Аппараты, и системы локализации, очистки и обезвреживания выбросов

В основе этих аппаратов и систем лежат следующие методы: инерционного и гравитационного осаждения и отделения, фильтраций, ионизации с последующим осаждением ионов, адсорбции, хемосорбции, катализа и термической нейтрализации. Перечисленные методы изучались студентами в дисциплине "Экология". Классификация аппаратов и систем для локализации, очистки и обезвреживания выбросов в самом общем виде представлена на рис. 11. Более детальная классификация, учитывающая требования ОНД-90 [27], включает в себя устройства локализации, инерционные средства ПГО, фильтры, электрофильтры, мокрые пылеуловители, катализаторы и устройства термической нейтрализации. При этом только средствами очистки воздуха являются инерционные средства ПГО, фильтры и электрофильтры; мокрые пылеуловители применяются для очистки и обезвреживания выбросов; средства катализа и термической нейтрализации решают прежде всего задачу обезвреживания вредных токсических веществ. Ниже приводится краткая характеристика этих средств.

1. Устройства локализации выбросов применяют для удаления загрязненного воздуха рабочей зоны с последующей его очисткой или рассеиванием. Эти средства представлены двумя типами отсосов - открытых и полных укрытий. Отсосы открытого типа устанавливаются за пределами источников выбросов и не обеспечивают изоляцию последних. Они представляют собой расположенные соосно с источником выделения вытяжные зонты и панели; при расположении ниже источников выделения - щелевые и кольцевые отсосы. Если при этом применяется плоская приточная струя воздуха для отделения воздушной среды помещения от источника загрязнения, то такие отсосы называют активированными. Вторая группа отсосов обеспечивает изоляцию воздуха рабочих мест от выбросов и включает вытяжные шкафы и камеры и фасонные укрытия (кожухи-воздухоприемники, пылестружкоприемники и встроенные отсосы). Применяются и переносные отсосы для меняющих свое место источников выбросов (например, переносной отсос для электросварки крупногабаритных панелей).

2. Инерционные (и гравитационные) установки включают пылевые камеры, циклоны, роторные пылеуловители. Принцип действия пылевых камер заключается в гравитационном освоении примесей размерами больше 100 мкм при резком снижении скорости движения воздушного потока (менее 0,5 м/с). Достоинством пылеосадительных камер является возможность очистки горячих и агрессивных выбросов с эффективностью очистки 80...90%, недостатками - большие размеры камер и очистка лишь крупнодисперсных примесей. Циклоны являются одними из самых распространенных средств ПГО. Отделение пыли обеспечивается тангенциальным подводом очищаемой струи газа в верхнюю часть аппарата, ее вращательно-поступательным движением со скоростью 1,7...4,5 м/с и поворотом на 180˚ в нижней части аппарата. В различных типах циклонов эффективность очистки колеблется от 83 до 95%, допустимая входная концентрация пыли достигает 250...1000 г/м³. Достоинствами циклонов являются отсутствие движущихся частей, возможность очистки горячих (до 400˚С) газов; недостатками - большое гидравлическое сопротивление на входе и низкий эффект очистки мелкодисперсных пылей.

3. В вихревых пылеуловителях (ВПУ) помимо внутреннего закрученного потока очищаемого газа (движение его создается специальными соплами или лопатками в форме розетки) тангенциально подается встречный поток атмосферного воздуха ("вторичный газ"). К преимуществам ВПУ относятся большая производительность (до 315000 м³/ч); высокая эффективность очистки - 86% для частиц d > 5 мкм и 96% для частиц d > 40 мкм; способность устойчиво работать в диапазоне концентраций пыли от 0 до 300 г/м³. Однако, у ВПУ сложная конструкция, они менее надежны в работе, чем, например, циклоны.

4. Фильтры применяются для очистки атмосферного воздуха и технологических газов, в том числе агрессивных и взрывоопасных, при концентрации пыли от 0 до 80 г/м³. Обычные заводские фильтры могут работать при t до 140˚С, фильтры из стеклотканей - до t ≤ 230°С. Различают фильтры с гибкими и жесткими перегородками и фильтры с насыщенным неподвижным или движущимся слоем (их еще называют зернистыми фильтрами). Материалом для гибких перегородок служат ткани, войлок, нетканые волокнистые материалы, пенополиуретан и т.д. Регенерация фильтрующего материала проводится механическим воздействием (встряхиванием) или обратной посекционной (поэлементной) струйной или импульсной продувкой. Для такой очистки в РФ применяют фильтры из тонкого - 0,2...1 мм слоя полимерных смол - фильтры Петрянова (ФП). Эффективность ФП достигает 99,9%, но у них - узкий диапазон рабочих t - всего до 70°С. В полужестких фильтрах Фильтрующим материалом являются слои волокон, стружки и т.д. Эти фильтры просты в изготовлении, дешевы в эксплуатации, но эффективны лишь для очистки частиц d > 15-20 мкм. В жестких фильтрах используются керамика, спрессованные порошки металлов, проволочные сетки и т.д. Жесткие фильтры выдерживают t до 800°С, не боятся химических и агрессивных сред. Их эффективность и размер удаляемых частиц зависят от материала фильтрующего элемента: фактическая ультрафильтрация в керамических фильтрах и удаление лишь крупнодисперсных пылей проволочными сетками. Зернистые фильтры могут иметь неподвижные и подвижные слои загрузки. Они применяются для очистки крупных примесей, фильтрующим элементом в них может быть песок, гравий, шлак и т.д. Зернистые фильтры дешевы, эффективны, просты в эксплуатации, но имеют большое гидравлическое сопротивление и сложную регенерацию (обратной промывкой растворами и паром и т.д.).

5. Электрофильтры применяются для очистки технологических выбросов с концентрациями пыли до 50 г/м³ и d от 1 до 100 мкм. Они способны работать при температурах до 800°С с эффективностью очистки до 99%. В РФ электрофильтрами очищается около 50% всех отходящих газов. Конструктивно электрофильтры бывают трубчатыми и пластинчатыми. Применяют и двухзонные электрофильтры, в которых высокое U в первой зоне обеспечивает ионизацию, а во второй зоне U=7 кВ обеспечивает осаждение ионов. Недостатком электрофильтров является невозможность их применения для очистки взрывоопасных смесей.

6. Мокрые пылеуловители (далее - мокрые ПГО) применяются для очистки выбросов, нуждающихся в охлаждении, содержащих брызги и туманы. В группу мокрых ПГО входят полые, насадочные и скоростные газопромыватели, пенно-барботажные аппараты, газопромыватели ударного действия и центробежного типа. Мокрые ПГО являются высокоэффективными устройствами для очистки мелкодисперсных пылей с d = 0,3...1 мкм, горячих и взрывоопасных выбросов. Однако в процессе очистки в них образуется шлак, что требует специальных систем для его переработки; ряд мокрых ПГО чувствителен к неравномерной подаче газов, ненадежен в эксплуатации (например, пенно-барботажные аппараты). К полым газопромывателям относятся форсуночные скрубберы (противоточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости), представляющие собой колонны, в которых очищаемый газ орошается водой из форсунок по ходу движения газа, против хода движения и перпендикулярно ему. Эффективность очистки в них падает при d примесей < 5 мкм. Насадочные газопромыватели применяются при гидрофильной пыли низкой концентрации. Их эффективность при d ≥ 2 мкм превышает 90%. В пенно-барботажных аппаратах перпендикулярно движению газовой струи устанавливаются тарелки с отверстиями от 3 до 8 мм, на которые подается вода. При прохождении газа образуется пена, с которой уносятся частицы примесей, эффективность очистки высокая, но при неравномерности подачи газа возможен сдув пены или "проваливание" жидкости. При стабилизации пенного слоя сотовыми решетками производительность аппарата может быть увеличена до 90000 м³/ч. Газопромыватели ударно-инерционного типа обеспечивают удар газового потока о поверхность жидкости при изменении направления движения у зеркала воды на 180°. В газопромывателях центробежного типа для удаления нецементирующейся пыли помимо орошения смеси применяется вращательно-поступательное движение газа, создаваемое его тангенциальным подводом или центрально расположенными лопаточными завихрителями (аналогично ВПУ). Наибольшей производительностью отличаются скоростные газопромыватели. Они бывают 3-х типов: а) с центральными форсунками; б) с периферийным и пленочным орошением и в) подводом жидкости за счет энергии самого потока. В последнем случае за счет сужения воздуховода увеличивают скорость движения газовой струи до 60...150 м/с, что вызывает распыление подведенной к сужению воды (эффект пульверизатора).

Очистка от парогазовых загрязнений веществ с высокой растворимостью в воде (сотни г/л) обеспечивается любым мокрым ПГО. При низкой растворимости (доли г/л) подбираются специальные растворители, применяются методы адсорбции и хемосорбции. Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных и кольцевых емкостей, заполненных адсорбентом. При неподвижном слое адсорбента процесс очистки периодический, с перерывами для регенерации; при подвижном слое применяется непрерывный процесс. В этом случае в системе предусматривается узел десорбции для регенерации адсорбента.

7. Устройства обезвреживания выбросов используют методы хемосорбции, катализа и термической нейтрализации. Технические средства дли хемосорбции аналогичны установкам для других видов сорбции, рассмотренных выше. Меняется только химический состав сорбента и снижаются требования к утилизации и обезвреживанию шлама.

Каталитический процесс требует правильного выбора катализатора, обеспечения максимального контакта его поверхности с газовым потоком и создания необходимых температурных условий. В основе выбора катализаторов лежат эмпирические данные. Катализаторам могут быть металлы (платина, палладий и др.) и их соединения (MnO, ChO и т.д.). Масса катализатора наносится на поверхность шаров, спиралей и колец, выполненных из нихрома, никеля, оксида алюминия, и составляет сотые % к их массе. Нижний предел температур, при котором начинается каталитическая реакция для 14 наиболее важных вредностей, составляет 170...400˚С, верхний предел - 230...800°С. Реактор для катализа может размещаться в отдельном помещении, а может функционировать вместе с нагревателем (каталитические и термокаталитические реакторы). Только устройствами для катализа обеспечивается снижение выбросов автотранспорта, доля которых в выбросах составляет 80% в США, в РФ - около 13%.

Устройства термической нейтрализации представлены:

а) установками факельного сжигания горючих отходов (цианистого водорода, метилизоцианата и др.);

б) устройствами термического окисления, в которых одновременно с очищаемыми выбросами к горелкам теплообменников подводится атмосферный воздух, а при необходимости - дополнительное горючее веществе (например, природный газ);

в) термокаталитическими реакторами, в которых одновременно реализуется термическое и каталитическое обезвреживание вредных и токсических веществ.

Помимо средств локализации, очистки и обезвреживания выбросов, чьи характеристики приведены выше, применяются и биохимические методы газоочистки, средствами реализации которых являются биофильтры и биоскрубберы. В биофильтрах очищаемый газ пропускают через орошаемый водой слой фильтра-насадки из почвы, торфа, компоста или синтетических материалов. В биоскрубберах абсорбентом служит водяная суспензия активного ила. Из-за небольшой скорости биохимических реакций устанавливается промежуточная емкость, в которой при t = 25...35˚С и рН = 6,5...8,5 обеспечивается биохимическое окисление вредных веществ.

Более подробно описание ЭБТ и характеристики ее конкретных образцов приведены в справочниках по средствам защиты в охране труда и окружающей среды. Существенную помощь при выборе образцов ЭБТ обеспечивает сопоставление некоторых характеристик примесей и возможностей средств ПГО. На рис. 12 представлены данные по дисперсному составу примесей в технологических газах и рекомендуемые при этом средства ПГО.

2) Прогнозирование пожарной обстановки и ее оценка. Такая обстановка может возникнуть при ЯВ из-за воздействия СИ, техногенных пожарах на объектах экономики и природных пожарах в лесах и на торфяниках.

В процессе прогнозирования определяют площадь и периметр возможного пожара, характер пожара (отдельный или сплошной пожар, огненный шторм или массовый пожар), вероятные направления и скорость его распространения, а также вероятный характер воздействия пожара на людей и объекты в различные временные отрезки, с учетом изменения метеоусловий. При этом берут самый неблагоприятный вариант: ось пожара проходит через объект экономики или населенный пункт и V_В > 5 м/с (при ЯВ принимают воздушный взрыв при очень прозрачном воздухе).

Полученные размеры возможного пожара наносят на карту (или схему) местности с учетом принятого (или фактического) направления ветра. Затем проводят оценку прогнозируемой пожарной обстановки в направлении обеспечения БЖД людей и успешного функционирования объекта экономики или населенного пункта. При этом выбирают варианты локализации и тушения пожара, при которых исключались (уменьшались) потери среди людей и материальный ущерб на объекте или в населенном пункте.

Методики прогнозирования и оценки возможной пожарной обстановки различны как для техногенных, так и природных пожаров. Определенная особенность существует при прогнозировании зон пожаров, вызванных СИ ЯВ. Поэтому ниже рассмотрим их кратко, считая, что детально с ними студенты будут знакомиться по практикуму [3] при выполнении практических занятий или курсовой работы по данной дисциплине.

3.3.4.1. Методика прогнозирования и оценки возможных зон пожаров, вызванных СИ ЯВ. Исходными данными при этом служат: мощность ЯВ, расстояние до объекта (населенного пункта), характеристика атмосферы, степень огнестойкости и категорийность по взрывопожароопасности зданий и сооружений, плотность размещения зданий на объекте или в населенном пункте т.д., а также рекомендуемый (см. выше) самый неблагоприятный вариант пожара по последствиям.

Как известно, при ЯВ от СИ образуются три типа зон пожаров (см. п.п. 1.4.6). Поэтому методика прогнозирования и оценки этих зон состоит из 3-4 этапов. На 1 этапе определяют величину СИ на объекте и для всех расстояний от эпицентра ЯВ. Затем наносят возможную обстановку на карту (или схему) местности, четко выделяя границы зон пожаров.

На 2 этапе оценивают возможную пожарную обстановку по отдельным зданиям объекта (населенного пункта) с учетом их степени огнестойкости и категории по взрывопожароопасности, а затем и в целом по объекту (населенному пункту). При этом принимают во внимание плотность размещения зданий и V_В, влияющих на скорость распространения огня.

На 3 этапе разрабатывают меры по исключению или ограничению возможности возникновения и развития пожара, определяют возможные способы и средства по локализации и в последующем - тушению пожара на объекте (в населенном пункте). Для более точного определения действий пожарных подразделений на 4 этапе проводят временной прогноз пожарной обстановки с учетом изменений V_В и его направления.

3.3.4.2. Методика прогнозирования и оценки возможной пожарной обстановки при техногенных пожарах. Исходными данными при этом служат: характеристика элементов объекта по взрывопожароопасности и огнестойкости, плотность размещения зданий на объекте, его расположение по отношению к населенному пункту, другим объектам экономики, лесному и торфяному массивам и т.д., а также рекомендуемый (см. выше) самый неблагоприятный вариант пожара по последствиям.

Методика прогнозирования и оценка возможностей пожарной обстановки состоит из 4 этапов. На 1 этапе определяют параметры возможного пожара на наиболее пожароопасном элементе объекта экономики, в том числе площадь и периметр пожара, возможность загорания соседних зданий и сооружений с учетом их огнестойкости и взрывопожароопасности и т.д. Затем наносят размеры пожара на генплан объекта.

На 2 этапе оценивают возможную пожарную обстановку на объекте экономики, ее влияние на соседние объекты и населенный пункт, принимая во внимание плотность размещения зданий, V_В и скорость развития пожара V_РП.

На 3 этане разрабатывают меры по исключению или ограничению возможности возникновения и развития пожара, определяют возможные способы и средства локализации и тушения техногенного пожара на объекте экономики.

На 4 этапе проводят временной прогноз пожарной обстановки крупного пожара с учетом изменений V_В, V_РП и их направлений. По такому прогнозу разрабатывают тактику тушения пожара, необходимость в привлечении дополнительных сил и средств для быстрого его тушения, меры обеспечения БЖД людей, занятых на тушении пожара, и т.д.

3.3.4.3. Методика прогнозирования и оценки возможной пожарной обстановки при природных пожарах. Исходными данными при этом служат: размеры лесного или торфяного массива, его расположение по отношению к населенному пункту, объектам экономики и другим массивам, степень огнестойкости близкорасположенных зданий, сооружений и их взрывопожароопасность и т.д., а также рекомендуемый (см. выше) самый неблагоприятный вариант пожара по последствиям.

Методика прогнозирования и оценки возможной пожарной обстановки состоит из 4 этапов. На 1 этапе определяют параметры возможного природного пожара, в том числа площадь и периметр пожара, основные направления его развития и V_ПР по фронту, флангам и тылу в зависимости от V_В и т.д. Затем наносят размеры пожара на карту местности или генплан торфопредприятия (лесхоза).

На 2 этапе оценивают возможную пожарную обстановку в лесном (на торфяном) массиве, ее влияние на населенные пункты, другие лесные (торфяные) массивы. При этом учитывают V_В, V_ПР и вид пожара (низинный или верховой - в лесу; поверхностный или подземный - на торфяниках).

На 3 этапе проводят временной прогноз по развитию лесного или торфяного пожара с учетом изменений V_В и его направления.

На 4 этапе разрабатывают тактику локализации и тушения данного пожара, необходимость сил и средств для этого, меры обеспечения БЖД людей, занятых на локализации и тушении пожара и т.д.