Системы охраны воздушного бассейна

Источниками загрязнения атмосферы являются транспорт (~70%), ТЭС и котельные (~17%), промышленные предприятия (~12%) и прочие (~1%).

Атмосфера – газовая оболочка планеты толщиной ~1000 км, вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы составляет около 5,2 10¹⁵ тонн. Атмосфера условно разделяется «» на несколько зон с различными физико-метеорологическими свойствами (см. рис. 73). Между основными зонами атмосферы расположены переходные зоны, так называемые «паузы» – тропопауза, стратопауза и мезопауза. Наши интересы связаны с нижней зоной, то есть с тропосферой. Тропосфера – основной слой атмосферы, в котором сосредоточено около 75% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена основная часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Состав атмосферы в пределах тропосферы практически не меняется и характеризуется следующим содержанием компонентов (в % по объему): N₂ ~ 78,09%, O₂ ~ 20,95%, A_r ~ 0,93%, CO₂ ~ 0,03%, а также в незначительных долях и водяной пар. В тропосфере температура моря, до ~ +15°С на уровне моря, до ~ -57°С на границе со стратосферой, т. е. на ~ 6,5°С с/км.

Земля и атмосфера – сложная динамическая система с внешним источником энергии - Солнцем. По характеру воздействия Солнца на эту динамическую систему атмосфере могут быть выделены две зоны – «верхняя» и «нижняя». В верхней зоне, расположенной над тропосферой, под воздействием солнечной радиации происходят процессы фотоионизации, фотодиссоциации, полярного сияния и др. В нижней зоне совпадающей с тропосферой, воздействие Солнца сводится к нагреванию земной поверхности и, как следствие, возникновению, в атмосфере градиентов давления и температуры, вызывающих конвективные токи и турбулентность воздуха.

Вредные вещества, поступающие в атмосферу вместе с так называемыми технологическими (~90% от общего объема) и вентиляционными (~ 10% от общего объема) «» выбросами загрязняют окружающую среду и, в частности, воздушный бассейн и оказывают негативное воздействие как на флору и фауну (в том числе и на человека), так и на среду обитания человека (здания, сооружения и т.п.).

С целью защиты окружающей среды и, в частности, атмосферы органами санитарного надзора устанавливаются ограничения на выбросы загрязняющих веществ, которые регламентируются так называемыми предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) и предельно-допустимыми выбросами (ПДВ).

Под ПДК понимается такая концентрация вещества, которая является безвредной для окружающей среды и человека, т. е. не вызывает в его организме каких-либо патологических изменений и заболеваний или резких рефлекторных реакций.

В настоящее время для регламентации вредных выбросов используются понятия предельно-допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны – ПДКрз и предельно-допустимой концентрации в наружном воздухе – ПДКн, для которого устанавливаются максимальная разовая предельно-допустимая концентрация – ПДКмр (концентрация загрязненного вещества, которая при кратковременном воздействии не вызывает рефлекторных реакций в организме человека) и среднесуточная предельно-допустимая концентрация - ПДКсс (концентрация загрязняющего вещества, которая в условиях неопределенно долгого времени не оказывает токсичного воздействия на организм человека).

Значения ПДК (мг/м³) для некоторых загрязняющих веществ приведены в таблице 2

Таблица 2

Вид ПДК	NO2	SO2	CO	Пыль не-токсичная	Сажа	V2O5	Бенз(а) пирен
ПДКрз	2,0			4,0	-	-	-
ПДКмр	0,085	0,5	5,0	0,5	0,15	-	-
ПДКсс	0,04	0,05	3,0	0,15	0,05	0,002	0,000001

Из таблицы 2 видно, что значения ПДКрз существенно превышает значения ПДКн. Это объясняется тем, что ПДКрз устанавливается для физически здоровых людей, работающих на производстве только 8 часов в день, а наружным воздухом постоянно дышать и больные, и старики, и дети.

Нормативные документы [22] требуют, чтобы максимальная концентрация любого загрязняющего вещества Cmi (мг/м³) в приземном слое наружного воздуха населенных пунктов была не больше ПДКн этого вещества:

Сmi < ПДКнi (51)

Однако, целый ряд веществ обладает свойством однонаправленности действия: NO₂ + SO₂; SO₂ +V₂O₅; NO + NO₂ + SO₂ + V₂O₅ и др. Для такого рода веществ должно выполняться условие:

(52)

Если в приземном слое воздуха уже имеются определенные концентрации загрязняющих веществ, называемые фоновыми концентрациями – Сфi (мг/м³), то должно выполняться условие:

Смi + Сфi < ПДКнi (53)

Следует отметить, что ПДК как показатель, регламентирующий качество воздуха, имеет существенные недостатки: 1) достижение ПДК может быть обеспечено не только за счет снижения валового выброса вредного вещества, но и за счет увеличения высоты источника; 2)ПДК учитывает лишь прямое воздействие загрязняющего вещества на человека, на флору и фауну и не учитывает косвенного воздействия (кислотных дождей и т. п.); 3) ПДК не решает проблему уже существующих предприятий, так как часто бывает, что «старые» предприятия уже исчерпали ПДК (т. е. Сфi > ПДК).

Поэтому упор в вопросах регламентации качества воздуха и предотвращения его чрезмерного загрязнения переносится на ограничение валовых выбросов, то есть на такой показатель, как предельно-допустимый выброс загрязняющего вещества (ПДВ) ПДВ (г/с) – такой выброс загрязняющего вещества от конкретного источника, который, с учетом выбросов этого вещества другими источниками, расположенными в данном районе, не приведет к превышению ПДКн.

Атмосферу и ее приземный слой загрязняют своими выбросами как передвижные, так и стационарные источники. К передвижным источникам относятся все виды механических транспортных средств. Все остальные источники выбросов – стационарные.

Выбросы загрязняющих веществ из стационарных источников принято делить на точечные (выбросы из одиночных труб, диаметр устья которых несоизмерили меньше длины факела выброса), линейные (выбросы из аэрационных фонарей или расположенных в ряд труб) и площадные (выбросы из большого числа однотипных источников – труб печного отопления, резервуарных полей и т. п.).

В зависимости от температуры выбросы загрязняющих веществ подразделяются на технологические (горячие) и вентиляционные (холодные). Разделение выбросов на технологические и вентиляционные производится по величине параметра:

f = 1000· (54)

где Wo – скорость выхода газовой смеси из устья источника выброса, м/с; Н – высота источника выброса над уровнем земли, М;?Т – разность температур выбрасываемой заговоздушной смеси и окружающего воздуха, °С; Dэ – эффективный диаметр устья источника выброса, м.

Выбросы с f < 100 (?T >0) относятся к технологическим, а выбросы с f > 100 (?T ~ 0) – к вентиляционным.

В зависимости от высоты и места расположения источника выбросов по отношению к находящимся рядом с ним зданиям, источники подразделяются на высокие, низкие, внешние и внутренние.

Рис. 74.

1 – здание;

2 – высокий внешний источник;

3 – низкий внешний источник;

4 – низкий внутренний источник.

Если высота источника такова, что выбросы из него не загрязняют ветровую циркуляционную зону, то такой источник считается высоким. В противном случае он – низкий. Если Источник находится внутри циркуляционной зоны и выбросы из него в полном объеме поступают в циркуляционную зону, то это низкий источник.

Если выбросы источник лишь частично загрязняют циркуляционную зону, то это низкий внешний источник.

Инженерные методы защиты атмосферы подразделяются на пассивные и активные. К пассивным методам защиты атмосферы относятся такие методы, которые не обеспечивают уменьшения валовых выбросов загрязняющих веществ, а лишь способсьвуют их эффективному рассеиванию в атмосфере до концентрации меньших ПДК. Наиболее характерными пассивными методами защиты атмосферы являются методы, связанные с увеличением эффективной высоты рассеивания загрязняющих веществ: увеличение геометрической высоты источника выбросов; увеличение скорости выхода газообразного выброса из устья источника; увеличение температуры газообразного выброса и др.

Минимальная высота одиночного источника Н(м) вентиляционного выброса с круглым устьем для веществ, не обладающих эффектом суммации вредного действия, рассчитывается по формуле:

, (55)

а для веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия – по формуле:

, (56)

Минимальная высота одиночного источника технологического выброса Н(м) с круглым устьем для веществ, не обладающих эффектом суммации вредного действия, рассчитывается по формуле:

(57)

а для веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия – по формуле:

(58)

В формулах (55) – (58) приняты следующие обозначения: А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (для РК – А = 200); М – валовый выброс загрязняющего вещества, г/с; М₁^пр - приведенный к одному веществу суммарный валовый выброс загрязняющих веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия, г/с; - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания загрязняющего вещества в атмосфере; и – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности на эффективность рассеивания; ₁ – расход газовоздушной смеси, м³/с;?Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха, °С; ПДК – предельно-допустимая концентрация загрязняющего вещества, мг/м³; ПДК₁ - предельно-допустимая концентрация загрязняющего вещества, к которому приводится валовый выброс, мг/м³; Сф – фоновая концентрация загрязняющего вещества мг/м³; Сф₁^пр - приведенная к одному веществу суммарная фоновая концентрация загрязняющих веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия, мг/м³.

К активным методам защиты атмосферы относятся методы, обеспечивающие снижение валовых выбросов загрязняющих веществ – малоотходные технологии и очистка выбросов от твердых и газообразных компонентом. Наиболее перспективными и прогрессивными методами охраны атмосферы следует считать экологически чистые или малоотходные технологические циклы различных производств. Однако, в настоящее время, основным средством борьбы с вредными выбросами промышленных и коммунальных предприятий является использование очистных устройств, обеспечивающих извлечения из газообразных выбросов загрязняющих веществ и возможность их утилизации.

Для очистки вентиляционных и технологических выбросов от твердых частиц используются различного рода пылеуловители: пылеосадочные камеры; масляные, волокнистые и губчатые фильтры; жалюзийные пылеуловители; циклоны; аппараты мокрой очистки; электрические пылеуловители и др.

Наиболее широкое распространение в качестве пылеуловителей получили циклоны. Принцип их действия (см. рис. 75) основан на создании закрученного движения запыленного газового потока, которое обеспечивается либо тангенциальным подводом газа, либо с помощью специальных закручивающих устройств (завихрителей). Твердые частицы, движущиеся в закрученном газовом потоке, под действием центробежной силы, отбрасываются на стенку циклона, при ударе о которую теряют скорость (тормозятся) и под действием силы тяжести, в пристенном слое газа, движущемся с небольшой скоростью, опускаются в коническую часть циклона, откуда выводятся в пылевой бункер.

Рис.75.

1- корпус; 2- входной патрубок; 3-выходной патрубок; 4- вход запыленных газов; 5- выход очищенных газов; 6-отвод пыли.

Методы очистки вентиляционных и технологических выбросов от газообразных компонентов определяются их видом, физическими Рис.75. и химическими свойствами. В частности, для очистки газообразных выбросов от оксидов серы используются известковый, аммиачный и другие методы «мокрой» очистки или абсорбционные и адсорбционные методы «сухой» очистки.

В качестве примера на рис. 76 представлена технологическая схема известково-известнякового метода мокрой очистки газов от SO₂ , обеспечивающего достаточно высокую эффективность (до 90 – 92%).В процессе очистки газы подаются в абсорбер, где орошаются смесью суспензии известняка CaCO₃ и известкового молока Ca(OH)_2. При противоточном движении очищаемых газов и реагентовпоглотителей происходит абсорбция SO₂ с образованием сульфита кальция:CaCO₃ + SO₂ = CaSO₃ + CO₂; (59) Ca(OH)₂ + SO₂ = CaSO₃ + H₂O. (60) Полученный сульфит кальция перерабатывается в товарную продукцию – в гипс CaSO₄ путем продувки суспензии CaSO₃ воздухом в специальном реакторе – окислителе.

Для очистки газообразных выбросов от оксидов азота могут использоваться различные «режимные» методы, обеспечивающие снижение интенсивности процессов образования оксидов азота, и радикальные методы очистки – селективный метод каталитического восстановления оксидов азота аммиаком, высокотемпературный метод восстановления оксидов азота аммиаком и др.

1 – абсорбер; 2 – вход газов;

3 – выход газов; 4 – реактор-

окислитель; 5- насос пульпы;

6 – фильтр-классификатор;

7 – циркуляционный насос;

8 – гидроциклон; 9 – центрифуга;

10 – сборник воды; 11 – выход гипса;

12 – воздух от компрессора;

13 – свежая суспензия известняка

Рис. 76.

В качестве примера на рис. 77 представлена схема селективного метода каталитического метода восстановления оксида азота аммиаком, обеспечивающего эффективность очистки газов до 90%. Очистки подвергаются технологические выбросы с температурой 300-400°С. В процессе каталитической очистки оксид NO восстанавливается аммиаком с образованием молекулярного азота:

6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O; (61)

4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O. (62)

Следует отметить, что наиболее эффективная защита воздушного бассейна от загрязняющих веществ вентиляционных и технологических выбросов может быть обеспечена только путем комплексного использования пассивных и активных методов защиты атмосферы.

1-каталитический реактор;

2-пластинчатая или сотовая

насадка, покрытая каталитической

массой; 3 – вход газов;

4 – выходгазов; 5 – подвод аммиака.

Рис. 77

Кроме того, улучшению состояния приземного слоя атмосферы способствуют и рациональные архитектурно-планировочные решения городов и пром.площадок, направленный на эффективную аэрацию (проветривание) их территорий.

Рекомендуемая литература: 8 осн. [4-11; 57-101; 108-109]; 14 доп. [30-36; 75-80; 114-130].

Контрольные вопросы:

1. Строение и состав атмосферы.

2. Придельно-допустимые концентрации и предельно-допустимые выбросы загрязняющих веществ.

3. Классификация источников выбросов веществ, загрязняющих атмосферу.

4. Пассивные и активные методы защиты атмосферы.

Дата добавления: 2015-07-18