Инженерная защита атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Кафедра Техносферной безопасности горного и металлургического производства

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Инженерная защита атмосферы»

Руководитель Стрекалова В.А.

Студент ЦМ12-17б 061009824 Парфенова А.Г.

Красноярск 2015



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Характеристика климатических условий

2. Качественно-количественная характеристика вредных выбросов

3. Обоснование и выбор конструкции санитарно-защитной зоны

4. Обоснование, выбор и расчет аппаратов очистки газов

4.1 Очистка от пыли

4.2 Очистка газов от химических загрязнителей

5. Технологическая схема цепи аппаратов очистки с указанием технологических параметров

6. Режимные мероприятия для неблагоприятных условий

7. Мероприятия по обеспечению нормативных выбросов и их снижению

8. Мероприятия по безопасной эксплуатации аппаратов очистки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

В современный период атмосфера Земли претерпевает множественные изменения коренного характера: модифицируются ее свойства и газовый состав, возрастает опасность разрушения ионосферы и стратосферного озона; повышается ее запыленность; нижние слои атмосферы насыщаются вредными доля живых организмов газами и веществами промышленного и другого хозяйственного происхождения. Вследствие огромных выбросов техногенных газов и веществ, достигающих многих миллиардов тонн в год, происходит нарушение газового состава атмосферы. Весьма важную роль в составе атмосферы играет двуокись углерода (углекислый газ), который играет важную роль не только в жизнедеятельности человека, но и в выполнении атмосферной функции предохранения подстилающей поверхности от перегрева и переохлаждения. Однако, хозяйственная деятельность человека нарушила естественный баланс выделения и ассимиляции СО₂ в природе, в результате чего его концентрация в атмосфере увеличивается. Если до 1850 года содержание СО₂ в атмосфере Земли составляло 260 - 290 объемных частей на миллион (ч/млн.), то в 1993 этот показатель возрос до 345 ч/млн.

Очень важен также вопрос увеличения масштабов нарушения баланса

кислорода в атмосфере. Ранее масса свободного кислорода (порядка 1,18 * 1015 т) длительное время оставалась постоянной( производимый растениями ежегодный прирост тратился на естественные окислительные процессы), однако в настоящее время этот баланс нарушен и ситуация продолжает ухудшаться. Современное человечество ежегодно за счет сжигания топлива потребляет примерно 20 млрд. т атмосферного кислорода. Современная наука считает что, кислород представляет собой продукт не подвергшихся окислению органических остатков прошлых биосфер. Человечество, используя эти «остатки» в техногенном кругообороте кислорода по существу возвращает нынешнюю биосферу в некое исходное (конечно, в известном отношении) состояние. Примерно в том же направлении действует и процесс увеличения концентрации углекислого газа, объемное содержание которого в атмосфере уже к 2000 году может возрасти на 20%.

Многие современные техногенные вещества при попадании в атмосферу представляют собой немалую угрозу для жизни человека. Они наносят большой ущерб здоровью людей и живой природе. Некоторые из этих веществ могут переноситься ветрами на большие расстояния. Для них не существует границ государств, вследствие чего данная проблема является международной.

Основными загрязнителями такого плана являются окислы серы (в особенности двуокись серы - сернистый ангидрид) а также окислы азота. Быстрое накопление этих загрязнителей в атмосфере северного полушария (годовой прирост около 5%) породило такое явление, как кислые и подкисленные осадки. Эти осадки пагубно влияют на биологическую продуктивность почв и водоемов, наносят большой экономический ущерб.

Наконец, еще одна крупная проблема, это увеличение запыленности атмосферы вследствие антропогенных факторов. По различным оценкам, поступление техногенных, взвешенных в воздухе частиц (аэрозолей) в атмосферу Земли достигает ежегодно 1 - 2,6 млрд. т и равно количеству аэрозолей природного происхождения. В результате запыленность атмосферы в целом увеличилась за последние 50 лет на 70%.

Как видим, ситуация только ухудшается, поэтому атмосфере необходима защита, причем на государственном уровне, то есть именно государство должно взять на себя эту роль.

Цель проекта - приобретение опыта проектирования аппаратурно-технологической схемы защиты атмосферы от промышленных выбросов.

Задачи:

* практическое закрепление изученных по дисциплине материалов;

* приобретение навыков экологического обоснования принимаемых технологических решений;

* обоснование и выбор оптимального решения по защите природной среды от антропогенного воздействия.



1. Характеристика климатических условий

Красноярский край находится в зоне умеренного климата с хорошо выраженной континентальностью.

Континентальность выражена большой годовой суточной амплитудой колебаний температуры воздуха. В годовом ходе самая низкая средняя температура приходится на январь и составляет -16,8 -18,2 ^оС. Самым жарким месяцем является июнь, средняя суточная температура +26 ^оС, абсолютный максимум +40 ^оС.

Наиболее часто в данные районы поступают массы полярного холодного воздуха, реже арктического. Тропический воздух из Казахстана и районов Западной Сибири доходит весьма редко, преимущественно в теплое время года в тылу юго-западных циклонов. В данных районах основные штили приходятся на зимний период, а распространение промышленных центров в котловинах предгорья Саян способствует формированию инверсий. Даже при скорости ветра до двух метров в секунду, с продолжительностью до 350 метров. В холодное время года часто формируются туманы.

Сумма штилей, туманов, дымки и количества дней в году со скоростью ветра до двух метров в секунду составляет в среднем 122 дня ежегодно и характеризует ветровую обстановку г. Красноярска и прилежащих районов , как крайне неблагоприятную по инверсионному параметру, предопределяет необходимость строго соблюдения режима атмосферных выбросов при неблагоприятных метеоусловиях.

Для района Красноярска характерна однородность режима в течении всего года. Повторяемость юго-западных ветров в течение года составляет 35%.В январе повторяемость этих ветров вместе с западными составляет 80% , а с мая по август -40%. Среднегодовая скорость ветра 3,7 метра в секунду. В годовом ходе минимум скорости приходится на лето, а весной и осенью скорость ветра наибольшая.

Ветровая характеристика г. Красноярска представлена в таблице 1.

Климат района резко континентальный с продолжительной малоснежной зимой, сравнительно коротким теплым летом, короткой весной и непродолжительной осенью с ранними заморозками и частыми возвратами тепла.

В отдельные годы наблюдается сильное отклонение количества водопадающих осадков от средних и многолетних. Средняя относительная влажность воздуха 55-60% имеет место в весенне-летний период.

Распределение осадков в течение года неравномерное: жидкие осадки составляют 65%, твёрдые осадки-35% общей годовой суммы.

Таблица 1.1 - Ветровая характеристика г. Красноярска

Промышленный район	Преобладающие направления по румбам, %	Штиль, %	Скорость ветра, м/с
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ		3,4
Красноярский	3	5	10	8	17	24	25	5	3



Рис. 1.1 Роза ветров и конструкция санитарно-защитной зоны



2. Качественно-количественная характеристика вредных выбросов

название	концентрация	ПДК, м.р мг/м3	ПДК, с.с мг/м3	Класс опасности
CaO	35 г/м3	-	-	ОБУВ 0,3
Nox	0,2 мг/м3	0,2	0,04	3

Оксид кальция CaO

CaO - наиболее важный промышленный продукт, служащий исходным

сырьем для производства других полезных соединений кальция. CaO имеет несколько коммерческих названий: известь, жженая известь, негашеная известь.

Чистый оксид кальция - белое кристаллическое вещество, термостойкий

(т. пл. 2630° С). Оксид получают обжигом известняка и мела, при котором удаляют выделяющийся углекислый газ; процесс ведут в шахтных печах с использованием в качестве топлива древесины, угля, нефти или газа; в результате получаются пористые куски жженой извести. При хранении на влажном воздухе жженая известь поглощает углекислый газ и влагу, превращаясь в рыхлую гашеную известь (пушонку). При добавлении воды к CaO выделяется много тепла и образуется гашеная известь (гидроксид кальция). При нагревании оксида кальция с диоксидом кремния или силикатами образуется силикат кальция.

Жженую известь широко используют в строительстве для приготовления

кладочных и штукатурных растворов, для получения хлорной извести, при выделке кожи, медицинских препаратов и кормов.

Оксиды азота

NO_x -- собирательное название оксидов азота NO и NO₂, образующихся в химических реакциях в атмосфере и при горении.

NO_x в атмосфере образуются как вследствие естественных явлений, таких как молнии и лесные пожары, так в результате деятельности человека. Примеси NO₂окрашивают промышленные дымы в бурый цвет, поэтому выбросы заводов с заметным содержанием оксидов азота названы «лисьими хвостами». Выбросы NO_xсчитаются одной из основных причин образования фотохимического смога. Соединяясь с парами воды в атмосфере, они образуют азотную кислоту, и, вместе с оксидами серы, являются причиной образования кислотных дождей. Повышенные концентрации NO_x оказывают вредное воздействие на здоровье человека, поэтому в разных странах приняты нормативы, ограничивающие максимально допустимые концентрации NO_x в выхлопах котлов электростанций, газотурбинных установок, автомобилей, самолётов и прочих устройств. Совершенствование технологий горения в значительной степени направлено на сокращение выбросов NO_x при одновременном повышении энергоэффективности устройств.

Экологические и экономические последствия

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США,

Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и ещё во многих странах земного шара. Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы -- озера, реки, заливы, пруды -- повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна.

Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая

стадия -- начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые).

Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности

рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия -- кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают

органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне.

Затем гибнет планктон -- крошечное животное, которое составляет

основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ.

Третья стадия -- кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба,

большинство лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы.

Повышенная кислотность воды способствует более высокой

растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания.

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он

также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца ещё не изучен, "сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов. ^[3]



3. Обоснование и выбор конструкции санитарно-защитной зоны

Каждое промышленное предприятие, имеющее источники загрязнения атмосферного воздуха (пыль, газ, физические загрязнители), должно иметь санитарно-защитную зону регламентированной ширины. Граница санитарной зоны отсчитывается не от ограды предприятия, а от крайних точечных или неорганизованных источников выделения вредных веществ. При расположении предприятия в жилом районе ширина санитарно-защитной зоны устанавливается по согласованию с Минздравом РФ.

Ширина санитарно-защитной зоны.

В зависимости от мощности, условий технологии, характера и количество выделяемых, вредных и неприятно пахнущих веществ, создаваемого шума, вибраций, электромагнитных волн радиочастот, ультразвука и других вредных факторов в соответствии санитарной классификацией предприятий, производств и объектов, санитарными нормами установлены следующие размеры (м) санитарно-защитных зон для предприятий:

класса 1……….1000; класса 4……….100;

класса 2……….500; класса 5……….50.

класса 3……….300;

Так как рассматриваемое предприятие второго класса, то санитарно-за-

щитная зона равна 500 м.

Оборудование санитарно-защитной зоны.

Санитарно-защитные зоны подлежат озеленению с выбором соответствующих дымогазоустойчивых пород деревьев и созданием зеленых насаждениях специально-организованных коридоров для проветривания промплощадки. Наличие зеленых насаждений снижает приземные концентрации вредных веществ на границах жилого района. Они особенно эффективны для локализации неорганизованных выбросов пыли и выделений дыма из низких труб.

Озеленение санитарно-защитной зоны осуществляют преимущественно

лиственными породами деревьев, т.к. в пожарном отношении эти породы более эффективно отражают лучистое тепло и менее способствуют распространению пожара. Высокие древесно-кустарниковые насаждения обеспечивают свободное проникновение ветров на промплощадку, увлечение их скорости, вынос загрязненных воздушных потоков с промплощадки и отвод их в наиболее целесообразном направлении для селитебных и промышленных территорий. Между продольными рядами размещается величина межполосного разрыва, принимаемая равной 100-120м.

Для ускорения скорости воздушного потока междуполосный разрыв увеличивают на 25-50% в зависимости от санитарного класса производства и ширины санитарно-защитной зоны. Расширение формируют со стороны входа ветра.

В данном районе направление преобладающих ветров постоянно, поэтому зеленые насаждения размещаются с расчетом создания одного коридора, причем жилая застройка производится со стороны ветра низко этажными зданиями.

Озеленение санитарно-защитной зоны.

Для озеленения санитарно-защитной зоны предприятия применяются плотные трехъярусные древесно-кустарниковые полосы двух типов:

Первый тип - одноструктурного построения на протяжении всей полосы. Предназначается для непосредственного окаймления коридоров, создание продольных посадок в широких коридорах, периферических полос, непосредственно примыкающих к селитебной территории и различных зеленых полос за пределами санитарно-защитной зоны (ветронаправляющих и отводящих);

Второй тип - двухструктурного построения в виде регулярно чередующихся коротких (30-50м) участков древесно-кустарниковых полос с участками чисто кустарниковых посадок. Предназначается для создания системы полос на территории санитарно- защитной зон.

Полосы первого типа создаются из десяти рядов шириной 22.5 м, а ярусность обеспечивается сочетанием деревьев и кустарников разной высоты. Полосы второго типа имеют разрывы (10-15м) через каждые 30-50 м длины полосы; в разрывах размещают долголетние кустарники.

Конструкция санитарно-защитной зоны в зависимости от преобладающего направления ветра представлена на рисунке 1.1



4. Обоснование, выбор и расчет аппаратов очистки газов от пыли

4.1 Расчет пылеулавливающей камеры

Аппараты, использующие осаждение твердых частиц из медленно двигающегося воздушного потока, относятся к наиболее простым, отличаются низкой эффективностью и применяются, как правило, на первой стадии очистки. Обычно такие аппараты представлены пылеулавливающими камерами (рис. ). Приняв ряд допущений (пылевые частицы имеют шарообразную форму, распределены по вертикальному сечению камеры равномерно; оседание пылинок подчиняется закону Стокса; все частицы движутся в потоке с одинаковой скоростью; осажденные частицы не сдуваются потоком), рассчитываем геометрические размеры камеры по заданной крупности осаждаемой пыли.

Рис.4.1.1 Пылевая камера с горизонтальными полками: 1 - полки; 2 - колокольные затраты; 3 - люки для удаления пыли.

Требуется определить длину L, высоту H и ширину B камеры, м, для осаждения из V_г=210000 м³/ч газа при температуре Т=120єС частиц крупностью d=40 мкм с удельным весом с=2500 кг/м³.

Рассчитаем скорость витания частицы:

где - ускорение свободного падения, м/с²;

- вязкость воздуха при t =120єC

Рассчитываем секундный расход газа ,поступающего в камеру:

Вычислим необходимую площадь осаждения в камере:

Приняв скорость потока в камере равной находим площадь вертикального сечения камеры:

Примем высоту камеры и ширину , тогда длина будет равна:

Для уменьшения длины камеры предусматриваем конструкцию камеры с горизонтальными полками с расстоянием между ними 200 мм. При высоте камеры количество таких полок (включая плоскость днища камеры) будет равно 35. В этом случае общая длина камеры значительно уменьшится, т.к. площадь одной полки:

откуда длина камеры:

Окончательно принимаем размеры камеры:

Из формулы определения степени улавливания пыли найдем концентрацию пыли на выходе из камеры:

где - степень улавливания пыли (для пылеулавливающей камеры равна 50%);

- концентрация пыли на входе в камеру;

- концентрация пыли на выходе из камеры.

Отсюда:

4.2 Расчет батарейного циклона

Высокая степень очистки циклонами обеспечивается, если циклоны объединяются в группы, однако число циклонов в группе ограничивается из-за конструктивных соображений, что, в конечном итоге, лимитирует и производительность группы.

По этой причине возникла необходимость в такой конструкции, при которой циклоны небольшого диаметра (что позволяет улавливать мелкие фракции пыли) объединяют не в группы, а в общей оболочке, формирующей батарею циклонов. Если в обычном циклоне вращающийся поток создается за счет входа газа по касательной к цилиндрическому корпусу циклона, то в батарейном циклоне циклонные элементы имеют направляющую потока в виде винта или розетки. Это значительно уменьшает габариты установки без снижения ее производительности и эффективности. Оболочка батарейного циклона может формировать круглую или прямоугольную секцию.

Направляющие элементы могут быть в виде винта или розетки. В обоих случаях общими элементами являются корпус и выходная труба.

Рис. 4.1.2 Схема батарейного циклона: а - элемент с завихрителем «винт»; б - элемент с завихрителем «розетка»; в - общий вид компоновки циклонных элементов: 1 - завихривающее устройство; 2 - входной патрубок; 3 - распределительная камера; 4 - выходной патрубок; 5 - выходная камера; 6 - выхлопные трубы; 7 - циклонные элементы.

Требуется очистить от пыли с заданной гранулометрической характеристикой газы в количестве =210000 м3/ч при температуре Т=120єС. Сухие газы имеют удельный вес с_г=1,3 кг/м³, содержание водяных паров в газах f=120 г, барометрическое давление B=101 кПа, статическое давление на входе в батарею Р_ст=280 Па. Гидравлическое сопротивление батарейного циклона не должно превышать величину ДH=400 Па. Удельный вес пыли с_п=2,45 г/см³, начальная запыленность газов 12,5 г/м³. Необходимая степень улавливания пыли не ниже 92%.

Выбираем циклонные элементы диаметром 200 мм с направляющими потока в виде розетки с углом наклона лопасти 25є. Допустимая запыленность газов 35 г/м³ (табл. 4.1.2).

Таблица 3 - Максимально допустимый диаметр циклонных элементов

Тип направляющей потока	Диаметр элемента, мм	Допустимая запыленность газов, г/см3
Винт	100 150 200	25 50 100
Розетка	100 150 250	15 35 75

Определяем удельный вес газов при рабочих условиях:

Коэффициент гидравлического сопротивления е розеточной направляющей для углов наклона лопастей б=25о или 30о составляет, соответственно, 90 и 65. В нашем случае при б=25о е=90.

Находим расход газа при рабочих условиях:

Рассчитываем производительность по газу одного циклонного элемента:

где - оптимальная скорость газа в циклонном элементе, м/с.

Определяем количество циклонных элементов в батарее и выбираем их компоновку:

Следовательно:

Нужно 7 батарейных циклонов по 96 элементов в каждом.

Производим проверку по гидравлическому сопротивлению. Для батарейных циклонов отношение гидравлического сопротивления к удельному весу газов при рабочих условиях должно находиться в пределах ДН/с_t=450-750. По условию задачи ДН=400 Па, следовательно:

что укладывается в необходимые пределы.

Расчет степени улавливания пыли.

Определяем общую степень улавливания пылевых фракций с помощью графика

Так как указанный график составлен для циклонного элемента диаметром 250 мм с направляющей типа «винт» с углом 25^о, необходимо пересчитать з_общ на заданный циклонный элемент с помощью кривых (рис. 4.1.4), получим з_общ=93,1%.

Пересчитываем с помощью графика (рис. 4.1.5) з_общ для плотности пыли с_п=2,45 г/см³, т.е. кривая фракционного КПД соответствует плотности пыли с_п=2,2 г/см³. По графику определим з_общ?94%.

Если воспользоваться графиком (рис. 4.1.6), то по рассчитанному отношению ДH/с_t=845,7 окончательно получим степень улавливания пыли з_общ=92,4%, что выше необходимой величины (92%).

Рис. 4.1.3 Кривая зависимости фракционных КПД батарейного циклона типа БЦ с элементами диаметром 250 мм и направляющим аппаратом типа винт (угол 25^о) от размера частиц.

Рис. 4.1.4 График для пересчета степени улавливания пыли з_общ от одного типа и размера элемента к другому.

Рис. 4.1.5 График зависимости степени улавливания пыли з_общ от удельного веса пыли с_п



Рис. 4.1.6 График для пересчета степени улавливания пыли з_общ от отношения ДH/с_t

Определим эффективность аппарата:



5. Обоснование, выбор и расчет аппаратов очистки газов от химических загрязнителей

Расчет скруббера с насадкой.

Для очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов, а также для удаления из газового потока любой температуры пылевых частиц крупностью более 0,3 мкм широко применяется мокрое пылеулавливание.

При мокром пылеулавливании в аппарате создается облако из мелкодисперсных водяных капель, либо жидкостные пленки. Пылевые частицы осаждаются на поверхности капель или пленки жидкой фазы: крупные пылевые фракции - под действием сил инерции, мелкие - в результате броуновского движения. Последнее характерно для пылевых частиц крупностью до 1мкм, обладающих малой гравитационной массой, вследствие чего пылевые частицы не прилипают к поверхности капель жидкости, а огибают их.

При мокром пылеулавливании одновременно происходит и охлаждение высокотемпературных газовых потоков.

Весьма существенным достоинством скруббера является не только эффективная очистка от пылевых частиц, но и улавливание из технологических газов газообразных примесей (SO₂, H₂S, Cl₂, HCl, HF и др.).

Обычно скруббер представляет собой цилиндрическую или прямоугольной формы емкость. В безнасадочном скруббере предусмотрена система форсунок, через которые под давлением до 200 кПа подается вода. Скруббер с насадкой оснащен специальной конструкции решеткой из деревянных реек, тарелок или керамических колец, что обеспечивает наличие большой поверхности контакта газового потока с жидкой фазой (см. рис. 4.2.1, 4.2.2).



Рис. 4.2.1 Аппараты для абсорбции газов: а - противоточная насадочная колонна (1 - насадочная колонная; 2 - насадка; 3 - конструкционный элемент для распределения газа и удерживания насадки); б - насадочный абсорбер с поперечным потоком (1 - слой насадки)

Рис. 4.2.2 Типичная тарельчатая абсорбционная колонна и два вида тарелок: а - тарельчатая колонна (1 - тарелки; 2 - корпус колонны; 3 - переливная трубка); б - колпачковая тарелка (1 - тарелка; 2 - колпачки); в - ситовая тарелка (1 - тарелка; 2 - отверстия; 3 - жидкость)

Требуется очистить от пыли и газа Q_общ.г=210000 м³/ч газа, имеющего температуру t₁=410, с охлаждением его до температуры t₂=70. Удельный вес (плотность) газа 1,25 кг/м³. Давление в скруббере не отличается от атмосферного (101,325 кПа). Содержание водяных паров в газе 120 г/м³, пыли - 0,76 г/м³, SO_x - 0,15 мг/м³. Для охлаждения выбрана схема с циркуляцией жидкости без промежуточного охлаждения. Опытные данные показали: потери тепла в окружающую среду составляют 3 %; эффективность улавливания пыли в скруббере - 20 %; в цикле орошения необходимо поддерживать и отводить в отстойник шламистую пульпу, содержащую 20 г/л твердого.

Определяем рабочую температуру орошающей жидкости (табл. 4.2.1).

Интерполяцией находим, что для исходной температуры газов Т=120•0,97=116,4єС (с учетом 3-процентной потери тепла), температура «влажного термометра» составит 56,5єС.

Таблица 4.2.1 - Значения температуры „мокрого термометра” для различных значений температур и влажности газов

Исходная влажность газа,	Исходная температура газов, 0С
г/нм3	100	200	300	400	500	750	1000
25 50 100 200 300	38,5 44 52,5 61 68	49,5 53,5 59 66,5 71,5	57 59,5 63,5 70 74	62 64 68 72,5 78,5	65,5 67,5 70,5 75,5 -	72,5 74 76,5 79,5 -	77,5 78,5 80,5 - -

Следовательно, это же значение будет иметь и температура орошающей

жидкости.

Рассчитываем потери тепла на нагрев жидкости и испарение.

На испарение расходуется:

где Е = 0,33 - средняя теплоемкость газов, ккал/м³•⁰С;

Т - разность температуры газа, ⁰С;

Q_общ.г - часовой расход газа.

При температуре 56,5єС на испарение 1 кг воды расходуется Q₂=565 ккал.

На нагрев 1 кг водяных паров расходуется

где Е_В - средняя теплоемкость водяных паров, ккал/кг•⁰С;

Т - разность температуры воды, ⁰С.

Всего на нагрев и испарение воды затратится 565+2=567 ккал.

При этом в скруббере будет испаряться вода в количестве

Рассчитываем среднюю логарифмическую разность температур

Определяем коэффициент теплопередачи



где - средняя скорость газа в свободном сечении скруббера, м/с, при значительных величинах происходит потеря воды за счет брызгоуноса, рекомендуемая величина находиться в пределах 1- 1,5 м/с.

Находим требуемую поверхность насадки

Выбираем тип насадки. Обычно при решении задач охлаждения газа с одновременной очисткой его от пыли применяют насадки в виде правильно уложенных керамических колец либо деревянную реечную (хордовую). Примем деревянную (хордовую) насадку из досок толщиной 18 мм, шириной 120 мм, расположенных на расстоянии 25 мм друг от друга; доски устанавливаются на ребро.

На один погонный метр можно уложить досок

Следовательно, 1м³ насадки будет иметь 23•2=46 орошаемых ребер. Боковая площадь одной доски (с двух сторон) составит 2•1•0,12 = 0,24 м². При ширине доски 120 мм в 1м будет 8 рядов досок по 23 доски в ряду (т.е. 1м³ насадки будет содержать 23•8 =184 доски с общей поверхностью S =184• 0,24=44,2 м²).

Определяем объем насадки

Рассчитываем живое сечение насадки: при толщине доски 18 мм и расстоянии между досками 25 мм занятое насадкой сечение скруббера составит 18/(18+25)=42%, т.е. живое сечение насадки (для прохода газов) составит 58 %. Вычисляем секундный расход газа

В выходящем газе содержится также Q_общ.в. водяных паров, занимающих объем 6893/0,804=8573 м³.

Всего за час испарится воды:

Средний секундный расход газа через скруббер:

Необходимая площадь живого сечения:

Площадь горизонтального сечения скруббера с учетом доли живого сечения:

Следовательно, диаметр скруббера цилиндрической формы составит 13 м, а высота насадки 900/52,67=17,08 м.

Рассчитываем часовой расход воды, принимая плотность орошения 10 м³/м²•ч

Определяем часовое количество поступающих в скруббер мелких частиц пыли:

Улавливаемое количество пыли составляет 20 %, т.е. 420 кг/ч. Из цикла орошения выводится пульпа с содержанием твердого 20 г/л, следовательно, для вывода уловленной пыли каждый час из цикла орошения выводят пульпу, количество которой составляет

Находим необходимое для компенсации испарения и выводимой с пульпой количество воды:

Расчет скруббера Вентури.

Скрубберы представляют собой аппараты для промывки жидкостью (водой) пылегазовых смесей с целью очистки выбросов как от пыли, так и от целого ряда газообразных загрязнителей, хорошо растворимых в жидкостях. Особенность аппарата конструктивно предусматривает два элемента - скруббер (трубу) Вентури и каплеуловитель. С точки зрения эффективности очистки процесс протекает в две стадии: на первой технологические газы очищаются от твердых загрязнителей за счет смачивания твердых частиц распыленной жидкостью и растворения ряда газообразных загрязнителей (СО, НСl, HF) в воде. В необходимых случаях вместо воды применяют другие жидкости (например, щелочные растворы). Учитывая применение жидкой фазы, аппарат позволяет успешно очищать выбросы от примесей, которые из парообразного состояния способны конденсироваться за счет снижения температуры газов (ртуть, сера, хлор, ванадий и др.) при подаче орошающей жидкости. На второй стадии в обязательном порядке предусматривается удаление из очищаемых газов уловленных смоченных или растворенных загрязнителей специальным элементом (каплеуловителем) в виде шламов и насыщенных растворов. Необходимость организации шламового цикла очистки, как правило, полностью компенсируется высокой эффективностью скруббера.

Дополнительным эффектом при очистке высокотемпературных газов является снижение теплового загрязнения атмосферы за счет потери тепла газового потока при орошении жидкостью.

При технологическом расчете аппарата с достаточной степенью точности можно ориентироваться на физические свойства воды. Собственно технологический расчет состоит из оценки эффективности газоочистки и определения гидравлического сопротивления аппарата (трубы Вентури и каплеуловителя) и их геометрических параметров. Принципиальная схема скруббера Вентури представлена на рис.4.2.3, а.

Установлено, что скруббер Вентури надежно обеспечивает очистку взрывоопасных газов за счет снижения концентрации взрывоопасных составляющих ниже нижней границы взрывоопасных концентраций, что трудно достижимо при других методах очистки.

Специальная форма трубы Вентури (рис. 4.2.3, б) позволяет значительно увеличить скорость газового потока за счет уменьшения диаметра газохода в конфузоре, раздробить подаваемую жидкость на мелкие капли и, в конечном счете повысить эффективность пылегазоочистки за счет увеличения поверхности капель жидкой фазы. Наиболее узкая часть трубы Вентури - горловина обеспечивает скорость газа до 150 м/с, причем последняя выбирается из условия не только эффективной очистки, но и обеспечения условий, когда коагулированные твердые загрязнители не осаждаются в трубе.

Считается, что наиболее эффективная работа такого аппарата достигается при условии, что налипание на внутренние поверхности трубы уловленных и коагулированных твердых загрязнителей не превышает 15 % от общего количества загрязнителей в единице объема газов.

а б

Рис. 4.2.3 Скруббер Вентури: а - общий вид; б - нормализованная труба Вентури: 1 - конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор; 4 - подача вода; 5 - каплеуловитель

атмосфера антропогенный выброс экологический

В отличие от пылепромывателей СИОТ и пылеуловителей вентиляционных мокрых (ПВМ) скрубберы Вентури, позволяющие очищать газы от пылевых фракций размером < 1 мкм при начальной концентрации твердых загрязнителей до 30 г/м³, хорошо зарекомендовали себя в системах пылегазоочистки металлургического производства и предприятий теплоэнергетики.

Наиболее совершенный и в то же время простой аппарат представляет

собой коагуляционный мокрый пылеуловитель (КПМ) (рис. 4.2.4), в котором каплеуловитель выполнен по схеме циклона с водяной пленкой (типа ЦВП).

Рассчитаем аппарат очистки, состоящий из трубы Вентури и каплеуловителя типа ЦВП при следующих условиях: объем очищаемых газов Q_г=210000 м³/ч, температура газов Т₁=120^оС, плотность газа с_о=1,30 кг/м³, концентрация NO_x в газе 0,2 мг/м³, давление в системе (дымосос находится перед скруббером) Р_г=2 Па; орошающая жидкость - раствор соды, поступающий в конфузор под напором 310 кПа, имеет температуру Т=26^оС; необходимо обеспечить концентрацию NO_x на выходе из аппарата С_вых=0,429 мг/м³. Газ содержит пыль CaO в количестве 0,912 г/м³.

Рис. 4.2.4 Коагуляционный мокрый пылеуловитель

С учетом заданных и исходных концентраций вредных примесей необходимая эффективность очистки газов

Гидравлическое сопротивление аппарата ДР_а включает гидравлическое сопротивление трубы Вентури ДР_в и каплеуловителя ДР_к; в расчетах используем энергетический метод.

Число единиц переноса определяем по формуле

Коэффициент теплопереноса находим по уравнению

откуда

где константы B и x принимаются по литературе [2, табл. 1] для конкретного газа. В данном случае B=6,5•10^-4, x=1,0529, следовательно,

после логарифмирования (1,0529 lg К_т= lg 7230) получим величину коэффи-циента теплопереноса, кДж/м³:

Общее гидравлическое сопротивление скруббера (предварительное), Па,

где Р_ж - напор жидкости;

m - удельный расход жидкости на орошение газа (по рекомендациям [2] принимаем m=0,0012 м³/м³).

Плотность газа на входе в конфузор трубы Вентури при рабочих условиях:

Секундный расход газа на входе в трубу Вентури:

Расход жидкости на орошение газа за одну секунду:

Температура газов на выходе из диффузора трубы Вентури:

Плотность газов на выходе из диффузора трубы Вентури:

Объемный секундный расход газа на выходе из диффузора:

Гидравлическое сопротивление каплеуловителя:

где е_к - коэффициент, принимаемый для прямоточных циклонов-каплеуловителей в пределах 30-33;

w_к - скорость газа в каплеуловителе, принимаемая для таких систем равной 2,5 м/с.

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури (уточненное)

Принимаем ДР_в?4150 Па.

Компоновка скруббера Вентури и все линейные размеры, как трубы Вентури, так и каплеуловителя, зависят от диаметра горловины труды Вентури и диаметра каплеуловителя. Расчет проводим в следующем порядке:

1. Диаметр воздуховода на выходе из каплеуловителя

Необходимо 2 аппарата диаметром D_k2 =2 м.

2. Диаметр рабочей части каплеуловителя (на практике составляет 0,7 м диаметра воздуховода на выходе из каплеуловителя)

3. Коэффициент сопротивления, возникающего в трубе Вентури при подаче орошающей жидкости

где е_с - коэффициент сопротивления трубы круглого или прямоугольного сечения, = 0,12-0,15;

М_в - массовый расход жидкости на орошение газа за 1 с;

М_г - массовый расход газа за 1 с, =с₂•Q_г.вых., кг/с;

с_ж - плотность жидкости, =1000 кг/м³.

4. Скорость газов в трубе Вентури, при которой достигается эффективная работа аппарата:

5. Диаметр горловины трубы Вентури

Учитывая, что конструктивные размеры коагуляционных мокрых пылеуловителей (КПМ) нормализованы, представляется необходимым округлить полученное значение D_г до ближайшего нормализованного (скруббер Вентури типа КПМ 8,0-00.00.000) по таблице 4.2.2, в которой приведены все необходимые геометрические параметры согласно рис. 4.2.4. Индекс КПМ соответствует величине D_г в дециметрах (табл. 4.2.2).

Полный геометрический расчет дополняет табл. 4.2.2 расчетными величинами, представленными ниже.

6. Длина горловины трубы Вентури

7. Угол сужения конфузора (рис. 4.2.3) зависит от диаметра подводящего трубопровода D₁, диаметра горловины D_г и ее длины L_г. Максимальная величина

8. Угол расширения диффузора б₂ лежит в пределах 6-8^о.

Таблица 4.2.2 - Нормализованные размеры скруббера Вентури и каплеуловителя

Индекс	Dг	Dк	D1	D2	D3	d1	d2	d3	d4	H	Hг
КМП2,5-00.00.000	250	1000	450	1200	740	50	25	50	20	4312	2570
КМП3,2-00.00.000	320	1200	560	1440	980	70	32	80	20	5010	3020
КМП4,0-00.00.000	400	1500	680	1800	1240	70	32	80	20	5850	3580
КМП5,0-00.00.000	500	1900	900	2120	1450	80	40	80	20	7416	4500
КМП6,3-00.00.000	630	2300	1120	2520	1600	100	40	100	25	8641	5280
КМП7,1-00.00.000	710	2700	1250	2920	1850	125	40	100	25	9591	5790
КМП8,0-00.00.000	800	3000	1400	3220	2050	125	40	100	25	10506	6425
КМП2,5-00.00.000	3933	240	620	1120	780	350	620	2314	450	1110	600
КМП3,2-00.00.000	4820	240	620	1440	1000	410	750	2790	590	1230	765
КМП4,0-00.00.000	5630	240	750	1800	1030	530	930	3540	720	1600	900
КМП5,0-00.00.000	7064	526	1140	2250	1450	670	1180	3985	900	1800	1080
КМП6,3-00.00.000	7355	335	1140	2830	1700	810	1430	4620	1090	2150	1300
КМП7,1-00.00.000	9806	370	1140	3190	1960	950	1680	5240	1270	1470	1500
КМП8,0-00.00.000	10860	350	1140	3600	2140	1250	1860	5720	1430	2660	1650

Определим концентрацию вредных веществ на выходе, фактическая эффективность 98%:

С_вых= С_вх-0,99•С_вх=1-0,99•1=0,01 г/м³ (пыль)

С_вых= С_вх-0,94•С_вх=0,03-0,94•0,03=0,0018 мг/м³ (СО)

Принимаем скруббер Вентури, так как выходная концентрация вредных веществ меньше. Кроме этого скруббер Вентури обладает следующими досто-инствами:

1. Эффективная очистка как от пыли, так и от газообразных загрязнителей за счет наличия двух стадий очистки

2. Снижение теплового загрязнения атмосферы за счет потери тепла газового потока при орошении жидкостью

3. Достаточная степень точности ориентирования на физические свойства орошающей жидкости



5. Технологическая схема цепи аппаратов очистки с указанием технологических параметров



6. Режимные мероприятия для неблагоприятных условий

Под регулированием выбросов ЗВ в атмосферу понимается кратковре-

менное сокращение в периоды неблагоприятных метереологических условий (НМУ), приводящих к формированию высокого уровня загрязнения воздуха. К НМУ относятся:

• приподнятая инверсия выше ИЗА;

• штилевой слой ниже ИЗА (по ОНД-86 рассчитан на скорость ветра не менее 0,5 м/с);

• туманы;

• направление ветра от предприятий на жилые кварталы, в том числе со сложным рельефом и плотной застройкой, а так же с максимальным наложением выбросов.

Эффективность мероприятий по каждому режиму определяется пропорционально сокращению массовых выбросов (г/с) без проведения расчетов приземных концентраций (т.к. существующая методика по ОНД-86 не учитывает распространения примесей под инверсионным слоем).

Эффективность по первому режиму, включающему организационно-технические мероприятия, принимается равной 15% без проведения расчетов.

Для второго и третьего режимов мероприятия по снижению выбросов проводятся для тех источников, которые являются значительными с точки зрения загрязнения атмосферы на границе СЗЗ или ближайшей жилой застройки. При втором режиме сокращение выбросов должно составлять в дополнении к временному режиму не менее 20%, при третьем режиме - не менее 40%.

Первый режим в период НМУ может включать следующие организационно-технические мероприятия общего характера:

• усиление контроля за точным соблюдением технологического регламента производства;

• запрет работы оборудования на форсированном режиме;

• рассредоточение во времени работы технологических аппаратов, не участвующих в едином непрерывном технологическом процессе;

• запрещение продувки и чистки оборудования, газоходов, емкостей, в которых хранились ЗВ, а так же ремонтные работы, связанные с повышенным выделением ЗВ в атмосферу;

• усиление контроля за техническим состоянием и эксплуатацией всех газоочистных установок;

• обеспечение бесперебойной работы всех пылеочистных систем и сооружений и их отдельных элементов, недопущение снижения их производительности, а так же отключения на профилактические осмотры, ревизии и ремонты;

• обеспечение максимально эффективного орошения аппаратов мокрой пылегазоочистки;

• проверка соответствия регламенту производства концентраций поглотительных растворов, применяемых в газоочистных установках;

• ограничение погрузочно-разгрузочных работ, связанных со значительным выделением ЗВ;

• интенсифицирование влажной уборки производственных помещений предприятия, где это допускается правилами техники безопасности;

• прекращение испытания оборудования, связанного с изменениями

• технологического режима, приводящего к увеличению выбросов ЗВ;

• обеспечение инструментального контроля степени очистки газов в ПГУ, выбросов ЗВ в атмосферу непосредственно на ИЗА и на границе СЗЗ.

Мероприятия по сокращению выбросов при втором режиме работы предприятия включают все мероприятия по первому режиму, а также мероприятия, влияющие на технологические процессы и сопровождающиеся незначительным снижением производительности предприятия. К ним относятся:

• снижение производительности отдельных аппаратов и технологических линий, работа которых связана со значительным выделением ЗВ;

• остановка оборудования в случае близости сроков начала плановопредупредительных работ по ремонту технологического оборудования;

• перевод котельных и ТЭЦ, где это возможно, на природный газ или малосернистое и малозольное топливо, при работе с которыми обеспечивается снижение выбросов ЗВ;

• ограничение использования автотранспорта и других передвижных источников выбросов на территории предприятия согласно ранее разработанным схемам маршрутов;

• принятие мер по предотвращению испарения топлива;

• запрещение сжигания отходов производства и мусора, если оно осуществляется без использования специальных установок, оснащенных ПГУ.

Мероприятия по сокращению выбросов при третьем режиме работы предприятия включают все мероприятия по первому и второго режимов, а также мероприятия, осуществление которых позволяет снизить выбросы ЗВ за счет временного сокращения объема выпускаемой продукции предприятия. К ним относятся:

• снижение нагрузки или остановка производства, сопровождающиеся значительными выделениями ЗВ;

• отключение аппаратов и оборудования, в случае выхода из строя

• ПГУ;

• запрещение производства погрузочно-разгрузочных работ, отгрузки готовой продукции, реагентов, являющихся источником загрязнения атмосферы;

• перераспределение пусковых работ на аппаратах и технологических линиях, сопровождающихся выбросами в атмосферу;

• запрещение выезда на линию автотранспортных средств (включая личный транспорт) с неотрегулированными двигателями;

• снижение нагрузки или остановка производства, не имеющий ПГУ;

• проведение поэтапного снижения нагрузки параллельно работающих однотипных технологических аппаратов и установок (вплоть до отключения одного, двух, трех и т.д. агрегатов).



7. Мероприятия по обеспечению нормативных выбросов и их снижению

Наиболее эффективным средством борьбы с выбросами пыли и вредных газообразных компонентов в воздушный бассейн предприятиями является установка газоочистных аппаратов. Однако, как показала практика, пылегазовыделения можно значительно сократить путем их подавления и локального отсоса, а также осуществления ряда мероприятий технологического и планировочного характера. В первую очередь следует внедрять малоотходную технологию, позволяющую значительно уменьшить нагрузку на газоочистные аппараты и тем самым повысить эффективность их работы, а иногда и обойтись без их установки.

Планировочные мероприятия по снижению приземных концентраций вредных веществ.

В системе мероприятий по охране атмосферного воздуха видное место занимают планировочные мероприятия, позволяющие при постоянстве валовых выбросов существенно снизить воздействие загрязнения окружающей среды на человека. Прежде всего, большое значение имеют правильный выбор площадки предприятия, взаимное расположение его цехов и жилых массивов.

Рекомендуется располагать предприятия и жилые кварталы на открытой ровной местности, хорошо продуваемой ветрами, исключающей образование застойных зон. По отношению к жилому массиву предприятие должно располагаться с подветренной стороны, чтобы большую часть года в соответствии с розой ветров выбросы уносились в сторону от жилых кварталов. Площадка жилой застройки не должна быть выше площадки предприятия, так как в противном случае преимущество высоких дымовых труб практически сводится на нет.

Площадка предприятия должна иметь положительную инверсионную характеристику. Температура воздуха в любое время года с увеличением расстояния от земной поверхности должна уменьшаться, чтобы обеспечивалась естественная вентиляция площадки предприятия даже при отсутствии ветра.

Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю территории предприятия со стороны, противоположной жилой застройке. Взаимное расположение цехов должно быть таким, чтобы при направлении ветров в сторону жилых массивов выбросы их не объединялись.

Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СП-245-71 предусмотрено отделение жилых массивов от промышленных предприятий, являющихся источниками выделения вредных веществ, санитарно-защитными зонами. Расстояние между промышленной зоной и жилым массивом определяется в зависимости от профиля предприятия, его мощности, количественных и качественных характеристик выбросов в атмосферный воздух.

Важнейшим направлением снижения промышленных выбросов в воздушный бассейн является совершенствование технологии производства процессов и основного технологического оборудования.

Переход от периодических процессов к непрерывным позволяет сильно сократить пыле- и газовыделение.

В зависимости от конкретных условий протекания процесса подавление пылегазовыделений может осуществляться различными способами.

Увлажнение сыпучих материалов, руды и пыли резко сокращает пыление по всем трактам движения и складирования этих материалов. На складах для проведения операции увлажнения используют автоматические стационарные распылители и специальные автомобили. Равномерное увлажнение, предотвращающее распыливание, обеспечивают расположением и подбором форсунок, давления воды, высоты распыления. Каждый материал имеет свою предельную влажность, при которой не происходит пылевыделение, например для пыли она равна 18--20 %.

Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в узлах разгрузки

пылящих материалов резко сокращает загрязнение окружающего воздуха. Эти вещества применяются в виде вырабатываемой в специальных пеногенераторах воздушно-механической пены, для образования которой используют 2--3 % водные растворы ПАВ.

Гидросмыв пыли является надежным средством обеспыливания при выходе проката из валков прокатных станов: компактные струи воды подаются непосредственно на сляб или листы на выходе из валков. Коэффициент обеспыливания составляет 90--95 % и выше, охлаждения проката практически не происходит.

Организация противодавления с помощью инертного газа позволяет подавлять выбивание грязного доменного газа в засыпной аппарат при засыпке в печь очередной порции шихты.

Пылегазовыделение во многих случаях удается существенно сократить при создании условий, повышающих вероятность столкновения частиц (а, следовательно, и интенсивность коагуляции) в пределах рабочего пространства агрегата (облучение газов в рабочем пространстве агрегатов звуковыми и ультразвуковыми волнами). Происходящее при этом укрупнение частиц приводит к тому, что определенная часть частиц оседает под действием различных факторов непосредственно в агрегате, снижая тем самым нагрузку на пылеулавливающую аппаратуру.

Важной задачей является улавливание неорганизованных пылегазовыделений. В тех случаях, когда процесс идет открыто и предотвратить или подавить пылегазовыделение в месте его образования не удается, выходом из положения является улавливание пылегазовыделений с помощью цеховых фонарей, зонтов, местных укрытий (колпаков), защитных кожухов.

8. Мероприятия по безопасной эксплуатации аппаратов очистки

1. Персонал, обслуживающий газоочистные и пылеулавливающие установки, должен руководствоваться настоящими Правилами и производственными инструкциями по эксплуатации аппаратов газоочистки и пылеулавливания.

2. К обслуживанию газоочистных и пылеулавливающих установок могут быть допущены только работники, изучившие устройство газоочистных и пылеулавливающих установок, настоящие Правила и производственные инструкции, сдавшие экзамен на право обслуживания установок и по технике безопасности.

3. Проверка знаний у персонала, обслуживающего газоочистные и пылеулавливающие установки, по правилам обслуживания и по технике безопасности должна производиться периодически, но не реже одного раза в 2 года. Сдавшему экзамен вручается удостоверение установленной формы, в котором записываются результаты проверки знаний по правилам обслуживания и техники безопасности.

4. На газоочистных и пылеулавливающих установках должны находиться следующие инструкции и правила:

а) производственные инструкции по эксплуатации газоочистной и пылеулавливающей установки;

б) правила и инструкции по технике безопасности и производственной санитарии для данного производства;

в) инструкции на случаи аварии и пожара;

г) правила оказания первой помощи;

д) чертежи газоочистных и пылеулавливающих установок и схемы коммуникаций, к ним относящихся;

е) тросик заземления.

5. На газоочистной и пылеулавливающей установке должны находиться в исправном состоянии:

а) защитные средства (перчатки, коврики, очки и др.);

б) предупредительные плакаты;

в) средства для тушения пожара;

г) аптечка;

д) противогазы;

е) тросик заземления.

6. Внутренний осмотр газоочистных и пылеулавливающих установок допускается производить при выполнении следующих условий:

а) для установок всех видов: