CC BY
28УДК 628
И.Э. Веретенникова, Г.Ю. Федоров
ОЧИСТКА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ВЫБРОСОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОМОЩЬЮ АБСОРБЦИОННО-БИОХИМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
В данной работе рассматривается вопрос по очистке атмосферного воздуха от выбросов литейного производства. Рассмотрено влияние литейного производство на загрязнения воздуха. Представлена абсорбционно-биохимическая установка для очистки выбросов литейного производства.
Ключевые слова атмосферный воздух, выбросы,литейное производство, абсорбция, абсорбционно-биохимическая установка.
Введение. В соответствии с Федеральным законом "Об охране атмосферного воздуха", атмосферный воздух - это жизненно важный компонент окружающей природной среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений.
Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных компонентов окружающей природной среды, благоприятное состояние которого составляет естественную основу устойчивого социально-экономического развития страны. Он выполняет биологические, производственные, транспортные и иные функции. Атмосферный воздух более чем другие природные объекты, в силу присущих ему свойств, связан с жизненными интересами людей, его качество непосредственно влияет на здоровье человека, продолжительность жизни, а также на качественное состояние других элементов окружающей среды, особенно животного и растительного мира. Известно, что без пищи человек может прожить несколько недель, без воды - несколько дней, а без воздуха - лишь несколько минут.
Особенно страдают люди от загрязнения воздуха различными токсичными веществами и от шумовых воздействий. Загрязненный воздух отрицательно влияет на капитальные сооружения, конструкции и металлоизделия, приводит к снижению качества продукции, вредно воздействует на погоду и климат. Между тем загрязнение воздушной среды в нашей стране различными газообразными и пылеобразными веществами достигло угрожающих, крайне опасных размеров. Происходит также уменьшение удельного веса кислорода в воздухе вследствие его бесконтрольного сжигания, что чревато серьезными последствиями.
В связи с этим охрана атмосферного воздуха - одна из актуальных задач современности, решение которой не терпит отлагательства. Речь идет об охране природной среды от отрицательных последствий производственной, бытовой, военной, космической, научной и иной деятельности людей. Это может быть осуществлено правовыми, экономическим, техническими, санитарно-эпидемиологическими и другими средствами. Наибольшую роль в этом играет правовая охрана атмосферного воздуха, выражающаяся, во-первых, в установлении государством и его специально уполномоченными органами строго обязательных для всех физических и юридических лиц норм и правил, т.е., принятие и издание соответствующих нормативных актов различной юридической силы, направленных на охрану атмосферного воздуха; во-вторых, в осуществлении постоянного активного государственного контроля (надзора) за соблюдением должностными лицами, гражданами и юридическим лицами, независимо от форм собственности, подчиненности и подведомственности, этих норм и правил; в-третьих, в применении компетентными государственными органами соответствующих санкций как к физическим, так и к
© Веретенникова И.Э., Федоров Г.Ю., 2014.
юридическим лицам, не соблюдающим экологические нормы и правила, т.е. нарушающим законодательство об охране атмосферного воздуха.
Источники загрязнения атмосферы могут быть естественными и искусственными. Естественные источники загрязнения атмосферы - извержения вулканов, лесные пожары, пыльные бури, процессы выветривания, разложение органических веществ. Обычно они имеют катастрофический характер. К искусственным (антропогенным) источникам загрязнения атмосферы относятся промышленные и теплоэнергетические предприятия, транспорт, системы отопления жилищ, сельское хозяйство, бытовые отходы.
Проблема загрязнения воздуха не нова. Более двух столетий серьезные опасения вызывает загрязнение воздуха в крупных промышленных центрах многих европейских стран. Однако длительное время эти загрязнения имели локальный характер. Дым и копоть загрязняли сравнительно небольшие участки атмосферы и легко разбавлялись массой чистого воздуха в то время, когда заводов и фабрик было немного. Быстрый рост промышленности и транспорта в XX в. привел к тому, что такое количество выброшенных в воздух веществ не может больше рассеиваться. Их концентрация увеличивается, что влечет за собой опасные и даже фатальные последствия для биосферы. Загрязнение атмосферного воздуха в промышленных городах и городских агломерациях значительно выше, чем на прилегающих территориях.
Промышленность России выбрасывает в атмосферу в среднем 19,5 млн т загрязняющих веществ за год. На одного жителя России приходится около 342 кг выбросов в атмосферу в год. В 84 городах России загрязнение воздуха более чем в 10 раз превышает ПДК. Из 148 млн. россиян 109 млн. проживают в неблагоприятных экологических условиях с точки зрения загрязнения атмосферного воздуха, в том числе 60 млн. человек при постоянном превышении ПДК токсичных веществ в воздухе. [1]
1. Влияние выбросов литейного производства на атмосферный воздух. В литейном производстве применяется более 100 технологических процессов, более 40 видов связующих, более 200 противопригарных покрытий, это привело к тому, что в воздухе рабочей зоны встречается до 50 вредных веществ, регламентированных санитарными нормами. Так, при производстве 1 т чугунных отливок выделяется: 10.30 кг - пыли; 200.300 кг - оксида углерода; 1.2 кг - оксида азота и серы; 0,5.1.5 г - фенола, формальдегида, цианидов и др.; 3 м3 - загрязненных сточных вод может поступить в водный бассейн; 0,7.1,2 т - отработанных смесей в отвал.
Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения и одним из наиболее экологически неблагоприятных. Для него характерны сложность и многообразие способов литья, технологических процессов, применяемых материалов.
Вредные вещества литейного производства, попадая в окружающую среду, представляют угрозу окружающей природе, что сказывается на урожайности сельхозкультур и продуктивности животных. Жидкие стоки представляют опасность для питьевого водоснабжения. Твердые отходы образуют ограниченную номенклатуру (3 категории).
Наличие и количество того или иного вещества в воздухе рабочих зон определяется применяемыми технологическими процессами, исходным материалом и другими факторами.
2. Абсорбция. Процесс абсорбции заключается в избирательном поглощении компонентов газовой смеси (абсорбтивов) жидким поглотителем (абсорбентом).
Процесс выделения из абсорбента поглощенных компонентов газовой смеси называется десорбцией.
Газовые смеси могут быть разделены также ректификацией, однако для этого требуется произвести их ожижение, что обычно связано с большими затратами энергии на охлаждение и сжижение газа, или адсорбцией, т.е. путем контактирования газа с твердым поглотителем - адсорбентом. Последний процесс обычно применяют для извлечения компонентов газа, содержащихся в относительно небольших концентрациях.
Применение того или другого способа разделения газовой смеси в промышленных условиях определяется составом газа, содержанием в нем извлекаемых компонентов и их свойствами, энергетическими затратами и т.п. и решается в каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов. [2]
Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:
Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить:
абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты;
абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д.
При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.
Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п.
Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H2S очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т.д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.п.). В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.
Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.). [3]
3. Абсорбционно-биохимическая установка для очистки вентиляционного воздуха Абсорбционно-биохимическая технология очистки вентиляционного воздуха была разработана по тематике научно-исследовательских работ Министерства автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения СССР в 1989 году. Конструкции АБХУ постоянно совершенствуются и защищены патентами.
АБХУ рекомендуется использовать при применении в различных отраслях промышленности следующих технологических процессов, сопровождающихся токсичными газовыделениями в окружающую среду:
изготовление литейных стержней и форм; заливка, охлаждение и выбивка литейных форм; прессовка древесностружечных плит (ДСП, МДФ); изготовление минеральной ваты;
окраска и сушка деталей и изделий из металла, дерева, кожи; сушка металлической стружки; изготовление кордной ткани. Схема АБХУ приведена на рис. 1.
Вентиляционный воздух, удаляемый от технологического оборудования, с помощью вентилятора 1 подается в абсорбер 2, где на массообменной решетке расположен слой насадки 3. Насадка непрерывно орошается абсорбентом, подаваемым насосом 5 и находится в «кипящем» состоянии, что обеспечивает интенсивный массообмен между газовой и жидкой фазами. В качестве абсорбента применяется техническая вода. Регенерация абсорбента осуществляется в биореакторе 4, где с помощью специально селекционированного штамма микроорганизмов
вредные органические вещества минерализуются до СО2 и Н2О. Для обеспечения активной жизнедеятельности микроорганизмов, за счет добавления в биореактор биогенных добавок, в растворе поддерживается концентрация азота и фосфора. Очищенный абсорбент вновь подается на орошение в абсорбер. Установка имеет замкнутый цикл циркуляции абсорбента и не имеет стоков в канализацию. Очищенный вентвоздух после сепарации выбрасывается в атмосферу.
Рис. 1. Схема абсорбционно-биохимической установки для очистки вентиляционного воздуха
Большинство органических веществ хорошо растворимы в технической воде. В некоторых случаях для повышения эффективности улавливания таких веществ как ксилол, толуол в раствор 1-2 раза в неделю добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Для регенерации раствора используется биотехнология. Распад органических веществ - это естественный процесс, протекающий в природной среде. Человек может значительно ускорить процесс, для чего берет микроорганизмы из окружающей среды, проводит их селекцию и адаптацию к конкретной группе вредных веществ. Из имеющихся в музее лаборатории микробиологии более 4000 видов микроорганизмов нами используются не более 10 рода Rhodococcus и Pseudomonas. По этой схеме, например, протекает процесс биохимического окисления фенола в водном растворе.
В настоящее время свыше 50 АБХУ работают на 22 предприятиях Беларуси, Украины, Кыргызстана и России.
В таблице 1 приведены данные по степени абсорбции газов данной установкой. Замеры осуществлялись заводскими химическими лабораториями по аттестованным методикам, а также контролирующими природоохранными органами.
Таблица 1
Эффективность улавливания токсичных газов АБХУ
Вредные вещества Эффективность улавливания, %
Фенол, формальдегид, фуриловый спирт, фурфурол, триэтиламин, диэтиламин, цианиды 96-99,9
Метанол, бензол, бутилацетат, этилацетат, акролеин, полиизоцианаты 85-95
Аммиак, ксилол, толуол 70-85
Взвешенные, смолистые вещества, окрасочная аэрозоль 99,9
Капитальные затраты на данную установку не выше, чем при химической и каталитической очистке, а эксплуатационные в связи с минимальным количеством расходным материалов в 100 и более раз меньше чем при вышеуказанных способах. Расходными материалами в АБХУ являются техническая вода 50-150 литров в сутки на компенсацию потерь, сжатый воздух 50-60 м3/час, биогенные добавки 10-25 кг в год. В некоторых случаях - поверхностно-активные вещества 50-150 литров в год. Количество микроорганизмов составляет более 1 млн. на 1 см3 раствора или более 1 млрд. на 1 литр абсорбента. При объеме биореактора 5 м3 количество работающих микроорганизмов составляет 5 х 1010.
В АБХУ отсутствует сброс загрязненного раствора в канализацию. Количество шлама, образующегося за месяц, составляет, как правило, 3-4 кг. Химический состав шлама: 90-95% -взвешенные вещества ^Ю2), 5-10% - осадок микроорганизмов (ил).
АБХУ не требует ремонтных затрат. Металлический корпус аппарата с антикоррозионным покрытием и полипропиленовым насадочным материалом служит десятилетиями. Обслуживание АБХУ связано с ремонтом водяного насоса и вентилятора. АБХУ не требуют постоянного присутствия оператора. При включении АБХУ необходимо визуально через смотровые окна убедиться в наличии «кипящего» слоя на массообменных решетках скруббера и «ровного кипения» абсорбента за счет подачи сжатого воздуха в биореакторе. [4]
Библиографический список
1. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов. Учебное пособие по проектированию. Пенза: Изд-во Пенз. технол. Ин-та, 2003
2. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2006.
3. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, книга вторая. М., Химия, 2007
4. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии»; изд. «Химия», М.,
2005.
ВЕРЕТЕННИКОВА Ирина Эдуардовна - студент, Казанский государственный энергетический университет.
ФЕДОРОВ Георгий Юрьевич - доцент, Казанский государственный энергетический университет.
