Средства защиты атмосферы

Классификация систем очистки воздуха

Загрязнители воздуха могут находиться в разном агрегатном состоянии – это может быть состояние пыли, тумана, газопарообразных примесей. Их можно разделить на первичные – эти загрязнители непосредственно поступают в атмосферу и вторичные, являющиеся результатом их превращений.

В выбросах промышленных предприятий содержатся твердые взвешенные или жидкие частицы. Они представляют собой двухфазные системы. Газы в этой системе являются сплошной фазой, а твердые или жидкие частицы относятся к дисперсной фазе. Исходя из этого, системы очистки воздуха должны быть разные.

Очистка от пыли состоит из 4-х основных групп:

1. Сухие пылеуловителя;
2. Мокрые пылеуловители;
3. Электрофильтры;
4. Фильтры.

Пылеуловители и электрофильтры используются тогда, когда содержание пыли в воздухе повышенно. Тонкая очистка воздуха при концентрации примесей меньше $100$ мг/куб. м осуществляется с помощью фильтров. Присутствующие в воздухе примеси в виде жидкостей – кислот, щелочей, масел, создающих туман, убирают с помощью туманоуловителей и используют для этого волокнистые фильтры. От выбранного метода очистки воздуха зависят средства защиты от газообразных примесей.

В связи с этим выделяют:

1. Метод промывки вредных веществ их растворителями или метод абсорбции;
2. Метод адсорбции. Газообразные примеси поглощаются за счет катализаторов;
3. Метод хемосорбции, с помощью которого происходит промывка выбросов растворами реагентов. Реагенты связывают примеси химически;
4. Сжигание или метод термической нейтрализации;
5. Каталитический метод.

Весь процесс по очистке воздуха можно охарактеризовать основными параметрами:

Насколько эффективна общая очистка воздуха, показывающая степень снижения вредных веществ в применяемом средстве. Эффективность характеризуется коэффициентом $h= \frac{C_{вх} – C_{вых}}{C_{вх}}.$ Cвх и Cвых, представляют концентрацию вредных веществ до и после очистки воздуха.

Оказываемое гидравлическое сопротивление. Это разность давления на входе и выходе из системы очистки $DP=\frac{xrV2}{2}$, $X$ – гидравлическое сопротивление, $r$– плотность воздуха (кг/ куб. м), $V$ – скорость воздуха (м/с). Производительность процесса показывает, какой объем воздуха проходит через систему за единицу времени (куб.м/час).

Механические системы очистки воздуха

Чтобы промышленные выбросы очистить от твердых и жидких вредных примесей используют улавливающие аппараты различных конструкций.

Принцип их работы:

Инертное осаждение. Суть его заключается в том, что направление вектора скорости движения выброса резко изменяется. Под действием инерционных сил твердые частицы будут двигаться в прежнем направлении, и попадать в приёмный бункер.

Осаждение гравитационными силами. Осаждение под их действием происходит из-за различной кривизны траектории движения газов и частиц. Вектор скорости его движения направлен горизонтально.

Осаждения центробежными силами. Суть его в том, что вредным выбросам придается вращательное движение внутри циклона и твердые частицы в результате этого центробежной силой отбрасываются к сетке. Поскольку центробежное ускорение больше ускорения силы тяжести в $1000$ раз, то удалить можно даже мелкие частицы. Циклоны, как правило, используются для сухой очистки воздуха. Частицы пыли осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Через специальную выходную трубу выходит чистый воздух. Важным в этом процессе является герметичность бункера, чтобы осаждаемые частицы пыли не попали в выходную трубу. Концентрация и размер частиц пыли влияют на эффективность циклонов. Улавливающая способность циклонов в общей степени составляет $95$ %. Небольшие размеры, отсутствие движущихся деталей, простота конструкции являются основными преимуществами циклонов. К недостаткам относятся затраты энергии на вращение и значительный абразивный износ его частей.

Механическая фильтрация выброса через пористую перегородку. В процессе такой фильтрации задерживаются аэрозольные частицы, и полностью проходит газовая составляющая.

К механической системе очистки воздуха относятся мокрые пылеуловители. Это скрубберы, особенностью которых является эффективность очистки от мелкодисперсной пыли. Данные системы очищают от пыли горячие и взрывоопасные газы. Принцип их работы заключается в осаждении частиц пыли под действием сил инерции на поверхность жидких капель. В качестве такого химического орошающего агента может быть известковое молоко, которое подаётся в скруббер. В этом случае будет происходить химическая очистка газов. Сухие пылеуловители очистку от пыли движущегося воздуха производят механически под действием сил гравитации и инерции и называются инерционными. Если направление движения воздуха будет резко изменено, то частицы пыли по инерции сохранят направление своего движения, ударятся о поверхность, потеряют свою энергию и, под действием сил гравитации, осядут в специальном бункере.

Один из эффективных способов очистки газов от пыли является электрический способ, который осуществляется с помощью электрофильтров. В неоднородном электрическом поле, создаваемом между коронирующим и осадительным электродами, действует ударная ионизация газа. Попавшие между электродами загрязненные газы, вследствие частичной ионизации, проводят электрический ток. Частицы с отрицательным зарядом направляются к осадительному электроду, с положительным зарядом оседают на коронируюшем электроде. Если учесть, что частицы пыли получают в основном отрицательный заряд, то её основная масса будет находиться на положительном осадительном электроде. Удалить её с этого электрода не является большой сложностью. С помощью электрофильтров очистка газов доходит до $97$ %. В этом процессе тоже есть свои преимущества – удаляются мелкие частицы от $0,2$ мкм и свои недостатки – большой расход энергии, необходимость следить за чистотой электродов, высокие требования к технике безопасности.

Тонкую очистку выбросов производят с помощью фильтров, которые имеют пористую перегородку. В процессе фильтрования воздуха перегородка задерживает твердые частицы. Чаще всего промышленность использует тканевые рукавные фильтры, в корпусе которых устанавливается нужное число рукавов. Загрязненный воздух подается на рукава, а очищенный воздух выходит через патрубок. Поскольку рукава содержат загрязненные частицы и насыщены ими, то их обычно продувают и встряхивают для удаления осажденной пыли.

Физико-химические методы очистки загрязненного воздуха

Среди физико-химических методов очистки воздуха надо назвать метод абсорбции. Суть его заключается в разделении на составные части газовоздушной смеси. Происходит это разделение при поглощении газовых компонентов абсорбентом, который и является поглотителем. Абсорбент имеет определенный состав и выбирается исходя из того, как в нем растворяется поглощаемый газ.

Чаще всего в абсорберы подается жидкий реагент вместо воды. От скрубберов абсорберы отличаются тем, что имеют насадку, которая увеличивает площадь поверхности контакта газа и жидкости. Происходит механическая и, в основном, химическая очистка газов от целого ряда вредных выбросов, среди которых оксиды азота, сера, уголь, сероуглерод, меркаптан. Высокая скорость абсорбции достигается при высоком давлении и низкой температуре.

Метод адсорбции, среди всех методов защиты воздушного бассейна он относится к одному из самых распространенных. В основе метода лежат физические свойства ряда пористых материалов, способных извлекать отдельные компоненты из газовоздушной смеси. Основным адсорбентом в промышленности является активированный уголь. С помощью адсорбции проводится очистка вредных выбросов при высоких температурах. Используют активированный уголь для очистки газов от рекуперации растворителей, дурно пахнущих веществ и др. С точки зрения конструкции адсорберы представляют собой заполненные адсорбентом вертикальные или горизонтальные ёмкости и через них проходит поток очищаемых газов.

Хемосорбция как метод очистки основана на поглощении паров и газов. Поглощение осуществляется жидкими или твердыми поглотителями с образованием химических соединений. Применяемые для этого метода установки напоминают абсорберы.

Каталитический метод использует специальное вещество – катализатор, при взаимодействии с которым токсичные компоненты газовоздушной смеси становятся безвредными веществами. Катализаторами могут быть металлы и их соединения, например, платина, оксиды меди, марганца. Катализаторы ускоряют химический процесс и могут быть в виде шаров, колец, спиральной проволоки.

Чтобы очистить газ от вредных веществ используют термический метод, который требует поддержания высоких температур и наличия кислорода. С помощью термических катализаторов сжигаются углеводороды, оксид углерода, выбросы, сделанные с лакокрасочного производства.

Классическим примером очистки газов этим способом являются факелы на нефтеперерабатывающих заводах. Отработавшие газы предприятия, имеющие разное содержание горючих веществ, собирают в одну магистраль и на высоте около $100$ м сжигаются. Сжигание этих газов обязательно, потому что они ядовиты и взрывоопасны. В результате сжигания вредных примесей происходит полная очистка газов с выделением оксида углерода и пара, но при этом расходуется много топлива.