мокрая очистка отходящих газов

Научно-техническая революция и бурный рост промышленного производства в ХХ веке способствовали не только росту благосостояния человека, но и отрицательно сказались на состоянии окружающей среды в ряде регионов нашей планеты, в том числе и на Урале. Ухудшение состояния окружающей природной среды обусловлено, в основном, образом жизни современного человека. Действие человека как экологического фактора в природе огромно и чрезвычайно многообразно. В настоящее время ни один из экологических факторов не оказывает столь существенного и всеобщего, то есть планетарного, влияния, как человек, хотя это наиболее молодой фактор из всех действующих на природе. Поэтому охрана природы, рациональное использование природных ресурсов - важнейшие проблемы современности, от решения которых зависит здоровье и благосостояние нынешних и будущих поколений.
Постоянно усиливающееся загрязнение атмосферы связано с интенсивным развитием промышленности и энергетических производств, сопровождающимся все возрастающими объемами расходования невосполнимых природных ресурсов. Одной из важнейших проблем при охране окружающей среды является защита воздушного бассейна от чрезмерных загрязнений. Следовательно, развитие новых технологических процессов должно быть сбалансировано с разработкой технологии и аппаратуры, предотвращающих выбросы в атмосферу либо ограничивающих их до допустимых уровней.
Целью моей работы является изучить методы очистки отходящих газов, а также познакомиться с аппаратами мокрой очистки отходящих газов.
В соответствии с характером вредных примесей различают методы очистки газов от аэрозолей и от газообразных и парообразных примесей. Все способы очистки газов определяются в первую очередь физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом и др. Разнообразие вредных примесей в промышленных газовых выбросах приводит к большому разнообразию методов очистки, применяемых реакторов и химических реагентов.
1. Способы очистки газов на производствеВ промышленности применяется механическая, электрическая и физико-химическая очистка газов. Механическую и электрическую очистку используют для улавливания из газов твёрдых и жидких примесей, а газообразные примеси улавливают физико-химическими способами.
Механическую очистку газов производят осаждением частиц примесей под действием силы тяжести или центробежной силы, фильтрацией сквозь волокнистые и пористые материалы, промывкой газа водой или др. жидкостью. Наиболее простым, является способ осаждения крупной пыли под действием силы тяжести в так называемых пылевых камерах. Инерционный способ осаждения частиц пыли (или капель жидкости) основан на изменении направления движения газа со взвешенными в нём частицами. Так как плотность частиц примерно в 1—3 тыс. раз больше плотности газа, они, продолжая двигаться по инерции в прежнем направлении, отделяются от газа.
Инерционными уловителями пыли служат так называемые пылевые мешки, жалюзийные решётки, зигзагообразные отделители и другие. В некоторых аппаратах используется и сила удара частиц.
Для очистки газов широко применяют Циклоны, в которых отделение от газа твёрдых и жидких частиц происходит под действием центробежной силы (при вращении газового потока). Так как центробежная сила во много раз превосходит силу тяжести, в циклонах осаждается и сравнительно мелкая пыль, с размером частиц примерно 10—20 мкм.
Тканевые и бумажные фильтры, а также фильтры в виде слоя коксовой мелочи, гравия или каких-либо пористых материалов (например, пористой керамики) применяют для очистки газов посредством фильтрации. Наиболее распространёнными газоочистителями такого типа являются тканевые мешочные, или рукавные, фильтры. В зависимости от характера пыли и состава газа мешки изготовляют из шерстяной, хлопчато-бумажной или специальной (например, стеклянной) ткани.
Газ проходит сквозь ткань, а частицы пыли задерживаются в мешках (рукавах). Рукавные фильтры служат главным образом для улавливания весьма тонкой пыли; например, при очистке газов, отходящих от ленточных агломерационных машин или от шахтных печей, в рукавных фильтрах улавливается 98—99% всей пыли.
Очистку газов от пыли промывкой водой применяют в аппаратах различного типа. Наиболее широкое распространение получили Скрубберы, мокрые циклоны, скоростные пылеуловители и пенные пылеуловители. В скоростных (турбулентных) пылеуловителях вода, вводимая в поток запылённого газа, движущегося с высокой скоростью, дробится на мелкие капли. Высокая степень турбулизации газового потока при такой скорости способствует слиянию частиц пыли с каплями воды. Относительно крупные капли воды вместе с частицами пыли легко отделяются затем в простейших уловителях (например, в мокрых циклонах). Аппараты этого типа широко применяются для улавливания очень мелкой пыли (возгонов) и могут обеспечить высокую степень очистки газов.
В пенных пылеуловителях запылённый газ в виде мелких пузырьков проходит через слой жидкости с определённой скоростью, вследствие чего образуется пена с высокоразвитой поверхностью контакта между жидкостью и газом. В пенном слое происходит смачивание и улавливание частиц пыли. Благодаря высокой степени улавливания пыли с размерами частиц более 2—3 мкм и малому гидравлическому сопротивлению (порядка 80—100 мм вод. ст.) пенные пылеуловители получили большое распространение.
Электрическая очистка газов основана на воздействии сил неоднородного электрического поля высокого напряжения (до 80 000 в). Аппараты для очистки газов этим методом называются электрическими фильтрами. При пропускании через такие фильтры загрязнённого газа происходит его ионизация, заряженные частицы увлекаются к осадительному электроду и осаждаются на нём. Применение электрических фильтров чрезвычайно распространено, особенно для тонкой очистки дымовых газов тепловых электростанций, в цементной промышленности, чёрной и цветной металлургии. [1, c. 241]
Методы физико-химической очистки применяют для удаления газообразных примесей. К таким методам относятся промывка газов растворителями (абсорбция); промывка газов растворами реагентов, связывающих примеси химически (химическая абсорбция); поглощение примесей твёрдыми активными веществами (адсорбция); физическое разделение (например, конденсация компонентов), каталитическое превращение примесей в безвредные соединения. Абсорбция газообразных примесей растворителями производится путём промывки газов в орошаемых аппаратах типа скрубберов либо в барботёрах, в последних газ проходит сквозь жидкий растворитель, хорошо растворяющий газообразные примеси и очень плохо — остальные компоненты газовой смеси. Так производится, например, улавливание водой аммиака из коксового газа, улавливание различными маслами ароматических углеводородов из коксового газа, извлечение двуокиси углерода из различных газов и т.д. В том случае, если необходимо использовать уловленные продукты, их извлекают из насыщенного ими растворителя путём десорбции.
Очистка газов средствами химической абсорбции производится в аппаратах аналогичного типа. Извлекаемые газовые примеси химически связываются растворами реактивов. Затем растворы нередко регенерируют, т. е. в результате тех или иных операций выделяют связанные примеси, и свойства растворов восстанавливаются.
Адсорбция газообразных примесей производится с помощью различных пористых активных веществ: активного угля, силикагеля, бокситов и др. Вредные примеси адсорбируются на поверхности поглотителя, а после его насыщения отгоняются продувкой горячим воздухом, газом или перегретым паром.
Некоторые содержащиеся в газах вредные газообразные примеси могут быть каталитически превращены в др., легкоулавливаемые, вещества; иногда превращение и улавливание совмещаются в одном процессе. Так производится, например, очистка газов от органических соединений серы (сероуглерода, сероокиси углерода, тиофена, меркаптанов); соединения эти при 300—400 °С в присутствии водорода или водяного пара превращаются на катализаторах в сероводород, который затем извлекается из газа и может быть разложен с утилизацией серы.
2. Мокрая очистка газовПри мокрой очистке газов пыль улавливается за счет соприкосновения пылевых частиц с жидкостью и захвата ею данных частиц. Мокрая очистка применима для тонкой очистки газов в тех случаях, если допускается увлажнение и охлаждение газа. Как правило, улавливаемая при мокрой очистке твердая фаза не обладает ценностью. Для обеспечения хорошего улавливания твердых частиц жидкостью они должны хорошо смачиваться. Для увеличения смачиваемости в жидкость зачастую добавляют поверхностно-активные вещества. Достоинством мокрого пылеулавливания является то, что в одном аппарате одновременно с пылеулавливанием можно проводить теплообменные (охлаждение) и массообменные (абсорбцию, т. е. поглощение газовых компонентов жидкостью) процессы. Недостатком метода является образование большого количества сточных вод (шламов). Если улавливаемая пыль нерастворима, то система очистки оснащается отстойниками либо фильтрами. Если улавливают растворимую пыль, то в дальнейшем полученный раствор выпаривают, обрабатывают химическими реагентами с целью получения нерастворимых осадков и т.д. Важнейшими условиями эффективной работы мокрых пылеуловителей являются создание в них развитой поверхности контакта газа и жидкости и высокая турбулентность газового потока.
Развитая поверхность взаимодействия газа с жидкостью может быть образована при распылении жидкости в газовом потоке (полые скрубберы, центробежные скрубберы, скрубберы Вентури и др.), распределением жидкости в виде пленки на твердых поверхностях в зоне контакта (пленочные и насадочные аппараты мокрой очистки), распределением газа в слое жидкости в виде пузырей, струй (барботажные, пенные аппараты). Скрубберы – общее название аппаратов для взаимодействия газа с жидкостью, в том числе и при очистке газов от пыли. [2, c.254]
3. Очистка газов от аэрозолейМетоды очистки по их основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции.
Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся:
1) гравитационное осаждение;
2) инерционное и центробежное пылеулавливание;
3) фильтрация.
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40–100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Степень очистки воздуха в пылеосадочных камерах не превышает 50–60 %. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов.
Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения. Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%. Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов, степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d = 30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d = 5 мкм она составляет менее 40%. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей. [3, c. 402]
Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика, металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др.). Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества – сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.
Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров является наиболее распространенным приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. К аппаратам мокрой очистки относятся насадочные и центробежные скрубберы, скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, тарелочные и барботажно-пенные скрубберы. Рассмотрим некоторые из них.
Рисунок 1 – Схема устройства скруббера ВентуриАгрегат состоит из трубы Вентури 1и скруббера-каплеуловителя 2. Запыленный газ поступает сверху в трубу Вентури, в конфузорную (сужающуюся) часть которой вводится через распыливающую механическую форсунку орошающая жидкость (чаще всего – вода). В горловине трубы и в диффузорной (расширяющейся) части происходит дробление капель жидкости, на поверхности которых оседают частицы пыли. Площадь поверхности капель достаточно велика, чтобы уловить практически всю пыль. Капли жидкости с потоком газа поступают в каплеуловитель 2. Жидкость с частицами пыли выводится через нижний штуцер, а очищенный газ – через верхний улиточный газоотвод. [4, c. 140]
В ряде случаев для мокрой очистки применяются форсуночные скрубберы (а). Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, поступающих в скруббер через форсуночные пояса.
Рисунок 2 – Схема форсуночных (а) и центробежных (б) скрубберов
В аппаратах центробежного типа (б) частицы пыли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка 5. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла 1 и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли. 
Рисунок 3 – Схема Барботажно-пенный скруббера с провальной (а) и переливными (б) решетками
В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. [5, c. 269]
Рисунок 4 Орошаемая противопоточная насадочная башня
Химически инертная насадка 1, заполняющая внутреннюю полость колонны, предназначена для увеличения поверхности жидкости, растекающейся по ней в виде пленки. В качестве насадки используют тела разной геометрической формы, имеющие собственную удельную поверхность и сопротивление движению газового потока. Для изготовления насадок используют керамику, фарфор, пластмассы, металлы, которые выбираются исходя из соображений антикоррозийной устойчивости.
Электростатическая очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных электродах. Степень очистки от аэрозолей – выше 90, достигая 99,9%. Недостаток этого метода – большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный расход энергии на создание электрического поля.
Звуковая и ультразвуковая коагуляция, а также предварительная электризация пока мало применяются в промышленности и находятся в основном в стадии разработки. Они основаны на укрупнении аэрозольных частиц, облегчающем их улавливание традиционными методами. [6, c. 178]
4. Очистка газов от парообразных и газообразных примесейПромышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы:
1) абсорбция жидкостями;
2) адсорбция твердыми поглотителями ;3) каталитическая очистка.
В меньших масштабах применяются термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном.
Абсорбционные методы служат для технологической и санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка – непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей. В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др. Очистная аппаратура аналогична уже рассмотренной аппаратуре мокрого улавливания аэрозолей. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы. Любой процесс мокрой абсорбционной очистки выхлопных газов от газо- и парообразных примесей целесообразен только в случае его цикличности и безотходности. Но и циклические системы мокрой очистки конкурентоспособны только тогда, когда они совмещены с пылеочисткой и охлаждением газа.
Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхность. Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Чаще всего для санитарной очистки газов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной способности и легкости регенерации.
Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:
1) глубокая очистка газов от токсичных примесей;
2) сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом осуществляется принцип безотходной технологии. Недостатки большинства адсорбционных установок — периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов.
Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами). Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9%) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны. Недостаток многих процессов каталитической очистки — образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами, что усложняет установку и снижает общий экономический эффект. [7, c. 723]
Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший метод — факельное сжигание — возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса 750—900 °С и теплоту горения примесей можно утилизировать. Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, то необходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Такие энерготехнологические схемы применяют при достаточно высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа.
Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы, в которых применяется оптимальное для каждого конкретного случая сочетание грубой, средней и тонкой очистки газов и паров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  Наиболее надежным и самым экономичным способом охраны биосферы от вредных газовых выбросов является переход к безотходному производству, или к безотходным технологиям. Термин «безотходная технология» впервые предложен академиком Н.Н. Семеновым. Под ним подразумевается создание оптимальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов и не должно потреблять воду из природных водоемов.
Конечно же, понятие «безотходное производство» имеет несколько условный характер; это идеальная модель производства, так как в реальных условиях нельзя полностью ликвидировать отходы и избавиться от влияния производства на окружающую среду. Точнее следует называть такие системы малоотходными, дающими минимальные выбросы, при которых ущерб природным экосистемам будет минимален.
Разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов, является основным направлением технического прогресса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве/ Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 2010. – 400 с.
Герасимова Н.И., Давыдов Ю.Ф. Моделирование работы скрубберов различной конструкции // Материалы республиканское научной конференции молодых ученых «IV Сатпаевские чтения». Том 11. –Павлодар: ПГУ им. Торайгырова, 2014. – С. 253-255.
Палатник И.Б. Садовая Г.П. Некоторые результаты оптимизации мокрых золоуловителей с ТКВ на основе математического моделирования // Повышение качества сжигания топлива и охраны окружающей среды от загрязнения вредными веществами ТЭС. - Л., 1999.- с. 520
Запасный В.В. Очистка технологических и вентиляционных газов при различных производственных процессах: Учебное пособие/ ВКГТУ. - Усть-Каменогорск, 2011. - 178 с.
Галкин С.В., Асанов Д.А. Совершенствование технологии очистки дымовых газов от пыли золы на Согринской ТЭЦ // Международное партнёрство: социально-экономические вызовы и тренды. Сборник докладов международного научного конгресса (19-20 сентября 2014 г.).– Усть-Каменогорск: КАСУ, 2014. – Ч. 1. - С. 266- 269.
С.В. Белов,Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков и др. - Охрана окружающей среды: Учеб. Для Технических Специализированных Вузов / С.В. Белов,Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков и др. - М.: Высшая школа., 2011. – c.489.
Комарова, Л.Ф. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений / Л.Ф. Комарова, Л.А. Кормина. - Барнаул, 2000 г. - 400 с. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. - М.: Металлургия, 1986 г. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.1.Калуга:Изд-во Н. Бочкаревой, 2003.-c. 917.