Классификация технологий защиты атмосферы

Любой промышленный газ, отличающийся по своему составу от атмосферного воздуха, должен быть разбавлен в атмосфере до такого состояния, чтобы исключить негативное воздействие на природную среду и здоровье населения. Особенно это относится к промышленным газам, содержащим вредные, в том числе токсичные вещества СО, SO₂, NO_x,углеводороды, пыль и др. Для таких газов разбавление должно быть доведено до такого уровня, чтобы приземные концентрации указанных и других загрязняющих атмосферу веществ не превышали их допустимые значения. Добиться такого положения можно следующими путями:

· организацией технологического процесса, реализующего идеи ресурсо - и энергосбережения, идеи экологически чистого производства и тем самым минимизирующего образование вредных веществ, а в лучшем случае, не приводящего к нему;

· рассеиванием вредных веществ с помощью дымовых труб;

· очисткой газов от вредных веществ с помощью пылеуловителей, газопромывателей и других устройств.

Обычно технологии и оборудование для очистки выбросов зависят от их характеристик, которые подразделяются на неорганизованные и организованные. С помощью различных технических средств (зонтов, кожухов и т.п.) стал возможным сбор неорганизованных выбросов, превращая их, таким образом, в организованные, очистка которых, в отличие от неорганизованных, может быть осуществлена различными способами. Источники пылегазовых выбросов в атмосферу могут быть сосредоточенными (точечными) или рассредоточенными (пространственно распределенными). Примеры схем очистки выбросов и их рассеивания в атмосфере показаны на рис. 13.1).

При относительно небольшой интенсивности газопылевых выделений их эвакуация от источника производится с помощью зонта с последующим отводом (аспирацией), очисткой разбавленного подсасываемым воздухом газа и возвратом очищенного газа в пространство цеха (рис.13.1,а). Если в отходящих газах содержатся вредные компоненты примесей, то очищенный выброс выводят за пределы цеха, одновременно забирая чистый воздух из атмосферы (рис.13.1,б). У объектов с локальными выбросами большого количества вредных и (или) опасных загрязнений создается организованный отбор с эвакуацией загрязненного технологического газа через систему газоходов (боровов). После очистки газы подаются в трубы для рассеивания и при необходимости разбавляются атмосферным воздухом (рис.13.1,в). В последнее время автотранспорт (рис.13.1г) снабжается уловителями сажистых частиц, нейтрализаторами для дожигания с помощью катализаторов горючих компонентов топлив. С переводом двигателей внутреннего сгорания на водородное топливо отпадает необходимость в установке пыле-газоочистных устройств.

Рассеивание примесей, поступающих в атмосферу от источников выбросов, связано с движением масс воздуха при наличии атмосферной турбулентности (вихревого движения газовых объемов) и массовой диффузии, которая определяется градиентом концентраций компонентов в аэродисперсной системе. Рассеивание зависит от аэродинамических характеристик частиц (формы, размеров, массы). Атмосферная диффузия развивается, во-первых, из-за нагрева атмосферы у земной поверхности с образованием восходящих или нисходящих газовых потоков и, во-вторых, из-за механической турбулентности, возникающей при взаимодействии движущегося потока воздушных масс с подстилающей поверхностью, результатом чего является образование ветрового сдвига. Тепловые вихри активно формируются в солнечные дни при низкой скорости ветра. Воздух, нагревающийся у земной поверхности, поднимается вверх, а холодный воздух опускается вниз. Если восходящие массы воздуха расширяются адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой, то их температура снижается примерно на 1⁰С на каждые 100 метров по высоте. Эта величина называется адиабатическим градиентом температуры g_{а .} При этом восходящие потоки будут иметь те же свойства, что и окружающий их воздух, то есть они будут двигаться без ускорения. Такое состояние атмосферы называется нейтральным. Если же приземной слой подвержен сильному нагреву и фактический градиент температуры воздуха больше адиабатического, то восходящие потоки приобретают ускорение и перемещаются в верхние слои атмосферы. Если градиент температуры отрицателен, т.е. температура воздуха возрастает по мере удаления от земной поверхности (инверсия температуры), то восходящие потоки оказываются холоднее масс «внедрения», т.е. тормозятся. Такое движение характеризуется слабым турбулентным обменом, оно наиболее устойчиво и называется инверсионным.

Облако выброса от источника проникает в атмосферу под действием ветра и турбулентного переноса, направленного в поперечном ветровому потоку направлении, вызывая расслоение воздушных масс (стратификацию атмосферы). Наиболее типичные формы распространения выбросов от источника их рассеивания (трубы) приведены на рис 13.2.

Волнообразный факел формируется в неустойчивой атмосфере с градиентом температур больше адиабатического (g>g_а). Облако имеет достаточно большой угол раскрытия, в результате факел распространяется волнообразно и касается земной поверхности вблизи трубы с максимальным загрязнением приземного слоя. Такой факел наблюдается в ясную солнечную погоду при сильном нагреве земли, приводящем к развитию турбулентных вихрей.

Рис. 13.2. Формы распространения выброса (факела) в стратифицированной атмосфере: а – волнообразная; б – конусообразная; в – вееробразная; г - приподнятая; д – задымляющая; 1 – адиабатический градиент температуры; 2 – фактический градиент температуры.

Конусообразный факел формируется при g<g_а и наиболее типичном нормальном градиенте температуры g=dН/dt=-0,65´10^-2К/м.

Поэтому такая стратификация атмосферы более устойчива, чем волнообразный факел, и наблюдается при облачной, ветреной погоде и повышенной влажности воздуха.

Веерообразная форма факела присуща условиям, характерным для инверсии или для температурного градиента, близкого к нулю (g=0). Рассеивание в вертикальном направлении не существенно и определяется продольным переносом примесей на большие расстояния. Поэтому максимум концентрации примесей в приземном слое относительно мал и удален от источника выброса. Структура атмосферы характерна в ночное время, когда температура воздуха выше, чем температура поверхности земли, особенно при слабом ветре, в ясную погоду или при наличии снежного покрова. Такая форма факела особенно опасна при неорганизованных выбросах в нижние слои атмосферы (автотранспорта, горящих свалок и т.д.).

Если в нижней части атмосферы имеет место инверсионная температура, а вверху нормальная с отрицательным градиентом, то облако имеет приподнятую форму. Зона наибольших концентраций примесей находится на верхней границе инверсивного слоя. Такая форма наблюдается в часы захода солнца и наиболее благоприятна при рассеивании примесей, особенно от высоких труб.

Задымляющая формафакела возникает тогда, когда вблизи земной поверхности расположен слой с нормальным адиабатическим градиентом, а выше него формируется инверсионный слой атмосферы. Такая форма наблюдается чаще всего в утренние часы, после рассеивания ночной инверсии под действием солнечной радиации. Факел распространяется вблизи земной поверхности у источника выброса, что сопровождается значительным и опасным ростом максимума концентрации примесей в приземном слое. Эта структура очень нежелательна для низких дымовых труб.

Из анализа форм распространения выбросов ясно, что наиболее опасен волнообразный факел, наименее – приподнятый факел. Но при этом следует учитывать влияние на процесс рассеивания ха

рактеристик дымовой трубы и географического положения источника (в котловине, на возвышенности и др.), особенности земной поверхности (лесная, степная, с застройками или без них и др.).

В общем случае распространение факела выброса (см.рис.13.3) происходит в направлении действия ветровой нагрузки (Х). По нормали к этому направлению (Y) факел близок к симметричному. На некотором расстоянии Х₀ в приземной слой выпадают первые из оседающих примесей. По мере удаления от источника концентрация выпадающих загрязнений возрастает, достигая максимума на оси факела С_м(Х_m), а затем постепенно уменьшается, так как содержание примесей в атмосфере убывает.

Наибольшая концентрация примеси в факеле выброса наблюдается на его оси. По мере распространения факела он «раскрывается» за счет вовлечения в него окружающего воздуха и максимум концентраций примесей на его оси снижается (С(Х>Х_m)< С_м(Х_m)).

Рис. 13.3. Схема распределения концентраций примесей

в приземном слое.

Анализ факторов, влияющих на процессы рассеивания в атмосфере, показывает, что существуют такие сочетания ветровой нагрузки и метеорологических условий (влажность, температурный градиент и др.), при которых создаются условия для наиболее интенсивного осаждения примесей из факела выброса, т.е. происходит

наибольшее загрязнение приземного слоя. Такие условия называются неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ), а скорость ветра, при которой они создаются – опасной.

Вышеуказанное следует учитывать как при решении вопросов очистки и рассеивания выбросов, так и при управлении работой оборудования и установок - источников загрязнений в НМУ (например, снижение интенсивности выбросов за счет перехода на пониженную производительность, отключение части объектов и др.).