Методы защиты атмосферы можно объединить в три большие группы:
Мероприятия по снижению мощности вредных выбросов (уменьшению количества выбрасываемого вещества в единицу времени), которые в свою очередь могут быть следующими:
§ замена менее экологичных видов топлива более экологически чистыми;
§ сжигание топлива по специальной технологии;
§ создание замкнутых производственных циклов.
Мероприятия по применению специальных систем очистки для обработки и нейтрализации (очистки) вредных выбросов.
Мероприятия по нормированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройствах, так и в регионе в целом.
Рассмотрим примеры промышленной реализации мероприятий по снижению мощности вредных выбросов:
§ 2.6.1 Замена менее экологичных видов топлива более экологически чистыми в различных отраслях.
• Топливно-энергетический комплекс (ТЭК). В самом общем случае для замены менее экологичных видов топлива более экологически чистыми применяют топливо с более низким баллом загрязнения атмосферы. При сжигании различных топлив такие показатели, как зольность, количество диоксида серы и оксидов азота в выбросах, могут сильно различаться между собой, поэтому введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах, который отражает степень вредного воздействия на человека.
Значения суммарного показателя загрязнения атмосферы в баллах для различных видов ископаемого топлива:
- горючие сланцы - 3,16,
- уголь - 0,5...2,5 (для углей различных месторождений),
- природный газ - 0,04.
• Ракетно-космическая техника (РКТ). В ракетно-космической технике давно актуальна задача замены компонентов жидкого ракетного топлива (КЖРТ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) нижних ступеней ракет-носителей (РН) более экологически чистыми. Вместо широко применяемой для маршевых ЖРД большой тяги пары ГОРЮЧЕЕ – ОКИСЛИТЕЛЬ НДМГ + АТ (несимметричный диметилгидразин (CH3)2N NH2 + азотный тетраксид N2O4) необходимо использовать другие КЖРТ (соответственно, другие типы ЖРД), такие, например, как:
- КЕРОСИН – КИСЛОРОД (РГ-1 (C-85,9; H-14,1) + кислород жидкий (O2ж);
- МЕТАН – КИСЛОРОД (СH4 + O2ж);
- наилучшую в экологическом плане и эффективную с точки зрения энергетики (для достижения высокого удельного импульса тяги двигателя) пару ВОДОРОД – КИСЛОРОД (H2ж + O2ж), основным продуктом сгорания которой является вода (2H2+O2 → 2H2O).
Для сравнения, продуктами сгорания НДМГ+АТ, оказывающими вредное воздействие на человека, являются: NO, NO2, N2O, NH, NH2, NH3, NH4, CH4, CN, HCN, C, (CH3)2NNO(CH3)2NH. Для самого гидразина и его производных (НДМГ в т.ч.) ПДКрз =0,1мг/м3, гидразин относится к 1 классу опасности.
• Транспорт.. Для автомобильного транспорта применение водорода (H2) в качестве моторного топлива является стратегическим перспективным направлением. Лидирующие в автомобилестроении мировые концерны уже добились значительных успехов в этом направлении. Ещё одним направлением создания экологически чистого автомобиля является применение электропривода, получающего электроэнергию от т.н. топливных элементов, работающих, в свою очередь, на тех же кислороде и водороде. За водородной энергетикой, несомненно, большое будущее, но для её широкого практического применения науке совместно с бизнесом и промышленностью надо решить множество задач, таких, например, как:
- создание экологически чистых и экономически оправданных технологий производства водорода в крупных промышленных масштабах,
- создание развитой водородной инфраструктуры (средства и системы хранения, транспортировки, заправки и пр.) с необходимой степенью безопасности, и др.
Для общественного автотранспорта, дорожно-строительных машин, маневрового железнодорожного транспорта, использующих дизельное топливо, перспективным представляется перевод с «солярки» на диметиловый эфир (ДМЭ) – синтетическое моторное топливо, получаемое из природного газа и являющееся идеальным топливом для дизельных двигателей.
Порочной практикой является использование во многих странах на транспорте в массовом масштабе бензина с высоким (не соответствующим Европейским нормам) содержанием серы (S) и свинца (Pb). В настоящее время существуют апробированные технологии производства экологически чистого высокооктанового синтетического моторного топлива (синтетического бензина) из природного газа. Необходимо отметить, что по запасам природного газа РФ является мировым лидером.
§ 2.6.2 Сжигание топлива по специальной технологии.
Традиционные энерготехнологические установки основаны на высокотемпературном (обычно около 1200°С) факельном сжигании топлив и являются одним из основных источников загрязнения атмосферы теплом и вредными веществами. Системам с простым факельным сжиганием топлива свойственны следующие недостатки:
- большие выбросы вредных продуктов (NOx, SO2 ,CO, бензопиренов);
- большие габариты систем, из-за низких коэффициентов теплоотдачи от горячих дымовых газов к теплообменным поверхностям и, как следствие, высокие капзатраты;
- дорогие конструкционные материалы (требования жаростойкости и долговечности);
- взрывопожароопасность и др.
Повысить эффективность горения и снизить загрязнение атмосферы позволяет применение сравнительно низкотемпературных (900-1000°С) топок с применением технологии «кипящего слоя» (псевдоожижения). Сжигание топлива можно осуществить также с предварительной его газификацией.
Для уменьшения мощности выброса серы твердое, порошкообразное или жидкое топливо сжигают в кипящем слое, который формируется из твердых частиц золы, песка или других веществ (инертных или реакционноспособных). Твердые частицы вдуваются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно перемешиваются и образуют принудительно равновесный поток, который в целом обладает свойствами жидкости (эффект псевдоожижения).
Предварительной газификации подвергаются уголь и нефтяные топлива, однако на практике чаще всего применяют газификацию угля. Поскольку в энергетических установках получаемый и отходящий газы могут быть эффективно очищены, то концентрации диоксида серы и твердых частиц в их выбросах будут минимальными.
На практике, как правило, целесообразно сочетать несколько принципов при создании энергосберегающих и экологичных технологий. В качестве примера рассмотрим технологию, с использованием беспламенного каталитического горения, позволяющую избежать многих недостатков, свойственных системам с простым факельным сжиганием топлива
В основу рассматриваемой ниже технологии сжигания топлив в присутствии катализаторов заложено сочетание четырёх принципов:
1) применение катализаторов полного окисления веществ;
2) сжигание топлив в псевдоожиженном (кипящем) слое частиц катализатора;
3) сжигание смесей топлива и воздуха при соотношении, близком к стехиометрическому;
4) совмещение тепловыделения и теплоотвода в едином псевдоожиженном слое.
В генераторах тепла каталитических (ГТК) окисление топлива происходит на поверхности гранул специальных оксидных катализаторов, поддерживаемых в псевдоожиженном состоянии в потоке топлива, воздуха и продуктов горения. Отвод тепла из слоя производится через теплообменные поверхности, находящиеся в кипящем слое, путем прямого контакта катализатора с рабочим телом.
Каталитическое сжигание принципиально отличается от горения в традиционном понимании, так как топливо окисляется на поверхности твердых катализаторов без образования пламени вообще. Действие катализаторов в процессе полного окисления (или гетерогенного «горения») топливно-воздушных смесей схематически можно представить как химическое взаимодействие компонентов топлива с поверхностным кислородом катализатора с последующей регенерацией восстановленной поверхности катализатора кислородом газовой фазы. В зависимости от активности катализатора, которая определяется энергией связи поверхностного кислорода с активным компонентом катализатора, процесс полного окисления многих веществ может протекать при температурах 300-700°С. Таким образом, присутствие в реакционной системе катализатора снижает температуру сжигания органического топлива с 1000-1200°С до 300-700°С, сохраняя при этом высокие скорости горения и обеспечивая полное сгорание топливно-воздушных смесей даже без избытка воздуха.
В псевдоожиженном состоянии гранулы катализатора являются одновременно и твердым теплоносителем, обеспечивая высокие коэффициенты теплоотдачи к поверхности теплообменника. По сравнению с традиционными способами сжигания, наличие катализатора позволяет ослабить требования к термохимическим свойствам конструкционных материалов аппаратов, уменьшить потери теплоты через стенки аппаратов, облегчить запуск системы в работу и управление процессом, а также исключить протекание вторичных эндотермических реакций с образованием токсичных продуктов. Использование катализатора также позволяет снизить взрывоопасность устройств, так как топливо и воздух подаются в псевдоожиженный слой раздельно, и, кроме того, достичь высоких значений теплонапряженности объема топочного пространства и, следовательно, значительно снизить габариты, вес и металлоемкость конструкций.
Особенностью рассматриваемого ГТК является наличие в слое горизонтальной секционирующей решетки, которая тормозит свободную циркуляцию катализатора и разделяет псевдоожиженный слой на две зоны - нижнюю с температурой 600-750°С достаточной для полного окисления топлива, и верхнюю, температура которой может быть понижена до 200-З00°С за счет дополнительного отвода тепла (рис. 2.1). Это минимизирует потери теплоты с отходящими газами и позволяет проводить эффективно при контролируемой температуре различные технологические процессы, такие как, нагрев, сушку и термообработку различных порошковых материалов.
Очевидно, что для процессов сжигания в псевдоожиженном слое наиболее важным вопросом является выбор катализатора и его носителя. Специфика катализаторов, применяемых в ГТК, заключается в том, что при работе они подвергаются одновременному химическому, термическому и механическому воздействию. Применяемые в ГТК данного типа катализаторы полного окисления на алюмооксидных сферических носителях имеют, например, следующие характеристики: удельная поверхность 150-200 м2/г, средний радиус пор 40-50 Ǻ, прочность на раздавливание - 25 МПа.
Рис. 2.1. Схема ГТК и профиль температур по высоте слоя катализатора
Использование ГТК позволяет исключить образование продуктов недожога: сажи (дисперсный углерод C) и канцерогенных углеводородов (CnHn), и значительно снизить выбросы СО и NOX. Сравнение концентраций NOX при факельном сжигании и сжигании в псевдоожиженном слое катализатора показало, что сжигание топлив в ГТК приводит к резкому снижению образования как термических, так и топливных NOX.
§ 2.6.3 Внедрение замкнутых производственных процессов
является ещё одним из перспективных способов защиты атмосферы от химических примесей, при котором сводят к минимуму выбрасываемые в атмосферу отходы, за счёт их вторичного использования и потребления, т. е. за счёт превращения отходов в новые продукты (отходы, как сырьё для производства новых продуктов).