Методическое пособие к лабораторным занятиям по экологической химии для студентов высших учебных заведений по специальности 013100 «Экология», 013500 «Биоэкология»

Очистка атмосферного воздуха

О.В. Ложниченко,к.б.н.,доцентом кафедры гидробиологии и общей экологии, И.В. Волковой, к.б.н., доцентом кафедры гидробиологии и обшей экологии.

Методическое пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры гидробиологии и общей экологии от25НОЯБРЯ 2005г. протокол № 5__

Рецензент:ФедороваН.Н.,д.м.н., профессор кафедры гидробиологиии общей экологии

Астрахань 2005

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАГРЯЗНЕНИИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Загрязнение атмосферного воздуха оказывает неблагоприятное воздействие не только на здоровье самого человека, но также на флору и фауну, наносит большой экономический ущерб от разрушения зданий, сооружений, конструкций, транспортных средств и т. д.

Загрязнение атмосферы можно разделить на локальное и глобальное. При глобальном загрязнении происходит распространение примесей от источника на значительные расстояния локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных центров, районов добычи полезных ископаемых и т. д. Следует подчеркнуть, что атмосферное загрязнение не имеет четких границ, в том числе и межгосударственных. Источникам и загрязнения атмосферы могут быть природные, производственные и бытовые процессы.

В зависимости от происхождения все источники загрязнения

можно объединить в следующие группы:

• естественного происхождения;

• образующиеся в результате сжигания раз личных видов топлива, как в промышленности, так и на автотранспорте;

• образующиеся в результате работы промышленных предприятий;

• образующиеся при утилизации и переработке бытовых отходов.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается более 200 млн т С0₂150 м лн т

SO₂ свыше 50 млн т оксидов азота, более 50 млн т различныхуглеводородов, более 250 млн т аэрозолей ит.д. Кроме того, при сжигании угля в окружающую среду поступает ряд высокотоксичных веществ, таких как ванадий, мышьяк, ртуть, уран, кадмий, бериллий, цирконий, олово и др.

В 1998 году в воздушный бассейн республики выброшено стационарными источниками414,4тыс.твредныхвеществ,втом числе 145,6 тыс. т SO₂ 90,4тыс.т СО; 50,6 тыс. т оксидов азота; углеводородов 65,3 ты с.т; твердых веществ 48,8 тыс. т.

В настоящее время в крупных городах одним из основных загрязнителей воздуха является автомобильный транспорт. Один автомобиль в среднем поглощает ежегодно 4 т кислорода, а выбрасывает в атмосферу с выхлопным и газами около 800 кг оксидов углерода, 40 кг оксидов азота, почти 200кг различных углеводородов и многие другие токсичные вещества. Автомобильные выхлопные газы это смесь газов,содержащая более 200 веществ.

В Республике Беларусь выбросы вредных веществ в атмосферу от автотранспорта за 1998 год составили 1788,2 тыс. т, что более чем в четыре раза больше,чем от всех вместе взятых предприятий. Притом выброс угарного газа составляет 943,5тыс. т.

Сжигание топлива ежегодно вносит в атмосферу не менее 110¹⁰г СО₂.Общее поступление его в атмосферу растет экспоненциально,увеличиваясь на 4—5% в год. Согласно расчетам, концентрация СО, в атмосферном воздухе будет расти и в 2030 г. достигнет 0,07%. А от концентрации СО₂, зависит средне-планетарная температура воздуха, что может сказаться на изменении климата на планете.

Следует отметить, что загрязняющие атмосферу вещества распределяются неравномерно, и в некоторых местах концентрация

загрязнений достигает недопустим о высокою уровня, что при определенных условиях приводит к образованию густыхтоксичных

туманов, называемых смогом. Смог оказывает резко отрицательное влияние на состояние дыхательных путейу здорового человека и приводит к катастрофическом у ухудшению здоровья людей, страдающих различны м и бронхиальным и заболеваниям и.

При определенных климатических условиях возможно образование сухого тумана с влажностью около 70%,называемого фотохимическим,для которого характерна желто-зеленая или сизая дымка. Для его возникновениянеобходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения между загрязняющими воздух веществами. При фотохимических реакциях образуются новые вещества, которые по своей токсичности могут значительно превосходить исходные примеси. У человека фотохимическийсмог вызывает раздражение г лаз, слизистых оболочек носа и горла, симптомы,удушья, обострение легочных заболеваний и т. д.

Наличие промышленныхвыбросов в атмосфере этоточныйиндикатор несовершенства технологии. Поэтому наиболее активным методом охраны атмосферного воздуха от загрязнений является

создание без отходных и малоотходных технологических процессов. Приэтом предполагается как разработка рационального выделения примесей из газов, так и принципиальное изменение технологий либо ее отдельных стадий. Практика показывает, что безотходная технология и есть, в конечном счете,самая выгодная.

Безотходная технология —это технология, при которой энергия и сырье расходуются эконом но, а отходы одних технологических процессов являются сырьем для других. Таким образом,все компоненты исходного сырья используются полностью.

Однако в настоящее время очистка загрязненного воздуха иотходящих газов,образующихся притехнологических процессах,от содержащихся в них вредных компонентов является основным способом защиты воздушного бассейна. Очистка используется во всех случаях, когда использование активных методов пока невозможно или экономически не целесообразно.

К активным методам борьбы сзагрязнением атмосферного воздуха относятся замена токсичных веществ нетоксичными, не утилизируемых отходов —утилизируемы ми, создание новых без отходныхтехнологических процессов и т. д.

Очистка газовыхвыбросов состоит из двух принципиально различных процессов: механическойочистки от аэрозолей (извлечение твердых ижидких примесей—пыли,брызг ит.д.),атакже очистки,обезвреживания обеззараживания и дезодорации газо-и паровоздушных примесей. Все многообразие существующих методов пыле газоочисткиможно свести к нескольким группам: гравитационные, инерционные электростатические, акустические, фильтрация, сухие, мокрые комбинированные.

Очистку в обеспыливающих устройствах можно условно разделитьнагрубую (от частиц размером более 10мкм)итонкую (менее 10мкм).Для грубой очистки используются гравитационные и сухие пылеуловители некоторые фильтры контактного действия. Тонкая очистка проводится инерционных пылеуловителях с применением воды,скрубберахВентури, абсорберах, контактных фильтрах, электрофильтрах и других аппаратах.. На практике нередко применяются комбинации из нескольких методов очистки. Выбор метода обусловлен степенью запыленности газ а, дисперсность частиц и требованиями к очистке.

Лабораторная работа №1

ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ПЫЛИ В ЦИКЛОНАХ

Цель работы: изучение основных закономерностей очисткигазовоздушных выбросов от твердых частиц в циклоне.

Теоретическая часть

Пылеулавливающие системы,в которыхтвердые частицы удаляются закрученного газового потока поддействием центробежных сил, называют циклонами. Циклоны чаще всего относятся каппаратам сухоймеханической очистки. В некоторых случаях на практике используются и мокры циклоны. В настоящее время это наиболее распространенныйв промышленности тип обеспыливающего оборудования. Так, в республике они составляют оке 57% от всего обеспыливающего оборудования. Циклоны просты

конструкции и обычно не имеют движущихся частей, поэтому могут изготавливаться из различных материалов, в том числе из огнеупорных, коррозионностойких. Это обеспечивает возможность очистки газов как при обычных, так и при высоких температурах. В циклонах можно извлекать из газов твердые продукты —пыли в сухом виде.

Циклоны используются для очистки газов от сравнительно крупных

(d > 10мкм)частиц.Приэтом концентрация пыли в очищаемом газеможет быть от 0,1 до 0,4 кг/м³, а достигаемая степень очистки 70 — 95%.

В зависимости от способа придания газовому потоку закручивающего движения циклоны делятся на прямоточные и противоточные. Впрямоточном циклоне газовый поток проходит через специальные криволинейные направляющие лопаткиили через специальные вентиляторы. Наиболее распространены противоточные циклоны, в которых газ на очистку поступает по касательной в верхнюю цилиндрическую секцию. В некоторых случаях для повышения эффективности очистки используются конструкции, в которых сочетаются прямоточный и противоточный принципы очистки.

В практике пылеочистки применяются различные типы циклонов. Наибольшее распространение получили цилиндрические и конические циклоны конструкций. НИИОГЛЗ (рис. 1). Выбор типа циклона обусловливается как характеристикамиочищаемогогаза,такитребованиям и к его очистке. Цилиндрические циклоны относятся к высокопроизводительным, а конические к высокоэффективным. Например, кривая фракционнойэффективностициклонов диаметром 200мм будет иметьвид,. показанный на рис.2.

Рис. 1 Циклоны конструкции НИИОГА3: а — цилиндрический, б-конический.

Рис. 2. Кривая фракционной эффективности очистки циклонов: а — цилиндрического;б — конического

Основным и конструкционным и элементам и циклона конструкции НИИО-ГАЗ (рис.3)являются: цилиндрический корпус- 1,коническое днище- 5, сообщающееся с пылесборником- 6,крышка- 2. Вводочищаемого от пыли газа осуществляется тангенциально со значительной скоростью (до 30м/с) через приваренный к корпусу патрубок- 3. В результате поток газа закручивается вдоль стенки корпуса циклона, при этом частицы пыли под действием сил тяжести и центробежной силы отбрасываются к стенке корпуса,перемещаются вниз в пылесборник- 6. Очищенныйгаз удаляется через выхлопную трубу- 4.

Вследствие интенсивного вращения газа в корпусе циклона статическое давление понижается от его периферии к центру, такое же явление наблюдается в пыле сборном бункере.

Следователь но, необходим а строгая герметичность бункера, т. к. несоблюдение этого условия приводит к резкому снижению пыле-отделения в циклоне. Это объясняется тем, что вихрь, образующийся в циклоне, опирается своим основанием о дно пылесборного бункера и затем винтообразно движется вверх. При отсутствии герметичности в бункере нарушается вращательное движение газ а, что вызывает заметное снижение степени очистки, эффективность очистки также зависит от дисперсного состава частиц пыли, типа аппарата и параметров его работы, затрат энергии на очистку.

Чтобы достичь требуемой степени очистки больших объемов газа от пыли, необходимо увеличение конструкционных размеров (D,H) циклонов. Однако с ростом диаметра циклона при постоянной тангенциальной скорости газового потока центробежная сила, действующая на частицы, уменьшается, и эффективность такой установки снижается. При этом размещение громоздких циклонов при общей компоновке технологического оборудования вызывает целый ряд затруднений и неудобств. Теоретические расчеты показывают, что при одних и тех же скоростях газового потоканебольшие циклоны являются гораздо более эффективным и, особенно для частиц малых размеров, чем большие циклоны.Поэтому на практике широкое распространение получили групповые и батарейные циклоны. В групповых компоновках циклоны устанавливают вокруг вертикального газохода по 10 — 14 шт.

Степень очистки в групповом циклоне обычно принимают равной степени очистки в одиночном циклоне, который входит в данную компоновку.

Батарейный циклон-это пылеулавливающий аппарат, состоящий из большого количества циклонных элементов м алого диаметра, которые объединены в одном корпусе, имеют общие подвод, отвод газов и пылесборник. Принципиальная схема компоновки батарейного циклона показана на рис. 4.

Запыленный газ подается через патрубок- 1 в клиновидную камеру- 2, проходит между выхлопным и трубам и- 5 на закручивающие устройства циклонных элементов- 6. Выделившаяся пыль поступает в пылесборный бункер- 7, а очищенный газ поднимается по трубам - 5 в сборную камеру- 4 и удаляется из аппарата через патрубок- 3.

Батарейные циклоны называют также мультициклонами. В отечественных конструкциях в одном мультициклоне может быть до 792. циклонных элементов при расходе газа до 650000 м '/ч. Диаметр циклонных элементов принимается в пределах 150—250мм. Оптимальная скорость газов в элементах находится в интервале 3,5 —4,75 м/с, для прямоточных циклонных элементов она может быть 11 — 13 м/с.

К важнейшим достоинствам мультициклонов относят их габариты. Так для единичного высокоэффективного циклона производительностью 4600 м ³/ч диаметром 900 мм необходим а высота 7,6 м (циклон, пылесборник и выхлопная труба), а для мультициклона этой же производительности она составляет всего 2,4 м. Но изготовление мультициклоназначительно дороже.

Эффективность батарейного циклона обычно на 20—25%ниже эффективности отдельных элементов. В батарейных циклонах с диаметром 250 мм допускаемая запыленность газов составляет 75 — 100 г/м³в зависимости от закручивающего газовый поток устройства.

Батарейные циклоны не рекомендуется применять для сильно слипающихсяпылей,т. к. резко падает производительность установки.В зависим ости от характеристики пыли и требуем ой степени очистки применяют различные типы мультициклонов.

Таким образом, имея необходимые данные о свойствах пыли, содержащейся в отходящих г аз ах, зная расход газа, учитывая требования к очищенному газу и ориентируясь в различных типах циклонов, можно не только вы брать нужный циклон, но и предложить соответствующую технологическую схему очистки.

Описание лабораторной установки

Схемалабораторнойустановкидля очисткивоздухаотпылиприведена на рис.5. Установка включает циклон- 1, прием ник пыли- 5, источник пыли- 12, ротаметр- 11, вентилятор- 10, алонжи- 3,8 для отбора пыли на анализ,а также распределительные вентили- 2, 4, 7, 9, 13,14.

На даннойустановке можно исследовать степень очисткистипылив зависим ости от ее концентрации, дисперсности и расхода воздуха. По заданию преподавателя установить расход воздуха по ротам етру-11. Воздушный поток направить в источник пыли,который предварительно заполнить каким-либо порошком (например,СаС0₃)определенной степени помола. Затем с помощью вентилей-13,9 и 7 провести отбор пробы пылив в алонж-8,заправленныйбумажным фильтром ипредварительновзвешенный на аналитических весах.Отобрав пробу пыли, направить воздух на с чистку в циклон-1. На выходе из циклона провести также отбор пробы с помощью вентилей-2,4 и алонжа-3, подготовленного, как указано вы ше. Степень очистки воздуха, % рассчитывают по формуле:

где С_вх, С _вых- концентрация пыли на входе и выходе из циклона, м г/л.

Объем пропущенного воздуха определяют по его расходу и времени опыта.

Порядок выполнения работы

Подготовить к работе алонжи для отбора проб пыли. Для этого вставить в них доведенные до постоянной массы стандартные фильтры АФА, ФПП и т. п. А лонжи присоединить к установке согласно приведенной схеме.

Включить вентилятор, установить заданныйрасходвоздуха, от крыть вентили-13,14 и направить аэродисперсный поток через циклон в атмосферу, минуя алонж-3. После установления стационарного режим а отобрать пробу запыленною воздуха на анализ.Для этого необходимо открыть вентиль-7,а также одновременно открыть вентиль-9 и закрыть вентиль-14. При этом поток запыленного воздуха будет проходить через алонж-8, оснащенном фильтром. Работу провести строго по секундомеру. После очистки воздух направлять с помощью вентилей-2 и 4 через контрольный алонж-3 в атмосферу. Отбор пробы пыли на алонж-3 после очистки провести аналогично вышеописанном у, строго замеряя продолжительность отбора и расход воздуха. При этом необходим о воспользоваться вентилям и 2 и4. По окончании опыта фильтры достать из алонжей, довести до постоянноймассы (в эксикаторе)и взвесить на аналитических весах. По разности между массамизапыленногои чистого фильтра найти массу уловленной пыли. По массе уловленной пыли и расходу воз духа определить концентрацию пыли ввоздухе до очистки и после нее по формуле:

и где m₁ и m₂—массы пыли, уловленной на алонжах 8 и3 до очистки и после нее, мг;V₁ и V₂—соответственно объем пропущенного воздуха через алонжи до и после очистки, м³.

Рассчитать эффективность работы циклона (степень очистки), экспериментальные данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Масса фильтра, мг	Продолжительность опыта, мин	Расход воздуха л/мин	Объем воздуха м3	Концентрация пыли, мг/м	Степень очистки. %
начальная	конечная	до циклона	после циклона

Контрольные вопросы:

1. Какие аппараты называются циклонами?

2. Какие вы знаете типы циклонов в зависимостиот движения газового потока?

3. Чем обусловливается выбор циклона при очистке пылевоздушных выбросов?

4.От чего зависит степень очистки газов в циклоне?

5.Что такое групповые и батарейные циклоны?

6.Какие вы знаете преимущества и недостатки циклонов по сравнению с другим и пылеулавливающим и устройствам и?

Рекомендуемая литература

1. Максимова В.Ф., Вольф И.В. Очистка и рекуперация промышлейных выбросов. -М.: Лесная промышленность, 1989. -410 с.

2. Родионов А.И., Кузнецов Ю.В., Зенков В.В. Оборудование и сооружения для защиты биосферы от промышленных выбросов.М,:Химия, 1985.- 352 с.

3. ЧелноковА.А.,Ющенко Л.Ф.Основы промышленнойэкологии.-Мн.: Высшая школа, 2001. — 343 с.

Лабораторная работа №2

ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ АЭРОЗОЛЕЙ НА ВОЛОКНИСТОМ ФИЛЬТРЕ

Цель работы: ознакомление с устройством волокнистого фильтра, изучение зависим ости степени очистки воз духа от ряда технологических параметров (скорости потока, концентрации аэрозоля, плотности орошения фильтра и др.).

Теоретическая часть

Волокнистыми фильтраминазывают пористые перегородки,состоящие избес порядочно расположенных, однако более илименее равномерно распределенных по объему волокон.

В основе работы волокнистых фильтров всех видов лежит фильтрация запыленного газа через перегородку, в процессе которой частицы аэрозоля, взвешенные в газе,задерживаются перегородкой,а газ беспрепятственно проходит сквозь нее.

В зависим ости от вида, структуры и условий работы пористой перегородкиуловленные частицы либо осаждаются на стенках поровых канале в, накапливаясь во всем объеме пористой перегородки, либо образуют на лобовой поверхности перегородки пылевой слой, являющийся высоко эффективной фильтрующей средой.

По мере накопления уловленных частиц сопротивление движению газа непрерывно возрастает, а скорость фильтрации уменьшается.Для поддержания: постоянной скорости фильтрации необходимоувеличивать перепад давления на пористой перегородке. При достижении некоторого предельного сопротивления фильтр приходится подвергать регенерации, осуществляем ой нескольким и способам и:ослаблением фильтровальной ткани и встряхиванием ее в вертикальном и поперечном направлениях;

1. реверсированием потока газов в очищаемой секции;

2. продувкой фильтра мощной струей воздуха.

Иногда применяют комбинации этих методов. В последние годы в промышленную практику вводится акустическая вибрация и воздействие ударных волн низкого давления.

Применяемые фильтры по своей структуре и свойствам очень разнообразны —это могут быть зернистые слои,металлические сетки, керамика и металлокерамика,волокнистые материалы,бумага,ткани.

Размеры поровых каналов в фильтрующей перегородке обычно во много раз превышают раз меры улавливаемых частиц пыли, поэтому фильтрацию нельзя рассматривать как процесс просеивания через некоторое сито. Улавливание частиц, проникающих вглубь, происходит за счет осаждения их на стенках каналов, образованны х тверды м и элементам и перегородки, где они удерживаются силам и адгезии.

Процесс фильтрации можно условно разделить на две стадии. На первой — начальной (стационарная фильтрация)стадии,—осажденные частицы накапливаются внутри пористой перегородки в незначительном количестве, что практически не меняет ее структуры. На второй стадии процесса (нестационарная фильтрация)вследствие большого количества осажденных частиц пористая перегородка претерпевает непрерывные структурные изменения,В соответствиис этим все время изменяются аэродинамическое сопротивление и эффективность работы фильтра, что осложняет процесс фильтрации и с вязанные с этим расчеты. В условиях эксплуатации промышленных фильтров определяющее значение имеет именно нестационарная фильтрация.

Волокнистыефильтры используютприконцентрациидисперсной фазы 0,5—5 мг/м³ итолько некоторые виды регенерируемыхгрубоволокнистых фильтров экономически целесообразно применять приконцентрации5—50м г/м³.

Основным требованием, предъявляемым ко всем фильтровальным материалам для очистки воз духа, является максимальная эффективность очистки при большой скорости фильтрации, малом аэродинамическом сопротивлении и большой пылеем кости. В свою очередь, эффективность очистки, сопротивление и пылеем кость волокнистых фильтров зависят от многих параметров. Например, от скорости движения газа, дисперсного и минералогического состава пыли, влажности газовой среды и самого материала, электрического заряда частиц пылииволокон материала ит. д. В большей степени показатели фильтрации зависят от параметров, характеризующих структуру волокнистого материала.

Для фильтров используют естественные или специально

получаемые волокна диаметром от 0,01 до 100 м км, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред от десятых долей миллиметра (бум ага)до двух метров (многослойные глубинные насадочные фильтры долговременного использования).

Основным свойством волокнистойперегородкиявляется пористость, представляющая собой отношение пустого пространства (объема пор)между тверды м и не проницаемымиэлементами пористой среды к общем у объем у, занимаемому пористой средой. Величину объем а твердых элементов фильтрующейперегородки,заключенную в единице объемапористойсреды, называют плотностью упаковки -

Пористость фильтрующей среды и плотность упаковки- можно определить из выражения:

где ρ_э - плотность материала элементов фильтрующей среды, кг/м³; ρ_ф - кажущаяся плотность фильтрующей среды, кг/м³.

Важной характеристикой пористой перегородки является пылеем кость, которая представляет собой количество пыли, задерживаемой фильтром за период непрерывной работы, т. е. между двум я очередными регенерациям и. Критерием пылеем кости является интенсивность роста удельного сопротивления

где —начальное и конечное сопротивление фильтра, Па; М ₁— удельная пылеем кость фильтра, кг/м ²;

М₁=М/Fгде М —количество уловленной пыли, кг; F—рабочая

поверхность фильтра, м².При заданном предельном сопротивлении пылеем кость фильтра рассчитывается по формуле:

Под скоростью фильтрации понимают условную скорость, получаемую как отношение объемного расхода газа Vr, проходящего через фильтр,к полной площади перегородки. Численно скорость фильтрации равна газовой нагрузке фильтра, т. е. объем у газа, проходящем у через единицу поверхности фильтра в секунду.

Производительность фильтрованной установки зависит в первую очередь от площади, фильтрующей ткани. Привы боре скорости газового потока необходимо учитывать механизм улавливания частиц. Так, при диффузионном механизме она должна быть невысокой, а при инерционном —необходима высокая скорость газовогопотока. Следует учитывать и ряд других факторов. Из практического опыта эмпирически выведены серии оптимальных соотношений между расходом газов и фильтрующейповерхностью. Эти соотношения выводятся отдельно для различных пылеулавливающих материалов итипов оборудования и выражаются в кубических миллиметрах фильтруемых газов за 1 с на 1 м²поверхности,т. е. м м/с. В зависим ости от конкретных условий принятые соотношения колеблются в пределах от 5 до 125 мм/с.

Волокнистые фильтры применяются для очисткигазовоздушных выбросов, как от твердых частиц,так и от капелек аэрозоля. Различие в работе в этих случаях заключается в том, что приулавливании аэрозолянет необходим ости в очистке фильтра от пыли,т. к. уловленные капли стекают с фильтрующей поверхности. Поэтому в конструкции фильтра для улавливания аэрозолей должен быть предусмотрен дренаж уловленной жидкости.

Аэрозольные фильтры используются для улавливания туманов абсорбционных и ректификационных колонн, а также для очистки отходящих газов в производстве кислот.

Главными факторам и при вы боре и оценке фильтров являются стоим ость аппарата и фильтровального материала, его долговечность и энергетические затраты, определяемые аэродинамическим сопротивлением и расходами на регенерацию, а также степень очистки.