Лекция. Вопросы защиты окружающей среды при проектировании теплотехнологических высокотемпературных установок
ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК
Высокотемпературные установки являются одним из основных источников всевозможных промышленных отходов и выбросов, загрязняющих биосферу или окружающую среду. К ним относятся различные твердые и расплавленные отходы (шлаки, зола, пиритные огарки, технологическая пыль, шламы), сточные воды (растворы солей, кислот, щелочей и органических веществ и др.), газообразные выбросы продуктов горения топлив и химических превращений технологических материалов, вентиляционные выбросы цехов и т.п.
К энергетическим загрязнениям относят неблагоприятные энергетические воздействия на окружающую среду – локальное повышение температуры водоемов вследствие тепловых выбросов с горячими продуктами технологического процесса (технологические продукты и отходы, уходящие из установки газы, нагретая вода и т. п.), вибрация и шум (в том числе ультра- и инфразвуки), различные излучения – электромагнитные, ионизирующие, инфракрасные, ультрафиолетовые и др.
Существенное значение для решения экологических проблем имеет обеспечение чистоты воздушной среды. Между тем производственные газовые выбросы часто включают вредные для человека компоненты, например, оксид углерода СО, оксиды серы SОx, оксиды азота NОx, аммиак NHз, сероуглерод СS2, сероводород Н2S, фтористый водород НF, канцерогенные вещества, которые имеют разную степень токсичности. В результате специальных исследований установлены допустимые концентрации в воздухе тех или иных вредных веществ, которые при ежедневном в течение длительного времени воздействии не вызывают каких-либо патологических изменений в организме или заболеваний человека.
Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245–71 для населенных мест, а ГОСТ 12.1.005–76 «Воздух рабочей зоны» – для рабочей зоны производственных помещений установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) более 800 вредных веществ в воздухе. Эти нормы постоянно дополняются, обновляются и совершенствуются.
Концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест не должны превышать ПДК максимально разовых и среднесуточных, а в производственных помещениях – ПДК рабочей зоны.
При проектировании ВТУ разрабатываются мероприятия, направленные на предотвращение и уменьшение загрязнения воздушного бассейна, причем наибольший эффект достигается при сочетании технологических мероприятий с очисткой газов перед их выбросом. К технологическим мероприятиям, которые наиболее рациональны, относятся совершенствование технологического процесса в направлении как уменьшения образования вредных веществ, так и герметизации установок. Например, для сокращения образования оксидов азота может быть осуществлено ступенчатое сжигание топлива при умеренных температурах, для снижения содержания оксида углерода в продуктах горения следует применить кинетические горелки с предварительной подготовкой горючей смеси и установить достаточный коэффициент расхода окислителя (при этом, однако, могут образовываться оксиды азота), для значительного сокращения пылеуноса из рабочей камеры установки следует сгранулировать высокодисперсную шихту перед ее термической обработкой.
Однако полностью исключить образование вредных веществ при осуществлении высокотемпературного технологического процесса вряд ли возможно, а в ряде случаев особенности и требования технологии не позволяют организовать процесс так, чтобы уменьшить образование вредных веществ. Поэтому возникает задача их улавливания и переработки в полезный продукт или обезвреживания. Действительно, за пределами рабочей камеры может быть организовано дожигание СО, Н2S, СS2 и других вредных горючих компонентов, окисление паров органических соединений и т. п.
Имеется огромное многообразие устройств для очистки газов от пыли, которые согласно ГОСТ 12.2.043–80 «Оборудование пылеулавливающее. Классификация» подразделяются по использованию воды на сухие и мокрые пылеуловители, а по принципу отделения частиц пыли из несущего их газового потока на гравитационные, инерционные, фильтрационные и электрические. В каждой из этих групп имеется большое разнообразие конструкций аппаратов газоочистки. В ряде конструкций используется комбинация сепарирующих сил, например, гравитации и инерции.
Гравитационные пылеуловители представляют собой пылеосадительные камеры, в которых выпадение частиц из газового потока происходит под действием силы тяжести. Они применяются для улавливания наиболее крупных частиц, относительно громоздки (нужны малые скорости газов), но имеют малое аэродинамическое сопротивление и сравнительно дешевы.
Инерционные пылеуловители используют для отделения частиц уноса силы инерции, возникающие при изменении направления или скорости запыленного потока газов. К ним относятся различные жалюзийные, циклонные и ротационные аппараты. Инерционные пылеуловители более компактны, чем гравитационные, обеспечивают более высокую степень улавливания, но имеют существенно большее аэродинамическое сопротивление. Особенно хорошую очистку газов обеспечивают батарейные или мультициклоны, которые составлены из группы циклонов малого диаметра, включенных параллельно по газам. Инерционные ротационные аппараты имеют принудительно вращающийся ротор, закручивающий пылегазовую смесь, из которой под действием центробежной силы и кориолисова ускорения выделяются частицы.
В фильтрационных пылеуловителях очистка газа от пыли происходит за счет зацепления частиц за преграду при прососе газов через слой пористого материала – ткани, зернистой засыпки и др. Такие аппараты обеспечивают тонкую очистку газов, но постепенно забиваются пылью, аэродинамическое их сопротивление растет, и необходима периодическая регенерация фильтрующего слоя – стряхивание, продувка сжатым воздухом и др.
В электрофильтрах частицы, несомые газовым потоком, заряжаются в электростатическом поле и движутся к заземленному пылеосадительному электроду. Накапливающиеся на пылеосадительных электродах частицы периодически при прекращении движения газов стряхиваются механически или смываются (могут и непрерывно) водой. Электрофильтры обеспечивают наиболее высокую степень улавливания пыли (не менее 0,99) при умеренных эксплуатационных затратах и потреблении энергии, но стоимость их наиболее высокая.
Аппараты мокрой очистки действуют по принципу осаждения частиц на поверхности капель или пленки воды. Мокрые пылеуловители имеют высокую эффективность и ряд преимуществ по сравнению с сухими: протекает коагуляция мелких частиц, повышена степень улавливания пыли, особенно для хорошо смачиваемых частиц, возможна очистка горячих и взрывоопасных газов. Но мокрые пылеуловители требуют организации системы подвода и отвода воды, удаления шлама; имеет место вынос капель в атмосферу, образование отложений и наростов на стенках аппаратов и отводящих газоходов, ускоренная коррозия металлических частей и усложнение эксплуатации. К мокрым пылеуловителям относят различные скрубберы – форсуночные и центробежные безнасадочные, с орошаемой насадкой и трубы Вентури, ударно-инерционные и барботажно-пенные аппараты, ротационные вентиляторные пылеуловители и др.
Выбор аппаратов газоочистки, надежность и эффективность их работы в значительной мере определяются дисперсным составом и физико-химическими свойствами пыли, параметрами транспортирующих ее газов. Целесообразно предусмотреть последовательное включение аппаратов сначала грубой очистки (отстойная камера, скруббер), а затем тонкой (мультициклоны, рукавные фильтры, пенные аппараты, электрофильтры).
ВТУ потребляют значительное количество технической и химически очищенной воды, которая используется как теплоноситель (охлаждающий части и узлы конструкции), как среда (поглощающая и транспортирующая механические и растворимые примеси), как растворитель реагентов и др. При этом вода в общем случае не только нагревается, но и загрязняется механическими примесями (окалина, песок, шламы, масла и т. п.) и различными химическими веществами (соли, кислоты, щелочи, органические и особо токсичные соединения) и превращается в так называемую сточную воду. Большая часть таких вод не может быть сброшена в природные водоемы (реки, ручьи, водохранилища, пруды, искусственные каналы) без нанесения им ущерба, поскольку содержание в них вредных веществ вызовет превышение установленных для водоемов ПДК. Расчет допустимого состава сточных вод, сбрасываемых в водоемы, производится с учетом «Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Правила устанавливают нормы на ПДК веществ и требования к составу и свойствам воды в водоемах по ряду параметров.
Нормами установлены ПДК около 600 вредных веществ в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, а также более 200 вредных веществ в водоемах рыбохозяйственного назначения, причем не допускается присутствие некоторых веществ в воде (например, сульфидов и хрома в рыбохозяйственных водоемах).
Для очистки сточных вод применяется множество методов, которые могут быть разделены на пять классов. Выбор того или иного метода обезвреживания сточных вод или их сочетания определяется фазовым и химическим составами примесей, их физическими свойствами и концентрацией.
При наличии твердых механических примесей и масел (смол, нефтепродуктов и др.) используются механические методы их отделения.
Процеживание – первичная стадия отделения наиболее крупных кусковых (до 25 мм) и волокнистых примесей – осуществляется пропусканием сточной воды через решетки и волокноуловители с непрерывной механизированной их очисткой. Отстаивание сточной воды (пропускание через отстойники) и особенно центробежное отделение в гидроциклонах твердых примесей и масел протекают более интенсивно и позволяют уловить более тонкие частицы, а фильтрование через слой зернистого материала (гравий, песок, керамзит, доломит), металлические сетки или ткани дает тонкую очистку от наиболее мелких частиц. Для эффективного отделения масел используется обработка сточной воды реагентами (H2SO4, NaCl, Na2CO3 и др.) с целью коагуляции мелких частиц, а также применяются методы флотационной обработки. Вместе с тем механические методы не позволяют очистить сточные воды от растворенных веществ.
В биологических методах используются микроорганизмы, культивируемые при определенных условиях на активном иле во взвешенном состоянии, которые разлагают органические соединения с образованием CO2, Н2O, N2 или переводят ядовитые соединения металлов в безвредные используя кислород, растворенный в воде. Однако эти методы могут быть применены лишь при малых концентрациях растворенных примесей (не более 1–5 г/л), требуют строгого поддержания определенных параметров процесса, не универсальны и несовместимы со многими губительными для микробов веществами, присутствующими в сточных водах.
Физико-химические методы позволяют эффективно извлекать из сточной воды многие соединения, но при относительно небольшой их концентрации, сорбционные и ионообменные аппараты требуют систематической регенерации, возникает проблема ликвидации высококонцентрированных водных растворов вредных веществ.
Химические методы применяются для нейтрализации находящихся в сточной воде свободных кислот или щелочей, окисления примесей солей тяжелых металлов, цианидов и др. хлорной известью, перманганатом калия, хлором, а в последнее время озоном для перевода растворенных веществ в нерастворимые соединения. Но часто бывает трудно подобрать химические реагенты для обработки сточной воды, содержащей комплекс разнородных соединений.
При высоких концентрациях органических и минеральных веществ различного характера целесообразно применять термические методы обезвреживания сточных вод, протекающих при повышенных температурах. Сточные воды, содержащие только минеральные примеси без органических веществ, могут подвергаться выпарке, а затем сушке в различных аппаратах, поскольку органика может без изменения перейти в твердый остаток. Жидкофазное окисление позволяет ликвидировать только органические примеси, которые за счет растворенного в воде кислорода превращаются в безвредные соединения (СО2, Н2О, N2), а минеральные вещества остаются в сточной воде. Процесс жидкофазного окисления протекает при умеренной температуре (150–375 °С) и высоком давлении (2–28 МПа), требует сложной и дорогой аппаратуры и мало используется.
При огневом обезвреживании сточная вода распыляется и вводится в высокотемпературные продукты горения топлива (не менее 1000 °С); это наиболее универсальный и широко распространенный метод. Действительно, после испарения капель токсичные органические соединения при высокой температуре разлагаются и полностью окисляются кислородом газовой атмосферы, а минеральные вещества образуют твердые или расплавленные частицы, которые сепарируются из газового потока. Этот метод зарекомендовал себя эффективным и надежным с санитарно-гигиенической точки зрения. Особенно удачны циклонные реакторы различных модификаций, в которых организуется скоростной высокотемпературный вихрь продуктов горения топлива и в одной камере совмещается горение топлива, обезвреживание сточной воды и сепарация расплавленных минеральных частиц.
При проектировании системы очистки сточных вод обычно выбирается комбинация нескольких методов в зависимости от характера, состава и концентрации загрязняющих примесей.
Для обезвреживания твердых производственных отходов имеется ограниченное число методов. Инертные твердые отходы используются при проведении планировочных работ, малотоксичные – подвергаются захоронению на организованных свалках, горючие – сжигаются с использованием теплоты и захоронением твердых очаговых остатков. Однако для этого требуются значительные затраты и не исключен определенный ущерб природе. Значительно целесообразней переработка твердых и расплавленных отходов ОУ в различные технологические продукты. Такие процессы, например, производства шлаковаты, керамзита, гравия и других строительных материалов, достаточно хорошо освоены в промышленности, окупают себя и решают одновременно две проблемы: защиты окружающей среды от этих выбросов и рационального использования сырьевых минеральных ресурсов.
Вообще наилучшим способом использования извлеченных продуктов после обезвреживания отходов производства является вовлечение их в естественный биологический цикл или применение в технологических процессах в качестве исходного технологического материала, хуже – путем захоронения на свалках.
