ЛЕКЦИИ Дисциплина «Безотходные и ресурсосберегающие технологии» Лектор: Иборатшоев Р. Д.
ВВЕДЕНИЕ Основная цель дисциплины: Поиск оптимального взаимодействия в системе «человек – окружающая среда»
Техногенное воздействие – это целенаправленный процесс технической деятельности человека в биосфере и околоземном пространстве. Под биосферой, по определению В. И. Вернадского, понимается часть земного шара, в пределах которой существует жизнь, или оболочка Земли, обусловленная прошлой или современной деятельностью живых организмов (включая и человека). Искусственно созданный человеком технический мир (заводы, фабрики, транспортные и жилищные системы) называется техносферой.
Необходимым условием снижения техногенного воздействия человека на ОС является применение современных экологически чистых технологий. То есть таких методов производства продукции, при которых сырье и энергия применяются настолько рационально, что объемы выбрасываемых в ОС загрязняющих веществ и отходов сведены к минимуму.
Антропогенные и техногенные воздействия на окружающую среду 1. 1. Принципы естественного устройства биосферы
Биосфера использует внешние источники энергии – солнечную энергию и энергию разогрева земных недр, не вызывая загрязнения окружающей среды, поскольку существует баланс между постоянным использованием энергии и ее рассеиванием в виде тепла (энергетический баланс). Согласно закону «пирамиды энергии» Р. Линдермана (1942 г. ) в среднем около 10% поступившей энергии переходит с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой более высокий уровень. Биосфера использует вещества в основном в форме круговоротов (круговорот воды, кислорода, азота, углерода). Биохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Видовое разнообразие – это фактор повышения устойчивости экосистем к воздействию внешних факторов. Практически все закономерности, характерные для живого вещества, имеют адаптивное значение. Каждый вид адаптирован к строго определенной для него совокупности условий существования – экологической нише. Саморегуляция, или поддержание численности популяций, зависит от совокупности абиотических и биотических факторов. Численность естественных популяций ограничена истощением пищевых ресурсов и условий размножения.
1. 2. Факторы антропогенного воздействия Изменения в состоянии ОС и ее природных ресурсов под влиянием хозяйственной деятельности человека определяются рядом факторов: ◦ Изъятие природных ресурсов - добыча углеводородного топлива, рудных и инертных материалов, забор воды, заготовка древесины, охотничий промысел, выпас скота на природных пастбищах и т. д. ◦ Природо-преобразовательная деятельность- ведение строительных, геологоразведочных, водохозяйственных, мелиоративных и др. с/х работ, транспортировка грузов ◦ Поступление в природную среду газообразных, жидких и твердых отходов, а также избыточного тепла - результат переработки полезных ископаемых, лесной и сельскохозяйственной продукции, выработки тепловой, электрической энергии и ведения других видов промышленной деятельности. ◦ Размещение отходов добычи, переработки и использования природного сырья, а также продуктов промышленности и с/х. ◦ Воздействие искусственных факторов - электромагнитных излучений и полей, шума, вибрации, ионизирующих излучений, фунгицидов и гербицидов, минеральных удобрений
Для создания готовой продукции и получения энергии, человек находит и добывает природные ресурсы, привозит их к месту переработки, производит из них предметы, которые использует в виде средств производства или в виде готовых изделий, то есть человек вовлекает природные ресурсы в ресурсный цикл. Под ресурсным циклом принято понимать совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества (или группы веществ) на всех этапах использования человеком
Слово «цикл» предполагает замкнутость процесса. Но в большинстве антропогенных круговоротов ресурсный цикл фактически не замкнут в отличие от природного. На каждом этапе ресурсного цикла неизбежны потери природного ресурса либо вследствие особенностей технологии, либо по объективным причинам. Более 90% сырья поступает в природную среду в виде различных отходов.
Последствия техногенного и других видов антропогенного пресса на природную среду чаще всего проявляется в форме нарушения равновесия природных экосистем, их загрязнения, обеднения видового и популяционного разнообразия, снижения их способности к самовосстановлению и эффективности функционирования в процессе поддержания качества пресных и морских вод, воздуха и почв.
Согласно Международной конвенции об оценке воздействия на окружающую среду в трансграничном контексте экологически опасными являются следующие виды производств и объектов: Атомная промышленность (установки, предназначенные для производства обогащенного ядерного топлива, регенерации отработанного ядерного топлива или сбора, удаления и переработки радиоактивных отходов). Энергетика (атомные, гидравлические и тепловые электростанции, крупные установки для сжигания топлива) Черная и цветная металлургия (установки для доменного и мартеновского производств, предприятия черной и цветной металлургии, машиностроительные и металлообрабатывающие предприятия). Нефтехимия, нефте- и газопереработка Химическая промышленность Добыча полезных ископаемых ( включая нефть и газ)
Транспортировка нефти и газа, продуктов их переработки. Производство целлюлозы, бумаги и картона. Транспортировка и хранение, утилизация и захоронение токсичных и ядовитых отходов. Производство, хранение, транспортировка и уничтожение боеприпасов, взрывчатых веществ и ракетного топлива. Крупные склады для хранения нефтяных, нефтехимических, химических продуктов, ядохимикатов и пестицидов. Строительство дорог, автострад, трасс для железных дорог дальнего сообщения, аэропортов с длиной посадочной полосы более 2 км. Сельскохозяйственные объекты (животноводческие комплексы, и птицефабрики, крупные мелиоративные системы). Крупные водозаборы поверхностных и подземных вод. Крупные плотины и водохранилища. Вырубка лесов на больших площадях, осушение болот( торфяников) Легкая промышленность (фабрики по очистке, отбеливанию шерсти, кожевенные заводы, красильные фабрики).
1. 3. Классификация видов загрязнения и их воздействий на окружающую среду (ОС) Загрязнение окружающей среды* ( по физико-химическим параметрам) Механическое Химическое Пылевые частицы в атмосфере; Твердые частицы, различные предметы в воде и почве Газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, вступающие в реакцию с компонентами ОС. Физическое Биологическое (энергетическое) Тепло, шум, вибрации, ультразвук, видимые инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра, электромагнитные поля, ионизирующие излучения Виды организмов, появившиеся при участие человека, наносящие вред ему самому и живой природе
Загрязнение окружающей среды (по воздействию на компоненты ОС) Выбросы в атмосферу 1. Газо- и парообразные 2. Твердые 3. Жидкие 4. Смешанные Твердые отходы 1. Металлические 2. Неметаллические 3. Смешанные Сточные воды 1. Условно чистые 2. Загрязненные: а) бытовые б) производственные в) атмосферные
1. 4. Воздействие техногенных систем на человека и окружающую среду По мере развития человеческого общества в направлении интенсификации научно-технического прогресса повышается экологический риск (как производная промышленного и строительного техногенеза). В основе техногенного воздействия на ОС лежат монотонные и скачкообразные количественные превращения, закономерно приводящие к качественно новым ее состояниям, преимущественно более низкого уровня. Скорость происходящих антропогенных изменений в природе определенным образом зависит от интенсивности и размеров ареалов источников техногенного воздействия. Реакция компонентов природы неодинакова по своим деградационным последствиям. С некоторой степенью условности можно считать, что деградационные процессы в атмосфере протекают быстрее, чем в почве, что обусловлено физической плотностью среды и условиями протекания в ней тепло-, массо- и энергообмена.
Любое промышленное воздействие на ОС характеризуется ее ответной реакцией, выражающейся в трех формах: - адаптационной (с локальным, статическим смещением равновесия); - восстановительной (или самовосстановительной), характеризующейся полным возвратом экосистемы в исходное состояние; - частично восстановительной (или невосстанавливаемой), характеризующейся необратимым сдвигом экосистемы от исходного (равновесного) состояния.
Для оценки влияния промышленного техногенеза на экологическое равновесие в природе можно использовать следующие интегральные характеристики: - абсолютные потери ОС, выражаемые в конкретных единицах измерения состояния данных биогеоценозов флоры и фауны; - компенсационную возможность экосистемы, характеризующую ее восстанавливаемость в естественном и принудительном режимах; - опасность нарушения природного баланса, определяющую величину вероятности возникновения необратимых потерь и локальных экологических сдвигов; - уровень концентрации экологических потерь, характеризующий масштабы воздействия промышленного техногенеза на ОС.
Использование безотходных технологий – необходимое условие создания общества устойчивого развития Эффекты воздействия промышленности и транспорта на ОС определяются величинами входных и выходных потоков на всех стадиях жизненного цикла, т. к. используемые в процессе человеческой деятельности материалы и энергия не исчезают.
Входные потоки делятся на: 1. материальные - связанные с добычей сырья, производством, транспортировкой, использованием, повторным использованием и утилизацией продукции, могут оказывать различное воздействие на ОС (приводить к ускоренному истощению природных ресурсов, отчуждению территорий, снижению плодородия почв, выделению вредных выбросов) 2. энергетические - источниками которых являются жидкое и твердое топливо, ядерные и гидроэлектростанции, геотермальные источники, ветер, биомасса. Выходные потоки формируются из продукции, твердых отходов и выбросов в воздух, воду, почву, энергетических выделений.
Одной из характерных особенностей безопасного производства является интегрированный подход, при котором предотвращение загрязнения ОС осуществляется путем разработки технических мероприятий (проектов), с учетом экологических, технологических и других факторов процесса, а также с учетом экономических оценок. Таким образом, безопасное производство – это постоянное и системное применение стратегии предотвращения возникновения отходов и загрязнения.
В результате, для стратегии безопасного производства характерны следующие признаки: постоянство применения, т. е. внедрение безопасного производства является постоянно действующим мероприятием, направленным на непрерывное улучшение экологических и экономических показателей предприятия; интегрирующее применение – методы стратегии безопасного производства исследуют технологический процесс целиком и направлены на все составляющие ОС; превентивный подход – безопасное производства реализуется с помощью предотвращающих мероприятий, внедряемых в производственные технологии; стратегический подход – означает повторяемый системный подход, который предполагает рассмотрение всех экономически выгодных для предприятия возможностей предотвращения загрязнения, и только к остающимся отходам и загрязнениям применяются концевые технологии.
Основные понятия и способы организации малоотходных производств Два принципиально различных пути борьбы с загрязнениями. Первый путь – очистка вредных выбросов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, направляемых в окружающую среду (не позволяет решить проблему кардинально, т. к. в процессе очистки часто один вид загрязнений превращается в другой). Например, замена сухих пылеуловителей влажными повышает степень очистки атмосферного воздуха, но усиливает одновременно загрязнение водных стоков. Однако, этот путь, на сегодняшний день, является наиболее приемлемым для предприятий, имеющих достаточно старое промышленное оборудование и не имеющих возможности полностью его модернизировать. И все-таки этот путь является реальной альтернативой существующей сегодня тенденции штрафных выплат.
Второй путь – более радикальный и, в то же время, более экономичный. Он заключается в разработке таких технологических процессов производства, которые бы в максимальной степени имитировали природные процессы. Речь идет о создании безотходных (на первом этапе малоотходных) технологий, которые максимально экономили бы исходное сырье, топливо, материалы и обеспечивали бы безопасность ОС. При этом безотходные технологии используются и в первом, и во втором случаях, хотя и обеспечиваются разными способами.
Термин «безотходная технология» впервые был предложен академиками Н. Н. Семеновым и И. В. Петряновым-Соколовым. В настоящее время принята такая формулировка понятия безотходная технология (БОТ): безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить, в рамках человеческих потребностей, наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и обеспечить защиту ОС.
Принципы организации экологически чистых и комплексных малоотходных технологий Безотходное производство (технология) – представляет собой такой способ производства продукции, при котором все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные ресурсы, а любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования
Теория безотходных технологических процессов базируется на двух основных предпосылках: - исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных, а не каждый раз для отдельных продуктов; - создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая позволила бы после использования по прямому назначению относительно легко превращать их в исходные элементы нового производства.
Необходимо выделить ряд взаимосвязанных принципов, необходимых для их разработки и внедрения теории безотходных производств: Принцип системности, в соответствии с ним каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы – ТПК в регионе и эколого-экономической системы в целом. Таким образом, принцип системности должен учитывать существующую взаимосвязь производственных, социальных и природных процессов. Принцип комплексного использования ресурсов, требует максимального использования всех компонентов сырья, сопутствующих элементов, максимально возможной замены первичных сырьевых и энергетических ресурсов на вторичные.
Принцип цикличности материальных потоков (замкнутые водо- и газооборотные циклы), должен привести к формированию в отдельных регионах и во всей техносфере сознательно организованного и регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним превращений энергии. Принцип ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду (атмосферный воздух, воду, поверхность земли, рекреационные ресурсы и здоровье населения) в первую очередь связан с планомерным и целенаправленным ростом объемов производства и его экологического совершенства. Принцип рациональности организации производства предполагает оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Основным путем достижения этой цели являются разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств.
Требования, предъявляемые к безотходным технологическим процессам и аппаратам минимизация числа технологических единиц (стадий и аппаратов) производственного процесса с целью уменьшения отходов и потерь сырья на промежуточных стадиях процесса; применение непрерывных схем процессов и технологий (замкнутых технологических циклов); комплексность использования всех компонентов сырья и энергетических ресурсов; увеличение единичной мощности агрегатов;
максимальное использование вторичного сырья и замена первичного сырья на вторичное; интенсификация производственных процессов, их автоматизация и оптимизация; использование энерготехнологических процессов (использование энергии химических превращений): разработка и внедрение высокоэффективных методов очистки, принципиально новых аппаратов, совмещающих в себе ряд процессов; оптимизация их размеров и производительности; использование новых конструктивных материалов, позволяющих увеличить долговечность аппаратов.
Требования, предъявляемые к сырью, материалам и энергоресурсам адекватность качества сырья и материалов уровню технологического процесса; предварительное обезвреживание сырья и топлива; замена высокотоксичных веществ (например тяжелых металлов) менее токсичными; замена традиционных видов сырья и энергоресурсов на нетрадиционные.
Виды «чистой» энергии 1. Использование энергии атома. Существует три возможности получения атомной энергии: деление ядер, использовании реакций, при которых ядра одного делящегося вещества превращаются в ядра другого делящегося вещества; синтез легких ядер.
В качестве делящегося вещества используются обычно изотопы урана U 233, 92 U 235, 92 U 238 и изотопы тория 92 Th 232, а также изотопы плутония 90 Pu 239, 94 Pu 240, 94 Pu 241. Но 94 применение процессов деления не решает долговременных энергетических проблем, так как при этом используются только малая часть радиоактивного оксида урана, а его запасы не так уж и велики.
Вторая возможность получения атомной энергии основана на использовании реакций, при которых ядра одного делящегося вещества превращаются в ядра другого делящегося вещества. В этих реакциях количество воспроизводимого делящегося изотопа превышает количество первоначального изотопа. В бридерных реакторах (вторая возможность) воспроизводимое и первоначальное вещества представляют собой изотопы одного и того же химического элемента: "сжигается" U 235, воспроизводится U 233; и др.
Третий путь использования энергии атома – это синтез легких ядер. Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах (~ 107 – 109 К) и продолжаются самопроизвольно за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции называются термоядерными. Основная проблема – это трудность реализации этой идей, т. к. процесс синтеза не удается стабилизировать в связи с огромными температурами реакции.
2. Солнечная энергия. На Землю поступает от солнца примерно 1, 7· 1017 Вт солнечной энергии. Если использовать около 1% поверхности Земли для улавливания этой энергии с помощью коллекторов излучения, то можно будет собрать ~1014 Вт энергии. Собираемой энергии вполне хватило бы для всего населения Земли.
3. Энергия ветра. Заключенная в ветре механическая энергия может быть использована ветроэлектрическими станциями с КПД около 40% для выработки электроэнергии и приведения в действие различных бытовых механизмов (водяных насосов, мукомольных мельниц и др. ), а также для освещения помещений. Установлено, что технически надежными и рентабельными в районах с постоянными ветрами являются электростанции мощностью от 50 до 100 к. Вт с высотой башни 15 – 25 м. По расчетам, большинство европейских стран, имеющих большую протяженность береговой линии, могли бы покрывать всю потребность в электроэнергии за счет ветровой энергии.
4. Энергия приливов-отливов. Приливные электростанции (гидроэлектрические станции) используют гравитационную энергию в виде энергии приливов и отливов, возникающих под действием сил притяжения Луны и Солнца и вращательного движения Земли. С этой целью весь морской залив отделяется от моря плотиной. Устремляющаяся в залив и из него вода приводит в движение турбины, которые вырабатывают электроэнергию.
Требования, предъявляемые к готовой продукции Следующие требования, которые предъявляются к готовой продукции (в том числе к упаковочным материалам и таре) при организации малоотходного производства: безвредность; длительность использования; обеспечение возможности рециклизации после физического или морального износа; быстрая биоразлагаемость при попадании в окружающую среду; удобство эксплуатации.
Теоретические основы безотходной технологии I тип ТП. Замкнутое БП, такое производство, в котором на выходе в ОС не выделяются отходы и осуществляется полная переработка промежуточных отходов в качестве вторичного сырья для получения других продуктов в данном производстве, внутри отрасли или в смежных областях. Рассмотрим уравнения массобмена для этого типа производства:
где mc – масса сырья, mк. пр. n – масса конечного продукта на n – ой стадии переработки, mотх. – масса отходов.
В безотходном производстве первого типа осуществляется полная переработка промежуточных отходов и образуется n – конечных продуктов
II тип ТП. Производство, возвращающее в ОС отходы в природном состоянии. Газы очищаются до состава атмосферного воздуха, сточные воды –до состава воды природных водоемов, твердые отходы – до безвредного состояния в литосфере, компоненты, извлекаемые из отходов и обычно не присутствующие в биосфере, идут на утилизацию (полезное использование). При этом концентрации Сотх. =Сфон. . При таком типе производства на стадии переработки сырья образуются конечные продукты и отходы, масса которых не равна нулю:
Тогда стадию переработки отходов можно выразить следующей математической зависимостью: где mотх. у. – масса утилизированных отходов. После поступления в окружающую среду состав отходов существенно не меняется во времени, при этом , так как mi const (где mi –масса каждого компонента в составе перерабатываемых отходов.
III тип ТП. Безотходное производство, которое предполагает возврат отходов для переработки в природных условиях: растениями (усвоение СО 2 и выделение О 2, синтез углеводов, усвоение N, P, K), за счет микробиологического самоочищения, утилизации рассеянной тепловой энергии в теплицах. Уравнения материального баланса при этом типе БП аналогичны уравнениям, описывающим II тип БП. При таком типе БП стадию переработки сырья по обычной технологии с получением конечного продукта можно также выразить уравнением:
а стадию переработки отходов уравнением: Но после поступления в окружающую среду состав отходов существенно меняется во времени за счет взаимодействия веществ, находящихся в переработанных отходах, с ОС: поскольку mi –переменная величина
Рассмотрим материально-технические балансы потоков для замкнутого и незамкнутого производственного процесса: 1) Схема незамкнутого производственного процесса Чем больше С, тем больший вред наносится окружающей среде и тем менее эффективно работает производство.
2) Схема незамкнутого производственного процесса с очисткой отходов до ПДК.
Д – часть отходов С, выделенных из потока, прошедших очистку и являющихся вторичным сырьем, входящим в общий поток А; (А+Д)-С – готовая продукция; С-Д – количество загрязнений, поступающих с потоком В в ОС. Тогда материальный баланс потоков: (А+Д)+В= (А+Д)-С +(В+С)(производство) (В+С)= В+(С-Д) +Д (очистка) Условие очистки:
3) Схема замкнутого производственного процесса с полной очисткой отходов
В этом случае уравнение материальноэнергетических потоков имеет следующий вид: (А+Д)+В= (А+Д)-С +(В+С) (производство) (В+С)=В+Д (очистка) В идеальном варианте безотходное производство предполагает полную очистку потока (В+С) от загрязнений С, т. е. при этом Д=С (но смысл Д и С –различный) и цикл замыкается по потоку В.
Принципы реорганизации индустриального производства в малоотходное экологически чистое производство Для того, чтобы реорганизовать индустриальное производство в экологически чистое (замкнутое) производство необходимо соблюдение следующих принципов: 1) Объединение отдельных специализированных производств в систему комплексных производств – ТПК. 2) Объединение разнотипных производств с целью повышения КПД использования материалов, сырья и энергии.
3) Достижение безотходности производства за счет: передачи отходов от одного производства к другому и образования производственных цепей П 1 П 2 … Пn (отходы равны нулю); минерализации отходов до простых химических соединений (СО 2, соли металлов, оксиды и др. ), которые снова могут стать сырьем; создания внутрикомплексного производства (биогеоценоза) особых подсистем, собирающих отходы и перерабатывающих их в гумус, почву, морской и речной ил и др. ); захоронения (депонирования) в глубинах земли отходов и образование в дальнейшем за счет начального защитного природного потенциала природных систем и их самовосстановительной способности аналогов торфа, каменного угля, известняка.
4) Включение всех видов БП (биогеноценозов) в биосферу, обеспечивающую глобальное равновесие геохимических превращений. 5) Строгий количественный баланс мощностей всех производств и потребителей готовой продукции.
Рециркуляция водных потоков и создание оборотных систем водоснабжения Схемы водообеспечения промышленных предприятий: а – прямоточная; б – оборотная
Обозначения, используемые на рисунке: Qист. – вода, подаваемая из источника на производственные нужды; Qпотр. – вода, безвозвратно потребляемая на предприятии; Qун. – вода, теряемая на испарение и унос из охладительных установок; Qшл. – вода, удаляемая со шламом; Q'об. – оборотная вода после прохождения охладительных установок; Q"об. – оборотная вода после очистных сооружений. ; Qсбр. – вода, сбрасываемая в водоем.
Если на предприятии используется вода прямоточного водоснабжения, то вся вода забираемая из водоема (Qист. ) после использования в различных технологических процессах возвращается в водоем, за исключением того количества воды (Qпотр. ), которое безвозвратно расходуется в производстве (за счет разбрызгивания, испарения и т. д. ) и удаляется вместе со шламом (Qшл. ). При оборотном водоснабжении в производстве используются сточные воды после их очистки. Свежая вода забирается из водоемов лишь для компенсации безвозвратно теряемой воды.
Эффективность использования воды в производстве оценивается рядом показателей: Ø Процент оборота воды: Роб =Qоб/(Qоб+Qи) Ø Коэффициент использования воды: Ки= (Qи – Qсб)/Qи; Ки ≤ 1 Ø Кратность использования воды: n= (Qcб+Qи+Qс)/(Qи+Qс); n 1 Ø Безвозвратное потребление воды и ее потери в производстве (в %): Кп=(Qи – Qсб)/(Qоб + Qи) 100, где Qоб – количество оборотной воды, ; Qи – количество воды, забираемой из источника водоснабжения; Qсб – количество воды, сбрасываемое предприятием; Qс – поступление воды из сырья. Все объемные расходы даны в м 3/ч.
Критерии безотходности и экологичности производства При организации малоотходного производства необходимо определить, какая часть сырья и материалов может быть направлена на длительное хранение или захоронение. Для этого в ряде отраслей промышленности России имеются количественные показатели оценки безотходности. В цветной металлургии широко используется коэффициент комплексности, определяемый долей полезных веществ, извлекаемых из перерабатываемого сырья по отношению ко всему его количеству (в %). На некоторых предприятиях он превышает 80%.
В угольной промышленности введен коэффициент безотходности производства: Кб. п. = 0, 33(Кб. т. +Кб. ж. +Кб. г. ), где К – коэффициенты использования породы, попутно забираемой воды и использования пылегазовых отходов. В первом приближении для практических целей значение коэффициента безотходности (или коэффициента комплексности), равное 75% и выше можно принять в качестве количественного критерия малоотходного производства, а 95% безотходного производства. При этом должна учитываться токсичность отходов.
В химической промышленности используется коэффициент безотходности К б. Этот коэффициент характеризует полноту использования минеральных и энергетических ресурсов, а также определяет интенсивность воздействия данного химического производства на окружающую среду. Он является безразмерной величиной и лежит в интервалах от 0 до 1, выражается следующей формулой:
где - коэффициент пропорциональности, определяемый эмпирически; Км – характеризует полноту использования материальных ресурсов, его можно рассчитать, зная массу основной продукции, массу основного сырья и материалов основного производства, массу дополнительного сырья и материалов ; Кэ – характеризует полноту использования энергетических ресурсов, Кэ=КПД факт. тепл. /КПД теор. тепл. ; Ка – коэффициент соответствия экологическим требованиям, рассчитывается с учетом фактического ущерба (руб/год) и допустимого ущерба, который возникает в случае соответствия сбросов ПДК (руб. /год). Если расчетные значения Кб лежит в пределах 0, 75 – 0, 8, то производство относится к малоотходному, а при Кб=0, 9 – 0, 98 - к безотходному.
Для оценки воздействия промышленного производства на окружающую среду и, в первую очередь, эффективности ее защиты можно использовать безразмерные критерии, учитывающие влияние на ее состояние факторов производственного и экозащитного процессов. Они аналогичны критериям подобия (Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля и др. ), которые используют при физическом моделировании. Основные требования, предъявляемые к критериям: 1. Они должны учитывать влияние на состояние окружающей среды химического, технологического и экологического факторов производственного и экозащитного процессов. 2. Математическая структура рассматриваемых критериев должна быть простой. При любых значениях переменных, входящих в его состав критерий должен быть определен количественно (не должны присутствовать неопределенности типа или ). 3. Эти критерии должны быть безразмерными. 4. Для расчета критериев достаточно использовать минимальное количество имеющихся исходных данных. 5. Они должны с удовлетворительной точностью характеризовать загрязнение окружающей среды, возникающее при воздействии промышленного предприятия, а также эффективность используемого экозащитного процесса.
Критерии могут быть рассчитаны для случаев одноступенчатой и многоступенчатой очистки Схема одноступенчатой очистки
Обозначения к рисунку: П. П. – промышленное производство (технологический процесс); О. У. –очистное устройство; - входная концентрация загрязняющего окружающую среду вещества в сбросах, поступающих на очистку; - выходная концентрация после очистки этого же вещества; - средняя концентрация загрязняющего вещества в окружающей среде; η- эффективность очистки.
Выражение называется критерием техногенного загрязнения окружающей среды при одноступенчатой очистке и обозначается символом Kr 1, т. е. :
Его также можно назвать критерием эффективности экозащитного процесса при одноступенчатой очистке. Случаю абсолютной очистки соответствует критерий Кr 1=0 , т. е. чем выше степень очистки, тем меньше значение критерия Кr 1 для любого экозащитного процесса, или чем меньше значение , тем меньше концентрация вещества в окружающей среде. Норматив качества окружающей среды соблюдается при
Для случая многоступенчатой очистки, схема которой представлена на рисунке, эффективность очистки на первой ступени: Схема многоступенчатой очистки
Обозначения к рисунку: ОУ-1, ОУ-2, …, ОУ-n - первое, второе, nое очистные устройства; 1, 2… n - эффективность очистки на первой, второй, …, n –ой ступенях очистки; Свх1, Свх2, …Свхn- входные концентрации загрязняющего вещества на первой, второй, n-ой ступенях очистки; Свых1, Свых2, …Свыхn - выходные концентрации загрязняющего вещества на первой, второй, …, n-ой ступенях очистки.
Эффективность очистки на второй ступени: Тогда для -ой ступени очистки имеем: Переходя к относительным концентрациям, получаем:
Обозначив левую часть выражения как Krn, имеем: где Krn - критерий техногенного загрязнения окружающей среды при многоступенчатой очистке.
Для оценки антропогенного воздействия на окружающую среду и эффективности ее защиты целесообразно также использовать некий универсальный критерий, который позволял бы трактовать загрязнение окружающей среды с энергетических позиций. Это упростило бы сравнение используемых методов и способов ее защиты, основанных иногда на совершенно различных принципах. Таким требованиям соответствует термодинамический критерий.
Обычно в качестве термодинамической характеристики организмов, экосистем и биосферы в целом выбирают энтропию. Ю. Одум указывает: «…экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики» .
Где - поток энтропии, обусловленный обменом (энергией и веществом) системы с окружающей средой; - производство энтропии внутри системы, обусловленное необратимыми процессами, такими как диффузия, теплопроводность или химическая реакция. В открытых неравновесных системах любой процесс, приводящий к загрязнению окружающей среды вызывает увеличение энтропии, т. е.
При сбросе загрязнений изменение энергии характеризуется полной работой, соответствующей переходу термодинамической системы из состояния 1 (в среде отсутствует конкретный загрязнитель или его концентрация меньше ПДК) в состояние 2 (более высокий уровень загрязнения). Обратный процесс из состояние 2 в состояние 1 с экологической точки зрения означает очистку среды от соответствующего загрязнителя (до уровня ПДК). Чем сильнее загрязнена среда, тем большая работа требуется для ее восстановления до исходного состояния.
Экологический анализ промышленного региона Методология расположения техногенных источников по интенсивности и химическому составу базируется на синтезе трех основных концепций, используемых в мировой практике: Первая концепция – концепция воздушной среды, как главного фактора создания экологической ситуации в промышленном регионе. Состояние атмосферного воздуха является одним из основных показателей качества окружающей среды, поэтому особое внимание следует уделить расчету рассеивания и количеству выбросов в атмосферу, изучению состава атмосферных выпадений.
Вторая концепция – концепция водооборота промышленного региона, как фактура его жизнеобеспечения. Здесь главное значение имеют ресурсы и количество бытовых и хозяйственных вод, проблемы полноты очистки и сброса сточных вод. Третья концепция – концепция депонирующих сред. Цель этой концепции – выявление зон воздействия всех видов загрязнений в промышленных агломерациях. Анализ миграции загрязняющих веществ в окружающей среде и динамики всех происходящих при этом процессов очень затруднителен.
Экологические блоки любого промышленного региона делят на три группы: источники выбросов – промышленность, энергетика, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство региона; транзитные среды - среды, непосредственно принимающие те или иные виды загрязнений, в которых происходят транспортировка и частичная трансформация загрязняющих веществ; к ним относятся воздушная среда, атмосферные выпадения, поверхностные, подземные и грунтовые воды, почвенный покров; депонирующие среды – среды, в которых накапливаются и преобразуются загрязняющие вещества (донные отложения, почвы, растения, животные, микроорганизмы, население региона).
Проблемы разработки высокоэффективных технологических процессов (ТП), экозащитных процессов и технологий (ЭП и Т) Понятие экозащитного процесса Понятие защита окружающей среды, под которым понимают совокупность охраны социально-экономической и природной сред, окружающих человека. С этим понятием тесно связан термин экотехника, который используется для обозначения технических мер по охране, восстановлению и улучшению качества окружающей среды, а также для обозначения технических устройств, обеспечивающих осуществление этих мер.
Классификация экозащитных процессов Классификация экозащитных процессов (по аналогии с классификацией химикотехнологических процессов) может быть проведена в зависимости от разных факторов: от фазового состояния вещества (т. е. от размера частиц примесей) в растворе или воздухе; от количества и состава загрязнений; от скорости протекания процессов, от природы протекающих процессов и т. д.
Классификация веществ и методы извлечения по фазовому состоянию в растворе Фазовое состояние веществ в растворе Наиболее вероятные методы очистки Нерастворимые в воде грубодисперсные примеси – Наиболее эффективны методы, взвеси, суспензии и эмульсии (первая группа), основанные на использовании сил образуют с водой гетерогенные кинетически гравитации, адгезии (фильтрация, неустойчивые соединения центрифугирование, отстаивание) Вещества, коллоидной степени дисперсности (R≈ Для очистки от второй группы 10 -7 м), образующие с водой гидрофильные и (коллоиды и высокомолекулярные гидрофобные системы. Близкие к коллоидным соединения) применяются растворам (вторая группа) флотация, седиментация, коагуляция Вещества, молекулярной степени дисперсности Наиболее эффективно (R 10 -8), растворенные органические соединения извлекаются из воды сорбцией с (третья группа) применением активированных углей Ионные растворы (R 10 -9 м). Растворы солей, кислот, щелочей, ионы металлов (четвертая группа) Примеси четвертой группы, являющиеся электролитами, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые соединения, используя реагенты и методы обессоливания
Важнейшие типовые экозащитные процессы Механические и гидромеханические процессы Движение потоков жидкости и газа. Осаждение. Фильтрование. Центрифугирование. Отстаивание. Измельчение. Перемешивание. Флотация. Псевдоожижение. Процеживание. Осветление во взвешенном осадке. Коагуляция и флокуляция. . Гидравлическая классификация. Гранулирование. Брикетирование. Смешение диспергированных материалов. Теплообменные процессы Нагревание и охлаждение. Выпаривание. Сублимация. Конденсация. Замораживание. Высокотемпературная агломерация Массообменные процессы Дистилляция, ректификация. Абсорбция. Растворение, кристаллизация. Экстракция. Адсорбция. Сушка, увлажнение. Ионный обмен. Обратный осмос и ультрафильтрация. Выщелачивание. Электрохимические процессы Электрокоагуляция. Электрофлотация. Электродиализ. Электрохимическое окисление и восстановление. Биохимические радиохимические процессы и Биохимическая очистка сточных вод от органических и минеральных примесей. Радиационное окисление. Биохимическая обработка осадков сточных вод. Физические и магнитные процессы Электростатическая очистка газовоздушных выбросов от пылей, туманов и брызг с использованием сухих и мокрых электрофильтров. Электрическая и магнитная сепарация. Прочие процессы Реагентные процессы. Жидкофазное и парофазное окисление. Обогащение. *Примечание: Жирным шрифтом выделены единичные химико-технологические процессы.
Химические особенности экозащитного процесса Учет химических факторов предполагает: Определение состава, концентрации и количества (массового или объемного расхода) образующихся при промышленном производстве веществ, в первую очередь, токсичных, входящих в состав газовых выбросов, водных сбросов или твердых отходов; Установление последовательности физических и химических процессов (с учетом их скоростей), обеспечивающих защиту окружающей среды, в том числе, и обезвреживание загрязняющих веществ с возможностью их дальнейшей рекуперацией и повторного использования.
При анализе химических факторов необходимо учитывать следующие особенности: 1) К химическим экозащитным процессам не относятся механические (измельчение, дробление, теблетирование, брикетирование, грохочение и др. ), гидродинамические (отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др. ) процессы, а также процессы, основанные на конкретных физических явлениях (электрическая и магнитная сепарация, электрические методы очистки отходящих газов от пылей, туманов и т. д. ) 2) Необходимо уточнение специфики при описании биохимических (аэробные и анаэробные процессы очистки, сбраживание в метатенках и т. д. ) и электрохимических процессов.
3) Большинство химических реакций, лежащих в основе экозащитных процессов, являются гетерогенными. Можно выделить следующие физические и химические процессы, протекающие в гетерогенных системах, состоящих из нескольких фаз: а) очистка газовых выбросов – адсорбционные, абсорбционные и каталитические (гетерогенный катализ) методы; некоторые термические процессы обезвреживания газовых выбросов. б) очистка сточных вод – коагуляция и флокуляция, электрофлотация и др эл. химические методы, ионный обмен, мембранные методы, некоторые реагентные методы, экстракция в системе «жидкость-жидкость» , адсорбция, жидкофазное окисление и некоторые другие. в) переработка твердых отходов – высокотемпературная агломерация, выщелачивание, (экстракция в системе «твердое тело –жидкость» ), растворение, кристаллизация и др.
Реальные экозащитные процессы протекают в следующих гетерогенных системах: твердое тело - жидкость; твердое тело - газ (с катализатором и без); твердое тело – жидкость – газ (каталитический); газ – жидкость; жидкость – жидкость (несмешивающиеся жидкости). К рассмотренным процессам примыкают гетерогенные процессы в однокомпонентных системах. Они не сопровождаются изменением химического состава фазы и сводятся к переходу из одного состояния в другое (плавление, испарение, возгонка, конденсация и др. ).
4) Все гетерогенные процессы отличаются сложностью и многостадийностью и состоят, по меньшей мере, из трех стадий. I стадия: перенос реагирующих веществ к поверхности раздела фаз – реакционной зоне (массоперенос); II стадия: собственно гетерогенная химическая реакция; III стадия: отвод продуктов реакции из реакционной зоны (массоперенос). Интенсивность процесса массопереноса зависит от гидродинамических условий движения потоков, природы фаз и др. факторов.
Проводить экозащитные процессы нужно таким образом, чтобы максимально интенсифицировать процессы массопереноса вещества из одной фазы в другую, например, путем увеличения скоростей потоков газа и жидкости, использованием процессов перемешивания, прямотока или противотока.
5) Практически все экозащитные процессы, протекающие в промышленных аппаратах, являются неравновесными и характеризуются коэффициентом извлечения , который влияет на эффективность проведения экозащитного процесса следующим образом: где yн – начальная концентрация распределяемого вещества в одной из фаз на входе в массообменный аппарат; - равновесная (предельно достижимая) концентрация распределяемого вещества на выходе из массообменного аппарата. Чем меньше отличается от единицы и чем выше его движущая сила ( ), тем эффективнее организован экозащитный процесс.
6) Многие токсичные вещества, содержащиеся в газовоздушных выбросах и сточных водах, характеризуются малыми концентрациями. В этом заключается их отличие от технологических газов и растворов, применяемых в процессах химической технологии. Например: хромсодержащие стоки гальванических производств обычно содержат шестивалентный хром в концентрациях порядка нескольких десятков мг на литр, а стандартные хромсодержащие растворы гальванических ванн содержат этот ион в количестве сотен граммов на литр.
Аналогичная ситуация для содержания оксидов азота в газовоздушных выбросах. Отходящие газы сернокислотного цеха содержат в своем составе 0, 3 -0, 4% NO 2, а выбросы отделений травления меди и ее сплавов – (0, 3 -0, 9)· 10 -4 %. Следствием малых концентраций токсичных веществ является то, что химические реакции и массоперенос с их участием протекают с малой скоростью, что приводит к повышению длительности процессов очистки.
Рассмотрим несколько примеров. 1. Скорость химической гетерогенной реакции в системе твердое тело-жидкость (в приближении пленочной модели Льюиса) может быть описана следующим уравнением, где V –скорость гетерогенного процесса; k 1 – константа диффузии; k 2 – константа скорости реакции; С – концентрация реагента в объеме; S – площадь контактной поверхности. При k 1>>k 2, K=k 1= (D – коэффициент диффузии, δ – толщина диффузного слоя) процесс контролируется диффузией, при k 2>> k 1, K=k 2, т. е. скорость процесса определяется скоростью химической реакции. Отсюда следует, что при снижении скорости концентрации реагента уменьшается скорость гетерогенной реакции.
Реакция протекает в гетерогенной системе газ 1 + твердое тело→ газ 2. В этом случае, с одной стороны, скорость реакции взаимодействия V зависит от давления реагирующего газа: где Р – парциальное давление реагирующего газа; n – порядок реакции. С другой стороны, скорость хемосорбции газа на поверхности твердого адсорбента rадс определяется следующим уравнением: где θ – степень заполнения поверхности (доля поверхности твердого тела, уже покрытая молекулами адсорбата); kадс – постоянная, не зависящая от θ; Р – парциальное давление реагирующего газа.
В равновесных условиях скорость гомогенных и гетерогенных процессов изменяется симбатно с концентрациями загрязняющего вещества. Таким образом, при разработке физикохимического экозащитного процесса необходимо учитывать гетерогенность и неравновесность используемых процессов, а также малые концентрации загрязняющих веществ, участвующих в реакциях, что снижает скорость их обезвреживания.
Загрязнение окружающей среды газообразными и аэрозольными выбросами промышленных предприятий Виды промышленных газообразных выбросов По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются как: ◦ газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и т. д. ); ◦ жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др. ); ◦ твердые (канцерогенные вещества, свинец, его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др. ) Помимо указанных полютантов в атмосфере городов наблюдается загрязнение еще 70 видами вредных веществ.
В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы: взвешенные частицы (аэрозоли) и газообразные и парообразные вещества. К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы (пыль, дым) неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (тумана).
Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дым и туман. Счетная концентрация (число частиц в 1 см 3) мала по сравнению с тем же показателем дыма и тумана. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и т. д.
К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработке, а также в результате химических реакций, например в результате взаимодействия аммиака и хлороводорода, окислении паров металлов в электрической дуге и т. д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах и составляют от 0, 5 мкм до субмикронных размеров, т. е. менее 0, 1 мкм.
Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются в основном из кислоты: серной, фосфорной и др. К газообразным и парообразным веществам, содержащимся в промышленных газовых выхлопах, относятся: кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты. Эта группа вредных примесей наиболее многочисленна.
Классификация процессов и аппаратов, используемых для очистки газовоздушных, аэрозольных и парообразных выбросов Методы сухой очистки газовых выбросов от аэрозолей Методы очистки от аэрозолей по их основному принципу можно разделить на: механические, электростатические, звуковую и ультразвуковую коагуляцию.
Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим относится гравитационное осаждение, инерционное и центробежное пылеулавливание, фильтрация. В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько методов очистки, причем конструкции очистных аппаратов весьма многочисленны.
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока (см. рис. ) Рис. Полая пылеосадительная камера: 1 – корпус, 2 – бункер со штуцером для удаления пыли
Производительность пылеосадительных камер П=S 0, где S- площадь горизонтального сечения камеры, м 2, 0 – скорость осаждения частиц, м/с. Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц, диаметром более 50 -100 мкм, степень очистки не превышает 40 -50%. Метод пригоден для предварительной грубой очистки.
Инерционное пылеулавливание основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменеии направления газового потока. Чаще всего применяют жалюзийные пылеулавливатели с большим числом щелей (жалюзи). Частицы пыли с размером меньше 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20 -70%. Помимо низкой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате (циклоне) (см. рис. ) или при вращении частей самого аппарата (ротоклоны).
Рис. Устройство циклического циклона: 1 –патрубок, 2 -внутренний цилиндр, 3 –наружный цилиндр, 4 – бункер
Циклоны наиболее часто применяются в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подают в цилиндрическую часть циклона тангенциально, он описывает спираль по направлению к дну конической части и затем меняет направление движения на 1800 и устремляется вверх на выход через турбулизованное ядро потока у оси циклона. По конструкции циклоны подразделяются на циклические, конические и прямоточные.
Под действием центробежной силы частицы пыли прижимаются к внутренним стенкам наружного цилиндра и скатываются в пылесборник. Циклоны широко применяются для улавливания частиц размерами более 10 мкм, то есть при грубой и средней очистке газа от аэрозолей.
В ряде случаев для очистки газового потока от взвесей применяются фильтры. В таких устройствах газовый поток проходит через волокно (фильтрующий материал), при этом частицы, обладающие инерцией, сталкиваются с ним и захватываются. В зависимости от фильтрующего материала фильтры разделяются на: ◦ тканевые (хлопок, шерсть, химические волокна, и др. ); ◦ волокнистые (стекловолокно, хлопок с асбестом, асбоцеллюлоза); ◦ зернистые (керамика, металлокерамика, пластмасса).
Рис. Фильтры тонкой очистки: а – рамный: 1 – П-образная планка; 2 – боковая стенка; 3 – фильтрующий материал; 4 – разделитель; б – с сепараторами клиновой формы типа Д-КЛ: 1 фильтрующий материал; 2 – рамка — сепаратор клиновой формы; в – комбинированный: 1 – секция с набивным слоем из волокн; 2 – секция тонкой очистки
Рис. Зернистый фильтр
Наиболее совершенными и универсальными аппаратами для очистки выбросов от взвешенных частиц являются электрические фильтры, в основе работы которых лежит осаждение взвешенных частиц под действием электрических сил. Улавливание пыли в электрофильтрах включает следующие стадии: электрическая зарядка взвешенных в газе частиц; движение заряженных частиц к электродам; осаждение их на электродах и удаление осажденных частиц с электродов.
Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускают очищаемый газ. Между осадительными электродами подвешены проволочные коронирующие (создают поле высокого напряжения 25 -100 к. В) электроды. Степень очистки от аэрозолей – выше 90%. Недостатки этого метода – высокая себестоимость (капиталовложения и эксплуатационные расходы) и значительный расход энергии – до 0, 1 -0, 5 к. Вт на 1000 м 3 очищаемого газа.
Методы «мокрой» очистки газовых выбросов от аэрозолей Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров наиболее распространен на заключительной стадии механической очистки (особенно для газов, подлежащих охлаждению).
Рис. Пылеуловители мокрой очистки: а – полый форсуночный газопромыватель: 1 – корпус; 2 – форсунки; б – скруббер Вентури: 1 – труба-распылитель; 2 – циклонпылеуловитель (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007)
С этой целью применяют орошаемые циклоны (центробежные скрубберы); пенные аппараты; скрубберы Вентури. Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей – образование больших объемов жидких отходов (шлама). Если не предусмотрена замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, то есть из атмосферы в гидросферу.
Для увеличения размера частиц в аэрозолях можно применять методы звуковой и ультразвуковой коагуляции а также предварительной электризации, но при этом концентрация частиц аэрозоля должна быть не менее 2 мг/м 3.
Очистка газовых выбросов от газообразных примесей Для улавливания газообразных примесей, в виде оксидов серы и азота, сероводорода и др. применяют методы хемосорбции, адсорбции, каталитического и термического окисления.
Хемосорбция (абсорбция) основана на поглощении газов жидкими поглотителями с образованием малолетучих химических соединений. Молекулы загрязняющих веществ могут адсорбироваться жидкой поверхностью физически либо взаимодействовать с адсорбентом и превращаться в другие вещества. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, является экзотермическими и обратимыми. Эти свойства используются для выделения чистых концентрированных продуктов.
Рис. Схема абсорбера: 1 – корпус абсорбера; 2 – сетка с насадками
Показателями абсорбционных методов являются степень очистки (ПДК) и коэффициент массопередачи, которые зависят от растворимости газа в абсорбенте, технологического режима в реакторе, скорости химических реакций и др. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток: обеспечивают высокую степень очистки только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и реакторы имеют большой объем.
Адсорбция – основана на селективном поглощении вредных газов и паров твердыми адсорбентами, имеющими развитую микропористую удельную поверхность (Sуд – отношение поверхности к массе, м 2/г). В адсорберах очищаемый газовый поток пронизывает снизу вверх слой адсорбента, который состоит из зернистого материала (см. рис. ). При этом вредные примеси связываются адсорбентом и впоследствии могут быть выделены из него.
Применяются адсорберы с неподвижным фильтрующим слоем (прерывистого действия) и адсорберы непрерывного действия, в которых адсорбент медленно перемещается и одновременно очищает проходящий через него поток. Рис. Схема адсорбера: 1 – корпус адсорбера; 2 – сетка с адсорбентом (активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты)
Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей: разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов, санитарная очистка газовых выхлопов. Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, так как обеспечивают высокую производительность по газу, возможность регенерации и возврата продукта в производство. Адсорбционные методы наиболее эффективны для удаления токсичных примесей, содержащихся в малых концентрациях – как завершающий этап очистки газов. Недостаток адсорбционных установок – малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации сорбента.
Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых или жидких катализаторов, то есть на закономерностях гетерогенного или гомогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, в отличие от рассмотренных методов, не извлекаются из газа, а трансформируются либо в безвредные соединения, либо в соединения легко удаляемые из газового потока (в этом случае необходимы дополнительные операции). Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами, поскольку такие традиционные сорбенты как активированный уголь и цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Однако методы утилизации соединений, полученных при катализе иные, чем в адсорбционных процессах.
Рис. Схема каталитической очистки газов от NOx (по А. Н. Голицыну, 2007)
Каталитические методы обеспечивают глубокую очистку газов при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых концентрациях примесей. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны. Недостаток метода – образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (адсорбцией, абсорбцией), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.
Термический метод предусматривает высокотемпературное сжигание вредных примесей. Его применяют для удаления горючих веществ, например, предельных и ароматических углеводородов, или монооксида углерода. Простейший метод – факельное сжигание. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса – 750 – 9000 С и теплоту горения примесей можно утилизировать.
Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы с применение на разных стадиях грубой, средней и тонкой очистки, а на стадиях доочистки – использование адсорбционных и каталитических методов.
Проблема загрязнения окружающей среды твердыми промышленными и бытовыми отходами Источники образования и классификация твердых отходов В соответствии с принятой в нашей стране классификацией (ГОСТ 2591683), твердые отходы подразделяются на отходы производства и отходы потребления. И те, и другие могут являться вторичным сырьем для промышленного производства. Отходами производства являются остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе производства продукции и утратившие исходные потребительские свойства, а также вещества, улавливаемые при очистке отходящих технологических газов и сточных вод. Отходами потребления являются изделия и материалы, утратившие потребительские свойства в результате физического или морального износа. К вторичному сырью относятся вторичные материальные ресурсы, которые могут быть использованы в промышленности.
Отходы делятся: в зависимости от объема - на крупнотоннажные и малотоннажные; по влиянию на окружающую среду – на вредные и безвредные; по ценности компонентов – на дорогостоящие и дешевые; по физико-химическим свойствам – на активные и инертные.
Основными источниками твердых отходов являются: энергетика (зола и шлаки от сжигания твердого топлива); черная и цветная металлургия (шлаки, формовочная земля, коксовые остатки); угледобывающая промышленность (отвалы); деревообрабатывающая промышленность (опилки, стружки, остатки древесины, кора); химическая промышленность (химические вещества в широком ассортименте, фосфогипс и т. д. ) и смежные отрасли.
Помимо твердых промышленных отходов (ТПО), в жилых массивах образуется много твердых бытовых отходов (ТБО). К примеру, в состав ТБО в Москве входят: бумага и картон – 28, 8%; металлы – 5, 7%; пищевые отходы - 28, 5%; пластмасса – 5, 1%; текстиль – 3, 1%; стекло – 4, 4%; горючие материалы – 1, 8%; инертные материалы – 3, 4%; отсев (мелкие частицы менее 15 мм) – 19, 2%.
Методы переработки твердых промышленных и бытовых отходов Основным направлением ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (ТПО) является захоронение на полигонах, сжигание (в частности методом пиролиза), складирование в поверхностных хранилищах (шламонакопители). Способ обезвреживания и захоронения отходов зависит от агрегатного состояния, водорастворимости и класса опасности их соединений.
Захоронение промышленных токсичных отходов на полигонах – участках, не имеющих хозяйственного значения, проводят после их стабилизации обработкой связующими или цементирующим веществами –жидким стеклом, цементными растворами, битумами. Полученные блоки закладывают в карьеры, овраги, скважины, шурфы и другие естественные или искусственные углубления в поверхностных слоях земли (глубиной до 12 м).
Такой метод захоронения применяют для отходов, содержащих соединения ртути, мышьяка, цианидов, а также для слаборадиоактивных отходов. Полигоны запрещено размещать в сильно заболоченных местах, на территориях лесных зон, городов, в зонах санитарной охраны, курортах, в зоне питания подземных источников питьевой воды, в зонах активного карста, оползней, селевых потоков, снежных лавин. При создании полигона особое внимание уделяется проектированию дождевой и хозяйственно-бытовой канализации, а также дренажу (см. рис. )
Рис. Схема разреза захоронения твердых отходов и дренажа фильтрата: 1 –фильтрующий слой войлока; 2 – тканевое стекловолокно; 3 – отводная труба для сбора фильтрата в непроницаемый резервуар.
Для полигонов обычно выбирают место в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20 -25 лет и более. Основание выбранной площадки делают в виде большого корыта глубиной 1, 5 м и более для скапливания в нем фильтрата. Если глинистого грунта нет, дно полигона выстилают слоем привозной глины толщиной 0, 5 м. В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и уплотняют бульдозерами послойно до 2 -метровой высоты. На следующий день отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0, 25 м. В целях снижения площади полигон загружают послойно до высоты 60 м и более. После заполнения полигона его поверхность покрывают растительным грунтом.
Сжигание или термическая обработка – наиболее надежный способ обезвреживания и утилизации твердых отходов. Сжигание осуществляют в высокотемпературных термических реакторах – печах, обеспечивающих: хорошее перемешивание для развития поверхности контакта фаз и для ускорения внешней и внутренней диффузии кислорода с целью максимального окисления органической части отходов; высокую температуру, достаточную для полного обезвреживания токсичной части отходов.
Чаще всего применяют барабанные, камерные и циклонные печи, а также используют сжигание во взвешенном (кипящем) слое. Горение твердой массы во всех типах печей начинается при 6000 С. Температуру в зоне горения поддерживают в пределах 1100 -15000 С. Наиболее полно и интенсивно происходит сжигание в циклонных печах и печах взвешенного слоя благодаря энергичному перемешиванию твердого материала с воздухом.
Перспективна термическая обработка твердых отходов методом пиролиза, продукты которого (полукокс) могут служить энергетическим топливом, а также сырьем для органического синтеза. Нагрев до 300 -9000 С обеспечивают с помощью электрической дуги или токов высокой частоты в вертикальных цилиндрических (ретортных) печах. Для предупреждения образования сажи и токсичных продуктов в зону реакции вводят водяной пар. Состав газов зависит от состава перерабатываемых отходов и содержания кислорода в зоне пиролиза.
Твердый остаток пиролиза, который содержит высокий процент углерода, может быть утилизирован как наполнитель для пластических масс и резин или использован как сорбент.
Скачать презентацию ЛЕКЦИИ Дисциплина Безотходные и ресурсосберегающие технологии Лектор Иборатшоев
ЛЕКЦИИ (БОТ и РСТ от 28.04.14).ppt