Современное металлургическое предприятие является сложным производственным комплексом, включающим самые разнообразные цехи, а иногда отдельные заводы, которые в значительной степени ухудшают состояние ОС. Основными источниками загрязнения атмосферы выбросами металлургических предприятий являются коксохимическое, агломерационное, доменное, ферросплавное и сталеплавильное производства. Коксохимическое производство загрязняет атмосферу окислами углерода и серы. На 1 т перерабатываемого угля выделяется около 0,75 кг SO2 и по 0,03 кг различных углеводородов и аммиака. Кроме газов, коксохимическое производство выделяет в атмосферу большое количество пыли. Имеются данные, что при производстве кокса на 1 т перерабатываемого угля выделяется около 3 кг угольной пыли. Также большое количество пыли выделяется при разгрузке и перегрузке угля, в среднем 0,005% от массы угля.
На аглофабриках источниками загрязнения воздуха являются аглоленты, барабанные и чашевые охладители агломерата, обжиговые печи, узлы пересыпки и сортировки агломерата и других компонентов шихты. Количество агломерационных газов 2,5-4,0 тыс. м3/т полученного агломерата с содержанием в них пыли от 5 до 10 г/м3 В состав газов входят оксиды серы и углерода, а пыль содержит железо и его оксиды, оксиды марганца, магния,
фосфора, кремния, кальция, иногда частицы титана, меди, свинца.
Доменное производство характеризуется образованием большого количества доменного газа (≈ 2-4 тыс. м3/т чугуна). Этот газ содержит оксиды углерода и серы, водород, азот, некоторые другие газы и большое количество колошниковой пыли (до 150 кг/т чугуна). Пыль содержит окислы железа, кремния, марганца, кальция, магния, частицы шихтовых материалов.
Основные источники загрязнения воздуха при производстве ферросплавов -
электродуговые печи. Выбросы этих печей состоят из нетоксичной и токсичной пыли
(окислы железа, меди, цинка, свинца, хрома, кремния, газы). В зависимости от
вида выплавляемого сплава и мощности печей суммарное количество пыли,
образующейся в результате технологических процессов, может составлять сотни
тонн в сутки. При этом Cr+6 и пыль обнаруживают на расстоянии до 3
км от источника загрязнения. Заводы, выплавляющие ферросилиций, загрязняют
атмосферный воздух в радиусе 2-3 км мельчайшими частицами SiO2,
наибольшее содержание которых наблюдается на расстоянии около 0,5 км от
предприятия [9].
1.3 Воздействие на окружающую среду и
здоровье человека
Наиболее угрожающие последствия загрязнение атмосферы вызванные деятельностью металлургических предприятий, являются оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, пыль. Отрицательные последствия эмиссии соединений серы и азота выражается в первую очередь в возникновении таких негативных явлений как смог и кислотные осадки.
Смог представляет собой смесь тумана и дыма, наполненного опасными для живых организмов веществами. Смог может полностью обволакивать город на несколько дней. Различают влажный, фотохимический и ледяной смоги.
Смог в виде густого ядовитого тумана, который образуется в осенне-зимнее время, называют смогом лондонского типа. Его основой является сернистый ангидрит, содержание SO2 в котором в несколько раз превышает ПДК [9,10].
Другой вид смога - фотохимический туман. Основные компоненты - фотооксиданты, оксиды азота, угарный и углекислый газы, альдегиды, кетоны, фенолы, метанол и т.п. Он образуется в теплое время года в воздухе, сильно загрязненном промышленными газами, в результате из разолжения под действием солнечного излучения.
Смог ледяной - это состояние газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристалликов льда, возникающих при замерзании тумана.
Кислотные осадки - это осадки, выпадающие в виде дождя и снега со значением pH 5,5-5,6.Это связано с присутствием в атмосфере диоксидов углерода, серы и азота, поступающих из антропогенных источников.
Диоксид серы в большом количестве образуется при сжигании органического топлива в металлургической промышленности. Среднее время жизни SO2 составляет четверо суток, а затем происходит окисление в SO3. Соединяясь с парами воды, присутствующими в воздухе триоксид серы образует серную кислоту. Таким же образом происходит образование азотной кислоты.
Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии в городах, разрушают памятники и сооружения из мрамора и известняка. При действии на почвы кислотные осадки вызывают закисление и нарушают естественные круговороты веществ, а также биологическое равновесие. Кроме того они выщелачивают из почвы тяжелые металлы, превращая их в растворимые формы, хорошо усваиваемые растениями. Далее по трофическим цепям они поступают в организм человека и накапливаются, разрушая различные органы и нарушая метаболические реакции в организме.
Кислотные осадки представляют для человека серьезную опасность, так как могут вызывать раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, глаз, а при больших концентрациях - удушье и смерть. Особенно опасен диоксид серы, когда он осаждается на пылинках и в этом виде проникает глубоко в дыхательные пути [11].
Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз. Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки, например, глаз, легких, участвуют в образовании ядовитых туманов и т. д. Особенно опасны они, если содержатся в загрязненном воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями. В этих случаях даже при малых концентрациях загрязняющих веществ возникает эффект синергизма, т. е. усиление токсичности всей газообразной смеси [12].
Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа). При остром отравлении появляются общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя 3-7 дней). Однако из-за низкой концентрации СО в атмосферном воздухе он, как правило, не вызывает массовых отравлений, хотя и очень опасен для лиц, страдающих анемией и сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Среди взвешенных твердых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5
мкм, которые способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах
легких, засорять слизистые оболочки [13].
2. Методы очистки
2.1 Абсорбция
Абсорбция - поглощение газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Возможность осуществления процесса абсорбции основывается на растворимости газов в жидкостях. Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае - хемосорбцией. Абсорбентами служат индивидуальные жидкости или растворы активного компонента в жидком растворителе. Во всех случаях к абсорбентам предъявляют ряд требований, среди которых наиболее существенными являются: высокая абсорбционная способность, селективность, низкое давление пара, химическая инертность по отношению к распространенным конструкционным материалам (при физической абсорбции- также к компонентам газовой смеси), не токсичность, огне- и взрывобезопасность, доступность и не высокая стоимость.
Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов, приведены в таблице 2.
Таблица 2 Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов
|
Поглощаемые компоненты |
Абсорбенты |
|
Оксиды азота N2O3, NO2, N2O5 |
|
|
Оксид азота NO |
Растворы FeCl3, FeSO4, Na2S2O3 NaHCO3, NaHSO3, Na2SO3 |
|
Диоксид серы SO2 |
Вода, водные растворы: Na2SO3(18-25%-ные),NH4OH (5-15%-ные), Са(ОН)2, Na2CO3(15-20%- ные), NaOH (15-25%-ные), KОН,(NН4)2SО3 (20-25%-ные), ZnSO3, K2СО3; суспензии CaO, MgO, СаСО3, ZnO, золы; ксилидин-вода в соотношении 1 : 1, диметиланилин C6H3(CH3)2NH2 |
|
Сероводород H2S |
Водный раствор Na2CO3 + Na3AsO4; водный раствор Аs2О3(8-10 г/л) + NН3(1,2-1,5 г/л) + (NH4)3AsO3 (3,5-6 г/л); моноэтаноламин (10-15%-ный раствор); растворы K3РO4(40-50%-ные), NH4ОH, K2CO3, Na2CO3, CaCN2, натриевая соль антрахинондисульфокислоты |
|
Оксид углерода СО |
Жидкий азот; медно-аммиачные растворы [Сu(NН3)]n×СОСН |
|
Диоксид углерода СО2 |
Водные растворы Nа2СО3, K2СО3, NaOH, KОН, Са(ОН)2, NH4OH, этаноламины RNH2, R2NH4 |
До обработки органическим абсорбентом из загрязненных газов необходимо удалить дисперсные примеси. Иначе абсорбент быстро загрязняется и становится отходом, практически не поддающимся очистке.
Органические абсорбенты должны иметь низкое давление насыщенных паров при температуре процесса. Растворители с недостаточно низкой упругостью паров будут интенсивно испаряться, и загрязнять обрабатываемые газы. Кроме того, низкокипящий абсорбент сложно регенерировать, так как извлечь (десорбировать из него) уловленное вещество нагреванием невозможно. На интенсивность перехода загрязнителя из газовой фазы в жидкую большое влияние оказывают температура и давление процесса, а также способ организации контакта фаз. С ростом давления и снижением температуры скорость абсорбции увеличивается [14].
Газовая смесь, содержащая извлекаемый из нее компонент, поступает в
абсорбер, где происходит контакт с абсорбентом, который поглощает данный
компонент. Газ, очищенный от компонента, удаляется (очищенный воздух может быть
выброшен в атмосферу), а раствор поглотителя, содержащий абсорбированный
компонент, поступает в теплообменник, где нагревается. Нагретый раствор насосом
подается в десорбер, где из него выделяется (десорбируется) поглощенный
компонент путем испарения в результате нагревания поглотителя паром.
Поглотитель, освобожденный от компонента, поступает в теплообменник, где отдает
теплоту абсорбенту при его противоточном движении в десорбер, а затем направляется
в холодильник, пройдя который, снова поступает в абсорбер. Круг замкнулся. По
такому циклу работает установка для абсорбционно-десорбционного улавливания
определенных паров и газов из газовой смеси.
2.1.1 Очистка газов от диоксида серы N-этилпирролидоном
Способ очистки отходящих газов от диоксида серы,
включающий его абсорбцию N-алкилпирролидоном с добавкой воды с последующей
отгонкой диоксида серы в регенераторе абсорбента, характеризующийся тем, что
процесс абсорбции N-метил- или N-этилпирролидоном с содержанием воды от 0 до 15
мас.% проводят в интервале температур от -20 до 18°C, с добавкой 2-пирролидона
от 0 до 30 мас.%, с последующей отгонкой диоксида серы под давлением в
интервале 1,2-1,5 атмосферы. Преимуществом данного способа по сравнению с использованием
N-метилпирролидона, является уменьшение энергетических затрат при очистке
отходящих газов от диоксида серы и увеличение поглотительной способности
абсорбента. Применение повышенного давления при отгонке диоксида серы,
позволяет совместить десорбцию диоксида серы с его термокомпрессией и
транспортировать концентрированный продукт к месту переработки без затрат
электроэнергии на его компрессию [15].
2.1.2 Очистка от SO2 алюмо-сульфатным способом
Процесс, заключается в сорбции диоксида серы раствором
основного сульфата алюминия. Растворимость диоксида серы в растворе основного
сульфата алюминия, примерно, в 20 раз выше, чем в воде, и увеличивается с
повышением концентрации алюминия, основности и понижением температуры. После
окисления сульфита алюминия диспергированным сжатым воздухом до сульфата,
небольшую часть раствора направляют в реактор на нейтрализацию известняком. В
отличие от традиционного процесса десульфуризации (известковый способ) при
использовании алюмо-сульфатного способа не происходит отложений гипса в
абсорберах и трубопроводах. Другим существенным преимуществом процесса является
его нечувствительность к изменениям расхода газа, его температуры и
концентрации SO2,объясняющаяся высокой сорбционной способностью
основного сульфата алюминия в широком диапазоне изменения основности.
Дополнительное преимущество - использование дешевого известняка вместо извести.
Эффективность очистки данным способом составляет 92% [16].
2.1.3 Поглощение оксида углерода медно-аммиачным раствором
В процессе медно-аммиачной очистки окись углерода <http://chem21.info/info/1533058> поглощается под высоким давлением водным <http://chem21.info/info/1025573> раствором медно-аммиачной <http://chem21.info/info/30675> соли. В практике используются <http://chem21.info/info/1686447> аммиачные растворы <http://chem21.info/info/19433> формиата, карбоната или ацетата меди <http://chem21.info/info/225454>. Степень очистки газа <http://chem21.info/info/152196> зависит от парциального давления <http://chem21.info/info/4707> окиси углерода над регенерированным раствором и общего давления <http://chem21.info/info/25784> газа. Для достижения остаточного содержания <http://chem21.info/info/158272> окиси углерода в 10 млн-1. промывка должна производиться при давлении 80-300 атмосфер и температуре от 0 до -10°С.