Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Мероприятия по уменьшению выбросов SO2


Cамым радикальным средством было бы снижение потребления топлива, но это маловероятно. Скорее всего события будут развиваться в обратном направлении.

В связи с этим возможно вести следующую работу:

1)                  Глубокое обогащение угля и нефти для уменьшения содержания в них серы.

2)                  Сжигание топлив совместно с добавками, связывающих образующиеся серусодержащие соединения в вещества, которые можно полезно использовать, например в строительстве.

3)                  Широкое использование и совершенствование установок по очистке газовых выбросов от диоксида серы, также с получением строительных материалов или химических веществ (элементарная сера, серная кислота и др.)

Следует отметить, что в мире имеется несколько крупных угольных бассейнов (например, Кузбасс и буроугольный Канско-Ачинский бассейн - в России), где содержание серы в добываемом топливе не превышает 0,5%. Сжигание таких углей обычно не требует каких-либо дополнительных приемов по снижению серосодержащих выбросов.

Обычные способы обогащения углей с целью снижения содержания золы также способствуют одновременному удалению части (до 50%) серы вместе с пиритом, не связанным с органической массой топлива.

Дальнейшее снижение содержания серы посредством химических методов обогащения представляется малоперспективным из-за высоких издержек на приобретение дорогих реактивов типа CuCl2 и организацию самого процесса:

        FeS2 + 14CuCl2 + 8H2O 14CuCl + FeCl2 + 2H2SO4 + 12HCl

При этом железо и сера переводятся в растворимую форму.

Возможно более экономически выгодным будет использование биологических способов обессеривания с помощью серобактерий. Исследования в этом направлении ведутся достаточно интенсивно. В частности, показано, что специфические микроорганизмы убирают более 80% серы за 25 суток.

Одним из наиболее перспективных методов сероочистки углей является его паровоздушная или парокислородная газификация с целью получения газа для турбин -электрогенераторов или синтеза химических продуктов. Основными продуктами такого процесса являются монооксид углерода (СО), водород (Н2), метан(СН4), вода (Н2О).

Сернистые соединения, содержащиеся в топливе, переводятся в сероводород (H2S), который по хорошо отработанной технологии, превращается в элементарную серу в 2-х стадийном процессе:

                      1)       2H2S + 3O2 2SO2 + 2H2O

                     2)       

Элементарная сера широко используется в производстве серной кислоты, целлюлозы, синтетического каучука, искусственных волокон, применяется для борьбы с болезнями растений.

Использование газификации угля в комплексе с турбогенераторами является одним из главных направлений создания чистой угольной энергетики США.

Программа Clean Coal предусматривает снижение выбросов SO2 на электростанциях с 17 млн.т/год в 1992 г. до 8 млн.т/год в 2000г. При этом КПД электростанций увеличивается с 35-36 до 40-42%. Такой подход к использованию топлива более отвечает необходимости бережного отношения человека к природным ресурсам, приготовленных ему биосферой.

Значительно сократить выбросы SO2 можно за счет применения методов сжигания пылевидного топлива совместно с распыленным известняком (СаСО3) или доломитом (CaMg2). При этом взаимодействие SO2 с СаСО3 позволяет получать гипс в результате реакций:

                              CaCO3 + SO2 CaSO3 + CO2

                              2CaSO3 + 3O2 2CaSO4

Одним из самых перспективных технических решений реализации такого способа сжигания угля является использование топок кипящего слоя. Измельченное топливо транспортируется воздухом через слой известняка, находящегося на колосниковой решетке. При этом известняк приводится во взвешенное состояние - кипящий слой, имеющий громадную поверхность массобмена. Еще более эффективен циркулирующий кипящий слой, когда образующиеся продукты сгорания вновь возвращаются в реактор.

Если же на предприятии не используются технологические способы, снижающие выделение SO2, то приходится производить очистку громадных количеств продуктов горения.

Для этого чаще всего применяют методы адсорбции (твердый поглотитель) и абсорбции (жидкий поглотитель). В качестве поглотителей в аппаратах, называемых скрубберами, используются либо неподвижный

слой известняка , либо водно-известковая суспензия (известковое молоко).

Эффективность методов такой очистки составляет 90 - 95%.

Таким образом, промышленность располагает достаточно широким выбором хорошо апробированных технических средств и технологий, позволяющих снижать антропогенные выбросы диоксида серы.

  Удельные выбросы вредных веществ на угольных

                     теплоэлектростанциях (ТЭС), г/квтч

Выброс

Обычная станция

Новая станция

Угли

Кузбасса

Угли

Канско-Ачинского бассейна

Угли Кузбасса

Циркулирующий кипя щий слой

Газификация

SO2

3,5

2,1

2,5

2,2

NOx

5

1,8

1,4

0,3

Летучая зола

3,4

2,7

0,05

0,05

       Монооксид углерода (СО). Экологические ловушки

Атмосферный монооксид углерода СО образуется в основном (70 - 80%) естественными путями, главный из которых - окисление метана:

                              2СН4 + 3О2 2СО + 4Н2О.

По суммарной массе монооксид углерода (угарный газ СО занимает первое место среди газов-загрязнителей, не считая СО2. В атмосфере содержится 5 1011кг СО. Ежегодно доля выбросов СО (от неполного сгорания топлив, автотранспорта, тепловых электростанций) составляет дополнительно 20 - 30%. Однако, к счастью для человечества, хотя оно и повинно в ежегодной эмиссии угарного газа, концентрация последнего в атмосфере возрастает очень медленно. Это означает, что в природе есть процессы, приводящие к поглощению СО. Удаление СО в биосфере (точнее, связывание его избыточных количеств) происходит такими путями:

  • окислением в СО2 (хотя и очень медленно);
  • поглощением почвенными микроорганизмами;
  • растворением в водах океанов;
  • диффузией в стратосферу и реагированием там с более реакционно-способными молекулами и атомами, а также со свободными

                        

Молекулы самого монооксида СО сравнительно нереакционноспособны, и может показаться, что это инертное вещество не опасно для здоровья. Однако СО обладает крайне неприятным для человека свойством: он способен специфически связываться с гемоглобином (Hb) - железосодержащим белком - переносчиком кислорода в крови, образуя прочный комплекс карбоксигемоглобин COHb. Молекулы угарного газа конкурируют с молекулами кислорода за право связаться с гемоглобином крови и превосходят в этом кислород в 210раз!

Молекулы СО и О2 очень схожи по электронному строению, но СО обладает кроме этого большим, чем О2 сродством к иону Fe+2 в геме. В реакции между гемоглобином и кислородом происходит образование относительно нестойкого комплекса оксигемоглобина HbO2:

                                        Hb + О2 HbО2.

В присутствии СО кислород вытесняется из комплекса:

                                    СО + HbO2 COHb + O2.

Константа равновесия этой реакции, представляющая собой отношение произведения концентраций образующихся веществ к произведению концентраций исходных веществ, имеет большое численное значение.

                     

Эта цифра указывает на то, что концентрация комплекса гемоглобина с СО больше, чем с О2. Гем представляет собою циклическую плоскую группировку, состоящую из центрального атома железа, образующего координационные связи с четырьмя остатками пиррола, соединенными метиновыми  ( = СН- мостиками). (рис. 5.3)

В гемоглобине железо находится в состоянии окисления +2 и имеет координационное число 6. Атом железа связан также с белковой цепью (глобином) с помощью пятой и шестой координационных связей. При окислении кислород (при отравлении СО) занимает шестое координационное место, замещая одну из аминокислотных групп глобина.

Рис. 5.4. Схема конкурентного процесса с участием О2 и СО в геме

Поскольку гемоглобин - белок-тетрамер, т.е. состоит из четырех пептидных цепей, каждая из которых образует комплекс с группой гема, то одна его молекула способна связывать четыре молекулы О2 (или соответственно четыре молекулы СО). Тетрамерная природа молекулы гемоглобина схематично показана на рис. 5.5.

Даже небольшое количество СО выводит из рабочего состояния существенную часть Hb крови, и организм соответственно получает меньше кислорода. Например, человек, вдыхающий несколько часов воздух с содержанием СО всего 0,1% поглощает его столько, что большая часть гемоглобина (60%) связывается в СОHb (тем самым на столько же снижается нормальная функция крови по переносу О2). Этот процесс сопровождается головной болью и снижением умственной деятельности.

При отравлении СО применяют смесь СО2 и О2 (объемная доля первого 3 - 5 %), называемую карбогеном. Повышенные парциальные давления этих газов в смеси позволяют вытеснить СО из тканей и крови. Равновесие процесса смещется вправо:

                                         2СО + О2 2СО2.

Высокие локальные концентрации СО, даже кратковременные, вызванные в больших городах главным образом автомобильным транспортом, представляют собой так называемые экологические ловушки. Монооксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ. Поэтому его трудно обнаружить нашими органами чувств. Однако, первые симптомы отравления им (появление головной боли) возникают у человека, находящегося в среде с концентрацией СО 200-220 мг/м3 всего лишь 2ч. ПДК монооксида углерода для рабочих с 8-часовым рабочим днем составляет 50млн. долей (0,05г/кг).

Таким образом, человек может оказаться жертвой экологической ловушки, т.е. попав в зону высокой локальной концентрации того или иного загрязнителя, он не будет подозревать при этом о его наличии в окружающей среде. Монооксид углерода, создавая такую ловушку, негативно влияет на поведение человека - у автомобилиста снижается реакция, внимание, способность быстро и правильно оценивать ситуации. Пешеходы и регулировщики на оживленных автострадах, рискуют стать жертвами аварий, да и просто могут отравиться.

Аналогичному воздействию СО подвергаются и курильщики. Существует прямая зависимость между курением и уровнем содержания карбоксигемоглобина в крови. Курение перед экзаменом ухудшает ответы студентов - это доказано специальными экспериментами. Очевиден также и вывод медиков о том, что высокое содержание СО в атмосфере городов способствует росту сердечно-сосудистых заболеваний среди городского населения, т.к. сердце подвергается значительным нагрузкам (изнашивается), вынужденное перегонять в более жестком ритме отравленную карбоксигемоглобином кровь!

ПДК монооксида углерода - 30 мг/м3. При нормальных условиях в кровотоке у некурящих людей, вдыхающих незагрязненный воздух, содержится около 0,3 - 0,5% HbCO. Это СО, образующийся в организме.

Вдыхаемый же при курении воздух содержит около 500мг/м3 СО, что более чем в 2,5 раза превышает ПДК м.р.. (200мг/м3).

Количество выкуренных сигарет

Содержание HbCO в крови, %

0,5 пачки/день

3,0

1,0

4,7

2,0

6,2

Курящие люди в большом городе имеют содержание HbCO в крови  - 5,8%; не курящие - 2,0%. Курящие жители сельской местности - 5,0%; не курящие - 1,1%.

Человек, который вдыхает воздух, содержащий 1300мг/м3 в течение нескольких часов, имеет кровь с содержанием HbCО - 60%. В этом случае существует опасность полного разрушения интеллекта и повышается степень риска многих других заболеваний.

На городских и транспортных магистралях мы имеем дело с концентрацией СО от 40 до 180мг/м3.

По нормам Всемирной организации здравоохранения предельное содержание СО в окружающем воздухе не должно превышать 9млн.д в течение 8 часов или 36 млн. д в течение 1 часа.

Значительным источником выбросов СО являются металлургические предприятия.

В основном все перечисленные газы используются как топливо. Значит, основной причиной поступления СО в атмосферу металлургических предприятий является химический недожог, причинами которого чаще всего является как техническое несовершенство устройств для сжигания, так и отсутствие контроля за необходимым соотношением воздуха и топлива для полного сгорания последнего.

Вместе с тем следует отметить, что монооксид углерода в смеси с водородом является ценным сырьем для синтезирования многих химических продуктов. Такая смесь, состоящая из 67% СО и 33%Н2, именуемая синтез-газом, может быть получена при парокислородной газификации углей, о которой упоминалось в предыдущем разделе этой главы, а также при смешивании различного рода газов, продуцируемых в металлургических агрегатах.

Подобное направление утилизации монооксида углерода является наиболее перспективным и целесообразным.

Состав газов различных технологических процессов на

                   металлургических предприятиях

Продукт

Состав, % об.

Выход газа на

1т про дукта

СН4

Н2

СО

СО2

СnНm

О2

N2

Коксовый газ

25,5

56,0

7,0

2,6

2,5

0,7

5,7

400м3/т угля

Доменный газ

-

5,7

25,1

17,8

-

-

51,4

1610м3/т чугуна

Конверторный газ

-

-

80,0

20,0

-

-

-

50м3/т стали

Ферросплавный газ

1,5

7,0

80,0

7,6

-

0,9

3,0

2400м3/т ФС

                                                                      

Количество воздуха, м3, необходимое для бездымного сжигания

               1кг твердых и 1 м3 газообразных топлив

Топливо

Количество воздуха

Дерево воздушно-сухое

4,6

Торф воздушно-сухой

5,8

Бурый уголь

7,0

Каменный уголь

марки Г

марки Т

8,9

8,8

Антрацит

9,0

Кокс

9,0

Мазут

10,8

Доменный газ

0,85

Водород

2,5

Монооксид углерода

2,5

Коксовый газ

4,7

Природный газ

7,3

Ацетилен

12,5

        

Оксиды азота NOx, фотохимический смог

Оксиды азота поступают в атмосферу в результате деятельности почвенных бактерий (в основном это относится к N2O и NO) и хозяйственной деятельности человека (NO2 и NO).

В основе всех случаев образования оксида азота NO и NO2 лежит эндотермическая реакция:

                                            N2 + O2 2NO.

При сжигании топлив в зоне высоких температур равновесие этого процесса значительно сдвигается вправо. Диоксид азота образуется при окислении монооксида:

                                        2NO + O2 2NO2;

                                       NO + O3 NO2 + O2.

Кроме того, в образовании NO2 могут принимать участие свободные радикалы гидропероксид-радикал НОО и метилпероксид-радикал НСОО:

                                   НОO + NO NO2 + HO;

                          HCOO + NO NO2 + H3CO.

Указанные радикалы получаются, например, в результате сложных реакций в зоне автомобильного выхлопа при облучении солнечным светом.

Монооксид NO и диоксид азота NO2, часто объединяемые под формулой NOх, обладают четко выраженным общетоксичным и раздражающим действием, на них установлены весьма низкие значения ПДК во всех промышленно развитых странах.

В тропосферу в основном выбрасывается NO2 - бурый газ, раздражающе действующий на органы дыхания. На поверхности слизистых оболочек рта и носоглотки диоксид азота взаимодействует с влагой, образуя кислоты HNO3 и HNO2, которые могут способствовать развитию отека легких.

Кроме участия в образовании кислотных дождей оксиды NOх вносят большой вклад в формирование фотохимического смога.

Происхождение этого английского слова становится ясным из следующей схемы:

                                           smoke + fog = smog,

                                                 дым туман

т.е. это аэрозоль, состоящий из дыма, тумана, недопустимо загрязняющих атмосферу. Аэрозоли - дисперсные системы из жидких или твердых частиц размером 10-4 - 10-1 мм, находящихся во взвешенном состоянии в газовой, водной, органических дисперсионных средах. Частицы в золях структурно не связаны (в отличие от гелей), а свободно участвуют в броуновском движении.

Дымы - аэрозоли с дисперсной фазой из твердых частиц: туманы - аэрозоли с дисперсной фазой из жидких частиц. Последняя образуется из пересыщенных паров в результате их конденсации.

Смог возникает в атмосфере промышленных городов, и в сухую погоду наблюдается в виде желтоватой пелены. Во влажной атмосфере он содержит также капельки жидкостей.

В 1940 г. в Лос-Анджелесе был отмечен особый смог. Коричневая дымка, появившаяся в тумане, разъедала нос, глаза, горло. Но в городе ведь не было ни металлургии, ни химических заводов. Зато было много автомобилей и горы с 3-х сторон. Обычно воздух на Земной поверхности нагревается от излучения Солнца и Земли. Этот более теплый и менее плотный воздух поднимается и уносит с собой загрязнения.

Холодный же более чистый воздух опускается. При инверсии, которой способствует смог, о которой мы говорили, изучая структуру атмосферы, холодный воздух оказывается пойманным под слоем теплого. При этом загрязнители не рассеиваются и концентрация их может достигнуть опасного уровня.

Во время Лос-Анджелесского смога ощущался сильный запах ананаса и некто Хааген-Смит, изучая химический состав смога, обнаружил, что причиной такого аромата является высокая концентрация озона (О3), который образуется в результате реакций в зоне выхлопа автомобиля:

                                      N2 + O2 2NO

                                      NO +1/2O2 NO2

                                      NO2 + h NO +O (фотохимическая реакция)

                                      O + O2 O3

                                      O3 + NO NO2 + O2

Кроме оксидов NOх в фотохимическом смоге присутствуют:

  • монооксид углерода СО (продукт неполного сгорания бензина);
  • углеводороды СхНу (например, СН4, С2Н4, С2Н2, высшие алкены и т.п.);
  • альдегиды:8 R CO (метаналь, этаналь, пропаналь и болеесложные производные);
  • пероксиацинилнитраты (ПАН)

Механизм образования этих крайне неприятных для человека веществ, раздражающих слизистую глаз и органы дыхания, до конца еще не изучен. Вероятно, в их появлении над автострадами больших городов повинны сложные химические взаимодействия органических соединений (углеводородов, альдегидов) в выхлопах автомобилей с другими компонентами смога при солнечном облучении.

Такие сильные окислители, как озон и ПАН, пагубно влияют на городскую растительность, ингибируя многие ферментативные рекации в организмах растений: в частности, реакции энергоснабжения (цикл Кребса). Отрицательное биологическое воздействие NOx на живые организмы проявляется в обесцвечивании листьев, увядании цветов, прекращении плодоношения и роста. Такие явления объясняются образованием кислот при растворении оксидов в межклеточной и внутриклеточной жидкостях.

Количество выбрасываемых загрязнителей и доля их в выхлопах автомобиля зависят от режима работы двигателя Известно много способов борьбы с загрязнением воздуха автомобильными выхлопами, и химическая наука в их разработке сыграла не последнюю роль. Назовем лишь один - использование двухступенчатого (трехкомпонентного) каталитического нейтрализатора

Это дополнительное устройство вводится в выпускную систему двигателя для снижения токсичности выхлопных газов. Отработавшие газы последовательтно проходят через пористые восстановительный и окислительный катализаторы. На восстановительном катализаторе протекают следующие реакции:

                 ;

                            .

На другом катализаторе в окислительной среде (для ее создания подводится дополнительный воздух) нейтрализуются продукты неполного сгорания СО и углеводородов:

                                

                                                                                     

                  Результаты испытаний двигателей автомобилей с

                   каталитическим нейтрализатором и без него

Автомобиль

Концентрация токсических веществ

NOx,мг/м3

СxНу, %

СО, мг/м3

С нейтрализатором

283

46

3500

Без нейтрализатора

1759

100

9100

Смог в больших городах создают различные виды хозяйственной деятельности.

              Основные источники NOx  (ПДК NOx - 5мг/м3):1.      Естественные - лесные пожары, процессы нитрификации в почве.

2.     Антропогенные - сжигание ископаемых топлив и биомассы, выхлопные газы транспорта (выделяется до 60млн.т в год, в пересчете на NO2; причем на долю энергетической промышленности и транспорта приходится - 95% выбросов NOх и около 5% - на химическую промышленность).

Таким образом, борьба с загрязнением тропосферы NOх должна быть прежде всего направлена на снижение выбросов NOх при сжигании топлив. Активно разрабатывается комплексный подход к проблеме, включающий методы:

  • очистки дымовых газов;
  • снижающие или предотвращающие образование NOх в процессах горения.

Образование NOх при сжигании топлив иллюстрирует следующая схема:

Основные выбросы NOх образуются в результате высокотемпературного окисления азота N2 воздуха по радикально-цепному механизму.

Быстрые NOх образуются в результате взаимодействия углеводородных радикалов, получающихся  в процессе горения углеводородов, с азотом воздуха (главным образом, при недостатке кислорода).

Топливные NOх образуются при превращении топливного связанного азота в реакционной зоне пламени, чаще всего через следующие стадии:

NOх

N HCN NHх       N2

Cмог представляет собой достаточно устойчивую систему во многом благодаря наличию в ней твердых взвешенных частиц.

К твердым взвешенным частицам (ТВЧ) относят присутствующие в воздухе взвешенные вещества различных типов и разного происхождения, размеры частиц которых, как правило, не превышают 100мкм в радиусе. Для частиц больших размеров время пребывания в атмосфере относительно мало, т.к. они довольно быстро осаждаются на землю пол действием сил гравитации.

В табл. приведены примеры твердых взвесей как природного, так и антропогенного происхождения.

Источниками антропогенных ТВЧ служат металлургич

Предыдущие материалы: Следующие материалы: