Фильтры воздушных выбросов для предприятий: очистка воздуха на заводах

Введение

Очистка промышленных выбросов на промышленных предприятиях является приоритетной задачей промышленной экологии. Современные заводы, особенно в металлургической, химической и цементной промышленности, генерируют значительные объёмы атмосферных выбросов, содержащих взвешенные вещества (пыль, окалина), пары кислот, оксиды азота и серы, а также органические соединения различных классов.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), ежегодно из-за загрязненного воздуха преждевременно умирают около 7 миллионов человек. В городах с высокой концентрацией промышленных предприятий уровень вредных выбросов в десятки раз превышает ПДК (предельно допустимые концентрации).

В таких условиях системы воздухоочистки становятся неотъемлемой частью технологической цепочки. Их задача — улавливать частицы, нейтрализовать токсичные газы и предотвращать попадание загрязнений в атмосферу.

Фильтры очистки воздуха для заводов и другие устройства очистки воздуха на крупных предприятиях обеспечивают экологическую безопасность, снижают штрафные санкции и улучшают имидж предприятия.

Виды и состав загрязнений

Атмосферный воздух на промышленных площадках содержит разнообразные вещества. Их условно делят на три группы в зависимости от их агрегатного состояния.

Твёрдые частицы, образующиеся при сжигании топлива, дроблении руды, производстве цемента; выделяют следующие виды твердых частиц

• Пыль — механическая смесь твердых микрочастиц воздухе, размер частиц от 0,1 до 100 мкм.
• Сажа — аллотропная модификация углерода, образующаяся при сгорании органических веществ.
• Зола и окалина — продукты сгорания угля, мазута, древесины, металлообработки.
• Минеральная пыль — образуется при переработке полезных ископаемых; кварц, цемент, известняк, гипс и др

Газообразные загрязнители. Образуются при сжигании различных видов топлива, при проведении химических процессов (плавление, растворение и т.п.), при проведении процессов переработки сырья

• Оксид углерода (CO) — бесцветный, ядовитый газ, продукт неполного сгорания.
• Диоксид углерода (CO₂) — основной парниковый газ, хотя и малотоксичный.
• Оксиды азота (NO, NO₂) — раздражают дыхательные пути, участвуют в образовании кислотных дождей.
• Оксиды серы (SO₂, SO₃) — токсичны, вызывают кислотные осадки.
• Аммиак (NH₃) — летучий, едкий, опасен при вдыхании.
• Хлороводород (HCl), фтористый водород (HF) — агрессивные кислые газы.
• Летучие органические соединения (ЛОС/VOC) — альдегиды, кетоны, бензол, толуол, ксилол, метан и др.
• Сероводород (H₂S) — ядовитый газ, с характерным запахом.Аэрозоли и дым: мелкодисперсные частицы, часто содержащие тяжелые металлы (ртуть, свинец).

Капли масел, кислот, растворителей, конденсата.

Могут быть как нейтральными, так и высокоопасными (например, капли серной кислоты).

Часто образуются при охлаждении газов или в условиях высокой влажности газовоздушного выброса.

Также загрязнение атмосферного воздуха на промышленном предприятии можно классифицировать на основные группы по происхождению.

1. Загрязнения, образующиеся при сгорании топлива (газ, уголь, мазут, дизель). Основные источники выброса: котельные, ТЭЦ, печи, двигатели внутреннего сгорания: CO, CO₂, NOₓ, SO₂, зола, сажа, углеводороды.
2. Загрязнения, образующиеся ходе производственных технологических процессов (технологические выбросы).
   • Производство лакокрасочных материалов: этилацетат, бутилацетат, метоксипропанол, ксилол, бутанол;
   • Окрасочные и сушильные камеры: ацетон, толуол, ксилол, бензол, этанол, этилацетат, бутилацетат и другие сольвенты;
   • Цветная металлургия (литье цветных металлов): стирол, фенол;
   • Производство полимерных изделий: муравьиная кислота, уксусная кислота, ацетон, ацетальдегид, формальдегид, фенол, стирол;
   • Хранение и розлив нефтепродуктов: сероводород, ароматические углеводороды;
   • Очистные сооружения: сероводород, аммиак, меркаптаны, органические вещества;
   • Пищевая промышленность: уксусная кислота, альдегиды, серосодержащие соединения;
   • Производство ароматизаторов: этилацетат, бутилацетат, формальдегид, терпеновые углеводороды, спирты;
   • Полиграфическое производство: метанол, этанол, пропанол, ацетон, циклогексанон.
3. Вентиляционные выбросыФормируются в результате функционирования общей и местной систем вытяжки воздуха:
   • Могут содержать смесь различных газов, аэрозолей, пыли.
   • Источники: производственные помещения, лаборатории, производственные цеха.

Для каждого вида выбросов необходимо подобрать соответствующую технологию очистки атмосферного воздуха на предприятии.

Загрязнение атмосферного воздуха этими компонентами приводит к:

• Росту заболеваемости у работников. Могут наблюдаться как острые эффекты (раздражение кожи, слизистых оболочек, респираторные расстройства, острые отравления), так и хронические эффекты (аллергия, онкологические заболевания).
• разрушению зданий (коррозия металлических элементов, разрушение железобетонных конструкций, увеличение пористости кирпичных кладок) и оборудования (повышенная изнашиваемость движущихся деталей механизмов, разрушение изоляторов и датчиков, абразивные повреждения наружных деталей.
• экологическому ущербу — кислотные дожди (обусловлены наличием выбросов оксидов серы и азота), деградация почв (вследствие попадания загрязняющих веществ с атмосферными осадками.

Методы очистки воздуха на производстве

Существует множество современных методов и средств очистки выбросов и сбросов, которые условно объединяют в четыре группы:

1. Механические методы очистки атмосферного воздухаК механическим способам очистки загрязненного воздуха относится инерционное осаждение и фильтрация. Это самые простые и распространенные на практике методы очистки загрязненного воздуха на промышленных предприятиях. К основным устройствам относят следующие виды аппаратов и приспособлений для очистки воздуха:
   • Гравитационные камеры — используются для осаждения крупных пылевых частиц за счёт силы тяжести.
   • Циклоны — создают центробежную силу, отделяя пыль от газа, удаляют крупные и средние частицы (> 5–10 мкм). Эффективность зависит от скорости и плотности потока, так для пыли с диаметром частиц 10 мкм эффективность очистки составляет 70-90%.
   • Многокамерные циклоны — применяются для более глубокой очистки, особенно при переменных расходах газа.
   • Фильтры тканевые и рукавные — обеспечивают тонкую очистку (<1 мкм), эффективность — до 99 % удаления твердых частиц.
   • Торбные фильтры, мешочные фильтры – удобны при больших объемах газа, требуют регулярной очистки и замены.Преимущества: простая и надежная конструкция; низкая стоимость и минимальные затраты на обслуживание.Недостатки: необходимость регулярной очистки, абразивный износ рабочей камеры, невозможность использования для очистки газов от липких соединений.
2. Физические методы очистки атмосферного воздухаК физическим методам очистки воздушных выбросов относятся электрофильтры, их применяют для удаления аэрозолей и пыли с высокой эффективностью (до 99%). Газовый поток проходит между электродами, частицы заряжаются и осаждаются на коллекторе. К достоинствам метода относится его высокая эффективность (до 99,9 %), возможность улавливания частиц размером менее 1 мкм, а также надежность и долговечность. Электрофильтры особенно эффективны при низких температурах и постоянной концентрации загрязнений.Использование комбинаций (циклона + рукавного фильтра + электрофильтра) позволяет достичь лучшей эффективности очистки газов и очистки газовоздушных выбросов от твердых примесей.
3. Химические методы очистки атмосферного воздухаСреди данных методов наиболее распространены наиболее распространены абсорбция (поглощение газов жидкостью), адсорбция (поглощение твёрдыми сорбентами) и каталитическое окисление, которое позволяет разлагать токсичные газы на безвредные компоненты.
   • Для проведения процесса абсорбции чаще всего применяют скрубберы, они подходят как методы очистки газовых выбросов в атмосферу для агрессивных газов и кислотных компонентов. Эффективность газовой очистки (SO₂, HCl): до 95–99 % (мокрые скрубберы).Устройства очистки выбросов
     • Насадочные абсорберы – колонны, наполненные насадками из твердых инертных материалов, таких как кольца Рашига, кольца Палля, кольца с перегородками.
     • Тарельчатые колонны – состоят из вертикального корпуса с расположенными внутри тарелками (горизонтальные перегородки с перфорацией). На каждой такой тарелке происходит контакт между газом и жидкостью.
     • Пенные скрубберы – также представляют собой вертикальный корпус с тарелками внутри. Газовоздушная среда подается снизу и проходит через перфорацию тарелок, а орошаемая жидкость подается сверху. Жидкость на тарелке начинает вспениваться (эффект барботажа), насыщается газом.
     • Форсуночные скрубберы – особенность их конструкции заключается в наличии форсунок для подачи очищающей жидкости. Эта особенность делает аппараты более компактными и появляется возможность очистки высокотемпературных средств.
   • Адсорбция — это поглощение газов твёрдыми пористыми материалами (адсорбентами). Наиболее часто используют активированный уголь, силикагель, цеолиты.Виды фильтров:
     • Адсорбционные колонны с неподвижным слоем адсорбента – состоят из полого корпуса с горизонтальной решеткой внутри. На данной решетке размещают слой адсорбента. Данная конструкция
     • Адсорбционные колонны с подвижным слоем адсорбента. В аппаратах такого типа адсорбент непрерывно перемещается по колонне сверху вниз под действием силы тяжести, очищаемый газ при этом движется снизу вверх. У таких установок выше степень очистки, но постоянное перемещение адсорбента приводит к его ускоренному разрушению.
     • Адсорбционные колонны с кипящим слоем адсорбента. В кипящем слое адсорбция протекает более интенсивно, чем в неподвижном слое за счет высоких скоростей очищаемого газа, но зерна адсорбента при этом истираются сильнее.Регенерация адсорбента проводится нагревом, продувкой инертным газом или паром.
     • Метод каталитического окисления основан на ускорении реакции окисления загрязнителей катализатором при температурах 200–400 °C. Катализаторы — оксиды Mn, Cu, V, а также благородные металлы (Pt, Pd, Rh) на керамических или металлических носителях.
     • Реакторы с неподвижным слоем катализатора – полая колонна с распределительной горизонтальной решеткой для размещения на ней катализатора.
     • Контактные аппараты с катализатором в виде сеток из активного металла или сплава.
     • Мембраны-контакторы – аппараты, в которых рабочим элементом являются пористые мембраны с нанесенным слоем катализатора.Все виды аппаратов должны быть выполнены из специальных жаропрочных сталей и огнеупорных керамик.
4. Биологические методы очистки атмосферного воздухаБиофильтры применяются для очистки воздуха от органических соединений. Используются в пищевой промышленности и на установках по переработке отходов.Биофильтр представляет собой герметичную камеру с фильтрующей загрузкой. Зернистый материал загрузки покрыт биопленкой, образующейся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Микроорганизмы разлагают вредные выбросы до углекислого газа и воды.К преимуществам биофильтров относят экологичность (для очистки используются природные биологические процессы), универсальность (можно очищать широкий спектр загрязняющих веществ), нет проблем с утилизацией биомассы. Среди недостатков – большие размеры оборудования, сложно поддерживать правильные условия для бактерий, нет защиты от залповых превышений концентраций загрязненных веществ.

   Виды фильтров (биофильтров)

   • С искусственной аэрацией (аэрофильтры) и с естественной подачей воздуха.
   • С рециркуляцией очищаемой воды и без нее;
   • Фильтры с объемной (гравий, шлак, щебень) или плоскостной загрузкой (пластмасса, керамика, металл).

Для очистки промышленных выбросов сложного состава применяют комбинированные системы газоочистки, включающие в себя несколько этапов очистки воздуха:

1. Первичный механический фильтр, как правило — это циклонная система, простой, дешевый и неприхотливый вариант;
2. Тонкая очистка газообразных выбросов от пыли – тканевые/рукавные фильтры (компактные, при смене рукавов минимально прерывают процесс) или электрофильтры (требуют электропитания и регулярной очистки);
3. Химическая или каталитическая очистка – скрубберы (требуют химических растворов, реагентов и очистку рассолов), SCR (сложны в инсталляции, требуют контроля температуры, катализатора, реагентов) или RTO.
4. Адсорберы – финальная очистка VOC, запахов (имеют место существенные расходы на регенерацию сорбента).

Сочетание аппаратов подбирается в зависимости от состава выбросов, при этом технология и система очистки выбросов адаптируется под конкретное сочетание газов и пыли.

Отраслевые решения для применения установок очистки промышленных выбросов

Химическая промышленность

Используются установки для очистки воздуха от паров и газов (пары сольвентов и растворителей, ароматические углеводороды): абсорбционные и адсорбционные системы.

Пищевая промышленность

Главная задача — обеззараживание воздуха, а также очистка от уксусной кислоты, альдегидов, серосодержащих соединений (все компоненты образуются при термической обработке пищевого сырья). Применяются промышленные системы очистки и стерилизации воздуха; применяются адсорберы и скрубберы.

Производство полимерных изделий

В результате термической переработки сырья (пластические массы, гранулы пластика) выделяется широкий спектр загрязняющих веществ: муравьиная кислота, уксусная кислота, ацетон, ацетальдегид, формальдегид, фенол, стирол; для очистки применяют адсорбционные системы.

Очистные сооружения

При эксплуатации очистных сооружений образуются выбросы дурнопахнущих веществ, таких как сероводород, аммиак, меркаптаны, органические вещества. Для удаления данных веществ применяют биофильтры или адсорбционные системы.

Хранение и розлив нефтепродуктов

При хранении нефтепродуктов в специализированных вертикальных и горизонтальных резервуарах с системой подогрева происходит выделение загрязняющих веществ («дыхание» емкостей), также источниками выделения загрязняющих веществ являются устройства слива сырья и налива готовой продукции. Для очистки от запаха применяют адсорбционные или плазмокаталитические системы очистки.

Эксплуатация и обслуживание систем очистки выбросов

Эффективность установок очистки атмосферного воздуха на предприятии зависит не только от выбора оборудования, но и от правильной эксплуатации. Даже высокоэффективная система требует регулярного обслуживания:

• очистка (рукавные фильтры регенерируются сжатым воздухом, электрофильтры требуют удаления осадков) или замена фильтров/фильтрующих элементов;
• промывка мокрых аппаратов;
• проверка работы вентиляторов и насосов;
• смазка и диагностика вентиляторов для снижения износа;
• контроль герметичности;
• калибровка датчиков (перепада давления, температуры) автоматической системы контроля выбросов;
• Замена катализатора;

Своевременное обслуживание продлевает срок службы оборудования и гарантирует стабильную степень очищения.

Заключение

Очистка воздуха от паров и газов на промышленных предприятиях — это не только соблюдение норм, но и элемент устойчивого развития. Внедрение современных методов очистки атмосферного воздуха, автоматизация процессов и контроль за ПДК обеспечат экологическую безопасность и конкурентоспособность бизнеса.