Атмосфера

Состав и строение атмосферы.

Основные источники загрязнения атмосферы, основные загрязняющие вещества. Последствия загрязнения атмосферного воздуха промышленными выбросами: парниковый эффект, «озоновые дыры», смог, кислотные дожди. Система ПДВ (предельно допустимых выбросов) вредных веществ.

Средства защиты атмосферы. Рассеивание вредных веществ отведением выбросов на большую высоту. Основные методы очистки газовых выбросов. Совершенствование технологии как основной способ уменьшения количества газообразных выбросов промышленных предприятий.

Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Сухой воздух вблизи земной поверхности по объему будет содержать 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа. Количество остальных газов: водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, радона, озона, метана и др. - незначительно.

Вертикальное строение атмосферы. Область, прилегающую к земной поверхности, называют тропосферой. Высота ее составляет 12-20 км, верхняя граница называется тропопаузой. В тропосфере сосредоточено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар. В ней протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки.

Следующий слой атмосферы - стратосфера, она была открыта в начале ХХ века. Верхняя граница стратосферы 50-55 км. Своим существованием стратосфера обязана только одному газу - озону. Слой повышенной концентрации озона в стратосфере служит экраном, не пропускающим к земной поверхности губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца. Озоновый слой поглощает инфракрасные лучи, несущие тепловую энергию от поверхности Земли в космос.

Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой до высоты 85-90 км. Над ней располагается термосфера (верхняя граница 400 км). В термосфере газы очень разряжены. Наиболее интересной особенностью термосферы является ее ионизация, т.е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц - ионов. Т.к. ионизация газов является характерной для нижней части термосферы, ее называют ионосферой. Самая внешняя область атмосферы состоит из атомарного водорода. Это так называемая водородная геокорона.

Атмосферные загрязнения принято подразделять на естественные (пыль и газы растительного, вулканического, космического происхождения, туман, дым и газы лесных и степных пожаров, пыльные бури), и антропогенные - загрязнения, образующиеся в результате деятельности человека.

На сегодняшний день основными промышленными загрязнениями атмосферы являются оксиды серы и азота, оксид углерода, сероводород, углеводороды, пары кислот, пыль и «шумовые» загрязнения. Высокие концентрации примесей и их миграция в атмосферном воздухе приводит к образованию более токсичных соединений или к таким явлениям, как «парниковый эффект», кислотные дожди и смог.

Источники и основные группы загрязняющих веществ атмосферы.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят такие отрасли промышленности как тепловая энергетика, автотранспорт, черная и цветная металлургия; химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, целлюлозно-бумажная и деревообрабатывающая промышленность, производство цемента и стройматериалов.

В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, промышленные комплексы по производству мяса и т.д.

Особую проблему представляет автомобильный транспорт.

Для предотвращения и максимального снижения загрязнения атмосферного воздуха вводятся нормативы непосредственно на величину выброса из каждого источника (труба, шахта и т.д.). При этом основным нормативом остается ПДК, а величина предельно-допустимых выбросов (ПДВ) служит для облегчения контроля за выбросами предприятий.

ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени, которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающей значение ПДК. Единицы измерения - г/сек, мг/сек, т/год и т.п. ПДВ является научно-техническим нормативом для конкретного источника загрязнения, обязательный для данного предприятия.

Величины ПДВ пересматриваются не реже одного раза в пять лет.

Если в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина ПДВ по объективным причинам не может быть достигнута, то фактический выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).

Средства защиты атмосферы. В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы: 1) взвешенные частицы и аэрозоли твердых веществ пыль, дым; жидкостей - туман; 2) газообразные и парообразные вещества.

Выбор методов очистки промышленных выбросов и аппаратурное оформление этих методов зависит от состава, свойств и концентрации загрязняющих веществ и требуемой степени очистки.

К сожалению, не для всех видов производств и технологических процессов разработаны способы очистки газов. В некоторых случаях это требует больших затрат, поэтому часто загрязненные выбросы отводят на большую высоту. При этом выбрасываемые вредные вещества, достигая приземного пространства, рассеиваются, их концентрации снижаются до предельно-допустимых. Наиболее распространено отведение загрязнителей на большую высоту с помощью труб, которые в отдельных случаях достигают высоты 350 м и более. Расчет высоты трубы будет приведен на практическом занятии.

Для отведения выбросов на большую высоту используются не только высокие трубы, но и так называемые факельные выбросы, представляющие собой конические насадки на выхлопном отверстии, через которые загрязненные газы выбрасываются вентилятором с большой скоростью (20-30 м/с). Применение факельных выбросов создает меньшие единовременные затраты, но вызывает больший расход электроэнергии. Отведение вредных веществ на большую высоту с помощью высоких труб или факельных выбросов не уменьшает загрязнение ОС, а лишь приводит к их рассеиванию. При этом концентрация вредных веществ в воздушной среде у места выброса может оказаться меньше, чем на большом расстоянии.

Методы очистки газов обусловливаются физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом и концентрацией. Рассмотрим кратко методы очистки газовых выбросов.

Очистка от аэрозолей производится в основном механическими и физическими методами. Механические делятся на сухие и мокрые. К сухим относятся: гравитационное осаждение взвешенных частиц при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока; инерционное осаждение, основанное на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока; центробежное осаждение, основанное на действии центробежной силы, возникающей при вращении газа в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата; фильтрование через тканевые и волокнистые фильтры. Мокрые методы являются универсальными для очистки газа от частиц пыли, дыма и тумана. Они основаны на промывании газа жидкостью (водой) в аппаратах мокрой очистки, башнях с насадками, орошаемых циклонах, пенных аппаратах, скрубберах Вентури, и др. Высокой эффективностью улавливания частиц отличаются пленочные аппараты (пыле- и золоулавливание пленками жидкости, сепарация брызг в тарельчатых и ректификационных аппаратах.

Физические методы – это осаждение в электрическом поле и акустическая коагуляция.

Метод электростатической очистки основан на заряжении взвешенных частиц аэрозоля в поле высокого напряжения и осаждения их на заземленных электродах.

Метод акустической коагуляции применяют для интенсификации процессов очистки газов от мелкодисперсной пыли или тумана. Он основан на агрегировании мелких аэрозольных частиц при воздействии на очищаемый газ звуковым или ультрафиолетовым облучением.

Очистка от парообразных и газообразных соединений осуществляется методами абсорбции жидкостями, адсорбции твердыми поглотителями, а также методом каталитического окисления.

Метод абсорбции жидкостью основан на избирательной растворимости вредных веществ или на их взаимодействии с активными компонентами жидкого поглотителя (хемосорбента). Абсорбция жидкостями применяется для извлечения из газов диоксида азота, паров соляной и серной кислот, оксида углерода, диоксида серы, сероводорода, разнообразных органических соединений, летучих растворителей и др. В качестве абсорбентов применяется вода, растворы аммиака, щелочей, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, масла и др. Большинство абсорбционных процессов обратимо, что позволяет регенерировать абсорбент.

Адсорбция твердыми поглотителями основана на избирательном поглощении отдельных компонентов из парогазовой смеси с помощью адсорбентов, представляющих собой твердые зернистые материалы и большой удельной поверхностью. В качестве сорбентов используются активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Адсорбционными методами извлекают органические соединения, в первую очередь токсичные, а также пары ртути.

Каталитические методы очистки газа основаны на реакциях в присутствии твердого катализатора. В результате примеси превращаются в экологически безвредные соединения, либо в соединения, легко удаляемые из газа.

Термический метод применяется для высокотемпературного дожигания вентиляционных и других выбросов.

Наибольшая эффективность в защите воздушной среды от промышленных выбросов достигается при одновременном сочетании технологических, санитарно-технических и планировочных мероприятий.

Технологические мероприятия рассматриваются как основные, так как позволяют наиболее эффективно снижать и даже исключать выброс вредных веществ в атмосферу. К ним относят в первую очередь совершенствование технологического процесса и герметизация оборудования. Совершенствование технологического процесса идет по путям создания замкнутой технологии и организации промышленного производства по принципу "безотходной" технологии. В этих случаях возможно практически исключить выброс в атмосферу хвостовых газов, образующихся в промежуточных стадиях производства.