Физическая сущность процесса снижения загрязнения воздуха

В связи с тем, что процесс снижения загрязнения технологического сырья в большей степени связан с особенностями "Технологического оборудования" и при правильном подходе может быть успешно реализован совместными усилиями специалистов различного профиля и, прежде всего, технологами, в дальнейшем большее внимание уделим достаточно сложному процессу снижения загрязнения воздуха.

Из блок-схемы физической модели (рис. 1.1) видно, что в процессе воздействия на пылевой или газовый аэрозоль, обозначенный "исходной-2" дисперсной системой, внешними заранее приготовленными "дополнительными" системами происходит перераспределение: параметров свойств (ПС), энергетических параметров (W_s) и устойчивости (U) дисперсных систем.

Второй цикл – снижение загрязнения воздуха – должен обеспечивать снижение концентрации дисперсной фазы аэрозоля во внутреннем объеме помещения до ПДК_рзи в приземном слое атмосферы до ПДК_мр или ПДК_сс. Реализация этого цикла должна предотвращать выход в приземный слой атмосферы загрязняющего аэрозоля и разрушать его. Сложность второго цикла объясняет его деление на несколько этапов.

Для успешного решения поставленной задачи в этом случае необходимо сначала уменьшить степень распространения и локализовать образовавшийся и выделившийся в окружающую среду аэрозоль, который для рассматриваемого цикла будет являться "исходной-2" дисперсной системой (рис. 1.1). В этом заключается цель второго этапа снижения загрязнения воздуха, сущность которого состоит в создании "дополнительной-2.1" дисперсной системы и воздействии ею на "исходную -2" систему так, чтобы в результате этого взаимодействия максимально возможная часть аэрозоля ("исходной-2" системы) была удалена из воздуха рабочей зоны. На практике такое воздействие осуществляют непосредственно в зоне источника выделения 3В.

Положительный эффект этого воздействия может быть достигнут в том случае, если свойства "дополнительной-2.1" системы будут обеспечивать резкое уменьшение устойчивости "остаточной-2.1" системы, находящейся в воздухе рабочей зоны, и стабилизации или незначительное увеличение устойчивости "промежуточной-2.2" дисперсной системы, направляемой к следующему этапу процесса снижения загрязнения воздуха. В соответствии с особенностями и основными задачами этого этапа его целесообразно называть пылегазоулавливанием (ПГУ).

Максимальная эффективность пылегазоулавливания заключается в предотвращении образования "промежуточной-2.1" системы и быстрого перевода "остаточной-2.1" системы из состояния аэрозоля в состояние материала.

Однако в реальных условиях действующего производственного оборудования и динамичности окружающей среды 100%-ной эффективности пылегазоулавливания добиться практически невозможно), что обусловливает наличие в воздухе рабочей зоны помещения "остаточной-2.1" системы, концентрация дисперсной фазы которой не должна превышать ПДК_рз. Поэтому критерием достаточности применения только первого этапа снижения загрязнения воздуха является ПДК_рз.

Образовавшаяся в процессе ПГУ "промежуточная-2.1" система должна быть оттранспортирована за пределы рассматриваемого помещения (в приземный слой атмосферы) что крайне нежелательно, так как концентрация дисперсной фазы "промежуточной-2.1" системы достаточно велика и может привести к превышению ПДК_мр или ПДК_сс.

Поэтому на пути транспортировки "промежуточной-2.1" дисперсной системы реализуют следующий этап процесса снижения загрязнения воздуха, основной целью которого является максимально возможное выделение дисперсной фазы из дисперсионной среды "промежуточной -2.1" системы, а, в конечном счете, ее полное разрушение (переход ее в состояние материала).

Аналогично первому второй этап процесса в общем случае может быть реализован направленным на "промежуточную-2.1" систему внешним воздействием в качестве "дополнительной-2.2" дисперсной системы.

"Дополнительная-2.2" система должна быть приготовлена таким образом, чтобы ее свойства не только обеспечивали бы выделение дисперсной фазы из дисперсионной среды ''промежуточной-2.1"

Рисунок 1.2. Схема трансформации дисперсных систем в процессе снижения загрязнения воздушной среды

системы, но одновременно предотвращали бы сохранение дисперсной фазы "дополнительной-2-2" системы в очищенной дисперсионной среде.

Таким образом, на втором этапе процесса снижения загрязнения воздуха реализуют взаимодействие ''промежуточной-2.1" дисперсной системы с "дополнительной-2.2", в результате которого образуются "остаточная-2.2" и "промежуточная-2.2" дисперсные системы. Так как в этом случае осуществляется очистка воздуха от ЗВ, то второй этап процесса целесообразно называть пылегазоочисткой (ПГО).

К образующимся в процессе пылегазоочистки дисперсным системам также предъявляются определенные требования. "Остаточная-2.2" система должна максимально накопить в себе дисперсные фазы "промежуточной -2.1" и "дополнительной-2.2" систем и с резко уменьшающейся устойчивостью перейти в состояние материала с повышенной устойчивостью. "Промежуточная-2.2" система ввиду невозможности ее полной ликвидации (достичь 100%-ной эффективности пылегазоочистки практически невозможно) должна при стабилизации или незначительном увеличении устойчивости содержать минимальное количество дисперсной фазы, не превышающее ПДК_мр или ПДК_сс при выводе этой дисперсной системы в атмосферу. Если это условие выполняется, то процесс снижения загрязнения воздуха можно считать эффективно реализованным.

Однако в большинстве случаев на практике даже применением максимально эффективных средств не удается обеспечить выполнение этого условия (прежде всего, из-за больших мощностей внешних источников выделения 3В). Не помогает решить задачу и естественное рассеивание 3В в атмосфере, которое в глобальном аспекте наносит значительный экологический ущерб.

В таких случаях "промежуточная-2.2" дисперсная система должна быть направлена к следующему этапу процесса снижения загрязнения воздуха, на дальнейшую обработку. Основной целью последнего третьего этапа снижения загрязнения воздуха является принудительное увеличение степени взаимного разудаления частиц дисперсной фазы "промежуточной-2.2" системы и ускорение перехода этой системы в состояние материала в объеме, максимально приближенном к внешнему источнику выделения (выброса) 3В.

Сущность третьего этапа заключается в активном воздействии "дополнительной-2.3" дисперсной системой на "промежуточную-2.2" систему. При этом свойства "дополнительной-2.3" системы должны обеспечивать достижение основной цели реализуемого этапа. В результате такого воздействия образуются "остаточная-2.3" и "остаточная-2.4" дисперсные системы, к свойствам которых также предъявляются определенные требования. Для "остаточной-2.3" системы концентрация дисперсной фазы не должна превышать ПДК_мр или ПДК_сс, а "остаточная-2.4" система должка обладать способностью максимально аккумулировать в себе дисперсные фазы "промежуточной-2.2" и "дополнительной-2.3" систем и с достаточно большой скоростью переходить в состояние материала.

Анализ основной цели, особенностей и характеристик третьего этапа позволяет назвать его принудительным пылегазорассеиванием (ПГР). В результате реализации ПГР устойчивость "остаточной-2.3" системы должна быть уменьшена, вплоть до разрушения системы, что на практике обеспечить крайне сложно. Устойчивость "остаточной-2.4" системы также должна быть резко уменьшена до перехода ее в состояние материала непосредственно в зоне внешнего источника выделения 3В и на значительном расстоянии от экологически значимых точек (зон возможного нахождения людей_, зон отдыха, рабочих мест, селитебных территорий и т.п.). В этом случае достигается положительный эффект процесса пылегазорассеивания.

В результате последовательного воздействия на исходную, промежуточные и остаточные дисперсные системы внешними дисперсными системами в соответствии с законами сохранения массы и энергии, происходит преобразование взаимодействующих дисперсных систем. Это преобразование заключается в том, что вновь образуемые дисперсные системы отличаются ПС, W, U от взаимодействующих. Такой взаимопереход дисперсных систем в конечном счете отражается на их устойчивости и может быть проиллюстрирован следующей схемой.

Иллюстрация трансформации дисперсных систем и изменения их устойчивости в процессе снижения загрязнения воздушной среды представлена на рис. 1.2.

В процессе технологической переработки, технологическое сырье уменьшает свою устойчивость и преобразуется в две системы:

• переработанное сырье, составляющее основную долю по массе и направляемая в технологический процесс;
• «Исходная - I» потенциально способная перейти в состояние пылеобразующего материала.

Второй этап процесса снижения загрязнения технологического сырья (первый цикл) заключается в воздействии на «П-I.1» д.систему внешней «Д-I.2» д.системой. В результате такого воздействия обеспечивается трансформация взаимодействующих систем и образование двух новых:

• «П-I.2» д.сист., переходящая в состояние аэрозоля, устойчивость которой непрерывно возрастает во времени;
• «О-I.2» д.сист., отличающаяся способностью перехода в состояние пылеобразующего материала с возможным последующим переходом в состояние технологического сырья. Устойчивость «О-I.2» д.сист. в состоянии материала и технологического сырья должна непрерывно увеличиваться.

Второй цикл процесса снижения загрязнения включает три основных этапа:

I этап – процесс ПУ, заключающийся в воздействии «Д–II.1»дисперсной системой на «И-2» дисперсную систему, в результате которого образуется две новые дисперсные системы:

· «П–II.1» содержит максимальное количество дисперсных фаз и устойчивость которой незначительно увеличивается во времени.

· «О–II.1», которая сначала находится в состоянии пылевого аэрозоля, но резко теряет свою устойчивость, а затем постепенно переходит в состояние пылеобразующего материала. В реальных условиях эта система остается витающей в воздухе рабочей зоны цеха, а ее переход в состояние материала выражается в осаждении дисперсной фазы (д.ф.) на различного рода постилающих поверхностях.

II этап – ПО, которая заключается в воздействии на «П –II.1» дисперсную систему с помощью «Д –II.2» дисперсной системы с целью разрушения первой. В результате такого воздействия образуется следующие две дисперсные системы:

· «П–II.2» дисперсная система, которая содержит минимальное количество д. ф. и устойчивость которой плавно возрастает во времени.

· «О–II.2» дисперсная система, которая содержит максимальное количество д. ф., относительно уменьшает свою устойчивость в аэрозольном состоянии и переходит в состояние пылеобразующего материала. В реальных инженерных системах «О–II.2» дисперсная система обычно концентрируется в различного рода накопителях, бункерах. Если свойства этой системы отвечают технологическим требованиям, то она может быть переведена в состояние технологического сырья и снова использоваться в технологическом процессе.

III этап –РП, основной целью которой является воздействие на «П–II.2» дисперсную систему внешней «Д–II.3» дисперсной системой. В результате этого воздействия образуется две дисперсные системы:

· «О–II.3» дисперсная система, которая значительно быстро изменяет свою устойчивость в аэрозольном состоянии и переходит в состояние пылеобразующего материала, устойчивость которого стабилизируется.

· «О–II.4» дисперсная система, которая продолжает находиться в аэрозольном состоянии и устойчивость которой во времени незначительно возрастает или стабилизируется. Эта система остается витающей в воздухе приземного слоя атмосферы и формирует в нем остаточную концентрацию загрязняющих веществ.

С позиции теории устойчивости д. сист. сущность процесса снижения загрязнения воздушной среды заключается в разрушении всех д. сист., вышедших в состояние аэрозоля до полной потери ими своей устойчивости.

В результате анализа рассмотренного подхода можно заключить следующее:

- во-первых, реализация процесса снижения загрязнения воздушной среды включает два основных цикла: снижение загрязнения исходного сырья (технологического оборудования) и снижение загрязнения воздуха, каждый из которых реализуется поэтапно;

- во-вторых_, необходимость реализации каждого последующего этапа процесса снижения загрязнения зависит, прежде всего, от эффективности реализации предыдущего этапа;

- в-третьих, чем меньше этапов будет реализовано в процессе, тем экономичнее будет весь процесс и меньше энергии потребуется на его реализацию;

- в-четвертых, в процессе снижения загрязнения происходит переход одной дисперсной системы в другую за счет принудительного изменения их устойчивости: чем ближе к состоянию аэрозоля находится дисперсная система, тем сложнее управлять ее параметрами в процессе снижения загрязнения, и наоборот, чем ближе дисперсная система к состоянию исходного сырья, тем меньше энергии потребуется на управление ее параметрами.

Такой подход позволяет выделять для изучения любой этап процесса с учетом его внешних связей, не нарушая общей структуры процесса.