Взаимодействие промышленного предприятия с окружающей средой

Биосфера (гр. био - жизнь) – это область распространения жизни на земле, включающая населенную организмами верхнюю часть земной коры (литосфера), воды рек, озер, водохранилищ, морей, океанов (гидросфера) и нижнюю часть атмосферы (тропосфера). Биосфера представляет собой равновесную систему, в которой процессы обмена веществ и энергии происходят главным образом за счет жизнедеятельности организмов.

По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта, антропогенное (гр. антропос – человек) загрязнение биосферы, обусловленное жизнедеятельностью человека, непрерывно нарастало. Если в первой половине ХХ века негативное воздействие загрязнений на биосферу во многих регионах мира сглаживалось происходящими в ней естественными процессами, то в последующие годы масштабы деятельности человека привели биосферу на грань экологического кризиса.

Научно-техническая революция, охватившая во второй половине ХХ века многие страны мира, принесла людям не только блага, она сопровождалась и теневыми явлениями, а именно: загрязнением атмосферы, морских акваторий и пресных водоемов; нарушением почвенного покрова и ландшафтов; истощением водных и лесных ресурсов; уменьшением численности животных. Экологический кризис осложняется экспоненциальным ростом народонаселения планеты и его урбанизацией.

Атмосфера загрязняется промышленными выбросами, содержащими оксиды серы, азота, углерода, углеводороды, частицы пыли. В водоемы и реки попадают нефть и отходы нефтепродуктов, вещества органического и минерального происхождения; в почвенный покров – шлаки, зола, промышленные отходы, кислоты, соединения тяжелых металлов и др. Множество разработанных технологических процессов привело к росту числа токсичных веществ, поступающих в окружающую среду.

Выбросы промышленных предприятий (рис. 1), энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоемы и недра достигли таких размеров, что в ряде районов земного шара уровни загрязнений значительно превышают допустимые санитарные нормы. Это приводит, особенно среди городского населения, к увеличению количества людей, заболевающих хроническим бронхитом, астмой, аллергией, ишемией, раком.

Неблагоприятное влияние на жизнедеятельность человека оказывают шум, вибрации, инфразвук, а так же воздействия электромагнитных полей и различных излучений (ультрафиолетовых, инфракрасных, световых ионизирующих).

Среда обитания человека – окружающая среда – характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность и здоровье человека.

Вопросами развития окружающей среды занимается экология (гр. эко –дом, логия – наука, знания) – наука о взаимоотношении живых организмов и среды их обитания. Рациональное решение экологических проблем возможно лишь при оптимальном взаимодействии природы и общества, обеспечивающем, с одной стороны, дальнейшее развитие общества, с другой – сохранение и поддержание восстановительных сил в природе, что достижимо лишь при проведении широкого комплекса практических мероприятий и научных исследований по охране окружающей среды.

Рис. 1 Взаимодействие промышленного предприятия с окружающей средой

Сложность вопроса, обусловленного промышленными выбросами. связана с противоречиями между непрерывно возрастающим объемом промышленного производства и несовершенными формами технологии и организации производства, медленным внедрением новой, прогрессивной технологии и высокопроизводительного современного оборудования. Вследствие этого в окружающую природную среду поступают огромные количества твердых, жидких и газообразных отходов, которые должны подвергаться возможно более полной утилизации, переработки или ликвидации.

Одна из главнейших экологических проблем заключается в том, чтобы обеспечить чистоту водных источников и атмосферы. Она должна решаться комплексно, с учетом тесной взаимосвязи различных природных сред, проявляющейся, в частности, в их совместном участии в природных круговоротах многих химических элементов и соединений.

Одним из важнейших условий рационального использования природных ресурсов является развитие малоотходной и безотходной технологии. Инженерная мысль должна быть направлена на то, чтобы устранить отрицательное экологическое влияние действующих предприятий и исключить вероятность такого влияния еще на стадии проектных разработок вновь создаваемых технологий и производств.

Учение В.И. Вернадского о биосфере

Биосфера - сфера жизни. Она представляет собой часть земного шара. Термин биосфера ввел в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс. Последний назвал область жизни на Земле биосферой. Основоположником современного учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вернадского биосфера охватывает то пространство, в котором живое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли. В основе его учения лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы. Биосфера - продукт длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.

В своей работе «Очерки геохимии» Вернадский пишет: «Живое вещество более или менее непрерывно распространено на земной поверхности, оно образует на ней тонкий, но сплошной покров, в котором концентрирована свободная химическая энергия, выработанная им из энергии Солнца. Этот слой есть земная оболочка, которую знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс почти 60 лет назад назвал биосферой и которая представляет одну из самых характерных черт организованности нашей планеты. Только в ней сосредоточена та особая форма нахождения химических элементов, которую мы назвали живым веществом». В книге «Химическое строение биосферы Земли и её окружения» он пишет по этому поводу: «Биосфера и её приближённый синоним – Лик Земли – оба понятия, введённые Э. Зюссом, но сейчас коренным образом изменённые ходом дальнейшего исследования, ярко определяют основные черты поверхности нашей планеты: близость к Космосу, не повторяющуюся на нашей Земле, и существование исключительно на ней живого вещества. «Лик Земли» – картина Земли, если смотреть на неё из просторов Космоса».

В книге «Научная мысль как планетное явление» В.И. Вернадский анализирует геологическую историю Земли и утверждает, что наблюдается переход биосферы в новое состояние – в ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в неё), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Р.К. Баландин пишет: «Надо заметить, что когда в качестве минералога Владимир Иванович писал о геологической деятельности человека, он ещё не употреблял понятий «ноосфера» и даже «биосфера». О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершённой работе «Научная мысль как планетное явление», но преимущественно с точки зрения истории науки».

Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды В.И. Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия, разбросанные по страницам книги «Научная мысль как планетное явление» и отчасти в других публикациях В.И. Вернадского:

1. Заселение человеком всей планеты.

2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.

3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли.

4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

5. Расширение границ биосферы и выход в космос.

6. Открытие новых источников энергии.

7. Равенство людей всех рас и религий.

8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.

10. Продуманная система народного образования и подъём благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни.

11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать её способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

12. Исключение войн из жизни общества.

Классификация загрязнений окружающей среды

Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде.

Непосредственными объектами загрязнения (акцепторам загрязняющих веществ) служат основные компоненты экотопа (местообитание биотического сообщества): атмосфера, вода, почва. Косвенными объектами загрязнения (жертвы загрязнения) являются составляющие биоценоза – растения, животные, микроорганизмы.

Источники загрязнения весьма разнообразны: среди них не только промышленные предприятия и теплоэнергетический комплекс, но и бытовые отходы, отходы животноводства, транспорта, а также химические вещества, намеренно вводимые человеком в экосистемы для защиты полезных продуцентов от вредителей, болезней и сорняков.

Среди ингредиентов загрязнения – тысячи химических соединений, особенно металлы и оксиды, токсические вещества, аэрозоли. Разные источники выбросов могут быть одинаковыми по составу и характеру загрязняющих веществ. Так, углеводороды поступают в атмосферу и при сжигании топлива, и от нефтеперерабатывающей, и от газодобывающей промышленности.

Классификация загрязнения предложена Р. Парсоном. Она включает тип загрязнения, его источники, последствия и меры контроля. Он выделяет следующие типы загрязнителей: сточные воды и другие нечистоты, поглощающие кислород; носители инфекций; вещества, представляющие питательную ценность для растений; органические кислоты и соли; минералы и неорганические кислоты и соли; твердый сток; радиоактивные вещества.

Таким образом, загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид (главным образом микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации – предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

Различают антропогенные загрязнители, разрушаемые биологическими процессами и не разрушаемые ими (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты веществ, а потому разрушаются организмами в пищевых цепях.

Загрязнения окружающей среды подразделяют на природные, вызванные какими-то естественными, обычно катастрофическими причинами (извержение вулкана селевой поток и т.п.), и антропогенные, возникающие в результате деятельности людей.

Среди антропогенных выделяют загрязнение биологическое – случайное или благодаря деятельности человека; механическое – засорение среды агентами, оказывающими лишь механическое воздействие без физико-химических последствий; химическое – изменение естественных химических свойств среды, в результат которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени, или проникновение в среду веществ нормально отсутствующих в ней или в концентрациях превышающих норму.

Загрязнение физическое подразделяют на:

1) тепловое (термальное), возникающее в результате повышений температуры среды главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов и воды;

2) световое – нарушение естественной освещенности местности в результате воздействия искусственных источников света, приводящее к аномалиям в жизни растений и животных;

3) шумовое, образующееся в результате увеличения интенсивности и повторяемости шума сверх природного уровня;

4) электромагнитное, появляющееся в результате изменения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и т.п.), приводящее к глобальным и местным геофизическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах;

5) радиоактивное, связанное с превышением естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.

Загрязнение микробиологическое (микробное) – появление необычно большого количества микроорганизмов, связанное с массовым их размножением на антропогенных субстратах или средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека.

С экологических позиций загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву или воду тех или иных чуждых им компонентов. В любом случае объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз. Кроме того, избыток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов, поскольку вредные вещества по сути дела и есть экологические факторы. Следовательно, режим этих факторов (или их состав) отклоняется от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы иного обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биогеоценоза в целом. Таким образом, с экологических позиций загрязнению можно дать следующее определение: загрязнение окружающей среды есть любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается ее продуктивность.

Загрязнение среды – сложный многообразный процесс. Отходы производств оказываются обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма, или активно окисляться на воздухе. Понятно, что такие вещества оказываются ядами по отношению ко всему живому.

Отрицательное влияние изменения качества внешней химической среды на метаболизм живых организмов в последнее время получило название «экологическом ловушки». В качестве примера такой ловушки приводят воздействие метилртути на физиологические процессы в организме человека (болезнь «Минамата»), а также влияние некоторых пестицидов. Так, диизопропилфторфосфат (ДФФ) отрицательно воздействует на нервные ткани человека. Ядохимикаты обладают побочным негативным эффектом, и их применение в хозяйственные целях может приводить к сильному загрязнению среды и нежелательным последствиям. В свое время создание высокоэффективного ядохимиката для борьбы с вредителями растений –дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) было отмечено Нобелевской премией. Его мировое производство в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс. т; применение его спасало урожаи многих сельскохозяйственных культур, а также лесные насаждения. Препараты ДДТ создавали помехи в экосистемах для экономически вредных консументов, защищали урожаи, но сам ДДТ и некоторые примеси в препаратах, помимо токсичности для теплокровных животных, способны прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. Есть данные, что при попадании препаратов, близких к ДДТ, в воду в дозировке 0,014 части на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб – 221 часть, т.е. возрастает более чем в 10 тыс. раз.

Последствия загрязнения далеко не всегда ощущаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые. Именно поэтому в настоящее время ученые интенсивно ищут способы своевременной косвенной индикации загрязнения в самые начальные его моменты.

Но загрязнение – это не только выброс в природную среду вредных веществ. При отводе воды в естественные водоемы от систем охлаждения в них изменяется естественный режим температуры, что представляет собой тепловое загрязнение. Причем тепловое загрязнение – это не обязательно увеличение температуры воды: возможно и ее понижение. Важно то, что меняется режим температуры. В качестве загрязнения можно рассматривать и отклонение от оптимальных параметров уровней шума и освещенности.

С экологических позиций загрязнение представляет собой комплекс помех в экосистемах, воздействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Эти помехи часто превышают приспособительные возможности организмов, определяемые эволюционно выработанной на уровне популяций нормой реакции, т.е. экологическим стандартом. Поэтому в отличие от естественных помех помехи антропогенные ведут не к отбору, а к массовой гибели организмов.

В качестве системы помех (а значит, и загрязнения) можно рассматривать разрушение биогеоценозов при открытой добыче полезных ископаемых, зарегулировании водотоков, осушении, эрозии почв. Источником комплекса помех являются шахтные отвалы и терриконы, в которых идут сложные физико-химические процессы с выделением вредных веществ в атмосферу, воду и почву. Известно самовозгорание терриконов. В некоторых случаях загрязнение принимает самые неожиданные формы. Например, опасным источником загрязнения водоемов в США оказалась спортивная охота, и даже велась борьба за запрещение использования свинцовой дроби, так как водоплавающие птицы принимают ее за гравий и семена растений. Считается, что ежегодно в США от отравления свинцом погибают 2,4 млн. водоплавающих птиц (примерно 2,5 % от всех перелетных), поскольку за охотничий сезон на дне водоемов остается около 3 тыс. т свинцовой дроби.

Резюмируя изложенное, можно кратко сформулировать последствия загрязнения следующим образом:

1. Загрязнение среды есть процесс нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче и заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.

2. Загрязнение имеет следствием необратимое разрушение, как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на глобальные физико-химические параметры среды.

3. Вследствие загрязнения теряются плодородные земли, снижается продуктивность экологических систем и биосферы в целом.

4. Загрязнение прямо или косвенно ведет к ухудшению физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества.

5. Защита окружающей среды от загрязнения – одна из ключевых задач в общей проблеме оптимизации природопользования, сохранения качества среды для насто­ящего и будущих поколений людей.

Загрязнение атмосферного воздуха

Источником загрязнения атмосферного воздуха называют технологический процесс или производство, выделяющее в атмосферу вредные вещества, выделяющие в атмосферу вредные вещества. Организованным источником выброса является дымовая или вытяжная труба, через которую выбросы направляются в атмосферу. К неорганизованным относятся выбросы без газопроводов (воздухопроводов), присоединенных к дымовой или вытяжной трубе. Неорганизованные выбросы поступают от агрегатов (аппаратов) в воздушное пространство цеха и далее через оконные проемы, фонари в атмосферу.

Во избежание токсического и других неблагоприятных воздействий вредных веществ на организм человека, допустимое их содержание в воздухе нормируется и в нашей стране действует система санитарно-гигиенического нормирования, основанная на установлении предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе.

Концентрации вредных веществ в воздухе

Основной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация – масса (мг) вещества в единице объема (м³) воздуха в нормальных условиях. Концентрация примесей определяет физическое, химическое и другие виды воздействия веществ на человека и окружающую среду и служит основным параметром при нормировании содержания примесей в атмосфере.

Для оценки токсического действия веществ на различные органы, которое изучается на подопытных животных, применяют следующие понятия

· среднесмертельные (летальные) концентрации CL₅₀, мг/м³

Под среднесмертельной концентрацией CL₅₀ понимают такую концентрацию, действие которой вызывает гибель 50 % подопытных животных.

· несмертельные концентрации C_min, мг/м³

Под несмертельной концентрацией C_min понимают наименьшую или пороговую концентрацию (порог однократного воздействия), вызывающую тот или иной отрицательный эффект.

· зона однократного действия

Z = CL₅₀/C_min .

Степень опасности вещества характеризуется показателями C_min и зоной однократного действия Z. В зависимости от величины и диапазона значений Z и C_min промышленные вещества, которые могут загрязнять воздух, разделены на следующие четыре класса опасности

1-й класс – вещества чрезвычайно опасные (Z < 6);

2-й класс – вещества высокоопасные (Z = 6-18);

3-й класс – вещества умеренно опасные (Z = 18,1-54);

4-й класс – вещества малоопасные (Z > 54).

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе

ПДК – это предельно допустимая концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом или на протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни на окружающую среду в целом вредного действия.

ПДК – это предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздушной среде (в воде) при которой длительное нахождение в ней (потребление) не оказывает никакого вредного воздействия на здоровье человека.

На содержание вредных веществ в воздухе установлены два вида ПДК: в воздухе рабочей зоны (производственных помещений) и в атмосферном воздухе населенных пунктов.

Предельно допустимыми концентрациями вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДК_р.з.) считают такие, которые при ежедневной работе в пределах 8 ч в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования.

Для населенных пунктов установлены такие предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, которые не оказывают на человека ни прямого, ни косвенного вредного или неприятного воздействия, не снижают его работоспособности и не влияют отрицательно на самочувствие. ПДК для аналогичных вредных веществ должны быть значительно ниже, чем ПДК_р.з..

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов подразделяют на максимальные разовые (ПДК_м.р.) и среднесуточные (ПДК_с.с.). Максимальные разовые концентрации определяются при прямом контроле отбора проб в течение 20 мин, а среднесуточные – путем отбора либо непрерывно в течение суток, либо с перерывами – в течение суток, но с последующим расчетом средней величины.

Максимальные разовые (ПДК_м.р.) могут быть выше среднесуточных (ПДК_с.с.) в 2-10 раз.

В настоящее время установлены более 700 ПДК_р.з. и 200 ПДК_м.р.

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (список № 3086-84)

Эффект суммации

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием (эффект суммации вредного действия), их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять условию

с₁/ПДК₁ + с₂/ПДК₂ + с₃/ПДК₃ + … + с_n/ПДК_n ≤ 1

где с₁, с₂, с₃, с_n – фактические концентрации вредных веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия, мг/м³;

ПДК₁, ПДК₂, ПДК₃ – ПДК вредных веществ из данной совокупности, мг/м³.

Предельно допустимые выбросы вредных веществ в атмосферный воздух

Уровень загрязнения воздуха зависит не только от концентрации вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, но и от выбрасываемого в единицу времени объема газовоздушной смеси, в которой содержится вредное вещество. Произведение концентрации (с, г/м³ или мг/м³) вредного вещества на расход (L, м³/с) газовоздушной смеси дает количество (m, г/с или мг/с) вредного вещества, выбрасываемого из источника в единицу времени

m = с·L

При контроле за выбросами (непосредственно на источниках) нужно определять фактическое количество вредного вещества m, выбрасываемого из источника в атмосферу в единицу времени.

Предельно допустимые выбросы (ПДВ) вредных веществ в атмосферу устанавливают для контроля за выбросами вредных веществ в атмосферу непосредственно на их источниках с необходимостью соответствующего нормирования.

Норма ПДВ (в г/с) представляет собой количество вредного вещества, которое не разрешается превышать при выбросе в атмосферу в единицу времени. Величину ПДВ устанавливают для каждого источника загрязнения атмосферы при условии, что выбросы вредных веществ данным источником и совокупностью других с учетом с учетом рассеяния вредных веществ в атмосфере не создадут приземных концентраций, превышающих ПДК.

Таким образом, ПДВ устанавливается из условия

Σс/ПДК ≤ 1,

где Σс –суммарная расчетная концентрация вредного вещества в приземном слое воздуха от нескольких источников выбросов, мг/м³.

При проектировании предприятий и при контроле за выбросами в условиях эксплуатации должно быть обеспечено следующее соотношение

m ≤ ПДВ.

Если концентрации вредных веществ в воздухе превышают ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты, вводится поэтапное снижение выбросов вредных веществ от действующих предприятий до значений ПДВ. На каждом этапе до обеспечения величин ПДВ устанавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ) на уровне выбросов предприятий с наилучшей достигнутой технологией производства, аналогичных по мощности и технологическим процессам.

Рассеивание выбросов в атмосфере

На рассеивание вредных веществ в атмосферном воздухе и загрязнение приземного слоя воздуха влияют метеорологические и географические факторы, а также факторы, характеризующие источники выбросов.

К метеорологическим факторам относятся

· скорость ветра;

· температура окружающего воздуха;

· температурная стратификация (характеристика изменения температуры воздуха по высоте от поверхности земли);

· влажность воздуха;

· барометрическое давление.

К географическим факторам относятся

· рельеф местности

Факторы, характеризующие источники выбросов

· количество вредных веществ, содержащихся в выбросах

· высота дымовой или вытяжной трубы;

· температура выхода газовоздушной смеси из устья трубы;

· скорость выхода газовоздушной смеси из устья трубы;

· агрегатное состояние веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вентиляционных устройств промышленных выбросов подчиняется закону турбулентной диффузии. На процесс рассеяния выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота источника, диаметр устья и т. п. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур в вертикальном направлении.

На рис. 2 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов можно выделить три зоны загрязнения атмосферы

· переброс факела выбросов, характеризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы;

· задымление с максимальным содержанием вредных веществ;

· постепенное снижение уровня загрязнения.

Зона задымления является наиболее опасной для населения и должна быть исключена из жилищной застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10-49 высот трубы.

Максимальная концентрация прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентрации.

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит главным образом под воздействием вертикальных потоков. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя более низким приземным концентрациям в направлении ветра. Движение загрязняющих веществ вместе с воздушными массами, перемещаемыми ветром, приводит к тому, что турбулентные вихри изгибают, разрывают поток и перемешивают его с окружающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра на высоте струи v_m. Вместе с тем с увеличением v_m уменьшается высота факела над устью трубы. Поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа должна вдвое превышать опасную скорость на уровне горловины трубы.

Рис. 2 Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного источника выброса

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке токсичной пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы, их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.

Кроме метеорологических, на рассеивание выбросов могут оказать влияние географические факторы, в частности рельеф местности. В условиях холмистого рельефа в низинах ветер ослабевает, ухудшая рассеивание.

В зависимости от расположения и организации выбросов источники загрязнения воздушного пространства подразделяют на

· затененные

Затененные или низкие источники расположены в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на здании или за ним (в результате обдувания его ветром) на высоте h ≤ 2,5H_зд.

· не затененные

Незатененные, или высокие, источники свободно расположены в недеформированном потоке ветра. К ним относят высокие трубы, а также точечные источники, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую 2,5H_зд.

· линейные

Линейные источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном ветру. Это аэрационные фонари, открытые окна, близко расположенные вытяжные шахты и крышные вентиляторы.

· точечные

Точечные источники используют, когда удаляемые загрязнения сосредоточены в одном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные вентиляторы. Выделяющиеся из них вредные вещества при рассеивании в циркуляционной зоне не накладываются друг на друга на расстоянии 2-х высот здания.

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86». В основу методики положено условие, пи котором суммарная концентрация каждого вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе

с_Σ = (с_m + с_ф) ≤ ПДК_м.р.

где с_m - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м³;

с_ф – фоновая концентрация одинаковых или однонаправленных вредных веществ, характерная для данной местности, мг/м³.

При выбросе в атмосферу одного или более однонаправленных загрязняющих веществ из нескольких источников (одинаковой или разной высоты), расположенных на значительном расстоянии друг от друга, загрязнения приземного слоя атмосферы считают для каждой трубы. В случае расчета рассеивания выбросов, выделяемых в атмосферу через трубы одинаковой высоты, расположенные на близком расстоянии друг от друга, трубы следует принимать за один эквивалентный источник такой же высоты с суммарным количеством загрязняющих веществ.

Очистка воздуха от газопылевых выбросов

Параметры процесса пылеулавливания

Процесс очистки газов от твердых и капельных примесей в различных аппаратах характеризуется несколькими параметрами:

1. Общая эффективность очистки η

η = (с_вх – с_вых)/с_вх,

где с_вх – массовая концентрация примесей в газе до пылеуловителя;

с_вых – массовая концентрация примесей в газе после пылеуловителя.

Общая эффективность очистки η безразмерная величина, либо можно представить в %.

Задача 1

Концентрация пыли на входе в аппарат составляет 2,5 мг/м³. После очистки воздуха от пыли концентрация составляет 0,5 мг/м³. Определить общую эффективность очистки воздуха в аппарате.

Решение

η = (2,5 – 0,5)/2,5 = 0,8 или 80 %.

Задача 2

Концентрация пыли на входе в аппарат составляет 2,0 мг/м³. Общая эффективность очистки воздуха в аппарате составляет 80 %. Определить концентрацию пыли после очистки воздуха.

Решение

η = (с_вх – с_вых)/с_вх

η = 1 – с_вых/с_вх

с_вых/с_вх =1 – η

с_вых = (1 – η)хс_вх

с_вых = (1 – 0,8)х2,0 = 0,4 мг/м³

Если очистка ведется в системе последовательно соединенных аппаратов, то общая эффективность очистки рассчитывается по следующей формуле

η = 1 – (1 – η₁)(1 – η₂)…(1 – η_n),

где η₁, η₂, η_n – эффективность очистки 1-го, 2-го и n-го аппаратов.

Задача 3

В системе последовательно соединенных аппаратов эффективность очистки 1-го аппарата составляет 60 %, 2-го 80 %, 3-го 90 %. Определить общую эффективность очистки воздуха в системе последовательно соединенных аппаратов.

Решение

η = 1 – (1 – 0,6)(1 – 0,8)(1 – 0,9)

η = 1 – 0,4·0,2·0,1 = 1 – 0,008 = 0,992 или 99,2 %

Иногда используют понятие фракционной эффективности очистки

η_i = (с_вхi – с_выхi)/с_вхi,

где с_вхi – массовая концентрация i-той фракции загрязнителя до пылеуловителя;

с_выхi – массовая концентрация i-той фракции загрязнителя после пылеуловителя.

2. Коэффициент проскока частиц через пылеуловитель К

К =с_вых/с_вх.

Коэффициент проскока и эффективность очистки связаны соотношением

К = 1 – η.

3. Медианная тонкость очистки d50

Используется при сравнительной оценке задерживающей способности пылеуловителей различных типов, кроме общей и фракционной эффективности очистки. Она определяется размерами частиц, для которых эффективность осаждения в пылеуловителе составляет 50 %.

Характеристики пылеуловителей

1. Гидравлическое сопротивление пылеуловителя Δр

Определяют как разность давлений газового потока на входе р_вх и выходе р_вых из аппарата. Величину Δр находят экспериментально или рассчитывают по формуле

Δр = р_вх – р_вых = ζρω²/2,

где ρ – плотность газа в расчетном сечении аппарата;

ω - скорость газа в расчетном сечении аппарата;

ζ – коэффициент гидравлического сопротивления.

Если в процессе очистки гидравлическое сопротивление пылеуловителя изменяется (обычно увеличивается), то необходимо регламентировать его начальное Δр_нач и конечное значение Δр_кон значения. При достижении Δр = Δр_кон процесс очистки нужно прекратить и провести регенерацию (очистку) пылеулавливающего устройства. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение для фильтров.

2. Мощность привода устройства для подачи газа к пылеуловителю N

Величина гидравлического сопротивления Δр и объемный расход Q очищаемого газа определяют мощность N привода устройства для подачи газа к пылеуловителю

N = kΔрQ/(η_мη_в),

где k – коэффициент запаса мощности;

η_м – КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору;

η_в – КПД вентилятора.

3. Производительность по очищаемому газу

Относят к общим параметрам пылеуловителей.

4. Энергоемкость

Относят к общим параметрам пылеуловителей. Определяется величиной затрат энергии на очистку 1000 м³ газа.

5. Удельная пылеёмкость пылеуловителя

Удельная пылеёмкость пылеуловителя зависит от количества пыли, которое им удерживается за период непрерывной работы между двумя очередными регенерациями. Применительно к фильтрам удельную пылеемкость оценивают как массу осадка, приходящуюся на единицу площади рабочей поверхности фильтрующего элемента. Удельную пылеемкость используют в расчетах продолжительности работы фильтра между регенерациями.

6. Скорость фильтрации ωф

При описании процессов фильтрации используют понятие скорости фильтрации ω_ф, равную отношению объемного расхода фильтруемого газа к площади фильтрования.

ω_ф = Q/F_ф.

Скорость фильтрации позволяет оценить удельную массовую пропускную способность фильтрующих материалов

М_у = ρω_ф,

где ρ – плотность фильтруемого газа.

7. Скорость в порах ωп

Для оценки скорости движения непосредственно в порах фильтроэлемента используют понятие скорость в порах.

ωп = ω_ф/П

где П – пористость фильтроматериала.

Физико-химические характеристики пылей и туманов

В процессах пылеулавливания весьма важны физико-химические характеристики пылей и туманов, а именно:

· дисперсный (фракционный) состав

Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы сведения о дисперсном составе пылей и туманов. Под фракцией понимают массовые доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц. Для характеристики пылей используются два параметра d₅₀ – средний размер частиц и lgσ – степень полидисперсности пыли.

Величина σ характеризует полидисперсность улавливаемой пыли

σ = d₅₀/d₁₆,

где d₅₀ – медианный диаметр частиц пыли;

d₁₆ – диаметр частиц пыли, при котором суммарная масса всех частиц, имеющих диаметр менее d₁₆, составляет 16 % от общей массы частиц пыли, поступающих в аппарат (циклон) на очистку.

По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп:

I – очень крупнодисперсная пыль, d₅₀ > 140 мкм;

II – крупнодисперсная пыль, d₅₀ = 40-140 мкм;

III – среднедисперсная пыль, d₅₀ = 10-40 мкм;

IV – мелкодисперсная пыль, d₅₀ = 1-10 мкм;

V – очень мелкодисперсная пыль, d₅₀ < 1 мкм.

· плотность

Различают истинную и кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плотность слоя пыли. Кажущаяся плотность частицы – это отношение ее массы к объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности численно совпадает с истинной плотностью. Насыпная плотность слоя пыли равна отношению массы слоя к его объему и зависит не только от пористости частиц пыли, но и от процесса формирования пылевого слоя. Насыпная плотность слежавшейся пыли примерно в 1,2-1,5 раза больше, чем у свеженасыпанной. Насыпная плотность необходима для вычисления объема пыли в бункерах.

· адгезионные свойства

Склонность частиц пыли к слипаемости определяется ее адгезионными свойствами. Чем выше слипаемость пыли, тем больше вероятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и накапливания пыли на газоходах. Чем мельче пыль, тем выше ее слипаемость. Все пыли IV и V групп дисперсности практически относятся к слипаемым пылям, пыли II и III групп – к среднеслипающимся, а пыли I группы – к слабослипающимся. Слипаемость пыли значительно возрастает при ее увлажнении.

· смачиваемость

Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пылеуловителей.

· электрическая заряженность частиц

Электрическая заряженность частиц влияет на их поведение в пылеуловителях и газоходах.

· удельное сопротивление слоев частиц и т.д.

Оборудование для улавливания пыли сухим способом

Для очистки воздуха, удаляемого вентиляционными аспирационными системами от твердых и жидких примесей, применяют пылеуловители пяти классов.

Таблица 2

Примечание. Границы эффективности пылеуловителей указаны с учетом дисперсности пыли. Первое значение эффективности относится к меньшему значению d₅₀; второе – к большему.

Ротационные пылеуловители

Ротационные пылеуловители (ротоклоны) относят к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемещением воздуха очищают его от фракции пыли крупнее 5 мкм. Они обладают большой компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совмещены в одном агрегате. В результате этого при монтаже и эксплуатации таких машин не требуется дополнительных площадей, необходимых для размещения специальных пылеулавливающих устройств при перемещении запыленного потока обыкновенным вентилятором.

Рис. 3. Ротоклон

При работе вентиляторного колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении выхлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу 4.

Для повышения эффективности пылеуловителей такой конструкции необходимо увеличивать переносную скорость очищаемого потока в спиральном кожухе (это ведет к резкому повышению гидравлического сопротивления аппарата) или уменьшать радиус кривизны спирали кожуха (это снижает его производительность). Такие машины обеспечивают достаточно высокую эффективность очистки воздуха при улавливании сравнительно крупных частиц пыли.

Циклоны

Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов. Газовый поток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, происходит при повороте газового потока в бункере на 180°. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 3. Для нормальной работы циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то из-за подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Все практические задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются цилиндрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, СДК-ЦН-33) циклонами НИИОГАЗа (Государственный научно-исследовательский институт по промышленной и санитарной очистке газов).

Рис. 4. Схема цилиндрического циклона

Для всех циклонов бункеры имеют цилиндрическую форму диаметром D_б равным для цилиндрических 1,5D; для конических (1,1÷1,2)D.

Высота цилиндрической части бункера составляет 0,8D, днище бункера выполняется с углом 60° между стенками, выходное отверстие бункера имеет диаметр 250 или 500 мм.

Избыточное давление газов, поступающих в циклоны, не должно превышать 2500 Па. Температура газов во избежании конденсации поров жидкости выбирается на 30-50°С выше температуры точки росы, а по условиям конструкции – не выше 400°С. Производительность циклона зависит от его диаметра, увеличиваясь с ростом последнего. Эффективность очистки циклона серии ЦН падает с ростом угла входа в циклон.

Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами и электрофильтрами.

Конические циклоны НИИОГАЗа серии СК, предназначенные для очистки газов от сажи, обладают повышенной эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет большего гидравлического сопротивления циклонов серии СК.

Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны, состоящие из большого числа параллельно установленных циклонных элементов. Конструктивно они объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа. Опыт эксплуатации батарейных циклонов показал, что эффективность очистки таких циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока газов между циклонными элементами.

Выбор и расчет циклонов приводится в Методическом указании. Работа №2.