Воздействие промышленности на воздушную среду

ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ АТМОСФЕРЫ

Твердые вещества.Твердые вещества образуются в результате, как природных явлений, так и деятельности человека.

Пыль, образующаяся в результате деятельности человека, можно подразделить на продукт его основной жизнедеятельности, особенно при создании локальных источников теплоты, а также на продукт технической деятельности. Эти пыли подразделяются на два типа:

— бесполезная пыль, образующаяся как побочный продукт (например, вследствие истирания, механической обработки или износа), как отбросный продукт (например, при работе транспорта), в процессе сжигания или возгонки (продукты сгорания, например сажа или зола), а также пыль от процессов промышленного производства;

— полезная (утилизируемая) пыль, образующаяся в процессах производства или переработки гранулированных веществ, таких как гипс, цемент, наполнители для резины (сажа), высушенные продукты.

Причины образования промышленной пыли зависят от типа производственного процесса:

1) механическая обработка различных веществ (например, бурение, дробление, размол, полирование);

2) отделение веществ (например, отпиловка, отрыв);

3) тепловые процессы и процессы горения (сжигание, плавление, сушка, дистилляция);

4) транспортировка зернистых материалов (например, погрузка, перегрузка, смешение, просеивание и т. д.);

5) соединение гранулированных веществ (например, брикетирование);

6) износ и коррозия веществ.

На количество образующейся пыли влияют следующие факторы:

— физические и физико-химические свойства пыли;

— размер частиц пыли, ее дисперсионные и поверхностные свойства;

— перемещение материала (циркуляция, изменение направления движения и т. д.)

— число и интенсивность столкновений между отдельными частицами;

— коэффициент трения между пылью и оборудованием, по которому она движется.

Жидкие частицы.Жидкие загрязнения (туманы, капли) образуются:

а) при конденсации паров;

б) при распылении или разливе жидкостей;

в) в результате химических или фотохимических реакций.

Пары могут сконденсироваться в результате охлаждения их в смеси с воздухом или другим неконденсирующимся газом. В зависимости от точки плавления конденсирующихся веществ образуются жидкие или иногда твердые частицы.

Жидкость находится в равновесии с паром при конкретной температуре и давлении. Если парциальное давление пара в газе превышает равновесное парциальное давление насыщенного пара при той же температуре, то говорят — пар пересыщен. При достижении критической степени пресыщения, зависящей от химического состава пара и температуры, происходит конденсация. Пары в газах обычно конденсируются на зародышах — чрезвычайно мелкодисперсных пылевых частицах, постоянно суспендированных в атмосфере, ионах и т. п.

Охлаждение и последующая конденсация происходит в результате потери теплоты, т. е. контакта смеси газ-пар с поверхностью более холодного тела, в процессе адиабатического расширения пара либо в процессе смешения с более холодным газом (как это имеет место в ряде случаев рассеивания отбросных промышленных газов из дымовых труб в атмосферу).

Газообразные загрязнения.Образование газообразных загрязнений характерно для раз­личных процессов. Прежде всего, это такие химические реакции как окисление, восстановление, замещение и разложение, а так­же электрохимические (электролиз) и физические (например, выпаривание и дистилляция) процессы.

Наибольшую часть газообразных выбросов составляют про­дукты окисления, образовавшиеся в основном в процессах горе­ния, когда при окислении углерода образуются диоксид и оксид углерода, при окислении серы — диоксид серы, а при высоко­температурном окислении азота в печах — оксид и диоксид азо­та. Однако при неполном сгорании не происходит полного окис­ления органических веществ, и могут образовываться альдегиды, кетоны или органические кислоты. Продукты горения из печей с восстановительной атмосферой могут содержать гидросуль­фид.

Помимо горения, некоторые процессы цветной металлургии, особенно те, которые связаны с обжигом серосодержащих руд, могут явиться источниками продуктов окисления. В химической промышленности в их число входят сжигание серы или обжиг пирита с последующим каталитическим окислением диоксида серы в триоксид — одна из основных стадий производства сер­ной кислоты.

Промышленные восстановительные процессы также являют­ся источниками загрязняющих веществ — в основном гидросуль­фида при производстве кокса. Более крупные источники загряз­нений в химической промышленности — это процессы карбони­зации угля и производства газового угля, сульфатцеллюлозы и ряд других. В качестве примеров восстановительных процессов, можно упомянуть производства соляной кислоты из хлора и водорода и аммиака из атмосферных азота и водорода.

Химическое разложение и замещение широко применяются в химической промышленности, особенно в производствах фосфорных удобрений. Еще одним примером может служить выделение гидросульфида при разложении ксантогената целлюлозы в производстве вискозных волокон.

Электрохимические процессы являются источником серьезных загрязнений как в металлургии (наиболее значительный источник — производство алюминия), так и в химической промышленности (наибольшие загрязнения — в электролитических при производстве хлора и гидроксида натрия). С рассматриваемых позиций наиболее важными, особенно химической промышленности, физическими процессами являются выпаривание и дистилляция (например, выброс углеводородов, хлорпроизводных углеводородов и других растворителей, испаряющихся в процессе производства и использования этиx продуктов). Дистилляция различных химических веществ, включая смолы, а также некоторые нефтеочистительные и нефтехимические процессы — еще один существенный источник выбросов.

Иногда в процессе дистилляции образуются газообразные загрязняющие вещества, которые при нормальных температурах находятся в твердом состоянии. Таким образом, например, оксиды мышьяка поступают в воздух при сжигании угля или при получ­ении свинца и цветных металлов. Дистилляция также при­водит к выбросам свинца, оксида сурьмы (III), ртути и других химикатов. Кроме того, при дистилляции выделяется ряд летучих хлоридов металлов.

Важным источником загрязнений может быть процесс выпаривания, даже если выпаривать очень малые количества веществ с очень неприятными запахами на воздухе. Реакции замещения или присоединения в таких процессах, как нитрование, хлорирование, сульфирование и т. д. также могут быть, хотя и незначительными, источниками газообразных загрязняющих веществ.

Сбор и отвод выбросов от источников.В подавляющем большинстве случаев, устройства для сбора и отвода летучих выбросов от источников выделения разрабатываются лицами, проектирующими технологический процесс. Существуют исключения, например, сталеплавильные печи.

Система сбора и отвода выбросов во многом зависит от типа производственного процесса. Например, в случае сжигания топлива система достаточно простая: топочное устройство — труба (котельная). В большинстве случаев в системе существует газоотборное устройство (аспирационное устройство, местный отсос), система газоходов, через которые осуществляются выбросы и побудитель движения воздуха. Кроме того, в системе может быть предусмотрено разнообразное вспомогательное оборудование (вентили, компенсаторы и т. д.).

Классификация аспирационных устройств. По степени изоляции области действия отсоса от окружающего пространства раз­личают отсосы открытого типа и отсосы от полных укрытий (рис. 3.1).

Отсосы открытого типа — это отсосы, на­ходящиеся за пределами источников выде­ления вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые отсосы и другие устройства. В ряде случаев для отделения зоны выделения вредных веществ от незагрязненного объема воздуха ис­пользуют плоскую приточную струю, ко­торая обеспечивает сдув вредных веществ в зону эффективного действия отсоса иусиливает подсасывающее действие послед­него за счет эжекции. Такие отсосы полу­чили название активированных.

Отсосы от полных укрытий — это от­сосы, внутри которых находятся источники выделения вредных веществ. Движение газа над источниками в ограниченных объ­емах с рабочими проемами и неплотностями, существенным образом отличается от его движения имею­щего место в условиях открытых пространств. Такими закрытыми отсосами являются вытяжные шкафы, фасонные укрытия при обработке вращающихся изделий, кожухи и вытяж­ные камеры, герметично или плотно закры­вающие технологическое оборудование.

Отсосы открытого типа следует приме­нять в тех случаях, когда по технологи­ческим или иным причинам источник не может быть снабжен полным укры­тием, которое является наиболее эффектив­ным средством оздоровления воздушной среды рабочей зоны.

Существенное влияние на выбор кон­струкции отсоса оказывают причины и ха­рактер движения выделений вредных ве­ществ около источников. Последние раз­деляются на тепловые, динамические, диф­фузионные и смешанные.

Движение около тепловых источников происходит за счет тепловой энергии, под­водимой к ним. Выделения вредных ве­ществ распространяются в виде направлен­ного потока — конвективной струи, как правило, турбулентной. Конвективные струи разделяются на участки: начальный или разгонный (участок формирования), на котором осевая скорость возрастает от нуля на поверхности источника до неко­торого максимального значения, к основ­ной, где осевая скорость убывает или остается постоянной с удалением от ис­точника. Длина разгонного участка при­ближенно может быть принята равной 1,5–2 калибрам теплового источника.

Рис. 3.1. Классификация местных отсосов

Движение около динамических источ­ников обусловлено перепадом давления, что приводит к образованию приточной струи. Приточная струя — это струя, обла­дающая некоторой минимальной скоростью истечения за счет избыточного давления внутри объема сосуда, аппарата. Приточ­ная струя состоит из начального и основного участков.

Диффузионные потоки обусловлены градиентом концентрации газовой примеси. Направление и интенсивность распространения последней зависят от диффузионных характеристик вещества и турбулентности окружающей среды.

Различные причины движения нередко действуют совместно. Во всех случаях необходимо уметь оценивать влияние каждой причины на закономерности движения и на основании этой оценки правильно выбирать конструкцию отсоса.

По форме их сечения в плане источники и приемные отверстия отсосов могут быть круглые, пря­моугольные и щелевые. В соответствии с этим, струи могут быть компактные и плоские. В пределах начального (разгон­ного) участка конвективная струя счи­тается компактной, если она образуется над тепловым источником, имеющим в пла­не круглую форму или форму прямоуголь­ника с соотношением сторон а/b < 2. Если тепловой источник вытянутый (а/b > 2), то образующуюся над ним конвективную струю следует считать плоской. Компактной считается приточная струя, истекающая из отверстия круглой или квадратной формы; плоской — струя, истекающая из щелевого отверстия.

Приведенная классификация учитывает основные закономерности и существенные особенности потоков выделений вредных веществ над источниками. При решении практических задач приходится сталкивать­ся с более разнообразными и сложными формами источников, однако при выборе расчетных схем и формул следует приво­дить их к одному из рассмотренных видов.

При выборе и конструктивной проработке местного отсоса необходимо руководство­ваться следующими основными положе­ниями:

— элементы отсоса и укрытий должны со­ставлять единое целое с конструкцией тех­нологического аппарата и не мешать про­ведению технологического процесса;

— всасывающее отверстие должно быть максимально приближено к источнику вы­делений вредных веществ;

— размеры приемного отверстия должны быть равными или несколько большими размеров подтекающей к отсосу струи;

— уменьшение размеров отсоса ведет к уве­личению потребного расхода воздуха;

— зону действия отсоса следует макси­мально ограничивать фланцами, экранами, ширмами и т. п.;

— ориентация приемного отверстия в про­странстве должна производиться с учетом возможно меньшего отклонения потока выделений вредных веществ от естественного направления движения;

— при определении направления движения потока выделений вредных веществ следует следить за тем, чтобы они не проходили через зону дыхания работающих;

— препятствиям на пути движения воздухак отсосу следует придавать форму, при ко­торой сопротивление их будет минималь­ным (острые, кромки скруглять и т. д.);

— поле скоростей в приемном отверстии отсоса рекомендуется устраивать соответ­ствующим полю скоростей в подтекающем потоке выделений вредных веществ. Для этого следует использовать вставки, рассекатели, выравнивающие решетки и т. д.

Практика показывает, что объем выбросов, может быть значительно снижен за счет рациональной и тщательно продуманной конструкции газоотбора.