Введение в специальность

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ

Для предупреждения загрязнения атмосферного воздуха, во­доемов и почвы следует прежде всего использовать технологиче­ские ресурсосберегающие методы, которые представляют совокуп­ность технологических и конструктивных мероприятий, предусмат­ривающих существенное сокращение количества и токсичности выбросов в окружающую среду без снижения качества и количест­ва целевого продукта.

Эти методы развиваются в следующих направлениях: разработка принципиально новых технологических процессов и соответствующего оборудования для производства продукции на основе комплексной переработки сырья и рационального исполь­зования энергии;

Разработка и создание территориально-производственных комплексов (ТПК) с использованием замкнутой структуры мате­риальных потоков, что позволит наиболее технически реально и экономически целесообразно минимизировать отходы;

Разработка систем последовательного использования и рецир­куляции материальных потоков отдельных процессов и произ­водств, в частности систем оборотного водо - и газоиспользования, которые и являются структурными единицами ТПК;

Разработка способов переработки вторичных ресурсов, которые должны быть составной частью систем рекуперации и последо­вательного использования материалов; получение продукции из вторичных ресурсов во многих случаях экономичнее, чем из при­родного сырья [19];

Изучение механизма образования токсичных веществ и совер­шенствование с учетом его технологических процессов; совершенствование конструкций оборудования; замена токсичных материалов на менее или вообще неток­сичные;

Разработка безводных и непылящих технологических про­цессов.

Исходным,,и направляющим условием при выборе и дальней­шей разработке технологических процессов является изучение механизма образования вредных веществ.

Знание механизма образования вредных веществ в техноло­гическом процессе позволяет разработать мероприятия по сниже­нию их количества путем изменения в нужном направлении и поддержания на требуемом уровне следующих параметров: темпе­ратуры, давления, концентрации реагентов, степени рециркуляции технологических потоков, типа и концентрации катализатора, се­лективности процесса. Сокращения выбросов вредных веществ достигают уменьшением числ'а стадий процесса, совмещением их в одном аппарате, а также применением менее токсичных реагентов или реагентов, способствующих образованию менее вредных веществ.

Формальным выражением механизма образования вредных (и побочных) веществ является кинетическое уравнение, раскрываю­щее кинетические закономерности процесса, знание которых позво­ляет ставить и решать вопросы интенсификации соответствующих процессов или обратные задачи (в части уменьшения выбросов). Поэтому установление кинетических закономерностей является необходимым условием при разработке тех или иных мероприятий, направленных на уменьшение образования токсичных веществ.

Изучение механизма протекания реакций образования вредных веществ предопределяет широкое использование математических методов. Поскольку механизм не является однозначным, при­ходится составлять кинетические уравнения для нескольких при­нятых механизмов, при этом наиболее вероятным из них считает­ся тот, для которого уравнение скорости наилучшим образом удов­летворяет опытным данным.

Установление механизма образования вредного вещества дает возможность рассчитать параметры равновесия для конкретных условий проведения процесса. Особенно важным параметром при этом является константа равновесия. По ее значению можно су­дить о принципиальной возможности появления отходов в техно­логическом процессе и определить максимальное их количество.

Данные по кинетике и равновесию образования вредных ве­ществ позволяют рассчитать их количество (в газах, сточных во­дах, твердых отходах) по уравнению материального баланса.

Располагая данными по количественному составу выбросов непосредственно от технологического агрегата, можно объективно решить вопрос — в каком направлении следует обеспечить снижение количества того или иного компонента или всей смеси в целом:

Путем выделения компонентов, которые могут быть возвраще­ны в технологический процесс; при этом используются обычно методы регенерации [17] и рекуперации [18];

Путем утилизации отдельных компонентов и использования их в дальнейшем в качестве сырья для получения ценных для народного хозяйства веществ;

Путем обезвреживания всей смеси или оставшихся в ней ве­ществ, не нашедших применения по вышеуказанным пунктам.

Материальные балансы составляются как общие (для суммы веществ), так и отдельно по каждому веществу. В основе мате­риального баланса лежит принцип сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений. В общем виде уравнение мате­риального баланса может быть выражено следующим образом:

С^пр ^ (?ВЫХ "4“ С^ПОТ»

Где апр — масса сырья (материалов), поступающих на переработку; овых — масса целевых продуктов; а„от — производственные потери.

В практике используются теоретический и практический мате­риальные балансы.

Теоретический материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрического уравнения химической реакции. Для его со­ставления достаточно знать уравнение реакции и молекулярные массы компонентов. Чаще всего его используют для определения газообразных потерь в простых процессах, например процессах разложения.

Практический материальный баланс учитывает состав исходно­го сырья и всех продуктов выделения, включая и целевую продук­цию, количественные соотношения, степень превращения (степень образования), скорость образования побочных продуктов и т. д. Практический материальный баланс служит для оценки потерь в сложных процессах.

При проведении сложных технологических процессов, сопро­вождающихся выделением довольно большого количества разно­образных токсичных веществ, целесообразно определять их общий выход по индивидуальному компоненту.

Материальный баланс для любого побочного вещества, обра­зующегося в результате физико-химической реакции, можно за­писать в виде:

0 = [ О 1 кон “Ь О 1ДИф] -{-02,

Где а — накопление вещества в системе; а^он — количество вещества, поступаю­щего в систему с конвекционным потоком; 0|Я„ф — количество вещества, поступаю­щего в систему с диффузионным потоком; Ог — количество вещества, образую­щегося за счет химической реакции.

Как известно, традиционные процессы варки и отбелки целлю­лозы основаны на использовании серу - и хлорсодержащих соеди­нений, что обусловливает образование весьма вредных промыш­ленных выбросов. Кардинальным решением является постепенный переход на бессернистую варку и бесхлорную отбелку, использова­ние кислородно-щелочных методов. Для сокращения количества вредных веществ необходимо совершенствование технологических регламентов варки и отбелки целлюлозы, а также использование окисления сульфидов и меркаптида черного щелока.

В результате окисления токсичные сероводород и метилмер - каптан переводятся в более стабильные формы — тиосульфат и сульфокислоты. При выпаривании неокисленного черного щелока значительная часть содержащегося в нем сульфида натрия вслед­ствие его нестойкости разлагается (подвергается гидролизу), при этом выделяется сероводород. Окисление, превращающее сульфид в более стабильные соединения, уменьшает образование дурно - пахнущих сточных и газовых выбросов.

При эксплуатации противоточных установок большие затруд­нения возникают при обратном превращении пены в черный щелок. Лучшими являются прямоточные установки. В окислительных башнях такой установки имеются вертикально расположенные гофрированные асбестоцементные плиты, собранные в пакеты. Их устанавливают по высоте башни во взаимноперпендикулярных плоскостях. На окислительную установку подают укрепленный, отстоявшийся от мыла черный щелок и воздух в смеси с дурно - пахнущими газами от баков-аккумуляторов, колонны для отдувки конденсатов варочного цеха, бака-пеносборника промывных установок, приямков барометрических конденсаторов выпарных станций. Серусодержащие газы частично поглощаются черным щелоком. Полуокисленный щелок после первой ступени башни стекает в первую секцию бака-отстойника, откуда насосом подает­ся на вторую ступень окислительной башни. Окисленный щелок поступает во вторую секцию бака-отстойника, затем насосом направляется на регенерацию.

Пену из окислительной башни удаляют вакуум-насосом через циклон в пеносборник, где происходит ее частичное самогашение в щелок. Скапливаясь на дне пеносборника, щелок спускается в бак-отстойник. Непогасившаяся пена гасится специальным пароэжекторным пеногасителем.

В пеносборнике и баке-отстойнике предусмотрен дополнитель­ный смыв мыла в мыльные карманы, откуда оно насосом подается на утилизацию. Непрореагировавшая в окислительной башне га­зовоздушная смесь поступает в газопромывную башню, в которой последовательно обрабатывается промывными водами после хло­рирования и щелочения. Эта башня представляет собой полый скруббер с двухзонным орошением и устройством, предотвра­щающим смешение жидкостей, подаваемых на орошение. Воздух после очистки в газопромывной башне выбрасывается в атмос­феру.

Методы утилизации ценных продуктов предусматривают комп­лексную переработку отработанных сульфитных щелоков и комп­лексное использование побочных продуктов сульфатно-целлюлоз­ного производства.

В комплексную переработку сульфитных щелоков входят:

А) использование углеводов сульфитного щелока для производ­ства этилового спирта, кормовых дрожжей, антибиотиков, орга­нических растворителей, органических кислот, фурфурола, газо­образного топлива;

Б) концентрирование сульфитного щелока и получение лигно - сульфонатов, применяемых в строительстве и промышленности строительных материалов, дорожном строительстве, в производст­ве синтетических смол и пластмасс, при буровых работах, в ка­честве синтетических дубителей, дезинфекционных средств и удоб­рений;

В) химическая переработка лигносульфонатов для получения ванилина и его производных, хлорпроизводных, фенолов и их производных, углей, органических кислот;

Г) сжигание щелоков.

Комплексное использование побочных продуктов сульфатно­целлюлозного производства включает:

А) получение очищенного скипидара, технических пинена, каре - на и одоранта сульфана;

Б) получение диметилсульфоксида (ДМСО);

В) деметилирование лигнина черного щелока с целью получе­ния ДМС и затем ДМСО;

Г) получение канифоли и жирных кислот при дистилляции таллового масла, полученного из отхода — сырого сульфатного мыла;

Д) утилизацию предгидролизата.

В целях предупреждения выбросов летучих серусодержащих веществ рекомендовано:

Поддерживать сульфидность варочного раствора не выше 23 %;

Заводам, располагающим резервом выпарных станций, посте­пенно сокращать количество черного щелока, возвращаемого в варочный котел;

Ограничивать применение черного щелока в качестве сорбента летучих сернистых соединений с последующим возвращением в технологический цикл, заменяя его белым щелоком;

Возвращать в варочный котел подскипидарную воду.

Намечена разработка ресурсосберегающей технологии и обору­дования для новых способов получения целлюлозы и полу цел­люлозы, основывающихся на окислительной делигнификации дре­весины с использованием свободных от серы реагентов. К этим способам относят: окислительный аммонолиз (окисление кислоро­дом в среде гидроксида аммония), окислительно-щелочной и хлорно-щелочной (холоцеллюлозный). Первые два способа тре­буют применения давления в аппаратуре не менее 2,5 МПа, что является серьезным недостатком.

Для отбелки целлюлозы разрабатывают методы, основанные на использовании свободных от хлора и его соединений кислородсо­держащих отбеливающих реагентов: пероксида водорода, озона. Это позволит значительно снизить токсичность сточных вод и в перспективе создать замкнутую систему водооборота.

Для восстановления химикатов внедряется система перекрест­ной регенерации сульфитных и сульфатных щелоков, переработки кислых стоков от производства диоксида хлора и от разложения сульфатного мыла совместно с черными щелоками и др. Разраба­тывается способ совместной регенерации химикатов из отработан­ных варочных щелоков и хлорсодержащих сточных вод отбельного цеха при производстве сульфатной беленой целлюлозы, что позво­лит снизить загрязненность производственных стоков и явится предпосылкой для создания замкнутой системы водооборота.

Примерами внедрения ресурсосберегающей технологии побоч­ных продуктов являются: флотационно-окислительный метод вы­деления сульфатного мыла из черных щелоков, увеличивающий его выход от 50 до 80—90 % от теоретически возможного; метод выделения и сбора сульфатного скипидара при непрерывной варке путем ступенчатой конденсации паров пропарочной камеру и цик­лонов-растворителей, при котором выход скипидара повышается до 50 % от его содержания в исходной древесине.

Таким образом, в целях ресурсосбережения необходимо совер­шенствовать технологические процессы, с тем чтобы довести до минимума или исключить вообще промышленные выбросы.

Кроме того, следует разработать способы утилизации цен­ных отходов производства до подачи их на очистные соору­жения.

Методы ресурсосберегающей технологии можно условно раз­бить на два вида: устраняющие или уменьшающие образование промышленных выбросов и основанные на рекуперации ценных продуктов из промышленных выбросов.

Общими технологическими мероприятиями по охране воздуш­ного бассейна являются следующие:

1. Герметизация и автоматизация технологических процессов, связанных с выделением в атмосферу газопылевых выбросов. В частности, предусматривается применение нержавеющей и кислотоупорной стали, а также соответствующей арматуры для надежной герметизации трубопроводов парогазовых сдувок, про­мывных вод и др.

2. Применение контрольно-измерительной и автоматически ре­гулирующей аппаратуры в установках для улавливания диоксида серы и рекуперации основания и серы.

3. Подача хлорсодержащих и сточных вод, из которых могут выделяться летучие вещества, на нейтрализацию, а затем в общий промышленный сток.

4. Правильная техническая эксплуатация производственных агрегатов, выделяющих в атмосферу вредные производственные и вентиляционные выбросы.

5. Обязательная рекуперация перед выбросом газов в атмос­феру.

6. Замена твердого или жидкого топлива газообразным (при­родным газом); в этом случае в дымовых газах отсутствуют лету­чая зола и диоксид серы, а также исключается недожог.

К конкретным технологическим методам рекуперации, устра­няющим или уменьшающим газопылевые выбросы целлюлозного производства, относятся улавливание непоглощенных газов в про­цессе получения сырой кислоты, в частности регенерация диоксида серы, рекуперация серы и основания из отработанного щелока, а также рекуперация отходящих газов в производстве электро­литического хлора, соляной кислоты и при отбелке целлюлозы — рекуперация пылевых выбросов.

Для рекуперации диоксида серы парогазовая смесь во время выдувки выходит из сцежи через ловушку для улавливания волокна и капельной жидкости и поступает в полочный противо - точный конденсатор смешения. Несконденсировавшаяся парогазо­вая смесь из конденсатора направляется в абсорбер с хордовой насадкой, также располагающийся в газоходе непосредственно на конденсаторе. Для рекуперации абсорбер и конденсатор орошают содовым раствором. Очищенный газ выбрасывается в атмосферу через вытяжную трубу, расположенную над абсорбером.

К технологическим методам, уменьшающим потери химикатов, относят увеличение отбора отработанных варочных щелоков цел­люлозного производства для регенерации и рекуперации.

Основной тенденцией в развитии технологических процессов является создание замкнутых малоотходных схем, сокращение до минимума сброса вредных веществ в атмосферу и в сточные воды. Например, технологические установки для производства серной кислоты сильно загрязняли биосферу диоксидом и триоксидом серы, а поэтому начали применять схемы двойного контактирова­ния и двойной абсорбции, что привело к повышению с 97,5 до 99,5 % конверсии диоксида серы и уменьшению более чем в 6 раз (с 0,2 до 0,03—0,05 %) выбросов в атмосферу.

В схемах с невысокой степенью контактирования (98 % и ни­же) предусматривают санитарную очистку газа, например суль - фит-бисульфитную. Для очистки от триоксида серы и серной кисло­ты (в виде тумана) отходящие газы пропускают через брызгоуло - вители, а при необходимости — и электрофильтры.

При производстве фосфорных удобрений ценные фторсодержа­щие соединения улавливают водой с последующим образованием кремнефтористоводородной кислоты. Для очистки сточных вод применяют методы ионного обмена.

Важной задачей в производстве минеральных удобрений яв­ляется очистка отходящих газов от пыли, получающейся в особен­но больших количествах на стадии грануляции удобрений.

В ресурсосберегающей технологии благодаря повышению се­лективности процессов, улавливанию и утилизации побочных про­дуктов и отходов, совершенствованию технологического оборудо­вания и методов локальной очистки материальных потоков в целях возврата их в производство достигается максимально возможное использование сырья и энергии [8].

Совершенствование систем конденсации и улавливания орга­нических веществ с их селективным выделением и возвращением в производственный цикл или превращением в товарную продук­цию, создание систем автоматизированного управления процес­сами — важные направления в решении задач предупреждения и сокращения промышленных выбросов.

Решениями XXVII съезда КПСС предусмотрено увеличение промышленного производства в 2 раза, а поэтому для сохранения постоянного уровня вредности отходов для биосферы потребуется снижение ПДК в 2 раза и соответственно переход к новым спосо­бам производства, дающим меньше вредных отходов.

Важным направлением является применение такого сырья и топлива, которые позволяют свести к минимуму загрязнение био­сферы. Так, замена моторного и энергетического топлива, произ­водимых циклическими способами, предохранит биосферу от окси­дов серы, азота и продуктов неполного сгорания углеводоро­дов [20].

Защита почвенного слоя от твердых производственных отходов базируется, прежде всего, на создании новых способов добычи сырья и методов его переработки. С экологической точки зрения следует разрабатывать методы подземной газификации твердого топлива, глубинного выщелачивания различных солей и металлов из руд, подземного плавления и выкачивания серы и других легкоплавких материалов.