Различают три схемы термической нейтрализации:
прямое сжигание в пламени t = 600-800°С;
термическое окисление t = 600-800°С;
каталитическое сжигание t = 250-450°С.
Выбор схемы зависит от химического состава загрязняющих веществ, их концентраций, начальной температуры газовых выбросов, объемного расхода и ПДВ загрязняющих веществ.
Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для осуществления процесса. Из экономических соображений этот вклад должен превышать 50% общей теплоты сгорания. Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 0,9-0,99, если время пребывания вредностей в высокотемпературной зоне не менее 0,5 с. Температура равна 500-650°С для газов, содержащих углеводороды, и 660-750°С для оксида углерода.
Термическое окисление применяют либо когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.
Важнейшими факторами, которые должны учитываться при проектировании устройств термического окисления, являются время, температура и турбулентность. Время составляет 0,3-0,8 с. Турбулентность характеризует степень механического перемешивания, необходимую для обеспечения эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Температура: 500-760°С при окислении углеводородов; 680-800°С для оксида углерода; 480-680°С при устранении запаха.
Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей.
В тех случаях, когда температура отходящих газов недостаточна для протекания процесса окисления, поток отходящих газов подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабочую зону, в которой сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ.
Основное преимущество термического окисления относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и избежать образования значительного количества окислов азота.
Каталитический метод используют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ катализаторов. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом.
Каталитическое окисление выгодно отличается от термического кратковременностью протекания процесса (иногда доли секунды), что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, температура в данном процессе существенно снижена (до 300°С) по сравнению с термическим.
Методы подбора катализаторов разнообразны, но все они, как правило, базируются на эмпирических или полуэмпирических способах. Основной критерий выбора катализаторов их активность и долговечность. Об активности катализатора судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по объемной скорости каталитического процесса, при которой обеспечивается требуемая степень очистки обрабатываемого газа. Степень обезвреживания 0,85-0,95 обычно достигается при объемной скорости от 2000 до 60000 ч-1. В большинстве случаев в качестве катализаторов используют различные металлы (платина, палладий и другие благородные металлы) или их соединения (оксиды меди, марганца и т.п.). Катализаторная масса обычно выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, оксида алюминия с нанесением на их поверхность благородных металлов.
Объем катализаторной массы определяют исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая, в свою очередь, зависит:
а) от природы и концентрации вредных веществ;
б) от температуры и давления каталитического процесса;
в) от активности катализатора.
Отравление катализатора (присутствие железа, свинца, кремния и фосфора, соединений серы).
Температура с повышением активности катализатора возрастает.
Различают два конструктивных варианта газоочистных каталитических устройств:
реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе;
реакторы термокаталитические аппараты, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель.
Рассеивание выбросов в атмосфере
На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают:
состояние атмосферы;
расположение предприятий и источников выбросов;
характер местность;
физические и химические свойства выбрасываемых веществ;
высота источника выброса;
диаметр устья источника выброса и некоторые другие факторы.
Горизонтальное перемещение примесей определяется, в основном, скоростью ветра, а вертикальное распределением температур в вертикальном направлении.
Газовые выбросы на определенном расстоянии от трубы достигают земли. Приземная концентрация быстро растет до максимальной величины и затем по мере удаления от трубы медленно убывает. Максимальная концентрация прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. 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 действием вертикальных потоков. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра Vm на высоте струи. Вместе с тем с увеличением Vm уменьшается высота факела над устьем трубы. Поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того, чтобы предотвратить это явление, скорость газа Wг должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.
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".
Кроме формул для точечных источников, в ОНД-86 даны формулы для расчета приземных концентраций от низких и наземных источников, от площадных источников, а также приведен специальный раздел для определения приземных концентраций на площадке в зонах аэродинамических теней, создаваемых зданиями.
13. Защита водного бассейна
Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материалов и др. целей.
Особенностью внутреннего строения молекулы воды является несимметричное расположение атомов водорода относительно атома кислорода. В результате этого внутримолекулярные силы компенсируются не полностью, и их избыток проявляется вне молекулы. В силу асимметричного распределения положительных и отрицательных зарядов молекула воды обладает ярко выраженной полярностью, значительно превосходящей разделение зарядов у других веществ. Этим объясняется хорошая способность воды растворять многие вещества.
Вода наилучший растворитель для многих газов, жидкостей и твердых соединений. В то же время вода химически не изменяется под действием большинства соединений, т.к. является инертным растворителем. Этим обеспечивается полноценное питание живых существ и возможность многократного использования в природе и технологических процессах.
Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех известных жидкостей, за исключением ртути. Это свойство обусловливает возможность движения воды в стеблях растений, стволах деревьев, движение крови в тончайших сосудах организмов.
Химически чистая вода обладает следующими физическими свойствами: плотность при температуре 0С 1 г/см3, температура плавления 0°С, температура кипения 100°С, не обладает запахом и вкусом. Наибольшую плотность вода приобретает при температуре около 4°С, при замерзании увеличивает объем примерно на 10%.
Ресурсы воды. Общее количество природной воды на земле составляет 1386 млн. км3. В основном (свыше 97,5 %) это соленые воды. Количество пресной воды 35 млн. км3. Подавляющая часть пресной воды является труднодоступной для людей, так как она в основном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под землей. В России запас пресных поверхностных вод составляет 40,5 тыс. км. Объем потребления пресной воды в мире достигает приблизительно 3900 км3/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды.
Природная вода это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Ее качественные показатели находятся на естественном среднемноголетнем уровне. Классификация воды в зависимости от степени минерализованности приведена на рисунке 13.1.
Рис. 13.1. Классификация вод
По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.
Жесткость природных вод обуславливается присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са2+ и Мg2+ в ммоль-экв/л. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух последних, карбонатная связана с присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и магния.
Сточные воды. В производстве образуются различные категории сточных вод.
Сточная вода это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), поверхностные и производственные (ПСВ).
Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуатации на его территории душевых, туалетов, прачечных, столовых. Они содержат примеси, из которых примерно 58% органических веществ и 42% минеральных. Предприятие не отвечает за качество данных сточных вод и направляет их на городские или районные станции очистки.
Поверхностные сточные воды образуются в результате смывания дождевой, талой, поливочной водой примесей, скапливающихся на территории, крышах и стенах производственных зданий. Основными примесями этих вод являются твердые частицы, нефтепродукты, органические и минеральные удобрения. Каждое предприятие отвечает за загрязнение водоемов, поэтому необходимо знать объем сточных вод данного типа.
Расход сточных вод рассчитывают по методу предельной интенсивности в соответствии со СНиП 2.04.03-85. "Нормы проектирования, канализация, наружные сети и сооружения".
Производственные сточные воды. Они образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество, состав и концентрация примесей определяется типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов. В технологических процессах источниками сточных вод являются:
воды, образующиеся при протекании химических реакций (они загрязнены исходными веществами и продуктами реакций);
воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах и выделяющиеся в процессе переработки;
промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования;
маточные водные растворы;
водные экстракты и абсорбенты;
воды охлаждения.
Для обеспечения промышленных предприятий нашей страны ежегодно забирается из естественных источников водоснабжения примерно 100 млрд. м3 воды, при этом 90% этого количества возвращается обратно в водоемы с различной степенью загрязненности. Около 10% общего водопотребления приходится на машиностроительные предприятия, где воду используют для следующих целей:
охлаждение или подогрев исходных материалов и продукции, деталей и узлов технологического оборудования;
приготовление различных технологических растворов;
промывку, обогащение и очистку исходных материалов или продукции;
хозяйственно-бытовое обслуживание.
Химически чистой воды в природе нет. Даже дистиллированная вода содержит микросоединения и растворенные углекислоту, азот, кислород.
Природные воды являются сложными дисперсными системами, содержащими большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Дисперсной системой называют систему, которая состоит из очень мелких частичек распределенного вещества. При нахождении частичек в молекулярно-растворенном состоянии или в виде ионов система называется истинным раствором. Это, как правило, гомогенная, т.е. не имеющая внутренних поверхностей раздела, система. При наличии внутренних поверхностей раздела (гетерогенная система) в зависимости от степени раздробленности примеси образуют коллоидные растворы или взвеси.
В природных водах наряду с неорганическими соединениями почти всегда присутствуют сложные органические вещества. Наиболее распространенными органическими примесями являются гумусовые вещества, придающие воде окраску. Гумусовые вещества представляют комплекс органических веществ продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. В природных водах гумусовые вещества представлены фульвокислотами и гуминовыми кислотами, а также их солями.