Влияние загрязнителей на атмосферу

Ведение

Как известно, без пищи человек может прожить десятки дней, без воды – несколько дней, а без воздуха – всего несколько минут.

В промышленности и на транспорте воздух является важнейшим сырьем, необходимым главным образом для горения топлива, охлаждения и транспортирования отходов. Главными загрязнителями воздуха в промышленности являются: энергетика, цветная металлургия, черная металлургия, нефтедобыча, нефтепереработка. Возникают экологические проблемы, такие как «озоновые дыры», кислотные дожди «парниковый эффект».

              По данным Всемирной организации здравоохранения, общую схему реакции человеческого организма на воздействие загрязнителей окружающей среды можно представить в следующем виде: накопление загрязнений в органах и тканях → сдвиги жизнедеятельности организма → физиологические признаки заболевания → заболеваемость → смерть[1].

Цель каждого человека – понять и осознать, что так дальше загрязнять окружающую природную среду нельзя – это крайне опасно для здоровья и жизни человека, что в перспективе мы приближаемся к экологической катастрофе, что, уничтожая природу, человек уничтожает себя[1].

Целью данного проекта является рассмотрение влияния загрязнителей на атмосферу, определение причин вредного воздействия промышленных предприятий, сельского хозяйства и деятельности человека на воздушный бассейн.

Атмосфера

1.1 Назначение и состав атмосферы

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

В современном газовом составе атмосферы, который отличается большим постоянством, содержится по объему (%): азота – 78,08, кислорода – 20,9, аргона – 0,93, углекислого газа – 0,031 и небольшое количество инертных газов. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы – водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации, а также непостоянство радиационного и светового режимов предопределяют резко дифференцированные условия функционирования природных экосистем. Несмотря на то, что климатические контрасты в различных районах Земли сглаживаются благодаря циркуляции атмосферы и морским течениям, эта дифференциация весьма заметна.

Географическая оболочка Земли богата и другими полезными компонентами, необходимым для функционирования живых организмов, - кислородом. Его содержание по массе в литосфере составляет – 47%, в гидросфере – 85,9%, однако преобладающая часть кислорода находится в химически связанном состоянии. Атмосфера по сравнению с литосферой и гидросферой характеризуется небольшим содержанием свободного кислорода, потребляемого живыми  организмами и способствующего переработке продуктов распада органической материи, осуществляющегося в условиях достаточно высокой среднегодовой температуре воздуха( 13,6 °С) у поверхности Земли.

Исходя из термической структуры и циркуляции атмосферы ее принято разделять на сферические слои, именуемые тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой, верхние границы которых называются паузами.

Из всех газов, содержащихся в атмосфере, наибольшее значение для деятельности живых организмов имеют кислород, углекислый газ, озон и водяной пар. Кислород используется в процессах дыхания, окисления органического вещества либо неорганических элементов. Углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями и выделяется при разложении органического детрита.

Если содержание азота, кислорода и аргона в тропосфере весьма постоянно, то распределение озона и водяного пара меняется в зависимости от времени года, географической широты и других факторов. Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется колебаниями температуры, давления, плотности, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере. Выше стратосферы располагаются мезосфера, в которой температура убывает с высотой, и термосфера, где наблюдается обратное явление[1].

                       1.2 Загрязнение атмосферы

В настоящее время к естественным факторам изменчивости атмосферы добавился антропогенный фактор, связанный с прогрессирующим ее загрязнением.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид

азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон. Объем выбросов

загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22-25 млн. т. в год. Объем этих выбросов за последние годы ежегодно сокращается на 300-600 тыс.т. Сокращение выбросов обусловлено главным образом повсеместным спадом промышленного производства, особенно в добывающих и ресурсоперерабатывающих отраслях. Позитивную роль в этих условиях сыграла относительная стабильная добыча и использование газа – экологически чистого топлива.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха свидетельствуют о снижении средних концентраций взвешенных веществ, растворимых сульфатов, аммиака, бенз(а)пирена, сажи, сероводорода, формальдегида, вследствие спада производства и закрытия предприятий. При этом возросли средние концентрации диоксида азота, оксида углерода, сероуглерода, фенола, фторида водорода, что связано с неритмичностью работы предприятий. Отмечен также рост концентраций оксида углерода, диоксида азота и фармальдегида на автомагистралях крупных городов и прилегающих к ним территориях[1].

1.3  Источники загрязнения атмосферы

Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлознобумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. Из года в год возрастает загрязнение атмосферного воздуха веществами, характерными для автомобильного транспорта.

Основной причиной высокого загрязнения воздуха являются выбросы специфических веществ.

Углекислый газ с кислородом являются биогенном атмосферы, который в основном контролируется биотой. В XX веке наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере, доля которого с начала XX века увеличилась почти на 25%, а за последние 40 лет – на 13%.

Около 2% общей массы выбросов в атмосферу составили вредные вещества с высокой токсичностью ( сероуглерод, фтористые соединения, бенз(а)пирен, сероводород и др.).

Газообразные азотсодержащие соединения (NO,NH3) содержатся в промышленных выбросах, образующихся при сжигании органического топлива (уголь, бензин, мазут), а также продуцируются анаэробными бактериями.

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1-0,3° С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах. Минеральный состав аэрозолей антропогенного происхождения многообразен: оксиды железа и свинца, силикаты, сажа. Также присутствуют элементы и соединения, опасные для здоровья человека (хлор, бром, ртуть, фтор и др.).

Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения озонового слоя. Непосредственно в стратосферу аэрозоли поступают с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.

На загрязнение воздушного бассейна большое влияние оказывает

выпадение кислотных соединений. Сегодня серно- и азотокислотные осадки выпадают на значительных территориях Российской Федерации. Как правило, они образуются в зоне действия предприятий цветной металлургии и химической переработки сернистого газового конденсата, а также на траекториях переноса воздушных масс от этих предприятий.

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем[1].

2. Технические средства снижения и очистки выбросов

2.1 Причины загрязнения атмосферы

Человек хочет получить много благ. Для производства пищи, одежды и жилья необходимо переработать много сырья, сжечь много топлива. К сожалению сделать это, не нанося ущерба окружающей среде, невозможно[2].

Вредное воздействие промышленных предприятий на атмосферный воздух обуславливается рядом причин. Основные из них заключаются в следующем:

▪ размещение промышленных предприятий, оказывающих вредное воздействие на воздушный бассейн, в непосредственной близости к жилым районам;

▪ использование на промышленных предприятиях морально и физически устаревших технологических процессов и технологического оборудования, при работе которого в атмосферу выделяется большое количество загрязняющих веществ;

▪ недостаточная оснащенность технологических агрегатов системами очистки и обезвреживания и малоэффективная работа действующих пылегазоочистных установок;

▪ значительное количество на предприятиях децентрализованных систем отвода и очистки промышленных газов и соответственно большое количество мелких источников загрязнения атмосферы с трубами относительно малой высоты.

Степень оснащения основных технологических агрегатов на предприятиях практически всех отраслей промышленности газоочистными установками в нашей стране составляет около 70%.

Часть действующих установок работает неэффективно. Около 40% газов от действующих агрегатов поступают в атмосферу практически без очистки[3].

2.2 Типы пылегазоулавливающих устройств

Одной из основных мер по охране атмосферного воздуха является строительство очистных сооружений и устройств.

Для улавливания промышленной пыли и поглощения различных газовых выбросов существуют различные методы: сухое и мокрое улавливание и улавливание в электрическом поле.

К мокрым пылеулавливающим аппаратам относятся скрубберы (мокрые циклоны, полые, насадочные, центробежные), барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури.

В качестве сухих пылеулавливающих аппаратов используются пылевые камеры, различные типы циклонов, волокнистые и тканевые фильтры.

Аппараты, применяемые для поглощения газовых компонентов, содержащихся в выбросах, в зависимости от способа очистки делятся на абсорбционные, адсорбционные и каталитического окисления. Абсорбционные аппараты находят наибольшее применение в промышленности. Такие аппараты классифицируются по характеру поверхности раздела фаз газ – жидкость: барботажные и распыляющие (струйные газопромыватели, полые скрубберы, аппараты Вентури) и пленочные (скрубберы с различной насадкой) аппараты. На промышленных предприятиях как в нашей стране, так и за рубежом, наибольшее применение получили следующие газоочистные аппараты: циклоны, батарейные и одиночные, пылевые камеры, аппараты Вентури, насадочные и полые скрубберы, струйные и пенные газопромыватели, электрофильтры.

Среди одиночных циклонов наиболее распространены циклоны НИИОГАЗА марок ЦН-11 и ЦН-15, циклоны ВЦНИИОТ и ВНИИОТ. Циклоны такого типа применяются для улавливания пылевых частиц размером более 8 мкм. Батарейные циклоны применяют для очистки больших количеств газов, более 20 м3/с. Они как правило используются в качестве первой ступени очистки дымовых газов.

Насадочные и полые скрубберы нашли успешное применение для поглощения газообразных компонентов из газовых выбросов. Аппарат Вентури можно эффективно использовать как для очистки от пылевых частиц, так и от газов, а также для процессов абсорбции (хемосорбции) различных компонентов из дымовых газов.

Струйный газопромыватель широко применяют для улавливания пыли и газов. Как абсорбер, струйный газопромыватель применяют для поглощения серусодержащих и других компонентов.

В качестве аппаратов электрической очистки газов от пылевых частиц используются электрофильтры. По способу удаления с электродов осажденных частиц пыли электрофильтры подразделяются на сухие и мокрые. По числу электрических полей подразделяются на однопольные и многопольные. В зависимости от направления движения газов в электрофильтре они подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

Из сухих электрофильтров, выпускаемых отечественной промышленностью, наиболее широко применяют электрофильтры типа УГ (унифицированные горизонтальные) для очистки газов при температуре до 523 К. Мокрые электрофильтры рассчитаны на очистку газов при температуре 313-333 К. Для очистки газов от серной кислоты, оксидов мышьяка и селена применяют электрофильтры типа ПМК – вертикальные однопольные с шестигранными трубчатыми осадительными и коронирующими электродами.

Для очистки дымовых газов тепловых электростанций широкое применение получили электрофильтры, мокрые золоуловители и батарейные циклоны. Батарейные циклоны являются надежными в эксплуатации золоуловителями. Их положительным качеством по сравнению, например, с электрофильтрами является увеличение степени очистки при росте скорости движения газов[3].

2.3 Новые технологии защиты воздушного бассейна

Агрегатное состояние газа как носителя вредных выбросов в отличие от

воды не позволяет его собрать воедино, очистить и пустить снова в технологический процесс. Газообразные выбросы частично очищают и направляют в дымовые трубы. При этом чем они выше, тем лучше происходит рассеивание газов. Кроме того, воздух не является таким ценным сырьем, как вода, и его повторное использование экономически менее эффективно[2].

С целью снижения приземных концентраций вредных веществ до санитарных норм в нашей стране предусмотрена система природоохранных мероприятий, включающая повышение эффективности действующих установок пылеулавливания и газоочистки, внедрение замкнутых воздушных циклов с частичной рециркуляцией воздуха, разработку и внедрение безотходных и малоотходных производств и технологических процессов.

При организации замкнутого воздушного цикла загрязненный воздух, удаляясь от технологического оборудования и из рабочей зоны, проходит пыле- и газоуловители и частично выбрасывается в атмосферу. Из основной массы выбросов такая система позволяет извлекать многие загрязняющие атмосферу вещества. Например, улавливание SO2 из отходящих газов медеплавильных производств не только обеспечивает существенное предотвращение его выброса в атмосферу, но и дает возможность организовать многотоннажное производство утильной серной кислоты, которая используется для производства двойного суперфосфата[3].

В системах кондиционирования воздуха и пневмотранспорта воздух может быть использован многократно, так как он не вступает в химические реакции, однако его необходимо очищать от вредных взвешенных частиц.

При работе в замкнутых системах (под водой или в космосе) без регенерации и повторного использования воздуха обойтись нельзя. Здесь его очистка проходит с учетом высоких гигиенических требований[2].

Важными направлениями предотвращения загрязнения атмосферы

вредными веществами являются переход на использование экологически безопасных источников энергии; замена в автомобилях двигателей внутреннего сгорания, работающих на углеводородном топливе, на электродвигатели;

широкое внедрение видов общественного транспорта, не загрязняющих атмосферный воздух: метрополитен, скоростные железные дороги и т. п.

Новая технология производства черных металлов – бездоменная и бескоксовая металлургия – позволит снизить удельные выбросы вредных газов в три раза.

Огромное значение для охраны окружающей среды имеет новое направление в технике производства металлов – порошковая металлургия. Преимущества – снижение загрязнения атмосферы, имеющего место при работе обычных металлургических заводов.

Требования к качеству воздушной среды, в том числе к чистоте воздуха, постоянно возрастает. В связи с этим необходимо целенаправленно разрабатывать и внедрять новые методы, технологические процессы и оборудование для их осуществления, способствующие значительному снижению или полному предотвращению загрязнения воздушного бассейна технологическими выбросами[3].

3. Назначение пылегазоочистной установки

Пыль является одной из разновидностей аэрозолей, то есть дисперсных систем, состоящих из твердых или жидких частиц (дисперсной фазы), взвешенных в газовой (дисперсной) среде, а именно аэрозолью с твердыми частицами диспергационного происхождения. Такие частицы образуются при измельчении твердых тел, например при дроблении руд, механической обработке древесины и т. д.

Аэрозоли с твердыми частицами, образовавшимися в результате объемной конденсации перенасыщенных паров, называются дымами. К ним относятся аэрозоли, возникающие при горении, плавке металлов и их сварке.

Аэрозоли с жидкими частицами называют туманами.

Иногда аэрозолями называют дисперсные системы с частицами размером менее 10 мкм.

Пыль, содержащаяся в воздушных выбросах, в зависимости от ее дисперсности либо оседает на поверхность земли вблизи места выброса, либо разносится воздушными потоками, образуя долгоживущее загрязнение атмосферы Земли. И в том, и в другом случае выбрасываемая пыль причиняет ущерб, для ограничения которого необходимо стремиться к возможно более полному ее улавливанию[4].

Устройство пылеулавливающих сооружений необходимо в тех случаях, когда выделяющаяся в технологических процессах пыль при попадании в воздух производственных помещений или в атмосферный воздух может создавать концентрации, превышающие допустимые значения, установленные санитарными нормами или какими-либо другими нормативными документами.

В деревообрабатывающих производствах источники выделения пыли бывают двух видов. К первому виду источников относится технологическое оборудование, при работе которого пыль, а так же более крупные частицы (опилки, стружка) образуются в качестве отходов механической обработки древесных и других материалов. Ко второму виду источников относится технологическое оборудование, в том числе конвейеры, в которых измельченные материалы являются полуфабрикатами в технологических процессах.

Пылеулавливающие сооружения называются системами аспирации.

Ни одно современное деревообрабатывающее производство – от крупных специализированных предприятий, насчитывающих сотни единиц оборудования, до небольших мастерских вспомогательного назначения – не может функционировать без систем аспирации.

Аспирационный воздух в смеси с удаляемыми от технологического оборудования материалами – один из видов технологических выбросов в атмосферу на современных деревообрабатывающих производствах. Содержащаяся в этих выбросах древесная и другая пыль загрязняет атмосферный воздух. Кроме того, пыль и другие измельченные материалы, входящие в состав аспирационных выбросов, - опилки, стружка, - являясь отходами   в  одних  технологических  процессах  ,  могут  служить   сырьем   для

других. Поэтому в системах аспирации, как правило, применяются аппараты для улавливания твердых частиц или для очистки аспирационных выбросов[5].

4. Обоснование выбора оборудования

Принятое в проекте оборудование должно соответствовать условиям очистки, то есть физическим и химическим свойствам улавливаемой пыли и очищаемого воздуха, его количеству и особенностям эксплуатации очистного оборудования. Эти условия характеризуются еще большим многообразием, чем условия очистки атмосферного воздуха. В значительно большем диапазоне и в самых различных сочетаниях изменяется дисперсность пыли, являющаяся основным показателем для выбора пылеуловителей требуемой эффективности. Возникает необходимость в учете пластичности пыли, ее слипаемости и влажности.

Некоторые виды пыли способны растворяться в процессе мокрой очистки, а затем образовывать в пылеуловителях кристаллические отложения; другие обладают гидравлическими свойствами и подобно цементу схватываются в увлажненном состоянии, создавая твердые корки. Очищаемый воздух часто содержит пары и возгоны различных веществ, конденсирующихся и выпадающих в процессе очистки, аэрозоли смолистых веществ и агрессивные газовые примеси, разрушающие пылеуловители.

При выборе пылеуловителей обычно стремятся исходить из каталожных показателей эффективности улавливания отдельных фракций пыли, но пока более надежной основой для правильного выбора оборудования является практика эксплуатации. Используя на проектируемом объекте пылеуловители, применение которых в идентичных условиях уже дало хороший эффект, можно быть уверенным в успехе.

Ответственной задачей является выбор сухого или мокрого способа пылеулавливания. Главное преимущество первого способа – получение уловленной пыли в виде порошка, главный недостаток второго – необходимость обработки шламовых вод.

Задача решается однозначно, если необходимая эффективность может быть достигнута применением простых сухих пылеуловителей – гравитационных или инерционных.

Сухие инерционные пылеуловители, как правило, имеют простую конструкцию, обладают большой пропускной способностью и несложны в эксплуатации. Ввиду этих преимуществ некоторые виды инерционных пылеуловителей получили широкое распространение. Наиболее характерными представителями этих пылеуловителей являются циклоны[4].

Циклоны – наиболее распространенный вид пылеулавливающих аппаратов в деревообрабатывающих производствах. Они удовлетворяют требованиям санитарных и природоохранных норм при минимальных затратах на очистку газо-воздушной смеси[5].

В деревообрабатывающей промышленности широко используют циклоны Гипродрева, Гипродревпрома (Ц), циклоны типа К, ВЦНИИОТа, СИОТа и НИИОгаза.

Циклоны Гипродрева предназначены для очистки воздуха от грубых фракций пыли (более 40 мкм).

Более эффективны циклоны Гипродревпрома (Ц). Отличительной особенностью циклона является конструкция выхлопной трубы, поверхность которой во внутренней части циклона образует жалюзи. Такое исполнение повышает эффективность улавливания крупной пыли. К недостаткам конструкции циклона следует отнести повышенное сопротивление и забивание жалюзи в процессе эксплуатации. Это ухудшает пылеосадительные свойства циклона и приводит к увеличению потерь напора.

Циклоны К используют в системах пневмотранспорта стружки и древесных отходов. Циклоны эффективно осаждают только стружку, опилки и крупные Фракции пыли. Циклоны К характеризуются повышенными потерями напора, что объясняется наличием рассекателя в выходном патрубке.

В практике пылеулавливания находят также применение циклоны с расширяющимся   конусом  конструкции    ВЦНИИИТ .   Они  имеют   некоторое

преимущество по сравнению с другими циклонами ввиду отсутствия подсоса в бункере и устойчивости к абразивному износу их конической части.

Существует несколько типов циклонов НИИОГаза: ЦН-11, -15, -15у, -24 и другие. Как наиболее эффективные, циклоны ЦН-11 рекомендованы к широкому внедрению для очистки воздуха от грубых фракций пыли.

Циклон ЦН-15 хотя и менее эффективен, чем ЦН-11, но имеет большее значение коэффициента гидравлического сопротивления при одной и той же эффективности пылеуловителя[7].

Циклоны СИОТ (Свердловского института охраны труда) отличаются высокой эффективностью. Они совсем не имеют цилиндрической части, поэтому их выхлопная труба вводится в конус. Особенностью циклонов СИОТ является также треугольное сечение входного патрубка. Коэффициент местного сопротивления циклона с улиточным раскручивателем = 3,9. Рекомендуемая скорость входа воздуха 15-18 м/с. Производительность циклонов 1,5…10 тыс. м3/ч. Циклоны СИОТ имеют небольшую высоту, их применение целесообразно в невысоких помещениях[4].