Экология. Экология (7). Практическая работа Демографическая емкость территорий Тема Основные положения классической экологии
 Скачать 0.59 Mb.
|
Практическая работа № 3. Методика расчета рассеивания выбросов в атмосферуТема 2. Влияние современной антропогенной деятельности на биосферу Цель работы: получение практических навыков расчета рассеивания выбросов в атмосферу. Задачи: изучить теоретический материал; изучить методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий; рассчитать СМ (максимальную концентрацию вредных веществ в приземном слое атмосферы) и Н (минимальную высоту трубы); рассчитать ПДВ (предельно допустимые выбросы) и СМ.Т.(соответствующую ПДВ максимальную концентрацию вредных веществ в устье выбросной трубы или шахты). Учебные вопросы Назовите источники и виды загрязнения атмосферы. Назовите методы очистки газовоздушных смесей. Какие аппараты применяют для очистки выбросов в атмосферу? Какие загрязняющие вещества содержатся в промышленных выбросах? Изучив данную тему, студент должен: иметь представление: о значении, составе атмосферного воздуха; о видах и источниках загрязнения атмосферы; о влиянии вредных выбросов на экосистемы биосферы; знать: законодательные, нормативные документы в области охраны атмосферного воздуха; методы очистки газовоздушных смесей; принципы работы аппаратов по очистке выбросов; уметь: производить расчеты концентрации вредных веществ при выбросах в атмосферу; производить расчеты рассеивания вредных выбросов в атмосферу; владеть: навыками оценки ПДВ в атмосферу; навыками выбора соответствующей аппаратуры для очистки выбросов; методами реализации мер по защите атмосферного воздуха. Методические рекомендации по изучению темы При освоении темы необходимо: изучить теоретический материал; выполнить практические задания; ответить на контрольные вопросы. Теоретический материал Загрязнение атмосферы Земли – принесение в атмосферный воздух новых, не характерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации. По источникам загрязнение делится: на естественное; антропогенное. По характеру загрязнения атмосферы выделяют следующие виды загрязнений: физическое: механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое (например, выбросы тёплого воздуха и т. п.); химическое: газообразные вещества и аэрозоли. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха – это оксид углерода IV, оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы; биологическое: загрязнения микробной природы (например, вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, их токсинами и продуктами жизнедеятельности). Основные источники загрязнения атмосферы: природные (естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относят извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльцу растений, выделения животных и др.); искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп: транспортные, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта; производственные, образующиеся при технологических процессах, отоплении; бытовые, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов. По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы также подразделяются: на механические загрязнители – пыль цементных заводов, пыль от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, истирающиеся автопокрышки и т. д.; химические загрязнители – пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции; радиоактивные загрязнители. Методы очистки Для очистки атмосферного воздуха применяются различные методы очистки газов от технических загрязнений, таких как NOx, SO2, H2S, NH3, оксида углерода, различных органических и неорганических веществ. Абсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе. Абсорбционные системы разделяют на водные и неводные. Во втором случае применяют обычно малолетучие органические жидкости. Жидкость используют для абсорбции только один раз или же проводят ее регенерацию, выделяя загрязнитель в чистом виде. В качестве примеров можно назвать получение: минеральных кислот (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция оксидов азота в производстве азотной кислоты); солей (абсорбция оксидов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков, абсорбция водными растворами извести или известняка с получением сульфата кальция); других веществ (абсорбция NH3 водой для получения аммиачной воды и др.). В зависимости от способа создания поверхности соприкосновения фаз различают поверхностные, барботажные и распыливающие абсорбционные аппараты. Адсорбционный метод является одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Основными промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он менее селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации растворителей и т. д. Основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других примесей. После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий, пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей. После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемосорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов. Для проведения процессов адсорбции разработана разнообразная аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем. В последние годы все более широкое применение получают волокнистые сорбционно-активные материалы. Их отличает более высокая химическая и термическая стойкость, однородность пористой структуры, значительный объем микропор и более высокий коэффициент массопередачи (в 10–100 раз больше, чем у сорбционных материалов). Установки занимают значительно меньшую площадь. Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. Их применение позволяет вернуть в производство ряд ценных соединений. Термическое дожигание представляет собой метод обезвреживания газов путем термического окисления различных вредных веществ, главным образом органических. Применение термических методов дожигания позволяет достичь 99 %-ной очистки газов. Термические методы широко применяются для очистки отходящих газов от токсичных горючих соединений. Разработанные в последние годы установки дожигания отличаются компактностью и низкими энергозатратами. Применение термических методов эффективно для дожигания пыли многокомпонентных и запыленных отходящих газов. Термокаталитические методы газоочистки отличаются универсальностью. С их помощью можно освобождать газы от оксидов серы и азота, различных органических соединений, монооксида углерода и других токсичных примесей. Каталитические методы позволяют преобразовывать вредные примеси в безвредные, менее вредные и даже полезные. Они дают возможность перерабатывать многокомпонентные газы с малыми начальными концентрациями вредных примесей, добиваться высоких степеней очистки, вести процесс непрерывно, избегать образования вторичных загрязнителей. В качестве эффективных катализаторов, находящих применение на практике, служат самые различные вещества – от минералов, которые используются почти без всякой предварительной обработки, и простых массивных металлов до сложных соединений заданного состава и строения. Каталитические методы обезвреживания получили наибольшее распространение. Озонные методы применяют для обезвреживания дымовых газов от SO2 (NOx) и дезодорации газовых выбросов промышленных предприятий. Введение озона ускоряет реакции окисление NO до NO2 и SO2 до SO3. После образования NO2 и SO3 в дымовые газы вводят аммиак и выделяют смесь образовавшихся комплексных удобрений (сульфата и нитрата аммония). Время контакта газа с озоном, необходимое для очистки от SO2 (80–90 %) и NOx (70–80 %), составляет 0,4–0,9 с. Энергозатраты на очистку газов озонным методом оценивают в 4–4,5 % от эквивалентной мощности энергоблока, что является, по-видимому, основной причиной, сдерживающей промышленное применение данного метода. Основное применение озонные методы дезодорации находят при очистке газов, которые выделяются при переработке сырья животного происхождения на мясо-, жирокомбинатах и в быту. Биохимические методы очистки основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами в среде очищаемых газов. Биохимические системы более всего пригодны для очистки газов постоянного состава. Биохимическую газоочистку проводят либо в биофильтрах, либо в биоскрубберах. В биофильтрах очищаемый газ пропускают через слой насадки, орошаемый водой, которая создает влажность, достаточную для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Поверхность насадки покрыта биологически активной биопленкой (БП) из микроорганизмов. Плазмокаталитический метод – это довольно новый способ очистки, который использует два известных метода – плазмохимический и каталитический. Установки, работающие на основе этого метода, состоят из двух ступеней. Первая – это плазмохимический реактор (озонатор), вторая – каталитический реактор. Газообразные загрязнители, проходя зону высоковольтного разряда в газоразрядных ячейках и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в безвредные соединения, вплоть до CO2 и H2O. Глубина конверсии (очистки) зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции. После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе. При фотокаталитическом методе в основном используются катализаторы на основе TiO2, которые облучаются ультрафиолетом. Аппараты очистки атмосферного воздуха Для улавливания взвешенных частиц применяют различную аппаратуру. Наибольшее распространение получили циклонные аппараты для сухого механического пылеулавливания. Очистка технологических и вентиляционных выбросов от взвешенных частиц пыли или тумана осуществляется в аппаратах следующих типов: 1. Механические сухие пылеуловители: пылеосадочные камеры различных конструкций, инерционные пыле- и брызгоуловители, циклоны и мультициклоны. Пылеосадочные камеры улавливают частицы размером более 40–50 мкм, инерционные пылеуловители – более 25–30 мкм, циклоны – 10–200 мкм. 2. Мокрые пылеуловители (скрубберы, пенные промыватели, трубы Вентури и др.) более эффективны, чем сухие механические аппараты. Скруббер улавливает частицы пыли размером более 10 мкм, а с помощью трубы Вентури – размером 1 мкм. 3. Фильтры (масленые, кассетные, рукавные и др.) улавливают частицы пыли размером от 0,5 мкм. 4. Электрофильтры применяются для тонкой очистки газов. Они улавливают частицы размером от 0,01 мкм. 5. Комбинированные пылеуловители (многоступенчатые, включающие не менее двух различных типов пылеуловителей). Выбор типа пылеуловителя зависит от характера пыли (от размеров пылинок и её свойств; сухая, волокнистая, липкая пыль и т.д.), ценность данной пыли и необходимой степени очистки. Сухие пылеуловители 1) Гравитационные. Простейшим типом пылеуловителей являются пылеосадочные камеры, относящиеся к гравитационным пылеуловителям. Их действие основано на том, что скорость потока запыленного воздуха, поступающего в камеру и расширяющегося в ней, уменьшается, вследствие чего находящиеся в нем твердые частицы осаждаются под влиянием собственного веса. 2) Инерционные пылеуловители. К сухим инерционным пылеуловителям относятся циклоны, струйные ротационные пылеуловители типа ротоклон и др. Циклоны представляют собой аппараты, в которых улавливание пыли происходит в результате инерционной сепарации. Циклоны широко применяются для очистки от пыли вентиляционных выбросов, а также находят большое распространение во многих отраслях промышленности (горнорудной, керамической, энергетической и др.). Мокрые пылеуловители Инерционные пылеуловители. К мокрым инерционным пылеуловителям относятся центробежные скрубберы, циклоны-промыватели, пылеуловители Вентури и др. Степень очистки в скруббере колеблется от 86 до 99 % и повышается с увеличением удельного веса пыли, скорости движения воздуха во входном патрубке и с уменьшением диаметра корпуса. Циклоны-промыватели применяют для очистки воздуха от различных видов пыли, кроме цементирующихся и волокнистых. Пылеуловитель Вентури используют главным образом для очистки газов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности, а также для улавливания пыли из вентиляционных выбросов. Действие пылеуловителя Вентури (турбулентного промывателя) основано на использовании энергии газового потока для распыления впрыскиваемой воды. Пенные пылеуловители применяют для очистки от пыли нейтральных газов с температурой до 100 °С, которые не образуют в процессе промывки водой кристаллизующихся солей, забивающих отверстия решеток или отлагающихся на поверхностях аппарата. Пылеуловители других типов Тканевые пылеуловители. При их применении степень очистки воздуха может составлять 99 % и более. При пропускании запыленного воздуха через ткань содержащаяся в нем пыль задерживается в порах фильтрующего материала или на слое пыли, накапливающейся на его поверхности. Тканевые пылеуловители по форме фильтрующей поверхности выполняют рукавными и рамочными. В качестве фильтрующего материала применяют хлопчатобумажные ткани, фильтр-сукно, капрон, шерсть, нитрон, лавсан, стеклоткань и различные сетки. Тканевые рукавные пылеуловители получили большое распространение для улавливания тонких и грубых фракций пыли. Электрические пылеуловители. Эффективность электрического пылеуловителя зависит от свойств очищаемого газа (воздуха) и улавливаемой пыли, загрязнения пылью осадительных и коронирующих электродов, электрических параметров пылеуловителя, скорости движения газа и равномерности его распределения в электрическом поле. В электропылеуловителях содержащиеся в воздухе частицы пыли приобретают заряд и осаждаются на осадительных электродах. Эти процессы происходят в электрическом поле, образованном двумя электродами с разноименными зарядами. Один из электродов является одновременно и осадителем. Фильтры. Воздушные фильтры могут быть разделены на три класса, из которых фильтры I класса задерживают пылевые частицы всех размеров (при низшем пределе эффективности очистки атмосферного воздуха 99 %), фильтры II класса – частицы размером более 1 мкм (при эффективности 85 %) и фильтры III класса – частицы размером от 10 до 50 мкм (при эффективности 60 %). Фильтры I класса (волокнистые) задерживают пылевые частицы всех размеров в результате диффузии и соприкасания, а также крупные частицы за счет их зацепления волокнами, заполняющими фильтр. В фильтрах II класса (с более толстыми волокнами) частицы мельче 1 мкм задерживаются не полностью. Более крупные частицы эффективно задерживаются в результате механического зацепления и инерции. Задержание частиц крупнее 4–5 мкм в сухих фильтрах этого класса малоэффективно. В фильтрах III класса, заполненных более толстыми волокнами, проволокой, перфорированными и зигзагообразными листами и т. п., в основном действует инерционный эффект. Для уменьшения пор и каналов в заполнении фильтров последние смачиваются. Эффективность и сопротивление фильтров внутри каждого из классов неодинаковы. Сухие пористые фильтры. Рулонный волокнистый фильтр ФРУ выполнен в виде коробчатого каркаса, через сечение которого протекает очищаемый воздух. Каркас в верхней и нижней частях имеет катушки-барабаны. На верхнюю катушку наматывается в виде рулона фильтрующий материал, полотнище которого пропускается через живое сечение фильтра и закрепляется на нижней катушке. Воздух, проходя через полотнище, оставляет в нем пыль. Химический и физический состав выбросов Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии. К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон. Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, строительной индустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия (особенно цветной металлургии), которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170 % ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются: а) оксид углерода; б) сернистый ангидрид; в) серный ангидрид; г) сероводород и сероуглерод; д) оксиды азота; е) соединения фтора; ж) соединения хлора. |