Инженерная экология и её место в системе знаний о человеке и природе

Общие сведения об атмосфере

Атмосфера – газовая оболочка Земли массой около 5,9·1015 т. В зависимости от температуры можно выделить несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли.

Перечислим все слои атмосферы, снизу вверх:

· тропосфера (высота 10–18 км над уровнем моря, температура от +40ºС до –50ºС,

· стратосфера (толщина около 40 км, воздух более разрежен, влажность невысока; температура до высоты 30 км постоянна (–50ºС), затем повышается (до +10ºС). В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, который поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы,

· мезосфера (высота более 50 км, температура понижается),

· термосфера (не имеет определенной верхней границы. Температура в термосфере увеличивается и на высоте 500…600 км достигает +1600ºС).

Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли. Различные соотношения тепла и влаги в воздухе являются основными причинами существования различных географических зон на Земле.

Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию защиты жизни от воздействия открытого космоса.

Атмосфера дозирует поступление на поверхность Земли солнечной энергии (при отсутствии атмосферы поверхность Земли нагревалась бы до +100°С днем и охлаждалась до –100°С ночью). Озоновый и ионный слой атмосферы снижают воздействие космических и рентгеновских излучений, ограничивают проникновение ультрафиолетовых, инфракрасных лучей.



Источники загрязнения атмосферы

Существуют два вида источников загрязнения атмосферы:

· естественные,

· антропогенные.

На рис. 2.1 представлены основные источники загрязнения атмосферы.



Рис. 2.1. Основные источники загрязнения воздуха

В настоящее время более 500 вредных веществ загрязняют атмосферу (и их количество все увеличивается).

В соответствии с ГОСТ 17.2.1.01-76 выбросы в атмосферу классифицируются:

1. По агрегатному состоянию вредных веществ в выбросах на:

· газообразные и парообразные (SO2, CO, NOx, углеводороды и др.);

· жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, органические соединения);

· твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и пр.).

2. По массовому выбросу (т/сут):

· менее 0,01 (включительно);

· от 0,01 до 0,1 (включительно);

· от 0,1 до 1 (включительно);

· от 1 до 10 (включительно);

· от 10 до 100 (включительно);

· свыше 100.

Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает:

– ртути в 8700 раз

– мышьяка в 125 раз

– урана в 60 раз

– кадмия в 40 раз

– бериллия и циркония в 10 раз

– олова и ванадия в 4 раза

Самый чистый воздух – над океаном. Над крупными промышленными центрами пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5–2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей.

Уровень загрязнения естественными источниками – фоновый, он мало изменяется с течением времени.

Нормирование примесей в атмосферном воздухе

Нормирование примесей в атмосферном воздухе ведется по концентрации, т.е. по количеству вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях (обычно в мг/м3).

Для предупреждения загрязнения воздушного бассейна в РФ в законодательном порядке установлены предельно допустимые нормы вредных веществ в атмосфере.

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) – это такая концентрация загрязнителя в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не вызывает патологических изменений или заболеваний.

Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух устанавливаются два норматива: максимально разовая ПДК и среднесуточная ПДК.

Среднесуточная ПДК – ПДК, которая устанавливается с целью предупреждения общетоксического, канцерогенного и мутагенного влияния вещества на организм человека.

Максимально разовая ПДК – ПДК, которая устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнений (до 20 мин).

Максимально-разовая ПДК является основной характеристикой опасности вредного вещества. Наибольшая концентрация каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы С не должна превышать максимально разовой ПДК :

(2.1)



Рис. 2.2. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере

Рабочая зона – зона, высотой 2 м над тем местом, где работает человек.

Для оценки загрязнения воздуха на территориях курортов, мест массового отдыха населения используется 0,8 ПДК атмосферных загрязнений.

С целью защиты зон, на которых расположены жилые массивы, и селитебных территорий от воздействия загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу вместе с промышленными выбросами, требуется отделять предприятия свободными территориями – санитарно-защитными зонами (СЗЗ).

СЗЗ – территории определенной протяженности и ширины, располагающиеся между предприятиями и источниками загрязнения и границами зон жилой застройки. Протяженность СЗЗ устанавливается таким образом, чтобы содержание вредных примесей в атмосферном воздухе снижалось путем рассеивания до безопасных уровней на границе СЗЗ.

Каждому предприятию в соответствии со степенью его опасности присваивается определенный класс и в зависимости от класса устанавливается нормативная ширина СЗЗ. Минимальные протяженности СЗЗ для предприятий I класса составляют 1000 м, II класса – 500 м, III класса – 300 м, IV класса – 100 м, V класса – 50 м.

В атмосферном воздухе, как правило, находится несколько загрязнителей, которые могут обладать однонаправленным действием. Например, при наличии в воздухе соединений азота и углеводородов, под воздействием солнечного света могут образовываться фотооксиданты, токсичность которых в несколько раз выше, чем у исходных компонентов.

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием (суммацией), их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять условию:

(2.2 )

где С1,Сп – фактические концентрации вредных веществ в воздухе в одной и той же точке местности, мг/м3;

ПДК1, ПДКп – максимально-разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе атмосферы, мг/м3.

Эффектом однонаправленного действия обладают следующие вещества:

диоксид серы и диоксид азота;

диоксид серы и сероводород и др.

Наряду с ПДК для каждого источника выбросов в атмосферу устанавливается предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ, исходя из условия, что выбросы вредных веществ от данного источника и совокупности источников населенного пункта, с учетом развития промышленных предприятий, не создадут концентрацию, превышающую ПДК для населения, растительного и животного мира.

При установлении ПДВ для какого-либо источника загрязнений необходимо учитывать фоновую концентрацию от остальных источников загрязнения, действующих в данной местности. ПДВ измеряется в г/с.

Регламентация поступления загрязняющих веществ в атмосферу

Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями в атмосферу регламентируются ГОСТ 17.2.3.02-78 и ОНД-86 (общероссийский нормативный документ). Указанные документы определяют ПДВ для каждого конкретного предприятия из условия, что сумма создаваемых всеми предприятиями приземных концентраций данного вещества или их комбинаций не превышала ПДК.

Максимальное значение приземной концентрации, например, для горячих точечных источников, рассчитывается по следующей формуле:

(2.3 )

где Н – высота трубы, м;

М – расход выбрасываемого в атмосферу вещества (мощность выбросов), г/с;

Тг и Тв – температуры выбрасываемых газов и атмосферного воздуха соответственно;

V1 – полный объем выбрасываемых газов на срезе трубы, м3/с;

А – коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства атмосферы, которые определяются климатической зоной (для Московской области А=140);

F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере;

m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной среды из устья источника выброса.

Если вместо значения Сm подставить ПДК конкретного вещества, то можно получить предельное значение мощности выбросов М данного вещества, т.е. предельно допустимый выброс.

Таким образом, регламентация выбросов в атмосферу осуществляется путем установления ПДВ вредных веществ.

Защита атмосферного воздуха от загрязнений

В настоящее время разработаны и широко применяются различные методы защиты атмосферного воздуха от загрязнений. Выбор того или иного метода зависит от ряда факторов, в том числе от: типа источника загрязнения атмосферного воздуха; агрегатного состояния вредных веществ в выбросах; размеров частиц в выбросах и др.

Вредные вещества могут находится в воздухе как в парообразном виде, так и в виде аэрозолей – твердых или жидких частиц, взвешенных в воздухе.

Туманы – аэрозоли с жидкой дисперсной фазой.

Пыль – аэрозоли с твердой дисперсной фазой.

Для защиты атмосферного воздуха от загрязнений промышленными пылями и туманами применяются различные пылеулавливающие и туманоулавливающие установки.

По принципу действия различают:

· сухие пылеуловители,

· мокрые пылеуловители,

· фильтры,

· электрофильтры.

Применение того или иного типа пылеулавливающих установок зависит от концентрации примесей в воздухе. Очистка воздуха может быть грубой, средней и тонкой. При грубой очистке из воздуха удаляются частицы примесей размером больше 50 мкм. При средней очистке задерживаются частицы пыли размером до 50 мкм, а при тонкой – размером частиц менее 10 мкм. Так, например, сухие пылеуловители применяют при высоких концентрациях примесей в воздухе, а фильтры – при тонкой очистке воздуха.

Для оценки эффективности очистки газов от примесей применяют различные показатели, в том числе:

· общую эффективность очистки;

· фракционную эффективность очистки;

· коэффициент проскока;

· гидравлическое сопротивление пылеуловителей;

· удельную пылеемкость пылеуловителей или фильтров;

· производительность по очищаемому газу;

· энергоемкость.

Общая эффективность очистки определяется, как:

(2.4)

где Свх, Свых – соответственно, массовые концентрации примесей в газе до и после пылеуловителя или фильтра.

Для системы последовательно соединенных пылеулавливающих устройств или фильтров общая эффективность определяется, как:

(2.5)

где - общая эффективность очистки первого, второго и n-ого устройства или фильтра.

Фракционная эффективность очистки определяется, как:

(2.6)

где Свхi, Свыхi - соответственно, массовые концентрации i-ой фракции примеси до и после пылеуловителя.

Коэффициент проскока К частиц через пылеуловитель можно определять по формуле:

(2.7)

Общая эффективность очистки связана с коэффициентом проскока частиц следующим соотношением:

(2.8)

Гидравлическое сопротивление пылеуловителей Р определяется как разность давлений воздушного потока на входе и выходе устройств и определяется либо экспериментально, либо рассчитывается по формуле:

(2.9)

где Рвх, Рвых – соответственно давления воздушного потока на входе и выходе устройства;

– плотность и скорость воздуха в расчетном сечении пылеулавливающего устройства.

Далее рассмотрим подробнее аппараты очистки от пыли.

Сухие пылеуловители

К простейшим пылеулавливающим устройствам относятся пылеосадочные камеры, работа которых основана на осаждении частиц под действием силы тяжести и инерции. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50–100 мкм, причем степень очистки составляет не выше 40–50%. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов.

Наиболее распространенными установками сухого пылеулавливания являются циклоны (рис.2.3).



Рис. 2.3. Сухой пылеуловитель типа циклон

Например, они используются для золы, образующейся при сжигании топлива в котлах тепловых станций. В циклонах осаждение сухой золы происходит вследствие закрутки под действием центробежного эффекта. При вводе через тангенциальный патрубок 1 частицы отжимаются к внутренней стенке корпуса 3 и, теряя скорость, выпадают в индивидуальные 4 и общие бункеры-накопители (в батарейных циклонах) и далее по трубопроводам 5 отводятся в системы транспортировки золы. Очищенный газ по трубам 2 выводится в газоходы или сборные камеры. Центробежный эффект сильнее проявляется у крупных частиц. С увеличением размера частиц и уменьшением диаметра циклона эффективность очистки возрастает.

Среди аппаратов, предназначенных для пылеулавливания, следует выделить аппараты центробежного действия. К этой категории относятся пылеуловители ротационного действия.

Компоновка простейшего пылеуловителя ротационного типа представлена на рис.2.4



Рис. 2.4. Сухой пылеуловитель ротационного типа

При вращении вентилятора колеса 1 частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении выхлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в выхлопную трубу 4. Достаточно высокая эффективность очистки воздуха такими аппаратами достигается при улавливании сравнительно крупных частиц пыли (свыше 20–40 мкм).

В ряде случаев целесообразно использовать жалюзийные пылеотделители, позволяющие производить разделение газового потока на очищенный и обогащенный пылью газ (рис.2.5)



Рис. 2.5. Жалюзийный пылеотделитель

С помощью решетки газовый поток расходом Q разделяется на два потока расходом Q1 и Q2. Обычно Q1 = (0,8…0,09)·Q, а Q2 = (0,1…0,2)·Q.

Отделение частиц пыли происходит под действием инерционных сил, возникающих при повороте газового потока на входе в жалюзийную решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от поверхности решетки при соударении с ней. Обогащенный пылью газовый поток после жалюзийной решетки направляется к циклону, где очищается от частиц и вновь вводится в трубопровод за жалюзийной решеткой.

Жалюзийные пылеотделители отличаются простотой конструкции и хорошо компонуются в газоходах, обеспечивая эффективность очистки 0,8 и более для частиц размером более 20 мкм. Жалюзийные пылеотделители хорошо зарекомендовали себя в системах очистки дымовых труб от крупнодисперсной пыли при температуре 450–600°С.

Мокрые пылеуловители

Достаточно широкое применение для очистки газов и воздуха от мелкодисперсной пыли с диаметром частиц d более (0,3…1,0) мкм, а также для очистки от пыли взрывоопасных и имеющих высокую температуру газов нашли мокрые пылеуловители.

Принцип действия мокрых пылеуловителей заключается в осаждении частиц пыли на поверхность капель или пленки жидкости за счет сил инерции и броуновского движения. Силы инерции зависят от массы капель и частиц пыли, а также от скорости их движения. Частицы пыли малого размера (менее 1 мкм) не обладают достаточной кинетической энергией и при сближении с каплями обычно огибают их и не улавливаются жидкостью. Броуновское движение обычно характерно для частиц малого размера.

С учетом конструктивных особенностей мокрые пылеуловители разделяют на:

· скрубберы Вентури;

· форсуночные и центробежные скрубберы;

· аппараты ударно-инерционного типа;

· барботажно-пенные аппараты и др.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель наибольшее распространение получили скрубберы Вентури (рис.2.6)



Рис. 2.6. Скруббер Вентури

Основная часть скруббера – сопло Вентури 2, в которое подводится запыленный поток газа, а через центробежные форсунки 1 – жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости V=15–20 м/с до скорости 30–200 м/с и более в узком сечении сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла 3 скорость потока падает до 15…20 м/с.

Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей со средним размером частиц 1…2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м3.

При анализе конструкции и принципов действия мокрых пылеуловителей можно выделить следующие их достоинства:

· простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость;

· более высокая эффективность по сравнению с сухими механическими пылеуловителями инерционного типа;

· меньшие габариты по сравнению с тканевыми фильтрами и электрофильтрами;

· возможность использования при высокой температуре и повышенной влажности газов;

· работы на взрывоопасных газах;

· улавливание вместе с взвешенными твердыми частицами паров и газообразных компонентов.

Однако мокрым пылеуловителям свойствен и ряд недостатков:

· значительные затраты энергии при высоких степенях очистки;

· получение уловленного продукта в виде шлама, что часто затрудняет и удорожает его последующее использование;

· необходимость организации оборотного цикла водоснабжения (отстойники, перекачивающие насосы и т. п.;

образование отложений в оборудовании и газопроводах;

· коррозионный износ оборудования и газопроводов при очистке газов, содержащих агрессивные компоненты.

Фильтры

Процесс очистки газов от твердых или жидких частиц с помощью пористых сред называется фильтрацией. Фильтры делятся на волокнистые, тканевые, зернистые.

Волокнистыми фильтрами называют пористые перегородки, составленные из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему волокон, каждое из которых принимает участие в осаждении аэрозольных частиц. Это фильтры объемного действия, так как рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей своей глубине.



Рис. 2.7. Фильтр

Наиболее распространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр. Главным элементом такого фильтра является рукав, изготовленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разделен на несколько герметизированных камер, в каждой из которых размещено по нескольку рукавов. Газ, подлежащий очистке, подводится в нижнюю часть каждой камеры и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в камеру, откуда через открытый пропускной клапан поступает в газопровод чистого газа. Частицы пыли, содержащиеся в неочищенном газе, оседают на внутренней поверхности рукава, в результате чего сопротивление рукава проходу газа постепенно увеличивается.

Различают следующие типы зернистых фильтров:

· зернистые насадочные (насыпные) фильтры, в которых улавливающие элементы (гранулы, куски и т. д.) не связаны жестко друг с другом. В качестве насадки в насыпных фильтрах используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошку резины, пластмасс и графита и другие материалы;

·