СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ОТ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ/ВЫБРОСОВ ИЗ ТРУБ
METHOD OF AIR BASIN COMPLEX CLEANING OF PRODUCTION WASTES/EMISSIONS FROM PIPES

Изобретение относится к устройствам, предназначенным в основном для защиты воздушного бассейна Земли от канцерогенных газов и осадков, вылетающих из торчащих в небо/в атмосферу труб промышленных предприятий (или организаций) в металлургической или химической промышленности, включая котельные, ТЭЦ и др.
Известны различные устройства для уменьшения вредного воздействия отходящих из труб газов, крайне негативно влияющих на здоровье всего живого (люди, животные, птицы и др.) и на природу (трава, кусты, деревья и пр.). Например, это отражено в следующих патентах.
Известен фильтрующий нетканый материал (Патент RU 2166016), который может быть использован для изготовления фильтрующих элементов газоулавливающих установок. Технический результат - повышение защитных свойств материала по кислым газам. Эффект - не универсальный, так как химический состав выбрасываемых элементов в атмосферу крайне различен. Аналогичные недостатки есть по патентам (RU 2161217) с таким же названием и классом D04H 13; по патенту (RU 2205256) Нетканый материал. Кроме того, такие материалы недолговечны.
Установка очистки воздуха «ПЛАЗКАТ-аэро» выполняет полный комплекс газоочистки и дезодорации воздуха помещений в ограниченном диапазоне температур (в основном от +5 до +50°C). В основе плазмокаталитической технологии лежат два способа разложения газообразных загрязняющих веществ до элементарных соединений: плазмохимический и каталитический. В результате их комплексного воздействия, органические вещества, состоящие из набора атомов кислорода, водорода и углерода, превращаются в полностью безвредные соединения - углекислый газ и воду, которые выделяются в газообразной форме.
Применяют также метод абсорбции, заключающийся в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси поглотителем (называемых абсорбентом) с образованием раствора. Поглощаемую жидкость (абсорбент) выбирают из условия растворимости в ней поглощаемого газа, температуры и парциального давления газа над жидкостью. Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и давления. Если же растворимость газов при 0°C и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы являются хорошо растворимыми.
Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно применить в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг воды. При поглощении же из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др. Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции.
Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) производится либо снижением общего давления (или парциального давления) примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов одновременно. В зависимости от конкретных задач применяются абсорбенты различных конструкций: пленочные, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой насадку, размещенную в полости вертикальной колонны. В качестве насадки, обеспечивающей большую поверхность контакта газа с жидкостью, обычно используются кольца с перфорированными стенками и иные материалы, что дорого и неэффективно.
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода путем применения мышьяково-щелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяково-щелочном методе извлекаемый из отходящего газа сероводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.
Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных выбросов, называются мокрыми методами. Преимущество абсорбционных методов заключается в возможности очистки большого количества газов и осуществлении непрерывных технических процессов. Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере.
Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической пористостью селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией. Наиболее широко в качестве адсорбента используется активированный уголь. Он применяется для очистки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяются также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако они не могут использоваться для очистки очень влажных газов.
Некоторые адсорбенты иногда пропитываются соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция. В качестве таких реактивов могут быть использованы растворы, которые за счет химических реакций превращают вредную примесь в безвредную. Конструктивно адсорбенты выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорбенты, как правило, находят применение при небольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые - при высокой производительности.
Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.
Установка периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличается конструктивной простотой, но имеет низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер, то есть отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенным недостатком таких аппаратов являются большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента. Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тяжести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечивает непрерывность работы установки. Такие методы позволяют более полно, чем при проведении процесса с неподвижным слоем адсорбента, использовать адсорбционную способность сорбента, организовать процесс десорбции. В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о друга и стирания о спинки аппарата.
Каталитический способ превращает токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества, безвредные или менее вредные для окружающей среды, путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавленным в смесь веществом на твердых катализаторах. Действие катализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном химическом) взаимодействии катализатора с реагирующими соединениями, в результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный катализатор. Метод не является универсальным, так как он работает избирательно, то есть только на ограниченные вредные компоненты, а не на весь состав.
Основные загрязняющие вещества: оксид углерода (создает парниковый эффект на планете); сернистый ангидрид (результат - образуется вредный аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде); сероводород, сероуглерод и оксиды азота - вредны для человека и природы; соединения фтора (как и хлора) - токсичны. Результаты воздействий этих веществ и газов: появляются озоновые дыры, усиливается парниковый эффект, кислотные дожди, ядовитый смог поражает нервную систему, легкие и иные органы человека, гибнет или идет мутация флоры и фауны и пр.
Очистка от аэрозолей осуществляется применением электрофильтров, методов фильтрации через различные пористые материалы, гравитационной или инерционной сепарации, способами мокрой очистки.
Итак, очистка выбросов от газо- и парообразных примесей в основном осуществляется методами адсорбции, абсорбции и химическими методами. Основное достоинство химических методов очистки - достаточно высокая степень очищения, но далеко не полная. Основные способы очистки выбросов в атмосферу: обезвреживание выбросов путем перевода токсичных примесей, содержащихся в газовом потоке, в менее токсичные или даже безвредные вещества - это химический способ; поглощение вредных газов и частиц всей массой специального вещества (абсорбентом). Обычно газы поглощаются жидкостью, большей частью водой или соответствующими растворами. Для этого используют прогонку через пылеуловитель, действующий по принципу мокрой очистки, или применяют распыление воды на мелкие капли в так называемых скрубберах, где вода, распыляясь на капли и осаждаясь, поглощает газы. Для очистки газов и воздуха от пыли применяются электрофильтры. Они представляют собой полую камеру, внутри которой расположены системы электродов. Электрическим полем притягиваются мелкие частицы пыли и сажи, а также ионы, загрязняющего вещества. Процесс этот весьма энергозатратный.
Перечисленные методы очистки не являются комплексно универсальными, так как не могут одновременно при разных объемах выбросов газов, при различных температурах и химических и пылевидных составах полностью очищать газы, препятствуя появлению озонных дыр, парниковых эффектов и пр. Аналогично это подтверждается патентами США №4933159, 1990; №5096681, 1992; №5085844, 1992; №4971608, 1990 и России №2170134, 2000; №2170133, 2000.
В качестве прототипа используем следующее изобретение: «Способ очистки воздуха от производственных загрязнений» №659842, класс F24F 3/16, СССР, опубл. 30.04.79, бюл. №16. Воздух промывают поэтапно введением растворов солей и окислителя с использованием озонированного газа, например кислорода. Промывка осуществляется не менее двух раз, имеются промывочное устройство, теплообменник-конденсатор и емкость-отстойник, улавливает пыль, газы, химические элементы, превращая их в продукты (например, удобрения, мел и пр.). Предложено для птицеводческих хозяйств. Недостаток - отсутствие универсальности очистки от разных канцерогенных сред и нет защиты воздушного бассейна от образования парникового эффекта.
Техническая цель настоящей разработки - способ комплексной очистки воздушного бассейна от производственных отходов/выбросов, вылетающих из труб, в непрерывном или прерывистом режимах работы предприятия или организации.
Технический результат достигается путем создания многоуровневого каскада герметичных емкостей (например, в виде резервуаров, хранилищ, сборников или бассейнов), изолированных от внешней воздушной или водной среды с, как правило, многоэтапной автоматической, полуавтоматической или ручной регулировкой процессов очистки вредных газов или составов (выбросов) без использования торчащих труб, причем резервирование основных элементов, узлов, блоков, агрегатов и емкостей осуществляется как по принципу дублирования в масштабах 1:1, так, возможно, и в уменьшенных вариантах по габаритам. Последнее согласовано с длительностью циклов выполнения ремонта, профилактики, технического обслуживания, замены или очистки основных емкостей или оборудования от очищенных и/или очищаемых продуктов промышленных производств. То есть, чем дольше цикл очистки, удаления отходов/выбросов или ремонта основного оборудования и емкостей, тем большие габаритные размеры должны иметь резервные емкости, чтобы процесс очистки воздушного бассейна не прерывался. Сезонные температурные условия не влияют на процесс очистки.
Практически по этому способу/принципу можно очищать загрязняющие природу водные системы и иные жидкие, вязкие, газовые или порошковые среды разной дисперсности путем введения по химическому составу, количеству и дисперсности нейтрализующих или обеззараживающих сред.
Суть изобретения поясняется рис. 1, на котором в стилизованном виде представлена общая компоновочная схема разработанного способа комплексной очистки воздушного бассейна от производственных отходов/выбросов из труб. При этом обозначено:
/
/
/
/
/
1 - предприятие или организация (завод, фабрика, ТЭЦ, НИИ, котельная, лаборатория, цех и т.п.), которые в традиционных схемах могли бы выбрасывать вредные газы или вещества в воздушный бассейн из торчащих в небо труб; 2 - труба основная отводная с отсасывающей установкой/насосом; 3 - труба отводная резервная с отсасывающей установкой/насосом; 4 - анализатор состава отходящих газов/сред двухсекционный; 5 и 5 - вентили/задвижки; 6 и 6 - клапаны перепускные; 7 - емкость основная, двухсекционная; 7 - емкость резервная, двухсекционная; 8 - пути удаления накопившихся отходов/выбросов из основной емкости; 8 - пути удаления отходов/выбросов из резервной емкости; 9 и 9 - трубы для подвода обеззараживающих или нейтрализующих составов. Более жирной линией отражается основной способ очистки, а более тонкой пунктирной линией - резервный маршрут.
/
/
/
/
/
/
В стационарном состоянии весь способ по комплексному очищению, например, воздушного бассейна от производственных отходов/выбросов, выглядит так. Имеются некое предприятие или какая-то организация 1, от производственной деятельности которых в окружающую среду могут попадать вредные для всего живого газы или элементы. От производственной печи или агрегата отходит отводная труба 2, не торчащая вверх, с отсасывающей установкой или вытяжным насосом. Параллельно установлена аналогичная отводная труба 3 в качестве резервной. Далее расположен двухсекционный анализатор 4 /газовый и/или химический/ отходящих газов (одна секция в нем - резервная). Комплект вентилей/задвижек 5 и 5 на трубах 2 и 3 размещены за анализатором. Потом установлены в параллель на этих трубах клапаны перепускные 6 и 6, трубы из которых входят в основную емкость 7 и в резервную 7 соответственно. Пути 8 и 8 обеспечивают не только выпуск сред, но также доступ персоналу в емкости 7 и 7 соответственно. Требуемая нейтрализация или обеззараживание канцерогенных выбросов в основной и резервной емкостях обеспечивается за счет подвода в них по трубам 9 и 9жидких, газообразных или порошковых составов нужной по количеству, дисперсности и химическому составу.
Работа системы, обеспечивающей реализацию способа комплексной очистки воздушного бассейна от производственных отходов/выбросов, вылетающих из труб, осуществляется следующим образом.
На предприятии (или в организации) 1 допустим регулярно или периодически при выполнении различных технологических процессов (например, плавка металла, сжигание угля в топке, осуществление химических реакций и пр.) в атмосферу выходит канцерогенная среда (скажем, газ). Как правило, отвод газов осуществляется через трубы в атмосферу воздуха. В разработанном варианте через основную отводную трубу 2 такие выбросы направляются в газоанализатор или химический анализатор (далее - анализатор) 4, что обеспечивается использованием вытяжного/отсасывающего насоса, который встроен в трубу 2. Параллельно этой схеме размещена аналогичная резервная схема с отводной трубой 3, которая включается в работу только при повреждении или в случае профилактики трубы 2. Наличие двух независимых секций в анализаторе 4 позволяет их поочередно использовать при отказе одной работающей секции.
/
/
/
/
/
/
/
/
Такой контроль позволяет регулировать содержание среды, налитой или размещенной в основной емкости 7 и в резервной 7, которые работают во взаимозаменяемом режиме. После анализатора 4 отсасываемая и очищаемая среда по трубам 2 или 3 через открытые вентили/задвижки 5 или 5 поступает в основную емкость 7 или в резервную 7 в случае ремонта или очистки основной емкости. При этом как основная отводная труба 2, так и резервная труба 3 опущены в воду или в иную обеззараживающую среду, которыми наполнены емкости 7 и 7. С помощью перепускных клапанов 6 и 6 при производственной необходимости можно перенаправлять отходящие канцерогенные среды в соответствующие емкости 7 (основную) или 7 (резервную). При этом габариты и вместимость резервной емкости 7 таковы, что позволяют не прекращать процесс даже непрерывной очистки отходящей с предприятия/организации 1 среды, так как это согласуется с максимальной длительностью очистки или ремонта основной емкости 7, то есть размеры резервной емкости могут быть меньшими, чем у основной. При этом каждая из емкостей обязательно имеет сверху крышу (целиковую или при больших габаритах составную), что позволяет поднимающимся испарениям превращаться на внутренней стороне крыши в капли и струйки, далее падающие опять в свои емкости, то есть обеспечивается замкнутость пространства процесса очистки от внешней среды. Окончательно обеззараженные среды отводятся (путь 8 и/или 8). Эти же пути позволяют рабочему или обслуживающему персоналу входить в емкости и выходить из них, что связано с периодическими осмотрами, очистками, профилактиками и ремонтами оборудования.
В качестве состава в емкостях могут использоваться: вода, катализаторы, щелочи, кислоты и прочие, наиболее подходящие для пропускания через них сред/газов от соответствующих производственных процессов, работающих на угле, мазуте и др. Анализатор служит для контроля химического состава и степени канцерогенности производственных выбросов.
Для обеспечения высокой надежности работы системы одновременно используется резервирование также по насосам, задвижкам и иным блокам управления общим процессом комплексной очистки воздушной среды от производственных отходов/выбросов, чем и обеспечивается безостановочная работа предприятия/организации в целом при любой окружающей температуре. Способ комплексной очистки воздушного бассейна может использоваться для исключения влияния на окружающую среду паров, газа, дыма, аэрозолей, твердых частиц, сажи, пепла, пыли, масляного тумана, от запахов и пр., либо совокупно.
Дополнительные положительные эффекты от внедрения данной разработки следующие: практически полностью защищается окружающая среда от вредных выбросов/отходов производственных процессов; исключается развитие парникового воздействия; не требуется устройство высоких труб, которые являются во время вооруженных конфликтов прекрасными ориентирами для обстрелов предприятия и прилегающих территорий; нет возможных препятствий для низколетящих вертолетов/самолетов особенно в тумане или при плохой видимости; не требуется установка фильтров, которые часто загрязняются/забиваются и не всегда достаточно эффективны.