Многие технологические процессы предприятий химической и нефтегазовой отраслей промышленности сопровождаются образованием пыли и вредных газов, что приводит к загрязнению окружающей воздушной среды вредными технологическими пылегазовоздушными выбросами. Поэтому защита от вредных технологических пылегазовоздушных выбросов атмосферного воздуха, который необходим для жизни людей, животного и растительного мира, а также служит основой многих технологических процессов, является важнейшей экологической проблемой. Какие технологии его защиты предлагают ученые?
Атмосферный воздух как фактор жизнедеятельности человека следует рассматривать с двух позиций: как среда, вдыхаемая человеком, и как среда, окружающая человека, с которой поверхность человеческого организма находится постоянно в контакте. Роль воздуха состоит в снабжении человека кислородом, удалении влаги из организма при выдыхании, обеспечении процесса теплообмена человека с окружающей средой. Особенно большое влияние на жизнедеятельность человека, его самочувствие и работоспособность оказывают: химический состав воздуха (содержание кислорода, углекислоты, вредных паров и газов), физиологические показатели воздуха (содержание пыли, микроорганизмов), физические характеристики воздуха (электрические заряды, звуковые импульсы), метеорологические условия (температура, влажность, скорость перемещения воздуха).
Наиболее эффективным методом защиты воздушного бассейна от загрязнения пылегазовыми вредными веществами является внедрение в производство безотходных технологий. Однако по техническим и экономическим соображениям безотходная технология, создание беструбных и бессточных предприятий, полная утилизация отходов производства станет основной нашей производственной деятельности только в будущем. Поэтому в настоящее время очистка пылегазовоздушных технологических выбросов промышленных предприятий от твёрдых, газообразных, аэрозольных и жидких вредных примесей с помощью фильтров-пылеуловителей очень актуальна.
Пыль является одним из наиболее многотоннажных выбросов промышленных предприятий в атмосферу. Под пылью понимают содержащиеся в выбрасываемом в атмосферу технологическом воздухе твёрдые частицы, которые могут быть классифицированы по природе (органическая и неорганическая), по токсичности (токсичная и нетоксичная), по составу (содержащая металлы, кварц, песчаник и т.д.), по растворимости (растворимая и нерастворимая), по размерам частиц, по склонности к агрегации, адгезии, слипаемости и т.д.
Частицы пыли, независимо от их происхождения, размером более 200мкм, подчиняясь закону тяготения, быстро оседают, а размером от 200 до 0,1мкм, испытывая сопротивление воздуха, оседают с постоянной незначительной скоростью. Частицы пыли менее 0,1мкм практически не оседают и находятся в постоянном беспорядочном движении в воздухе. Чем меньше размер пылевых частиц, тем дольше они задерживаются взвешенными в воздухе, следовательно, тем больше возможность попадания их в дыхательные пути. Пыль оказывает вредное действие на дыхательные пути, вызывая заболевания лёгких, а также воздействует на кожу и глаза. При вдыхании пылевых частиц размером более 5 мкм они всецело задерживаются в верхних дыхательных путях, в первую очередь в полости носа, что вызывает травмирование и раздражение слизистой. Фильтрующая способность носовой полости сильно снижается, а в далеко зашедших случаях вовсе исчезает. Под влиянием длительного воздействия пыли развиваются хронические воспалительные процессы и на других участках дыхательных путей. Твёрдые пылинки с острыми краями могут вызвать травмы глаз.
Для улавливания пыли из пылегазовоздушных выбросов применяют фильтры-пылеуловители, которые по принципу действия делятся на механические и силовые.
Для очистки газовоздушных выбросов промышленных предприятий от вредных паров, газов и токсичных веществ используют абсорбционный, адсорбционный, химический, биохимический и термический методы.
В последние годы ведущие в области фильтровальной техники российские и зарубежные фирмы разработали, запатентовали и начали выпуск новых фильтров - пылегазоуловителей разных типов, отличающихся улучшенными характеристиками.
Высокую степень очистки высокотемпературных пылегазовоздушных выбросов от взвешенных частиц загрязнений обеспечивает фильтрующий многослойный элемент механического фильтра.
Элемент состоит из наружных слоёв 2 и 3 (рис.1), изготовленных из пористого материала (на рисунке наружная поверхность слоя 3 условно показана точками), промежуточного волокнистого слоя 4, охватываемого слоями 2 и 3, края которых 1 и 5 неразъёмно соединены между собой. Фильтрующий элемент легко заменить новым в механическом фильтре-пылеуловителе в случае его засорения.
Большим ресурсом работы отличается регенерируемый фильтрующий элемент механического фильтра, состоящий из трубчатого кожуха 3 (рис.2) и сотовой структуры, выполненной из гофрированных 1 и гладких 2 слоёв, изготовленных из фильтрующих материалов и образующих каналы для прохода очищаемых от взвешенных частиц загрязнений высокотемпературных пылегазовоздушных выбросов.
Для придания механической стабильности фильтрующему элементу, предусмотрен усиливающий участок, расположенный в краевой зоне элемента с входной стороны и защищающий его от раздувания, что предотвращает разлохмачивание фильтрующего элемента по краю.
Для качественной очистки газовоздушных потоков фирма «Melicon GmbH» (Германия) разработала фильтрующий холст MeliFil из полученных по специальной технологии волокон различных металлов - нержавеющей стали, алюминия, никелевых сплавов и др. Холсты поставляются листами размерами до 6000×1200мм или рулонами шириной 200мм.
Эффективно очищают пылегазовоздушные выбросы механические фильтры-пылеуловители фирмы Headline Filters GmbH (Германия) с фильтрующими перегородками из высокопрочного пористого микростекловолокна. Фильтры обеспечивают пропускную способность по очищаемым пылегазовоздушным выбросам 2-700м3/ч со степенью улавливания твёрдых частиц загрязнений до 99,9%.
Фирма Mikro Pul GmbH (Германия) выпускает компактные механические фильтры-пылеуловители марки Everclean RPB, имеющие производительность 1500-100000м3/ч и обеспечивающие высокую степень очистки пылегазовоздушных выбросов. Их фильтрующие элементы выполнены в виде бесконечных лент, которые движутся в вертикальном направлении между двумя шкивами. Предусмотрены регенерация фильтрующихся элементов и сборник для пыли.
Фирмой Tetratec PTFE Technologies Donaldson GmbH (Германия) разработана высокоэффективная, удобная в эксплуатации фильтровальная установка для очистки задымлённого и запылённого воздуха, отводимого от технологического оборудования. Установка включает рукавный фильтр с рукавами из стеклоткани с покрытием политетрафторэтиленовыми пористыми мембранами, обеспечивающими высокую степень очистки технологического воздуха.
Для очистки горячих пылегазовоздушных выбросов, содержащих коррозионные среды, абразивные частицы и т.п. используются механические насыпные зернистые фильтры, которые имеют ряд технических и экономических преимуществ перед другими типами механических фильтров - пылегазоуловителей. Их преимущества заключаются в сравнительной простоте конструкций, невысокой стоимости и доступности зерновых фильтровальных материалов, устойчивости работы при изменении режимных параметров. Фильтровальные слои, например, из песка или гравия способы выдерживать значительные механические нагрузки и перепады давления, надежно работать в горячих и агрессивных средах.
Фильтры - пылеуловители мокрой очистки газов по степени очистки могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры, но и использоваться в тех случаях, когда рукавные фильтры нельзя применять вследствие высокой температуры, повышенной влажности или взрывоопасности очищаемых газов. В фильтрах - пылеуловителях мокрой очистки газов одновременно с взвешенными частицами можно улавливать парообразные и газообразные компоненты. К недостаткам мокрой очистки следует отнести: необходимость обработки (очистки) образующихся сточных вод, повышенный брызгоунос и требование защиты фильтров от коррозии при обработке агрессивных сред.
С целью повышения степени очистки пылегазовоздушных выбросов разработана конструкция механического фильтра - пылегазоуловителя мокрой очистки с насыпным фильтрующим слоем в виде зерен адсорбента. Фильтр - пылегазоуловитель содержит корпус с входным и выходным патрубками для пылегазовоздушных выбросов и фильтрующий элемент в виде заполненных зёрнами (гранулами) адсорбента перфорированных опорных решёток, над которыми установлена форсунка аппарата электрораспыления рабочего раствора.
Аппарат электрораспыления представляет собой пластмассовую трубку, один конец которой соединен с форсункой, а другой - с пластмассовым баком, содержащим рабочий раствор, например 0,5%-ный раствор метилметакрилата в ксиленацетилацетоне, причем в баке расположен электрод, питаемый постоянным током высокого напряжения, а для пополнения бака рабочим раствором предусмотрен трубопровод. Гранулы (зерна) адсорбента изготавливают из диэлектрического материала, способного легко заряжаться и длительное время удерживать электрический заряд. Для высокоэффективной работы фильтра - пылегазоуловителя скорость потока очищаемых пылегазовоздушных выбросов должна составлять 0,1-0,2м/с.
Для качественной мокрой очистки промышленных пылегазовоздушных выбросов (промышленных газов) от твёрдых частиц и вредных газовых загрязнений разработан полый вихревой аппарат фильтр - пылегазоуловитель с регулируемыми геометрическими параметрами тангенциального завихрителя.
Принцип работы вихревого аппарата заключается в образовании закрученного газожидкостного потока с последующим разделением фаз в поле центробежных сил. Наличие жидкой фазы позволяет осуществить процесс очистки пылегазовоздушных выбросов (промышленного газа) от крупных и мелких (мелкодисперсных) частиц пыли. Поток пылегазовоздушных выбросов поступает в корпус вихревого аппарата через расположенный тангециально впускной патрубок. Площадь входа промышленного газа регулируется с помощью подвижного кольца. При его повороте перекрывается входное отверстие газохода в результате скорость газа на входе увеличивается. К кольцу крепится сегмент червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком. Изменение скорости газового потока на входе в аппарат происходит при вращении регулятора, при этом червяк смещает кольцо. Снижение скорости очищаемого газа на входе в аппарат уменьшает его гидравлическое сопротивление и увеличивает эффективность очистки пылегазовоздушных выбросов от загрязнений за счёт увеличения времени пребывания капель жидкости в аппарате. Однако при этом ухудшается сепарация и увеличивается унос жидкости, что существенно снижает эффективность аппарата. Следовательно, регулируя скорость газа на входе в аппарат, можно настроить вихревой аппарат на оптимальный режим работы. Поток жидкости поступает в аппарат через патрубок. Из отверстий в оросителе жидкость разбрызгивается в рабочую зону аппарата. Поток газа интенсивно взаимодействует с жидкостью. Вращаясь вместе с газожидкостным потоком, частицы перемещаются на поверхность капель жидкости. Под действием центробежной силы жидкость осаждается на стенке аппарата и стекает по ней в виде плёнки. При этом создаётся дополнительная зона контакта газовой и жидкой фазы. Газ, проходя через слой капель, очищается от твёрдых примесей, после чего удаляется из аппарата через патрубок. Отработанная жидкость удаляется через патрубок.
Основным достоинством данного аппарата является высокая эффективность очистки от частиц пыли и вредных газовых загрязнений при низком гидравлическом сопротивлении.
Ухудшению экологической остановки способствуют промышленные выбросы в атмосферу парникового газа диоксида углерода СО2, образующегося при сжигании топлива в промышленном производстве. Основными направлениями улучшения экологической обстановки за счет уменьшения выбросов СО2 являются: 1) снижение энергоёмкости производимой продукции; 2) восстановление лесных массивов; 3) расширение сферы сжигания газообразного топлива взамен твёрдого и жидкого, что приведёт к двукратному снижению выбросов СО2; 4) поиск альтернативных и возобновляемых источников энергии; 5) улавливание и переработка СО2.
Первое и четвёртое направления, несмотря на достигнутые успехи в этих областях, в настоящее время не могут полностью решить проблему. Восстановление лесов требует длительного периода времени, а замена всех видов топлива газообразным проблематична из-за ограниченности разведанного потенциала природного газа. В связи этим в настоящие время основным решением проблемы является улавливание диоксида углерода из дымовых и промышленных газов с последующей их переработкой (или захоронением) при безусловной необходимости развития и других четырёх направлений.
Существует широкий диапазон способов эффективного выделения СО2 из дымовых газов, природного газа и других газовых потоков. Это использование растворителей (химических, физических и гибридных систем); мембран; промывка каустической содой; криогенное разделение; применение твёрдого слоя адсорбентов и др. При большом выборе технологий трудно найти такую, которая была бы универсальной для всех случаев, однако наибольшее применение при поглощении СО2 получили аминные растворители (моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин, метилдиэтаноламин, диизопропаноламин и др.), что связано с их относительно небольшой стоимостью и возможностью регенерации.
Для очистки промышленных пылегазовоздушных выбросов (промышленных газов) от диоксида углерода в различных технологиях используется традиционное оборудование барботажного, насадочного и распыливающего типов. Такое оборудование эффективно работает лишь при малых значениях скоростей газа (0,5-2м/с) и обладает малой пропускной способностью по газу при типовых габаритных размерах, что делает неприемлемым его использование в случае извлечения СО2 из промышленных газовых выбросов, объёмы которых могут достигать десятков и даже сотен тысяч кубических метров в час. Для очистки больших объёмов газов могут быть использованы, вихревые аппараты полого типа, допускающие работу при высоких скоростях газовой фазы (20-40м/с), обладающие невысоким гидравлическим сопротивлением и простотой конструкции.
Одна из конструкций полых вихревых аппаратов для мокрой очистки и обезвреживания потока пылегазовоздушных выбросов представлена на рис. 5.
Высокоскоростной поток газа в аппарате, проходя через тангенциально-лопаточный завихритель 2, приобретает вращательно-поступательное движение. Жидкость поступает в аппарат через ороситель 3 в виде перфорированной трубы, дробится потоком газа на капли с образованием объёмного факела распыла, заполняющего всю внутреннюю область корпуса 1 аппарата. Под действием центробежной силы капли жидкости движутся к периферии аппарата и осаждаются на его стенке, образуя жидкую плёнку, которая, в свою очередь, стекает по стенке и выводится в нижней части аппарата. Для полного или частичного отвода плёнки жидкости из зоны контакта аппарат снабжается сепарационным устройством 4 в виде перфорированного тонкостенного цилиндра.
Для мокрой очистки и обезвреживания больших объёмов промышленных пылегазовоздушных выбросов используются высокоэффективные фильтры-абсорберы с подвижной насадкой (АПН), в которых взаимодействие газа и жидкости характеризуется значительной величиной и скоростью обновления поверхности контакта взаимодействующих фаз.
Конструктивная схема фильтра-абсорбера (аппарата) в виде колонны с подвижной насадкой показана на рисунке 6, в которой очищаются до санитарной нормы пылегазовоздушные выбросы (промышленный газ), загрязненные аммиаком с содержанием 1,2г/м3.
Корпус колонны изготовлен в виде цилиндрической царги 1, секционированной провальными решётками колосникового типа 2 и ограничительной решёткой 3. На выходе газа из аппарата установлен каплеуловитель 4. Газовая фаза, объёмный расход которой Vг подаётся под решётки 2. Абсорбент, объёмный расход которого Vж, подаётся на орошение насадки через специальное рассеивающее устройство в верхней части колоны.
Фильтры-абсорберы АПН эффективно и интенсивно очищают, обезвреживают и охлаждают горячие пылегазовоздушные выбросы промышленных предприятий от содержащихся в них частиц пыли и вредных газовых загрязнений.
Наиболее распространенными установками сухого пылеулавливания являются силовые фильтры-пылеуловители циклонного типа (циклоны). В Циклонах осаждение частиц загрязнений из очищаемых пылегазовоздушных выбросов происходит вследствие их закрутки под действием центробежного (инерционного) эффекта. С увеличением размера частиц и уменьшением диаметра циклона эффективность очистки возрастает.
Для пылеулавливания используют несколько циклонов небольшого диаметра, которые собирают в секции-батареи (батарейные циклоны). К недостаткам батарейных циклонов следует отнести подверженность их сильному износу, что ведёт к снижению эффективности работы. Кроме того, степень очистки пылегазовоздушных выбросов от частиц загрязнений в батарейных циклонах меньше, чем в электрофильтрах, скрубберах и механических фильтрах, поэтому их применяют для предварительной очистки, например, дымовых газов от золы на входе основных фильтров.
Эффективно очищает от частиц загрязнений пылегазовоздушные выбросы прямоточный групповой циклон, состоящий из трёх циклонных элементов общей производительностью 9000-11500м3/ч (диаметр сепарационной камеры циклонного элемента равен 300мм).
Циклонные элементы устанавливают лапами на опору, которую монтируют на поперечных балках эстакады на открытом воздухе.
Верхние концы циклонных элементов соединяют с помощью фланцев с газоходом. Неочищенный газ (пылегазовоздушные выбросы) из технологического агрегата поступает через крестовину в три параллельно установленных циклонных элемента. Температура неочищенного газа составляет 80-4000С. Очищенный газ из циклонных элементов 3 отсасывается компрессором 4 через выходные патрубки, и попадает в газоход очищенного газа.
Универсальных фильтров - пылегазоуловителей, т.е. способных эффективно улавливать из технологического воздуха все виды пылей и вредных газовых включений, не существует. Каждый фильтр - пылегазоуловитель эффективен лишь по отношению к определенным видам пыли и газовых включений. При улавливании пылей с другими свойствами и газовых включений с другим химическим составом он не эффективен и даже может произойти нарушение его работы. Перспективными являются фильтры-пылегазоуловители, специально разработанные для определённых условий эксплуатации.
При современных требованиях к чистоте атмосферного воздуха одноступенчатая очистка технологического воздуха в большинстве случаев не может обеспечить необходимую степень его очистки. В основном должна применяться многоступенчатая очистка. Для этого необходим рациональный подбор фильтров - пылегазоуловителей с учётом всех факторов: требование к качеству очищенного воздуха, физико-химические свойства улавливаемой пыли и вредных газовых включений, энергетические показатели и др.
Требования к качеству окружающей воздушной среды постоянно растут. В связи с этим необходимо целенаправленно разрабатывать и внедрять более совершенное оборудование для очистки пылегазовоздушных выбросов предприятий химической и нефтегазовой отраслей промышленности.
Владислав Буренин
