Анализ оценки современных методов очистки выбросов от пылегазовых загрязнителей

Исследования взаимосвязей элементов системы «химическое предприятие – природа», проведенные в последние годы, показали принципиальную возможность охарактеризовать экологическое совершенство и степень технологического влияния на биосферу подсистем производства с помощью ряда показателей. Объективным критерием последнего служит темп естественного изменения качества атмосферы, характеризуемый параметром изменчивости R:

Где C – текущая концентрация загрязнителя, мг/м³;

С₀ – начальная концентрация загрязнителя, мг/м³;

τ – время наблюдения за изменением концентрации, с.

В настоящее время распространена методика оценки эффективности работы очистных сооружений и устройств на основе ПДК (предельно допустимой концентрации). Данная методика удобна, но малоинформативна с экологической точки зрения. Проблема заключается в том, что современные методы очистки позволяют уменьшить концентрацию вредных веществ в выбросе более чем на 95%, однако концентрации этих веществ в атмосфере остаются в 3-5 и более раз выше нормативов ПДК.[1]

Исходя из вышесказанного, следует, что необходимо либо повысить порог ПДК, что неизбежно приведет к ухудшению экологической обстановки в районах производств, либо, что по нашему мнению более рационально, стремиться к усовершенствованию аппаратов и процессов очистки выбросов от вредных веществ.

Однако дальнейшее понижение концентраций загрязнителей при современных технологиях обошлось бы слишком дорого.

Так, например, минимальное количество энергии, необходимое для конденсации единицы массы (1кг) гомогенной примеси, численно равно работе процесса изотермического обратимого сжатия ее объема от парциального давления p_п до давления насыщения p_нас:

Где A – работа сжатия, Дж/кг;

R – газовая постоянная, Дж/(кгК);

T- абсолютная температура примеси, К.

Приняв по порядку величины давления газовых выбросов и p_нас близким к атмосферному, а ПДК загрязнителя порядка 10^-5% об. (10^-7 об.долей), вычислим соотношение затрат энергии К на компрессию примесей, сравнимой с ПДК, например 10^-4% об. (10^-6 об.долей) и с обычной для промышленных гомогенных загрязнителей концентрацией 10^-1% об. (10^-3 об.долей). При данном расчете повышение затрат энергии будет равно 2 [1].

Таким образом, затраты энергии на удаление одинакового количества загрязнителя конденсацией логарифмически возрастают с понижением его концентрации. Аналогичная зависимость характерна и для других методов очистки, основой которых также является конденсация примесей.

Химические методы обработки выбросов, в том числе и термоокислительные, характеризуются ростом затрат энергии с понижением начальных концентраций загрязнителей как на единицу обрабатываемой массы, так и на процесс в целом вследствие уменьшения скорости реакции:

Где α и β – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции с исходными реагентами A и B;

w,k –скорость и константа скорости прямой реакции.

Для обеспечения прежней степени завершенности реакции необходимо повысить температурный уровень процесса, компенсируя коэффициент проскока загрязнителя через аппарат; понижение концентрации обеспечивается увеличением константы скорости реакции или интенсифицировать процесс за счет подвода механической энергии.

Зачастую для очистки выбросов используют комбинированные методы, например термокаталитические или хемосорбционные. Процессы, происходящие при этом, имеют более сложный характер, но общий принцип роста затрат с понижением концентрации сохраняется. По этой причине уровень обезвреживания выбросов устанавливается исходя из экономических соображений, а не по экологическим или санитарно-гигиеническим требованиям.

Для того чтобы реально оценить влияние выбросов на окружающую среду и биосферу следует пользоваться более общими и наглядными показателями, например эксергетическим КПД для очистителей и относительной токсичной массой для выбросов.

Эксергетический КПД. Эксергия, т.е. мера превратимости энергии ресурсов системы, дает возможность использовать ее как меру обратимости того или иного процесса. Тогда разность эксергии, вводимой в систему , и выводимой из нее , определяют суммарные потери эксергии от необратимости процессов, протекающих в системе

причем знак равенства выполняется только в обратимых процессах.

Отношение эксергии, отводимой из системы, к подводимой эксергии представляет собой эксергетический КПД, показывающий степень приближения данного процесса к идеальному:

В экологически идеальном процессе η=1, в реальном η<1.

Эксергетический анализ дает возможность постадийно проследить за превращениями эксергии в химико-технологических процессах, не вдаваясь в их механизм, а оперируя лишь состоянием энергетических и составом начальных и конечных материальных потоков, а так же выбрать технологические процессы, близкие к обратимым, т.е. безотходным. [2]

Относительная токсичная масса (ОТМ). Она представляет собой условное воздействие любого вида отходов на любой вид биосферы, эквивалентное загрязняющему воздействию этих отходов на водоем.

Токсичность отходов предприятия, степень его экологичности и уровень воздействия на окружающую среду рассчитывают по следующему алгоритму.

Индекс относительной токсичности:

Где ПДК₁ и ПДК_i– ПДК вещества, принятого за эталон и сравниваемого соответственно (эталонное ПДК₁=1мг/л для воды и 0,01мг/м³ для воздуха).

При помощи индекса относительной токсичности I_о и концентрации веществ в выбросе C_i можно рассчитать относительную токсичность единичного выброса I_i, группового I_n и суммарного I_N выбросов:

Общий индекс относительного загрязнения среды

Где I^а – индекс относительной токсичности выбросов в атмосферу;

I^в – индекс относительной токсичности выбросов на воду;

I^л –индекс относительной токсичности выбросов на поверхность литосферы;

α, β – коэффициенты, характеризующие перенос загрязнителей в поверхностные или грунтовые воды с учетом фильтрации, сорбции и трансформации (определяются экспериментально).

Относительную токсичную массу выбросов определяют с учетом объема отходящих газов:

Общий баланс относительной токсичной массы технологического процесса:

Где М_с – масса производственного сырья, кг;

М_р – масса местного сырья и природных ресурсов, кг;

М_п – масса готовой продукции, кг;

М_о – масса реализуемых на стороне отходов и отходов производства, кг.

Тогда относительную экологичность процесса (аппарата, предприятия) можно определить из выражения

Из этого уравнения следует, что при гипотетическом условии P→0 процесс будет безотходным, т.е. полностью экологичным.

Используя выражения (10) можно рассчитать токсичную массу производственного цикла М_ед за время τ:

Где ∑М_оτ – сумма относительной токсичной массы отходов, поступивших в окружающую среду;

∑М_оⁱτ – сумма нейтрализованных и рассеянных в среде за время τ отходов:

γ – коэффициент, учитывающий рассеяние и нейтрализацию загрязнителей.

Удельная экологическая нагрузка на площадь (F) или объем (V) окружающей среды:

С помощью показателей токсичности можно оценить эффективность природоохранных мероприятий, например полную эффективность очистных сооружений (в %)

Где 1 и 2 – индексы характеризующие величины до и после внедрения нового (например, газоочистного) аппарата (метода, процесса), либо перед и после очистных сооружений.

Для облегчения расчетов и получения критериев, сопоставимых с принятыми в других методиках, выбирают ПДК₁ загрязнителей 1мг/л для гидросферы. Значение единичной ПДК загрязнителей для атмосферы рассчитывают из системы:

ПДК_ав – предельно допустимая концентрация загрязнителя в атмосферном воздухе, мг/м³;

ПДК_впп – предельно допустимая концентрация загрязнителя в воздухе промышленных помещений, мг/м³;

ПДК_в – предельно допустимая концентрация загрязнителя в водоеме, мг/л.

Решая эту систему получим:

Ранее принятое ПДК_в =1 мг/л, значит ПДК_ав = 0,01 мг/м³.

В качестве единицы относительной токсичной массы принята условная единица – загрязненность природной или техногенной среды объемом 1 м³ при значении индекса относительной токсичности I_о = 1 и содержании 1 кг относительной токсичной массы. [2]

Таким образом, учитывая токсичность материальных потоков в химико-технологической системе, можно оценить эксергию токсичных соединений в окружающей среде, а следовательно, и степень безотходности любого технологического процесса.

 

Библиографический список

1.                 Ветошкин, А.Г. Процессы и аппараты газоочистки – Пенза, 2006

2.                 Балабеков, О.С., Балтабаев, Л.Ш. Очистка газов в химической промышленности: процессы и аппараты – М., 1991