Основные источники загрязнения атмосферы и методы борьбы с выбросами

Существуют две пути загрязнения атмосферы: естесственный и антропогенный. Загрязнение естественным путем происходит в результате пыльных бурь, вулканической деятельности, лесных пожаров и т.д. В атмосферу при этом попадают как твердые, так и газообразные вещества.

Пыль, поднимаемая с поверхности земли, состоит из мелких частиц горных пород, почвы, остатков растительности и живых организмов. Размеры пылевидных частиц в зависимости от их происхождения составляют от одного до нескольких микрон. На высоте 1−2 км от поверхности земли содержание пылевидных частиц в воздухе обычно составляет от 0,002 до 0,02 , в некоторых случаях эта концентрация может возрастать в десятки и сотни раз. Значительное загрязнение атмосферного воздуха происходит во время пыльных бурь, когда концентрация твердых частиц в воздухе может достигать 100 г/м³ и более [10].

В атмосферном воздухе находится также пыль, появляющаяся в результате лесных, степных и торфяных пожаров. Она представляет собой мельчайшие частицы золы, образующиеся при сгорании органической массы.

Источником загрязнения воздуха твердыми частицами может служить также мировой океан. Мельчайшие брызги воды, поднимаясь над поверхностью моря или океана, довольно быстро испаряются, а растворенные в них соли кальция, магния, натрия, калия в виде микроскопических кристаллов остаются в атмосфере и воздушными течениями переносятся на довольно большие расстояния.

Мощным источником загрязнения атмосферы являются действующие вулканы. При извержении вулканов в атмосферу вместе с газообразными продуктами выбрасывается большое количество пепла. В состав вулканических газов входят HCI, HF, NH₃, CI, CO, S0₂, H₂S, C0₂, H₂, Н₂0 и другие соединения, твердые частицы состоят в основном из Si0₂. Кроме перечисленных источников загрязнения, в атмосферный воздух из межпланетного пространства попадает космическая пыль. Она осаждается на суше и водной поверхности в виде мельчайших частиц (диаметр от 50 до 100 мкм). В течение суток на поверхности земли оседает до 1000 т космической пыли. Временами это количество может возрастать в десятки раз. Хотя количество космической пыли в атмосфере достаточно велико, она не играет существенной роли в загрязнении атмосферы. Кроме частиц неорганического происхождения, в атмосфере содержатся мельчайшие микроорганизмы, грибки, бактерии, споры. Загрязнение воздушного бассейна от естественных источников следует всегда учитывать при определении общего уровня загрязнения.

Основными источниками антропогенного загрязнения атмосферы являются следующие отрасли деятельности человека: теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, транспорт, химическая, нефтехимическая, нефте − и газоперерабатывающая промышленность, производство строительных материалов, целлюлозно-бумажная и деревообрабатывающая промышленность, сельское хозяйство и другие. Особое место занимает проблема загрязнения атмосферы радионуклидами. Однако эта проблема имеет свою специфику и требует отдельного рассмотрения.

Несмотря на разнообразие производств и отраслей промышленности, основной круг загрязнений атмосферы является ограниченным. В настоящее время идентифицировано около ста основных загрязнений атмосферного воздуха, что в несколько раз меньше количества веществ, которые являются токсичными и вредными. Наиболее массовыми загрязнителями воздушного бассейна являются сернистый ангидрид, окислы азота, окись углерода, различные углеводороды и пыль. На их долю приходится 80−85 % от общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Все методы защиты атмосферы от промышленных выбросов по способу организации можно разделит на три группы [4]:

1) мероприятия по снижению мощности выбросов; для этого необходимо выполнить следующие действия: замена топлива на более экологически чистой; сжигание топлива по специальной технологии (в кипящем слое, после газификации); создание замкнутых производственных циклов;

2) мероприятия по нейтрализации и улавливанию вредных выбросов
системами очистки;

3) мероприятия по нормированию выбросов, как на отдельных
предприятиях, так и в регионе в целом.

По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделяются на пыли, туманы и газообразные примеси.

Методы очистки газов от вредных примесей по механизму действия можно подразделить на две основные группы [10]: физико-механические и физико-химические (рис. 1.1).

Физико-механические методы служат в основном для очистки гетерогенных газовых систем, к которым относятся аэрозоли и газовзвесь. В гетерогенных газовых системах сплошной (дисперсионной) фазой является газ или смесь газов, а дискретной (дисперсной) фазой являются взвешенные твердые или жидкие частицы различного размера.

Аэрозоли условно подразделяют на: мелкодисперсные аэрозоли (размер частиц или капель от 0,01 до 0,1 мкм), дым (размер твердых частиц от 0,1 до 5 мкм), пыль (размер твердых частиц от 5 до 100 мкм), туман (размер капель жидкости от 0,1 до 5 мкм). Кроме того, следует иметь в виду, что в технической литературе пылью также называют высажденные из гетерогенной газовой системы частицы твердой фазы. Под газовзвесью понимается гетерогенная газовая система с размерами частиц или капель жидкости свыше 100 мкм.

Физико-химические методы служат в основном для очистки гомогенных газовых систем, т.е. для удаления вредных газовых или парообразных веществ из потока газовой смеси.

При физико-механических методах очистки газовых смесей в различных типах оборудования действуют один или несколько механизмов осаждения (выделения) частиц из газового потока.

Гравитационное осаждение (седиментация) происходит под действием силы тяжести, действующей на частицы, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.

Центробежное осаждение происходит под действием центробежной силы, действующей на частицы, двигающиеся в газоочистном аппарате по криволинейным траекториям.

Инерционное осаждение происходит под действием сил инерции, возникающих при резких изменениях направления движения частиц, при прохождении гетерогенной системы через газоочистной аппарат.

Осаждение зацеплением (касанием) происходит за счет поверхностных сил, возникающих при касании частиц фильтровальных перегородок, жидкостных пленок и капель, рабочих элементов газоочистного оборудования при движении сквозь них гетерогенных систем.

Электрическое осаждение происходит под действием сил электрического поля, действующего на заряженные частицы, при движении гетерогенных систем через газоочистной аппарат.

Диффузионное осаждение происходит под действием непрерывно направленного воздействия молекул газа, находящихся в броуновском движении, на частицы, что приводит к их осаждению на поверхности обтекаемых тел или стенок газоочистного аппарата.

В основе метода конденсации лежит явление уменьшения давления насыщенного пара вредного компонента при понижении температуры парогазовой смеси, что приводит к образованию тумана и высаждению его на рабочих поверхностях газоочистного аппарата или каплях орошающей жидкости.

При реализации физико-химических методов проявляются иные механизмы, приводящие к очистке газовых смесей от вредных примесей.

Абсорбционные методы очистки основаны на избирательном извлечении одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими (абсорбентами). Если процесс извлечения идет без химической реакции, то абсорбция называется физической. При наличии химического взаимодействия между извлекаемым компонентом и поглотителем процесса именуется химической абсорбцией, или хемосорбцией.

Адсорбционные методы очистки основаны на избирательном извлечении одного или нескольких компонентов из газовой смеси твердыми поглотителями (сорбентами). Различают физическую адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции извлеченные молекулы газов и паров удерживаются на поверхностях поглотителя силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции − химическими силами.

Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных газовых компонентов в нетоксичные на поверхностях твердых катализаторов.

Термические методы очистки основаны на высокотемпературном превращении токсичных твердых частиц, капель, газов или паров в менее токсичные или безвредные газовые компоненты.

Мембранные методы очистки основаны на различной проницаемости мембран для компонентов очищаемой газовой смеси.

Все процессы и аппараты защиты атмосферы по виду улавливаемого загрязнителя можно разделить на три группы: 1) оттвердых частиц (пыли); 2) от туманов; 3) от газообразных веществ. Аппараты защиты атмосферы от пыли подразделяются на: 1) сухие пылеуловители; 2) мокрые пылеуловители; 3) электрофильтры. Для защиты от туманов применяют туманоуловители. Для защиты атмосферы от газообразных веществ применяется: абсорбция, адсорбция, хемосорбция, термическая и каталитическая нейтрализация вредных веществ. Для очистки газов также применяют биохимическую очистку с помощью биофильтров и биоскрубберов. Процесс извлечения пыли из воздуха включает две операции: 1) осаждение частиц пыли на поверхности осаждения; 2) удаления осадки с поверхности. Первая операция является основным, вторая − влияет на эффективность очистки.