Page 1

LCOI-Reviews LOW-CARBON OPEN INNOVATION REVIEWS ОГЛЯДИ НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВИХ ВІДКРИТИХ ІННОВАЦІЙ ОБОЗРЕНИЯ НИЗКО-УГЛЕРОДНЫХ ОТКРЫТЫХ ИННОВАЦИЙ

No. 06, 30.06.2012

Збірка наукових праць видається Донецьким національним університетом (Донецьк, Україна) за проектом „Низько-вуглецеві можливості для індустріальних регіонів України”, що фінансується Європейським Союзом за Тематичною програмою для довкілля та сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією

Проект фінансується Європейським Союзом

Проект реалізується Донецьким національним університетом, Україна


LCOI-Reviews

LOW-CARBON OPEN INNOVATION REVIEWS ОГЛЯДИ НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВИХ ВІДКРИТИХ ІННОВАЦІЙ ОБОЗРЕНИЯ НИЗКО-УГЛЕРОДНЫХ ОТКРЫТЫХ ИННОВАЦИЙ N o . 0 6, 3 0 . 0 6 . 2 0 1 2 Збірка наукових праць видається Донецьким національним університетом (Донецьк, Україна) за проектом „Низько-вуглецеві можливості для індустріальних регіонів України”, що фінансується Європейським Союзом за Тематичною програмою для довкілля та сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією

Обозрения технических аспектов реализации технологий ЧУТ и УХУ, серия 3 Reviews of Technical Aspects of the Implementation of CCT and CC S, Series 3 Донецк - 2012

Проект фінансується Європейським Союзом

Проект реалізується Донецьким національним університетом, Україна


УДК 504.062.2, 504.062.4, 504.7 ББК 20.1, 20.3 С 232 Обозрения технических аспектов реализации технологий ЧУТ и УХУ, серия 3 - Reviews of Technical Aspects of the Implementation of CCT and CCS, Series 3 / Под общ. ред. С. В. Беспаловой и Н. С. Шеставина // LCOI-Reviews, No. 06, 30.06.2012. – Донецк: ДонНУ, 2012. – 118 с. Сборник содержит обозрения технических аспектов реализации чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода с целью смягчения последствий изменения климата. Обозрения подготовлены для проекта «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины», который финансируется Европейским Союзом. В этой серии рассмотрены вопросы эмиссии диоксида углерода и других парниковых газов на предприятиях различных отраслей промышленности. Сборник предназначен для научных и инженерно-технических работников, преподавателей высших учебных заведений, аспирантов и студентов естественнонаучных и экономических специальностей.

Редакционная коллегия: д.ф.-м.н., проф. Беспалова С.В. (отв. редактор), д.т.н., проф. Семко А.Н. (зам. отв. редактора), к.т.н. Шеставин Н.С. (отв. секретарь), д.т.н., проф. Недопекин Ф.В., к.т.н., с.н.с. Бескровная М.В., к.б.н., доц. Сафонов А.И., к.т.н. Казак О.В. Компьютерная верстка: вед. инж. Рева Е.В.

Адрес редакции: 83050, г. Донецк, ул. Щорса, 46/616, Донецкий национальный университет, Биологический факультет, Центр передачи низко-углеродных открытых инноваций, Web: www.lcoir-ua.eu , E-mail: lcoir@ukr.net

Мнения, отраженные в этой публикации, не обязательно совпадают с взглядами Европейской Комиссии и Правительства Украины

© Донецкий национальный университет, 2012 © Коллектив авторов, 2012


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

СОДЕРЖАНИЕ Тимошенко Н.С. СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ СО2 В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УКРАИНЫ Введение 1. Состояние атмосферного воздуха Донецкой области в условиях развития производства 2. Выбросы СО2 в коксохимической промышленности 3. Выбросы СО2 в химической промышленности Украины 4. Выбросы СО2 в цементной промышленности Украины 5. Выбросы СО2 в электрометаллургической промышленности Заключение Литература

4 4 7 9 13 15 17 23 23

Казак О.В. ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПАРНИКОВЫМИ ГАЗАМИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 1. Проблема загрязнения атмосферы СО2 и последствия 2. Краткая характеристика источников CO2: место металлургии среди источников загрязнения атмосферы 3. Состояние металлургии в Украине 4. Модели для оценки и прогноза состояния и уровня загрязнения атмосферы 5. Способы очистки и утилизации парниковых газов в металлургической промышленности Список использованных источников

51 76

Бодряга В.В. ОХРАНЫ АТМОСФЕРЫ ОТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Введение 1. Естественный состав и основные виды техногенных загрязнений атмосферы 2. Основные источники выбросов в атмосферу 3. Методы очистки промышленных газовых выбросов от пыли 4. Методы очистки выбросов от вредных газовых примесей 5. Современные технологические приемы и аппараты для снижения выбросов Список использованной литературы

78 78 78 80 82 89 103 110

ANNEX A: GENERAL INFORMATION ABOUT A PROJECT “LOW-CARBON OPPORTUNITIES FOR INDUSTRIAL REGIONS OF UKRAINE (LCOIR-UA)”

113

ДОДАТОК Б: ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПРО ПРОЕКТ «НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ІНДУСТРІАЛЬНИХ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ (LCOIR-UA)»

115

ПРИЛОЖЕНИЕ В: ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЕКТЕ «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ (LCOIR-UA)»

117

24 24 33 38 41

3


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ СО2 В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УКРАИНЫ Н.С. Тимошенко Донецкий национальный университет Донецк, Украина

Введение Экономическое развитие, диктуемое потребностями быстро возрастающего населения Земли, в условиях современных ресурсоемких технологий причиняет невосполнимый ущерб окружающей среде, изменяет облик нашей планеты. Человеческая деятельность, неразрывно связанная с земными ресурсами, оказывает постоянное воздействие на природные процессы. Большинство технологических процессов сопровождается выделением в атмосферу вредных веществ. Пыль и технологические газы после выброса в атмосферу изменяют ее состав, уменьшая количество кислорода, необходимого для жизнедеятельности всего живого. Защита окружающей среды от вредных выбросов в последнее время стала одной из острейших проблем современности. В табл. 1. представлен газовый состав атмосферного воздуха. В различных частях Земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа. В крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах. В горах наблюдается пониженное содержание кислорода, вследствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. Табл. 1. Газовый состав атмосферного воздуха Вещество Азот Кислород Аргон Углекислый газ Неон Метан Гелий Криптон Водород Ксенон

4

Состав воздуха: Обозначение По объёму, % N2 78,084 O2 20,9476 Ar 0,934 CO2 0,0314 Ne 0,001818 CH4 0,0002 He 0,000524 Kr 0,000114 H2 0,00005 Xe 0,0000087

По массе, % 75,50 23,15 1,292 0,046 0,0014 0,000084 0,000073 0,003 0,00008 0,00004


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Диоксид углерода попадает в атмосферу в течение миллионов лет из многих источников – от дыхания человека и животных до сжигания органического топлива. Пока человечество не начало существенно вмешиваться в природный баланс, весь выделенный СО2 успешно поглощался естественным путем. Самые большие коллекторы углерода – леса справлялись с выделенным углекислым газом, используя его для фотосинтеза. Кроме того, большую роль в поглощении СО2 играет мировой океан. Этим механизмам естественного «сбора» углекислого газа становится все сложнее выполнять свои функции в последние десятилетия. Количество СО2, образующегося в ходе сжигания органики, больше, чем может быть поглощено естественным путем: растениями и океанами, поэтому концентрация СО2 в атмосфере будет увеличиваться. Это подтверждают исследования (рис. 1) [10]. Если развитие промышленности будет продолжаться такими стремительными темпами, то скоро естественные коллекторы не смогут перерабатывать весь углекислый газ, что приведет к гибели человечества.

Рис.1. Мировой объем выбросов СО2 Органическое топливо, сжигаемое на теплоэлектростанциях, – самый крупный антропогенный источник СО2, за ним следуют транспорт и промышленность. Количество образующегося СО2 по областям человеческой деятельности представлено на рис. 2. Как видно из диаграммы, наибольшим источником диоксида углерода является энергетика. Поскольку за последние десятилетия наблюдается тенденция постоянного роста потребления энергии (рис.3), то и выбросы СО2 будут продолжать увеличиваться. Прогноз количества выбросов приведен во второй части графика на рис.1. В рамках проекта «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины» основное внимание уделяется выбросам СО2 в атмосферный воздух такими видами промышленности: коксохимической, химической, цементной, а также, металлургией. Данная работа посвящена рассмотрению перечисленных отраслей и их влияния на экологическую ситуацию Украины, а также Донецкого региона, в котором все эти виды промышленности представлены. 5


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис.2. Количество СО2 по секторам человеческой деятельности

Рис. 3. Мировое потребление энергии от различных источников Наибольшая плотность промышленных предприятий, а, следовательно, и наибольший уровень загрязнения атмосферы характерны для восточных регионов Украины (рис. 4.).

6


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 4. Количество выбросов вредных веществ от стационарных источников по областям Украины 1. Состояние атмосферного воздуха Донецкой области в условиях развития производства Донбасс - крупнейший по населению, экономическому потенциалу и природным ресурсам административный регион Украины. В Донецкой области сосредоточена пятая часть промышленного потенциала страны. Здесь расположено несколько тысяч крупных промышленных предприятий, производственно-промышленных объединений и предприятий топливно-энергетического комплекса, горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, тяжёлого машиностроения, строительной отрасли, а также агропромышленного комплекса. Донбасс обеспечивает большую часть промышленного производства Украины, причём в наиболее экологически опасных отраслях. Несмотря на спад производства (по причине мирового кризиса), в результате которого общее количество выбросов существенно уменьшилось, нагрузка на биосферу Донбасса попрежнему остаётся одной из наибольших в Европе. Предприятия региона выбрасывают около трети суммарного объема загрязняющих веществ на Украине. В настоящее время Донецкая область является поставщиком до 40% всех выбросов Украины.

Рис. 5. Химический состав выбросов вредных веществ в Донецкой области

7


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В структуре вредных выбросов преобладает оксид углерода, на долю которого приходится почти 28,8% всех выбросов, сернистый ангидрид (диоксид серы) – 21,3%, пыль – 15% и лёгкие органические соединения – 13% (рис. 5) [9]. В области функционируют 109 шахт, 87 из которых входят в состав восьми холдинговых компаний и шести производственных объединений; 9 шахт и одно шахтоуправление имеют статус самостоятельных. Кроме того, в состав холдинговых компаний входит 20 углеобогатительных фабрик. Суммарная производственная мощность угледобывающих предприятий в 2003-2006 гг. составила 35-40 млн. тонн угля в год. Металлургию области представляет мощный промышленный комплекс, включающий 39 металлургических, трубных, огнеупорных и нерудных предприятий, ряд ремонтных и научных организаций. Предприятиями отрасли выпускается около 50% металлопродукции, более 55% кокса, 75% огнеупорных изделий, производимых в Украине. Отрасль является главным экспортером, на ее долю приходится 3/4 объемов всех экспортных операций в области. Металлопродукция поставляется более чем в 50 стран мира. В 2003-2006 гг. металлургической отраслью производилось 16-18 млн. тонн стали, 13-14 млн. тонн чугуна, 910 млн. тонн проката и 9-12 млн. тонн кокса в год [1]. Развивая монопрофильную экономику, ориентированную на горно-металлургический комплекс, Донецкая область увеличивает количество экологических проблем. Загрязнение водных ресурсов области промышленными стоками привело к явной деградации многих водных объектов. Перемещение горной массы в результате добычи угля и накопления больших объемов шлаков металлургического производства по воздействиям на окружающую среду можно сравнить с естественными геологическим процессами. Загрязнение атмосферы в некоторых промышленных городах достигло уровня, при котором наносится значительный вред здоровью населения. Одной из причин неудовлетворительного состояния воздушного бассейна региона – недостаточное оснащение источников выделения загрязняющих веществ высокоэффективным газопылеулавливающим оборудованием и низкий уровень его эксплуатации.

Рис. 6. Выбросы от стационарных источников в Донецкой области по отраслям На сегодняшний день в регионе накоплено 4 млрд. тонн отходов, занимающих почти 2% территории области. Основные отрасли, образующие отходы – это угольная промышленность, металлургия и энергетика.

8


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Плотность выбросов от стационарных источников загрязнения в расчете на квадратный километр территории области составляет 61,8 тонн вредных веществ, а на душу населения – 352,7 кг, что соответственно в 8,4 и в 3,7 раза, превышает средний уровень по стране [1]. Основные выбросы вредных веществ (95%) приходятся на металлургию, энергетику, угольную промышленность и коксохимию (рис. 6). В настоящее время металлургия и коксохимия дают 34% валовых выбросов вредных веществ в атмосферный воздух от стационарных источников, что составляет 400-500 тыс. тонн в год. 2. Выбросы СО2 в коксохимической промышленности Коксохимическая промышленность является одной из основных подотраслей горнометаллургического комплекса Украины и предназначена обеспечивать доменное производство необходимым количеством кокса, а также широким спектром продукции для химической отрасли, цветной металлургии и др. В стране работают 14 коксохимических предприятий (КХП). Кроме основной продукции – металлургического кокса, КХП производят миллиарды кубометров очищенного коксового газа, сотни тысяч тонн каменноугольной смолы, сырого бензола и сульфата аммония, десятки тысяч тонн серной кислоты и серы в год. Ряд выпускаемых продуктов являются альтернативными топливами. Наиболее многотоннажный среди них – коксовый газ, теплотворная способность которого в среднем равна 4000 ккал/м3, что в два раза меньше по сравнению с природным газом. Производятся и альтернативные моторные, котельные топлива на основе химических продуктов коксования. Валовые выбросы коксохимических предприятий составляют около 5% от общих выбросов горно-металлургического комплекса. Техническая политика коксохимической подотрасли основывается на постоянном внедрении последних достижений в области технологии коксования и переработки углехимических продуктов с обязательной разработкой природоохранных мероприятий, что позволяет существенно снизить экологическую нагрузку на население и окружающую среды в городах, где расположены коксохимические предприятия. Крупнейшими центрами коксово-химического производства Украины являются: Донецк, Макеевка, Ясиноватая, Енакиево, Мариуполь, Алчевск, Авдеевка, Днепропетровск, Кривой Рог, Запорожье и Днепродзержинск. Крупнейшие производители кокса Донецкой области:  Авдеевский коксохимический завод - крупнейший в Европе производитель кокса с 18% долей в украинском коксовом производстве по результатам 2007 г.  Мариупольский коксохимический завод («Маркохим») - с 2005 года структурная единица комбината «Азовсталь».  Ясиноватский коксохимический завод (рис. 7).  Макеевский коксохимический завод.  Енакиевский коксохимпром.  Донецкий коксохимический завод («Донецккокс»).  Горловский коксохимический завод.

9


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

 

Алчевский коксохимический завод - второй по величине производитель кокса в Украине с годовым выпуском в 3,2 млн. т, что составляет 16% всего кокса, произведенного в Украине в 2007 г. Среднегодовая загрузка в 2007 г. составила около 90%. Краматорский коксохимический завод. Дзержинский коксовый завод (рис. 8).

Рис. 7. Ясиноватский коксохимический завод

Рис. 8. Дзержинский коксохимический завод

10


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Анализ нынешнего состояния производства показывает, что в настоящее время в Украине сложилась критическая ситуация с промышленными отходами. Причем, особо актуальны вопросы охраны окружающей среды в коксохимии (в частности, в Донецком регионе), которая вносит большой негативный вклад в загрязнение атмосферы, водного бассейна и почвы. В современных условиях дефицита и высокой стоимости сырья и материалов экологическое и экономическое значение этой проблемы трудно переоценить, так как проводимая в последнее время переработка угля с точки зрения достаточно полной утилизации коксохимического сырья весьма несовершенна. Так сегодня из 14 коксохимических заводов Украины лишь Криворожский КХЗ частично (на 10 %) выделяет и рационально использует легкие пиридиновые фракции, а еще недавно 10-12 КХЗ выделяли их на 30-40 %. Необходимость утилизации отходов коксохимической промышленности связана, с одной стороны, с увеличивающимися темпами роста промышленных отходов, а с другой - с экономией их расходования, поскольку запасы вторичного сырья небезграничны, а цены на него и затраты на воспроизводство ресурсов непрерывно растут. Применительно к коксохимии это означает обеспечение термической переработки каменного угля при минимальных энергетических затратах и максимальном извлечении полезных веществ, особенно азотсодержащих. При этом поиск новых способов рационального использования промышленных отходов в качестве противокоррозионных материалов, в том числе ингибиторов коррозии, несомненно, важен. Рассмотрим возможности снижения выбросов загрязняющих веществ на примере ОАО «Запорожкокс» (рис. 9). Предприятие является ведущим в области решения экологических проблем и энергосберегающих технологий. В течение всего периода работы ОАО «Запорожкокс» и особенно в последнее время, на предприятии внедрено значительное количество передовых природоохранных и технологических мероприятий, направленных на достижение высокой степени защиты окружающей среды.

Рис. 9. ОАО «Запорожкокс»

11


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

На предприятии разработаны нормативы обосновывающие документы объемов выбросов и получено разрешение на выбросы вредных веществ в атмосферный воздух на 5474 тонн/год, со сроком действия до 08.09.2014 г. Предприятие имеет 172 источника выбросов загрязняющих веществ из них 16 пылегазоочистных установок. Эффективно работают 5 установки каталитического дожига загрязняющих веществ 3 в цехе смолоперерабатывающего производства и 1 установка в цехе улавливания. В 2009 году введена в строй новая установка термокаталитического дожига на которую поступает загрязненный воздух из установки грануляции пека, погрузка пека и дегтя в цистерны, хранилищ дорожного дегтя и напорных баков пека. В качестве аппарата для обезвреживания газов от органических соединений предусматривается термокаталитический реактор (ТКР), где углеводороды окисляются с образованием диоксида углерода и водяного пара (разработка НПФООО «Эко теплоналадка»). Для каталитического окисления выбросов используется в качестве катализатора волокно из муллитокремнеземлистого материала МКРРХ – 150. Преимущество использования катализатора:  катализатор не содержит драгметаллов;  легко регенерируется;  срок службы - 3,5 лет;  выдерживает температуру до 1200 0С без изменения физико–химических свойств;  обладает высокой теплоёмкостью;  по токсичности относится к 4 классу опасности, т.е. может быть утилизирован путем захоронения или использования как теплоизоляционный материал. Для сжигания загрязненных выбросов в ТРК подается коксовый газ. «Чистые газы» отводятся в дымовую трубу трубчатых печей отделения дистилляции смолы ЦСПП. Степень очистки вредных выбросов составляет 99,5%. Установка термокаталитического дожига располагается на существующей площадке цеха смолоперерабатывающего производства. На предприятии в течение многих лет успешно работают 4 установки безпылевой выдачи кокса (УБВК) – одна из них стационарная и 3 подвижных, которые обслуживают 3 коксовых батареи. В 2009 году была остановлена коксовая батарея на реконструкцию. Которая, проработала около 30 лет. С целью улучшения экологии промышленного региона в феврале 2009 года были выведены из эксплуатации пекококсовые батареи. С каждым годом постепенно сокращается количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Запланированные затраты по оценке рисков загрязняющих веществ здоровью населения в 2011 году составят -70,7 тыс. грн. В 2011 г. запланировано корректировку рабочей документации комплекса реконструкции коксовой батареи № 1 затраты составят 4753,7 тыс. грн. Достижениями коллектива предприятия за последнее время является: строительство и внедрение установок обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов коксовых батарей в 2002-2006 гг., работающих по принципу сверхмощной котельной. Данные установки, впервые в мире внедренные на ОАО «Запорожкокс», утилизируют тепло (порядка 12 Гкал/час) и снижают выбросы в атмосферу оксидов азота на 30 – 40%,оксида углерода на 90 %, твёрдых частиц в 2,5 раза, достигая соответствия норм международных стандартов. В 2008 году состоялся пуск в эксплуатацию турбогенератора мощностью 6 МВт, который обеспечил предприятие потребляемой электроэнергией на 30 %. 12


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

На сегодняшний день ОАО «Запорожкокс» активно занимается реализацией проектов «Совместного осуществления» в рамках Киотского протокола. По состоянию на сегодняшний день ОАО «Запорожкокс» выполнил все необходимые процедуры и вплотную подошел к продаже единиц сокращения выбросов. Ориентировочно до 20.11.2010 данный проект будет зарегистрирован, а дальше начнется процедура продажи единиц сокращения [14]. 3. Выбросы СО2 в химической промышленности Украины Сырьевая база химической промышленности дифференцируется в зависимости от природных и экономических особенностей отдельных стран и регионов. В одних районах это уголь, коксовый газ, в других - нефть, сопутствующие нефтяные газы, соли, серный колчедан, газовые отходы черной и цветной металлургии, в третьей - поваренная соль и др. Сырьевой фактор влияет на специализацию территориальных сочетаний химических производств. Химическое производство по мере совершенствования технологических методов может в свою очередь влиять на сырьевую базу.

Рис. 10. Химический завод Химическая промышленность связана со многими отраслями. Она комбинируется с нефтепереработкой, коксованием угля, черной и цветной металлургией, лесной промышленностью. Важнейшее значение для размещения отраслей химической промышленности имеют сырьевой, топливно-энергетический и потребительский факторы. Сырье для химической промышленности имеет решающее значение, его доля в себестоимости готовой продукции колеблется от 45 до 90%. В промышленности органического синтеза на один и тот же продукт сразу уходит несколько видов сырья.

13


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В химической промышленности больше, чем в других отраслях, используется воды. Для производства 1 т химических волокон нужно в 25 раз больше воды, чем для выплавки 1 т чугуна, и в десять раз больше, чем для выплавки 1 т меди, свинца или цинка. В целом нормы расхода воды в химической промышленности колеблются от 50 м3 в производстве хлора и соды - до 6000 м3 в производстве синтетических волокон. Фактор водоёмкости сильно ограничивает возможности выбора при размещении предприятий химической промышленности. Это тем более важно, что немало видов сырья встречается в маловодных районах. Во многих отраслях химической промышленности наблюдается высокая потребность в топливе и энергии. Поэтому очень часто химические производства ориентируют только на топливно-энергетический фактор. Это наносит большой ущерб окружающей среде. Химические загрязнения - твердые, газообразные и жидкие вещества, химические элементы и соединения искусственного происхождения, которые поступают в биосферу, нарушая установленные природой процессы круговорота веществ и энергии. Наиболее распространенными вредными газовыми загрязнителями являются: оксиды серы (серы) - SO2, SO3; сероводород (Н2S); сероуглерод (СS2); оксиды азота (азота) - NОx; бензпирен; аммиак; соединения хлора; соединения фтора; сероводород; углеводороды; синтетические поверхностно-активные вещества; канцерогены; тяжелые металлы; оксиды углерода - СО, СО2. На территории Украины находится 877 химически опасных объектов. Крупнейшими предприятиями химической промышленности в Донецкой области являются:  ЧАО «Северодонецкое объединение Азот»,  Горловский концерн «Стирол»,  Авдеевский коксохимический завод. Предприятия химической отрасли ежегодно выбрасывают в атмосферу около 24-25 млн. тонн СО2 экв. Основными «загрязнителями» атмосферы в химической отрасли в основном являются два вида производств:  производство аммиака. В 2006 году производство аммиака на шести азотных заводах составило 5,16 млн. тонн. Расход природного газа при этом составил 6,4 млрд. нм3, в среднем по 1250 нм3 на тонну аммиака. С учетом действующих производств карбамида, выбросы СО2 в атмосферу от аммиачных производств составляют около 12 млн. тонн.  производство азотной кислоты. В 2006 году было произведено 1,76 млн. тонн азотной кислоты. Выбросы закиси азота при этом составили около 6,5 тысяч тонн или 2 млн. т СО2 экв. Выбросы СО2 по всем остальным многочисленным химическим предприятиям за счет использования природного газа в качестве топлива составили в 2006 году около 3 млн. тонн. Учитывая большую энергоемкость действующих в Украине химических производств можно говорить о том, что потенциал снижения выбросов парниковых газов в химической отрасли достаточно большой. Так только снижение потребления природного газа при производстве аммиака с 1250 нм3/т до уровня передовых технологий 850-900 нм3/т позволило бы уменьшить выбросы СО2 в количестве до 3,5 млн. тонн ежегодно. Для многих заводов уже разработаны соответствующие предложения по модернизации производств. В целом с учетом всех химических производств возможный потенциал снижения выбросов парниковых газов в химической промышленности можно оценить на уровне до 8-10 млн. тонн СО2 экв. в год [13]. 14


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

4. Выбросы СО2 в цементной промышленности Украины Около 5% влияния человека на СО2 в атмосфере связано с производством цемента. Этот процесс связан с разрушением и нагреванием карбонатных пород: песчаника и мела. Так же эти породы используются в производстве железа, стали, и во многих других промышленных процессах. Цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбесто-цементных изделий. Производят его на крупных механизированных и автоматизированных заводах. 90-е годы были для украинских производителей цемента далеко не лучшим временем. С 1991 по 2001 гг. в стране производили вдвое меньше цемента, чем в советское время (тогда украинские предприятия выпускали в среднем 22 млн. т. цемента ежегодно). Но, несмотря на сложные времена, эта отрасль всегда была привлекательной для иностранного инвестора. С 1998 активизировалось вливание иностранного капитала в цементную промышленность Украины: CRH Group (Ирландия), Lafarge (Франция), Dyckerhoff (Германия), международный концерн Heidelberg Cement.

Рис. 11. Цементный завод В настоящее время заводы, принадлежащие иностранным компаниям, контролируют более 60% украинского цементного рынка. В начале 2000 годов ситуация на отечественном рынке цемента начала меняться в пользу украинского производителя. Этому способствует активное развитие строительной отрасли. На сегодняшний день в Украине работают 17 цементных предприятий. 15 из них входят в украинский концерн предприятий и организаций цементной и асбестоцементной промышленности "Укрцемент": ОАО "Донцемент", ОАО "Стромацемент", ОАО "Балцемент", ОАО "Днепроцемент", ОАО "Енакиевский цемзавод", ОАО "Волынь-цемент", ОАО "Ивано-Франковскцемент", ОАО "Подильский цемент", ОАО "Киевцемент", ОАО "Краматорский ЦШК-Пушка", ОАО "Кривой Рог Цемент", ОАО "Николаевцемент", ОАО "Цемент" г. Одесса, ОАО "Югцемент", Государственное предприятие "Харьковский опытный цементный завод" [11].

15


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

По утверждению специалистов, в недалеком будущем цементные предприятия должны направить основные силы на "осовременивание" производства. Некоторые из производителей уже сегодня проводят относительно мелкие реконструкционные преобразования: внедряют системы автоматического управления, оптимизируют процессы приготовления шлама, дозирования, погрузки и упаковки готовой продукции. Особое внимание должно быть уделено экологической составляющей производства цемента. На каждые 10 килограмм произведенного цемента выделяется 9 кг CO2. Мировое производство цемента составляет около 3 триллионов тонн цемента ежегодно, очевидно, что для цементной промышленности имеется большой потенциал в плане сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу. Хотя к настоящему времени существуют разработки, позволяющие понизить выбросы углекислого газа, ни один из предложенных процессов не позволяет полностью их устранить. Около 70% выбросов CO2 при производстве цемента образуется в ходе конверсии известняка в известь. Этот процесс представляет собой декарбонизацию известняка (CaCO3), приводящую к образованию извести (CaO) и CO2. Конечно же, большая часть выбросов CO2 обусловлена не разложением карбоната кальция, а сгоранием углеродсодержащего топлива, применяющегося для нагревания CaCO3. Основные пути сокращения выбросов СО2 цементной промышленностью заключаются в следующем:  Уменьшение доли клинкера в готовой продукции путем развития производства малоклинкерных композитных цементов - цементов низкой водопотребности, онкомолотых многокомпонентных цементов, пуццолановых цементов нового типа и др. Равноценные чистоклинкерному цементу по своим свойствам, они содержат до 50% минеральных добавок и снижают удельные пылевые и газовые выбросы из печей пропорционально снижению доли клинкера, т.е. до 2 раз. Этот путь, сопровождаемый и экономией топлива на 1 т цемента, вполне реален, но полнота его осуществления зависит от активной работы с потребителями. Учитывая известный консерватизм строительной практики, потребуется 10-20 лет для того, чтобы потребители, применяя новые цементы, перестали опасаться за будущее построенных объектов. Поэтому работы по внедрению этих цементов в строительство необходимо начинать немедленно и проводить неуклонно.  Мокрая очистка от СО2 отходящих печных газов. В настоящее время её суммарный продукт - карбонатно-сульфатный щелочной шлам - не имеет разработанных областей применения, а выделение из него твёрдой части, возврат её в цементное сырьё, фракционная кристаллизация из фильтрата соды, поташа, сульфатов натрия и калия, и очистка оставшегося раствора до возможности использования в обороте по стоимости осуществления сопоставимы с технологической линией цементного производства, породившей эти отходы. При этом, согласно накопленному зарубежному опыту, качество продуктов уступает соответствующей продукции химической промышленности. Возможное использование упомянутого шлама в целом совместно с обезвоживающими химическими добавками – для возбуждения пассивных шлаков цветной металлургии, сталелитейных и др., а также инактивных (в сочетании с кальциевыми цементами) природных горных пород до уровня пуццолан с получением аналогов шлакощелочных вяжущих, - требует проверки как перспективное дополнение кальциевых цементов. Щелочные цементы этого типа могут быть более стойкими в морской воде и жаростойкими по сравнению с портландцементом и его разновидностями, но на пути их выпуска возникает ряд экономических трудностей.

16


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Для их преодоления возможно совмещение этого пути со спекательным обогащением руд некоторых редких элементов путём их введения в цементные сырьевые смеси, обжига в клинкерообжигательных печах и выделения этих элементов в основном с пылью, без вовлечения в клинкер. При этом пустая порода утилизируется в составе цементного сырья, а удельные теплозатраты на обжиг клинкера практически не возрастают, причём редкие элементы переводятся в водорастворимые формы и извлекаются из упомянутого фильтрата с помощью фракционной кристаллизации. Опробование этой технологии для максимального числа редких элементов возможный путь для быстрой окупаемости мокрой очистки отходящих газов цементного производства - и не только от СО2, но и от SO2, H2S, NOx и т.п., но для этого уже сегодня следует начинать подобные исследования, не ожидая введения ограничений по выбросам СО2 в атмосферу. В противном случае цементную промышленность могут ожидать десятилетия бесприбыльной работы - вся прибыль будет уходить на затраты по организации мокрой газоочистки [12]. 5. Выбросы СО2 в электрометаллургической промышленности Данный раздел посвящен обзору электрометаллургической промышленности как источника загрязнения атмосферы пылью и различными газами, в том числе СО2. В частности рассматриваются пути снижения выбросов СО2 при работе дуговых сталеплавильных печей (ДСП). Украина в 2010г. по выплавке стали в мире занимала 7 место (40 млн.т). Хотя на долю ДСП в нашей стране приходится не более 4% общего объема производства, в последнее десятилетие выплавка электростали интенсивно наращивается. При несомненной экономической пользе, следует так же отметить увеличение экологического ущерба, наносимого данными предприятиями. В Украине электросталеплавильное производство, как и все металлургическое производство сосредоточено в восточных областях. Среди наиболее активных производителей в последние годы можно выделить:  1999г. - ЗАО «ИСТИЛ-Украина» (с 2008г. - Донецкий электрометаллургический завод), г. Донецк;  2007г. - ООО «Электросталь», г. Курахово;  2009г. - ООО «Азовэлектросталь», г. Мариуполь;  2009г. - ООО «ТСА Стил Груп», г. Павлоград;  2008 г. - ЗАО «НКМЗ», г. Краматорск. 5.1. Экологическая характеристика производства стали в ДСП Плавление стали в ДСП – относительно новый способ производства стали, который постепенно заменяет конверторный способ выплавки. Дуговая печь представляет собой сталеплавильный агрегат, в котором преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге. Выделяемое при этом тепло передается металлу либо с помощью излучения, либо непосредственно за счет теплопроводности. Общий вид ДСП вместимостью 150 т и всей электропечной установки приведен на рис. 12. 17


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 12. Общий вид ДСП: 1- корпус, 2- свод, 3- электроды, 4 - трансформатор, 5- система эвакуации пылегазовой среды Выплавка металла в ДСП сопровождается образованием значительных объемов пылегазовой среды. Количество газов, образующихся непосредственно в рабочем пространстве ДСП, относительно не велико и составляет 350-450м3 на тонну стали. Однако, объем первичных газов существенно увеличивается под воздействием следующих источников [2]. 1) Подсосы атмосферного воздуха в печь через различные неплотности (в основном, приоткрытое рабочее окно), обусловленные разрежением в рабочем пространстве печи, создаваемом дымососом системы газоочистки. Величина разрежения составляет 100-200 Па, что обеспечивает долю подсосов в общем газовыделении из печи обычно не менее 50-70%. 2) Средства интенсификации плавки (СИП). В режиме газокислородных горелок (ГКГ) на 1 МВт тепловой мощности затрачивается 100 м3/час метана (СН4) и 200 м3/ч кислорода, а выделяется 200 м3/ паров воды и 100 м3/ч диоксида углерода. Продолжительность использования ГКГ определяется временем от момента загрузки в печь металлошихты до расплавления примерно 50% ее количества. При этом ГКГ используются совместно с дуговым нагревом на максимальной мощности. Затем модули переводят в режим кислородных фурм для продувки жидкой ванны. 3) Работа фурм. При продувке ванны кислородом с помощью фурм, происходит окисление углерода шихты (7-8 кг на тонну стали) и инжектируется углеродистый порошок (8-20 кг на тонну стали). Продолжительность продувки в первом приближении можно принять как время для нагрева ванны жидкой стали от температуры ликвидуса (1490-1520°С) до температуры выпуска плавки, которая обычно регламентируется технологическими инструкциями в пределах 1620-1650 °С. Выход моноскида углерода составляет 2 объемных расхода кислорода, согласно стехиометрии реакции С+0,5О2=СО.

18


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

4) Дожигание моноксида углерода (СО), выделяющегося из ванны в жидкий период плавки при продувке ее кислородом после «накачки» углеродсодержащим порошком. Дожигание производится с помощью ГКГ, в специальном режиме, когда подается только кислород с расходом около половины от номинального, или же просто подсосанным в печь воздухом. Дожигание СО производится как с целью повышения экологической безопасности ввиду его токсичности, так и для получения дополнительной энергии реакции СО+0,5О2=СО2 +10МДж/кг СО. Однако использование тепла реакции может быть эффективным в случае реализации предварительного нагрева металлошихты отходящей пылегазовой средой в специальной емкости, в других случаях энергетическая эффективность дожигания минимальна, поскольку большая часть энергии идет на нагрев воды в охлаждаемых элементах печи. Как видно из уравнения реакции, при дожигание СО объем отходящих газов не изменяется (при нормальных условиях), но в рабочих условиях он возрастает в связи с увеличением температуры пылегазовой смеси за счет тепла химической реакции. Кроме того, изменяется состав газовой среды. 5) Незначительное влияние на выход газа из печи оказывают такие факторы: окисление электродов атмосферой в рабочем пространстве печи (расход электродов 1,8-2,5 кг/т стали) с образованием преимущественно СО, продувка ванны аргоном через пористые пробки в подине, наличие органики в загруженной в печь металлошихте и испарение элементов металлошихты и шлака в зоне горения электрической дуги. Химический состав газов в сводовом патрубке меняется в зависимости от периода плавки [3]:  Период плавления (рис. 13): 3-5% СО, 10-12% О2, 10-15% СО2, до 35% Н2О, 36-52% N2;  Окислительный период (рис. 14): 10-11% СО2, 10-14% О2, 15-25% СО, 50-60% N2.  Объемный расход газов в ДСП вместимостью 130 т достигает 30000-40000 м3/ч при нормальных условиях.

СО - 5% O2 - 12%

СО - 20% O2 - 12%

СО2 - 15% Н2О - 32% N2 - 34%

Рис. 13. Химический состав газов в период плавления

СО2 - 11% N2 - 55%

Рис. 14. Химический состав газов в окислительный период

19


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

На рис. 15 приведен химический состав отходящих газов по ходу плавки. Эти данные были получены в работе [4] и описывают процесс плавки с непрерывным анализом отходящих газов для 130-тонной ДСП постоянного тока (Германия).

Рис. 15. Химический состав отходящих газов по ходу плавки Аналогичный химический состав можно ожидать при работе аналогичных печей, установленных на отечественных предприятиях. Температуры газов на выходе из рабочего пространства могут меняться по ходу плавки в широком диапазоне: от 400-600 0С в начале плавления до 1500-1600 0С в период интенсивной кислородной продувки ванны. Как видно из приведенных данных, в процессе плавки стали происходит окисление углерода, и в составе выделяющихся из печи газов оксид и диоксид углерода (СО и СО2) составляют до 30%. В связи с этим особо актуальным является вопрос утилизации газа, образующегося в процессе работы ДСП. Рассмотрим традиционные способы отвода и локализации пылегазовой среды из рабочего пространства ДСП. 5.2. Организация эвакуации СО2, других газов и пыли из ДСП Существуют различные методы эвакуации образующихся при работе ДСП газов и пыли. В целом процесс эвакуации можно разделить на такие этапы: удаление пылегазовой смеси из рабочего пространства ДСП и из всего цеха, дальнейшее охлаждение смеси и в итоге пропускание ее через систему фильтров. Удаление пылегазовой смеси (ПГС) из ДСП осуществляется по двум контурам (рис.16):

20


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 16. Система газоудаления и газоочистки ДСП (обозначения в тексте) 1). Высокотемпературный контур обеспечивает эвакуацию ПГС из рабочего пространства печи через отверстие в своде (1) и включает: газоотводящий патрубок (3) с приведенным диаметром d, камеру дожигания с накатной муфтой (4), камеру пылеосаждения (5) и соединительный газоход (7). Выход ПГС из печи (в газоотводящем патрубке) при интенсивной технологии составляет 200-300 м3/т стали (при н.у.) при максимальном уровне температуры за цикл плавки 1600-17000С и среднем уровне 1000-12000С. Запыленность газа во время продувки ванны кислородом достигает 35 г/м3. Между газоотводящим патрубком и камерой дожигания находится регулируемый зазор для подсоса атмосферного воздуха с целью дожигания СО до СО2 и, главным образом, снижения температуры ПГС. Регулировка зазора производится по ходу плавки с помощью специальной накатной муфты или перемещением камеры дожигания. 2). Низкотемпературный контур обеспечивает эвакуацию неорганизованных выбросов (НВ) из печи, главным образом при загрузках металлошихты, выпуске плавки, а также в процессе плавки через электродные зазоры, и включает расположенный под крышей цеха зонт (2) и циклон (9) с соединительными газоходами. Низкотемпературный контур выполняют неохлаждаемым в виде стальных коробчатых (зонт) и трубчатых (газоходы) конструкций, причем диаметр газоходов для 120-150т ДСП составляет около 4 м. Тяговые возможности зонта регулируют системой поворотных заслонок, имеющихся в нем, открывая их на максимум во время завалки и выпуска, и перекрывая на минимум в периоды плавления и, особенно, нагрева. 21


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Объемный расход ПГС через зонт, расположенный, по технологическим соображениям, на расстоянии 10-15 м над печью, значительно превышает выход ПГС через высокотемпературный контур, главным образом за счет подсосов воздуха (более 90% всего объема). Однако температура газа в этом контуре обычно не выше 1000С. Хотя концентрация СО и СО2 в неорганизованных выбросах не велика благодаря сильному разбавлению воздухом, все же она существенно превышает допустимый уровень и требует улавливания и утилизации. ПГС обоих контуров смешивается, дополнительно охлаждается в конвективном охладителе (6) и поступает в блок рукавных фильтров системы газоочистки (11). Для устойчивой работы рукавных фильтров - основного узла системы газоочистки жестко регламентируется максимальная температура ПГС (как правило, не более 100-1200С) перед блоком, что обеспечивается при необходимости дополнительным подсосом атмосферного воздуха через регулируемые клапаны (10) [5]. Система газоочистки ДСП выглядит так, как показано на рис. 17.

Рис. 17. Газоочистка ДСП: 1- циклон, 2- конвективный охладитель, 3- блок рукавных фильтров, 4- дымосос, 5- дымовая труба Перспективным является изучение вопроса локализации выбросов пылегазовой среды из дуговых сталеплавильных печей и поиск новых путей разработки конструктивных решений системы газоудаления с применением их на практике. Выбор оптимального режима отсоса газов представляет сложную с математической точки зрения проблему, которая должна решаться с использованием численных методов расчета газовых потоков. Недостаточная интенсивность газоудаления существенно увеличивает количество вторичных выбросов, в том числе угарного газа (СО2) в атмосферу цеха. В то же время, по мере усиления средств пылегазоотсоса, увеличиваются скорости газовых потоков в объеме печи, что, в свою очередь, отрицательно влияет на угар металла и электродов. Оптимизация конструкции системы газоотсоса позволит решить сразу несколько экологических проблем ДСП: уменьшить вынос пыли из печи, что позволит снизить нагрузку на фильтры и уменьшить расход металла, а так же уменьшить выбросы СО2 в атмосферу цеха. 22


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Заключение Мы продолжим использовать органическое топливо, следовательно, продолжим выбрасывать в атмосферу большие объемы парниковых газов. ООН прикладывает все усилия для привлечения всеобщего внимания к глобальному потеплению и парниковым газам в течение ближайших 20 лет. 16 февраля 2005 г. на международной арене вступил в силу Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Одна из основных целей Киотского протокола в 2008-2012 гг. является снижение выбросы парниковых газов в мире на 5% (от уровня 1990 года). Обязательства Евросоюза состоят в снижении выбросов на 7%, Японии - на 6% и Канады – на 6%. В условиях экономического роста большинство развитых стран не сможет добиться выполнения своих обязательств только национальными мерами, это окажется неприемлемым с точки зрения затрат. Проблеме снижении выбросов парниковых газов нужно решать на глобальном мировом уровне. Сейчас выполняется поиск новых технологий по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов. Один из подходов: более эффективно использовать органическое топливо, с меньшими выбросами СО2. Мы можем увеличить использование источников энергии, не образующих СО2 (ветер, солнце, геотермальные, ядерные источники, гидро- и приливные электростанции). Другой способ – захватывать и хранить СО2, образуемый в процессе горения. Такая технология уже внедряется, она называется геозахоронение углерода и предполагает его улавливание и хранение. Такой способ утилизации позволит существенно уменьшить содержание СО2 в атмосфере. Литература 1. Доклад о состоянии окружающей среды в Донецкой области. Под ред. С. Третьякова, Г. Аверина, Донецк, 2007. – 116с. 2. Y.Toulouevski, I.Zinurov. Innovation in Electric Arc Furnaces. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010, - 258p. 3. Гудим Ю.А. Производство стали в дуговых сталеплавильных печах. Конструкции, технология, материалы: монография / Ю.А. Гудим, И.Ю. Зинуров, А.Д. Киселев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – 547с. 4. R.Kuhn, H.Geck, K. Schwerdtfeger. Continuous off-gas measurement and energy balance in electric arc steelmaking / ISIJ International, Vol.25 (2005), No.11. 5. Тищенко П.И. Повышение эффективности первичного газоудаления при модернизации дуговых сталеплавильных печей / Тищенко П.И., Тимошенко С.Н., Дунь Н.Б. // Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная металлургия». 2006, №2. 6. Экология, охрана природы и экологическая безопасность. Учеб. пособие. Под ред. проф. В.И. Данилова-Данильяна – М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. – 744 с. 7. Ковалев Е. Коксохимические предприятия Украины и проблемы экологии «Деловой вестник» № 03(166), 2008. 8. http://www.doneco.org.ua 9. http://ecodon.org.ua 10. http://www.planetseed.com 11. Рывок вперед в цементной промышленности Украины // Капстроительство. 2003 . C. 50-52 12. Юдович Б.Э., Дмитриев А.М., Лямин Ю.А., Зубехин С.А.. Цементная промышленность и экология. - АООТ ``НИИЦемент``, г.Москва. 13. http://www.pointcarbon.com/wimages/1_Ivashenko_RUS.pdf 14. http://www.zaporozhcoke.com 23


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПАРНИКОВЫМИ ГАЗАМИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ О.В. Казак Донецкий национальный университет Донецк, Украина 1. Проблема загрязнения атмосферы СО2 и последствия Климатическая система Земли охватывает атмосферу, Океан, сушу, криосферу (лед и снег) и биосферу. Действие этой комплексной системы описывается рядом параметров: температура, выпадение атмосферных осадков, влажность воздуха и почв, состояние снежного и ледового покрова, уровень моря. Однако к параметрам климатической системы относятся и более сложные параметры: динамика крупномасштабной циркуляции атмосферы и Океана, частота и сила экстремальных метеорологических явлений, границы среды обитания растений и животных. Часто при малой изменчивости простых параметров происходят значительные изменения сложных, что в основном и характеризует изменение климата. Глобальные климатические, биологические, геологические и химические процессы и природные экосистемы тесно связаны между собой. Изменения в одном из процессов могут сказаться на других, причем вторичные эффекты могут по силе превосходить первичные. Позитивные для жизни человека изменения в одной из сфер могут перекрываться вызванными ими вторичными изменениями, пагубными для жизни людей, животных и растений. Газы и аэрозольные частицы, которые человечество выбрасывает в атмосферу с начала промышленной революции, изменяют не только состав атмосферы, но и энергетический баланс. Это, в свою очередь, влияет на взаимодействие между атмосферой и океаном – главным генератором экстремальных погодных явлений. Океан занимает большую часть планеты, и именно течения и циркуляция вод определяют климат многих густонаселенных регионов мира. Потенциально очень опасно изменение циркуляции вод, например Гольфстрима под действием глобального изменения климата. Связи между компонентами климатической системы часто имеют обратную связь: усиление вторичного эффекта вызывает и усиление первичного и т.д. В этом случае изменения нарастают со все большей скоростью. Например, сокращение снежного покрова из-за повышения температуры уменьшает альбедо – отражение солнечной радиации обратно в атмосферу – и повышает количество энергии, поглощенной Землей, а это, в свою очередь, повышает температуру и ведет к еще более активному таянию снега и льдов. Это пример положительной обратной связи. В климатической системе имеются и отрицательные обратные связи. Например, усиление облачности, вызванное более интенсивным испарением при больших температурах, уменьшает интенсивность солнечной радиации и в конечном счете снижает температуру у поверхности Земли [1].

24


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В 1827 году французский ученый Фурье [2] дал парниковому эффекту теоретическое обоснование: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженную Землей длинноволновую тепловую энергию. В конце XIX века шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что из-за сжигания угля изменяется концентрация СО2 в атмосфере – и это должно привести к потеплению климата. В 1957 г. – Международном геофизическом году – наблюдения показывали, что уже идет значительный рост концентрации СО2 в атмосфере. Российский ученый Михаил Будыко [3] сделал первые численные расчеты и предсказал сильные изменения климата. Парниковый эффект вызывается водяным паром, углекислым газом, метаном, закисью азота и рядом других газов, концентрация которых в атмосфере незначительна. Конечно, парниковый эффект был всегда, как только у Земли появилась атмосфера. Другое дело – усиление парникового эффекта: человечество выбрасывает CO2, сжигает ископаемое топливо, миллионы лет изымавшееся из атмосферы и хранившееся в виде угля, нефти и газа. Но дело даже не столько в собственно потеплении, сколько в разбалансировке климатической системы. Резкий выброс CO2 – своего рода химический толчок по климатической системе. Средняя температура на планете от этого изменяется несильно, а вот колебания внутри ее становятся гораздо сильнее. Что мы и видим на практике: резкое усиление частоты и силы экстремальных погодных явлений – наводнений, засух, сильной жары, резких перепадов погоды, тайфунов и т.п. Эволюция глобального климата. Климат на Земле никогда не был неизменным. Он подвержен колебаниям во всех временных масштабах, начиная от десятилетий до миллионов лет. К числу наиболее заметных колебаний относится цикл порядка ста тысяч лет – ледниковые периоды, когда климат Земли был в основном холоднее по сравнению с настоящим, и межледниковые периоды, когда климат был теплее [4]. Эти циклы вызывались естественными причинами. По мнению ряда ученых, и сейчас мы находимся в "движении" от одного ледникового периода к другому, но скорость изменений очень мала – порядка 0,020С за 100 лет. Другое дело, что с начала промышленной революции изменение климата происходит резко ускоренными темпами (по порядку величины в 100 раз быстрее, чем движение к ледниковому периоду) и в результате деятельности человека, выбрасывающего в атмосферу парниковые газы при сжигании ископаемого топлива, а также уничтожившего большую часть лесов планеты [5]. Параметры климатической системы. Климат прошлого. Многочисленные исследования показали, что во многих местах, например в Сахаре, был влажный климат и богатая растительность. Палеоклиматические данные, основанные на кернах льда, кольцах деревьев, озерных донных отложениях, коралловых рифах, позволяют реконструировать климат прошлого. Много миллионов лет назад, во времена динозавров, климат был намного теплее, в среднем на 70С по планете в целом [6]. Затем климат постепенно становился холоднее, причем в истории Земли было немало резких изменений (в основном похолоданий), когда наблюдалось массовое вымирание живых организмов. Есть и еще один важный вывод: изменение температуры Земли на 20оС – это много, это уже приводит к массовому вымиранию видов. При этом в палеоклиматической шкале "резко" означает десятки и сотни тысяч лет, когда же "резко" означает сотни лет, последствия могут быть еще более драматическими. За ноль принята средняя температура за 1961–1990 гг. [7]

25


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Быстрые климатические изменения последних тысячелетий. С момента последнего отступления ледников из Центральной Европы наблюдались два этапа поразительно быстрого естественного потепления. Первое произошло примерно 15 тысяч лет тому назад – в конце последнего ледникового периода, второй период был примерно 3000 лет назад. В целом за последние 10 тысяч лет средняя глобальная температура немного уменьшилась из-за активной вулканической деятельности и других естественных причин, после чего она резко повысилась в ХХ веке [4]. Потепления или похолодания на 20С за последние несколько тысяч лет не было ни разу. Естественная изменчивость не превышала 1,50С [6]. В средневековый теплый период (примерно 1000 лет назад – можно вспомнить, что именно тогда была открыта Гренландия, названная викингами Зеленой землей) было существенно теплее, чем сейчас, но тогда не было предпосылок дальнейшего усиления эффекта изменения климата. В течение нескольких тысяч лет, до 1850 годов, объем парниковых газов в атмосфере был относительно стабилен, после чего начался резкий рост концентрации CO2. Если эта тенденция сохранится, то прогнозируется дальнейшее изменение климата, причем неравномерное по земному шару [4]. Особенно сильные изменения сейчас идут в континентальных районах высоких и умеренных широт, в то время как есть районы, где температура понизилась. В целом по земному шару потепление достигло 0,60С. На первый взгляд это очень мало, тем более что точность этой цифры составляет 0,20С. Однако из представленных выше данных видно, что это уже немало, это уже примерно 1/3 пути до очень серьезных экологических потерь. Причины изменений климата: естественные причины. Естественные факторы изменения климата включают смещения орбиты и угла наклона Земли (относительно положения ее оси), изменения солнечной активности, вулканические извержения, изменения количества атмосферных аэрозолей (твердых взвешенных частиц) естественного происхождения. Оценка вклада различных факторов в радиационное воздействие (прогрев атмосферы) показывает, что на 2000 г. по сравнению с 1750 г. изменения солнечной радиации усилили прогрев на 0,1–0,5 Вт/м2, изменение количества тропосферного озона – прогрев на 0,2–0,5 Вт/м2. Но, с другой стороны, изменения сульфатных аэрозолей снизили прогрев на 0,2–0,5 Вт/м2, а стратосферного озона на 0,05–0,2 Вт/м2 [8]. То есть имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере парниковых газов, оцениваемый как прогрев на 2,2–2,7 Вт/м2. Вулканические извержения. В результате извержений в атмосферу выбрасываются значительные объемы аэрозолей – взвешенных частиц, они разносятся тропосферными и стратосферными ветрами и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. Так, крупное извержение вулкана Санторини в Средиземном море около 1600 г. до н. э., которое, вероятно, привело к падению Минойской империи, значительно охладило атмосферу, что видно по кольцам годового прироста деревьев. Извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. снизило среднюю глобальную температуру на 30оС. В последующий год и в Европе, и в Северной Америке лета "не было", но за несколько лет все исправилось. В результате извержения вулкана Пенатубо в 1991 г. на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м2, что соответствует глобальному охлаждению по меньшей мере на 0,5-0,70С [7].

26


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Однако даже, несмотря на это, последнее десятилетие ХХ века стало самым теплым за весь период наблюдений. Заметим, что важна не сила извержения и не количество выброшенного пепла, а то, сколько его было заброшено на большую высоту – на 10 и более км, – так как именно это определяет радиационный эффект от извержения. Солнечный цикл и орбита Земли. Интенсивность солнечной радиации меняется, хотя и в относительно небольших пределах. Прямые измерения интенсивности солнечного излучения имеются только за последние 25 лет, но есть косвенные параметры, в частности активность солнечных пятен, что давно используется для оценки интенсивности солнечной радиации. Кроме изменения потока от Солнца, Земля получает разное количество энергии в зависимости от положения ее эллиптической орбиты, которая испытывает колебания. В течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в зависимости от орбиты нашей планеты. Меньшие колебания орбиты наблюдались в последние 10 тысяч лет, и климат стал относительно стабильным [7]. Однако в любом случае колебания орбиты – явление достаточно долгосрочное, оно принципиально важно в тысячелетнем масштабе времени, в то время как антропогенное воздействие на климат имеет гораздо более короткий временной масштаб. Антропогенные причины. К антропогенным причинам относится, прежде всего, повышение концентрации в атмосфере парниковых газов, в основном CO2, что вызвало усиление парникового эффекта. Другие причины – выброс аэрозольных частиц, сведение лесов, урбанизация и т.п. Баланс солнечной и длинноволновой радиации. В целом приходящая солнечная радиация (342 Вт/м2) равна отраженной радиации (107 Вт/м2) плюс исходящей от Земли длинноволновой радиации (235 Вт/м2) [7]. По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью, составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса. Из представленной ниже диаграммы видно, что на радиационные потоки большое влияние может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т.п. Концентрации парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота) возрастали в течении ХХ века и сейчас этот рост продолжается со все большей скоростью. Концентрации CO2 возросли с 280 ppm (частей на миллион) в 1750 г. до 370 ppm. Считается, что в 2100 г. концентрация CO2 будет находиться в пределах от 540 до 970 ppm [7], в основном в зависимости от того, как будет развиваться мировая энергетика. Парниковые газы характеризуются большим сроком нахождения в атмосфере. Половина всех выбросов CO2 остается в атмосфере 50-200 лет, в то время как вторая половина поглощается Океаном, сушей и растительностью. При этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80% поглощения CO2 и производства кислорода приходится на фитопланктон. Парниковый эффект от разных газов можно привести к общему знаменателю, выражающему то, насколько 1 тонна того или иного газа дает больший эффект, чем 1 тонна CO2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота 310, а для некоторых фторсодержащих газов несколько тысяч [5]. Однако, хотя концентрации метана и выросли примерно в 2,5 раза, это намного меньше, чем эффект от изменения концентрации CO2. Оценки показывают, что именно с CO2 вязано примерно 80% антропогенного парникового эффекта, в то время как метан дает 18–19%, а все остальные газы 1–2%. Поэтому во многих случаях, говоря об антропогенном парниковом эффекте, подразумевают именно CO2.

27


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Заметим, что в парниковый эффект в целом вклад еще больший, чем CO2, вносит водяной пар – главный парниковый газ планеты. Однако изменений его концентрации в атмосфере пока не зарегистрировано (ни антропогенных, ни естественных), поэтому о нем обычно умалчивают, хотя в принципе можно представить себе влияние человека на водяной пар, например — при сильном изменении процессов испарения на очень большой территории. Парниковые газы достаточно долго "живут" в атмосфере и хорошо там перемешиваются. В результате парниковый эффект не зависит от места конкретного выброса CO2 или иного газа. Фактически любой локальный выброс оказывает только глобальное действие, и уже глобальный эффект порождает вторичные эффекты, которые сказываются на климате того или иного конкретного места. Аэрозоли – мелкие частицы размером в несколько десятых долей микрона, которые находятся в атмосфере во взвешенном состоянии. Они образуются в результате химических реакций между газообразными загрязняющими веществами, от лесных пожаров, сельскохозяйственной деятельности, от выбросов предприятий и транспорта. Аэрозоли делают нижние слои тропосферы (до 10 км) более мутными и рассеивают свет, что понижает температуру приземного слоя атмосферы. Кроме того, аэрозоли усиливают облачный покров, что также приводит к охлаждению. Обычно аэрозоли находятся в атмосфере недолго: при наличии осадков, например, около недели. Поэтому действие аэрозолей достаточно локально [5, 7]. За последние 150-250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а значит, и запас углерода в наземных экосистемах в целом. В результате в атмосферу поступило большое количество CO2. Резко сократилась площадь лесов, прежде всего в тропиках. Выпас все большего количества скота в развивающихся странах, особенно в Африке, привел к деградации пастбищ. Все это повлияло как на местный климат, так и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. Для многих территорий угроза опустынивания, связанная с локальными явлениями (вырубка лесов, истощение запасов подземных вод, чрезмерный выпас скота и т.п.), усиливается последствиями глобального изменения климата (например, большей частотой засух, ливневым характером выпадающих осадков). Способствовала изменению климата и урбанизация. Сейчас в городах живет примерно половина населения планеты. Город с населением в 1 миллион человек в день производит 25 тыс. тонн CO2 и 300 тыс. тонн сточных вод [5, 7]. Кроме этого в больших городах температура выше на несколько градусов из-за большого количества "горячих" объектов – зданий, машин, и т.п. В развитых странах, находящихся в теплом климате, на кондиционирование воздуха расходуется больше энергии, чем на отопление. То есть борьба с потеплением с помощью кондиционеров приводит к еще большему потеплению. Главные наблюдаемые изменения: Температура. Большое количество независимо проведенных наблюдений подтверждает, что за ХХ век общее повышение температуры приземного слоя воздуха составило 0,60оС. На бытовом уровне измерения температуры воздуха это кажется ничтожной величиной. Но для огромного количества измерений за последние 150 лет и большого количества косвенных данных за предыдущие столетия такое изменение значительно и статистически значимо, что наглядно видно на графике из последнего отчета Всемирной метеорологической организации (ВМО) [7].Постоянно и быстро растет концентрация в атмосфере CO2. За последние десятилетия ее рост во много раз превысил сезонные и межгодовые колебания.

28


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

По свидетельству ВМО: "Все большее количество палеоклиматических данных свидетельствует, что темпы и продолжительность потепления в ХХ веке больше, чем в любой иной период за последнюю тысячу лет. Девяностые годы ХХ века являются, вероятно, самым теплым десятилетием тысячелетия в Северном полушарии. Самым жарким годом за весь период измерения температуры был 1998 г., а 2001 г. занял второе место". Возрастают как максимальные, так и минимальные среднесуточные температуры, однако минимальные температуры возрастают – "теплеют" более быстрыми темпами. По вертикальному профилю атмосферы потепление неравномерно, измерения радиозондов и спутников показывают, что тропосфера и поверхность Земли стали теплее, а стратосфера несколько холоднее [5, 7]. Осадки, снежный и ледовый покров, уровень моря. Продолжается увеличение осадков в средних и высоких широтах Северного полушария. Паводки стали наблюдаться даже в тех местах, где дождь – редкое явление. Уменьшается объем (площадь и толщина) льдов в Арктике, однако изменение льдов в Антарктиде пока несущественно. За последние 45–50 лет арктический морской лед стал тоньше почти на 40% (по состоянию на конец лета, начало осени) [7]. Наблюдается явное увеличение сильных и экстремально сильных явлений, связанных с осадками. Типичным стало более позднее образование льда и более ранний ледоход на реках и озерах, сокращение размеров ледников и таяние вечной мерзлоты. Наводнения и засухи, нередко сопровождающиеся гибелью урожая и лесными пожарами, стали более частыми, причем это нельзя объяснить ростом численности населения планеты или освоением новых земель. Повышение среднего глобального уровня моря в среднем за ХХ век находится в пределах 1-2 мм в год, что на первый взгляд кажется незначительной величиной. Но это больше показателей ХIХ века и, вероятно, в 10 раз превышает среднюю величину повышения уровня моря за последние 3000 лет [7]. С другой стороны, нет убедительных свидетельств изменения характеристик штормов. Развитие явления Эль-Ниньо (двухгодичная циркуляция атмосферы и океана в южной части Тихого океана) еще с середины 70-х годов стало необычным по сравнению с предыдущей сотней лет. По некоторым оценкам, более четверти коралловых рифов во всем мире разрушены в результате потепления воды. Если такая тенденция продолжится, то большая часть коралловых рифов погибнет через 20 лет. За последние несколько лет в наиболее сильно пораженных районах, таких как Мальдивские и Сейшельские острова, яркие цвета потеряли до 90% коралловых рифов, что является очень негативным признаком [5, 7]. Будущий климат. Климатическая система Земли содержит в себе элементы, зависящие от случайных величин (в статистическом смысле этого термина), поэтому подробный прогноз погоды в среднем возможен только на срок до двух недель. Однако сами процессы циркуляции атмосферы и океана уже удается довольно детально описывать с помощью математических моделей. Они основываются на физических законах и явлениях, все из них, включая и парниковый эффект, имеют достаточно строгое описание с точки зрения физики атмосферы и океана. Уравнения, описывающие эти законы, совместно решаются на пространственной сетке земной атмосферы и океана. В последние 25 лет для развития таких моделей было предпринято множество усилий и достигнут большой прогресс, кардинально изменилась компьютерная техника.

29


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В результате модели умеют воспроизводить динамику атмосферы и океана, облака и осадки, образование и таяние снежного покрова и морских льдов. Таким образом, можно смоделировать средний климат или набор его наиболее вероятных состояний на тот или иной год при определенных входных параметрах. В число входных параметров, конечно, входят и концентрация в атмосфере парниковых газов, и ряд естественных факторов, в частности вулканическая деятельность. В результате с помощью моделей ученые способны неплохо описать ход изменения климата с доиндустриальной эпохи и до наших дней, более того, модели позволяют "расщепить" естественные и антропогенные факторы. Расчеты с учетом только естественных причин и только антропогенных причин показали, что наилучшая точность достигается только при учете всех факторов, но что в целом именно антропогенные факторы вносят главный вклад в изменение климата начиная примерно с 1960 г. Если взять только естественные причины, то с 70-х годов ХХ века модельные кривые кардинально отличаются от данных наблюдений. Если же взять только антропогенные причины, то модельные кривые лезут вверх почти так же, как и данные наблюдений [5]. Сравнение результатов моделирования глобальной приземной температуры Земли и данных наблюдений Межправительственная группа экспертов по изменению климата в 1988 году мировое сообщество ученых объединило усилия по исследованию проблемы изменения климата — создается Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК или IPCC) — орган, работающий под эгидой двух организаций ООН: ЮНЕП и Всемирной метеорологической организации (ВМО). Это фактически постоянно действующий форум нескольких тысяч ученых, включая и десятки российских и украинских (О. Анисимов, И. Башмаков, Г. Голицын, Г. Груза, Ю. Израэль, И. Кароль, К. Кобак, В. Котляков, И. Мохов, Г. Менжулин, С. Пегов, С. Семенов, О.Сиротенко и многие другие), практически всех, кто с разных сторон занимается данной проблемой, – климатологов, экологов, экономистов и даже энергетиков, ведь решение проблемы снижения выбросов углекислого газа лежит в основном именно в модернизации энергетики. Важно, что этот форум носит официальный характер, представители правительств всех стран ООН одобряют официальные доклады МГЭИК до их выхода в свет. Поэтому тем более важно, что в первом же основополагающем докладе – Первом оценочном докладе, вышедшем в 1990 году, – ученые пришли к единому выводу: идет рост концентрации CO2, он вызван человеческой деятельностью и ведет к существенному изменению климата. Во Втором оценочном докладе, вышедшем в 1995 г., ученые пришли к намного более утвердительным формулировкам, а в Третьем оценочном докладе, содержится однозначный вывод о том, что происходящие изменения климата в основном обусловлены деятельностью человека [5, 9, 10]. МГЭИК продолжает свою работу, призванную обобщить все научные результаты и заранее предупредить мировое сообщество о наличии или отсутствии тех или иных эффектов изменения климата, их влиянии на экосистемы и человека, путях снижения антропогенного воздействия на климатическую систему. Сценарии. МГЭИК был разработан пакет сценариев развития событий в зависимости от выбросов парниковых газов, роста населения, применения более эффективных технологий и экономического роста в целом. На базе этих сценариев были сделаны модельные расчеты – проекции сценариев на рост средней температуры на период до 2100 г.

30


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Прежде всего рост температуры будет идти как минимум так же быстро, как и в последние десятилетия ХХ века. Размах прогнозов роста – от 1,4 до 5,80оС к концу текущего столетия. При этом 2-30оС выглядят наиболее вероятно (предполагается, что человечество немало предпримет для сдерживания изменений климата). Такое потепление очень значительно, ведь это только средние цифры. Вероятно, это беспрецедентное изменение за последние 10000 лет. Практически во всех районах суши вероятно большое количество жарких дней и периодов сильной жары. Ожидается рост числа и силы экстремального выпадения осадков. В различных районах мира на местном уровне ожидается значительное повышение и понижение количества осадков. В целом предполагается рост содержания водяного пара, испарения и осадков на глобальном уровне. Ожидается повышение уровня Мирового океана, но пока прогноз весьма неопределенный – от 10 до 90 см. Однако заметим, что повышение уровня на 50-90 см далеко не мало, это вызовет разрушение многих береговых сооружений и прибрежную эрозию, засоление питьевой воды и т.п. Оценка риска в целом. МГЭИК были оценены риски и последствия при разных сценариях. При оценке рисков в целом, они рассматривались для нижнего и верхнего диапазона изменений температуры к концу ХХI века, то есть для общего потепления примерно на 1,5-20С и на 4-50С. В лучшем случае риску вымирания подвергнутся только некоторые уникальные и находящиеся сейчас в опасности экосистемы, а в худшем случае погибнет большинство экосистем. Риск от увеличения числа экстремальных явлений будет в любом случае, но при большем потеплении он многократно возрастает. При меньшем глобальном потеплении проблемы затронут лишь часть регионов планеты, а в худшем случае затронут подавляющее большинство регионов. В лучшем случае экономические последствия могут быть смесью негативных и позитивных (во всяком случае для ряда регионов), а в худшем случае последствия будут строго отрицательными [5, 9, 10]. Продовольствие и водные ресурсы. Говоря о более конкретных негативных последствиях, МГЭИК прежде всего выделяет продовольственную безопасность [10]. Изменения климата приведут к снижению потенциальной урожайности в большинстве тропических и субтропических регионов. При росте же средней глобальной температуры более, чем на несколько градусов, будет и снижение урожайности в средних широтах (что, увы, не сможет быть скомпенсировано изменениями в высоких широтах). В первую очередь пострадают засушливые земли. Увеличение концентрации CO2 потенциально может быть позитивно, но это может быть с запасом скомпенсировано вторичными негативными эффектами, особенно там, где сельское хозяйство ведется экстенсивными методами. Другим негативным фактором является недостаток водных ресурсов. Изменения климата приводят к, увы, неблагоприятному перераспределению осадков. Там, где и их и так достаточно (например, в северных и средних широтах), осадков будет больше. А там, где их недостает, будет в целом меньше. Центральные континентальные районы, вероятно, станут еще суше. Резко возрастет межгодовая изменчивость количества осадков. Здоровье человека: наибольшее прямое влияние теплового стресса будет ощущаться в городах, где в наихудшей ситуации окажутся наиболее уязвимые (старики, дети, люди, страдающие кардиологическими заболеваниями и т.д.) и бедные группы населения.

31


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Однако изменение климата окажет далеко идущие побочные воздействия – распространение переносчиков болезней, снижение качества воды, ухудшение качества продовольствия в развивающихся странах. Возможно появление климатических беженцев и значительное переселение. Последнее во многом связано с растущим риском катастрофических наводнений и подъемом уровня моря. Над десятками миллионов людей, проживающих в дельтах реки низменных прибрежных районах, нависнет большая угроза. Население небольших коралловых островов будет группой особого риска. Уже рассматривается вопрос о расселении жителей ряда островов южной части Тихого океана. На Сейшельских островах, Маврикии и Мальдивских островах уже начато сооружение прибрежной защитной инфраструктуры. Экосистемы. Некоторые природные системы (ледники, коралловые рифы и мангровые заросли, тропические леса, полярные и альпийские районы), вероятно, претерпят значительные изменения, что может вызвать в их экосистемах необратимые потери. Ожидается значительное нарушение экосистем в результате пожаров, засух, наводнений, заражений паразитами, появления новых для данной местности. Будущий климат. Прогноз глобальной приземной температуры Земли в ХХI веке. Большее количество сильных осадков приведет к частым оползням, селям и лавинам, что ухудшит условия жизни горных экосистем. Общее воздействие на дикую природу двояко: ряд наиболее многочисленных видов будет усиленно развиваться, а более редкие и уязвимые виды будут на грани вымирания (в том числе и из-за влияния других видов). В целом изменение климата, безусловно, ведет к потерям биоразнообразия. Рассмотрение реальных возможностей миграции животных и растений показывает, что требуемая скорость миграции выше, чем возможности тех или иных видов, что на их пути могут встретиться естественные и антропогенные барьеры. В результате среднее глобальное потепление на 30оС может привести к большой потере биоразнообразия – так для млекопитающих таежных и горных экосистем потери составят от 10 до 60% видов [11-13]. Выводы Всемирной метеорологической организации. В сводном докладе "Наш будущий климат" [7] Всемирная метеорологическая организация как установленный факт признает само явление изменения климата и его в основном антропогенные причины. Однозначно указывается на опасность для человечества грядущих изменений. Они хотя и краткосрочны в геологическом масштабе времени (не более нескольких сотен лет – пока мировая энергетика основывается на ископаемом топливе), но за время действия данного эффекта многим экосистемам может быть нанесен необратимый урон, а человечеству придется понести огромные экономические и социальные затраты. Поэтому содержится призыв к борьбе за восстановление климата на нескольких фронтах и таким образом, чтобы обеспечить устойчивость всей климатической системы. Промышленность должна быть более эффективной, а автомобили переведены на другие виды горючего, лучше должно быть организовано землепользование, надо восстанавливать леса, шире и шире должны использоваться возобновляемые источники энергии. "И, что наиболее важно, мы должны изменить наши жизненные установки и быть готовыми жить так, чтобы обеспечить и благополучие всех государств, и сохранить климат на благо нашего будущего".

32


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

2. Краткая характеристика источников CO2: место металлургии среди источников загрязнения атмосферы Основные принципы учета выбросов CO2. Главной правовой основой национальной инвентаризации выбросов парниковых газов является Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК) [14]. В тексте РКИК учет выбросов называется разработкой кадастра, однако, как правило, используется прямой перевод с английского – инвентаризация. Так же обычно, когда говорится о выбросах, имеется в виду, что учитывается и поглощение СО2 наземными экосистемами. На международном уровне обязательства сформулированы достаточно дипломатично. В соответствии со статьей 4.1а РКИК, "все Стороны, учитывая... свои конкретные национальные и региональные приоритеты, цели и условия развития: а) разрабатывают, периодически обновляют, публикуют и предоставляют... национальные кадастры антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями всех парниковых газов". Статья 12.1а уточняет, что "каждая Сторона представляет национальный кадастр в той степени, в какой позволяют их возможности". Однако на национальном уровне (ЕС, США и Канада, Швейцария, Австралия и т.д.) устанавливаются жесткие требования по учету выбросов парниковых газов. Дополнительные требования вносит и Киотский протокол [15-18]. В Статье 5.1 сказано, что все страны Приложения I (в т.ч. Украина) не позднее чем за год до начала первого периода выполнения обязательств (то есть не позднее 2007 г.) обязаны внедрить национальную систему оценки антропогенных выбросов и поглотителей парниковых газов. Отчетность по выбросам парниковых газов становится обязательной и для иных, кроме РКИК, международных институтов, в частности для статистической отчетности Всемирного банка, Международного энергетического агентства, организаций системы ООН и т.п. Международное бизнес сообщество также начинает требовать от членов тех или иных клубов и институтов данные о выбросах парниковых газов. Например, так поступает Международный алюминиевый институт. Во многом ими движет желание заранее оценить потенциальные экономические и финансовые риски, связанные с выбросами парниковых газов. Отчетность по выбросам парниковых газов планируется включить в новое поколение стандартов ISO, и эта работа уже активно ведется. Фактически отчетность о выбросах парниковых газов скоро будет такой же нормой, как оценка воздействия на окружающую среду и контроль за выбросами обычных загрязняющих веществ. Парниковые газы не являются загрязняющими веществами в обычном понимании этого термина. В тех концентрациях, которые реально наблюдаются в атмосфере, они не оказывают прямого вредного влияния на здоровье человека или экосистем. Поэтому контроль ведется не за концентрацией того или иного парникового газа около предприятия, а только за абсолютным значением выброса за достаточно длительное время – обычно за год. Не имеет значения, был ли это залповый выброс или постепенная эмиссия. Выброс за год – фактически вклад данного источника выбросов (предприятия или его части) в глобальный парниковый эффект. Именно глобальный, так как парниковые газы долго "живут" в атмосфере, хорошо там перемешиваются, – и ни глобальный, ни региональный эффект не зависят от места выброса. На этом строится вся система торговли квотами на выбросы парниковых газов, иначе (например, если взять выбросы диоксидов) это была бы торговля здоровьем населения, живущего около источников выбросов.

33


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Кумулятивное действие различных парниковых газов. Важно кумулятивное действие всех парниковых газов, то есть суммарный парниковый эффект, вызванный тем или иным источником. Поэтому данные инвентаризации выражаются в единицах СО2эквивалента, а результирующее действие всех выбрасываемых газов получается как взвешенная сумма выбросов отдельных газов с весами, отражающими их парниковый эффект. За единицу принят эффект от СО2, выбросы остальных газов умножаются на определенные коэффициенты глобального потепления (ПГП). При этом РКИК принято, что берутся ПГП с так называемым 100-летним горизонтом осреднения, что означает, что сравниваются эффекты от выбросов 1 т того или иного вещества за 100 лет. Для метана ПГП равен 21, для закиси азота – 310, для SF6 – 23900. Это означает, что выброс 1 т. метана совершенно эквивалентен выбросу 21 т СО2 [14]. Газы, подлежащие учету. Список парниковых газов, подлежащих ограничению и инвентаризации выбросов в рамках РКИК определен в Приложении А к Киотскому протоколу и включает: двуокись углерода (CO2) и метан (CH4), закись азота (N2O), перфторуглероды (ПФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и гексафторид серы (SF6). По мере синтеза и использования новых ГФУ и ПФУ список будет дополняться. Водяной пар – самый распространенный парниковый газ – исключен из данного рассмотрения, так как нет данных о росте его концентрации в атмосфере (то есть связанная с ним опасность не просматривается). Озоноразрушающие вещества (хлорфторуглероды, HCFC-22, галогены, метилхлороформ, тетрахлорид углерода), которые в принципе также дают некоторый небольшой парниковый эффект, здесь не рассматриваются, поскольку они подлежат учету и запрещены к использованию в связи с выполнением странами обязательств по Монреальскому протоколу [14]. Категории источников выбросов. Имеется четко определенный список категорий источников, которые мировое сообщество в рамках РКИК договорилось считать антропогенными. Список имеется в международных методиках, а в самом общем виде он дается в Приложении А к Киотскому протоколу [14]. Для ряда источников это весьма условное деление, особенно в сельском хозяйстве. С источниками в энергетике, промышленности и транспорте проблем антропогенности не возникает, они все подлежат инвентаризации. Их можно подразделить на следующие категории: стационарные установки по сжиганию топлива (сжигание ископаемого топлива в котлах, печах, турбинах и пр.); мобильные установки по сжиганию топлива: автомобили, грузовики, локомотивы, самолеты, суда и т.п.; выбросы от технологических процессов включающие физико-химические процессы, при которых выделяется СО2 или другие газы, например при обжиге извести, производстве цемента, азотной кислоты, выплавке алюминия и т.п.; утечки парниковых газов подразумевают технологические или случайные утечки на стыках труб, форсунках, задвижках; утечки метана происходят при хранении угля, очистке сточных вод, из угольных шахт и карьеров, при переработке природного газа. Определение категорий источников выбросов, связанных со сжиганием топлива на энергетические нужды в пересмотренных Руководящих принципах МГЭИК 1996 года вводится следующая классификация основных категорий источников [9]: 1) Энергетика (Energy Industries). В эту категорию входят тепловые электростанции, и региональных АО-энерго, промышленные ТЭЦ, прочие электростанции, муниципальные и промышленные котельные, отпускающие энергию в сети общего пользования на нужды электро- и теплоснабжения региона, а также предприятия топливной промышленности. Учитывается расход топлива на выработку электроэнергии и теплоты и на собственные нужды, а также потери;

34


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

2) Промышленность и строительство (Manufacturing and Construction). В эту категорию суммарно включаются предприятия всех отраслей промышленности, действующих в регионе, в том числе черная металлургия, цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, легкая промышленность, пищевая, лесная (лесозаготовка) и деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная, машиностроительная, производство строительных материалов и собственно строительство и пр. Учитывается расход топлива, сжигаемого на все конечные (собственные) энергетические нужды во всех основных (производственных) и вспомогательных цехах и объектах предприятий (организаций); 3) Транспорт (Transport) включает железнодорожный, воздушный, водный, автомобильный и трубопроводный. Учитывается расход топлива, сжигаемого непосредственно транспортными средствами, исключая внутрихозяйственные перевозки и вспомогательные нужды транспортных предприятий; 4) Коммунально-бытовой сектор (Commercial and Institutional) включает социальную сферу услуг, городское хозяйство, торговлю, общественное питание и услуги. Учитывается расход топлива, непосредственно сжигаемого предприятиями на конечные энергетические нужды; 5) Население (Residential). Учитывается расход топлива, сжигаемого в домашнем хозяйстве на различные энергетические нужды; 6) Сельское хозяйство (Agriculture/Forestry/Fishing). Учитывается расход топлива, сжигаемого стационарными и мобильными источниками при проведении различных сельскохозяйственных работ организациями любых типов; 7) Прочие стационарные и мобильные источники (Other). Учитывается расход топлива, сжигаемого на все остальные нужды, по которым имеется статистическая информация о расходе топлива, но не очевидно, к какой категории ее отнести. В РКИК имеется и ряд особенностей в вопросе принадлежности выбросов ПГ, которые должны быть отмечены особо. Выбросы от производства электроэнергии целиком принадлежат тому, кто ее выработал (и продал). То есть экономия электроэнергии является снижением выброса парниковых газов, только если электростанция тоже включена в проект или программу снижения выбросов и на станции реально наблюдается снижение. Выбросы, связанные с бункерным топливом, проданным судам и самолетам, являющимся международными транспортными средствами, докладываются отдельно и не включаются в национальные выбросы. То есть пока они фактически исключены из системы ограничения выбросов из-за невозможности достичь консенсуса по вопросу принадлежности выбросов (порт отгрузки топлива, флаг судна, место регистрации судна и т.п.). Выбросы, связанные с утилизацией и переработкой отходов, принадлежат не предприятиям, производящим отходы, а организациям, занимающимся эксплуатацией свалок и очистных сооружений. Как правило, выбросы парниковых газов оцениваются там по валовым данным о переработке твердых или жидких отходов. Выбросы от сжигания или разложения древесины и продуктов из нее, равно как и сельскохозяйственных отходов (соломы и т.п.), предполагаются там, где древесина была заготовлена и в год заготовки. Из этого есть очень важное следствие: использование продуктов или отходов древесины в качестве топлива не является выбросом. Подразумевается, что вывоз древесины из леса уже учтен как выброс при подсчете общего баланса СО2 в лесах (поглощение минус выброс).

35


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Поглощение СО2 лесами и сельскохозяйственными землями. Поглощение СО2 лесами и сельскохозяйственными землями является "выбросом со знаком минус". Согласно РКИК и Киотскому протоколу поглощение (также называемое стоками или абсорбцией парниковых газов) также подлежит учету, но отдельно от выбросов [14]. В ряде случаев оно считается эквивалентным выбросам, например при подсчете выполнения обязательств на уровне стран на первый период обязательств по Киотскому протоколу. Но в большинстве случаев поглощение СО2 лесами находится в сильно неравном положении, что в какой-то мере отражает временность и неустойчивость такого поглощения, ведь леса не могут вечно накапливать углерод, в конце концов древесина либо разлагается, либо сжигается – и СО2 возвращается назад в атмосферу. Для этого введены специальные единицы абсорбции, есть сильные ограничения по типам лесных проектов и т.п. В методическом плане вопросы учета поглощения пока еще окончательно не решены на международном уровне. Так, наиболее современная методика [5] вообще не содержит главы по поглощению в результате изменений в землепользовании. Из-за больших сложностей было решено подготовить отдельное методическое пособие, работа над которым близится к завершению. Прямые и косвенные выбросы парниковых газов. Прямые выбросы парниковых газов – это выбросы источников, которые принадлежат или находятся под контролем предприятия, проводящего инвентаризацию, например выбросы из котлов, производственных и вентиляционных установок через фабричные трубы, выбросы автотранспорта, принадлежащего предприятию. Косвенные выбросы парниковых газов – выбросы, которые происходят в результате деятельности данного предприятия, но вне его контроля, например: выбросы при производстве электричества, которое предприятие покупает; выбросы при производстве продукции, покупаемой по контрактам; выбросы, связанные с использованием произведенной продукции. Согласно методике МГЭИК инвентаризация подразумевает учет только прямых выбросов [10]. Методики инвентаризации на уровне компании, например разработанный Всемирным бизнес советом по устойчивому развитию Протокол учета ПГ, рекомендуют учитывать в определенных случаях и косвенные выбросы. Также при планировании проектов по снижению выбросов желательно хотя бы приближенно оценить косвенные выбросы, так как их изменения в результате проекта могут существенно повысить или снизить ценность проекта. Основные принципы и уровни детализации учета выбросов. Известные методики инвентаризации позволяют подходить к ней весьма гибко. Они практически подразумевают несколько "уровней" детальности и точности оценивания выбросов. Простейший уровень (уровень 1) обычно требует минимума данных и аналитических возможностей. Более сложный (уровень 2) основывается на детальных данных и, как правило, учитывает специфические особенности страны/региона. Наиболее высокий уровень (уровень 3) подразумевает детализацию данных до уровня предприятий и отдельных установок и прямые измерения выбросов большинства газов [14]. Обязательность использования того или иного уровня обычно не регламентируется международной методикой, но зависит от решений на национальном уровне. В подавляющем большинстве случаев выбросы от источника не измеряются, а рассчитываются по данным о потреблении топлива и производстве продукции (если ее производство ведет к выбросам парниковых газов) и т.п.

36


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Имеется три уровня определения коэффициентов эмиссии, соответствующие различным уровням детальности проведения инвентаризации. Во-первых, коэффициенты, разработанные и рекомендуемые МГЭИК [9], когда нет никаких данных, кроме общего объема деятельности (например, сжигания угля, производства цемента и т.п.). Такие коэффициенты получили название коэффициентов, используемых по умолчанию. Для большинства категорий источников их использование допустимо только для ориентировочных оценок. Во-вторых, коэффициенты методики 2001 года [11], определенные для той или иной технологии: сжигания определенного вида топлива, производства и т.п. Именно такие коэффициенты используются в большинстве случаев. В-третьих, коэффициенты, являющиеся результатом специальных работ или исследований. Для последнего, наиболее детального, уровня есть две модификации. В первом случае делается корректировка имеющегося коэффициента МГЭИК для известной технологии с некоторыми вариациями. Например, делается более тонкий учет химического состава топлива, используемого на данном предприятии, или состава сырья при производстве цемента. То есть делается доработка методики МГЭИК для условий данного предприятия. Во втором случае делаются прямые измерения концентраций парниковых газов в выбросах в атмосферу для конкретного предприятия. Верификация. Под верификацией понимается однократная или периодическая проверка правильности определения выбросов парниковых газов – процедура оценки и контроля качества данных о выбросах, описанная в методике [10]. С организационной точки зрения на международном уровне имеется официальная процедура углубленной проверки данных национальных инвентаризаций. Верификация включает проведение регулярных проверок для обеспечения целостности, правильности и полноты инвентаризации, выявление и устранение ошибок и упущений. К верификации логически примыкает создание базы данных о выбросах. Ведение базы данных о выбросах парниковых газов. Согласно международной методике [10], создание базы данных о выбросах – документирование и архивация всех материалов и регистрация всей деятельности по контролю качества – является неотъемлемой частью работ по инвентаризации. Ниже перечислены типы информации, заносимой в базу данных:  критерии отбора данных, упрощающие предположения, коэффициенты выбросов;  таблицы первичных данных о деятельности (использование топлива, объем производства и т.п.);  информация о точности (неопределенности) данных;  информация о наличии изменений в данных или методах по сравнению с инвентаризацией за предыдущие годы;  информация об аудитах и прочих независимых проверках;  заполненные формы отчетности в соответствии с международными стандартами;  анализ тенденций изменения выбросов;  деятельность по контролю за качеством данных. База данных должна вестись таким образом, чтобы любой расчет или оценку можно было воспроизвести. Ее создание в полном объеме потребует значительного времени и затрат, поэтому, вероятно, заполнение базы данных будет вестись постепенно. Однако желательно сразу предусмотреть структуру базы данных и технические возможности для ее ведения в полном формате. 37


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

3. Состояние металлургии в Украине В процессе эколого-экономического развития Украины в 1992-2002 годах можно условно выделить два этапа [19-21]:  общий эколого-экономический кризис с одновременным сокращением использования главных природных ресурсов (1992-1998годы) – водных, минерально-сырьевых, ресурсных, земельных, снижение выбросов в атмосферу;  относительная стабилизация и начало возрождения (с 1999 года) промышленного производства с возрастанием в отдельных регионах объемов сброса загрязненных вод и выбросов вредных веществ. За период с 1992 по 2002 год ежегодная добыча минерально-сырьевых ресурсов соответственно уменьшилась:  угля с 180 до 78,5 млн. т/год;  железных руд с 110 до 56 млн. т/год;  марганцевых руд с 5,6 до 2,7 млн. т/год;  нефти с конденсатом с 5,8 до 4,1 млн. т/год;  природного газа с 18,2до 17,8 млрд. м3/год. В этой связи вопрос рационального и комплексного использования природных ресурсов наиболее сложным является в горнодобывающих районах Донбасса, Кривбаса и Прикарпатья. Огромные объемы сжигаемого топлива обуславливают не меньшее количество вредных веществ, выделяемых в атмосферу. При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются оксид углерода, диоксид азота, сернистый ангидрид, диоксид углерода и т.д. Многие вещества, образующиеся при сгорании топлива в топках и котлах на промышленных предприятиях относятся к так называемым «парниковым газам». Антропогенный рост концентрации в атмосфере CO2 и других парниковых газов приводит к повышению температуры и изменению климата. К парниковым газам относятся: CO2, СН4, N2O, гидрофторуглероды, перфторуглероды и гексафторид серы. Кроме перечисленных парниковым газом является водяной пар (важнейший парниковых газов атмосферы Земли). В данном случае вопросы экологии тесно связаны с вопросами комплексного и рационального использования ресурсов недр. Использование современных технологий, инновационных решений и тенденций, позволяющих сократить расходы топлива на производство продукции, поможет, как экономнее распорядиться доступными ресурсами недр, так и решить многие экологические проблемы, которые так актуальны для Украины. Данный вопрос хотелось бы рассмотреть на примере использования природного газа в металлургии [19]. Металлургический комплекс Украины включает в себя более 400 предприятий, причем подавляющая доля отрасли приходится именно на черную металлургию. К ней относятся около 350 украинских предприятий: это горно-обогатительные комбинаты, заводы по производству черных металлов, коксохимические и трубные заводы. По объемам производства черная металлургия занимает первое место среди промышленных отраслей экономики страны. Объем вырабатываемой ею продукции достигает 30% от общего производства, дает более 40 % валютных поступлений. В отрасли занято порядка 10% трудовых ресурсов страны, поэтому черная металлургия имеет для Украины важнейшее экономическое и социально-политическое значение.

38


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

К этому следует добавить, что металлургическая отрасль является крупнейшим потребителем энергоносителей, таких как кокс (получаемый из коксующихся углей), уголь, природный газ. Если уголь в достаточных количествах добывается на территории Украины, то основное количество природного газа импортируется в страну из-за границы. В прошлом году промышленность расходовала около 34 млрд. м3 импортного газа, в том числе металлургия потребила 9,5 млрд. м3. Природный газ является источником образования диоксида углерода, одного из самых распространенных парниковых газов (показатель эмиссии углерода для природного газа составляет 15 300 г/ГДж). Потребление природного газа в металлургии зависит как от объемов производства, так и от уровня технической оснащенности и используемых технологий выплавки стали. Показатели по удельному расходу газа на тонну произведенного проката у предприятий, которые используют современные модернизированные домны и плавят сталь в электропечах вдвое ниже, чем у производителей, работающих на морально и технически устаревших домнах и мартенах. В Европе уже давно отказались от мартеновской выплавки стали и предприятия перешли либо на электросталеплавильное производство, либо на конвертерное [20]. В металлургическом комплексе Украины в настоящее время существует ряд отраслевых программ по снижению потребления природного газа (а следовательно, и образования диоксида углерода) за счет комплекса мер по модернизации производства. Одним из мероприятий является замена существующего мартеновского производства кислородно-конвертерным, а ещё лучше – электросталеплавильным. Это позволит сократить ежегодный расход газа с 1,32 до 0,12 млрд. м3. Сейчас в Украине доля мартеновской стали составляет 44 %, кислородно-конвертерной 52 %, и только 4 % выплавляется электрометаллургическим способом, тогда как в Европе этот показатель равен 44%. Для сравнения: у АМКР доля мартеновской стали в общей выплавке составляет около 25 %, остальная часть выплавляется конвертерным способом, а ММК им. Ильича почти 50 % стали до сих пор выплавляет в мартенах. Соответственно, удельный вес газа в производственных расходах ММК им. Ильича составляет около 10 %, тогда как у АМКР 5 %. Еще ниже аналогичный показатель у заводов «Днепроспецсталь», «Истил» и «Донецксталь», располагающих электросталеплавильными агрегатами [20, 21]. В мартеновском процессе тепла, выделяющегося в результате химических реакций окисления примесей ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подается тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служит природный газ, а также коксовый и доменный газы. В результате протекания мартеновского процесса с использованием природного газа образуются вредные вещества, такие как: сажа, азота двуокись, оксид углерода, диоксид углерода, ангидрид сернистый, оксид железа, соединения тяжелых металлов (кадмия окись, меди окись, свинец, никель металлический, оксид цинка). В то же время источником тепла, необходимого для протекания технологического процесса в дуговой электросталеплавильной печи является электрическая дуга, возникающая между электродами. Природный газ используется только на вспомогательных элементах электросталеплавильного производства, но не участвует в непосредственной выплавке стали. При этом сокращается мощность выбросов диоксида азота, сернистого ангидрида, окиси железа, значительно сокращается выброс диоксида углерода, являющегося парниковым газом и в выбросах отсутствует сажа [20].

39


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В настоящее время многие предприятия Украины отказываются от мартеновского способа выплавки стали и переходят на более прогрессивные кислородно-конвертерные и электрометаллургические способы выплавки. Благодаря этому прогнозируется увеличение доли стали выплавленной в электропечах за счет строительства соответствующих мощностей на «Донецксталь» (1,8 млн. т), а также на заводе «Днепросталь» (1,3 млн. т), «Еврометалл» (1,8 млн.т). Таким образом, к 2010 году выплавка электростали в Украине увеличится на 5-6 млн.т. Если учитывать, что при этом произойдет ощутимое сокращение выбросов парниковых газов (за счет отказа от использования природного газа), а также значительная экономия как собственных запасов «голубого топлива» так и снижение затрат на его импорт, то замену мартеновского производства электросталеплавильным можно на сегодняшний день считать не только перспективным, но и необходимым направлением в металлургии. В Украине известны более 80 месторождений. Основные запасы (70 %) и добыча (более 80%) приходятся на Криворожский железорудный бассейн. Его продолжением на север есть Кременчугский железорудный район. Вместе с рудными районами Запорожской, Кировоградской и Полтавской областей. Криворожский бассейн составляет большую железорудную провинцию – Большой Кривой Рог. Промышленные запасы железных руд Криворожского бассейна составляют 16 млрд. тонн. Тут есть богатые и бедные руды. Богатые руды можно без обогащения использовать в металлургии. Промышленные запасы богатых руд составляют более 43 % всех разведанных запасов богатых руд. Добыча их составляет более 40 % всей добычи. Сегодня эксплуатируется более 90 % запасов богатых руд и более 50 % бедных. Содержание железа в богатых рудах в среднем составляет 57,6 %. Однако разработка богатых железных руд не обеспечивает потребности металлургии. Поэтому ведется разработка бедных руд – железистых кварцитов. Эти руды легко обогащаются. Процесс обогащения осуществляется на пяти горно-обогатительных комбинатах: Южном, Новокриворожском, Центральном, Северном и Ингулецком. Наиболее крупный среди них Южный ГОК [19]. Большое значение для промышленности имеет Белозерский железорудный район (Северо-Белозерское, Южно-Белозерское и Переверзевское месторождения). Почти 60% запасов – это богатые руды, которые содержат более 60 % железа и не требуют обогащения. Эта группа месторождений расположена за 75 км на юг от Запорожья. Освоение месторождений ведут запорожские железорудные комбинаты №1 и №2. Второй по размерам – Керченский железорудный район. Промышленные запасы здесь превышают 1 млрд. тонн. Здесь преобладают бурые железняки. Разработку месторождений руд осуществляет Камыш-Бурунский железорудный комбинат. Условия добычи очень благоприятны (открытым способом), поэтому себестоимость концентрата и агломерата очень низкая. Однако из-за низкого содержания железа концентрат (менее 45%) и агломерат (около 46%) используют в металлургическом производстве только в смеси с криворожской рудой. По объемам использования марганцевые руды занимают второе место среди руд черных металлов. Основная их часть (95-97 %) поступает в черную и цветную металлургию. Небольшая часть марганцевых руд используется в химической промышленности, керамическом и стекольном производствах. Их запасы составляют около 2 млрд. тонн. На Украине кроме основного Никопольского бассейна, включающий Никопольский, Великотокмакский и Ингуло-Днепровский марганцевые районы, известны еще Побужский, Донецкий и Карпатский.

40


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Разведан и эксплуатируются только месторождения Никопольского района. Рудные пласты залегают на глубине 15-120 м. Их мощность в среднем 2 м. Основные запасы составляют высококачественные руды, содержащие в среднем 27% марганца. Уровень разведанности и освоенности Никопольского бассейна высокий. Здесь разрабатывается девять месторождений, работает семь шахт и восемь карьеров. Месторождения западного участка бассейна разрабатываются предприятиями Орджоникидзевского, а восточного – Марганецкого горно-обогатительного комбинатов. Из руд цветных и редких металлов на территории Украины есть десять месторождений никелевых руд, сосредоточенных на Среднем Побужье (Кировоградская, Николаевская области) и Среднем Приднепровьи (Днепропетровская область). Запасы месторождений небольшие, качество руды невысокое. Побужская группа объединяет шесть месторождений, большинство из которых расположено в Кировоградской области. Эксплуатируется лишь Деенюское месторождение, которое обеспечивает сырьем Побужский ферроникелевый завод. Руду добывают в карьерах. Высокий уровень технического оснащения предприятий обеспечивает достаточно высокую эффективность добычи. Ртуть добывается на Украине в Никитовском месторождении Донецкой области. Оно разрабатывается с 1886 года. Ртуть перерабатывают на Никитовском ртутном комбинате. Месторождения, где можно добывать ртуть находятся в Ингулецко-Днепровском районе, месторождения алунитов – в Закарпатье. Запасы этого сырья незначительны. Еще один минерал, который является исходным сырьем для получения титана и его соединений и разрабатывается в Украине – это ильменит. Основные ресурсы ильменита сосредоточены в Житомирской и Днепропетровской областях. Благоприятные горнотехнологические условия дают возможность разрабатывать их карьерным способом. Их освоением в Житомирской области занят Иршанский горно-обогатительный комбинат [19]. Украина не имеет большой сырьевой базы цветной металлургии. Предприятия этой отрасли работают на привозном сырье. Обнаруженные на Закарпатье два месторождения полиметаллических руд – Береговское и Беганьское для разработки требуют вложения значительных ресурсов. Основные производственные мощности по добыче и обогащению руды были созданы в пятидесятые – шестидесятые годы, а максимальные объемы производства достигнуты: по товарной железной руде в 1978 году - 126 млн. т и по марганцевой руде в 1988 году - 7,8 млн. т. 4. Модели для оценки и прогноза состояния и уровня загрязнения атмосферы Общие сведения о моделях. Значительное количество теоретических и экспериментальных работ посвящено распространению загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. Рассмотрим математические модели, используемые для описания поведения выбросов в атмосфере на расстоянии по ветру до 10-20 км от источника. Для больших расстояний представленные ниже методы считаются менее приемлемыми. По мере увеличения расстояния масштабы распространения выброса в вертикальном направлении становятся сравнимыми с толщиной планетарного пограничного слоя, и обычные предположения об однородности не позволяют использовать упрощенные модель. Кроме того, ниже описаны условия, при которых эти модели применимы, а также видоизменения моделей, необходимые для применения в конкретных практических ситуациях, и метеорологические данные, используемые в этих моделях.

41


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Выбор вводимых параметров и корректировка моделей в применении к конкретной ситуации зависит от характеристик исследуемой области (по терминологии руководства МАГАТЭ площадки), района ее расположения и условий выброса. Таким образом, выбор подходящей модели или необходимого сочетания моделей для конкретной площадки и конкретных условий выброса нужно основывать на тщательном изучении площадки и характеристик источников загрязняющих веществ, значимых с точки зрения дисперсии. Особенно важно учитывать ограничения этих моделей. Модели используемые в разных странах в качестве государственных, в основном применимы к ситуациям, в которых метеорологические параметры, такие как характеристики ветров и вертикальный градиент температуры, приблизительно равномерны во времени и пространстве. В реальности могут возникнуть ситуации, в которых метеорологические параметры быстро изменяются во времени или пространстве. Общих моделей, которые бы охватывали все ситуации, не существует. Поведение потока, выбрасываемого в атмосферу. После того, как примеси (радиоактивный или токсичный газ или аэрозоль) попадают в воздух, характер их перемещения определяется их собственными физическими свойствами и свойствами атмосферы, в которых они находятся. Для того чтобы наглядно показать характер их поведения, полезно рассмотреть поведение потока в целом после его попадания в атмосферу (рис. 1). Выбросы проникают в атмосферу с определенной скоростью и температурой, которые обычно отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды. Движение выбросов имеет вертикальную составляющую, обусловленную начальной вертикальной скоростью потока и разницей температур, до тех пор, пока не исчезнет воздействие этих факторов. Этот вертикальный подъем выбросов называют подъемом шлейфа. Он приводит к изменению эффективной высоты H точки выброса. На путь распространения выброса воздействуют также изменения потоков вблизи таких препятствий, как здания и сооружения.

Рис. 1. Поведение загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу 42


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Следуя руководству [22, 23], будем использовать следующую терминологию. Движение потока под действием ветра в течение и после подъема шлейфа называется переносом. Турбулентное движение атмосферы вызывает произвольное движение выброса, приводящее к его распространению в горизонтальном и вертикальном направлениях за счет смещения с воздухом. Этот процесс называется атмосферной диффузией. Комбинация переноса и диффузии называется атмосферной дисперсией. Модели, описывающие эти процессы, называют моделями атмосферного переноса-диффузии или моделями атмосферной дисперсии. Выброс на стадии подъема шлейфа, переноса и диффузии может также испытывать воздействие таких процессов, как: 1) химическая трансформация примесей; 2) радиоактивный распад и накопление дочерних продуктов; 3) влажное осаждение:  дождь или снег (пар или аэрозоль попадают в капли воды или снежинки в облаке и выпадают в виде осадков);  вымывание (пар или аэрозоль захватываются ниже дождевого облака падающими осадками);  туман (пар или аэрозоль попадают в капли воды в тумане); 4) сухое осаждение:  седиментация аэрозолей или гравитационное осаждение (для частиц с диаметром более 10 мкм);  отложение аэрозолей и адсорбция паров и газов на предметах, находящихся на пути ветра; 5) образование и слипание аэрозолей. Большую часть этих эффектов можно описать математически и при необходимости включить в математические модели. Однако, строгих указаний на эти модели в гостированных (имеющих официальный государственный статус) методиках нет. Это фактически означает, что разработчики должны исходить из конкретной ситуации и использовать адекватные ей модели. При использовании моделей атмосферной дисперсии стабильность атмосферы необходимо выразить в следующих метеорологических параметрах или как их функцию переменных, перечень которых и пояснения к нему приведены ниже. Вертикальный градиент температуры. Вертикальный градиент температуры является показателем скорости понижения температуры окружающей атмосферы в зависимости от высоты. Он равен dZdT, где Т –температура в градусах Кельвина, Z – высота над поверхностью земли. Колебания направления ветра. Масштабы и периодичность колебаний направления ветра являются функциями интенсивности турбулентности (размера вихрей и т.д.). Поэтому на практике этот параметр используют для описания стабильности атмосферы. Среднее квадратичное отклонение колебаний направления ветра определяют с помощью электронной аппаратуры. Эти колебания могут быть обнаружены в записях о направлении ветра, которые имеют различную ширину графических кривых для различных условий стабильности. 43


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Инсоляция, облачность и скорость ветра. Тепловая турбулентность связана с тепловым потоком. Облачный покров уменьшает или увеличивает потери тепла, способствуя образованию нейтральной устойчивости. Сильные ветры, вызывающие усиленное перемешивание, также способствуют образованию нейтральной устойчивости. Ночью при ясном небе и слабом ветре атмосфера становится устойчивой, в то время как аналогичные условия в дневное время приводят к неустойчивости атмосферы. В дневное время целесообразно проводить измерения или оценки солнечной радиации для определения классов устойчивости, в ночных условиях можно использовать радиометры полного излучения; использование радиометров полного излучения может оказаться предпочтительным и в дневное время, когда коэффициент альбедо коротких волн имеет большую величину. Число Ричардсона – Ri. Это число выражает соотношение тепловой, или конвективной, турбулентности и механической турбулентности. Оно зависит от высоты и является безразмерным параметром, определяемым формулой:

где g – ускорение силы тяжести (м \ c-2); T – температура (K); Г – адиабатический вертикальный градиент (К× м-1); U – средняя скорость ветра (м \ c-2); Z – высота над уровнем земли (м). Это число является одним из основных параметров, учитываемых в ряде экспериментов по атмосферной дисперсии. Однако, как правило, для измерения требуется точная и чувствительная аппаратура, поэтому расчет Ri общепринятым методом может оказаться затруднительным. Объемное число Ричардсона определяется по формуле:

где UZ – скорость ветра на среднегеометрической точке высот, на которых замерялась температура для получения температурного профиля. Параметр RiB измеряется проще, чем Ri, поскольку для его определения не требуется знания градиентов скорости ветра. На практике UZ можно определить с помощью анемометра, установленного на метеорологической башне. При расчетах атмосферной дисперсии различные источники обычно классифицируют по их пространственной конфигурации и продолжительности выброса. К представляющим интерес пространственным конфигурациям источников относятся точечные, линейные, поверхностные и объемные. Линейные и поверхностные источники можно рассматривать как определенный набор эффективных точечных источников. На практике источники выбросов не являются точечными источниками в строгом смысле этого слова, но для упрощения математического описания их можно считать таковыми. 44


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В зависимости от продолжительности выбросы могут быть: быстротечными (длительностью от нескольких секунд до нескольких минут при времени перемещения, равном нескольким часам), краткосрочными (длительностью до нескольких часов) и непрерывными. Рассмотрим краткосрочные и непрерывные выбросы. Общий порядок оценки концентрации атмосферного загрязнения и/или дисперсии для данной площадки в течение как длительных, так и коротких периодов времени включает в себя:  выбор соответствующей модели с учетом неровности рельефа местности и высоты выброса для данной площадки и ситуации;  определение классов устойчивости (турбулентности) для конкретных условий с помощью соответствующих измеренных или визуально полученных параметров;  определение скорости ветра на нужном уровне (обычно на уровне выброса) с помощью измерений на этом уровне или путем расчета с использованием логарифмических соотношений или соотношений функции мощности, в зависимости от измерений на других уровнях;  определение эффективной высоты выброса с помощью выражений для подъема шлейфа;  определение коэффициентов турбулентности на заданном расстоянии из графиков или формул в соответствии с моделью, которую можно выбрать в справочной литературе, например [22, 23];  расчет концентраций и коэффициентов дисперсии по соответствующим формулам. В некоторых случаях для оценки дисперсии можно использовать упрощенные методы. Может оказаться возможным использовать уравнения, основанные на предположении о гомогенности характеристик атмосферной дисперсии в данном районе. Это особенно полезно, когда отсутствует конкретная метеорологическая информация о площадке, а сравнения с другими параметрами, такими как распределение населения (предварительное изыскание площадки), еще предстоит сделать, или когда речь идет только о незначительных выбросах. Даже при использовании сложных методов, хотя и известно, что концентрации более или менее связаны с различными показателями устойчивости, имеется очень мало информации по разбросу результатов в пределах конкретного класса устойчивости. Существует множество теоретических формул для расчета атмосферной дисперсии. Наиболее общее выражение для концентрации при наличии постоянного точечного источника мощностью Q без помех от земной поверхности при средней скорости ветра U, измеряемой на уровне шлейфа, получаем из предположения двойного распределения в уравнении Гаусса:

(1) где χ – средняя концентрация выброса в точке , Q – мощность источника, U – скорость ветра, усредненная по слою перемешивания, z, y, x – координаты. Для уравнения (1) начало координат находится в источнике. Ось x совпадает со средним направлением ветра. Ось y расположена перпендикулярно направлению ветра по горизонтали, а ось z – по вертикали. 45


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Параметры yσ и zσ представляют собой стандартные отклонения распределений концентраций в точке x соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях, перпендикулярно направлению ветра. Полная система координат приведена на рис. 2.

Рис. 2. Изображение системы координат и параметров дисперсии

46


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Уравнение (1) предполагает шлейф с осью в виде прямой линии в направлении ветра, и не учитывает пространственно-временные изменения направления ветра. Его можно также использовать и для отличной от прямой линии траектории шлейфа при условии, что ее кривизна не слишком велика. Параметры yσ и zσ в уравнении (1) увеличиваются с расстоянием x. Скорость их увеличения с расстоянием зависит от интенсивности турбулентности и тем самым от стабильности атмосферы. Для практического использования зависимости для yσ и zσ расстояния были определены на основании экспериментальных данных в различных полевых условиях. Важно иметь в виду, что выражение Гаусса – всего лишь приближение. На практике можно встретить отклонения от этого приближения, особенно в вертикальном направлении (z) при сильном порывистом ветре и на больших расстояниях. Тем не менее, оно является удобной предпосылкой для использования в основном уравнении (1). Перечень основных моделей, используемых для оценки загрязнения атмосферы. Количество и характер моделей определяют, с одной стороны, кругом задач, стоящих перед экологическими службами, а с другой – требованиями к точности моделирования. Разнообразие требований к характеру оценок загрязнения и высокая специфичность распространения выбросов примесей в различных метеоусловиях приводят к необходимости использования тех моделей, которые перечислены ниже. 1. Штатные модели служб ГО. Стандартная методика основана на эмпирических моделях и позволяет определить максимально возможную зону поражения при выбросах ядовитых веществ. Модель указывает не реальное положение облака выбросов в тот или иной момент времени, а обозначает границы, в пределах которых концентрация ядовитых веществ может достичь опасных для здоровья человека значений при неблагоприятных метеоусловиях. Модель проста и быстро работает. 2. Стандартные модели загрязнения атмосферы стационарными источниками, основанные на модели ОНД-86. Модели могут быть использованы для анализа квазистационарных процессов, когда характерные времена выбросов токсичных веществ превышают характерные времена перемещения воздушных масс в экспертируемой области пространства (например, случаи пожаров или утечек на продуктопроводах). Модель эмпирическая и позволяет рассчитать установившееся распределение концентраций токсиканта при заданном ветре и максимально неблагоприятном с точки зрения рассеяния примесей состоянии атмосферы. 3. Модели МАГАТЭ (международный стандарт) для расчетов загрязнений атмосферы, создаваемых стационарными источниками примесей. Это наиболее полные из существующих в настоящее время эмпирических моделей. Характер их детализации позволяет учитывать особенности местных метеорологических условий и производить расчеты распределений концентрации примесей в текущих метеоусловиях. Модели требуют значительных работ по привязке к местным условиям. 4. Простейшие нестационарные модели для расчета распространения облака загрязняющих веществ, предназначенные для эксресспрогноза. Модели строятся на основе методик и моделей МАГАТЭ и позволяют рассчитать траекторию и время движения облака выбросов до потери токсичности или в интересующей области в текущих метеоусловиях. Установившихся стандартов на такие модели нет.

47


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

5. Нестационарные модели загрязнения, учитывающие неоднородность подстилающей поверхности. Квазитрехмерные модели, основанные на использовании полуэмпирических моделей МАГАТЭ с решением уравнения переноса-диффузии примесей в приземном слое. Для повышения скорости и точности вычислений использованы высокоэффективные численные методы и учтена специфика решаемой задачи. Используются в случаях, когда необходимо учесть неоднородность подстилающей поверхности, а вычислительные ресурсы и/или недостаток информации не позволяют использовать модели 6. 6. Наиболее полные и совершенные нестационарные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере, в которые включены расчеты мезометеорологических характеристик атмосферы с учетом орографии (рельеф местности). Модели основаны на решении задач мезометеорологического прогноза и решении трехмерного уравнения переноса диффузии примеси. Требуют значительных вычислительных ресурсов и подробного задания больших объемов входной и начальной информации. Использование моделей этого класса оправдано, когда от результатов экспертизы зависят жизнь и судьбы людей, а специфика метеоусловий и орография местности таковы, что перечисленные выше модели неприменимы. Это случаи крупных аварий, имевших тяжелые последствия, или экспертиза проектов с прогнозом возможных событий, чреватых такими последствиями. 7. Модели, позволяющие прогнозировать загрязнение при штилевых условиях разных типов. Характеристики распространения и диффузии примесей в штилевых условиях и во время ветра различаются настолько, что для их описания требуются разные модели. Характер распространения загрязнения во время штиля существенно зависит от состояния атмосферы, орографии местности и начальных условий. 8. Блок моделей, позволяющих учесть процессы химической трансформации примесей. В случае необходимости его подключают к моделям 4–7. Используется в тех случаях, когда для анализа события существенным является учет химических реакций, протекающих в облаке выбросов, например, в случаях возможности значительного повышения или уменьшения токсичности. Подключение блока может значительно, в несколько раз, замедлить время работы расчетной модели. 9. Специальные модели для районирования территорий по вероятности аварий и по степени угрозы промышленным объектам и населению, которые строят на основе среднестатистических моделей с использованием информации о розе ветров данной местности. Существенным моментом при построении моделей этого класса является необходимость учета реакции объекта, подвергающегося воздействию облака выбросов. Характер реакции объекта зависит от его свойств, типа и концентрации токсичного вещества и продолжительности его воздействия. Объектом может быть и человек и промышленное предприятие. Модели для оценки загрязнения территории или объектов строятся на основе моделей 1–8. Выбор модели определяется характером необходимой оценки. Например, для оценки влияния на здоровье населения в случае выброса ядовитых газов можно использовать модель 1, в случае безвредных примесей вообще не требуется расчетов, а промежуточные случаи как всегда сложны для моделирования. 10. Комплекс синоптико-статистических моделей и автоматизированного прогнозирования неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), предназначенный для оценки и прогнозирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, а также принятия решения по атмосфероохранной деятельности как в краткосрочном, так и в долгосрочном аспектах. Для получения методик с высоким качеством прогнозирования необходимы исследования по диагностике погодных процессов синоптического масштаба, приводящих к

48


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

реализации НМУ, и на основе этих исследований создание классификации синоптических процессов. Разработка расчетных моделей базируется на многомерном статистическом аппарате. Построение прогностических зависимостей основано на теории решения некорректных задач, что позволяет получать устойчивые решения при наличии коррелированности параметров, описывающих синоптическую ситуацию. Прогностическая система включает в себя: прием и обработку метеорологической информации из каналов связи, контроль и корректировку данных, архивирование и собственно прогноз. Классификация существующих моделей. Процессы распространения примесей в атмосфере представляют чрезвычайный интерес для многих видов человеческой деятельности. В 1950-1960-е годы в исследования в этой области были вложены огромные средства. Заказ формировался, по-видимому, военными задачами и безопасностью АЭС. Были выполнены крупномасштабные натурные измерения как в США, так и в СССР. По их результатам были созданы эмпирические модели. Значительные усилия были затрачены также на развитие теории диффузии примеси в атмосфере. Позднее интерес к этим исследованиям объяснялся уже скорее задачами экологии. В настоящее время, по крайней мере, в России в качестве важнейшего приложения результатов подобных исследований являются задачи прогнозирования заражения территории при аварийных выбросах ядовитых веществ. Несмотря на обширность проведенных исследований [24-38], до настоящего времени нет сколько-нибудь общепринятой модели распространения примесей в атмосфере. Это объективно обусловлено сложностью и разнообразием процессов, а также субъективными факторами. Поэтому существует множество моделей самых различных типов. Прежде чем дать их обзор, необходимо ввести хотя бы простейшую классификацию моделей. Главным определяющим модели признаком является их эмпирический или теоретический характер. Строго говоря, во всех моделях присутствуют оба начала, но в одних – это простейшие и не слишком обоснованные рассуждения при тщательном достижении соответствия экспериментальным данным, а в других – фундаментальные уравнения теории диффузии в турбулентных средах со сложным математическим аппаратом и огромным объемом вычислений на ЭВМ. Классическими образцами эмпирических моделей являются модели, созданные Паскуиллом и Гиффордом [24] и в Институте экспериментальной метеорологии [25-27]. По сути эмпирическими являются и модели, созданные в ГГО [24, 26]. Хотя при изложении их научных оснований [27] и используются достаточно общие представления о пространственной турбулентной диффузии, они при конкретизации переходят в формулы, аналогичные [25]. Именно эти эмпирические модели [25, 26, 28] или близкие к [25] являются утвержденными в разных странах на государственном уровне для практического использования. Фундаментальные теоретические модели в настоящее время используются только для научных целей, они позволяют только качественно объяснить некоторые наблюдаемые эффекты. Наибольший интерес представляют модели, которые мы будем условно называть полуэмпирическими. Примером является модель, созданная в Институте экспериментальной метеорологии [28]. В таких моделях эмпирика дополнена довольно развитым математическим аппаратом, что позволяет анализировать достаточно сложные ситуации, значительно отличающиеся от исходных экспериментов, и фактически объединять

49


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

результаты разнородных экспериментов, например метеорологических и диффузионных. В этом главное отличие от чисто эмпирических моделей, которые описывают весь процесс в целом: на входе – параметры выброса, на выходе – концентрация в данной точке пространства. Примером такой модели является [35]. В этой модели в явном виде учитывается распределение ветра и коэффициента диффузии по высоте. Это сделано для того чтобы добиться соответствия диффузионных моделей эмпирическим. Особую роль такой учет играет при интересующем нас моделировании распространения примесей в приземном слое, то есть на высотах менее 50 метров. Общим недостатком такого рода моделей является их преимущественно исследовательская направленность, в связи с чем они не вполне доведены до практического использования. Относительно современного состояния модели такое утверждение сделано в [28]. Вторым признаком для классификации является богатство учитываемых в модели физических процессов. В эмпирических моделях зачастую физика процессов почти не учитывается или сильно искажается. Так, эмпирические модели с гауссовым распределением концентрации в струе и близким к линейному законом расширения струи (то есть практически все эмпирические модели) не могут быть проинтерпретированы как диффузионные. В монографии [34] показана возможность такой интерпретации при учете еще одного физического процесса – изменчивости ветра за время измерения концентрации. Ведущие зарубежные специалисты, читавшие курс лекций [35], в общей дискуссии смогли указать как причину реального линейного расширения струи, противоречащего теории диффузии, только поворот ветра с высотой. По-видимому, важны оба эффекта и оба не связаны собственно с диффузией. Но эта разница представлений о физических процессах ярко демонстрирует разрыв между эмпирикой и теорией. В более сложных моделях учитывают законы движения воздуха и диффузии, причем используют очень разные наборы упрощающих предположений. Почти все модели распространения дополняются учетом специальных процессов, таких как начальный подъем нагретых выбросов, оседание тяжелых частиц, вымывание примесей осадками. Для задач экологии важную роль играет также учет химических превращений веществ в процессе распространения, в частности модели фотохимического смога. Но эти вопросы не главные. Для прогноза необходимо явно разделить модель воздушных течений вблизи места выброса и модель распространения примеси. Третьим признаком для классификации является тип используемого математического аппарата. В значительной мере он связан с первым признаком и еще более непосредственно – со вторым. Эмпирические модели используют явные формулы, которые при реализации на ЭВМ не вызывают никаких затруднений, трудоемким является только ввод и вывод информации. Полуэмпирические модели содержат уже процедуры численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Теоретические же модели чрезвычайно разнообразны по аппарату: от теории подобия и чисто аналитических выкладок [29] до численного решения уравнений мезометеорологии с диффузией и трансформацией примесей как разностными методами [30, 31], так и методом Монте-Карло [32]. Особо следует отметить использование аппарата теории вероятности, который был основным у классиков [29], но в современных моделях играет весьма скромную роль. Вместе с тем в [33] убедительно показано, что вероятностный характер процессов принципиален для всех моделей, и в особенности для наиболее интересных для нас случаев кратковременных выбросов в атмосферу.

50


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Модели можно разделить также на стационарные (таких большинство среди эмпирических моделей) и нестационарные. Под моделированием мы понимаем в первую очередь математическое моделирование, но применяется и моделирование в лабораторных установках, когда макет зданий или территории обдувают в аэродинамической трубе с источником примеси. Следует сказать, что различные модели используют весьма разнообразные исходные данные, и зачастую отсутствие необходимых метеорологических данных диктует применение простейших грубых моделей. Альтернативой было бы численное решение мезометеорологической задачи, но практически этот путь пока не доступен как из-за сложности задачи, так и из-за ограниченности ресурсов ЭВМ. 5. Способы очистки и утилизации парниковых газов в металлургической промышленности 5.1. Общая характеристика проблемы очистки пылегазовой смеси в металлургии В мартеновском производстве черной металлургии для очистки отходящих газов используют пылеочистительные сооружения. Из 118 печей, работающих с продувкой ванны кислородом, газоочистки установлены за 106 печами, а из 178 печей, работающих без кислорода, газоочистки построены за 10 печами. Типы, количество и сроки службы аппаратов, установленных в составе газо-пылеулавливающих сооружений, представлены в табл. 1 [19]. Табл. 1. Типы, количество и сроки службы аппаратов, установленных в составе газопылеуправляющих сооружений металлургического производства Тип оборудования Электрофильтры типа: УГ ПГДС ДГПС Трубы Вентури: блоки одиночные Скрубберы Каплеуловители

Общее число аппаратов 37 22 1 32 55 28 78

Срок службы (в годах) 5 5-10 10 и более 17 9 11 — 22 — — 1 1 7 4 11

4 13 9 4

27 35 15 63

Для эффективной работы электрофильтров решающее значение имеет температура отходящих газов перед ними, которая не должна превышать 250°С, и скорость в активном сечении электрофильтра, оптимальное значение которой составляет 0,8-1,2 м/с. За мартеновскими печами в большинстве случаев установлены котлы-утилизаторы типа КУ-80, которые могут обеспечивать охлаждение до требуемой температуры отходящих газов в результате повышения садки мартеновских печей и интенсификации продувки без соответствующего расширения пропускной способности котла-утилизатора, газоотводящего тракта и газоочистки. Мокрые системы очистки в трубах Вентури установлены за 56 печами. Такая очистка газов получила распространение на заводах, имеющих оборотное водоснабжение и централизованные шламовые отстойники. Установки мокрой очистки сооружаются также в случае, если нет площадей, необходимых для размещения электрофильтров. 51


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

На ряде предприятий мокрые газоочистки работают неэффективно из-за нестабильности давления и расхода орошающей воды, высокого аэродинамического сопротивления газоотводящего тракта.

Рис. 3. Системы очистки мартеновских газов: 1 – мартеновская печь; 2 – котел-утилизатор; 3 – трубы Вентури; 4 – каплеуловители; 5 – дымосос; 6 – дымовая труба; 7– сухой горизонтальный электрофильтр.

Из установленных за мартеновскими печами аппаратов очистки около 70 % эксплуатируются более 10 лет, еще 13 % приближается к этому сроку, поэтому эффективная работа их может быть достигнута только за счет высокого качества ремонтных работ и правильной организации эксплуатации. Разрабатываются также системы сухой очистки мартеновских газов с использованием рукавных и слоевых фильтров, но пока эти разработки находятся на стадии опытных установок. На рис. 3 представлены основные системы очистки мартеновских газов, эксплуатирующиеся в нашей стране. Кроме указанных систем очистки, применяемых индивидуально для каждой мартеновской печи, используют централизованные установки, рассчитанные на несколько печей. Такая централизованная газоочистка занимает меньшую площадь, чем индивидуальные для каждой печи; кроме того, она имеет меньшую стоимость и более низкие эксплуатационные затраты. Для очистки мартеновских газов за рубежом применяют в основном сухие электрофильтры (в США электрофильтрами оборудовано 90 % мартеновских печей), реже — трубы Вентури и в отдельных случаях — тканевые фильтры и дезинтеграторы. Эффективность пылеулавливания в электрофильтрах превышает 99 %. Широко распространены в США централизованные газоочистные установки, когда мартеновские газы после охлаждения в башенных охладителях направляются сначала в общую для всех печей камеру смешения, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли, а затем – в группы электрофильтров, после чего выбрасываются в атмосферу через общую дымовую трубу. Работа системы очистки не автоматизирована.

52


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Такие системы эксплуатируются на заводе фирмы "Gohns and Laflin Steel" (г. Питтсбург), на заводах в Хоумстеде, Спарроус Пойнте, Лакавонне. На заводах фирм "Battleham Steel", "Sparrows Point" используются тканевые фильтры для очистки газов мартеновских печей. Капитальные и эксплуатационные затраты при этом наименьшие по сравнению с электрическим и мокрым способами [36-38]. Тканевые фильтры для очистки мартеновских газов применяют на заводах Чехии. Система очистки включает: холодильник (трубчатый из 6 секций) – для охлаждения газов от 600-800 до 270-300 °С; тканевые фильтры из 10 секций с 60 рукавами из стеклоткани в каждой, очистка рукавов осуществляется последовательно в каждой секции бункера для пыли. Максимальная концентрация пыли до очистки составляет 8 г/м3, после очистки 100 мг/м . Эффективность улавливания пыли при удельной нагрузке на ткань 54,5мз/(м2•ч) достигает 99,9 %. 3

В Англии и ФРГ для очистки мартеновских газов в большинстве случаев применяют электрофильтры и реже мокрую очистку с трубами Вентури. Считается более экономичным применение централизованных систем очистки, в которых отходящие газы нескольких мартеновских печей поступают в сборный коллектор и направляются в группу электрофильтров. Целесообразность применения централизованных систем очистки мартеновских газов связана с тем, что периодический характер процесса выплавки стали, приводит к резкому изменению количества, температуры и пылесодержания газов. Многолетняя практика работы мартеновских цехов показала, что совпадение периода плавки на всех печах практически исключается. Это делает целесообразным сооружение централизованной системы газоочистки для всех печей цеха. Такая система имеет по сравнению с индивидуальной ряд преимуществ: относительно малую площадь, занимаемую установкой; сокращение численности обслуживающего персонала; удешевление строительства в результате снижения веса конструкций и т.д. К ее недостаткам относятся сложность равномерного распределения газов по электрофильтрам и увеличение длины газоходов запыленного газа. Как у нас в стране, так и за рубежом отсутствуют решения по локализации и отводу выбросов при заливке чугуна, а также по локализации и отводу выбросов из окон мартеновских печей. 5.2. Очистка пылегазовой смеси от дисперсных частиц 1) Удаление пыли в электрофильтрах. Как видно из табл. 1, сухая очистка мартеновских газов от пыли в черной металлургии осуществляется в основном в сухих пластинчатых четырехпольных электрофильтрах типа УГ. В последнее время при проектировании газоочисток применяются электрофильтры унифицированной серии типа ЭГА. Если в схеме отвода мартеновского газа котел-утилизатор не работает, то перед очисткой газа в электрофильтре его охлаждают и увлажняют в полом испарительном скруббере. Как видно из схемы газоочистки (рис. 4), газ, отводимый от мартеновской печи, может направляться: в дымовую трубу без очистки; через котел-утилизатор в систему газоочистки и дымовую трубу; при остановке котла-утилизатора – по обводной линии (в этом случае газ охлаждают в оросительной камере или полом скруббере) [36].

53


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 4. Схема очистки мартеновских газов в сухих электрофильтрах: 1 – мартеновская печь; 2 – борова; 3 — шибер; 4 – камера для дожигания окиси углерода; 5 – котел-утилизатор; б – дымосос; 7 – направляющий аппарат; 8 – дымовая труба; 9 – электрофильтр; 10 – линия пневмотранспорта пыли; 11 – дроссель-клапан; 12 – испарительный скруббер.

С целью обеспечения безопасности ведения процесса очистки газа в электрофильтре окись углерода, содержащуюся в мартеновском газе, дожигают в специальной камере перед котлом-утилизатором. При содержании СО в газе более 1 % (объемн.) подачу напряжения на электрофильтр прекращают, измерение её концентрации производят автоматическими газоанализаторами, сблокированными с агрегатами питания электрофильтра. Для эффективной очистки газа в электрофильтре скорость газа в его активном сечении должна быть 0,9 – 1 м/с, температура его перед электрофильтром – не выше 250 °С (при применении электрофильтров типа ЭГА – 330 °С), а влажность 60 – 100 г/м³. При меньшем значении влажности в газоходе перед э.- фильтром устанавливают форсунки с мелким распылом воды. Максимальная температура газа на выходе из э.- фильтра должна быть не менее чем на 20 °С больше температуры точки росы [37]. Для обеспечения нормальной работы печи и эффективной очистки газа разряжение, создаваемое дымососом (эксгаустером), должно составлять не менее 4500 Па. В дальнейшем пыль из электрофильтров удаляют и на утилизацию и вторичную переработку. 2) Очистка газов в трубах Вентури. Дымовые газы охлаждаются в котле-утилизаторе и поступают в блок труб Вентури. Могут быть использованы с круглым и прямоугольным сечением горловины. Использование труб с круглым сечением горловины требует отключения части из них при изменении колличества газа в процессе плавки. Трубы Вентури с прямоугольным сечением дают возможность соблюдать оптимальный режим работы очистки газов в течение плавки путём регулирования сечения горловины. Окончательная очистка газов от укрупнённой пыли и капель воды осуществляется в инерционном аппарате, встроенном за трубами Вентури, и центробежных скрубберах. После очистки газ дымососом выбрасывается в дымовую трубу [36, 37]. После мокрой газоочистки устанавливают металлические дымовые трубы, т.к. кирпичные быстро разрушаются. Если используют кирпичные трубы, то для уменьшения выноса в атмосферу газа, содержащего капельную жидкость, перед дымовой трубой устанавливают устройство для подогрева газа. 54


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В некоторых случаях газ подогревают и перед дымососом. Это делают и с целью уменьшения отложений пыли на лопатках и в корпусе дымососа. После мокрой газоочистки пыль удаляют гидротранспортом в шламовую канализацию. При очистке мартеновских газов в трубах Вентури соблюдают высоконапорный режим (9-10 кПа). В трубах прямоугольного сечения применяют плёночно-форсуночное орошение. Удельный расход воды рекомендуют 1,25-1,5 л/м³, давление воды перед форсунками труб – не менее (29-35)·104Па. Для отделения капельной влаги и крупной пыли от газа после труб Вентури необходимо устанавливать инерционные пылеуловители, скорость газа в которых не должна превышать 2,5-3 м/с. Полное отделение капельной влаги и укрупненной пыли перед тягодутьевой машиной осуществляют и центробежных скрубберах с лопаточными завихрителями или тангенциальным подводом газа. В каплеотделителях с лопаточными завихрителями скорость газа в цилиндрической части должна быть 10-15 м/с. Высота цилиндрической части (от верха завихрителя) принимается равной 3,5-4,0 диаметра скруббера. Чтобы обеспечить нормальную работу мартеновской печи и эффективную очистку газа, разрежение, создаваемое дымососом (эксгаустером), должно быть при мокрой очистке не менее 150-1500 Па. Во избежание конденсации водяных паров из газа следует предусматривать теплоизоляцию газоходов чистого газа от каплеотделителей до тягодутьевой машины и от нее до дымовой трубы. При мокрой очистке, кроме пыли, улавливаются оксиды серы и в виде раствора серной кислоты переходят в оборотную воду газоочисток. Степень очистки газов от оксидов серы составляет около 30 %. 3) Эжекционная очистка металлургических газов. Совершенствуя традиционные способы очистки дымовых газов мартеновских печей, НПО "Энергосталь" разработало конструкцию малогабаритной эжекционной газоочистки, которая успешно прошла промышленные испытания на Магнитогорском металлургическом комбинате. Основным аппаратом такой газоочистки является пароэжекционная труба Вентури (ПЭТВ), ряд модификаций которой разработан НПО "Энергосталь". ПЭТВ представляет собой регулируемую трубу Вентури круглого или прямоугольного сечения. В ее конфузоре установлены сверхзвуковые парожидкостные сопла. Пароэжекционная труба развивает напор и устанавливает транспортировку очищаемых газов, что позволяет отказаться от установки в газоотводящем тракте дымососа или требует установки низконапорных дымососов. Дробление жидкости на мелкие капли и разгон их в сверхзвуковых парожидкостных соплах до скоростей 150-200 м/с обусловливают высокую эффективность пылеулавливания, остаточное пылесодержание 50-80 мг/м3. За счет высокой интенсивности процесса массообмена в ПЭТВ расход воды в 1,5-2 раза ниже по сравнению с высоконапорной трубой Вентури аналогичной производительности, что снижает нагрузку на оборотный цикл водоснабжения и соответственно сокращает капитальные затраты на его строительство или расширение. Газоочистки с ПЭТВ сооружены за мартеновскими печами № 1, 13, 17 Магнитогорского металлургического комбината (ММК) и успешно эксплуатируются с 1980 г. Внедрены два варианта газоотводящего тракта: I – отвод отходящих газов и очистка их от пыли осуществляются только за счет напора развиваемого ПЭТВ; II – за счет совместной работы ПЭТВ и дымососа.

55


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Вариант I. Схема газоотводящего тракта мартеновской печи № 1 ММК представлена на рис. 5, конструкция круглой ПЭТВ – на рис. 6. Пар, подаваемый в сопла, поступает от централизованной системы пароснабжения. Газоотводящий тракт по этому варианту наиболее прост в эксплуатации, компактен, требует минимальных капитальных затрат.

Рис. 5. Схема газоотводящего тракта МП № 1 ММК: П – пар; В – вода; ГП – газы из печи; Ш – шлам; 1 – боров; 2 – подъемный газоход; 3 – узел предварительного орошения; 4 – ПЭТВ; 5 – бункер; 6 – каплеуловитель; 7 – дымовая труба.

Рис. 6. Пароэжекционная труба Вентури: 1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор; 4 – паровой коллектор; 5 – водяной коллектор; 6 – сопло; 7 – регулирующий конус.

56


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Вариант II. Схема газоотводящего тракта мартеновской печи № 13 ММК представлена на рис. 7, конструкция прямоугольной ПЭТВ – на рис. 8. Особенностью данной конструкции является наличие узла пленочного орошения и регулировочных лопаток.

Рис. 7. Схема газоотводящего тракта МП № 13 ММК: 1 – боров; 2 – котел-утилизатор; 3 – дымосос; 4 – подъемный газоход; 5 – ПЭТВ; 6 – бункер; 7 – каплеуловитель; 8 – дымовая труба.

Рис. 8. Прямоугольная ПЭТВ: 1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор; 4 – регулировочные лопатки; 5 – узел пленочного орошения; 6 – дымовая труба.

По данному варианту может быть реализована схема без котла-утилизатора, что снизит капитальные затраты на сооружение тракта, но потребует подвода пара со стороны. В этом случае перед дымососом необходим узел предварительного охлаждения газов либо дымосос должен быть установлен после каплеуловителя. Вследствие низкого гидравлического сопротивления ПЭТВ (в отличие от высоконапорных труб Вентури) в представленной схеме применяется низконапорный дымосос типа Д (ДЦ, ГД) с затратами электроэнергии до 6 кВт/1000 м3 очищаемых газов. 57


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Высокая интенсивность массообменных процессов обусловливает не только эффективное улавливание пыли, но и газообразных вредных веществ, например оксидов серы, до 60 %. Для обеспечения длительной эксплуатации системы газоочистки следует изготавливать ее из нержавеющей стали типа 08Х18Н10Т. 4) Удаление пыли из отходящих газов двухванных сталеплавильных печей. Высокая температура отходящих газов двухванных печей требует применения для их охлаждения котлов-утилизаторов радиационно-конвективного типа (серии РК). Такие котлы-утилизаторы разработаны Центроэнергочерметом, однако до настоящего времени в серийном порядке не изготовляются. Вследствие этого охлаждение отходящих газов двухванных печей перед очисткой приходится осуществлять нерациональными способами – впрыскиванием воды или разбавлением воздухом. Иногда используют котлы-утилизаторы серии КУ, предназначенные для мартеновских печей. Имеется опыт эксплуатации за двухванными печами сухой и мокрой систем газоочистки. При сухой (рис. 9) дымовые газы, выходящие из холодной камеры двухванной печи, где протекают первые периоды плавки (беспродувочные), с температурой 1400-1500 °С, по вертикальному каналу поступают в шлаковик для охлаждения впрыскиванием воды до температуры 900-1000 °С. Последующее охлаждение газов до 700 °С, предусматривающее также дожигание оксида углерода, осуществляют подсосом холодного воздуха в общий боров через специальные люки. Далее по футерованному шамотным кирпичом газоходу газы подводят в форсуночный скруббер полного испарения, частично футерованный огнеупорным кирпичом (рис. 9), в котором они охлаждаются до температуры 200 °С и увлажняются до состояния насыщения. После скруббера установлен электрофильтр типа УГ с игольчатыми коронирующими и С-образными осадительными электродами.

Рис. 9. Схема охлаждения сухой очистки отходящих газов двухванных печей в электрофильтре: а – с охлаждением в скруббере; б – с охлаждением в котле-утилизаторе; 1 – двухванная печь; 2 – подвод воздуха для дожигания СО; 3 – скруббера 4 – сухой электрофильтр; 5 – дымосос; 6 – дымовая труба; 7 – котел-утилизатор.

При мокрой системе газоочистки с использованием скрубберов Вентури газы также охлаждаются впрыскиванием воды в шлаковик до температуры 900- 1000°С. В борове они охлаждаются до 700°С разбавлением воздухом, подаваемым вентилятором, через специальное сопло диаметром 700мм, установленное на входе. Одновременно происходит дожигание СО, для чего предусмотренны специальные горелки. Охлаждённые до 700-800°С газы направляют в серийный котёл-утилизатор КУ-80. После чего с температурой 200-250°С они поступают на газоочистку, состоящую из труб Вентури. Далее капли поступают в пылеуловители, а затем дымососами выбрасываются в дымовую трубу. Если скорость газа в горловине труб Вентури 115-125 м/с, а удельный расход воды 1-1,2 л/м³, то газоочистка работает с коэффициентом, превышающем 99%, при этом расход кислорода на продувку составляет 4000/6000 м³/ч и на прогрев 2500 м³/ч.

58


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

5.3. Очистка пылегазовой смеси отходов металлургического производства от газов 5.3.1. Очистка промышленных газов от окислов азота Существующие методы очистки подразделяются на три группы: поглощение окислов азота жидкими сорбентами, поглощение окислов азота твердыми сорбентами и восстановление окислов азота до элементарного азота на катализаторе [36-38]. Наиболее распространенным методом является очистка газов от окислов азота путем поглощения их растворами Na2CO3 и Са (ОН)2 , сравнительно реже – NaOH и КОН. Метод щелочной очистки требует больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов, но главный его недостаток в том, что степень абсорбции окислов азота не превышает 60-75% и, таким образом, этот метод не обеспечивает санитарной нормы очистки газов. Полученные в процессе очистки щелока нуждаются в дальнейшей многостадийной переработке для получения из них твердых солей. Метод поглощения окислов азота твердыми сорбентами – силикагелем, алюмогелем, активированным углем и другими твердыми поглотителями – не нашел промышленного применения из-за сложности, малой надежности и дороговизны. Метод каталитического восстановления окислов азота начал применяться только в последние годы и пока является наиболее совершенным методом. Главными его недостатками являются большие капитальные затраты; громоздкость оборудования, изготовляемого из дефицитной нержавеющей стали; необходимость применения дорогостоящего катализатора; большие потери катализатора при регенерации; значительные расходы газов восстановителей (Н2, СН4 или СО). В результате каталитической очистки в атмосферу выбрасывается другой ядовитый газ – окись углерода в количестве 0,10-0,15 %. Кроме того, каталитическая очистка не предусматривает утилизацию окислов азота и применима лишь в случае очистки слабо концентрированных газов, содержащих лишь до 0,5 % NO+NO2 и до 45 % кислорода. Основная трудность очистки выхлопных газов от окислов азота состоит в том, что в газах присутствуют окислы азота с различной степенью окисленности: газы слабо окисленные (содержание окиси азота в газе более 60% от общего количества NO+NO2 средне окисленные (содержание NO в пределах 45-60%) высоко окисленные (окислы азота преимущественно в виде NO2 более 60-70 % от их общего количества). Наиболее трудно производить очистку слабо окисленных газов. Двуокись и высшие окислы азота сравнительно хорошо поглощаются водой и водными растворами некоторых солей, окись азота (NO) большинством из указанных растворов не поглощается. Для полного поглощения окислов азота из газовых смесей необходимо предварительное окисление NO до NO2 не менее чем на 50-55%. Разработаны конструкции абсорбционных аппаратов, работающих при высоко турбулентном режиме, – это механические ротационные аппараты горизонтального и вертикального типов и полые распылительные абсорберы. Поглощение окислов азота жидкими сорбентами в механических абсорберах с большим числом оборотов. Влияние гидродинамических условий на скорость абсорбции окислов азота определялись в механических абсорберах с большим числом оборотов, а в качестве поглотителей испытывались растворы Са (ОН)2, NH3, Na2CO3 и др.

59


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

На 1/3 диаметра диски имеют радиальные разрезы, с помощью которых формируются лопатки, отогнутые навстречу друг другу под углом 15-17°. Области между дисками в аппарате разделены полудисками, создающими зигзагообразное движение газа в аппарате. При вращении дисков лопатки захватывают жидкость, которая заполняет нижнюю часть аппарата и распыляет ее по всему объему аппарата, при этом обеспечивается интенсивное перемешивание газа с жидкостью и высокоразвитая поверхность контакта фаз. Поглощение окислов азота раствором Са (ОН)2 протекает с образованием нитритнитратных солей по уравнению 4 NО2 + 2 Са (ОН)2 = Са (NO3)2 + Са (NO2)2 + 2 Н2О. В случае взаимодействия Са(ОН)2 с N2O3 образуется только Са(NО2)2 по уравнению N2О3 + Са (ОН)2 = Са (NО2)2 + Н2О. Механические абсорберы являются эффективными массообменными аппаратами, но применение их наиболее целесообразно при переработке сравнительно небольших количеств газа.

Рис. 10. Схема установки по очистке газов от окислов азота в равно проточной полой башне Очистка газов от окислов азота в равно проточной полой башне. Схема установки показана на рис. 10. Основным аппаратом является полый равно проточный абсорбер, представляющий собой цилиндрическую башню, в верхней части которой установлен центробежный объемный распылитель. Газ, содержащий окислы азота, из общего газопровода 1 по трубе 2 через задвижку 3 поступает в аппарат барботажного типа 4, в котором регулируется степень окисленности окислов азота, а в случае необходимости и концентрация газа. Из барботера газ через теплообменник 5 и измерительную диафрагму 10 поступает в абсорбционную башню, в нижней части которой размещен экран из слоя колец Рашига 22. Благодаря экрану газ равномерно распределяется по всему сечению башни и движется противотоком навстречу диспергируемой жидкости.

60


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

С целью создания равномерного движения газа по сечению в верхней части башни устанавливается второй экран 18, пройдя через который газ через выхлопную трубу 16 выбрасывается в атмосферу. Поглотительная жидкость поступает из напорного бака 8 через вентиль 3 и ротаметр 13 в приемную камеру распылительного устройства. Распыленная жидкость, благодаря наличию в башне отражательных колец 20, равномерно распределяется по всему сечению башни. Через штуцер жидкость поступает в приемный сосуд 12, оборудованный гидравлическим затвором, а оттуда забирается насосом 11 и снова подается в напорный бачок. Количество поступающего на абсорбцию нитрозного газа регулируется с помощью задвижки и измерительной диафрагмы. Температура газа меняется при прохождении через трубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого подается холодная вода или пар. Температура поглотительного раствора изменяется путем предварительного подогрева или охлаждения его в приемном бачке. Средняя температура в зоне реакции измеряется с помощью ртутного термометра 17. Установлено, что в полых распылительных абсорберах может быть достигнута высокая степень абсорбции окислов азота до 86- 88% и более.

Рис. 11. Схема промышленной установки для очистки газов от окислов азота в аппаратах комбинированного типа. Разработана конструкция абсорбционного аппарата, в нижней части которого установлен механический разбрызгиватель, приводимый во вращение электродвигателем через клиноременную передачу. Такие абсорберы успешно эксплуатируются на предприятиях, выбрасывающих газы с большим содержанием окислов азота. Комбинированные аппараты, или вертикальные механические абсорберы, хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Некоторые из этих установок, предназначенные для санитарной очистки газов от окислов азота, включают две ступени абсорбции с одним или двумя различными поглотителями. На одной из действующих установок (рис. 11) в качестве поглотителя первой ступени применяется раствор NаОН, а на второй ступени для доочистки газа используется слабый водно-аммиачный раствор, содержащий до 1,5-2,0% аммиака.

61


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Газы, поступающие на очистку, проходят по газоходу через клапан 2 и поступают в общий коллектор 3. Пройдя регулятор напора 4, газ через магистральный клапан 5 направляется по газоходу 7 в абсорбер первой ступени 14. Если температура поступающего газа ниже 0° С, он дополнительно нагревается до 10, 30°С в теплообменнике 6, в межтрубное пространство которого подается пар. Регулятор напора 4 автоматически, независимо от давления в общем коллекторе, обеспечивает определенный равномерный расход газа в течение всего периода его подачи в абсорбер. Если газ имеет температуру 250-350°С, он, как правило, содержит большое количество NО и поэтому, кроме охлаждения, нуждается в доокислении. С этой целью газ направляется через клапан 8 в теплообменник 9, где охлаждается до температуры 18-30°С и далее поступает в регулятор напора 10, после чего направляется в доокислитель 11. Сюда же высоконапорным вентилятором 12 через клапан 13 подается воздух в количестве, необходимом для окисления окиси азота. Объем доокисления рассчитан таким образом, что проходящий через него газ успевает окислиться не менее, чем на 50%, что необходимо для полной очистки газов от окислов азота. Охлажденный и окисленный газ по газоходу 7 поступает на очистку в абсорбер первой ступени 14. Система очистки газов состоит из двух последовательно установленных абсорберов 14 и 34, имеющих автономное орошение. Орошение абсорбера первой ступени производится 8-10%-ным водным раствором NаОН из бака 23, второй ступени – 3-4%-ным водным раствором NН4OН с помощью центробежных насосов 22. Приготовление рабочих растворов NаОН и NН4OН осуществляется в баках 23, 24 и 27. Уровень в баках приготовления автоматически поддерживается уравнемером 30, поплавками 32 и регуляторами 28 и 29. Слив отработанной жидкости производится через вентили 33; регулировка подачи жидкости на абсорберы осуществляется вентилями 31. Отделение капелек жидкости от очищенного газа происходит на колпачковой тарелке 35. Остановка системы производится автоматически, как только давление во входных штуцерах понизится и сработает реле давления 1. Автоматическое управление второй системой, работающей на аммиачной воде, осуществляется по аналогичной схеме. При использовании более концентрированных растворов увеличиваются потери аммиака с отходящими газами. При работе установки уже после первого каскада щелочной очистки концентрация окислов азота в газе составляет 0,12-0,63%. Степень очистки газа при этом равна 95-99%. После аммиачного каскада очистки окислы азота в отходящем газе не обнаруживаются. Успешная очистка газов от окислов азота до санитарных норм достигается и в случае, если орошение второго абсорбера производится раствором NаОН Очистка газов от слабоокисленных окислов азота. Наибольшую трудность в промышленных условиях представляет поглощение окислов азота с низкой степенью окисленности. Из-за избыточного количества окиси азота в этих газах необходимо подобрать такой поглотитель, который вступал бы в химическое соединение с NО или окислял ее до высших окислов. К первой группе относятся растворы солей кобальта, никеля, меди, марганца, двухвалентного железа, сульфиты натрия и аммония, ко второй – окислители, растворы перекиси водорода, марганцевокислого калия и др. Поглощение окиси азота растворами сернокислой закиси железа. Пределом химической сорбции NО раствором FeSO4 является молярное отношение NО к Fе++ равное 1:1. Присутствие в растворе FеSO4 серной и азотной кислот, солей или органических добавок снижает поглотительную способность раствора.

62


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

При сравнительно низких концентрациях NО в газе, в интервале скоростей газа от 0,1 до 1 м/сек, коэффициенты абсорбции NО увеличиваются пропорционально степени 0,8 линейной скорости газа. При абсорбции NО в условиях высокотурбулентного режима основными факторами, определяющими скорость процесса, являются: окружная скорость дисков, объемная скорость газа и парциальное давление окиси азота в газе. Абсорбция NO растворами FeSO4 при интенсивном перемешивании газовой и жидкой фазы протекает со значительной скоростью, превышающей скорость абсорбции окислов азота растворами щелочей при тех же условиях. Для очистки газа от небольших концентраций окислов азота могут быть применены отбросные травильные растворы металлообрабатывающих заводов с последующей регенерацией раствора и получением окиси азота в концентрированном виде. Поглощение окиси азота растворами сульфита аммония. Процесс очистки газов от окислов азота (при малой степени окисленности) раствором сульфита аммония основан на реакциях (NH4)2 SO3 + 2 NО  (NH4)2 SO3* 2 NО; ( NH4)2SO3 +NO2  (NН4)2 SO4 + NО. При поглощении NО раствором сульфита аммония получается комплексная соль, стойкая лишь в щелочной среде. В кислой среде соль распадается на сульфат аммония и закись азота (NH4)2SO3 + 2 NО  (NН4)2SO4+ N2O. Таким образом, в результате очистки газа от окислов азота образуется сульфат аммония и закись азота. Окисление и абсорбция окислов азота водными растворами окислителей. В основе этого метода лежат процессы взаимодействия окиси азота с водными растворами H2O2, КMnО4, КСlO3, КСlO, NаСlO, NаС1O2, Nа2O2, РbО2, Na2S2O3, К1, K2Cr2O7, (NH4)2S2O8, К2S2O3 и др. Образующаяся в процессе окисления NО азотная кислота вступает в реакцию с продуктами распада окислителя, при этом в растворе образуются соответствующие соли азотной кислоты. Скорость окисления NО жидкими окислителями на один, два порядка больше, чем скорость окисления окиси азота кислородом в газовой фазе. Однако жидкие окислители имеют относительно высокую стоимость и поэтому применение их может быть оправдано лишь в отдельных специфических условиях. Очистка газов от окислов азота водными растворами перекиси водорода. Применение для окисления окиси азота - слабого водного раствора перекиси водорода не загрязняет раствор побочными продуктами. Взаимодействие перекиси водорода с окисью азота в общем виде может быть представлено уравнениями Н2O2 + NО  NО2 + H2O 3NO2 +H2O  2HNO3 +NO. Образующаяся в процессе реакции азотная кислота может быть возвращена в систему или использована для других целей. Очистка слабоокисленных выхлопных газов от окислов азота растворами 3-5%-ной перекиси водорода может успешно заменить щелочной метод. 63


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Абсорбция слабоокисленных окислов азота водными растворами перманганата калия. Реакция взаимодействия перманганата калия с окисью азота в общем виде может быть выражена уравнением KMnО4 + NО + H2O  КNО3 + МnО2 + H2O. Образующиеся при этом продукты реакции могут быть использованы как добавка к удобрениям. Характерной особенностью процесса абсорбции окислов азота водными растворами КMnO4 является полное окисление и поглощение малых концентраций NО (до 0,1-0,2%). Процесс необходимо вести в щелочной среде, так как при этом достигается увеличение степени абсорбции окислов азота Поглощение высокоокисленных окислов азота. На многих предприятиях в атмосферу выбрасываются значительные количества NO2, N2O3 и паров азотной кислоты. Высоко окисленные окислы азота и пары НNО3 хорошо поглощаются водными растворами щелочей в аппаратах любого типа с образованием ценных нитрит-нитратных солей. В отдельных случаях и окислы азота при их небольшом содержании могут поглощаться такими поглотителями (раствор мочевины и др.), которые обеспечивают разложение окислов азота на нейтральные продукты. При поглощении окислов азота раствором мочевины происходит восстановление их до N2 и H2O по уравнению N2O3 + (NH2)2CO = СО2 + 2Н2О + 2 N2. Поглощение окислов азота раствором мочевины производится в механическом абсорбере с большим числом оборотов. Адсорбция окислов азота твердыми сорбентами. Методы адсорбции окислов азота из газов твердыми сорбентами позволяют осуществить тонкую очистку газа от окислов азота, а также получить концентрированные окислы азота путем десорбции их из сорбента изолированным теплоносителем. До настоящего времени наиболее эффективным сорбентом являлся активированный уголь, однако в процессе адсорбции и особенно десорбции он быстро окисляется, вследствие чего возникает опасность самовозгорания сорбента; кроме того, активированный уголь имеет низкую механическую прочность. Алюмогель имеет сравнительно небольшую адсорбционную емкость и недостаточную стойкость. В качестве твердых сорбентов исследованы активированный уголь, силикагель, алюмогель, алюмосиликат и синтетические цеолиты. Лучшим из испытанных сорбентов являются синтетические цеолиты и алюмосиликат; первые три сорбента непригодны для длительной адсорбции окислов азота. Синтетические цеолиты имеют сильно развитую поверхность и обладают хорошими сорбционными свойствами. Алюмосиликатный сорбент является эффективным поглотителем окислов азота и высокостойким в процессе регенерации. Сочетание его высокой поглотительной способности с механической прочностью, твердостью и термостойкостью определяет целесообразность его применения для сорбции окислов азота. Кроме того, алюмосиликатный сорбент каталитически ускоряет процесс окисления NO, что позволяет применять его для очистки среднеокисленных газов.

64


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Санитарная очистка газов от окислов азота и других примесей торфощелочными сорбентами с получением торфоазотных удобрений. С целью улавливания окислов азота разработан метод адсорбции окислов азота из газа торфощелочными сорбентами в аппарате с кипящим слоем. Наиболее дешевым и доступным является сорбент, состоящий из торфа и извести (пушонки). При больших скоростях процесса степень улавливания окислов азота этим сорбентом достигает 96-99%. Торф сам является хорошим сорбентом и довольно интенсивно поглощает окислы азота; при этом, благодаря присутствию в газе кислорода и окислов азота, значительная часть углерода торфа окисляется до хорошо усвояемых растениями гуминовых кислот. Присутствие в торфе порошкообразного СаО улучшает процесс поглощения окислов азота. Еще больший эффект дает применение торфа, предварительно обработанного аммиаком или при добавке аммиака к торфу непосредственно в кипящем слое, что приводит к практически полному поглощению окислов азота из газа. Вместе с тем торф способствует окислению нитритных солей до нитратных. Попутно с очисткой газов от окислов азота, двуокиси серы, тумана и брызг серной кислоты получаются торфоазотные удобрения. Очистка выхлопных газов от окислов азота, сернистого газа, тумана и брызг серной кислоты углещелочным сорбентом с получением углеазотных удобрений. Схема очистки выхлопных газов углещелочным сорбентом с одновременным получением углеазотных удобрений аналогична схеме очистки газов торфом, с той лишь разницей, что в качестве сорбента используется не торф, а окисленные и бурые угли. Степень очистки газа от окислов азота в реакционной зоне на угле в течение одного часа составляет 90-92 %. Если это время увеличивали до 2 час, степень очистки газа снижалась до 70 %. При этом степень очистки от SO2 достигала 95, а от тумана и брызг серной кислоты – 100 %. Очистка газов от окислов азота в производстве нитролигнина. Совместно с авторами и работниками Андижанского гидролизного завода разработан метод получения нитролигнина с применением азотной кислоты концентрацией 50-55%. Одновременно решен вопрос улавливания и использования окислов азота. Так как окислы азота в газе содержатся преимущественно в виде NO, для улавливания их требуется предварительное окисление окиси азота, что осуществляется в окислительной башне. После окислительной башни окислы азота выходят преимущественно в виде NO2 и полностью адсорбируются лигнином в адсорбере с кипящим слоем. В настоящее время в промышленности внедряется метод каталитической очистки газа от окислов азота на паладиевом катализаторе. Однако этот метод требует больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В результате очистки газов от окислов азота в воздух выбрасывается окись углерода. Капитальные затраты и эксплуатационные расходы по торфощелочному методу очистки хвостовых нитрозных газов от окислов азота значительно ниже, чем при каталитической очистке, вследствие чего этот метод является с экономической точки зрения наиболее выгодным. Каталитическое восстановление окислов азота. Тонкая очистка газов от окислов азота может быть достигнута методом каталитического восстановления окислов азота. Восстановление начинается при 149° С в случае применения водорода в качестве восстановителя и при 400° С – в случае применения в качестве восстановителя метана.

65


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Восстановление окислов азота происходит при пропускании смеси газов, содержащих окислы азота с газом - восстановителем, над слоем катализатора. Выделяющееся в процессе реакции тепло используется либо для получения пара, либо в газовой турбине. В качестве восстановительного агента используются водород, метан и газы: природный, отходящие нефтяные и коксовый. Для осуществления процесса используются катализаторы различных типов. Восстановление окислов азота возможно и без катализаторов при использовании высокотемпературного восстановительного пламени, при этом газы должны быть нагреты до температуры 950-1200° С. В качестве восстановителей могут быть использованы природный газ, водород и другие горючие вещества. Бескатализаторный метод восстановления окислов азота имеет меньшие перспективы для промышленного внедрения, вследствие большого расхода горючего газа-восстановителя. Восстановление окислов азота в потоке плазмы. Отличительная особенность этого метода в том, что нагрев газа производится в потоке низкотемпературной плазмы и добавки к газу - восстановителя производятся в количестве, необходимом для реакции восстановления окислов азота. Эта реакция протекает при 2100-2300° С Процесс разложения окислов азота протекает в плазмотроне, работающем на постоянном или переменном токе. Окисление окиси азота озоном. Реакция окисления окиси азота протекает с большой скоростью даже при незначительном содержании озона в газе. Основная трудность окисления и поглощения окислов азота по этому способу состоит в сложности получения больших количеств озона. 5.3.2. Очистка газов от двуокиси серы Среди газообразных веществ, загрязняющих атмосферный воздух, одно из главных мест занимает сернистый ангидрид (двуокись серы). В обычных условиях это бесцветный газ с резким раздражающим запахом. Основным источником загрязнения атмосферного воздуха двуокисью серы являются отходящие газы заводов цветной металлургии, выхлопные газы сернокислотных заводов и дымовые газы теплоэнергетических установок, сжигающих высокосернистое топливо. Существующие методы очистки газов от SO2 можно разделить на три группы: методы, основанные на окислении и нейтрализации SO2 без последующего ее выделения; циклические и комбинированные методы. К первой группе относятся методы очистки газов от SO2 с переработкой ее в серную кислоту или сернистокислые соли. К циклическим относятся методы, позволяющие извлекать SO2 из разбавленных газов при низкой температуре и выделять поглощенную SO2 при последующем нагреве поглотителя. При использовании комбинированных методов поглощение двуокиси серы производится различными основаниями с последующим действием на них сильных кислот, в результате чего выделяется концентрированная двуокись серы и соответствующие соли. Выбор метода извлечения двуокиси серы зависит от концентрации SO2, температуры, влажности, наличия в газе других примесей, а также от специфических местных условий.

66


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

При выборе метода необходимо учитывать масштабы производства, наличие местного сырья для приготовления поглотительных растворов, возможность реализации получаемых при очистке продуктов и т. д. Методы, основанные на окислении и нейтрализации SO2. В последние годы разработан и испытывается метод получения серной кислоты из малоконцентрированных газов. Этот метод позволяет достичь санитарной нормы очистки отходящих газов с одновременным получением ценного химического продукта. Отходящие газы предварительно очищают от пыли в электрофильтрах (рис. 12) и от каталитических ядов (Аs2O3 и SeO2) в промывных башнях 2 и 3, орошаемых серной кислотой.

Рис. 12. Схема получения серной кислоты из малоконцентрированных газов (схема СГ — слабые газы). Улавливание сернокислотного тумана, образовавшегося в промывных башнях, производится в волокнистых электрофильтрах 4. Очищенный от примесей сернистый газ с помощью газодувки 5 направляется в контактный аппарат 7. Однако перед этим он должен быть подогрет до 420-440°С. В существующих сернокислотных системах, работающих на концентрированных газах, подогрев газа осуществляется за счет тепла реакции окисления SO2 в SO3. Если содержание SO2 в газе низкое, тепло реакции окисления недостаточно и подогрев газа до температуры контактирования осуществляется путем добавления к нему топочных газов, получаемых в результате сжигания газообразного или жидкого топлива в топке 6. В связи с этим в контактном отделении не устанавливаются теплообменники, а понижение температуры газа между слоями контактной массы осуществляется путем добавления к газу атмосферного воздуха. Получаемая в контактном аппарате трехокись серы абсорбируется в башне 8. При больших количествах холодной воды целесообразно применять для поглощения SO2 из отходящих газов водный метод очистки. Благодаря низкому парциальному давлению SO2 над водой можно достичь практически полного поглощения двуокиси cеры водой. Однако на практике водная очистка газов от SO2 не нашла широкого применения из-за большого расхода воды и загрязненности сточных вод. При промывке сернистых газов водными растворами щелочей происходит поглощение SO2 водой с образованием сернистой кислоты, которая нейтрализуется щелочью с образованием солей сернистой кислоты.

67


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Из щелочных методов наиболее перспективны те, которые обеспечивают простоту и надежность работы установки, а также получение товарных продуктов, используемых в народном хозяйстве.

Рис. 13. Схема очистки выхлопных газов от SO2 известковым способом Известковый метод. Принципиальная схема установки по очистке отходящих газов от SO2 известковым способом представлена на рис. 13. По этому способу отходящие газы подвергаются предварительной очистке от механических примесей (пыли, сажи) в батарейных циклонах 1, после чего с помощью газодувки 2 направляются в скруббер 3, орошаемый известковым молоком. При взаимодействии известкового молока с SO2 протекают реакции SO2 + Н2O = Н2SO3; Са (ОН)2 + SO2 = CaSO3 + 2H2O. По мере циркуляции раствора в нем накапливается соль СаSО3. Когда концентрация ее в растворе достигнет 18—20%, раствор периодически заменяется свежим. Образовавшийся сернистокислый кальций плохо растворим в воде (0,138 г/л), поэтому в системе орошения скрубберов последовательно устанавливается кристаллизатор 5, служащий для выделения кристаллов сульфита кальция. Дальнейшее выделение CaSO3 происходит на вакуумфильтре 6. Шлам, состоящий из СаSО3 и CaSO4, образующийся за счет реакции 2СаSO3+O2=2СаSO4, выводится в отвал транспортером 7 и может быть использован для производства строительных материалов. Известковый метод обеспечивает практически полную очистку газов от SO2, но требует значительного расхода извести. Содовый метод. Сущность этого метода заключается в промывке отходящих газов водными растворами кальцинированной соды. При этом протекают реакции Na2CO3 + SO2 = Na2SO + СО2, Na2SO3 + SO2 + H2O = 2 NaHSO3. Процесс поглощения SO2 содовым раствором осуществляется в аппаратах насадочного или барботажного типов. Газ проходит последовательно две башни, первая из которых орошается раствором NaHSO3, вторая — раствором Na2SO3. Содовый способ обеспечивает хорошую очистку отходящих газов от SO2 с одновременным получением товарной соли NaHSO3 и Na2SO3. Однако он не нашел широкого применения ввиду ограниченного сбыта этих солей.

68


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Аммиачный метод. Процесс очистки выхлопных газов от SO2 аммиачным методом заключается в промывке газа аммиачной водой. При этом протекает реакция SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3; (NH4)2 SO3 + SO2 + H2O = 2 NH4 HSO3. В присутствии кислорода сульфиты окисляются до сульфатов (NH4)2SO3 + ½ O2 = (NH4)2SO4; (NH4)HSO3 + ½ O2 = NH4HSO4. Так как при взаимодействии сернистого газа с аммиачной водой получаются аммиачные соли, используемые как удобрение в сельском хозяйстве, аммиачный метод очистки газов от SO2 перспективен. Циклические методы. В основе циклических методов лежит способность двуокиси серы поглощаться при низких температурах, а затем при повышении температуры выделяться в чистом виде. В некоторых случаях для абсорбции SO2 используются твердые сорбенты. Циклические методы извлечения двуокиси серы являются наиболее эффективными и нашли применение в промышленности. Принципиальная схема извлечения и концентрирования SO2 циклическим методом показана на рис. 14. Охлажденный и очищенный от механических примесей газ поступает в абсорберы, орошаемые поглотителем. Очищенный газ выбрасывается в атмосферу, а поглотительный раствор нагревается в теплообменнике 3 и направляется в отгонную колонну 4, снабженную кипятильником 5. Смесь водяных паров с SO2 поступает в конденсатор 6, а затем в холодильную башню 8, орошаемую циркуляционной холодной водой (насыщенной SO2). Водяные пары конденсируются, а чистая двуокись серы извлекается из системы. Раствор охлаждают в холодильниках 7 и 9 и собирают в емкости 2.

Рис. 14. Схема очистки газов от двуокиси серы циклическим методом. Водный метод. Недостаток этого способа в том, что на регенерацию воды расходуется большое количество электроэнергии. Ввиду малой растворимости SO2 в воде поглотительная установка является громоздкой. Аммиачный метод. Капитальные затраты на сооружение очистных сооружений могут быть снижены, если в качестве поглотителя использовать более абсорбционноемкие поглотители (водный раствор аммиака и др.).

69


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Магнезитовый метод. Сущность процесса состоит в поглощении водной суспензии окиси магния MgO + SO2 == MgSO3. При нагреве сульфит магния разлагается на MgSO3 t=0 MgO + SO2 с получением товарного SO2, а окись магния снова направляется на поглощение. Как и в случае аммиачного способа часть (до 10°/о) сульфита магния в растворе окисляется в сульфат 2MgSO3 + O2 = 2MgSO4. Эта часть раствора должна быть компенсирована свежим. В производственных условиях рабочий раствор, содержащий MgSO3 и MgSO4 в шламе, непрерывно циркулирует в системе. Магнезитовый способ прост и обеспечивает полную очистку газов от 50 г. При этом расходуется незначительное количество сырья-магнезита. Однако из-за больших энергетических затрат и громоздкости технологического оборудования он не получил широкого применения. Цинковый метод. Этот способ очистки газов от SО2 аналогичен магнезитовому, но в качестве поглотителя используется суспензия окиси цинка. Отличительной особенностью цинкового способа является то, что на очистку можно подавать газы при высокой температуре (200-250°С). Газ должен быть предварительно очищен от пыли. Комбинированные методы. Комбинированные методы не позволяют возвращать в систему поглотительный раствор для повторного использования. Выделение двуокиси серы здесь происходит с попутным получением других побочных продуктов. Аммиачно-сернокислотный метод. При поглощении двуокиси серы аммиачной водой образуются сернистокислые соли, которые под действием серной кислоты разлагаются с получением 100%-ного SO2 и сульфата аммония 2NН4НSОз+ Н3SO4 = (NН4)2SO4 + 2SO2 + 2H2O; (NH4)2 SО3 + Н2SО4 = (NН4)2SO4 + SO2 + Н2O. Из перечисленных методов наиболее простыми и выгодными являются методы прямой нейтрализации и окисления. На втором месте стоят комбинированные методы. Из циклических методов наиболее перспективными являются аммиачный и ксилидиновый. Недостаток всех перечисленных методов — их громоздкость и большие капитальные затраты. Стоимость очистки выхлопных газов с малой концентрацией SO2 может быть значительно снижена, если применить эффективное оборудование и получать продукт, пользующийся большим спросом в народном хозяйстве. Полые распылительные абсорберы при меньшей стоимости и меньшем гидравлическом сопротивлении в 3-4 раза превосходят по эффективности аппараты насадочного типа; полые башни проще в изготовлении, имеют меньший вес и не засоряются в процессе эксплуатации. Применяемый для поглощения двуокиси серы водный раствор сульфита аммония отличается большой химической емкостью. При очистке газов от SO2 указанным методом получается ценное удобрение для сельского хозяйства – сульфат аммония.

70


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

5.3.3. Очистка газов от сероводорода Сероводород в большинстве случаев является ядом для катализаторов и живых организмов. Тщательная очистка газов от сероводорода необходима в производстве синтетического аммиака, синтетических спиртов, при гидрогенизации жиров, в производстве газов бытового и, применяемого в металлургической промышленности и т. д. Современные методы очистки промышленных газов от сероводорода подразделяются, в соответствии с агрегатным состоянием поглотителя, на сухие и мокрые способы. В качестве сухих поглотителей в промышленности широкое распространение получили гидрат окиси железа и активированный уголь, а в отдельных случаях марганцевые руды. Мокрые способы очистки газов от сероводорода (H2S) подразделяются на окислительные, круговые и комбинированные. При окислительных процессах применяют поглотители, окисляющие сероводород до элементарной серы. В комбинированных процессах очистки в качестве поглотителя применяется обычно раствор аммиака, образующий вместе с сероводородом, при его каталитическом окислении, сульфат аммония. В круговых процессах применяют слабые щелочи, с которыми сероводород связывается в сульфиды, а затем отгоняется от поглотительного раствора в неизменном виде. Очистка газа от сероводорода гидратом окиси железа. Сущность этого метода заключается в том, что газ пропускают через твердую сыпучую массу, содержащую Fе(ОН)3. При этом сероводород вступает в реакцию с Fе(ОН)3, образуя Fе2S3 и FеS. Одновременно в газ подается небольшое количество воздуха с тем, чтобы содержание кислорода в нем не превышало 1 %, который окисляет серу, содержащуюся в Fe2S3 и FеS и образует снова гидрат окиси железа. Очистка газа от сероводорода активированным углем состоит в том, что газ пропускается через слои активированного угля с добавкой к газу кислорода и некоторого количества аммиака, служащего катализатором. При этом на поверхности угля протекает реакция между сероводородом и кислородом с образованием элементарной серы 2Н2S + О2 = 2S + 2 Н2О + 106 ккал. Степень очистки газа достигает 85-90%, что последующих технологических стадий переработки газа.

удовлетворяет

требованиям

Мокрая очистка газа от сероводорода. В процессе мокрой очистки газ промывается соответствующим поглотителем, абсорбирующим сероводород. В дальнейшем поглотитель подвергается регенерации с выделением элементарной серы или сероводорода. В зависимости от типа применяемых поглотителей различают следующие методы мокрой очистки: железощелочной, мышьяковощелочной, никелевый, железоцианидный, этаноламиновый и ряд других. Мышьяковощелочной метод очистки газа от сероводорода применяется в двух вариантах: мышьяковосодовом и мышьяково-аммиачном. Технологические схемы и аппаратура мышьяковосодового и мышьяковоаммиачного способов одинаковы, поэтому одна и та же установка может работать без существенных изменений как по одному, так и по другому способу. Железоцианидные способы основаны на окислении Н2S суспензией комплексных соединений железоцианидов в аммиачном растворе.

71


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Технологическая схема процесса, аппаратура поглощения Н2S и регенерации раствора аналогичны процессам и аппаратам мышьяковощелочных способов очистки газов от Н2S в которых содержится NН3. Никелевый способ по технологической схеме и устройству аппаратуры близок к железощелочным методам. В качестве поглотителя применяется 2%-ный раствор кальцинированной соды с добавкой NiSO4, который служит катализатором для окисления сероводорода в элементарную серу. Никелевый способ применим для очистки газов, не содержащих HCN (нефтяные, генераторные и водяные газы), с которой NiSO4 дает устойчивые не регенерируемые соединения. Степень извлечения сероводорода из газов этим способом достигает 95 %, выход элементарной серы – 85 %. Круговые способы очистки газа от Н2S. Отличительной особенностью круговых способов очистки газа от Н2S является выделение сероводорода из поглотителя в концентрированном виде с целью его дальнейшей переработки в серу или серную кислоту. В качестве поглотителя чаще всего применяется моноэтаноламин, который кроме сероводорода поглощает также углекислый газ. Щелочные (карбонатные способы). Этот метод нашел применение в ряде стран ввиду сравнительной дешевизны процесса и низкой стоимости получаемой серы. При регенерации сероводород выделяется в виде концентрированного газа. Этот концентрированный газ можно использовать для получения серной кислоты путем сжигания сероводорода. Возможно также использование его для получения элементарной серы путем каталитического окисления. Поглотителем служат разбавленные водные растворы Nа2СОз (30 г/л) или К2СОз. Усовершенствованием процесса явился вакуум-содовый метод с терморегенерацией поглотительного раствора. В последнее время применяется вакуум-поташный метод, технологическая схема которого и аппаратурное оформление аналогичны вакуум-содовому. По степени очистки газа и простоте лучшим является этаноламиновый способ, при котором достижима очистка газа до следов сероводорода. В условиях атмосферного давления мышьяково-содовый способ (2 ступенчатый) обеспечивает степень очистки газа от H2S 92-98 %; при содовом и поташном способах степень очистки достигает 90 %. Под давлением степень очистки в последних двух способах повышается. Интенсификация очистки коксового газа от сероводорода мышьяковосодовым раствором в ротационных аппаратах. С целью интенсификации процессов абсорбции сероводорода и регенерации мышьяковосодовоге раствора эти процессы исследовались в горизонтальных механических абсорберах с большим числом оборотов. Опыты проводились на установке с использованием промышленного коксового газа, предназначенного для синтеза аммиака. Горизонтальный механический абсорбер имел осевой вал с закрепленными на нем 4 дисками с 12 отогнутыми лопатками на каждом диске. Вал абсорбера непосредственно соединен с валом мотора, число оборотов которого регулировалось с помощью реостата. Конструкция дисков играет важную роль в создании оптимального гидродинамического режима. Лучшими оказались диски с лопатками, развернутыми навстречу друг другу.

72


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Диски перфорированы отверстиями диаметром 8 мм; общая площадь отверстий 1518% ко всей площади диска. Из сопоставления производительности реакционных объемов насадочных башен и ротационных аппаратов при равных условиях можно заключить, что при очистке газов от H2S ротационные аппараты работают интенсивнее насадочных башен в 12-15 раз. Очистка коксового газа от сероводорода раствором соды в равнопроточных полых башнях. Исследования очистки коксового газа от сероводорода раствором соды проведены на установке, смонтированной на Днепродзержинском металлургическом заводе (рис. 15). Коксовый газ, очищенный от сероводорода, предназначался для обогрева безокислительной опытной методической печи 17. Установка обеспечила длительную и непрерывную очистку газа от сероводорода. Основным аппаратом установки является полая равнопроточная распылительная башня 9 с объемным центробежным распылителем, приводимым во вращение электродвигателем 12.

Рис. 15. Очистка газа от сероводорода в полой башне Газ на очистку поступал из газохода 3 через вентиль 2 в башню 9. Расход газа контролировался диафрагмой. Поглотительный раствор поступал в башню из банка 4 через вентиль 6 и ротаметр 5. Температура и давление в башне контролировалось термометром 11 и манометром 10. Очищенный газ отводился через газоход 13 в смеситель 16, куда поступал также и воздух; далее газовая смесь поступала в печь 17. Отработанный раствор из башни 9 поступал в сборник 8 и насосом 7 подавался на рециркуляцию. Поглощение сероводорода из газов раствором цианамида кальция с получением тиомочевины. Донецким институтом ИРЕА совместно с Днепропетровским химикотехнологическим институтом проведены исследования по очистке газов от сероводорода раствором СаСN2 с получением тиомочевины. Абсорбция газов раствором цианамида кальция протекает с большой скоростью. Степень поглощения сероводорода из коксового газа в механическом абсорбере достигала 98-99%. При этом в растворе образовывалась тиомочевина, которая отделялась от Са(Н8) на фильтре и после кристаллизации представляла собой стандартный продукт. Очистка газов от сероводорода с получением сульфида аммония. Водный раствор аммиака является хорошим поглотителем сероводорода. Взаимодействие NН3 и Н2S протекает по уравнениям NН3 + Н2S = NH4HS; 2 NН3 + Н2S = (NН4)2S.

73


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Однако этот метод до сих пор не нашел практического применения вследствие сложности и дороговизны регенерации сульфидных соединений аммония с возвратом аммиака в процесс. Устранение дорогостоящей и сложной операции (регенерации раствора с возвратом аммиака в процесс) делает этот метод экономически рентабельным. Указанный метод обеспечивает полную очистку газа от сероводорода с одновременным получением сульфида аммония. Очистка коксового газа от сероводорода и других примесей торфоаммиачным поглотителем. Основными недостатками существующих методов очистки коксового газа является многостадийность процесса, громоздкость аппаратуры, большие капитальные и эксплуатационные затраты. С целью устранения этих недостатков исследован процесс очистки коксового газа с помощью торфощелочного сорбента в непрерывно действующем аппарате с кипящим слоем. Отличительной особенностью этого метода является его непрерывность, одностадийность, компактность и попутное получение дешевых органоминеральных удобрений. 5.3.4. Очистка газов от СО2 В настоящее время в промышленной практике применяются в основном три метода очистки газа от СО2: водная, щелочная (NаОН или Nа2СО3) и моноэтаноламиновая. Очистка газа водой осуществляется под давлением 12-30 атм и при этом степень очистки не превышает 80 %. Метод требует больших расходов электроэнергии. Очистка газа щелочью является дорогостоящей операцией и поэтому применяется лишь для поглощения малых концентраций СО2. Наиболее совершенной является моноэтаноламиновая очистка, которая находит все более широкое применение. Исследовали следующие методы: поглощение СО2 водноаммиачным раствором с одновременным полученим углеаммонийных солей; поглощение СО2 суспензией СаSO4 в аммиачной воде с одновременным получением сульфата аммония; поглощение СО2 раствором гидросульфида кальция с выделением в газовую фазу сероводорода; интенсификация процесса очистки газа от СО2 раствором моноэтаноламина в ротационных аппаратах, совместное поглощение СO2, Н2 и других кислых компонентов из коксового газа торфоаммиачным поглотителем в аппаратах с кипящим слоем. В первых двух случаях продукты очистки – углеаммонийные соли и сульфат аммония – являются удобрениями для сельского хозяйства. Третий метод является одной из стадий процесса синтеза тиомочевины. В последнем методе получается комбинированное органоминеральное удобрение. Комбинирование процесса очистки газов от СО2 с получением углеаммонийных солей. В настоящее время назрела необходимость в рационализации метода очистки синтез газа от СО2. Сущность предлагаемого метода заключается в комбинировании процессов очистки азотоводородной смеси от СО2 с получением углеаммонийных солей. В этом случае поглощение СO2 из газа осуществляется водным раствором аммиака (или совместное поглощение NН3 и СО2 водой) до компрессии газа. По этому методу около 50 % аммиака, производимого в системе, связывается с углекислотой, образуя углеаммонийные соли, а оставшиеся 50% NНз используются в качестве жидкого удобрения (в виде чистого аммиака или его водного раствора). Таким образом, получается короткая схема производства связанного азота. Еще более рационально совместить процесс синтеза аммиака с очисткой газа от СО2 и с производством мочевины. В этом случае вся продукция может быть получена в виде мочевино-углеаммонийных удобрений.

74


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Поглощение СО2 водноаммиачной суспензией гипса с получением сульфата аммония. Одним из рациональных методов очистки азотоводородной смеси от СО2 является совмещение этого процесса с конверсией СаSO4 в сульфат аммония. Перспективность этого метода в том, что наряду с улавливанием СО2 из газа вырабатывается ценное удобрение без затрат на него дефицитной серной кислоты. Так как конверсия гипса и абсорбция СО2 в обычных условиях протекает медленно, то для интенсификации этих процессов применены горизонтальные аппараты ротационного типа, в которых обеспечивалось интенсивное перемешивание газовой и жидкой фаз. По своей конструкции эти аппараты аналогичны механическим абсорберам с большим числом оборотов. При осуществлении этого процесса в условиях высокотурбулентного режима при 30-35°С и атмосферном давлении можно осуществить практически полное поглощение СO2 из газа. Абсорбция СО2 раствором гидросульфида кальция в условиях высокотурбулентного режима. В некоторых производствах (синтез тиомочевины и др.) в качестве побочного продукта (или отхода производства) получается гидросульфид кальция, который может быть использован, как эффективный поглотитель углекислого газа с одновременным выделением в газовую фазу сероводорода Са (НS)2 + СО2 + Н2О = СаСОз + 2Н2S. Полученный таким образом сероводород может быть использован для получения тиомочевины, серной кислоты, элементарной серы и других ценных продуктов. Интенсификация абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина в механических абсорберах. Поглощение СО2 из газов моноэтаноламином нашло широкое применение в технике. Этим путем осуществляется получение чистого СО2, или очистка технологических газов от СO2, или сочетание того и другого. С целью интенсификации процесса абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина насадочные аппараты заменялись горизонтальными механическими абсорберами с большим числом оборотов. В условиях высокотурбулентного режима, создаваемого в механических абсорберах, скорость абсорбции CO2 раствором моноэтаноламина резко возрастает. Совмещение процесса очистки азотоводородной смеси от СО2 с получением аммиачной селитры. Помимо непосредственного получения и применения углеаммонийных солей процесс очистки азотоводородной смеси от СО2 может быть совмещен с получением аммиачной селитры и чистого CO2. Образование аммиачной селитры протекает при взаимодействии углеаммонийных солей с азотной кислотой по уравнениям NH4НСО3 + НNОз = NH4NO3 + Н2О + СО2; (NH4)2 СОз + 2 HNO3 = 2 NH4 NO3 + 2H2O + СО2. Выделяющаяся по этой реакции углекислота может быть применена для синтеза мочевины и других технологических целей, а аммиачная селитра – в виде жидких удобрений, или в виде твердой соли после выпарки и грануляции. Помимо указанных здесь методов разработан способ комплексной очистки коксового газа от H2S, СО2 и других кислых компонентов торфощелочным поглотителем в аппаратах с кипящим слоем. Этот процесс осуществляется непрерывно и одностадийно в одном аппарате.

75


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Список использованных источников 1. Всемирная метеорологическая организация. Наш будущий климат. ВМО, № 952, Женева, Швейцария, 2003. 37 с. - www.wmo.ch 2. Грабб М., Вролик К., Брэк Д. Киотский протокол. Анализ и интерпретация. Пер. с англ. (ред. русского издания Скуратовская Л., Кокорин А.) — М."Наука", 2001. 303 с. www.wwf.ru 3. Будыко М.И, Израэль Ю.А. (ред.). Антропогенные изменения климата. Л. Гидрометеоиздат, 1987. 4. Всемирная метеорологическая организация. Наш будущий климат. ВМО, № 952, Женева, Швейцария, 2003. 37 с. - www.wmo.ch 5. МГЭИК, 2001 (IPCC): Изменения климата 2001. Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC). Резюме для лиц, определяющих политику. Том 1. Научные аспекты, 109 с. Т. 2. Последствия, адаптация и уязвимость, 107 с. Т. 3. Смягчение последствий, 103 с. Имеются на русском языке на сайте www.ipcc.ch 6. ЮНЕП Изменение климата – Справочные материалы 2003. - www.unep.ch 7. Всемирная метеорологическая организация. Наш будущий климат. ВМО, № 952, Женева, Швейцария, 2003. 37 с. - www.wmo.ch 8. Израэль Ю.А., Груза Г.В., Катцов В.М., Мелешко В.П. 2001 г. / Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий. Метеорология и гидрология, 2001, №5,. 5–21 с. 9. МГЭИК, 1997 (IPCC): Пересмотренные Руководящие принципы национальных инвентаризаций парниковых газов (Международная методика наилучшей практики, 1996 г.). Т. 2. Рабочая книга по инвентаризации парниковых газов. Имеется на русском языке на сайте www.ipcc.ch 10. МГЭИК, 2003 (IPCC): Руководящие указания по эффективной практике и учет факторов неопределенности в национальных кадастрах парниковых газов (Международная методика наилучшей практики, 2001 г.). Имеется на русском языке на сайте www.ipcc.ch 11. Влияние изменения климата на экосистемы. Охраняемые природные территории России. WWF, 2001, М. 146 с. - www.wwf.ru 12. Global warming and terrestrial Biodiversity Decline. Eds.: J.Malcolm and A.Markham. WWF, Gland, Switzerland, 2000, 40 p. - www.panda.org/climate 13. www.panda.org — Всемирный фонд дикой природы — WWF International. Информация о климатических событиях, влиянии изменений климата на экосистемы. О программе WWF "Новая энергетика — новая жизнь" (PowerSwitch!). 14. www.unfccc.int — Секретариат Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Архив документов и решений Конвенции, новости, данные о выбросах парниковых газов в разных странах, официальные государственные доклады по проблеме изменения климата, информация о Киотском протоколе и ходе его ратификации. 15. Грабб М., Вролик К., Брэк Д. Киотский протокол. Анализ и интерпретация. Пер. с англ. (ред. русского издания Скуратовская Л., Кокорин А.) — М."Наука", 2001. 303 с. www.wwf.ru 16. Киотский протокол: политика и практика. Международный журнал БИЗНЕС. Спец. Выпуск, 2003. 98 с. - www.ruscarbon.ru 17. www.rusrec.ru — Российский региональный экологический центр. Новости и аналитические материалы. Экономика окружающей среды. Проблемы изменения климата и Киотский протокол. 18. http://accord.cis.lead.org – "ЭкоСогласие" – Центр по проблемам окружающей среды и устойчивого развития. Хроника событий. Новости. Информация о международных экологических соглашениях. Рассылка материалов по экологическим проблемам, включая изменение климата и Киотский протокол.

76


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

19. Денисенко Г.Ф., Губонина З.И. Охрана окружающей среды в черной металлургии. – М.: Металлургия, 1989. – 208 с. 20. Теплов Л., Металл Форум 2007 // Металлургический Компас. – 2007. – № 10. – С. 5-9. 21. Шевчук В.Я, Национальный доклад Украины о гармонизации жизнедеятельности общества в окружающей природной среде. – Киев, 2005. – 108 с. 22. Руководство по организации контроля состояния природной среды в районе расположения АЭС / Под ред. К.П. Махонько. Л.: Гидрометео-издат, 1990, 264 с. 23. Techniques and decision making in the assessment of off-site consequences of an accident in a nuclear facility / Safety series, N.86, International Atomic Energy Agency. Vienne. 1987. 185 p. 24. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 23 с. 25. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Международное агентство по атомной энергии. Вена, 1980. 106 с. 26. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с. 27. Бызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчет распространения примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 28. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. М.: Наука, 1965. 720 с. 29. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1985. 256 с. 30. Бутусов О.Б., Татарников В.А. Трехмерная математическая модель атмосферного переноса промышленных загрязнений от точечных источников в условиях городской среды // Информационные проблемы изучения биосферы: Геоэконинформационные центры РАН. Научное совещание по проблемам биосферы. М. 1992. С. 91 -96. 31. Пащенко С.Э., Сабельфельд К.К. Атмосферный и техногенный аэрозоль (кинетические, электронно-зондовые и численные методы исследования): В 2 ч. Новосибирск. Ч. 1. 1992 . 190 с. Ч. 2. 1992 .118 с. 32. Бородулин А.И., Майстренко Г.М., Чалдин Б.М. Статистическое описание распространения аэрозолей в атмосфере: метод и приложения. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та. 1992. 123 с. 33. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с. 34. Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 607 с. 35. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. / Под ред. Ф.Т.М. Ньюстадта и Х.Ван Дона. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. 351 с. 36. Ганз С.Н., Кузнецов И.Е. Очистка промышленных газов. Киев, 1967 37. Очистка промышленных газов и вопросы воздухораспределения. Сборник статей. Л., 1969 38. Очистка промышленных выбросов и утилизация отходов. Сборник научных трудов. Л., 1985

77


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

ОХРАНЫ АТМОСФЕРЫ ОТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В.В. Бодряга Донецкий национальный университет Донецк, Украина Введение До определенного этапа развития человеческого общества, в частности, индустрии, в природе существовало экологическое равновесие, то есть деятельность человека не нарушала природных процессов или очень незначительно влияла на них. На сегодняшний день последствия деятельности человека стали сопоставимы с природными явлениями, когда в конце XVIII в. началась техническая революция. Решение экологических проблем является одним из главных критериев гуманности общества, уровня его технологических и научных разработок [1-5], мерой ответственности при принятии политических и хозяйственных решений [6]. При этом важнейшее значение приобретает природоохранное просвещение и образование, призванные обеспечить экологическую культуру производственной деятельности [7]. Развитие промышленности, сопровождающееся резким увеличением потребления топлива во всех отраслях, и, особенно, в энергетике и на транспорте, привело к росту объема поступающих в атмосферу вредных веществ, что причиняет непоправимый ущерб природным ресурсам, имеющим жизненно важное экологическое и экономическое значение [6-8]. В настоящее время проблема загрязнения окружающей природной среды стоит очень остро. Интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения биохимических циклов и содержания большинства химических элементов в почве, воде, воздухе [9]. Основные усилия сейчас направлены на предупреждение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. На действующих и новых предприятиях устанавливают пылеулавливающее и газоочистное оборудование [2, 4, 5]. 1. Естественный состав и основные виды техногенных загрязнений атмосферы Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания — состав воздуха, естественной смеси газов, сложившейся в ходе эволюции Земли. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба. Поскольку атмосфера является наружной оболочкой Земли, она разграничивает планету и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из космоса излучений и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода. Воздух, лишенный влаги и взвешенных частиц, имеет практически одинаковый состав во всех местностях земного шара, а также на протяжении суток и в разные периоды года. Однако в различные эпохи существования планеты состав воздуха был различен. Считается, что наиболее сильно изменялось содержание диоксида углерода и кислорода [10].

78


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Загрязнения из природных источников рассеивались в атмосфере, переносились с воздушными массами на большие расстояния, оседали или выпадали с осадками на землю. Затем почвенные микроорганизмы превращали их в безвредные соединения. В результате совокупности всех этих процессов содержание естественных загрязняющих веществ (углекислого газа, метана, аммиака, СО, оксидов азота, оксидов серы, сероводорода) в атмосфере поддерживались на таком уровне, что негативные последствия их воздействия на живые организмы не возникали. Живые организмы способны без, вреда для себя переносить присутствие в среде обитания определенных количеств загрязняющих веществ. Однако способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если концентрации загрязнений превысят некоторые пороговые значения, то полное самоочищение атмосферы становится невозможным. Развитие общественного производства и потребления повлекло за собой увеличение общей массы выбросов газообразных веществ, паров, аэрозолей, загрязняющих атмосферу. Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) – важнейшее условие существования человечества, поэтому любые изменения его состава из-за антропогенной деятельности, рассматриваются как загрязнение атмосферы [1, 11]. Многочисленные загрязнения атмосферы из различных источников можно объединить в три группы: 1. аэродисперсные системы, состоящие из твердых или жидких дисперсных частиц взвешенных в воздушной среде (пыль, дым, туман) [12]; 2. газообразные вещества (оксиды азота, оксиды углерода, оксиды серы, аммиак и др.); 3. пары веществ (летучие растворители, углеводороды и их галогенопроизводные, ароматические углеводороды и др.). Пыль образуется при многих технологических процессах, связанных с измельчением твердых материалов; состоит из твердых частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии. В инженерной практике пылью называют также сами твердые пылевые частицы, в том числе осевшие или выделенные каким-либо способом в виде порошка. Твердые частицы пыли имеют различные размеры, неправильную форму. Размеры частиц пыли характеризуют величиной эффективного диаметра d, который определяется как диаметр сферической частицы того же объема, что и частица пыли. Пыль - полидисперсная система, размеры частиц могут сильно различаться. В зависимости от размеров, частицы пыли по-разному ведут себя в атмосфере. Частицы диаметра более 75 мкм быстро осаждаются вблизи источника выбросов. Частицы диаметра 5-75 мкм медленно осаждаются, могут переноситься воздушными массами на относительно большие расстояния от источника выбросов, границы зоны рассеивания зависят от атмосферных условий, а также технических условий выброса в атмосферу (от высоты трубы, температуры, скорости ветра и т.п.). Частицы диаметра менее 5 мкм переносятся с воздушными массами на большие расстояния от источника выбросов, долгое время могут оставаться в атмосфере. К газообразным загрязняющим веществам относят вещества, которые при температурах и давлениях, обычных для приземного слоя атмосферы, находятся в газообразном состоянии [12]. Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода, азота и серы, углеводороды и взвешенные частицы (пыль).

79


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут: • оседать под действием силы тяжести (крупнодисперсные аэрозоли); • физически захватываться оседающими частицами (осадками) и поступать в лито- и гидросферу; • включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углекислый газ, пары воды, оксиды серы и азота и пр.); • изменять свое агрегатное состояние (конденсироваться, испаряться, кристаллизоваться и т. п.) или химически взаимодействовать с другими компонентами воздуха, после чего пойти одним из вышеуказанных путей; • находиться в атмосфере относительно длительное время, переносясь циркуляционными потоками в различные слои тропо- и стратосферы и в разные географические области планеты до тех пор, пока не создадутся условия для их физической или химической трансформации (например, фреоны). Источники выбросов делят на организованные (дымовая труба предприятия) и неорганизованные (авария на производстве); на стационарные (трубы предприятий) и передвижные (автомобили, железнодорожный транспорт и т.п.) [14]. В зависимости от масштабов выбросов можно выделить локальную или региональную загазованность приземного слоя и трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния (загрязнения, перенесенные с территории одной страны на площадь другой.). К примеру, только в 1994 г. на европейскую часть России из-за невыгодного, ее географического положения выпало 1204 тыс. т соединений серы от Украины, Германии, Польши и других стран. В то же время в других странах от российских источников загрязнения выпало только 190 тыс. т серы, т. е. в 6,3 раза меньше [3, 10]. И, наконец, по возможности очистки выбросы делятся на: подвергающиеся очистке (это могут быть выбросы только от организованных источников) и неподвергающиеся очистке – от неорганизованных источников и от части организованных[10, 14]. 2. Основные источники выбросов в атмосферу В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов [15]. Основными источниками выбросов в атмосферу являются промышленные предприятия и автотранспорт. Доля автотранспорта колеблется в широких пределах и зависит от страны и района. Состав загрязнений от промышленных предприятий зависит от типа производства [16]. Роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в развитых промышленных странах Запада несколько иная. Так, например, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и ФРГ приходится на автотранспорт (50—60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16—20% [17]. Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик.

80


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует до 20 тыс. т. угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т. SO2 и SO3, 120 – 140 т. твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т. оксидов азота [17, 18]. Крупный источник загрязнения атмосферы – отопительная система жилищ (котельные установки) дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок [18]. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь. Атомные электростанции (АЭС). Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на АЭС— радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Существенно загрязняется атмосфера также на агломерационных фабриках, при доменном и ферросплавном производствах [16, 19]. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др. Химическое производство. Выбросы этой отрасли хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т. п.) [20-23]. Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений — бензапирена, альдегидов, оксидов азота и углерода и особо опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина). Также выхлопные газы содержат оксиды азота, соединения свинца (если в качестве антидетонатора используется тетраэтилсвинец, от чего в настоящее время практически отказались), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), а также сажа и оксид серы (для дизельных двигателей) [14, 24]. Добыча и переработка минерального сырья. Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработки минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах и т. д.

81


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

3. Методы очистки промышленных газовых выбросов от пыли Для любого предприятия важно, чтобы схема очистки выбросных газов была наиболее дешёвой при выбранной степени очистки (как по капитальным, так и по текущим затратам), позволяла повторно использовать ценные компоненты, находящиеся в выбросных газах, а аппаратура и сооружения занимали бы возможно меньшую площадь. Степень очистки определяется относительно величины ПДВ (предельно допустимых выбросов), то есть такого количества выбрасываемых в атмосферу загрязнителей, которое обеспечит их концентрацию в приземном слое, не превышающую ПДК – (предельно допустимую концентрацию), либо по величине ВСВ (временно согласованных выбросов) [23, 25, 26]. Величина концентрации в приземном слое рассчитывается по утверждённым методикам и в общем и целом зависит от характеристики трубы – её высоты, диаметра; свойств выбросных газов – их температуры, скорости истечения; метеорологических характеристик – скорости ветра, частоты низких инверсий. Из вышеизложенного ясно, что при одном и том же количестве выбрасываемых загрязнителей можно уложится в ПДК, просто увеличив высоту трубы [25]. Все методы очистки делятся на регенеративные и деструктивные. Регенеративные методы позволяют возвращать в производство компоненты выбросов, деструктивные трансформируют эти компоненты в менее вредные. В случае, если в газовом потоке содержатся ценные вещества (например, летучие растворители), может быть выгоднее использовать регенеративные методы (но всё опять-таки определяется экономической целесообразностью: возможно, себестоимость выделения этих компонентов будет больше их цены). Всё зависит от характеристик загрязнителя и его концентрации в газовом потоке: чем она меньше, тем дороже выделение [25, 26]. По наличию использования реагента, можно выделить реагентные и безреагентные методы очистки. Использование дополнительных реагентов, естественно, делает процесс экономически нецелесообразным. Наконец, методы очистки газовых выбросов можно разделить по типу обрабатываемого компонента (очистка от аэрозолей – от пыли и тумана, очистка от кислых и нейтральных газов и так далее). Аэрозоли воздушных выбросов промышленных предприятий характеризуются большим разнообразием дисперсного состава и других физико- химических свойств. В связи с этим разработаны различные методы очистки и типы пылеуловителей - аппаратов, предназначенных для очистки выбросов от пыли (и других аэрозолей) [27, 28]. Обычно, аэрозоли (взвеси твердых или жидких частичек) имеются в каждом выбросе. Для их удаления существуют следующие методы очистки рис. 1.

Рис. 1. Методы очистки газовых выбросов от аэрозолей

82


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Методы очистки промышленных газовых выбросов от пыли можно разделить на две группы: методы улавливания пыли «сухим» способом и методы улавливания пыли «мокрым» способом. Аппараты обеспыливания газов включают: пылеосадительные камеры, циклоны, пористые фильтры, электрофильтры, скрубберы и др [16, 27,28]. 3.1. Сухие механические обеспыливающие аппараты К таким аппаратам относятся пылеосадительные камеры, циклоны, пористые фильтры, Применение того или иного аппарата обуславливается свойствами и группой дисперсности пыли: I. очень крупнодисперсная пыль, d50 > 140 мкм, II. крупнодисперсная пыль, d50 = 40 ÷ 140 мкм, III. среднедисперсная пыль, d50 = 10 ÷ 40 мкм, IV. мелкодисперсная пыль, d50 = 1 ÷ 10 мкм, V. очень мелкодисперсная пыль, d50 < 1 мкм, d50 - среднее значение эффективного диаметра 50 частиц пыли. Пылеосадительные камеры и циклоны большой пропускной способности применяют для улавливания пыли первой и второй групп (крупнодисперсной), тканевые фильтры - для улавливания пыли третьей и четвертой групп (средне- и мелкодисперсной), электрофильтры эффективны для улавливания пыли пятой группы (очень мелкодисперсной). Гравитационные. В гравитационных методах осаждение взвешенных частичек происходит под действием силы тяжести: газовый поток с небольшой скоростью проходит через аппарат, при этом наиболее крупные взвешенные частицы падают на дно и затем удаляются (пылеосадительная камера) [25, 29]. Аппарат этого типа представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости короб, в нижней части которого имеется бункер для сбора пыли (рис. 2).

Рис. 2. Пылеосадительная камера (1 - входной патрубок; 2 - выходной патрубок; 3 - корпус; 4 - бункер взвешенных частиц)

83


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Поток запыленного газа вводится в камеру через отверстие сравнительно небольшого диаметра, но при этом газ должен полностью заполнять поперечное сечение камеры. Для соблюдения этого условия в конструкции камеры предусматриваются специальные устройства (полки, перегородки). Загрязненный пылью газ (1) пропускается через камеру со скоростью 0,2 -1,5 м/с, частицы пыли оседают под действием силы тяжести в нижней части аппарата. Степень очистки газа в камерах не превышает 40 - 50%. Обеспыленный газ (2) выводится из камеры и далее либо выбрасывается в атмосферу, либо подается в другие аппараты для более глубокой очистки [30, 31, 32]. Инерционные. В методах такого типа используется резкое изменение направления движение газового потока: взвешенные частицы по инерции продолжают движение, ударяются о специально установленные преграды и либо прилипают к ним, либо падают на дно и удаляются. К классу аппаратов, основанных на этом методе, относится, например, жалюзийный пылеуловитель – газовый поток проходит через жалюзи, элементы которых установлены под углом к направлению его движения (рис. 3). Сюда же относятся аппараты, где осаждение происходит под действием центробежной силы (частным случай силы инерции). Самыми распространёнными из таких аппаратов являются циклоны (рис. 4). В настоящее время почти никакое производство без них не обходится [25,28].

Рис. 3. Жалюзийный пылеуловитель (1 – корпус; 2 – решетка)

Рис. 4. Циклон (1 – пылевыпускное устройство; 2 – конусная камера; 3 – цилиндрическая камера; 4 – входной патрубок; 5 – выхлопная труба)

Очень часто вся очистка заключается в пропускании газового потока через циклон, например, на мебельных и деревообрабатывающих производствах. Циклон – это вертикальный аппарат, верхняя часть которого представляет собой цилиндр, а нижняя конус, сужающийся к основанию аппарата. Внутри (соосно) находится ещё одна труба меньшего диаметра, доходящая примерно до середины конусной части (внутренней трубы может и не быть). Загрязнённый газовый поток подводится тангенциально (по касательной) в верхней части аппарата, закручивается спиралью и опускается вниз. Отброшенные центробежной силой взвешенные частицы ударяются о стенки и падают вниз, где под днищем аппарата обычно имеется бункер. 84


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Очищенный газовый поток в нижней части закручивается в обратную сторону и поднимается вверх, выходя из верхней части аппарата. Чем меньше диаметр циклона, тем эффективнее он очищает, но тем меньше его производительность, поэтому газовый поток можно распараллелить и пустить одновременно в несколько маленьких циклонов (батарею) [29-35]. Методы, основанные на фильтрации. Данный метод основан на использовании фильтров из ткани, нетканого полотна, а также жестких фильтров – насыпные или сита. Материал фильтра может иметь щелочную реакцию, тогда он помогает очистить газовый поток также от кислых газов (SOx, NOx). Фильтры регенерируют продувкой в обратном направлении или встряхиванием.

Загрязненный газ

Очищенный газ

фильтрующая пористая среда Рис 5. Схема фильтра с пористым фильтрующим элементом Фильтрующие перегородки состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие типы: 1. Гибкие пористые перегородки – тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон; 2. Нетканные волокнистые материалы (войлоки, бумаги, картон); 3. Ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры). Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества - сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Главными недостатками фильтрации являются высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью [25, 32]. Электрические методы очистки. В основе работы электрофильтра (рис. 6) лежит явление электризации коронарным электродом взвешенных в газе частиц дисперсной фазы с последующим осаждением их на электроде с зарядом, противоположным по знаку заряду частиц загрязнений (осадительном электроде), разряжаются на нем. Таким методом можно очищать пыли с удельным сопротивлением от 100 до 100 млн. Ом*м. Пыли с меньшим удельным сопротивлением сразу же разряжаются и улетают, а с большим – образуют плотный изолирующий слой на осадительным электроде, резко уменьшая степень очистки [25]. По конструкции электрофильтры подразделяют на трубчатые и пластинчатые [36]. В трубчатых электрофильтрах загрязненный газ пропускается по вертикальным трубам диаметром 20 - 25 см, по центру которых натянута проволока. Скорость движения газа в трубке составляет 0,5 - 2 м/с. Газ находится в трубке 6 - 8 с. Постоянный ток напряжением 50 - 100 кВ подается на электроды. Электродами являются стенки трубки (осадительный электрод) и проволока (коронирующий электрод).

85


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 6. Схема электрофильтра В пластинчатых электрофильтрах осадительными электродами являются пластинки, между которыми натянута проволока - коронирующий электрод. Для увеличения степени очистки электроды могут смачивать водой. В таком случае электрофильтр будет относиться к мокрым [37]. Процесс очистки газа от частиц пыли происходит следующим образом. Молекулы газов воздуха, проходящего в пространстве между двумя электродами (рис. 6), при определенной напряженности электрического поля между электродами ионизируются. Образующиеся ионы движутся к соответствующему электроду (стенке трубки), сталкиваются при движении с частицами пыли (или жидкими частицами аэрозоля), передают им свой заряд - ионизируют частицы. Далее заряженные частицы пыли движутся к электроду с противоположным по знаку зарядом (к стенке трубки), осаждаются на поверхности этого электрода. Очищенный газ выводится из трубки. Накапливающийся на поверхности осадительного электрода слой пыли периодически удаляют сухим (вибрация) или мокрым (отмывка) способом. Пыль собирается в бункера в виде сухого порошка или в виде пульпы (взвеси) в нижней части аппарата» Электрофильтры применяют для тонкой очистки газов от частиц аэрозолей [37]. Выбор той или иной конструкции электрофильтра определяется условиями работы: составом и свойствами очищаемых газов, требуемой эффективностью очистки. Методом электрической очистки можно удалять не только пыли, но и туманы. Очистка электрофильтров производится путем смыва пыли водой, вибрацией или с помощью ударно-молоткового механизма. 86


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

3.2. Мокрые механические обеспыливающие аппараты Для очистки воздуха от пыли и аэрозолей используются различные мокрые методы – пенные аппараты (рис. 7), скрубберы (рис 8). Принцип их работы основывается на улавливании частиц пыли поверхностью или объемом жидкости (воды) [21,22,32]. Эти аппараты характеризуются высокой степенью очистки от мелкодисперсной пыли. С их помощью можно очищать от пыли горячие и взрывоопасные газы. Эффективность работы аппаратов мокрой очистки зависит от смачиваемости пыли, площади соприкосновения запыленного потока газа с поверхность жидкости. Если пыль плохо смачивается водой, то в воду добавляют поверхностно активные вещества (ПАВ). Для увеличения поверхности контакта в аппараты мокрой очистки вводят специальные насадки из материалов инертных по отношению к воде и загрязнениям (в промывных башнях) или воду распыляют при помощи форсунок (форсуночные скрубберы).

Рис 7. Пенные пылеуловители (а – с провальной решеткой; б – с переливной решеткой): 1 – корпус; 2 – оросительное устройство; 3 – тарелка; 4 – приемная коробка; 5 – порог; 6 – сливная коробка

Рис. 8. Насадочный скруббер с поперечным орошением: 1 – корпус; 2 – форсунки; 3 – оросительное устройство; 4 – опорная решетка; 5 – насадка; 6 – шламосборник

87


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В форсуночных скрубберах запыленный газовый поток подается через патрубок в нижней части скруббера и направляется на зеркало воды, где отделяются наиболее крупные частицы пыли (рис. 8). Далее газовый поток, содержащий мелкодисперсную пыль, распределяется по всему сечению аппарата, поднимается вверх навстречу потоку капель воды, подаваемых через форсуночные пояса. По мере продвижения газового потока снизу вверх аппарата пыль захватывается каплями воды, опускается в нижнюю часть аппарата и выводится в виде шлама. Возможны комбинации всех этих методов (например, фильтроциклон – комбинация циклона и фильтра [34, 35], электроциклон – совмещающий воздействие двух сил: центробежной и электрической [38, 39], центробежный скруббер – практически орошаемый водой циклон и т.д.). При выборе конкретного метода очистки руководствуются его стоимостью, объемами подлежащих очистке газовых потоков, характеристиками взвешенных частиц (дисперсионный состав, плотность пыли, смачиваемость, электропроводность). Коагуляцию аэрозолей, к примеру, производят методом предварительной электризации следующим образом [37]. Пропускают газа через электризационную камеру с коронирующими электродами, где происходит зарядка и коагуляция частиц, а затем через мокрый газоочиститель, в котором газожидкостный слой служит осадительным электродом (рис. 9).

Рис. 9. Схема мокрого пылеулавливания с предварительной электризацией: 1 – камера электризации; 2 – коронирующий электрод; 3 – пенный аппарат; 4 – газожидкостный (пенный) слой; 5 – заземленная решетка; I – очищаемый газ; II – вода; III – очищенный газ; IV – слив шлама

К недостаткам мокрых пылеулавливающих аппаратов относятся: образование шлама, требующего дополнительных специальных систем для его переработки; вынос в атмосферу водяных паров; повышенная коррозия аппаратов и газоходов; ухудшение условий рассеивания загрязнений через заводские трубы.

88


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

4. Методы очистки выбросов от вредных газовых примесей В зависимости от типа процесса, методы очистки промышленных газовых выбросов от газообразных загрязнений подразделяются на пять основных групп (табл. 1), каждой из которых соответствуют определенные аппараты. Табл. 1. Методы очистки промышленных газовых выбросов от газообразных и парообразных загрязнений Методы очистки

Тип процесса

абсорбционные

поглощение загрязнений растворителем (водой) с образованием раствора

хемосорбционные адсорбционные термические

каталитические биохимические

химическое взаимодействие загрязнений с жидкими сорбентами (поглотителями) с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений адсорбция загрязнений на поверхности твердого вещества окисление загрязнений кислородом воздуха при высоких температурах с образованием нетоксичных (менее токсичных) соединений каталитическая химическая реакция загрязнений с другими загрязнениями или добавленными веществами с образованием нетоксичных (менее токсичных) соединений трансформация загрязнений под воздействием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами

Аппараты насадочные башни; скрубберы; барботажнопенные аппараты и др. насадочные башни; скрубберы; распылительные аппараты и др. адсорберы камеры сжигания и др. каталитические и термокаталитические реакторы биофильтры; биоскрубберы

Промышленные газовые выбросы могут содержать токсичные для биоты неорганические и органические вещества. Среди них наиболее опасны для оксиды серы, азота, углерода ( CO ), аммиак, хлористый водород, фтористый водород, хлор, пары летучих органических соединений: ацетона, бензола, то толуола, ксилола, фенола, метилэтилкетона, низших спиртов, гептана, сероуглерода, эфиров, галоген углеводородов (фтор- и хлорпроизводных), бензина. Общим для всех загрязнений данной группы является то, что при обычных атмосферных условиях (давление, температура) эти вещества находятся газообразном состоянии в потоке очищаемого газа. Эти загрязнения отличаются по растворимости в воде и другим физико-химическим и химически свойствам, что используется при выборе метода очистки[15,16,19]. Адсорбционные методы. Основаны на различиях в растворимости веществ (избирательной адсорбции (поглощения и концентрирования) загрязнений на поверхности твердых тел) в определенных растворителях (рис. 10), либо на процессе растворения газовых компонентов в жидкости (физическая адсорбция), либо на растворении вместе с химической реакцией – химическая адсорбция (например, поглощение кислого газа раствором с щелочной реакцией). В адсорбционных методах очистки используются адсорбенты, имеющие пористую структуру и, как следствие, большую удельную поверхность. Такие сорбенты применяют для очистки газов от паров органических растворителей, удаления неприятных запахов и др. Основными промышленными сорбентами являются активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, синтетические цеолиты.

89


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

При выборе адсорбента основное внимание уделяется его селективности и адсорбционной способности по отношению к извлекаемому компоненту. Аппараты для адсорбционной очистки газов представляют собой вертикальные, горизонтальные или кольцевые емкости (Рис. 10), заполненные пористым адсорбентом, через слой которого пропускается поток очищаемого газа. За время контакта загрязнения задерживаются поверхностью адсорбента, а из аппарата выводится газ, который может содержать инертные примеси, не взаимодействующие с адсорбентом или незначительно им поглощаемые. Регенерацию адсорбента проводят продувкой нагретым водяным паром. надёжный способ, позволяющий достигать высоких степеней очистки; кроме того, уловленный ценный компонент можно вернуть обратно в производство.

Рис. 1.10 – Схема адсорбционной газоочистной установки: 1 – фильтр; 2, 3 – адсорберы; 4 – конденсатор; 5 – сепаратор; I – очищаемый газ; II – очищенный газ; III – водяной пар; IV – неконденсируемые пары; V – сконденсированный адсорбент в хранилище; VI – водный конденсат.

Адсорбция – надёжный способ, позволяющий достигать высоких степеней очистки; кроме того, это регенеративный метод, то есть уловленный ценный компонент можно вернуть обратно в производство. Применяется периодическая и непрерывная адсорбция. В первом случае по достижении полной адсорбционной емкости адсорбента газовый поток направляют в другой адсорбер, а адсорбент регенерируют – для этого используется отдувка острым паром или горячим газом. Затем ценный компонент можно получить из конденсата (если для регенерации использовался острый пар); для этой цели используется ректификация, экстракция или отстаивание (последнее возможно в случае взаимной нерастворимости воды и ценного компонента). При непрерывной адсорбции слой адсорбента постоянно перемещается: часть его работает на поглощение, часть – регенерируется. Достоинствами адсорбционных методов очистки газов являются глубокая очистка газов от токсичных примесей и сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство; таким образом, осуществляется принцип безотходной технологии истиранию адсорбента.

90


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В случае достаточной стоимости регенерируемого компонента использование адсорбции может быть выгодным. Например, в 2001 году, проведенный для одного из кабельных заводов расчёт участка рекуперации ксилола показал, что срок окупаемости составит менее года. При этом 600 т ксилола, которые ежегодно попадали в атмосферу, будут возвращены в производство. применяют для различных технологических целей — разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и утилизации этих веществ. Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т.е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов. Каталитическое окисление. Чтобы получить менее токсичные продукты горения за счет образования определенных промежуточных соединений веществ газовой смеси с катализатором проводят каталитическое окисление. В очищаемый газ при необходимости могут вводиться дополнительные вещества, участвующие в каталитической реакции с веществами-загрязнениями с образованием менее токсичных промежуточных продуктов (источник). В промышленности в качестве катализаторов чаще применяются химически инертные металлы: платина, палладий. Процесс проводится в каталитических и термокаталитических реакторах. Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа. Твердые частицы, сернистые соединения, капельки смолы, нафталин, фенолы и другие вредные вещества содержат выбросы коксохимических предприятий. Для удаления из газов нежелательных примесей газо- и парообразных веществ применяют различные методы очистки, в том числе и каталитические[10,40] (рис. 11).

Рис. 11 Схема установки каталитического окисления углеводородов: 1 – ротаметр; 2 – реактор проточного типа с катализаторной насадкой; 3 – катализатор; 4 – газовые пипетки; 5 – вакуумный насос; 6 – поглотительные сосуды; 7 – лагометр; 8 – капельница; I – воздух; II – в атмосферу; III – газ

91


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствий: которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами) [41, 42]. Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами газоочистки, так как такие традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах–катализаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выхлопных газов весьма перспективен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и возможности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0,1 – 0,2 в объемных долях SO2). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах. Адсорбционно-каталитические методы применяют для очистки промышленных выбросов от диоксида серы, сероводорода и серо-органических соединений. Катализатором окисления диоксида серы в триоксид и сероводорода в серу служат модифицированный добавками активированный уголь и другие углеродные сорбенты. В присутствии паров воды на поверхности угля в результате окисления SO2 образуется серная кислота, концентрация которой в адсорбенте составляет в зависимости от количества водяного пара при регенерации угля от 15 до 70%. Абсорбционные методы. Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (HCl, HF, H2SO4), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.). Такие методы основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). При контакте загрязненного газового потока с жидким растворителем пары определенных загрязнений поглощаются растворителем - абсорбентом с образованием раствора. Наиболее дешевым и доступным в промышленных условиях растворителем является вода. При физической абсорбции регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрированно (рис. 12). Процесс поглощения таких загрязнений растворителем (водой) проводится одним из следующих способов. Загрязненный газовый поток: а) пропускается через насадочную колонну, орошаемую растворителем (водой); б) контактирует с каплями жидкости, распыляемой форсунками; в) барботируется через слой жидкости. Чистый растворитель вводится в верхнюю часть аппаратов абсорбционной очистки, а из нижней части аппаратов отбирают отработанный раствор. Очищенный газ из верхней части аппаратов выводится в атмосферу. Полученный раствор подвергают обычно регенерации, т.е. очищают от загрязнений и снова возвращают в аппарат. Концентрат загрязняющих веществ используют в качестве BMP - вторичного материального ресурса или отхода. Показатели абсорбционной очистки: степень очистки (КПД) и коэффициент массопередачи зависят от растворимости газа в абсорбенте, технологического режима в реакторе (плотность, температура, давление) и д.р.

92


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис. 12. Схема установки для абсорбционно-десорбционного метода разделения газов: 1 — абсорбер; 2 — десорбер; 3 — теплообменник; 4 — холодильник

Абсорбционные методы служат для технологической и санитарной очистки газов. Таким образом, в атмосферу загрязнения не поступают, но могут загрязнять почву в виде твердых отходов или поступать в водоемы в составе сточной воды, если не применяются в производственном процессе малоотходные или безотходные технологии (источники). Хемосорбционные методы. Основаны на химическом взаимодействии газообразных или парообразных загрязнений с твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Используемые в методе реакции, как правило, обратимы. Потому при определенных условиях возможно смещение равновесия в сторону обратной реакции, т.е. десорбция поглощаемого вещества, регенерация хемосорбента [19-21]. На рис. 13 представлена технологическая схема хемосорбционной установки.

Рис. 13. Установка обезвреживания выбросов: 1 – хемосорбционная колонна; 2 – насадка; 3 – подача воздуха от вентилятора; 4 – емкость с раствором реагента; 5 – насос подачи реагента в колонну; 6 – выход очищенных газов; 7 – водоулавливатель; 8 – труба выброса газа в атмосферу; Н – высота слоя насадки; D – диаметр колонны 93


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Хемосорбционные методы применяют для одновременной очистки от оксидов серы и азота. В качестве сорбента используют соединения меди, которые поглощают оксиды серы, а оксиды азота восстанавливаются с помощью подаваемого NH3.. Процесс проводят в кипящем слое при 400-450 oC. В хемосорбционных процессах, где в жидкой фазе происходят химические реакции, коэффициент массопередачи увеличивается по сравнению с физической абсорбцией. Большинство хемосорбционных процессов газоочистки обратимы, т. е. при повышении температуры поглотительного раствора химические соединения, образовавшиеся при хемосорбции, разлагаются с регенерацией активных компонентов поглотительного раствора и с десорбцией поглощенной из газа примеси. Этот прием положен в основу регнерации хемосорбентов в циклических системах газоочистки. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой концентрации примесей. Например, очистка воздуха осуществляется в хемосорбционных колоннах. Аппараты хемосорбционной очистки похожи на аппараты абсорбционной очистки. Общим недостатком этих аппаратов является образование большого количества отходов. Термическая нейтрализация. Загрязненных газовых выбросов основана на окислении загрязнений кислородом воздуха при высоких температурах до менее токсичных соединений. Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода [25]. Процесс очистки может проводиться: прямым сжиганием загрязнений в пламени с температурой 600-800oC в присутствии катализаторов или без них, окислением при температурах 250-450oC. Прямое сжигание (факел) применяют для горючих газообразных отходов технологического процесса. Факельное сжигание возможно, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса 750-900oC и теплоту горения примесей можно утилизировать. Например, если отходящие газы содержат водород, летучие углеводороды, метан в больших концентрациях и температура их достаточна для горения, то такая газовая смесь будет гореть. В пламени проходит окисление других примесей. Термическое окисление при более низких температурах проводят в тех случаях, когда концентрация горючих примесей мала и они не обеспечивают требуемой высокой температуры газового потока, или в газовой смеси недостаточно кислорода для горения. Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, то необходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Следовательно, такие энерготехнологические схемы применяют при достаточно высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа. Метод применим так же для очистки газовых выбросов, содержащих пары органических соединений, но не содержащих таких загрязнений, как галогены, сера, фосфор и их соединения. Ограничение обусловлено тем, что при горении указанных соединений образуются, как правило, продукты, превышающие по токсичности исходные загрязнения.

94


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Биохимические методы. Очистки газовых выбросов от загрязнений - это по существу также каталитические методы, но отличающиеся тем, что катализаторы процессов превращения загрязняющих веществ в менее токсичные «поставляются» живыми микроорганизмами. Следовательно, для успешной реализации этих методов необходимо обеспечить такие условия, при которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс может проводиться в биофильтрах и биоскрубберах. Принципиальное отличие биофильтров от аналогичного типа аппаратов других методов газоочистки заключается в том, что фильтрующим элементом является почва, торф или другой - материал, на поверхности и в объеме создаются условия для поддержания жизнедеятельности сообщества микроорганизмов. Основное отличие биоскрубберов состоит в том, что поток газа контактирует не с каплями жидкости, а с каплями суспензии активного ила. Биохимический метод пока широкого применения не находит из-за сложности обеспечения стабильной жизнедеятельности сообщества микроорганизмов. Но по своей сущности это наиболее экологичный метод очистки, обеспечивающий при должном подборе видов микроорганизмов наиболее эффективную очистку по отношению к биоте [2,10]. 4.1. Очистка газов от оксидов углерода CO2 и CO Оксиды углерода CO2 и CO в воздухе присутствуют в газообразном состоянии. Продолжительность их пребывания в приземном слое атмосферы определяется свойствами оксидов и параметрами среды (температура, давление, влажность и т.п.). Оксид углерода CO2 значительно легче, чем CO, выводится из атмосферы в процессе ее самоочищения. Оксид углерода CO чрезвычайно токсичен, переносится на большие расстояния от источников выброса, долго может находиться в неизменном виде в приземном слое атмосферы. Очистка промышленных газов от CO2 и CO основана на их физических и химических свойствах [16, 23, 26]. Оксид углерода (IV) - это бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом, В воде CO2 растворим довольно хорошо (приблизительно 1:1 по объему). По химической природе это кислотный оксид, взаимодействующий с водой при растворении в ней, основаниями (щелочами), основными оксидами. При растворении CO2 в воде образуется слабая угольная кислота: H 2O  CO2  H 2CO3 .

H 2O  CO2  H 2CO3  H   HCO3  2 H   CO32  При нагревании CO2 улетучивается и равновесия смещаются влево. При добавлении щелочи или щелочных реагентов равновесия смещаются вправо. Образующиеся карбонаты и гидрокарбонаты имеют различную растворимость в воде, не токсичны. Оксид углерода (II) - бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, плохо растворим в воде. Газ сильно токсичен, его ПДК в воздухе населенных мест 1 мг/м3. Основная опасность CO для животных и человека обусловлена его способностью связываться с гемоглобином крови легче, чем кислород. Большая токсичность CO обусловливает необходимость тщательной очистки от него промышленных газов, выбрасываемых в атмосферу. При очистке загрязненных газов от CO используются следующие его свойства: возможность окисления CO до CO2; способность CO вступать в реакции комплексообразования.

95


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Табл. 2. Методы очистки тазов от оксидов углерода метод основные процессы метода абсорбция: Абсорбция CO2 водой

CO2  H 2O  H 2CO3

регенерация сорбента:

H 2CO3  H 2O  CO2

абсорбция: Абсорбция CO2 этаноламином

 RNH 3 2 CO3  CO2  H 2O  2  RNH 3  HCO3

регенерация сорбента:

2  RNH 3  HCO3   RNH 3 2 CO3  CO2  H 2O

Метанирование CO и CO2

CO  3H 2  CH 4  H 2O CO2  4 H 2  CH 4  2 H 2O (катализатор на основе оксидов NiO , Al2O3 ) абсорбция: 

Cu  NH 3 2   CO  NH 3  Cu  NH 3 3 CO 

регенерация сорбента: Абсорбция медноаммиачным раствором CO и CO2

Cu  NH 3 3 CO   Cu  NH 3 2   CO  NH 3 NH 3  H 2O  NH 4OH 2 NH 4OH  CO2   NH 4 2 CO3  H 2O

 NH 4 2 CO3  CO2  H 2O  2 NH 4 HCO3 (NH4)2 Конверсия CO с водяным паром

CO  H 2O  CO2  H 2 (катализатор на основе оксидов железа)

Абсорбция CO2 водой - один из простейших методов очистки газообразных выбросов от оксида углерода (IV). Максимальная поглотительная способность воды 8 кг CO2 на 100 кг воды. Очищенный газ выводится в атмосферу. Раствор CO2 в воде перекачивается в дегазатор, где CO2 выделяется из раствора и выводится из аппарата для дальнейшего использования или химической переработки. Вода из дегазатора подается в поглотительную колонну для использования в следующем аналогичном цикле. Основные преимущества данного метода заключаются в следующем: отсутствие токсичных отходов, выбрасываемых в природные среды; экономичность; доступность растворителя - воды, относительная простота технологического процесса и применяемых аппаратов. К существенным недостаткам метода относится небольшая поглотительная емкость воды по СО2, недостаточная чистота выделяемого CO2. Абсорбции CO2 этаноламинами обладает рядом преимуществ по сравнению с абсорбцией CO2 водой и является наиболее распространенным методом очистки промышленных газообразных выбросов от этого компонента. Большая по сравнению с водой эффективность этаноламинов обусловлена, прежде всего, наличием щелочных свойств у моно-, ди- и триэтаноламинов (МЭА, ДЭА, ТЭА). Как следствие, данные растворители способны эффективно поглощать из загрязненных газовых сред не только CO2, но и другие загрязнения, обладающие кислотными свойствами, например, сероводород. 96


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Моноэтаноламин хорошо поглощает также оксид углерода (II):

2 RNH 2  2 H   CO32   RNH 3 2 CO3 ,

 RNH 3 2 CO3  CO2  H 2O  2  RNH 3  HCO3 , 2RNH 2  H 2 S   RNH 3 2 S ,  RNH 3 2 S  H 2 S  2  RNH 3  HS . RNH2 моноэтаноламин (МЭА, где R - этил C2H5); R2NH диэтаноламин (ДЭА); R3N триэтаноламин (ТЭА). В промышленности чаще применяют моноэтаноламин как абсорбент, эффективный по отношению к нескольким компонентам, недорогой, легко поддающийся регенерации. Технологическая схема процесса обычная для абсорбционных процессов. Метанирование CO и CO2 применяется для очистки газов, содержащих небольшие остаточные количества CO. Очистка газов основана на экзотермической реакции гидрирования CO в присутствии катализаторов. Одновременно из очищаемого газа удаляется CO2 и кислород. Образующийся метан может далее сжигаться, если не используется в технологическом процессе. Абсорбция CO и CO2 медноаммиачным раствором используется для глубокой очистки газов от CO. Процесс основан на способности комплексного медноаммиачного соединения поглощать CO под высоким давлением с образованием соответствующего комплексного соединения [Cu(NH3)3CO]+. При нагревании последнего CO легко удаляется, что объясняет возможность легкой регенерации поглотительного раствора. Улавливаемый оксид углерода CO следует далее на другие ступени очистки (например, на окисление до CO2). Процесс абсорбции проводят при высоком давлении и температуре, близкой к 0oC. Десорбцию CO проводят при атмосферном давлении и температуре около 80oO. Технологическая схема процесса обычная для абсорбционных процессов. Конверсия CO с водяным паром. Окисление, CO до CO2 в промышленных условиях проводится с использованием различных реагентов, но наиболее распространенными реагентами являются водяной пар и метан. Конверсия CO с водяным паром проводится в присутствии железных окисных катализаторов (Fe2O3 + Cr2O3), реакция CO + H2O = CO2 + H2 экзотермична. 4.2. Очистка газов от сероводорода Сероводород - бесцветный газ с характерным запахом, хорошо растворим в воде. Один объем воды растворяет в обычных условиях около 3 объемов сероводорода. В водном растворе сероводород ведет себя как слабая кислота, она несколько слабее угольной кислоты. При нагревании растворимость сероводорода в воде понижается [16]. Сероводород сильно токсичен. При концентрации сероводорода в воздухе 0,004 мг/л ощущается сильный запах. При более высоких концентрациях этого газа в воздухе возможны сильные отравления у людей, вплоть до летальных исходов из-за остановки дыхания. Предельно допустимая концентрация (ПДК) сероводорода в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м3, а в присутствии углеводородов - 3 мг/м3. Максимальная разовая и среднесуточная ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов равна 0,008 мг/м3

97


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Очистка промышленных газовых выбросов от сероводорода может проводиться как мокрым, так и сухим способами (табл. 3). Табл. 3. Методы очистки газов от сероводорода метод основные процессы метода Мышьяково-содовый метод абсорбция: очистки газов от H 2 S Na4 As2 S5O2  H 2 S  Na4 As2 S6O  H 2O регенерация сорбента:

Na4 As2 S6O  1 2 O2  Na4 As2 S5O2  S

Фосфатный метод очистки газов от H 2 S

H 2 S  K 3 PO  K 2 HPO4  KHS

Железо-содовый метод очистки газов от H 2 S

абсорбция:

H 2 S  Na2CO3  NaHS  NaHCO3 3 NaHS  2 Fe  OH 3  Fe2 S3  3 NaOH  3H 2O

3 NaHS  2 Fe  OH 3  2 FeS  S  3NaOH  3H 2O

регенерация сорбента:

2 Fe2 S3  6 H 2O  3O2  4 Fe  OH 3  6S

4 FeS  6 H 2O  3O2  4 Fe  OH 3  4S Адсорбция H 2 S цеолитами.

адсорбция:

H 2 S  NaA  H 2 S  NaA 

регенерация сорбента:

H 2 S  NaA   H 2 S  NaA

Адсорбция H 2 S активированным углем

адсорбция:

H 2 S   уголь   O2

каталитическое окисление:

2 H 2 S  O2  2 H 2O  2S

Методы очистки газовых выбросов от сероводорода основаны таких его свойствах, как хорошая растворимость в воде с образованием слабой кислоты, способности окисляться с образованием различных продуктов. Сероводород может гореть на воздухе с образованием серы или оксида серы в зависимости от условий проведения процесса: 2 H 2 S  3O2  2 H 2O  2SO2 (в избытке кислорода)

2 H 2 S  O2  2 H 2O  2 S (при недостатке кислорода)

В мокрых методах очистки содержащие сероводород, газы контактируют с поглотительными растворами, в состав которых входят компоненты, способные химически взаимодействовать с сероводородом. В сухих способах очистки газов от сероводорода используются сорбенты различной природы. Поглощение сероводорода происходит в результате течения обратимых химических реакций и процессов сорбции - десорбции. Мышьяково-содовый метод очистки газов от H2S основан на хемосорбции сероводорода тиоарсенатом натрия. Химизм процесса сложен, результирующие реакции могут быть представлены в виде следующих схем: 98


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Абсорбцию и регенерацию сероводорода проводят при температуре 40-45oC в скрубберах различной конструкции. К достоинствам метода относится селективность очистки по отношению к сероводороду, высокая эффективность очистки: степень выделения сероводорода достигает 98%. Фосфатный метод очистки газов от H2S основан на хемосорбции сероводорода раствором фосфата калия. Данный метод очистки газов от сероводорода обладает определенными преимуществами по сравнению с мышьяково-содовым методом: нелетучесть фосфата калия позволяет проводить процесс при более высоких температурах, используемый поглотительный раствор позволяет селективно выделять сероводород из загрязненных газов, где его концентрация относительно высока и присутствует в значительных количествах СO2. Фосфат калия может взаимодействовать с очищаемым газом с выделением в аппаратах очистки нерастворимых карбонатов, потому при повышенном содержании в промышленных газах СO2 процесс проводят с использованием 35% раствора фосфата калия. Степень очистки газов от сероводорода в фосфатном методе несколько ниже, чем в мышьяково-содовом, остаточное содержание сероводорода около 1,5 г/м3 [26] Железо-содовый процесс очистки газов от H2S проводится на ряде химических предприятий. В основе метода лежит процесс поглощения сероводорода суспензией гидроксида железа Fe(OH)3 в растворе соды Na2CO3 в щелочной среде ( pH  8,5  9,0 ). При регенерации поглотительного раствора сульфиды железа окисляются кислородом воздуха с выделением элементарной серы, которая представляет собой товарный продукт. Очистка газов от H2S цеолитами. Цеолиты NaA, CaA, являются эффективными сорбентами, отличающимися высокой адсорбционной способностью и селективностью по отношению к сероводороду. Процесс можно проводить в присутствии СO2, который хоть и сорбируется вместе с сероводородом, но значительно легче десорбируется. На начальной стадии очистки из загрязненного газа извлекаются как сероводород, так и СO2. Затем сероводород вытесняет из сорбента СO2 и содержание последнего в выходящем из адсорбера газе начинает возрастать. Процесс может быть остановлен при любом экономически и технологически оправданном содержании СO2 в очищаемой газовой смеси. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают цеолиты типа CaA. 99


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Очистка газов от H2S активированным углем состоит в адсорбции сероводорода на поверхности угля и последующем окислении H2S кислородом воздуха до элементарной серы. Активированный уголь одновременно является адсорбентом и катализатором окисления сероводорода. Каталитические свойства сорбента усиливают путем нанесения на его поверхность других веществ - катализаторов окисления сероводорода, например, йода, йодистого калия. Образующаяся на поверхности и в объеме пор сорбента элементарная сера снижает его активность, поэтому периодически проводят регенерацию угля. Схема каталитического окисления H2S приведена на рис. 14.

Рис. 14. Катионитовый фильтр: 1 – катионит; 2 – песок Для этого серу вымывают из сорбента специальным растворителем. Далее промытый уголь очищают от растворителя, сушат. При этом возникает проблема рекуперации растворителя, а также проблема очистки газовых выбросов от паров растворителя. Процесс поглощения сероводорода активированным углем не находит широкого применения еще и потому, что в аппаратах очистки возможно протекание сильно экзотермичной реакции окисления сероводорода до серной кислоты, что может быть причиной возгорания угля. Поглощение и химическое превращение сероводорода в элементарную серу используется в процессах очистки промышленных газов от органических сернистых соединений [16]. В настоящее время осуществляется поиск и разработка новых методик и способов очистки очистка газов от H2S [43]. 4.3. Очистка газов от оксида серы (IV) Сернистый газ - одно из основных загрязнений атмосферного воздуха, оказывающее сильное негативное воздействие на живые организмы. В обычных условиях это бесцветный газ с резким характерным запахом. В атмосфере он постепенно окисляется до серного ангидрида, а последний при взаимодействии с водой образует серную кислоту. Из атмосферы сернистый газ и продукты его химических превращений вымываются с осадками, поступая в водоемы, почву [16, 23]. Время пребывания сернистого газа в атмосфере зависит от многих факторов и составляет от нескольких часов до 4-5 суток. Предельно допустимая концентрация этого вещества в воздухе (среднесуточная) составляет 0,005 мг/м3.

100


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Сернистый газ - кислотный оксид, способы улавливания SO2 из загрязненных промышленных газов основаны на способности его взаимодействовать с водой, основными оксидами, некоторыми солями. Основные методы очистки от SO2 представлены в табл. 1.4 Табл. 4. Методы очистки газов от SO2 метод Известковый метод очистки газов от SO2

Аммиачный метод очистки газов от SO2 Поглощение SO2 углеродными пористыми сорбентами

основные процессы метода

SO2  CaCO3  CaSO3  CO2 SO2  CaO  CaSO3 SO2  Ca  OH 2  CaSO3  H 2O 2CaSO3  O2  2CaSO4 SO2   NH 4 2 SO3  H 2O  2 NH 4 HSO3

 SO2  H 2O  O2   уголь SO2  H 2O  H 2 SO3 H 2 SO3  1 2 O2  H 2 SO4

Известковый метод очистки газов от SO2. Это один из наиболее простых в техническом отношении методов. Однако в процессе очистки образуются твердые отходы, которые не находят практического применения, сбрасываются в отвалы. Поэтому метод применим только при небольших содержаниях SO2 в очищаемом газе. Метод основан на необратимом химическом взаимодействии сернистого газа с известняком (известью или мелом), в результате чего образуется сульфит кальция, который на воздухе окисляется до сульфата кальция. Аммиачный метод очистки газов от SO2 имеет несколько вариантов, отличающихся условиями проведения процесса. Однако во всех вариантах этого метода первая стадия одинакова - это поглощение сернистого газа водным раствором сульфита аммония с образованием гидросульфита аммония. Далее варианты метода отличатся по направлениям переработки гидросульфита аммония. Наибольший интерес с точки зрения эколога представляют те методы, в которых происходит превращение SO2 в какой-либо продукт, используемый в других производствах или в сфере потребления. При таком подходе более интересен аммиачноавтоклавный метод. Здесь на второй стадии процесса гидросульфит аммония разлагается в автоклаве при повышенных температурах и давлениях с получением в качестве товарных продуктов серы и сульфата аммония:

2 NH 4 HSO3   NH 4 2 SO3  2  NH 4 2 SO4  S  H 2O

Поглощение SO2 углеродными пористыми сорбентами является одним из наиболее перспективных методов. При контакте содержащего SO2 газа с пористым сорбентом вначале происходит сорбция SO2 и других компонент загрязненного газа на активной поверхности сорбента. Далее в результате взаимодействия сорбированных веществ между собой образуются вещества, представляющие собой товарные продукты. Так образование серной кислоты может быть представлено следующей схемой:

SO2 H 2O O2

SO2  H 2O  H 2 SO3 H 2 SO3  1 2 O2  H 2 SO4

101


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

4.4. Очистка газов от оксида азота (IV) Оксиды азота, как и сернистый газ, являются одним из основных загрязнений атмосферы. Наиболее устойчив в атмосфере оксид азота (IV). Предельно допустимая концентрация установлена для всех оксидов азота в пересчете на NO2 и составляет 0,085 мг/м3 в воздухе населенных пунктов [25]. Источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются процессы сжигания топлива, а также производства азотной кислоты, минеральных удобрений [15]. Наиболее экологичным способом очистки промышленных газовых выбросов от оксидов азота является каталитическое восстановление их до молекулярного азота. При этом в качестве восстановителей могут использоваться CO, H2, CH4, NH3 различные газовые смеси. Катализаторы - металлы подгруппы платины на различных носителях. В различных процессах могут образоваться выхлопные газы с различным содержанием оксидов азота. Если содержание их мало, то применяются относительно простые системы очистки. Например, в производстве разбавленной азотной кислоты образуются выхлопные газы с содержанием оксидов азота 0,2 – 0,25%, кислорода - до 3 %, паров воды – до 2,0%. Основной компонент таких газов - азот. Для восстановлении оксидов азота используется аммиак при температуре 120oC и давлении 0,3 Мпа:

6 NO  4 NH 3  избыток   5 N 2  6 H 2O

6 NO2  8 NH 3  избыток   7 N 2  12 H 2O Оставшийся аммиак окисляется кислородом воздуха:

4 NH 3  3O2  2 N 2  6 H 2O

Очищенный от оксидов азота газ выбрасывается в атмосферу. Поскольку все используемые в схеме очистки химические процессы проводятся при повышенных температурах, то выбрасываемый после очистки газ является источником энергетического загрязнения атмосферы. Если содержание оксидов азота в выхлопных газах повышено, то применяют многоступенчатые системы очистки, которые также основаны на каталитическом восстановлении оксидов азота до молекулярного азота [14]. 4.5. Очистка газов от аммиака Аммиак - токсичный газ, исходное сырье в производстве азотной кислоты. ПДК аммиака в воздухе населенных пунктов 0,2 мг/м3. Промышленные газы могут содержать аммиак в широком интервале концентраций [16]. Очистка газов от аммиака основана на его хорошей растворимости в воде и щелочных свойствах. Аммиак легко удаляется из загрязненных газов промывкой водой, иногда добавляют дополнительную ступень доочистки раствором серной или фосфорной кислоты:

NH 3  H 2O  NH 4OH 2 NH 3  H 2 SO4   NH 4 2 SO4

3NH 3  H 3 PO4   NH 4 3 PO4 Адсорбцию аммиака водой проводят в системе, состоящей из последовательно включенных насадочных и тарельчатых колонн при давлении 1,6 МПа и температуре 60oC с получением продукта - аммиачной воды.

102


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Наиболее экологичным является метод каталитического разложения аммиака при повышенных температурах: 2 NH 3  N 2  3H 2 . Образующийся при этом газ содержит такое количество водорода, что может сгорать с выделением большого количества теплоты. Очистку газов от аммиака при небольшом содержании этого компонента в газовых смесях можно проводить, используя активированные угли или крупнопористые иониты. На активированных углях имеет место процесс адсорбции аммиака. На ионитах - процесс ионообменной адсорбции, в котором участвует гидроксид аммония, образующийся в присутствии влаги в очищаемом газе:

NH 4OH  NH   OH 

HR  NH 4OH   NH 4  R  H 2O HR - катионит в H - форме. Катионит регенерируют, промывая водой или слабым раствором кислоты. 5. Современные технологические приемы и аппараты для снижения выбросов 5.1. Система двухэтапной очистки газовых пылевых выбросов В настоящее время разрабатываются новые высокоэффективные и экономичные аппараты сухой сепарации с возможностью возврата уловленной пыли в технологический процесс. Одной из таких разработок является пылеулавливающая установка ДЕКО-2ПУ (рис. 15), предназначенная для очистки газовых потоков от промышленной пыли [42]. Установка обладает низкой энергоемкостью и металлоемкостью, характеризуется максимальной надежностью, а технические характеристики остаются постоянными в течение всего периода эксплуатации. Таких результатов достигают за счет того, что входной патрубок подключен к пылевыпускному патрубку первого аппарата, в результате чего происходит высвобождение чистого воздуха из запыленного потока с целью создания оптимальной запыленности потока. Первый пылеулавливающий аппарат состоит из цилиндрического корпуса, тангенциального входного 2, выходного 3 и пылевыпускного 4 патрубков и конусообразной обечайки 5, расположенной концентрично внутри нижней конической части корпуса 1, в результате чего образуется кольцевой зазор. Входной патрубок 7 второго пылеулавливающего аппарата 6 подсоединен к пылевыпускному патрубку 4 первого пылеулавливающего аппарата, а выходной патрубок 8 – к входному патрубку 2 первого аппарата. Пылевыпускной патрубок 9 второго аппарата подсоединен к пыленакопительному бункеру 10 с патрубком 11 выгрузки пыли. Между входным патрубком 8 второго пылеулавливающего аппарата 6 и входным патрубком 2 первого пылеулавливающего аппарата располагается основное тягодутьевое устройство 12 (вентилятор или дымосос). Запыленный газовый поток поступает через тангенциальный входной патрубок 2 внутрь цилиндрического корпуса 1, где приобретает винтообразное движение и направляется в нижнюю часть корпуса. Под действием центробежных сил частицы пыли перемещаются к стенке корпуса.

103


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Пристеночный слой газового потока, имеющий максимальную концентрацию пыли, попадает в кольцевой зазор между конусообразной обесчаткой 5 и конической частью корпуса 1. Отсюда частицы пыли с частью газового потока удаляются через пылевыпускной патрубок 4. Далее запыленная часть газового потока из первого аппарата поступает во второй пылеулавливающий аппарат 6, где обеспыливается и направляется в газовый поток, перемещаемый тягодутьевым устройством. Выделенная из газового потока пыль собирается в пыленакопительном бункере. 3

Рис. 15. Схема пылеулавливающей установки Установка ДЕКО-2ПУ обеспечивает высокую степень сепарации пыли независимо от фракционного состава и массы, отличается простотой конструкции, малыми размерами, минимальными трудозатратами при обслуживании и опорожнении накопительных бункеров и высокой степенью очистки воздуха [44]. 5.2. Пылеуловитель на основе центробежной и инерционной сепарации Сочетание центробежный и инерционных процессов, на основе которых работает пылеуловитель (рис. 16), позволяет значительно повысить степень улавливания мелкодисперсных частиц из газового потока за счет снижения вторичного уноса пыли. Запыленный газ через входной патрубок 6 поступает в завихрительное устройство 2, в котором расположены определенного профиля лопатки 5, способствующие закручиванию газопылевого потока. Особое расположение входного патрубка обеспечивает сохранение высокой скорости газа (до 20 м/с) в верхней части аппарата в отличие от обычных циклонов. Отделение частиц пыли в закрученном потоке происходит под действием центробежных сил в пространстве между корпусом 1 и экраном 8, установленным под завихрителем 2. Очищенный газ дважды изменив свое направление, поступает в патрубок вывода 7.

104


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Установка экрана соответствующей геометрии повышает эффективность пылеулавливания за счет лучшей аэродинамики потока в верхней части аппарата и снижает вторичный унос, предотвращая попадание отскочивших от корпуса частиц в поток очищенного газа. Отделившаяся пыль по стенке корпуса под действием силы тяжести поступает в нижнюю часть корпуса и собирается в бункер 9.

3 5

2 4 8

1 7 6

Запыленный газ

Запыленный газ

9

Рис. 16 Конструкция пылеуловителя: 1-корпус цилиндрический; 2-завихрительное устройство; 3-верхняя стенка; 4-нижняя стенка; 5-профильные лопатки; 6-патрубок ввода запыленного газа; 7-патрубок вывода очищенного газа; 8-экран; 9 - бункер сбора пыли;

Проведенные испытания показали, что при использовании описанного выше пылеуловителя вторичный унос пыли по сравнению с существующей системой пылеочистки (циклон ЦН-15) снизился в 1,5 раза, а общая степень очистки составила 98,5 % [45-47]. 5.3. Плазменный нейтрализатор Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях. Низкотемпературная плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул. Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рис. 17. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамическую трубку 2, используемую в качестве диэлектрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металлической сетки из нержавеющей стали [49].

105


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Рис.1.17 Схема плазменного нейтрализатора: 1 – узел подвода отработавших газов; 2 – кварцевая трубка (диэлектрик); 3 – центральный электрод; 4 – внешний электрод.

Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе к этим газам "подмешивают" масло. В разрядное устройство подается ток от источника, формирующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при электрическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте следования импульсов 50– 2000 Гц. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается обеспечить очень высокую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе [49]. 5.4. Электроциклоны Энергозатраты при очистке газов от твердых частиц на промышленных предприятиях (строительных материалов, черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности) и тепловых энергетических станциях являются острой проблемой. Современные системы сухой пылеочистки оснащены устаревшими энергоемкими, громоздкими и металлоемкими электрофильтрами, которые способны очищать газы на требуемом уровне лишь от частиц со средним удельным электрическим сопротивлением. Реальной альтернативой мокрым и сухим системам очистки газов представляется использование центробежно-электрического аппарата-электроциклона, способного производить очистку газов на 99,5-99,7 % от пыли даже с неблагоприятными физикохимическими свойствами при меньших энергетических затратах. 106


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Принцип работы электроциклона основан на процессе осаждения электрически заряженных частиц пыли (золы) в электрических полях. Важнейшими факторами, влияющими на процесс осаждения пыли (золы), являются скорость движения газового потока и длина активной зоны электроциклона. Указанные факторы влияют как на турбулентность газа, так и на время пребывания аэрозоля в активной зоне аппарата. Электрическая зарядка частиц осуществляется в поле коронного разряда, возникающего в электрическом поле между коронирующими (высоковольтными) и осадительными (заземленными) электродами. На данный момент на энергетических и промышленных предприятиях используется двухступенчатая система газоочистки: а) Батарейный циклон + Скруббер (мокрая газоочистка); б) Батарейный циклон + Электрофильтр (сухая газоочистка). Предлагается заменить двухступенчатую систему на одноступенчатую – электроциклон. Разработанные проекты опытно-промышленных электроциклонов [35, 37] свидетельствуют об очевидном преимуществе электроцентробежного пылеуловителя в сравнении с существующими и широко используемыми в химической и металлургической промышленности электрофильтрами. В настоящее время ведутся дальнейшие разработки в этом направлении [38]. 5.5. Снижение выбросов в атмосферу при переливах чугуна На долю металлургии приходится 10-15% всех выбросов. Самый загрязненный участок сталеплавильного производства – конвертерный цех. Источниками неорганизованных выбросов в конвертерном производстве являются процессы заливки чугуна из миксера в ковш и его перелива из ковша в конвертер, загруженный металлическим ломом. Выполнение данной технологической операции сопровождается образованием и выделением огромного количества пыли и газов. Основные составляющие пыли – графитная спель (около 5%) и бурый дым (около 90%) [51, 52]. Часть этих выбросов удаляется из цеха, а часть оседает на металлоконструкциях. Для отвода выбросов используются зонты-укрытия, расположенные над конвертером в месте перелива. Однако, значительная часть пыли не улавливается отводящими устройствами, а выделяется в виде неорганизованных выбросов [53]. Очистка отведенного потока газов от пыли осуществляется на большинстве заводов одноступенчато в циклонах ЦП-15, которые на 99% улавливают графитную пыль, а бурый дым - основной компонент выбросов, - ими практически не улавливается и выбрасывается в атмосферу. Для улавливания бурого дыма требуется вторая ступень газоочистки, в качестве которой используются электрофильтры или тканевые рукавные фильтры [53]. Наблюдения за процессом выделения бурого дыма при переливах показывают, что пылеобразование наиболее интенсивно в начальный период наполнения ёмкости, когда струя металла ударяется о футеровку, и количество образующихся брызг максимально. В дальнейшем на дне ёмкости образуется слой металла, смягчающий удар, количество брызг уменьшается и, одновременно, в 1,3-2,5 раз уменьшаются выбросы бурого дыма. Очевидно, процесс пылеобразования тесно связан с процессом диспергирования металла, а наличие брызг является необходимым звеном процесса образования бурого дыма. Причина образования бурого дыма при переливах чугуна является взаимодействие брызг металла с кислородом газовой фазы (рис 18).

107


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Механизм образования бурого дыма при переливах чугуна является сложным, многостадийным процессом, включающим следующие стадии: 1. Диспергирование струи чугуна в результате удара о футерованное дно ёмкости или зеркало металла с образованием большого количества крупных (10 -4-10 -3 м) брызг. 2. Взаимодействие этих брызг с кислородом газовой фазы. Образование на поверхности капель оксидного слоя и разогрев капель в результате экзотермической реакции окисления железа. 3. Охлаждение капель, образование в них пузырька монооксида углерода и взрыв капель с образованием мелких брызг. Интенсивность взрывов в условиях перелива чугуна практически не зависит от концентрации кислорода в газовой фазе. Лимитирующим звеном является процесс зарождения пузырька в объёме капли на поверхности частичек графита. 4. Взаимодействие капель диаметром менее 40 мкм, образующихся в результате взрыва крупных капель, с кислородом газовой фазы. Разогрев капель до высоких температур, близких к температуре кипения расплава, что вызывает разрушение закисной плёнки, интенсивное испарение железа и его оксидов с поверхности капли и образование бурого дыма. Процесс окисления капли идёт в режиме тотального горения. 1

FeO

2

CO

3

FeO

Fe

4

5

0

t Fe

0

t FeO Fe

FeO

Рис. 18 – Стадии образования бурого дыма при переливах чугуна: 1-диспергирование струи чугуна при ударе; 2-образование закисной плёнки на поверхности крупных брызг и пузырька монооксида углерода внутри; 3-взрыв капли; 4-окисление и разогрев мелких капель; 5-испарение капель.

Эффективным инструментом подавления бурого дыма является разработанная технология с применением нейтрального газа. Азот при сливе чугуна из миксера подаётся через стационарные сопла, укреплённые над ковшом (рис. 19). При подаче в коллектор азота, выходящие из сопел струи образуют аэродинамическую завесу, под действием которой неорганизованные выбросы, выделяющиеся из конвертера во время заливки чугуна, отклоняются от первоначального направления и направляются под «юбку» в существующую систему газоочистки. 108


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Для подачи азота рекомендуется использовать сопла диаметром 100 мм, выходные сечения которых находятся на уровне горловины конвертера и направлены под углом 30 град. к вертикали. Рекомендуемый расход азота- 5000-6000 м3/час.

1

6

4

5

2 3

7

6

7 4 5 1

0

20

2

1

Рис 1.19 Схема расположения двух и трех сопел над ковшом: а) вид сбоку и б) вид сверху: 1–носок миксера; 2–сопла; 3–фланцевое соединение; 4–коллектор; 5–подвод азота к коллектору; 6–миксер; 7–ковш.

При применении пылеподавления за счёт снижения концентрации бурого дыма происходило улучшение санитарного состояния рабочих мест без увеличения количества аспирируемой среды. Технологии пылеподавления азотом достаточно эффективны, просты, надёжны и пригодны для широкого внедрения на металлургических предприятиях СНГ. Основные направления развития охраны атмосферы от выбросов загрязняющих веществ:  разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов;  переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья;  создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса;  Оценка экологической целесообразности выбора технологической системы очистки от выбросов. 109


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Список использованной литературы 1. Меркулов П.И. Антропогенное воздействие на географическую оболочку. / Меркулов П.И., Ямашкин А.А., Масляев В.Н. – Саранск: Изд-во Мордовского университета, 1994 —196 с. 2. Штокман Е.А. Очистка воздуха: Учеб. пособ. – М.: Изд-во АСВ, 1999. 319 с. 3. Земля тривоги нашої. За матеріалами доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 1999 році / під ред. С. Куреленко. - Донецьк: Новый мир. – 2000. - 124 с. 4. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды / А.И.Родионов В.Н.Клушин, Н. С. Торочешников. - М: Химия, 1989. - 293 с. 5. Охрана окружающей среды / Под ред. С.В. Белова. М.: Высш. шк., 1991. 374 с. 6. Балацкий О. Ф. Экономика и качество окружающей природной среды. // Балацкий О. Ф., Мельник Л. Г., Яковлев А. Ф. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 190 с. 7. Василенко В.А. Экология и экономика: проблемы и поиски путей устойчивого развития. – Новосибирск, 1995. – 122 с. 8. Ковалка М.П. Енергозбереження – пріоритетний напрямок державної політики України / Ковалка М.П., Денисюк С.П.; відповід. ред. Шидловський А.К. - Київ: УЕЗ, 1998. 506 с 9. Кочуров Б.И. Экодиагностика и сбалансированное развитие: Учебное пособие. – Москва - Смоленск: Маджента, 2003. - 384 с. . 10. Николайкин Н.И, Экология Учебник для вузов / Николайкин Н.И, Николайкина Н.Е, Мелехова О.П. – М.:Дрофа, 2004, - 624с 11. Белов С.В. Охрана окружающей среды: Учебник. - М.: Высшая школа,. 1991. 329 с. 12. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов. Учебное пособие по проектированию. – Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2003. – 155 с. 13. Биргер М. И. Справочник по пыле- и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983.- 312 с. 14. Луканин В.Н. Промышленно транспортная экология. / Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. М.: Высшая школа, 2001. - 273 с. 15. Коузов П. А. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности // Коузов П. А. Малыгин А. Д Скрябин Г. М.– Л.: Химия. 1982, 428с. 16. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. // Справочник под редакцией С. Калверта и Г.М. Инглунда. М. Металлургия. 1988. Часть 1. 759 с 17. Сігал O. Енергоекологія України // Монтаж + Технологія. - 1998. - № 3, травень-червень, с. 18. 18. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов. Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 176 с. 19. Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. – Химия. Ленинград, 1991 – 228 с. 20. Попова Н.М., Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. - М.: Химия, 1991. - 175 с. 21. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 750 с. 22. Борисов Г. С. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др., М.: Химия, 1991. - 496 с. 23. Основы химической технологии / Под ред. проф. И.П. Мухленова. М.: Высшая школа, 1991, 280 с. 24. Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 1998. - 287с.

110


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

25. Алиев Г. М.-А. Устройство и обслуживание газоочистных и пылеулавливающих установок. Учебник для СПТУ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1980. – 368 с. 26. Кузнецов Д.А. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1965. – 320 с. 27. Соколов Э.М. Обеспыливание промышленных газов: Монография. / Соколов Э.М., Володин Н.И., Пискунов О.М. и др.: Тул. гос.ун-т., Тула, 1999. – 376 с. 28. Зиганшин М.Г. Проектирование аппаратов пылегазоочистки / М.Г. Зиганшин, А.А. Колесник, В.Н. Посохин. – М.: «Экопресс – 3М», 1998. – 505 с. 29. Карпухович Д.Т. Экотехника. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов /Карпухович Д.Т., Смирнов М.Е., Горячев И.К. и др. - Ярославль: Русь. 2004. – 424 с. 30. Патент 2174452 C1 (РФ). Пылеуловитель. /Завьялов Ю.И.- Опубл. в Б.И.- 2001. 31. Jackson R. Mechanical equipment for removing grit and dust from gases. Leathered: The British Coal Utilization Research Association, 1963. - p.281. 32. Васильченко Н.М. Газоочистное оборудование. Каталог / Н.М.Васильченко, С.Я.Рябчиков, М.Г.Мазус и др.- М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988. – 119 с. 33. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. - Ярославль, 1971. – 93c. 34. Патент 2135300 C1 (РФ). Циклон / Смирнов М.Е., Сугак А.В., Гончаров Г.М.Опубл. в Б.И.-1999.-№24. 35. Заявка 99113217/12 C1 (РФ). МПК B01D050 / 00 B04C009 /00. Циклон-фильтр для очистки запыленных газов. /Зотов А.П., Красовицкий Ю.В., Ряжских В.И., Шипилова Е.А. 36. А.С. 1063437 (СССР). Центробежный трубчатый электрофильтр. / Новиков Л.М., Стефаненко В.Т., Инюшкин Н.В., Ведерников В.Б. - Опубл. в Б.И. - 1983. - №48. 37. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. М., 1987. 258 с. 38. А.С. 971475 (СССР). Электроциклон. / Новиков Л.М., Ведерников В.Б., Инюшкин Н.В. - Опубл. в Б.И. - 1982. - № 41. 39. Петров В.А. Об осаждении частиц пыли в электроциклоне. / Петров В.А., Инюшкин Н.В., Ермаков C.А. Вестник ТГТУ. Том 16 №1, 2010 - с. 44-53 40. Батура П. И. Каталитические реакторы для дожигания отходящих газов. // Кокс и химия. 1991. №5. С. 46-48. 41. Двадненко М.В. Исследование кинетики термолиза совместно осажденных гидроксидов алюминия и лантана. /Двадненко М.В., Боковикова Т.Н. // Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки: Тезисы докл. II междун. конференции молодых ученых и студентов. - Самара 2001. 42. Попова Н.М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств.- М.: Химия, 1991. 43. Журавская Н.Е. Усовершенствование процесса очистки газовых выбросов /Екологічна безпека та природокористування Випуск 6, 2010. - С. 164-170 44. Друцкий А.В. Система двухэтапной очистки газовых пылевых выбросов. /Друцкий А.В., Смольский М.В.// Экология и промышленность России, № 3, 2003. - с. 12-13. 45. Володин Н.И. Новое поколение пылеуловителей инерционно-центробежного типа. /Володин Н.И., Панков А.Н., Чудновцев А.В., Пискунов О.М. // Труды 5-й междунар. научно-практ. конференции «Высокие технологии в экологии». Воронеж. - 2002. - с. 27-30. 46. Володин Н.И. Очистка отходящих газов в высокоэффективном пылеуловителе. / Володин Н.И., Панков А.Н., Чудновцев А.В., Пискунов О.М. // Тезисный доклад междунар. научно-техн. конференции «Энергосбережение, экология и безопасность». Тула. - 1999. с. 142-143.

111


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

47. Володин Н.И. Очистка газовых выбросов от мелкодисперсной пыли. / Володин Н.И., Панков А.Н., Чудновцев А.В., Пискунов О.М. // Экология и промышленность России.сентябрь 2000. - с. 20-22. 48. Янковский С.С. Основные пути совершенствования аппаратов инерционной очистки газов. /Янковский С.С., Градус Л.Я. // Обзорная информация ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1985. - 45с. 49. Воробьев-Обухов, А. Плазматрон-нейтрализатор / А. Воробьев-Обухов, В. Стрелков // За рулем. – 2001. – № 3. – С. 64–67. 50. Смирнов М.Е. Циклон для литейного производства. / Смирнов М.Е., Сугак А.В., Гончаров Г.М. // Экология и промышленность России. – Май 2000. - с. 13-14. 51. Недопекин Ф.В. Исследование влияния тепловой конвекции на распределение газовых потоков при переливах чугуна / Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов, В.А.Кравец и др. // VI Минский международный форум по тепло- и массообмену 19-23 мая 2008. – Минск, – 2008: Тезисы докладов и сообщений. – Т.2. – С.323-324. 52. Недопёкин Ф.В. Исследование экологической проблемы образования бурого дыма / Ф.В.Недопёкин, В.А.Кравец, В.В. Бодряга и др. // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов. – Днепропетровск: Пороги, 2004. – С. 221-229. 53. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве / С.Б.Старк. – М.: Металлургия, 1990. – 400 с.

112


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

ANNEX A: GENERAL INFORMATION ABOUT A PROJECT “LOW-CARBON OPPORTUNITIES FOR INDUSTRIAL REGIONS OF UKRAINE (LCOIR-UA)” The project is implemented by the Donetsk National University (Donetsk, Ukraine) - Research and Education Center “Convergence of Nano-, Bio- and Info- Technologies for Sustainable Regional Development”, - and funded by the European Union Thematic Programme for Environment and Sustainable Management of Natural Resources, including Energy (direction “Cooperation in Clean Coal Technology and technology of Carbon Capture and Storage”). CONCEPTION OF PROJECT Ukraine is the seventh country in Europe in terms of CO2, and more than 70% of these emissions result from the energy sector, mainly from the burning of domestic coal (5th report of Ukraine on Climate Change, Kiev, 2009). Most power plants, located in the eastern part of Ukraine, namely in the regions selected for the project. The remaining industries: metallurgy, mining companies and chemical industries - are enormous users of coal for energy and most of these factories are also located in the regions to be studied. In recent decades, in Ukraine there is a reduction of CO2 emissions from industrial production and folding of the regular closing of factories. To revive the industrial sector without excessive increase of CO2, in Ukraine, as well as in the Donbass industrial region in the main, it is necessary to begin implementation of clean coal technologies and technologies of carbon capture and storage (climate technology). The main problem faced by the Ukrainian energy sector is the deterioration of the equipment: a large part of which has been operating for over 50 years. Equipment is already very old, to be adapted to less emission and climate technologies, and thus should be dismantled and replaced by new technologies. Now is the time for Ukraine to update their technology and choose the most effective. So there is a need and the need to enhance knowledge in the area of climate technology for policy-makers, industrialists, engineers and scientists. AIMS OF PROJECT The overall objectives of the project are:  

Encourage and assist the actual implementation of activities to introduce climate technologies in Ukraine; Cooperation in the area of climate technology between Ukraine and the European Community.

The specific objectives are as follows:   

Improve knowledge of Ukrainian context for climate technology; Identify potential targets for the current programs of adaptation to climate technologies Ukraine; Creation of a major stakeholder views on climate technology as a tool to combat climate change.

113


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Target groups of selected industrial regions (Donetsk, Dnipropetrovsk, Zaporizhzhya, Luhansk and Kharkiv regions) are:  Regional governments and local authorities;  Administrative and technical staff of regional energy and industrial companies;  Representatives of regional educational and scientific communities;  Students and graduates of natural sciences and economics departments of universities. COMPONENTS OF PROJECT Donetsk National University (DonNU) has three components of the project: 1. Research on a national and regional context the possibilities of using climate technology The results of this section will be reviews of the global context, the existing Ukrainian political trends, laws and regulations; of stakeholders, as well as advice on building climate technologies in Ukraine. 2. Rating: creation of geographic information systems (GIS) To assess the opportunities and challenges of climate deployment of technologies in Ukraine will be created GIS sources and sinks of CO2, but also provided recommendations for the actual implementation of the climate technology for facilities in the industrial regions of Ukraine. 3. Exchange of knowledge Sharing of knowledge created and accumulated during the project implementation will be carried out by organizing and conducting the following activities: educational sessions and round tables for representatives of government and business, for educators, scientists and engineers, an international scientific-practical conference on topical issues of climate change and the use of climate technologies, lectures for undergraduate students and graduate students DonNU. The project will be published: monograph, manuals on the use of climate technologies, quarterly newsletters, as well as to create a Web site aimed at different target groups of the project. For more information contact: Donetsk National University Universitetska str., 24 Donetsk, 83001 Ukraine Tel./fax: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Co-ordinator of project: Dr. Mykola Shestavin Mob. tel.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu The views expressed on this web-site do not necessarily reflect the views of the European Commission and Government of Ukraine

114


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

ДОДАТОК Б: ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПРО ПРОЕКТ «НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ІНДУСТРІАЛЬНИХ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ (LCOIR-UA)» Проект виконується за Тематичною програмою Європейського Союзу для довкілля і сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією (напрямок „Співробітництво у галузі чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю”). Проект реалізується Донецьким національним університетом (м. Донецьк, Україна) Науково-навчальним центром „Конвергенція нано-, біо- та інфо- технологій для збалансованого регіонального розвитку”, та фінансується Європейським Союзом. Концепція проекту Україна є шостою країною у Європі по обсягам викидів CO2, і більше 70% цих викидів є результатом діяльності енергетичного сектора, в основному, за рахунок спалення місцевого вугілля (5-е Повідомлення України з питань зміни клімату, Київ, 2009). Більшість теплових електростанцій розташовані в східній частині України, а саме в регіонах, вибраних для реалізації проекту. Решта галузей промисловості – металургія, гірничодобувні підприємства, а також хімічні виробництва – є величезними споживачами вугілля для отримання енергії і велика частина цих заводів також знаходиться в регіонах, які досліджуватимуться. В останні десятиліття відбувається зниження викидів СО2 в Україні в результаті згортання промислового виробництва і регулярного закриття заводів. Щоб пожвавити промислові галузі без надмірного зростання викидів CO2, в Україні, а також у Донбасі, як в основному індустріальному регіоні, необхідно започаткувати упровадження чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю (кліматичні технології). Основна проблема, з якою стикається український енергетичний сектор, є знос устаткування, велика частина якого працює вже більше 50 років. Устаткування є дуже старим, щоб бути адаптованим до менш емісійних кліматичних технологій і, таким чином, повинно бути демонтовано і замінено новими технологіями. Зараз настав час для України відновити свої технології і вибрати найефективніші. Отже, існує потреба і необхідність розширення знань у сфері кліматичних технологій для осіб, що визначають політику, промисловців, інженерів і учених. Целі проекту: Загальні цілі проекту наступні: - Сприяти та допомагати фактичному здійсненню діяльності з впровадження кліматичних технологій в Україні; - Розпочати співпрацю у сфері кліматичних технологій між Україною і Європейським співтовариством. Конкретні цілі полягають у наступному: - Поліпшити знання українського контексту для здійснення кліматичних технологій; - Визначити потенційні об'єкти для актуальних програм адаптації в Україні кліматичних технологій; - Створити в основних зацікавлених сторін усвідомлення про кліматичні технології як інструменти боротьби із зміною клімату.

115


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Цільові групи із обраних індустріальних регіонів (Донецької, Дніпропетровської, Запорізької, Луганської та Харківської областей) такі: - Регіональні органи державного управління і органи місцевого самоврядування; - Адміністративний та інженерно-технічний персонал регіональних енергетичних і промислових компаній; - Представники регіональних освітніх та наукових спільнот; - Студенти та аспіранти природничих й економічних факультетів університетів. Компоненти проекту Донецький національний університет виконує три компоненти проекту: 1. Дослідження національного та регіонального контексту можливостей використання кліматичних технологій Результатами цієї частини будуть доповіді про світовий контекст; про існуючі українські політичні рухи, закони та нормативні акти; про зацікавлені сторони, а також рекомендації щодо створення потенціалу кліматичних технологій в Україні. 2. Оцінка: створення географічних інформаційних систем (ГІС) Для оцінки можливостей та перешкод розгортання кліматичних технологій в Україні будуть створені ГІС джерел і поглиначів СО2, а також надані рекомендації із фактичного здійснення кліматичних технологій для об'єктів в індустріальних регіонах України. 3. Обмін знаннями Обмін знаннями, створеними і накопиченими в процесі виконання, буде здійснюватися шляхом організації та проведення наступних заходів: освітньої сесії та круглих столів для представників влади та бізнесу, для освітян, науковців та інженерів; міжнародна науково-практична конференція з актуальних питань зміни клімату та використання кліматичних технологій; лекції для студентів старших курсів і аспірантів. У рамках проекту будуть видані: монографія; огляди основних проблем, що виникають при зміні клімату, та шляхів їх вирішення; навчальний посібник з питань змін клімату та кліматичних технологій; інфо-бюлетені. За проектом створений веб-сайт, спрямований на різні цільові групи проекту. За додатковою інформацією звертайтеся: Донецький національний університет Університетська вул., 24 Донецьк, 83001 Україна Тел./факс: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Координатор проекту: Шеставін Микола Степанович Моб. тел.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu Думки, відображені у цій публікації, не обов’язково співпадають з поглядами Європейської Комісії та Уряду України

116


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

ПРИЛОЖЕНИЕ В: ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЕКТЕ «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ (LCOIR-UA)» Проект реализуется Научно-образовательным центром «Конвергенция нано-, био- и инфо- технологий для сбалансированного регионального развития» Донецкого национального университета (г. Донецк, Украина), и финансируется Европейским Союзом по Тематической программе Европейского Союза для окружающей среды и устойчивого управления природными ресурсами, в частности энергией (направление «Сотрудничество в области чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода»). Концепция проекта Украина занимает шестое место в Европе по объемам выбросов CO2, и более 70% этих выбросов являются результатом деятельности энергетического сектора, в основном, за счет сжигания местного угля (Пятое Сообщение Украины по вопросам изменения климата, Киев, 2009 г.). Большинство тепловых электростанций расположены в восточной части Украины, а именно в регионах, выбранных для реализации проекта. Остальные отрасли промышленности - металлургия, горнодобывающие предприятия, а также химические производства - огромные потребители угля для получения энергии и большая часть этих заводов также находится в регионах, которые будут исследоваться. В последние десятилетия происходит снижение выбросов СО2 в Украине в результате свертывания промышленного производства и регулярного закрытия заводов. Чтобы оживить промышленные отрасли без чрезмерного роста выбросов CO2 в Украине, а также в Донбассе, как в основном индустриальном регионе, необходимо начать внедрение чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода (климатических технологий). Основной проблемой, с которой сталкивается украинский энергетический сектор, является износ оборудования, большая часть которого работает уже более 50 лет. Оборудование очень старое, чтобы быть адаптированным к менее эмиссионным климатическим технологиям и, таким образом, должно быть демонтировано и заменено новыми технологиями. Сейчас настало время для Украины восстановить свои технологии и выбрать наиболее эффективные. Итак, существует потребность и необходимость расширения знаний в области климатических технологий для лиц, определяющих политику, промышленников, инженеров и ученых. Цели проекта: Общие цели проекта следующие: - Содействовать и помогать фактическому осуществлению деятельности по внедрению климатических технологий в Украине; - Начать сотрудничество в сфере климатических технологий между Украиной и Европейским сообществом. Конкретные цели заключаются в следующем: - Улучшить знания украинского контекста для осуществления климатических технологий; - Определить потенциальные объекты для актуальных программ адаптации в Украине климатических технологий; - Создать у основных заинтересованных сторон понимание климатических технологий как инструмента борьбы с изменением климата. 117


LCOI-Reviews, 2012, No. 06

Целевые группы проекта из избранных индустриальных регионов (Донецкой, Днепропетровской, Запорожской, Луганской и Харьковской областей) таковы: - Региональные органы государственного управления и органы местного самоуправления; - Административный и инженерно-технический персонал региональных энергетических и промышленных компаний; - Представители региональных образовательных и научных сообществ; - Студенты и аспиранты естественных и экономических факультетов университетов. Компоненты проекта Донецкий национальный университет выполняет три компоненты проекта: 1. Исследования национального и регионального контекста возможностей использования климатических технологий Результатами этой части будут обозрения о мировом и региональном контексте, о существующих украинских политических условиях, законах и нормативных актах, о заинтересованных сторонах, а также рекомендации по созданию потенциала климатических технологий в Украине . 2. Оценка: создание географических информационных систем (ГИС) Для оценки возможностей и препятствий развертывания климатических технологий в Украине будут созданы ГИС источников и поглотителей СО2 , а также даны рекомендации по фактическому осуществлению климатических технологий для объектов в индустриальных регионах Украины. 3. Обмен знаниями Обмен знаниями, созданными и накопленными в процессе выполнения проекта, будет осуществляться путем организации и проведения следующих мероприятий: образовательной сессии и круглых столов для представителей власти и бизнеса, для педагогов, ученых и инженеров; международная научно-практическая конференция по актуальным вопросам изменения климата и использования климатических технологий; лекции для студентов старших курсов и аспирантов. В рамках проекта будут изданы: монография; обзоры основных проблем, возникающих при изменении климата, и путей их решения, учебное пособие по вопросам изменения климата и климатических технологий; инфо-бюллетени. По проекту создан веб-сайт, направленный на различные целевые группы проекта. За дополнительной информацией обращайтесь: Донецкий национальный университет Университетская ул. 24 Донецк , 83001 Украина Тел. / Факс: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Координатор проекта: Шеставин Николай Степанович Моб. тел.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu Мнения, отраженные в этой публикации, не обязательно совпадают с взглядами Европейской Комиссии и Правительства Украины 118


Lcoi reviews 2012 06  

Обозрения технических аспектов реализации технологий ЧУТ и УХУ, серия 3 - Reviews of Technical Aspects of the Implementation of CCT and CCS,...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you