- •Курс: охрана окружающей среды в теплотехнологии: выбросы теплотехнических установок
- •Модуль 1
- •Оглавление
- •Дидактический план
- •Литература Государственные стандарты Российской Федерации
- •Основная
- •Дополнительная
- •1. Выбросы теплотехнологических установок промышленных предприятий и их влияние на окружающую среду
- •1.1. Атмосфера – основа жизни
- •1.2. Последствия загрязнения атмосферы
- •1.3. Загрязнители атмосферы
- •1.4. Выбросы в атмосферу и их характеристика
- •1.5. Нормативы качества атмосферного воздуха
- •1.6. Перемещение загрязняющих веществ в атмосфере
- •1.7. Превращение загрязняющих веществ в атмосфере
- •1.8. Основы образования загрязнителей атмосферы
- •1.9. Источники техногенного загрязнения биосферы
- •1.10. Система государственных стандартов в области охраны биосферы
- •1.11. Нормирование загрязняющих веществ в биосфере
- •1.12. Экологический паспорт предприятия
- •2. Техника и технология удаления взвешенных веществ из атмосферных выбросов
- •2.1. Физические принципы, используемые для удаления твердых и жидких загрязнений
- •1 Источник высокого напряжения; 2 плоский электрод; 3 провод; 4 чехол короны; 5 электроны; 6 положительные ионы; 7 отрицательные ионы
- •1 Отрицательные ионы; 2 частицы, взвешенные в газе; 3 заряженная частица
- •2.2. Основные процессы извлечения газообразных примесей
- •2.3. Основные характеристики пылеуловителей
- •2.4. «Сухие» механические пылеуловители
- •2.5. «Сухие» пористые фильтры
- •1 Бункер; 2 корпус; 3 диффузор-сопло; 4 крышка; 5 труба раздающая; 6 секция клапанов; 7 коллектор сжатого воздуха; 8 секция рукавов
- •1 Корпус; 2 фильтрующие ячейки; 3 система импульсной регенерации; 4 фильтрующие элементы; 5 бункер
- •1 Корпус; 2 слой активированного угля; 3 центральная труба для подачи
- •2.6. Электрофильтры («сухие» и «мокрые»)
- •2.7. Аппараты «мокрого» пыле- и газоулавливания
- •1 Корпус; 2, 4 перегородки; 3 водоотбойник; 5 каплеуловитель; 6 вентиляционный агрегат; 7 устройство для регулирования уровня воды
- •2.8. Комбинированные методы и аппаратура очистки газов
- •6 Регулятор подачи воды; 7 разгрузочное устройство
- •2.9. Подготовка выбросов перед очисткой в пылеулавливающих устройствах
- •3. Техника и технология удаления газообразных вредных веществ из примесей
- •3.1 Абсорбционная очистка газов
- •3.2. Адсорбционная очистка газов
- •3.3. Каталитическая очистка газов
- •1 Цилиндрическая часть корпуса; 2 зернистый катализатор; 3 верхняя часть корпуса; 4 циклон; 5 шнековое устройство; 6 газораспределительная решетка
- •1 Цилиндрический корпус; 2 циклон; 3 сопло; 4 бункер, 5 эжекторное устройство
- •3.4. Термическое обезвреживание газов
- •1 Горелка; 2 топка, 3 взрывной клапан; 4 поворотный клапан; 5 сотовые перегородки; 6 дымовая труба; 7 газоход; 8 камера смешения; 9 окно; 10 перегородка
- •Задания для самостоятельной работы
- •1. Перечислить источники техногенного загрязнения биосферы:
- •2. Перечислить основные механизмы осаждения, имеющие наибольшее применение:
- •3. Перечислить основные требования к абсорбентам:
- •4. Перечислите основные требования к конструкциям каталитических реакторов:
- •5. Перечислите основные требования к оборудованию термического обезвреживания газов:
- •Глоссарий
- •Охрана окружающей среды в теплотехнологии: выбросы теплотехнических установок модуль 1
1.2. Последствия загрязнения атмосферы
Разрушение озонового слоя Земли
Озоновый слой защищает от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения поверхность Земли. Этот слой расположен на высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации от 18 до 30 км. Содержание озона в атмосфере очень мало – менее 410-6 %. Для сравнения можно привести следующий пример: количество озона атмосферы эквивалентно сплошному слою этого газа вокруг Земли, расположенного на этой же высоте, с толщиной слоя менее одного сантиметра.
Современная промышленность наряду с другими негативными воздействиями на атмосферу своими выбросами воздействует и на эту компоненту атмосферы, что проявляется в сокращении общего количества озона атмосферы. В результате происходит уменьшение толщины озонового слоя над отдельными территориями (и даже континентами), что в итоге отражается на здоровье населения. В соответствии с официальными данными ООН, сокращение озонного слоя на 1 % означает появление во всем мире 100 тыс. новых случаев катаракты глаз и 10 тыс. случаев рака. С этим явлением связывают и рост легочных, иммунных, аллергических и других заболеваний. Кроме этого, уменьшение в атмосфере озона приводит к усилению «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почвы.
Озон – едкий, ядовитый газ. В нижних слоях атмосферы он является серьезным загрязнителем. Однако благодаря тому, что нижние слои атмосферы и стратосфера не перемешиваются, озон как загрязнитель в нижних слоях атмосферы и как существенный компонент стратосферы – с практической точки зрения совершенно разные вещи. Озон в стратосфере – это продукт воздействия самого ультрафиолета на молекулы кислорода (О2). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы кислорода (О), реагируя с молекулами озона, дают две молекулы кислорода (О2). Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями.
Сегодня известно более ста реакций, влияющих на концентрацию озона в атмосфере. Наиболее эффективным катализатором разрушения озона оказался атом хлора, возможность влияния которого на озоновый слой выявилась еще в 70-е годы прошлого столетия. А люди невольно поставляют такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов хлора являются хлорфторуглероды (фреоны), т. е. обыкновенные углеводородные молекулы, в которых некоторые атомы водорода замещены хлором и фтором. Эти газы нашли широкое применение в промышленности. Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения вещества, поскольку очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на высоте 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.
Озон образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезосферы в результате протекающих реакций:
O2 O + O,
O2 + O = O3.
Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмосфере согласно реакциям:
O3 O2 + O,
O3 + O = 2O2.
Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена, являющийся одним из основных процессов разрушения озона. В этот процесс включаются и другие озоноразрушающие вещества, например, те же самые фреоны (ХФУ). Разрушаясь под действием жесткого ультрафиолета, ХФУ выделяют в стратосферу атомарный хлор, который включается в реакцию с озоном, разрушает его и восстанавливается до атомарного хлора:
Cl + O3 = ClO + O2,
ClO + O = Cl + O2.
Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора способен разрушить до 100 000 молекул озона.
Поскольку в атмосферу выбрасываются тонны хлорфторуглеродов, то этот процесс может привести к накоплению этих веществ в стратосфере в концентрации, достаточной для серьезных повреждений озонового экрана.
За последние годы содержание озона, поглощающего ультрафиолет, уменьшилось на 3 8 %. Слово «озоновая дыра» звучит как сигнал общественной тревоги. Абсолютный минимум содержания озона обнаружен над Санкт-Петербургом 45 %, над Антарктидой 50 % ниже нормы.
Необходимо отметить, что в последнее время появилось множество других гипотез, объясняющих причину уменьшения озонового слоя Земли и появления озоновых дыр. Однако официально признанной версией является «фреоновая».
Кислотные осадки
Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, для которых водородный показатель рН < 5,6. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, иногда называемых кислотными отложениями. По существу, кислотный дождь представляет собой следствие взаимного воздействия друг на друга различных сфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и т. д.).
Гидросфера (от гидро... и сфера) совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова. Часто под гидросферой подразумевают только океаны и моря.
Литосфера (от лито... и сфера) внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и верхнюю часть подстилающей ее верхней мантии.
Биосфера (от био... и сфера) область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «биосфера» введен в 1875 Э. Зюссом. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В. И. Вернадским (1926).
Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и попавших туда естественным путем микроэлементов, осадки могут быть кислыми и без воздействия человека (рН = 5,6), т. е. существует «естественный кислотный дождь». Деятельность же человека накладывается на естественный «базис». Проблема возникает из-за того, что эмиссия загрязняющих среду веществ ограничена относительно узкой территорией. Большая часть загрязняющих веществ высвобождается над наиболее загрязненными территориями Европы и Северной Америки, что составляет примерно 5 % суши. Кое-где искусственная эмиссия в 5 20 раз превышает естественную. В этих районах, простирающихся на сотни и тысячи километров, окружающая среда уже не может выдерживать дополнительных нагрузок, не изменяясь.
Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть — второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух.
К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере и определяющим кислотность, относятся диоксид серы, серооксид углерода, сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. К наиболее важным соединениям азота относятся: оксиды азота, аммиак, азотная кислота. В целом, количество естественных и искусственных выбросов соединений азота приблизительно одинаково, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, подвергаются меньшему разбавлению и сосредоточиваются на ограниченных территориях Земли.
Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и оксидов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую очередь с работой тепловых электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена диоксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух топливными тепловыми электростанциями, их работой объясняется более 50 % кислотных осадков.
Глобальное потепление
Световая энергия, проникающая сквозь атмосферу, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в тепловую энергию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ и некоторые другие газы, называемые парниковыми (метан, хлорфторуглероды, оксид азота), в отличие от других природных компонентов атмосферы вторично поглощают инфракрасное излучение земной поверхности. При этом они нагреваются и в свою очередь нагревают атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней парниковых газов, тем больше инфракрасных лучей будет поглощено, тем теплее она станет.
Углекислый газ СО2 бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом, плотность 1,98 г/л. Охлаждая диоксид углерода при обычном давлении, получают твердую снегообразную массу («сухой лед») с tвозг 78,50 °С. Растворимость 0,88 объема газа в 1 объеме воды при 20 °С; в водном растворе в присутствии щелочей образует соли угольной кислоты. Углерода диоксид входит в состав атмосферы Земли (в среднем 0,03 % по объему). Как продукт полного окисления углерода поступает в воздух при сжигании топлива и при дыхании. Главный источник углерода растений, усваивающих углерода диоксид при фотосинтезе. Углерода диоксид получают при обжиге известняка, окислении углеводородных топлив. Применяют в производстве соды, при газировании воды, в огнетушителях.
Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03 %. При этом содержание углекислого газа в воздухе в естественных условиях (без антропогенного добавления его в атмосферу) поддерживалось на одном уровне, так как его поступление в атмосферу за счет дыхания и горения и вулканических выбросов в среднем равнялось его поглощению из атмосферы фотосинтезирующими растениями.
Антропогенное воздействие на природу различные формы влияния деятельности человека на природу.
В настоящее время это равновесие нарушено. Интенсивно уничтожая леса и используя ископаемое топливо, человечество включило одновременно два мощнейших процесса, способствующих быстрому росту концентрации атмосферного углекислого газа. При сжигании ископаемого топлива масса выделяемого углекислого газа утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ присоединяет два атома кислорода. Каждый год сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит, в атмосферу поступает почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд. т его поступает за счет сжигания лесов и окисления органического вещества почвы – гумуса.
Гумус (от лат. humus земля, почва) (перегной) высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества почвы. Состоит из гумусовых кислот (гуминовых и фульвокислот), гумина и др. Образуется в результате гумификации продуктов разложения органических остатков. Содержит элементы питания растений, которые после разложения гумуса переходят в доступную для них форму. Почвы, богатые гумусом, плодородны.
В результате концентрация углекислого газа в атмосфере, составлявшая в начале XX в. около 0,029 %, к настоящему времени достигла 0,035 %, т. е. выросла на 28 %. По оценкам МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по изменению климата) предполагается, что если не будет принято каких-либо мер по сокращению эмиссии, будет удвоение содержания СО2 к 2060 2080 гг. При этом может произойти повышение средней глобальной температуры приземной атмосферы примерно от 1,5 до 4,5 °С, что вызовет подъем уровня океана по разным оценкам от 0,3 до 1 м. Это повышение температуры будет неравномерным: в два раза ниже в тропиках и в два раза выше в высоких широтах. Значительные разногласия возникают по вопросу о том, к чему приведет это потепление. Однако саму возможность потепления никто не отрицает.
Другие парниковые газы (метан, хлорфторуглероды (ХФУ) и оксиды азота) поглощают инфракрасное излучение в 50 100 раз интенсивнее, чем углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значительно ниже, они также могут значительно влиять на температурный режим планеты.
В настоящее время ожидаемыми последствиями потепления считаются:
затопление обширных густонаселенных зон и образование миллионов экологических беженцев;
более сильное потепление на полюсах вызовет ослабление циркуляции атмосферы, что изменит распределение осадков увеличение их количества в Северной Африке и уменьшение в Северной Америке;
виды флоры и фауны не будут успевать адаптироваться к быстро меняющимся климатическим условиям.
изменение привычного климата на климат более неустойчивый, что нанесет вред сельскому хозяйству многих стран мира и неблагоприятно скажется на здоровье населения этих стран.