низьких температурах і стійких до різних отрут, а також розробка енергозберігаючих технологічних процесів з малими капітальними витратами на устаткування. Найбільш масове застосування термокаталітичні методи знаходять при очищенні газів від оксидів азоту, знешкодженні і утилізації різноманітних сірчистих сполук, знешкодження органічних сполук і СО.
Для концентрацій нижче 1 г/м2
і великих об'ємів газів, що очищаються, використання термокаталітичного методу вимагає високих енерговитрат, а також великої кількості каталізатора.
3.5 Озонні методи
Озонні методи застосовують для знешкодження димових газів від SO2
(NOx) і дезодорувань газових викидів промислових підприємств. Введення озону прискорює реакції окислення NO до NO2
і SO2
до SO3
. Після утворення NO2
і SO3
в димові гази вводять аміак і виділяють суміш комплексних добрив, що утворилися (сульфату і нітрату амонію). Час контакту газу з озоном, необхідне для очищення від SO2
(80-90%) і NOx (70-80%) складає 0,4 – 0,9 сек. Енерговитрати на очищення газів озонним методом оцінюють в 4-4,5% від еквівалентної потужності енергоблоку, що є, мабуть, основною причиною, стримуючою промислове застосування даного методу.
Застосування озону для дезодорування газових викидів засноване на окислювальному розкладанні речовин з неприємним запахом. У одній групі методів озон вводять безпосередньо в гази, що очищаються, в іншій гази промивають заздалегідь озонованою водою. Застосовують також подальше пропускання озонованого газу через шар активованого вугілля або падаючого на каталізатор. При введенні озону і подальшому пропусканні газу через каталізатор температура перетворення таких речовин як аміни, ацетальдегід, сірководень і ін. знижується до 60-80 °C. Як каталізатор використовують як Pt/Al2
O3
, так і оксиди міді, кобальту, заліза на носієві. Основне застосування озонні методи дезодорування знаходять при очищенні газів, які виділяються при переробці сировини тваринного походження на м’ясо- (жиро-) комбінатах і в побуті.
3.6 Біохімічні методи
Біохімічні методи очищення засновані на здатності мікроорганізмів руйнувати і перетворювати різні з'єднання. Розкладання речовин відбувається під дією ферментів, що виробляються мікроорганізмами в середовищі газів, що очищаються. При частій зміні складу газу мікроорганізми не встигають адаптуватися для вироблення нових ферментів, і ступінь руйнування шкідливих домішок стає неповним. Тому біохімічні системи понад усе придатні для очищення газів постійного складу. [8]
Біохімічну газоочистку проводять або в біофільтрах, або в біоскруберах. У біофільтрах газ, що очищається, пропускають через шар насадки, зрошуваний водою, яка створює вологість, достатню для підтримки життєдіяльності мікроорганізмів. Поверхня насадки покрита біологічно активною біоплівкою (БП) з мікроорганізмів.
Мікроорганізми БП в процесі своєї життєдіяльності поглинають і руйнують речовини, що містяться в газовому середовищі, внаслідок чого відбувається зростання їх маси. Ефективність очищення значною мірою визначається масопереносом з газової фази в БП і рівномірним розподілом газу в шарі насадки. Такого роду фільтри використовують, наприклад, для дезодорування повітря. Газовий потік, що в цьому випадку очищається, фільтрується в умовах прямотоку із зрошуваною рідиною, що містить живильні речовини. Після фільтру рідина поступає у відстійники і далі знов подається на зрошування.
В даний час біофільтри використовують для очищення газів, що відходять, від аміаку, фенолу, крезолу, формальдегіду, органічних розчинників фарбувальних і сушильних ліній, сірководню, метилмеркаптану й інших сіркоорганічних сполук.
До недоліків біохімічних методів слід віднести:
· низьку швидкість біохімічних реакцій, що збільшує габарити устаткування;
· специфічність (високу вибірковість) штамів мікроорганізмів, що утрудняє переробку багатокомпонентних сумішей;
· трудомісткість переробки сумішей змінного складу.
Плазмохімічні методи.
Плазмохімічний метод заснований на пропусканні через високовольтний розряд повітряної суміші зі шкідливими домішками. Використовують, як правило, озонатори на основі бар'єрних, коронних або ковзаючих розрядів, або імпульсні високочастотні розряди на електрофільтрах, що проходять низькотемпературну плазму повітря з домішками та бомбардується електронами і іонами. В результаті, в газовому середовищі утворюється атомарний кисень, озон, гідроксильні групи, збуджені молекули і атоми, які і беруть участь в плазмохімічних реакціях з шкідливими домішками. Основні напрями по застосуванню даного методу йдуть по видаленню SO2
, NOx і органічних сполук. Використання аміаку, при нейтралізації SO2
і NOx, дає на виході після реактора порошкоподібні добрива (NH) 2SO4 і NH4NH3, які фільтруються.
Недоліком даного методу є:
· недостатньо повне розкладання шкідливих речовин до води і вуглекислого газу, у разі окислення органічних компонентів, при прийнятних енергіях розряду
· наявність залишкового озону, який необхідно розкладати термічно або каталітично
· істотна залежність від концентрації порошку при використанні озонаторів із застосуванням бар'єрного розряду.
3.7 Плазмокаталітичний метод
Це досить новий спосіб очищення, який використовує два відомі методи, – плазмохімічний і каталітичний. Установки, що працюють на основі цього методу, складаються з двох ступенів. Перша – це плазмохімічний реактор (озонатор), друга - каталітичний реактор. Газоподібні забруднювачі, проходячи зону високовольтного розряду в газорозрядних осередках і взаємодіючи з продуктами електросинтезу, руйнуються і переходять в нешкідливі з'єднання, аж до CO2
і H2
O. Глибина конверсії (очищення) залежить від величини питомої енергії, що виділяється в зоні реакції. Після плазмохімічного реактора повітря піддається фінішному тонкому очищенню в каталітичному реакторі. Синтезований в газовому розряді плазмохімічного реактора озон потрапляє на каталізатор, де відразу розпадається на активний атомарний і молекулярний кисень. Залишки забруднюючих речовин (активні радикали, збуджені атоми і молекули), не знищені в плазмохімічному реакторі, руйнуються на каталізаторі завдяки глибокому окисненню киснем.
Перевагою цього методу є використання каталітичних реакцій при температурах, нижчих (40-100 °C), ніж при термокаталітичному методі, що призводить до збільшення терміну служби каталізаторів, а також до менших енерговитрат (при концентраціях шкідливих речовин до 0,5 г/м3
).
Недоліками даного методу є:
· велика залежність від концентрації порошку, необхідність попереднього очищення до концентрації 3-5 мг/м,
· при великих концентраціях шкідливих речовин(понад 1 г/м3
) вартість устаткування і експлуатаційні витрати перевищують відповідні витрати порівняно з термокаталітичним методом.
Зараз широко вивчається і розвивається фотокаталітичний метод окислення органічних сполук. В основному при цьому використовуються каталізатори на основі TiO2
, які опромінюються ультрафіолетом. Відомі побутові очищувачі повітря японської фірми "Daikin", що використовують цей метод. Недоліком методу є засмічення каталізатора продуктами реакції. Для вирішення цього завдання використовують введення в суміш, що очищається, озону, проте дана технологія застосовується для обмеженого складу органічних сполук і при невеликих концентраціях.
4. АПАРАТИ ДЛЯ ЗНЕШКОДЖЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
Для очищення промислових газових викидів від шкідливих газоподібних компонентів можна використовувати різні процеси: абсорбцію, адсорбцію, хімічне перетворення шкідливих газоподібних компонентів на нешкідливі сполуки.
Абсорбція є процесом поглинання пари або газів рідким поглиначем. Абсорбція відноситься до масообмінних процесів. В даному випадку маса передається від газу до рідкого поглинача. При очищенні промислових викидів підбирають поглинач, що абсорбує небажані в газах один або декілька компонентів.
Адсорбція - процес поглинання газу поверхнею твердої пористої речовини. Цей процес також відноситься до масообмінних. Підбором адсорбенту, що поглинає шкідливі газоподібні компоненти, можна досягти високого ступеня очищення газів.
Хімічне перетворення шкідливих газоподібних компонентів на нешкідливе з'єднання проводиться або відновленням, або (частіше) окисленням, причому як окислювач зрештою переважно застосовується кисень повітря, іноді хлор й інші речовини. [9]
4.1 Апарати для абсорбції газових викидів
Для поглинання газоподібних домішок слугують, як правило, водні розчини хімікатів, використовуваних в циклі виробництва, в деяких випадках - чиста вода, а іноді інші поглиначі.
Вибір поглинача у кожному конкретному випадку визначається властивостями по відношенню до компоненту, що абсорбується, і в основному - умовами рівноваги компоненту над поглиначем. Остаточно поглинач вибирають після рішення питання рекуперації уловленого компоненту і регенерації поглинача.
1. Поверхнева (плівкова) абсорбція. Поверхнею розділу фаз є або дзеркало рідини, або поверхня поточної плівки рідини. Ця плівка утворюється на різного роду насадках (трубках, пластинах, кільцях, сідлоподібних тілах, на механічно рухомих лопатях та ін.).
2. Барботажна абсорбція. Поверхня розділу фаз утворюється під час руху газу крізь рідину. Газ вдувається в шар рідини за допомогою різних пристроїв, з яких найбільш простий, - трубка з відкритим кінцем, занурена в рідину. Промислові барботажні абсорбери забезпечені перфорованими трубами для подачі газу, перфорованими днищами (тарілками), під які подається газ.
3. Краплинна абсорбція. Поверхня розділу фаз утворюється розпилюванням рідини в рухомому газі на дрібні краплі (різного роду розпилювачами, або розбризкуванням з шару рідини механічними пристосуваннями).
Кожному виду абсорбції відповідають певні апарати, які у свою чергу діляться по конструкції або типу дії. Проте існує маса прикладів, коли один і той же апарат залежно від режиму може бути віднесений до різних видів систем абсорбції. Найбільш наочним прикладом може служити абсорбер насадки, який залежно від режиму може працювати і як плівковий і як барботажний. [10]
4.1.1 Поверхневі (плівкові) абсорбери
До цього класу відносяться абсорбери поверхневі, плівкові і насадки.
Прикладом колосального поверхневого абсорбера можуть служити водні басейни, що поглинають газові компоненти повітря. Поверхнею масообміну в поверхневих абсорберах слугує дзеркало рідини. Інтенсивність масопередачі при поверхневій абсорбції мала, тому в даний час апарати, засновані на поверхневій абсорбції, застосовуються рідко.
Плівкова абсорбція протікає в тонкій плівці рідини, рухомої по твердій інертній поверхні. Найчастіше перебіг рідини відбувається під дією сили тяжіння і плівка утворюється на вертикальних поверхнях.
Відомо три типи плівкових абсорберів: трубчасті (рідина у вигляді плівки стікає по внутрішній поверхні труб); з листовою плоскопаралельною насадкою і з висхідним рухом плівки.
Трубчасті плівкові абсорбери є вертикальними кожухотрубчастими теплообмінниками (Рис. 4.1, а).
а - трубчастий; б - з листовою насадкою;
в - одноступінчаті з висхідним рухом плівки
Рисунок 4.1 - Плівкові абсорбери
По внутрішній поверхні труб зверху стікає поглинач, газ рухається від низу до верху. У міжтрубний простір подається охолоджуючий або нагрітий агент для підтримки необхідної температури при абсорбції.
Необхідна умова нормальної роботи трубчастих абсорберів - рівномірний розподіл рідини по трубах, для чого необхідна ретельна установка апарату по вертикалі. Для подачі рідини на внутрішню поверхню труб використовують спеціальні пристосування.
Абсорбери з листовою насадкою (Рис. 4.1, б) представляють колону, в якій вертикально закріплена листова насадка із сталі, асбоцементних плит, дерева, пластмас, тканини. Листи можуть бути суцільними гладкими, перфорованими, гофрованими впоперек і вздовж. Необхідна умова нормальної роботи абсорберів цього типу - ретельна установка пластин і рівномірний розподіл рідини.
Абсорбери трубчасті і з листовою насадкою можуть працювати як при прямотоку, так і при протитечії. Швидкість газів у вільному перетині підтримується в межах 2-3 м/с. Рідина стікає по насадці під дією сили тяжіння.
Абсорбери з висхідним рухом плівки так само, як і трубчасті, виконується у вигляді кожухотрубчастих теплообмінників і складаються з пучка труб, закріплених в трубних дисках (Рис. 4.1, в).
Принцип дії цих апаратів полягає в тому, що газ, рухаючись від низу до верху з великою швидкістю (від 10 до 40 м/с), захоплює рідку плівку вгору. Рідина поступає через щілини в трубах. При виході з трубок рідина відділяється у верхній частині апарату, використовуваній як сепаратор.
4.1.2 Насадочніабсорбери
Вони являють собою колони, заповнені насадкою з тіл різної форми. Рідина в основному у вигляді плівки стікає під дією сили тяжіння по поверхні насадки і стикається з газом, рухомим від низу до верху (протитечія) або, рідше, зверху вниз (прямоток). Основна відмінність абсорберів насадок від розглянутих раніше плівкових полягає в тому, що при перетіканні рідини з одного елементу насадки на інший, плівка рідини порушується і на нижче лежачому елементі утворюється нова плівка. У плівкових же абсорберах, як правило, плівка постійна по всій висоті апарату. [10]
Насадка підтримується решіткою з великим живим перетином. Зрошуюча рідина подається на насадку спеціальним зрошувальним пристроєм. Над шаром насадки часто передбачається пристрій сепаратора для запобігання бризковіднесення.
Як насадка, найчастіше використовуються хордова (з дерев'яних дошок, поставлених на ребро, із зазорами для проходу газу) і кільця Рашига. Такі кільця невеликих розмірів (діаметром до 50 мм) укріплюють в навалювання, а великі (діаметром від 50 мм і вище) укладають рядами в так звану "регуляторну насадку".
Окрім цих насадок, часто зустрічаються ще насадки з металевих сіток, спіралей, стружки. За кордоном застосовується сідлоподібна керамічна насадка (з сідел "Берля" і пристроїв "Інталокс").
Зрошувальні пристрої повинні забезпечувати рівномірний розподіл рідини по поперечному перетину колони. Рідина може подаватися струменями і краплями.
Із зрошувачів, що подають рідину у вигляді струменів, найчастіше застосовують: дірчасті труби, дірчасті (розподільні) плити, розподільні жолоби, "павуки", бризкалки, сегнерові колеса.
До розбризкуючих зрошувачів, що подають рідину у вигляді крапель, відносяться тарілчасті і багатоконусні зрошувачі, а також розбризкувачі, що обертаються.
Рідина стікає по насадці у вигляді плівки, а також частково провалюється у вигляді крапель і струменів. Газ рухається по звивистих каналах, утворених порожнечами між тілами насадок. Гідродинаміка руху рідини і газу в абсорберах насадок так само як і в плівкових, визначає значення коефіцієнтів масовіддачі.
4.1.3 Барботажні абсорбери
Барботажні абсорбери підрозділяються на три основні групи: з суцільним барботажним шаром; із ступінчастим контактом тарілчастого типу; з механічним перемішуванням рідини.
Абсорбери з суцільним барботажним шаром. Конструкція простого абсорбера цього типу показанана рис.( 4.2.)
Рисунок 4.2 -Абсорбер з суцільним барботажним шаром
У апаратах цього типу спостерігається перемішування рідини по висоті і рушійна сила по висоті апарату практично однакова. Тому при високих коефіцієнтах масопередачі і розвиненій поверхні контакту фаз ефективність апарату низька і мало залежить від висоти шару піни. Підвищення ефективності спостерігається при зростанні висоти барботажного шару тільки до 50 мм.
Абсорбери із ступінчастим контактом. Такі абсорбери мають в одному корпусі декілька тарілок, розташованих один над одним. На кожній тарілці утворюється барботажний шар і таким чином здійснюється ступінчастий контакт.
Тарілки можна підрозділити на три основні типи:
1. Перехресного типу; у них напрями руху газу і рідини перехрещуються. Ці тарілки мають спеціальні переливні пристрої для проходу рідини з однієї тарілки на іншу.
2. Провального типу, в яких переливні пристрої відсутні, а газ і рідина одночасно проходять через одні і ті ж отвори. На кожній тарілці контакт газу і рідини відбувається по схемі повного перемішування рідини.
3. З однонапрямленим рухом газу і рідини (прямоточні). Такі тарілки мають спеціальні отвори, що додають газу направлений рух. Газ виходить з отворів у напрямі руху рідини по тарілці; це сприяє руху рідини і зменшує подовжнє перемішування рідини. Тарілки описаного типу зазвичай мають переливні пристрої, але існують і конструкції без переливів.
Підвищена швидкість газу сприяє інтенсифікації процесу і зменшенню габариту апарату, проте дуже висока швидкість призводить до бризковідносу. Відстані між тарілками, а отже, габарит апарату при підвищених швидкостях доводиться збільшувати.
Число тарілок визначають після розрахунку коефіцієнта масопередачі і числа одиниць перенесення на тарілку. Визначити число тарілок можна графічно або аналітично.
4.1.4 Розпилюючі абсорбери
Масопередача в них відбувається при русі крапель в потоці газу. Поверхня контакту фаз утворюється внаслідок розпилювання рідини на краплі. Розпилюючі абсорбери можна підрозділити на порожнисті, швидкісні, прямоточні і механічні. [10]
Підвищення швидкості газів призводить до віднесення крапель поглинача. Швидкісні прямоточні розпилюючі абсорбери працюють при швидкості газу від 20 м/с і вище, причому вся рідина несеться з газом і відділяється в спеціальному сепараторі. Основний апарат цієї групи - абсорбер Вентурі і його модифікації.
Абсорбер розпилюючого типу (APT) представляє одну або декілька горловини Вентурі без дифузорів. Рідина розпилюється потоком газу на краплі, які, пройшовши реакційний об'єм, відділяються в сепараторові. Швидкість газу в горловині APT підтримується приблизно 30 м/с, гідравлічний опір через відсутність дифузора зазвичай вище, ніж у TAB при тих же режимах.
Безфорсунковий абсорбер Вентурі дозволяє обходитися без насоса для подачі рідини на зрошування. Газ всмоктується в зазор між краєм конфузора і поверхнею рідини, захоплюючи рідину в апарат.
Ударно-розпилюючий абсорбер є колоною з трубами Вентурі, оснащеними внутрішніми перегородками. Такий абсорбер є апаратом із ступінчастим контактом з протитечією газу і рідини по ступенях.
Струменевий газопромивач ефективно застосовується як абсорбер. Він займає проміжне положення між порожнистими і швидкісними прямоточними розпилюючими абсорберами. По інтенсивності процесу він ближче до швидкісних прямоточних абсорберів, а за принципом організації зрошування (форсунка) - до порожнистих.
4.2 Апарати для адсорбції газових викидів
Поглинаюча здатність компоненту поверхневим шаром твердого поглинача – адсорбенту, обумовлена неоднаковим перебуванням молекул речовини на поверхні і всередині адсорбенту. Неврівноваженість молекул на поверхні адсорбенту створює надлишок вільної енергії, що зменшується при адсорбції різних речовин.
Розрізняється адсорбція фізична і активована. При фізичній адсорбції речовина на поверхні утримується молекулярними силами або силами Вандер-Ваальса. Фізична адсорбція відрізняється великою швидкістю, екзотермічністю, оборотністю, неспецифічністю.[10]
При активованій адсорбції на поверхні адсорбенту утворюється так зване поверхневе з'єднання з компонентом, що поглинається. Молекули компоненту впроваджуються в кристалічну решітку адсорбенту, утворюючи завжди тільки один шар. Активована адсорбція відрізняється: невеликою швидкістю, великою екзотермічністю (на рівні хімічної реакції), в більшості випадків безповоротністю, специфічністю. Для початку активованої адсорбції необхідна активація (підвищення температури, опромінювання і т. д.), а для підвищення швидкості - висока температура.
Швидку адсорбцію з одночасним протіканням хімічної реакції на поверхні і утворенням нової хімічної сполуки називають хемосорбцією.
При адсорбції пари, в порах крупніших розмірів спостерігається конденсація, що називається капілярною.
Характеристика адсорбентів.
Активність адсорбентів характеризується кількістю речовини, що поглинається одиницею маси, або об'ємом адсорбенту, і виражається у відсотках.
Розрізняють активність:
а) рівноважну статичну;
б) максимальну, таку, що досягається в умовах рівноваги при постійній температурі і концентрації компоненту в газі;
в) динамічну, визначувану як час, протягом якого при даних концентраціях, температурі і швидкості газу після шару адсорбенту з'являється непоглинений компонент, тобто спостерігається явище "проскакування".
Найбільш поширені адсорбенти: активне вугілля, силікагель, алюмогель, цеоліти, мінеральні адсорбенти.
Активація є обробкою, що збільшує адсорбуючу поверхню і що звільняє пори від сторонніх речовин. Адсорбційна питома поверхня активного вугілля складає від 600 до 1700 м2
на 1 г адсорбенту.
Вугілля володіє здатністю поглинати пари органічних рідин, води й інші речовини. Застосовується активне вугілля у вигляді зерен розміром від 1 до 7 мм.
Існують декілька марок вугілля, переважних для тієї або іншої мети. Вугілля мазкі АР застосовують для поглинання органічних газів і пари. Вугілля мазкі АГ, АР і СКТ застосовують для адсорбції низькомолекулярних газоподібних компонентів.
Силікагель — продукт зневодненого гелю кремнієвої кислоти. Обезводнення проводять сушкою при температурі 100-150° С до вологості 5-7%. При цій вологості силікагель найбільш активний. Залежно від методу обробки виходять дрібнопористі, середньопористі і великопористі сорти силікагелю (відповідно діаметром пір 20-30; 40-70 і 90-200А).
Розмір зерен силікагелю коливається від 0,2 до 7 мм, форма зерен близька до кульової. Силікагель поглинає вологу, активність, що зменшує його. Він застосовується для поглинання органічних речовин і газів, вологи при осушенні газів і т.д.
Алюмогель виходить при термічній обробці гідрату оксиду алюмінію. Середній діаметр пір 10-20А. Застосовується для осушення газу, а також у ряді спеціальних випадків (хроматографії, каталізі).
Цеоліти - мінерали, що є водними алюмосилікатами натрію або кальцію. Вода цеолітів дуже рухома, легко віддаляється при нагріванні і легко поглинається.
Цеоліти характерні малими розмірами пор (діаметром 3-5 А). У такі пори можуть проникати тільки дрібні молекули, для великих вони непрохідні, тому цеоліти називають "молекулярними ситами".
Цеоліти володіють великою статичною і динамічною активністю при поглинанні води. На цеолітах можна проводити селективну адсорбцію, виходячи з розмірів молекул різних речовин.
Адсорбери. Розрізняються адсорбери періодичної і безперервної дії.
Адсорбери періодичної дії працюють по циклу: адсорбція - десорбція (регенерація), як це видно на (рис. 4.3).
1 - адсорбер; 2 - центральна труба для подачі парогазуватої суміші в адсорбер; 3 - колосники; 4 - колосникові грати; 5 - завантажувальний люк; 6 - люки для вивантаження вугілля і гравію; 7 - опорне кільце; 8 - патрубок кришки, сполучений з центральною трубою; 9 - барботер для подачі пари;
10, 11 - патрубки для манометра і запобіжного клапана; 12, 13 - штуцера для відведення пари з адсорбера при десорбції і виходу повітря, звільненого від пари, що поглинається; 14 - гільза термометра; 15 - відбійник;
16 - штуцер, заглушений свинцевою мембраною;
17 - збірка для конденсату пари; 18, 19 - штуцера для відведення конденсату і подачі води
Рисунок 4.3 - Схема адсорбера періодичної дії
Адсорбер має зверху трубу для введення пароповітряної суміші. Між циліндровою частиною адсорбера і днищем приварені колосники, на які покладена розбірна чавунна колосникова решітка; на неї кладуть або дві металеві сітки, або поміщають шар гравію з розмірами шматків від 5 до 50 мм. При укладанні гравію безпосередньо на решітку поміщають шар кусків найбільших розмірів, в подальших шарах куски поступово зменшуються. Загальна висота шару гравію біля 100 мм. На гравій занурюють адсорбент і зверху покривають металевою сіткою. В апаратах великого діаметру металева сітка, що лежить на шарі вугілля, притримується зверху вантажем (зазвичай чавунними відливами). Іноді між шарами гравію і вугіллям також кладуть металеву сітку. Гравій і вугілля завантажують вручну через завантажувальні люки на кришці адсорбера. На рівні колосникової решітки розташовані люки для вивантаження гравію і вугілля. Пару подають в адсорбер знизу через патрубок в барботер, розташований кільцем в сферичному днищі. [10]
Адсорбційні установки безперервної дії бувають з рухомим поглиначем і з нерухомим його шаром.
Адсорбційна установка з рухомим поглиначем складається з адсорбера і виносного або вбудованого десорбера, через які здійснюється циркуляція адсорбенту за допомогою газу або механічних пристроїв (підйомників).
Адсорбер безперервної дії є колоною, в якій зверху вниз під дією сили тяжіння рухається адсорбент. Він проходить зони охолоджування (холодильник), поглинання, нагріву і десорбції (Рис. 4.4).
I - зона абсорбції; II - зона підігріву; III - зона десорбції; 1, 2, 11 - штуцери; 3 - холодильник; 4, 5 - труби; 6 - сепаратор; 7 - газодувка; у - труба; 9 - приймач; 10 - теплообмінник; 12 - регулятор витрати; 13 - гідрозатвір;14 - труба для подачі адсорбенту вгору
Рисунок 4.4 - Адсорбційна установка безперервної дії
Початкова суміш потрапляє в адсорбційну колону через штуцер 1 і проходить через першу зону в протитечію адсорбенту, що рухається вниз. Основну частину не поглиненого в першій зоні газу видаляють з колони через штуцер 2, інша частина йде по трубах холодильника 3 в протитечію, що охолоджується тут вугіллям. У холодильнику 3 газ також адсорбується вугіллям. Одну частину непоглиненого в холодильнику газу видаляють з колони по трубі 4 (верхній продукт), інша йде в трубу5 і прямує потім в сепаратор для відділення від захоплених потоком частинок адсорбенту. Після сепаратора газ газодувкою по трубі 8 подають в нижню частину приймача 9. Після другої зони (нагріву) в третій, десорбції, адсорбент обробляється гострою парою і додатково підігрівається, проходячи по трубах теплообмінника. Основна частина продуктів десорбції видаляється з колони через штуцер 11. З підігрівача через регулятор 12 витрати і гідро затвору 13, адсорбент потрапляє в приймач 9, звідки струмом газу, що поступає по трубі 8, підіймається по трубі 14 у верхню частину адсорбційної колони.
Адсорбери з шаром адсорбенту (рис.4.5) бувають періодичної і безперервної дії.
1 - обичайка; 2 - люк для завантаження адсорбенту; 3 - сітка;
4 - труба для входу газу
Рисунок 4.5 - Адсорбер з псевдозрідженим шаром
Конструкція адсорбера має просту будову. Обичайка має люк 2, через який поглинач завантажують на гофровану сітку 3. Газ, що очищається, подають в адсорбер по трубі 4. Проходячи через отвори сітки 3, газ підтримує поглинач в псевдозрідженому стані. Габарит адсорбера з псевдозрідженим шаром поглинача втричі менше габариту адсорбера з нерухомим шаром. Опір адсорбера з псевдозрідженим шаром поглинача в 5 разів менше, ніж у разі нерухомого шару. Витрата металу менше в 2,5 рази, а витрата електроенергії — в 5 разів.
4.3 Установки термічного методу знешкодження газоподібних відходів
Для знешкодження газових промислових викидів використовують термічні методи прямого і каталітичного спалювання. Метод прямого спалювання застосовують для знешкодження промислових газів, що містять органічні домішки, що легко окислюються, наприклад пари вуглеводнів. Продуктами згорання вуглеводнів є діоксид вуглецю і вода, а органічних сульфідів — діоксид сірки і вода. [11]
Гази спалюють на установках з відкритим факелом або в печах різних конструкцій. Пряме спалювання здійснюють при температурі 700—800 °С з використанням газоподібного або рідкого палива. Для спалювання необхідний надлишок кисню на 10—15% більше стехіометричної кількості. Якщо теплота згорання вуглеводнів перевищує теплоту реакції на 1,9 МДж/м, то гази спалюють у факелі. Щоб полум'я факела було таким, що не коптить, додають воду у вигляді пари. В цьому випадку відбувається реакція водяної пари з вуглеводнями, що супроводжується утворенням водню і оксиду вуглецю. Кількість пари залежно від концентрації вуглеводнів коливається від 0,05 до 0,33 мг/кг.
Якщо концентрація горючих газів мала і тепла, що виділяється, недостатньо для реакції згорання, то гази заздалегідь підігрівають. [11]
Такі допалювачі застосовують в тих випадках, коли концентрація кисню в спалюваних газах мала (<15%), а об'ємна швидкість газів змінюється в широких межах.
Простішим є допалювач, що має камеру згорання і насадку з вогнетривких матеріалів. Час перебування газу в камері 0,05 з, температура 800—1000 °С, що дозволяє досягти високих ступенів окислення вуглеводнів. Гази, що виходять з камери згорання, або викидаються в атмосферу, або пропускаються через теплообмінник для рекуперації тепла.
Для знешкодження рідких відходів використовують:
1) концентрацію стічних вод з подальшим виділенням розчинених речовин;
2) окислення органічних речовин у присутності каталізатора при атмосферному або підвищеному тиску;
3) рідиннофазне окислення органічних речовин;
4) вогняний метод;
5) виділення розчинених речовин.
ВИСНОВКИ
Отже, слід відзначити, що атмосферне повітря певним чином завжди може мати непостійний відсотковий склад, зазнаючи впливу на нього факторів навколишнього середовища, зокрема різного типу забрудників, а в даному конкретному випадку – промислових газових викидів. В роботі, певним чином, було розглянуто методи процесу очищення повітря, на основі представлених різного типу процесів, а також декілька представлених апаратів стосовно функціонування їх по знешкодженню промислових газових викидів, пріоритети і шляхи застосування цих апаратів. Певним чином, типи забруднювачів окласифіковано: за походженням, за основними групами , за агрегатним станом, за станом аерозольних частинок, за характером впливу на живі організми.В роботі були представлені основні методи стосовно очистки промислових газових викидів, і було розглянуто ряд мегодів: абсорбційний, адсорбційний, каталітичний, термічне допалювання, озонні методи, біохімічні, плазмокаталітичні., термокаталітичні. Стосовно методів, були представлені апарати, такі як: абсорбційні, адсорбційні апарати, їх переваги й недоліки, їх різновиди. Тут методами вирішення проблеми постають технології і апаратне забезпечення підприємств промисловості, методика найоптимальнішого і найефективнішого виявлення і локалізації різних типів забруднюючих повітря речовин, промислових газових викидів і безпосереднього практичного застосування цих процесів.
В майбутньому, пріоритетно якісним буде відзначатись подальше вдосконалення очисних систем і апаратів, винайдення і застосування більш нових і сучасних методів, з якомога меншою собівартістю і максимальною ефективністю в сфері газоочистки.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1. Берлянд Л.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1992 – 272 с., ил., 22 см.
2. Жицька Л.І., Босецька М.П. Аналіз формування складу атмосферного повітря// Раціональне використання природних ресурсів: Тези доп. 2-ї Між. наук. конф. – Черкаси, 2003 – с. 13-14.
3. Сухарев С.М., Чундак С.Ю., Сухарева О.Ю. - Основи екології та охорони довкілля. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів.—К.: Центр навчальної літератури, 2006. – 394 с.
4. Шейкіна О.Ю. Екологічні аспекти забруднення атмосферного повітря// Забруднення: екологічні аспекти. – К, 2007. – груд. (№12). С. 32-33.
5. Курик Н.В. Экология воздушной среды – основа здоровья человека// Женское здоровье. – 2002 - №3-4 с. 28-30.
6. Морачова В.И. Проблемы организации государственного санитарного надзора в крупном промышленном центре в современных условиях// Довкілля та здоров’я. – 2003. - №3 – с. 46-48.
7. Токсичні відходи та поводження з ними// Довкілля Черкащини: - Черкаси, 2003. – с. 83-100.
8. http : // www.air-cleaning.ru/d_method_rev.php
9. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов/Родионов А. И., Кузнецов Ю. П., Зенков В. В., Соловьев Г. С. Учебное пособие для вузов. - М., Химия, 1985. – 352 с., ил.
10. http : // www.air-protection.ru/uog/5_hi.htm
11. http : // www.uberemmusor.ru/index.php?page=content&subpage.