TOPICAL ISSUES OF THE AIR BASIN PROTECTION
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article presents the analysis of the textbook of doctor of technical sciences, professor Lukanin A.V. “Processes and gas emissions purification devices”. Despite the importance and urgency of the problem, there are not enough modern textbooks, systematizing and summarizing data on the existing methods of biological purification of gas emissions. The textbook adequately considered the currently existing methods of protection of the air basin from industrial waste gases in the chemical, petrochemical, microbiological, pharmaceutical and related industries.

Keywords:
: gas emissions, gas cleaning, absorption, cyclones, filters, nozzles, sprinklers, nozzle plate, mist eliminators, demisters, deodorization.
Text

Не так давно в свет вышло учебное пособиед-ра тех. наук, проф. Луканина А.В. «ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ: «Процессы и аппараты очистки газовоздушных выбросов». Книга посвящена вопросам охраны воздушного бассейна и содержит четырнадцать глав. Актуальность учебника не вызывает сомнения, что видно из следующих соображений.

В курсе лекций достаточно полно рассмотрены существующие в настоящее время методы защиты воздушного бассейна от промышленных газовых выбросов в химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической и смежных отраслях промышленности. Текст лекций построен на глубоком анализе методов очистки часто встречающихся, наиболее опасных веществ, попадающих в атмосферу Земли с отходящими газами крупнотоннажных производств. Даются рекомендации по используемому в промышленности оборудованию.

Условно учебник можно разделить на три основные части.

В первой части рассмотрены вопросы возникновения основных вредных газовоздушных выбросов (ГВВ) в промышленности. [1,2] К этим выбросам относятся оксиды азота, серы, углерода, сероводорода и сероорганические соединения, галогены и их соединения, легколетучие органические соединения. Приведены способы борьбы с этими ГВВ. Рассмотрены «сухие» и «мокрые» методы очистки с использованием различных газоочистных аппаратов с применением катализаторов, физической и химической сорбции. Также приведены технологические решения, направленные на сокращение вредных ГВВ [3,4,5]. Например, при сжигании топлив описаны технологические приемы подавления генерациии оксидов азота с помощью использования специальных горелок, введения  определенных веществ в зону горения, снижения избытка окислителя при горении. Показано, что при очистке ГВВ от оксидов серы широко используются различные способы удаления серы из твердых и жидких топлив перед их сжиганием.

Во второй части учебника описаны способы определения и расчета количества вредных веществ, поступающих в воздух из газового и жидкостного объема трубопроводов и оборудования [1,2]. В частности, приведены методы расчета количества вредных веществ, поступающих в окружающую среду от трубопроводов и оборудования, находящихся под давлением и под разряжением. Показаны эмпирические зависимости для инженерных расчетов выбросов вредных веществ от различного вида оборудования: через неплотности фланцевых соединений, щелевые зазоры, лабиринтные уплотнения, через уплотнения валов и штоков компрессора, мешалок и реакторов.Даны примеры расчета количества вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при «большом» (вытеснение паров наружу или подсос воздуха внутрь аппаратов при изменении в них уровня жидкости) и «малом» (вытеснение газов или паров наружу или подсос воздуха внутрь аппарата, вызываемые изменением температуры газов или паров под влиянием внешней среды) дыхании аппаратов. В книге рассмотрены способы инженерного расчета испарения вредных веществ со свободной поверхности для различных аэрогидродинамических случаев. Количество вредных веществ, испаряющихся со свободной поверхности жид­кости, зависит от ее химических свойств, температуры, площади зеркала испарения, продолжительности испарения и подвижности воздуха. Показано, что процесс переноса испаряющегося вещества от источника испарения в окружающую среду может быть диффузионным, а также обусловленным естественной или вынужденной конвекцией.

Процесс переноса испаряющегося вещества от источника испарений вокружающую среду определяется произведением диффузионных критериев Грасгофа Gr' и Прандтля Pr':

                                                    Gr'Pr',                                   

 

где                                        Gr' = gL3ρ/ ν2ρ;                              

 

                                                   Pr' = ν/D;                                   

g– ускорение свободного, падения, м/с2; Lопределяющий размер, м (для круглой поверхности L = d, для квадрата L = а, для прямоугольника и по­верхности неправильной формы L =  );ρ  – разность плотностей среды над поверхностью жидкости и в удалении от нее, г/м3ν – коэффициент кинематической вязкости окружающей среды на некотором удалении от поверхности, м2/с; ρ  – плотность окружающей среды, г/м3, Dкоэффициент молекулярной диффузии газа в воздухе, м2/с.

Критерий Рr' для процесса испарения принимается равным 0,66.

Третий раздел учебника посвящен описанию различных способов  очистки ГВВ и их конструктивному оформлению.

Рассмотрены сухие способы и аппараты очистки ГВВ. К ним относятся пылеосадительные камеры, пылеосадители инерционного действия, циклонные аппараты, вихревые и динамические пылеуловители. Основным достоинством этих аппаратов является [1,2,7,8] простота конструкции, определяющая возможность их изготовления на неспециализированных предприятиях. Однако эффективность очистки газов, достижимая в перечисленных аппаратах, часто оказывается недостаточной. Поэтому многие из аппаратов применяются в качестве первой ступени очистки газов перед более эффективными пыле- и золоуловителями.

Среди аппаратов сухой инерционной очистки газов наибольшее распространение получили различные циклоны, имеющие относительно высокие значения эффективности улавливания в них золы или пыли при умеренных значениях газодинамического сопротивления аппаратов. Применение пылеосадительных камер и простейших по конструкции пылеуловителей инерционного действия оправдано лишь при предваритель­ном осаждении частиц, основная масса которых имеет размеры более 100 мкм [1, 2, 7, 8].

В учебном пособии убедительно показано, что одним из наиболее совершенных способов выделения из газов взвешенных твердых и жидких частиц является фильтрация аэродисперсных систем через пористые перегородки. В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую перегородку – фильтрующую среду, в ходе которого твердые или жидкие частицы, взвешенные в газе, задерживаются в ней, а газ полностью проходит сквозь нее. Применяемые фильтрующие  пористые перегородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве своем состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые условно могут быть разделены на следующие типы [1, 2, 7, 8, 9]: гибкие пористые перегородки, полужесткие пористые перегородки и жесткие пористые перегородки.

Поток аэрозоля в объеме фильтрующего материала многократно дробится на мелкие струйки, которые непрерывно сливаются, обтекая отдельные элементы (волокна или зерна), что способствует приближению взвешенных частиц к поверхности элементов или пор, их осаждению на них и удержанию силами адгезии.

В фильтрах уловленные сухие частицы накапливаются в порах или образуют пылевой слой на поверхности перегородки, таким образом, они сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрующей среды. Однако по мере накопления частиц размер пор и общая пористость перегородки неизбежно уменьшаются, а сопротивление движению газов возрастает, поэтому в определенный момент возникает необходимость разрушения и удаления пылевого осадка (для снижения перепада давления и сохранения начальной скорости фильтрации). В ряде случаев требуется замена забитого пылью фильтра или переснаряжение его новыми фильтрующими материалами. Таким образом, процесс фильтрации в большинстве случаев предусматривает периодическую регенерацию фильтров. При улавливании жидких частиц накапливающаяся жидкость может удаляться из пористой перегородки самопроизвольно, т.е. фильтр подвергается саморегенерации.

Современные фильтры в зависимости от назначения и величин входной и выходной концентраций улавливаемой дисперсной фазы условно разделяют на три класса.

Фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильтры), предназначенные для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (< 1 мг/м3) и малой скорости фильтрации (< 10 см/с). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологических процессов или в особо чистых помещениях, в которых воздух служит рабочей средой. Обычно эти фильтры не подвергаются регенерации.

Фильтры для очистки атмосферного воздуха (воздушные фильтры), используемые в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Они рассчитаны на работу при концентрации пыли менее 50 мг/м3, часто при высокой скорости фильтрации (до 2,5–3 м/с). Фильтры этого класса бывают нерегенерируемыми, а также периодически или непрерывно регенерируемыми.

Промышленные (тканевые, зернистые, грубоволокнистые)фильтры, применяемые для очистки промышленных газов, в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м3). Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся в фильтрующей перегородке пыли фильтры этого класса имеют устройства для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на заданном уровне и возвращать ценные продукты в производство. Фильтры этого класса нередко являются составной частью технологического оборудования.

Описан способ электрической очистки ГВВ. Фундаментальным от­личием процесса электростатического осаждения от механических методов сепарации частиц является то, что в этом случае осаждающая сила действует непосредственно на частицы, а не создается косвенно воздействием на поток газа в целом. Это прямое и чрезвычайно эффективное использование силового воздействия объясняет такие характерные черты электростатического метода, как умеренное потребление энергии и малое сопротивление потоку газа. Даже мельчайшие частицы субмикронного диапазона улавливаются эффективно, поскольку и на эти частицы действует достаточно большая сила. Принципиальных ограничений степени очистки нет, поскольку эффективность может быть повышена путем увеличения продолжительности пребывания частиц в электрофильтре.

В современных условиях электрофильтры обычно обеспечивают эффективность 99,5% и более, многие из них работают с эффективностью, превышающей 99,9%. Газодинамическое сопротивление аппаратов составляет 150–200 Па, т.е. минимально по сравнению с другими газоочистными аппаратами. Затраты энергии обычно составляют 0,3–1,8 МДж (0,1—0,5 кВт ∙ ч) на 1000 м3 газа [8]. Концентрация взвешенных частиц в газах может колебаться от долей до 50 г/м3 и более, а их температура превышать 500°С. Электрофильтры работают под давлением и разрежением, а также в условиях воздействия различных агрессивных сред.

            Применение электрофильтров началось на металлургических и цементных заводах. Примерами передовых технологий, появление которых вызвало необходимость использования электрофильтров, могут служить сжигание пылевидного угля на тепловых электростанциях, катализ в псевдоожиженном слое с целью получения бензина при нефтепереработке, внедрение кислородного дутья в сталеплавильной промышленности. Важную роль сыграла также необходимость улавливания ценных продуктов [9].

Примерно 65–75%объема газовых потоков, пропускаемых через электрофильтры, составляют отходящие золусодержащие газы тепловых электростанций. К недостаткам электрофильтров относится высокая чувствительность процесса фильтрации газов к отклонениям от заданных параметров технологического режима, а также к незначительным механическим дефектам в активной зоне аппарата.

Однако, несмотря на это электрофильтры являются одними из распространенных, а иногда незаменимых аппаратов для очистки промышленных газов от твердых и жидких загрязняющих веществ, выделяющихся в различных технологических процессах, прежде всего больших объемов газа – порядка сотен тыс. и млн м3/ч.

Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ является взрывоопасной смесью или такая смесь может образоваться в ходе процесса в результате отклонения от нормального технологического режима, так как при работе электрофильтра неизбежно возникновение искровых разрядов [7,8].

В учебнике показано, что целесообразность использования мокрых аппаратов обычно определяется не только задачами очистки газов от пыли, но и необходимостью одновременного охлаждения и осушки (или увлажнения) газов, улавливания туманов и брызг, абсорбции и дезодорации газовых примесей и др. В ряде случаев мокрые пылеуловители конкурируют с такими высокоэффективными аппаратами, как рукавные фильтры и электрофильтры.

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки газов от пыли считается достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом обеспыливания [1,2,6,7,9].

Основными преимуществами мокрых пылеуловителей являются:

– небольшая стоимость (без учета шламового хозяйства) и более высокая эффективность улавливания частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

– возможность улавливания частиц размером до 0,1 мкм, а также использования в качестве абсорберов, для охлаждения и увлажнения (кондиционирования) газов;

– возможность использования при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгораний и взрывов – очищенных газов или улавливаемой пыли.

К недостаткам мокрых пылеуловителей относятся:

– возможность забивания газоходов и оборудования пылью (при охлаждении газов) и потери жидкости вследствие брызгоуноса;

– выделение улавливаемого продукта в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод, а следовательно, с удорожанием процесса очистки.

– необходимость защиты аппаратуры и коммуникаций антикоррозионными материалами в случае очистки агрессивных газов.

В мокрых пылеуловителях в качестве орошающей жидкости чаще всего применяется вода. При совместном решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обусловливается процессом абсорбции.

Мокрые пылеуловители подразделяются в зависимости от поверхности контакта или способа действия:

– полые газопромыватели (оросительные устройства; промывные ка­меры; полые форсуночные скрубберы);

– насадочные скрубберы;

– тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты);

– газопромыватели с подвижной насадкой;

– мокрые аппараты ударно-инерционного действия  (ротоклоны);

– мокрые аппараты центробежного действия;

– механические газопромыватели (механические скрубберы, динами­ческие скрубберы);

– скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури, эжекторные скрубберы).

 

Помимо перечисленных групп к мокрым пылеуловителям в какой-то степени могут быть отнесены мокрые электрофильтры, орошаемые волокнистые фильтры и аппараты конденсационного действия.

References

1. Klyushenkova M.I., Lukanin A.V Zashchita okruzhayushchey sredy ot promyshlennykh gazovykh vybrosov [Tekst]: uchebnoe posobie / M.I. Klyushenkova, A.V. Lukanin. – M.: Federal´noe gos. byudzhetnoe obrazovatel´noe uchrezhdenie vyssh. prof. obrazovaniya Moskovskiy gos. un-t inzhenernoy ekologii. Moskva, 2012.

2. Klyushenkova M.I., Lukanin A.V Zashchita okruzhayushchey sredy ot promyshlennykh gazovykh vybrosov [Tekst]: uchebnoe posobie / M.I. Klyushenkova, A. V. Lukanin. – M.:INFRA-M, 2016.

3. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnykh proizvodstv kormovogo belka [Tekst]: dis. d-ra tekh.nauk / A.V. Lukanin. – M., 1994.

4. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnykh proizvodstv kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin. Ekologicheskiy vestnik Rossii, – №6, – 2016, – s. 46–56.

5. Lukanin A.V. Zashchita vozdushnogo basseyna pri krupnotonnazhnom proizvodstve kormovogo belka [Tekst] / A.V. Lukanin. Ekologiya i promyshlennost´ Rossii, mart, – 2017, – s.4–11.

6. Lukanin A.V. Razrabotka massoobmennykh apparatov dlya sistemy proizvodstva mikrovodorosley, ikh gidravlicheskie i massoobmennye kharakteristiki [Tekst]: dis. kand. tekh.nauk / A.V. Lukanin. – M., 1984.

7. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: protsessy i apparaty ochistki stochnykh vod i pererabotki osadkov [Tekst]: ucheb. posobie / A.V. Lukanin. – M.: INFRA-M, 2017.

8. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotekhnologiya: osnovy tekhnologii mikrobiologicheskikh proizvodstv [Elektronnyy resurs]: uchebnoe posobie / A.V. Lukanin. – M.: NITs INFRA-M, 2016. – URL: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=768026

9. Flow hydrodynamics and mass transfer in a bubbling liquid layer Lukanin A.V., Solomakha G.Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 1988. – T. 22. – № 4. – S. 435.