Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в

них содержится несколько десятков компонентов, основные из кото-

рых приведены в табл. 10.1. Диоксид серы образуется в отработавших

газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (ди-

зельное топливо).

Анализ данных, приведенных в табл. 10.1, показывает, что наи-

большей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет

большого выброса оксида углерода, оксидов азота, углеводородов и

др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, кото-

рая в чистом виде нетоксична. Однако частицы сажи, обладая высо-

кой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности час-

тицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может

длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе,

увеличивая время воздействия токсичных веществ на человека.

Таблица 10.1. Состав отработавших газов ДВС

Компонент

Объемная доля компонента, %

Примечание

Компонент

карбюраторные ДВС

дизельные

Примечание

Азот 74...77

76...78

Не токсичны

Кислород 0,3...8

2...18

Пары воды

3,0...5,5 0,5...4,0

Диоксид углерода

5,0...12,0 1,0...10,0

Водород

0...5,0

Оксид углерода

0,5...12,0

0,01...0,50

Токсичны

Оксиды азота (в пере-

До 0,8

0,0002...0,5

счете на N

)

Углеводороды

0,2...3,0

0,009...0,5

Альдегиды

До 0,2 мг/л

0,001...0,09 мг/л

Сажа

0...0,04 г/м

0,01...1,1 г/м

Бенз(а)пирен

10...20 мкг/м

До 10 мкг/м

Состав отработавших газов ДВС зависит от режима работы двига-

теля. У двигателя, работающего на бензине, при неустановившихся

режимах (разгоне, торможении) нарушаются процессы смесеобразо-

вания, что способствует повышенному выделению токсичных про-

дуктов. В дизелях с уменьшением нагрузки содержание токсичных

компонентов отработавших газах уменьшается, а при работе на режи-

ме максимальной нагрузки возрастает за счет роста выбросов оксида

углерода, оксидов азота и углеводородов.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в соста-

ве отработавших газов, зависит от общего технического состояния ав-

271

томобилей и особенно от двигателя — источника наибольшего за-

грязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы

оксида углерода увеличиваются в 4...5 раз. Применение этилирован-

ного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызы-

вает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соедине-

ниями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этило-

вой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработав-

шими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной

трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомо-

биль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Кон-

центрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине:

Концентрация свинца в бензине, г/л 0,15 0,20 0,25 0,50

Концентрация свинца в воздухе, мкг/м

0,40 0,50 0,55 1,00

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в

атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилирован-

ным.

10.1.2. Средства защиты атмосферы

Требования к выбросам в атмосферу. Средства защиты атмосферы

должны ограничивать наличие вредных веществ в воздухе среды оби-

тания человека на уровне не выше ПДК. Во всех случаях должно со-

блюдаться условие

С + с

< ПДК (10.2)

по каждому вредному веществу (с

— фоновая концентрация), а при

наличии нескольких вредных веществ однонаправленного дейст-

вия — условие (0.2). Соблюдение этих требований достигается лока-

лизацией вредных веществ в месте их образования, отводом из поме-

щения или от оборудования и рассеиванием в атмосфере. Если при

этом концентрации вредных веществ в атмосфере превышают ПДК,

то применяют очистку выбросов от вредных веществ в аппаратах очи-

стки, установленных в выпускной системе. Наиболее распростране-

ны вентиляционные, технологические и транспортные выпускные

системы.

На практике реализуются следующие варианты защиты атмо-

сферного воздуха:

— вывод токсичных веществ из помещений общеобменной вен-

тиляцией;

272

Рис. 10.2. Схемы использования средств защиты атмосферы:

/ — источник токсичных веществ; 2 — устройство для локализации токсичных веществ (местный

отсос); 3 — аппарат очистки; 4 — устройство для забора воздуха из атмосферы; 5 — труба для рас-

сеивания выбросов; 6 — устройство (воздуходувка) для подачи воздуха на разбавление выбросов

— локализация токсичных веществ в зоне их образования мест-

ной вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных ап-

паратах и его возврат в производственное или бытовое помещение,

если воздух после очистки в аппарате соответствует нормативным

требованиям к приточному воздуху (рис. 10.2, а);

— локализация токсичных веществ в зоне их образования мест-

ной вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных ап-

паратах, выброс и рассеивание в атмосфере (см. рис. 10.2, б);

— очистка технологических газов выбросов в специальных аппара-

тах, выброс и рассеивание в атмосфере; в ряде случаев перед выбросом

отходящие газы разбавляют атмосферным воздухом (см. рис. 10.2, в);

— очистка отработавших газов энергоустановок, например дви-

гателей внутреннего сгорания в специальных агрегатах, и выброс в ат-

мосферу или производственную зону (рудники, карьеры, складские

помещения и т. п.) (см. рис. 10.2, г).

Для соблюдения ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе

населенных мест устанавливают предельно допустимый выброс

273

Рис. 10.3. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере у земной

поверхности от организованного высокого источника выбросов:

А — зона неорганизованного загрязнения; Б — зона переброса факела; В — зона задымления;

Г— зона постепенного снижения уровня загрязнения

(ПДВ) вредных веществ из систем вытяжной вентиляции, различных

технологических и энергетических установок.

В соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02—78 для каждого

проектируемого и действующего промышленного предприятия уста-

навливается ПДВ вредных веществ в атмосферу при условии, что вы-

бросы вредных веществ от данного источника в совокупности с дру-

гими источниками (с учетом перспективы их развития) не создадут

приземную концентрацию, превышающую ПДК.

Рассеивание выбросов в атмосфере. Технологические газы и венти-

ляционный воздух после выхода из труб или вентиляционных уст-

ройств подчиняются законам турбулентной диффузии. На рис. 10.3

показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере

под факелом организованного высокого источника выброса. По мере

удаления от трубы в направлении распространения промышленных

выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы:

переброса факела выбросов Б, характеризующаяся относительно не-

высоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосфе-

ры; задымления В с максимальным содержанием вредных веществ и

постепенного снижения уровня загрязнения Г. Зона задымления наи-

более опасна для населения и должна быть исключена из селитебной

застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических

условий находятся в пределах 10...49 высот трубы.

Максимальная концентрация примесей в приземной зоне про-

порциональна производительности источника и обратно пропорцио-

нальна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти

полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высо-

кую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры

274

и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к

увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентра-

ции.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диа-

метром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осажде-

ния, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных час-

тиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения

под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке от

пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мел-

кие, в выбросах остаются очень мелкие частицы; их рассеивание в ат-

мосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.

В зависимости от расположения и организации выбросов источ-

ники. загрязнения воздушного пространства подразделяют на зате-

ненные и незатененные, линейные и точечные. Точечными источни-

ки считают тогда, когда удаляемые загрязнения сосредоточены в од-

ном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные венти-

ляторы и другие источники. Выделяющиеся из них вредные вещества

при рассеивании не накладываются одно на другое на расстоянии

двух высот здания Д

. Линейные источники имеют значительную

протяженность в направлении, перпендикулярном ветру. Это аэра-

ционные фонари, открытые окна, близко расположенные вытяжные

шахты и крышные вентиляторы.

Незатененные, или высокие, источники свободно расположены в

недеформированном потоке ветра. К ним относят высокие трубы, а

также точечные источники, удаляющие загрязнения на высоту, пре-

вышающую 2,5 #

зд

. Затененные, или низкие, источники расположе-

ны в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на

здании или за ним (в результате обдувания его ветром) на высоте до

h < 2,5 Я

зд

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания

и определения приземных концентраций выбросов промышленных

предприятий, является «Методика расчета концентраций в атмо-

сферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах пред-

приятий ОНД—86». Эта методика позволяет решать задачи по опре-

делению ПДВ при рассеивании через одиночную незатененную тру-

бу, при выбросе через низкую затененную трубу и при выбросе через

фонарь из условия обеспечения ПДК в приземном слое воздуха.

При определении ПДВ примеси от расчетного источника необхо-

димо учитывать ее концентрацию с

в атмосфере, обусловленную вы-

бросами от других источников. Для случая рассеивания нагретых вы-

бросов через одиночную незатененную трубу

275

пдв

(ПДК-с

)Я

УОАГ

(10.3)

где И — высота трубы; Q — объем расходуемой газовоздушной сме-

си, выбрасываемой через трубу; Д7

— разность между температурой

выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего

атмосферного воздуха, равной средней температуре самого жаркого

месяца в 13 ч; А — коэффициент, зависящий от температурного гра-

диента атмосферы и определяющий условия вертикального и гори-

зонтального рассеивания вредностей; k

— коэффициент, учитываю-

щий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере; т и

п — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода га-

зовоздушной смеси из устья трубы.

Оборудование для очистки выбросов. В тех случаях, когда реальные

выбросы превышают ПДВ, необходимо в системе выброса использо-

вать аппараты для очистки газов от примесей.

Аппараты очистки вентиляционных и технологических выбросов

в атмосферу делятся на: пылеуловители (сухие, электрические,

фильтры, мокрые); туманоуловители (низкоскоростные и высоко-

скоростные); аппараты для улавливания паров и газов (абсорбцион-

ные, хемосорбционные, адсорбционные и нейтрализаторы); аппара-

ты многоступенчатой очистки (уловители пыли и газов, уловители ту-

манов и твердых примесей, многоступенчатые пылеуловители). Их

работа характеризуется рядом параметров. Основными из них явля-

ются эффективность очистки, гидравлическое сопротивление и по-

требляемая мощность.

Эффективность очистки

где с

вх

и с

вых

— массовые концентрации примесей в газе до и после ап-

парата.

В ряде случаев для пылей используется понятие фракционной эф-

фективности очистки

где с

вх/

и с

вых/

— массовые концентрации /-й фракции пыли до и после

пылеуловителя.

Для оценки эффективности процесса очистки также используют

коэффициент проскока веществ К через аппарат очистки:

Л (^ВХ ^вых)/

BXJ

(10.4)

(10.5)

276

Как следует из формул (10.4) и (10.5), коэффициент проскока и

эффективность очистки связаны соотношением К= 1 — г|.

Гидравлическое сопротивление аппаратов очистки Ар определя-

ют как разность давлений газового потока на входе аппарата р

вх

и вы-

ходе р

вых

из него. Значение Ар находят экспериментально или рассчи-

тывают по формуле

Ap=p

-p

Bblx

= £

)

pJV

/2, (10.6)

где \ — коэффициент гидравлического сопротивления аппарата; р и

W— плотность и скорость газа в расчетном сечении аппарата.

Если в процессе очистки гидравлическое сопротивление аппарата

изменяется (обычно увеличивается), то необходимо регламентиро-

вать его начальное Ар

шч

и конечное значение Ар

кон

. При достижении

Ар = Ар

кон

процесс очистки нужно прекратить и провести регенера-

цию (очистку) аппарата. Последнее обстоятельство имеет принципи-

альное значение для фильтров. Для фильтров Ар

кон

= (2...5)Ар

нач

Мощность N побудителя движения газов определяется гидравли-

ческим сопротивлением и объемным расходом Дочищаемого газа:

N= kApQ/(r]

мЛв

где коэффициент запаса мощности, обычно к — 1,1...1,15;

г|

— КПД передачи мощности от электродвига-

теля к вентилятору; обычно г|

= 0,92...0,95; г|

—

КПД вентилятора; обычно г|

= 0,65...0,8.

Широкое применение для очистки газов от

частиц получили сухие пылеуловители — цикло-

ны (рис. 10.4) различных типов. Газовый поток

вводится в циклон через патрубок 2 по касатель-

ной к внутренней поверхности корпуса 1 и со-

вершает вращательно-поступательное движе-

ние вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием

центробежной силы частицы пыли образуют на

стенке циклона пылевой слой, который вместе с

частью газа попадает в бункер. Отделение час-

тиц пыли от газа, попавшего в бункер, происхо-

дит при повороте газового потока в бункере на

180°. Освободившись от пыли, газовый поток

образует вихрь и выходит из бункера, давая на-

чало вихрю газа, покидающему циклон через

выходную трубу 3. Для нормальной работы ци-

клона необходима герметичность бункера. Если

Очищенный

газ

Пыль

Рис. 10.4. Схема ци-

клона

277

бункер негерметичен, то из-за подсоса наружного воздуха происхо-

дит вынос пыли с потоком через выходную трубу.

Многие задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются

цилиндрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими

(СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СДК-ЦН-33) циклонами НИИОГАЗа.

Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для улавли-

вания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется ис-

пользовать для предварительной очистки газов и устанавливать пе-

ред фильтрами или электрофильтрами.

Конические циклоны НИИОГАЗа серии СК, предназначенные

для очистки газа от сажи, обладают повышенной эффективностью по

сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет большего

гидравлического сопротивления циклонов серии СК.

Для очистки больших масс газов применяют батарейные цикло-

ны, состоящие из большого числа параллельно установленных ци-

клонных элементов. Конструктивно они объединяются в один кор-

пус и имеют общий подвод и отвод газа. Опыт эксплуатации батарей-

ных циклонов показал, что эффективность очистки у таких циклонов

несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока

газов между циклонными элементами. Методика расчета циклонов

приведена в работе [16].

Электрическая очистка (электрофильтры) — один из наиболее

совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли

и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа, передаче

заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осади-

тельных и коронирующих электродах. Для этого применяют электро-

фильтры.

Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирую-

щим 1 и осадительным 2 электродами (рис. 10.5), адсорбируют на

своей поверхности ионы, приобретая электриче-

ский заряд, и получают тем самым ускорение,

направленное в сторону электрода с зарядом

противоположного знака. Процесс зарядки час-

тиц зависит от подвижности ионов, траектории

движения и времени пребывания частиц в зоне

коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе

и дымовых газах подвижность отрицательных

ионов выше, чем положительных, электро-

фильтры обычно делают с короной отрицатель-

ной полярности. Время зарядки аэрозольных

частиц невелико и измеряется долями секунды.

Движение заряженных частиц к осадительному

- +

Рис. 10.5. Схема

электрофильтра

278

электроду происходит под действием аэродинамических сил и

силы взаимодействия электрического поля и заряда частицы.

Большое значение для процесса осаждения пыли на электродах

имеет электрическое сопротивление слоев пыли. По величине элек-

трического сопротивления различают:

1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением

(< 10

Ом • см), которые при соприкосновении с электродом мгно-

венно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий зна-

ку электрода, после чего между электродом и частицей возникает

сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток;

противодействует этой силе только сила адгезии; если она оказывает-

ся недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очи-

стки;

2) пыли с удельным электрическим сопротивлением от 10

до

Ом • см; они хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются

с них при встряхивании;

3) пыли с удельным электрическим сопротивлением более

Ом • см; они труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так

как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значитель-

ной степени препятствует осаждению новых частиц.

В реальных условиях снижение удельного электрического сопро-

тивления пыли можно осуществить увлажнением запыленного газа.

Определение эффективности очистки запыленного газа в элек-

трофильтрах обычно проводят по формуле Дейча:

• т| = 1 — е~^

Ч (Ю.7)

где W

— скорость движения частицы в электрическом поле, м/с;

yjx

— удельная поверхность осадительных электродов, равная отно-

шению поверхности осадительных элементов к расходу очищаемых

газов, м

• с/м

. Из формулы (10.7) следует, что эффективность очист-

ки газов зависит от показателя степени W

3,0 3,7 3,9 4,6

П 0,95 0,975 0,98 0,99

Конструкцию электрофильтров определяют состав и свойства

очищаемых газов, концентрация и свойства взвешенных частиц, па-

раметры газового потока, требуемая эффективность очистки и т. д. В

промышленности используют несколько типовых конструкций сухих

и мокрых электрофильтров [16], применяемых для очистки техноло-

гических выбросов (рис. 10.6).

279

Очищенный газ

Газ

Рис. 10.7. Схема фильтра

Эксплуатационные характеристики

электрофильтров весьма чувствительны

к изменению равномерности поля ско-

ростей на входе в фильтр. Для получения

высокой эффективности очистки необ-

ходимо обеспечить равномерный под-

вод газа к электрофильтру путем пра-

вильной организации подводящего га-

зового тракта и применения распреде-

лительных решеток во входной части

электрофильтра.

Для тонкой очистки газов от частиц

и капельной жидкости применяют раз-

личные фильтры. Процесс фильтрова-

ния состоит в задержании частиц при-

месей на пористых перегородках при

движении через них дисперсных сред.

Принципиальная схема процесса

фильтрования в пористой перегородке

показана на рис. 10.7. Фильтр представ-

ляет собой корпус 7, разделенный по-

ристой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр

поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении

фильтроэлемента. Частицы примесей оседают на входной части порис-

той перегородки, образуя на поверхности перегородки слой J, и за-

держиваются в порах. Для вновь поступающих частиц этот слой ста-

новится частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффектив-

ность очистки фильтра и перепад давления на фильтроэлементе. Оса-

ждение частиц на поверхности пор фильтроэлемента происходит в

результате совокупного действия эффекта касания, а также диффузи-

онного, инерционного и гравитационного эффектов.

Классификация фильтров основана на типе фильтровой перего-

родки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки

и др.

Рис. 10.6. Электрофильтр типа

С для улавливания смол:

1 — распределительные решетки; 2 —

осадительные и коронирующие элек-

троды; 3 — корпус; 4 — смолоулавли-

вающий зонт

280