Очистка газовоздушных выбросов

ОЧИСТКА

ГАЗОВОЗДУШНЫХ 

ВЫБРОСОВ

А.В. ЛУКАНИН

Москва
ИНФРА-М

2021

МОНОГРАФИЯ

УДК 504.064.4(075.4)
ББК 20.18

Л84

Луканин А.В.

Л84
Очистка газовоздушных выбросов : монография / А.В. Лука
нин. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 200 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/1070340.

ISBN 978-5-16-015935-5 (print)
ISBN 978-5-16-108328-4 (online)
В монографии рассмотрены существующие в настоящее время про
мышленные газовые выбросы в химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической и смежных отраслях промышленности, методы расчета их количества и методы защиты от них воздушного бассейна. 
Материалы построены на глубоком анализе методов очистки часто встречающихся, наиболее опасных веществ, попадающих в атмосферу Земли 
с отходящими газами крупнотоннажных производств. Даются рекомендации по методам расчета валовых выбросов вредных веществ для большого 
числа конкретных производств.

Тематика монографии относится к научным направлениям «Техно
сферная безопасность» и «Инженерная защита окружающей среды», профилям подготовки: инженерная защита окружающей среды населенных 
мест, инженерная защита окружающей среды промышленных предприятий и охрана природной среды и ресурсосбережение. 

Будет интересна инженерно-техническим работникам, аспирантам 

и преподавателям.

УДК 504.064.4(075.4)

ББК 20.18

ISBN 978-5-16-015935-5 (print)
ISBN 978-5-16-108328-4 (online)
© Луканин А.В., 2020

Р е ц е н з е н т ы:

Ксенофонтов Б.С., доктор технических наук, профессор;
Григорьев В.С., доктор технических наук, профессор

Введение

Развитие промышленности вызвало серьезные нарушения 

в круговороте ряда веществ, например диоксидов углерода, серы, 
азота и др. В настоящее время в результате большого количества 
отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения нарушаются условия самовосстановления природы.

Сегодня производственная деятельность человечества связана 

с использованием разнообразных природных ресурсов, охватывающих большинство химических элементов. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в практике используется свыше 500 тыс. химических соединений (всего известно свыше 
6 млн соединений); из них около 40 тыс. обладают вредными для 
человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.

Сохранение окружающей среды в последние годы стало одной 

из важнейших проблем человечества. Это связано с быстрым 
ростом народонаселения Земли, а также еще более быстрым увеличением добычи и переработки природных ресурсов. В современных условиях энергетические мощности в мире удваиваются 
каждые 12 лет, а объем промышленной продукции— каждые 15 лет. 
Уже сейчас из недр Земли ежегодно в мире извлекается свыше 
100 млрд т полезных ископаемых, производится свыше 60 млн т неизвестных в природе синтетических материалов; на поля вносится 
500 млн т минеральных удобрений и 3 млн т различных ядохимикатов. Используется 13% речного стока и сбрасывается в водоемы 
700 млрд м3 в год промышленных и бытовых сточных вод.

Рост промышленности сопровождается образованием значи
тельного количества отходов, так как на производство промышленной продукции расходуется всего 1/3 потребляемых сырьевых 
ресурсов, а 2/3 утрачивается в виде побочных продуктов и отходов. 
Усиление техногенного воздействия на природную среду уже породило ряд экологических проблем. Наибольший удельный вес 
загрязнений атмосферного воздуха приходится на долю оксидов 
углерода, серы и азота, углеводородов и промышленной пыли. 
Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспорт (≈70%), а также промышленность, тепловые электростанции. 
В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 250 млн т пыли, 200 
млн т оксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 50 млн т оксидов 
азота, более 50 млн т различных углеводородов и 20 млрд т диоксида углерода.

Насыщение биосферы тяжелыми металлами — одно из наиболее 

существенных глобальных последствий научно-технической революции. Подсчитано, что за всю историю человеческого общества 

выплавлено около 20 млрд т железа. Его количество в сооружениях, машинах, транспорте и т.д. сейчас составляет приблизительно 
6 млрд т, остальное рассеяно в окружающей среде. На протяжении 
года рассеивается более 25% годовой продукции железа. Другие 
вещества рассеиваются в большей степени. Например, рассеивание 
ртути и свинца составляет 80–90% их годового производства.

При сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую 

среду некоторых элементов поступает больше, чем добывается 
из недр: магния в 1,5 раза, молибдена в 3, мышьяка в 7, урана, титана в 10, алюминия, иода, кобальта в 15, ртути в 50, лития, ванадия, 
стронция, бериллия, циркония — в сотни раз, галия, германия — 
в тысячи раз. Рассеянные металлы способны концентрироваться 
в растениях, водоемах и почве. Они могут поступать в организм 
человека с продуктами питания, питьевой водой и воздухом.

В результате накопления различных загрязнений в атмосфере, 

в первую очередь фреонов, происходит разрушение озонного слоя, 
который предохраняет земную поверхность от солнечной радиации.

Загрязнения, поступающие в атмосферу, с осадками возвраща
ются на Землю и попадают в водоемы и почву.

Наибольшее количество выбросов образуется при сжигании 

природных топлив. Ежегодно в мире сжигается до 5 млрд тонн 
угля, 3,2 млрд тонн нефти; кроме того, выделяется 2⋅1020 Дж 
тепла, которое рассеивается в окружающей среде, изменяя температурный режим. В настоящее время мощность всех источников 
энергии на Земле составляет приблизительно 1013 Вт, а мощность 
солнечной энергии, поступающей на Землю, равна 1017 Вт. По расчетам, чтобы не было глобального влияния теплового загрязнения, 
мощность источников энергии на Земле не может быть увеличена 
более чем в 10 раз.

Количество золы и несгоревшего топлива, выбрасываемых в ат
мосферу с дымовыми газами от котлоагрегата при сжигании твердого и жидкого топлива, рассчитывают по формуле:

Mтв = ВАрf (1 — η3),

где В — расход натурального топлива, т/год, г/с; Ар — зольность 
топлива в рабочем состоянии, %; η3 — доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях;

f = αун / (100 — Гун);

αун — доля золы, уносимой дымовыми газами; Гун — содержание горючих в уносимых газах, %; в отсутствие эксплуатационных данных 
Гун принимается в соответствии с потерей тепла g от механической 
неполноты сгорания топлива, %, по нормам теплового расчета котельных агрегатов (нормативный метод).

Значения Ар, Гун, αун, η3 принимаются по фактическим средним 

показателям; в отсутствие этих данных Ар и f определяется по характеристикам сжигаемого топлива [1], величина η3 — по техническим данным золоуловителей.

Отрицательно влияние атмосферных загрязнений на животный 

мир и, в частности, человека. Так, даже малые концентрации SО2
при продолжительном воздействии обусловливают возникновение 
у человека гастрита, ларингита и других болезней. Предполагают 
даже связь между содержанием в воздухе SО2 и уровнем смертности от рака легких. Оксид углерода (СО) инактивирует гемоглобин, обусловливая кислородную недостаточность живых тканей, 
и вызывает расстройство нервной и сердечнососудистой систем, 
а также способствует развитию атеросклероза. Сероуглерод влияет 
на нервную систему; приводит к острой интоксикации и атеросклерозу. Сероводород вызывает головную боль, слабость и тошноту 
и даже в малых концентрациях может обусловливать функциональные расстройства центральной нервной и сердечнососудистой 
систем. Оксиды азота сильно раздражают дыхательные органы, 
приводя к возникновению в них воспалительных процессов, под 
их влиянием образуется метгемоглобин, понижается кровяное давление, возникает головокружение, рвота, одышка, возможна потеря 
сознания. Хлор и его соединения влияют на обоняние, световую 
чувствительность глаз, нарушают дыхание. Соединения фтора 
резко раздражают кожу и слизистые оболочки, при их длительном 
воздействии возможны носовые кровотечения, насморк, кашель, 
склеротические изменения в легких. Наличие в атмосферном воздухе углеводородов вызывает раздражение дыхательных путей, 
тошноту, головокружение, сонливость, расстройства дыхания 
и кровообращения, некоторые углеводороды — канцерогенные 
вещества. Хроническое воздействие радиоактивных веществ, находящихся в атмосферном воздухе даже в малых концентрациях, 
нарушает нервную деятельность, функции половых желез, желудочно-кишечного тракта, органов дыхания, работу надпочечников, 
гипофиза, щитовидной железы, сердечнососудистой системы, изменяет форменные элементы крови, вызывает генетические аномалии.

В связи с большим загрязнением биосферы во многих странах 

приняты ограничения на выброс вредных веществ промышленными предприятиями, в частности путем установления предельно 
допустимых концентраций (ПДК) и выбросов (ПДВ). Под ПДК 
понимают такую концентрацию химического соединения, которая 
при ежедневном воздействии на человека в течение длительного 
времени не вызывает в его организме каких-либо патологических 
изменений или заболеваний. Требования, предъявляемые к ПДК 
в нашей стране, являются более жесткими, чем в ряде других 

стран. Регламентированы следующие ПДК для большинства применяемых в промышленности веществ: в воздухе рабочей зоны 
ПДКр.з, в воздухе населенных пунктов — максимальная разовая 
ПДКм.р, среднесуточная ПДКс.с.

Действующие на территории России ПДК (в мг/м3) в воздухе 

ряда токсичных веществ характеризуются следующими величинами:

В зависимости от значения ПДК вещества в воздухе классифи
цируют по степени опасности. При одновременном присутствии 
в атмосфере k вредных веществ (с концентрациями С1, С2, …, Ck) 
однонаправленного действия их безразмерная суммарная концентрация не должна превышать единицы:

1
2

1
2

1
k

k

=
+
+…+
<
сум

С
С
С
С
ПДК
ПДК
ПДК
.

Контроль за соблюдением ПДК осуществляется органами Госу
дарственной санитарно-гигиенической инспекции. Для контроля 
за состоянием окружающей среды используется мониторинг — 
система наблюдений и оценки состояния природной среды, позволяющая установить изменения этого состояния под влиянием 
главным образом антропогенных загрязнений. В службе мониторинга используются специальные автоматические анализаторы, 
что дает возможность фиксировать концентрацию вредных веществ 
в атмосфере или водных источниках.

Практически любая деятельность человека, как в промышлен
ности, так и в сельском хозяйстве, наносит существенный экологический ущерб окружающей природе и является источником выделения большого количества вредных веществ.

Например, на предприятих черной металлургии на 1 т чугуна 

или стали выделяется до 4500 м3 газовоздушных выбросов (ГВВ) 

с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м3. При этом выбрасывается в атмосферу до 5 кг неорганической пыли, 3 кг SO2, 60 кг СО, 
0,5 кг Мn, а также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, тяжелых 
и редких металлов. Агломерационные фабрики выбрасывают пыль 
и диоксид серы (190 кг SО2 на 1 т руды). Предприятия цветной 
металлургии выбрасывают ГВВ, содержащие диоксид серы, фтористые газы и тяжелые металлы.

Предприятиями химической и микробиологической промыш
ленности выбрасываются ГВВ, содержащие микроорганизмы, неорганические и органические вещества и газы: СО2, СО, NH3, SО2, 
NОx, HF, HCl, SF4, H2S. ГВВ нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности содержат углеводороды, сероводород, 
меркаптаны и другие дурнопахнущие газы.

Крупными источниками ГВВ являются тепловые электро
станции и заводы промышленности строительных материалов: 
выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота. Они выбрасывают в атмосферу минеральную пыль, оксиды серы, азота и углерода, золу, металлы.

ГВВ, содержащие твердые или жидкие частицы, представляют 

собой двухфазные системы. Такие системы называют аэрозолями, 
которые подразделяют на пыли, дымы и туманы. Пыли содержат 
твердые частицы размером от 5 до 50 мкм, а дымы — от 0,1 до 5
мкм. Туманы состоят из капелек жидкости размером 0,3–5 мкм.

Одним из основным способов предотвращения вредных ГВВ 

являеся внедрение эффективных систем очистки газов. Для улавливания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые 
и электрические методы.

Для обезвреживания ГВВ от газообразных и парообразных 

веществ применяют абсорбцию (физическая и хемосорбция), адсорбцию, каталитический, термический и конденсационный методы.

Иногда при сложном химическом составе ГВВ и высоких кон
центрациях токсичных компонентов используют многоступенчатые 
схемы очистки [2–4].

Глава 1

ОЧИСТКА ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 

ОТ ОКСИДОВ АЗОТА

В РФ баланс выбросов оксидов азота по отраслям характери
зуется следующим образом: ТЭС — 72,5%, автотранспорт — 17,3%, 
черная металлургия — 6,1%, промышленность стройматериалов — 
1,8%, химическая промышленность — 1,7%, нефтеперерабатывающая промышленность — 0,6%.

Доля выбросов на ТЭС будет возрастать — в 1980 г. в мире было 

сожжено 8,73 млрд т условного топлива, а в 2010 г. — 14 млрд т, 
причем ТЭС будут сооружаться главным образом на твердом топливе. При охране атмосферы практическое значение имеет оксид 
и диоксид азота (NОx). Другие окислы азота не считаются важными 
с биологической точки зрения или их количества ничтожно малы 
[5–10].

1.1. ГЕНЕРАЦИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И РАСЧЕТ ИХ ВЫБРОСОВ

NO — оксид азота, малоактивен в химическом отношении. 

Бесцветный газ без запаха, плохо растворим в воде. Вызывает 
кислородное голодание, поражает мозг, вызывая паралич. Предельно допустимые концентрации следующие: (в рабочей зоне) 
ПДКрз = 30 мг/м3, (максимальноразовая населенных мест) 
ПДКмр.нм = 0,6 мг/м3, (среднесуточная населенных мест) ПДКсс.нм =
= 0,06 мг/м3 [11–14].

Оксид азота при окислении дает мономер и димер

NO + 1/2О2 → NO2
(1.1)

2NO2 = N2О4
(1.2)

Бурокрасный газ с характерным запахом, ядовит, приводит 

к отеку легких.

Человек чувствует NO2 при 0,2 мг/м3. Смертельная доза — 50 мг/м3. 

ПДКрз = 5 мг/м3, ПДКмр.нм = 0,085 мг/м3, ПДКсс.нм = 0,04 мг/м3.

NO образуется в печах при сжигании углеводородного топлива 

при температуре более 1000°С и его концентрация растет с увеличением температуры и избытка О2, подаваемого в печь. Концентрация NO в соответствии с термодинамическими расчетами достигает максимума (5,2%) при 2700°С (риc. 1.1) [11–14].

Риc. 1.1. Зависимость концентрации образующегося оксида азота от темпера
туры стенок печи

Источником NОx может быть молекулярный азот воздуха или 

азотсодержащие компоненты топлива. NОx подразделяют на воздушные и топливные. Воздушные, в свою очередь, делят на термические, образующиеся при высоких температурах за счет окисления 
молекулярного азота атомарным кислородом (механизм Зельдовича), и «быстрые» оксиды азота, образующиеся в зоне сравнительно низких температур в результате реакции углеводородных 
радикалов с молекулой N2.

Относительная роль трех источников образования NОx зависит 

от температуры в зоне горения, от содержания связанного N2 в топливе и др. Понятно, что при сжигании природного газа, не содержащего связанного азота, топливные оксиды отсутствуют. А при
факельном сжигании влажных бурых углей в топках с твердым 
шлакоудалением, когда температура 1500–1600 К, термические 
оксиды азота практически отсутствуют. Попадая в атмосферу, все 
оксиды азота одинаково опасны.

Доля диоксида азота в отходящих газах мала. Окисление NO 

кислородом топочных газов протекает медленно из-за малой его 
концентрации. В атмосфере окисление ускоряется, поэтому при 
рассмотрении процессов газоочистки содержанием NO2 в ГВВ 
можно пренебречь.

Выбросы NOx при сжигании различных топлив на различных 

типах оборудования следующие:

Уголь. Большие промышленные печи: 200–1450 ррm (0,02–0,145% 

об.), 1,5–26,0 кг/т. Бытовые печи: 15–50 ррm (0,0015–0,005% об.).

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100

t, 0C

С(NOx)

Нефть. Большие промышленные печи: 200–500 ррm, 7,0–14 кг/т.
Газ (пропан). Промышленные печи: 25–200 ррm, 0,1–6,0 кг/т.
Бытовые печи: 80–100 ррm, 0,5–1,0 кг/т [11].
Для ориентировочной оценки выбрасываемых NОx (т/г, г/с) 

с дымовыми газами котла получена эмпирическая формула, рекомендуемая для энергетических котлов паропроизводительностью 
более 30 т/ч и водогрейных котлов тепловой мощностью более 125 
ГДж/ч [15, 16]:

МNO2 = 0,34⋅10–7⋅K⋅B⋅Qн (1-q/100) β1 (1-ε1r) β2⋅β3⋅ε2, 
(1.3)

где В — расход натурального топлива (т/г, г/с), Qн — низшая 
теплота сгорания топлива, кДж/кг, К — коэффициент характеризующий выход NОx, кг/т условного топлива, (1-q/100) — поправка 
на неполноту сгорания топлива. Коэффициенты учитывают: β1 — 
качество топлива, β2 — конструкцию горелок, β3 — вид шлакоудаления, ε1 — учитывает эффективность воздействия рециркулирующих газов, ε2 — учитывает снижение NОx при подаче части воздуха помимо горелок (двухступенчатое сжигание), r — степень 
рециркуляции дымовых газов.

Для котлов малой и средней мощности при сжигании природ
ного газа с номинальной нагрузкой в вихревых горелках выход 
NОx показан на риc. 1.2. Кривую на риc. 1.2а можно разделить 
на 2 участка:

1) для котлов малой мощности D = 2–10 т/час,

СNox=100D0,28 мг/м3; 
(1.4)

2) для котлов средней мощности D=11–120 т/час,

СNox=1000D/(30 + 2,77D) мг/м3. 
(1.5)

Погрешность расчетов 0,26–2,6%.

Риc. 1.2. Обобщенная зависимость выхода NOx от мощности (паропроизводительности) Dк вертикально-водотрубных котлов малой и средней мощности 

при номинальной нагрузке и αт = 1,10–1,12: а — при сжигании газа в вих
ревых горелках; б — при сжигании мазута

100

140

180

220

260

300

340

380

0
20
40
60
80
100
120
140
Yк, т/ч

С(NOx), 

мг/м3

100

200

300

400

500

600

0
20
40
60
80
100
120

Dк, т/ч

С(NOx), 

мг/м3