Инженерная экология. Охрана атмосферного воздуха

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
А.П. БЫКОВ 
 
 
ИНЖЕНЕРНАЯ  
ЭКОЛОГИЯ 
 
 
ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

УДК 502.5(075.8) 
Б 953 
 
 
 
Рецензенты: 
С.М. Коробейников, д-р физ.-мат. наук; 
Т.С. Селегей, канд. геогр. наук,  
ведущий научный сотрудник ФГБУ «СибНИГМИ» 
 
 
Работа подготовлена на кафедре безопасности труда 
 
 
 
Быков А.П.  
Б 953        Инженерная экология. Охрана атмосферного воздуха: учебное пособие / А.П. Быков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2018. – 154 с. 

ISBN 978-5-7782-3646-2 

Учебное пособие предназначено для студентов бакалавров по 
направлению 20.03.01, изучающих дисциплины «Экология», «Экологические проблемы отрасли», «Системы защиты среды обитания», и 
магистров – по направлению 20.04.01, изучающих дисциплину «Экологическая экспертиза проектов». 
Учебное пособие содержит три главы, посвященные основам экологии производства. В пособии рассмотрены методы очистки технологических газов от пыли и аэрозолей, методы химической очистки 
технологических газов и вопросы нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. 
 
 
 
 
УДК 502.5(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3646-2 
© Быков А.П., 2018 
© Новосибирский государственный 
технический университет, 2018    

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

Глава 1. Основные принципы и методы очистки технологических 
газов от пыли и аэрозолей ..........................................................  
5 
Основные понятия и определения. Физико-химические свойства пылей и аэрозолей, эффективность их улавливания...........  
5 
Очистка газов в сухих механических пылеуловителях ..............  
15 
Улавливание пылей и аэрозолей в мокрых пылеуловителях .....  
26 
Улавливание пылей и аэрозолей фильтрами ...............................  
37 
Электрическая очистка газов ........................................................  
49 
Контрольные вопросы ...................................................................................  
67 
Список источников ........................................................................................  
68 

Глава 2. Основные принципы и методы очистки технологических 
газов ................................................................................................  
69 
Абсорбционные методы очистки газов ........................................  
69 
Адсорбционные методы очистки газов ........................................  
76 
Химические методы очистки газов ..............................................  
80 
Методы каталитической очистки газов ........................................  
83 
Высокотемпературное обезвреживание газов .............................  
93 
Контрольные вопросы ...................................................................................  
97 
Список источников ........................................................................................  
98 

Глава 3. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух .............................................................................  
99 
Общие положения ..........................................................................  
99 
Разработка нормативов ПДВ для хозяйствующих субъектов  
на базе инвентаризации источников выделения и выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух ..............................  
106 
Расчет загрязнения атмосферного воздуха и установление 
нормативов ПДВ ............................................................................  
112 

Разработка мероприятий по регулированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух при неблагоприятных 
метеорологических условиях ........................................................  
121 
Плата за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух ...................................................................................................  
125 
Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников ....................................  
127 
Контроль за соблюдением нормативов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух ............................................  
129 
Разработка нормативов ПДВ на базе сводных расчетов в целом по городу .................................................................................  
133 
Разработка карт фонового загрязнения атмосферного воздуха 
в целом по городу ...........................................................................  
137 
Контрольные вопросы ...................................................................................  
138 
Список источников ........................................................................................  
140 

Приложение. Пример расчета концентраций загрязняющих веществ в 
атмосферном воздухе от одиночного стационарного источника выбросов .....................................................................................  
142 
 
 
 
 

Глава 1.  ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ  
И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ  
И АЭРОЗОЛЕЙ 
 
В различных отраслях промышленности при энергетических, металлургических и механических процессах в атмосферу выделяется 
большое количество твердых и жидких частиц. Знание физико-химических свойств этих частиц позволяет выбрать наиболее эффективную систему очистки газов, разработать методы контроля работы газоочистного оборудования и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [1]. 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЫЛЕЙ  
И АЭРОЗОЛЕЙ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ УЛАВЛИВАНИЯ 

Пыль представляет собой дисперсную систему с газообразной дисперсной средой и твердой дисперсной фазой, состоящей из частиц более 1 мкм, обладающих свойством находиться во взвешенном состоянии более или менее продолжительное время. 
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы с газообразной 
дисперсной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Скорость 
оседания частиц аэрозоля очень мала и они могут неопределенно долгое время находиться во взвешенном состоянии. Наиболее тонкие частицы аэрозоля по размерам приближаются к наиболее крупным молекулам, а наиболее крупные достигают 1 мкм. В технической литературе 
термины «грубый аэрозоль» и «пыль» являются синонимами. 
Твердые частицы обычно классифицируют по размерам пылинок. 
Одна из таких классификаций, наиболее удобная при рассмотрении 
процессов улавливания пылей и аэрозолей, приведена ниже. 

Твердые частицы: грубая пыль (> 10 мкм); мелкая пыль (1–10 мкм); 
дым (< 1 мкм). 
Жидкие частицы: брызги ( > 10 мкм); туман ( < 1 мкм). 
Аэрозоли, образовавшиеся в результате механических процессов, 
обычно содержат пылинки крупнее 5–10 мкм. Аэрозоли, образовавшиеся в процессе конденсации и химических реакций (так называемые 
возгоны), обычно состоят из первичных частиц мельче 1 мкм. Промышленные аэрозоли, т. е. промышленные запыленные газы, в большинстве случаев состоят из частиц различных размеров. Например, 
газы шахтных печей свинцового или медеплавильного производства 
содержат мелкие частицы – возгоны (окислы свинца, цинка, мышьяка 
и т. д.) и одновременно частицы шихты, унесенные потоком газа. При 
этом размеры таких пылинок различны. Пыли, содержащие частицы 
разных размеров, называют полидисперсными. 
Реже встречают аэрозоли с пылинками почти одинаковых размеров. Обычно аэрозоль такого типа образуется, если первоначально газы не содержали пыли механического происхождения, и аэрозоль образовался только в результате химической реакции или конденсации. 
Такой аэрозоль называется монодисперсным. 
Большинство аэрозолей неустойчиво, т. е. со временем изменяются 
их число и масса в единице объема газа. Объясняется это следующими 
причинами. Крупные пылинки под влиянием силы тяжести выделяются из газа на дно аппарата (газохода), в котором они находятся, часть 
пылинок может выноситься под действием центробежных, т. е. инерционных сил. Часть мелких пылинок может укрупняться под действием броуновского движения, при этом частицы сталкиваются друг с 
другом и слипаются. 

Плотность частиц 
Различают истинную, насыпную и кажущуюся плотность частиц. 
Истинная плотность твердой частицы определяется как отношение массы ее вещества к занимаемому ею объему за вычетом объема 
пор и газовых включений, которые может иметь частица. 
Кажущаяся плотность определяется как отношение массы частицы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений. Для гладких монолитных твердых частиц (так же как и для жидких) кажущаяся плотность совпадает с истинной. Ощутимое снижение 
кажущейся плотности по сравнению с истинной наблюдается у пылей, 
склонных к коагуляции или спеканию частиц (сажа, окислы цветных 

металлов и т. д.). Например, истинная плотность частиц газовой сажи 
составляет 1,8–1,9 г/см3, а кажущаяся – около 0,13 г/см3. 
Для расчетов, связанных с выбором или оценкой работы пылей и 
золоулавливающих аппаратов, необходимы данные о кажущейся плотности частиц, так как именно кажущаяся плотность наряду с некоторыми другими факторами определяет поведение частиц в газовых потоках. 
Насыпная плотность определяется отношением массы свеженасыпанных твердых частиц к занимаемому ими объему, при этом учитывается наличие воздушных промежутков между частицами. Величиной насыпной плотности пользуются для определения объема, 
который занимает зола или пыль в бункерах сухих газоочистных аппаратов. 

Дисперсный состав пыли 
В комплексе физико-химических свойств пыли ее дисперсный состав является одной из наиболее важных характеристик. Не зная степени дисперсности промышленных пылей, нельзя объективно оценить 
степень очистки действующих установок очистки газов и прогнозировать ее для проектируемых установок. 
Различают пылеулавливающие установки, которые могут улавливать определенные минимальные размеры частиц пыли. Так, например, по данным А.И. Родионова рассмотрим некоторые виды пылеулавливающего оборудования, приведенные в табл. 1.1. 

Т а б л и ц а  1.1 

Улавливание частиц пыли и аэрозолей в пылеулавливающих аппаратах 

Наименование аппаратов
Размер улавливаемых частиц, мкм

Пылеосадительные камеры
40–1000

Циклоны: 

– диаметром 1–2 м 
– диаметром 1 м

20–1000 
5–1000

Скрубберы 
20–100

Тканевые фильтры
0,9–100

Волокнистые фильтры
0,05–100

Электрофильтры 
0,01–10

Методы расчета эффективности многих пылеуловителей основаны 
на использовании данных о дисперсном составе пыли как функции 
фракционной степени очистки. В свою очередь, фракционные степени 
очистки газа от пыли в каком-либо аппарате можно определить только 
на основе достаточно достоверных анализов дисперсного состава исходной уловленной или вынесенной пыли. 
В зависимости от происхождения (при измельчении, обжиге, 
нагреве, транспортировании и пересыпании сыпучих материалов, при 
конденсации паров, в ходе химических превращений) неоднородные 
газовые системы разделяют на механические (размер частиц пыли колеблется в пределах 50–100 мкм) и конденсированные (размер частиц 
для дымов 0,3–5 мкм, для туманов 0,3–3 мкм). 
Дисперсность – качественная характеристика системы, определяющая величину измельчения сыпучего материала или дисперсной фазы. Степень дисперсности (Д), т. е. степень раздробленности вещества 
дисперсной фазы, представляет собой величину, обратную размеру 
частиц (dч): Д = 1/ dч. 
Следует учитывать, что размер частицы (dч), определяющий ее крупность, диаметр, длину стороны частицы или ячейки сита, наибольший 
размер проекции частицы и т. п., точно характеризует только шарообразные частицы. Если частица не имеет правильной геометрической формы, 
в расчетах используют так называемый эквивалентный диаметр частицы 
(dэ). При использовании тех или иных расчетных формул следует обращать внимание на то, какое понятие об эквивалентном диаметре использует автор. Эквивалентный диаметр частиц выражают как диаметр шара, 
объем которого равен объему частицы (где V – объем частицы), или как 
диаметр круга, площадь которого равна площади проекции частицы, 
определяемый, как правило, по данным микроскопирования. 
Расчетное определение дисперсности затрудняется тем, что пылегазовые потоки обычно содержат частицы разного диаметра, т. е. являются 
полидисперсными. Однако исследователи установили, что распределение 
показателей запыленности воздуха подчиняется нормальному закону распределения. Поэтому достаточно легко можно найти (например, используя метод малой выборки) число проб, необходимое для экспериментального (или контрольного) определения той или иной величины. 
В пылеулавливании используют также седиментационный диаметр 
частицы любой формы, характеризующий скорость ее осаждения. 

Седиментационный диаметр находят как диаметр шара, плотность 
которого, а также скорость осаждения под действием силы тяжести 
равны плотности и скорости осаждения частицы соответственно. 
Для сравнительной оценки работы пылеулавливающих установок, как правило, дисперсность оценивают по соотношению масс 
фракций, полученных при ситовом анализе. О степени дисперсности 
пыли в таком случае можно приближенно судить по медианному 
диаметру. Медианным диаметром частиц (d50) или (s50) называют 
такой размер частиц, по которому пыль можно разделить на две 
равные доли. Масса всех частиц мельче d50 составляет 50 % всей 
массы пыли, так же как и масса частиц крупнее d50 составляет 
оставшиеся 50 %. 
Дисперсный состав пыли большей частью задается в виде таблиц экспериментальных данных. Эти данные могут быть записаны как содержание отдельных фракций пыли, представляющей собой доли массы ΔД или 
числа частиц между двумя значениями их диаметров δ (табл. 1.2). 
 
Т а б л и ц а  1.2                        
Дисперсный состав кварцевой пыли 

δ, мкм 
ΔД, % от общей массы 

пыли

< 2,5
5,8

2,5–4
3,4

4–6,3
5,8

6,3–10
6,5

10–16
9,5

16–25
11,2

25–40
11,8

40–63
11,0

63–100
6,0

> 100
29,0

 
Данные седиментометрических и ряда других методов анализа 
обычно представляют в виде таблиц, в которых указано содержание 
частиц (в процентах от общей массы пыли или от общего числа частиц), имеющих размер меньше или больше δ (табл. 1.3). 

Т а б л и ц а  1.3           
Содержание в кварцевой пыли частиц разных размеров 

δ, мкм 
Д, %
R, %
δ, мкм
Д, %
R, %

2,5 
5,8
94,2
25 
42,2
57,8

4,0 
9,2
90,8
40 
54,0
46,0

6,3 
15,0
85,0
63 
65,0
35,0

10,0 
21,5
78,5
100 
71,0
29,0

16,0 
31,0
69
масс. 
100,0
0

 
По аналогии с данными ситового анализа доля частиц мельче значения их диаметров называется проходом и обозначается Д, а доля частиц крупнее их диаметров соответственно называется остатком и обозначается R. В табл. 3.2 данные, указанные в табл. 3.1, пересчитаны на 
значения проходов и остатков. 

Удельная поверхность пыли 
Удельной поверхностью пыли называется отношение поверхности частиц пыли к их массе или объему. По величине удельной поверхности частиц пыли можно судить о степени ее дисперсности: чем 
она больше, тем выше степень дисперсности. В практике пылеулавливания, а также в производственной технологии такая характеристика представляет определенные преимущества, так как степень 
дисперсности может быть выражена одной величиной – удельной поверхностью. 
Для определения удельной поверхности в настоящее время рекомендуется применять метод Товарова, основанный на протекании воздуха через слой порошка при постоянном расходе воздуха и давлении, 
близком к атмосферному. 
Удельная поверхность как характеристика дисперсности широко 
используется при определении или сравнении интенсивности процессов, идущих на поверхности частицы (сорбционных, ионообменных и др.). 

Смачиваемость пыли 
Экспериментально установлено, что смачиваемость пыли оказывает существенное влияние на эффективность пылеулавливания в мокрых аппаратах, особенно при работе с рециркуляцией. Гладкие частицы