Инженерная экология: процессы и аппараты очистки газовоздушных выбросов

ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ОЧИСТКИ 

ГАЗОВОЗДУШНЫХ ВЫБРОСОВ

А.В. ЛУКАНИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 

20.03.01 «Техносферная безопасность»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 66.074.5(075.8)
ББК 35.113я73
 
Л84

А в т о р:

Луканин А.В., доктор технических наук, профессор кафедры общей, 

фармацевтической и биомедицинской технологии Российского университета дружбы народов

Р е ц е н з е н т ы:

Ксенофонтов Б.С., доктор технических наук, профессор, руководи
тель отдела Научно-исследовательского института энергетического 
машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана;

Градова Н.Б., доктор биологических наук, профессор кафедры био
технологии Российского химико-технологического университета 
им. Д.И. Менделеева

Луканин А.В.

Л84 
 
Инженерная экология: процессы и аппараты очистки газовоз
душных выбросов : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2024. — 523 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/
24376.

ISBN 978-5-16-019644-2 (print)
ISBN 978-5-16-105207-5 (online)
В учебном пособии достаточно полно рассмотрены существующие в на
стоящее время методы защиты воздушного бассейна от промышленных газовых выбросов предприятий химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической и смежных отраслей промышленности. 
Материал основан на глубоком анализе методов очистки часто встречающихся, наиболее опасных веществ, попадающих в атмосферу Земли с отходящими газами крупнотоннажных производств, также содержит рекомендации по использованию оборудования для очистки газовоздушных 
выбросов в промышленности.

Соответствует требованиям Федерального государственного образова
тельного стандарта высшего образования последнего поколения.

Книга предназначена для студентов технических вузов, обучающихся 

по направлениям подготовки «Техносферная безопасность» и «Инженерная защита окружающей среды» (профили подготовки: «Инженерная защита окружающей среды населенных мест», «Инженерная защита окружающей среды промышленных предприятий» и «Охрана природной среды 
и ресурсосбережение»), а также для инженерно-технических работников, 
аспирантов и преподавателей.

УДК 66.074.5(075.8)

ББК 35.113я73

ISBN 978-5-16-019644-2 (print)
ISBN 978-5-16-105207-5 (online)
© Луканин А.В., 2017

Введение

Развитие промышленности вызвало серьезные нарушения в круговороте ряда веществ, например, диоксидов углерода, серы, азота 
и др. В настоящее время из-за появления большого количества отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения нарушаются условия самовосстановления природы.
Сегодня производственная деятельность человечества связана 
с использованием разнообразных природных ресурсов, включающих 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 одним 
из важнейших направлений деятельности человечества. Это связано с быстрым ростом народонаселения Земли, а также с ускорением увеличения добычи и переработки природных ресурсов. 
В современных условиях энергетические мощности мира удваиваются каждые 12 лет, а объем промышленной продукции — каждые 
15 лет. Уже сейчас ежегодное мировое извлечение из недр Земли 
составляет свыше 100 млрд т полезных ископаемых, при этом производится свыше 60 млн т неизвестных в природе синтетических 
материалов, а в почвы вносится 500 млн т минеральных удобрений 
и 3 млн т различных ядохимикатов. Также используется 13% речного стока и сбрасывается в водоемы 700 млрд м3 в год промышленных и бытовых сточных вод.
Рост промышленного производства сопровождается образованием значительного количества отходов, так как на производство 
промышленной продукции расходуется всего 1/3 потребляемых 
сырьевых ресурсов, а 2/3 их 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 загрязнений атмосферы являются 
транспорт ( 70%), а также промышленность и 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, использованное 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 в атмосфере различных загрязнений, 
прежде всего фреонов, происходит разрушение озонного слоя, который предохраняет земную поверхность от солнечной радиации.
Загрязнения, поступающие в атмосферу, с осадками возвращаются на Землю и попадают в водоемы и почву.
Наибольшее количество выбросов образуется при сжигании 
природных топлив. Ежегодно в мире сжигается до 5 млрд т угля, 
3,2 млрд т нефти, при этом 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 атмосферу 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, %; f — коэффициент, характеризующий вид топлива и вид топочного устройства [1]; η3 — доля 
твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях.

При этом:

f = αун /(100 – Гун),

где 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 согласно фактическим 
средним показателям. В отсутствие этих данных Ар и f определяются по характеристикам сжигаемого топлива [1], а величина 
η3 — по техническим данным золоуловителей.
Отрицательно влияние атмосферных загрязнений на животный 
мир и в частности на 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 сердечно-сосудистой 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 сердечно-сосудистой систем. Оксиды азота 
сильно раздражают дыхательные органы, приводя к возникновению 
в них воспалительных процессов, под их влиянием образуется метгемоглобин, понижается кровяное давление, возникают 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 являются канцерогенными веществми. 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, сердечно-сосудистой 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 предельно допустимых 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 воздухе ряда токсичных веществ (мг/м3) характеризуются следующими величинами:

Вещество
HF
Cl2
NH3
CS2
H2S
SO2
NOx
ПДКр.з.
0,5
1
20
10
10
10
5

ПДКм.р.
0,02
0,1
0,2
0,03
0,008
0,03
0,085

ПДКс.с.
0,005
0,03
0,2
0,005
0,008
0,005
0,085

Вещество
СО
НСl
Hg
SiF4
HCN
О3
С (сажа)

ПДКр.з.
20
5
0,01
—
0,3
0,1
3,5

ПДКм.р.
3
0,015
—
0,02
—
—
0,15

ПДКс.с.
1
0,015
0,0003
0,005
0,01
—
0,05

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

1
2
сум
1
2

С
1
ПДК
ПДК
ПДК

k

k

С
С
С
=
+
+ … +
<

Контроль соблюдения ПДК осуществляют органы Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзора). Для контроля состояния 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 позволяет фикси

ровать концентрацию вредных веществ в атмосфере или водных 
источниках.
Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха 
являются промышленные предприятия, транспорт, тепловые электростанции, животноводческие комплексы. Каждый из этих источников связан с выделением большого количества специфических 
токсичных веществ.
Например, предприятия черной металлургии выбрасывают газы, 
содержащие пыль, оксиды серы и металлов. На 1 т передельного 
чугуна приходятся 4,5 кг выбрасываемой пыли, 2,7 кг SO2, 0,1—
0,5 кг Мn, а также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, 
ртути, редких металлов, смолистые вещества. Агломерационные 
фабрики выбрасывают пыль и диоксид серы (190 кг SО2 на 1 т 
руды). Мартеновские и конверторные цехи выделяют большие 
массы пыли. На 1 т мартеновской стали выделяется 3000—4000 м3 
газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м3, 60 кг СО и 3 кг SО2. 
Коксохимические цехи загрязняют атмосферу пылью и смесью летучих соединений. Предприятия цветной металлургии выбрасывают запыленные газы, содержащие диоксид серы, фтористые газы 
и металлы. Из 1 т пыли, поступающей в атмосферу при плавке 
медных руд, можно извлечь до 100 кг меди и немного меньше 
свинца и цинка. Выбросы металлургических предприятий характеризуются высокой температурой, достигающей 800°С и более.
Предприятия химической и микробиологической промышленности выбрасывают газовоздушные выбросы, содержащие микроорганизмы, неорганические и органические вещества и газы: СО2, 
СО, NH3, SО2, NОx, HF, HC1, SF4, H2S и др. Воздушные выбросы 
нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности 
содержат углеводороды, сероводород и дурнопахнущие газы.
Заводы промышленности строительных материалов выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота. Тепловые электростанции выделяют в атмосферу газы, содержащие оксиды серы, 
азота и углерода, золу, металлы.
Загрязнения в атмосферу могут поступать из источников непрерывно или периодически, залпами или мгновенно. В случае 
залповых выбросов за короткий промежуток времени в воздух выделяется большое количество вредных веществ. Залповые выбросы 
возможны при авариях, сжигании быстрогорящих отходов производства на специальных площадках уничтожения. При мгновенных 
выбросах загрязнения выбрасываются в доли секунды иногда 
на значительную высоту. Обычно это происходит при взрывных 
работах и авариях.

Таким образом, с отходящими газами в атмосферу поступают 
твердые, жидкие, паро- и газообразные неорганические и органические вещества, поэтому по агрегатному состоянию загрязнения 
подразделяют на твердые, жидкие, газообразные и смешанные.
Отходящие газы промышленности, содержащие взвешенные 
твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные 
системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперс ной — 
твердые частицы или капельки жидкости. Такие аэродисперсные 
системы называют аэрозолями, их разделяют 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, они образуются в результате конденсации 
паров или при распылении жидкости в газе.
Газовые выбросы классифицируют также: по организации отвода 
и контроля — на организованные и неорганизованные, по температуре — на нагретые (температура газопылевой смеси выше температуры воздуха) и холодные; по признакам очистки — на выбрасываемые без очистки (организованные и неорганизованные) и после 
очистки (организованные).
Организованный промышленный выброс — это выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы, а неорганизованным выбросом называют промышленный выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных 
потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования, 
отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта.
Для снижения загрязнения атмосферы от промышленных выбросов совершенствуют технологические процессы, осуществляют 
герметизацию технологического оборудования, применяют пневмотранспорт, строят различные очистные сооружения.
Наиболее эффективным направлением снижения выбросов является создание безотходных технологических процессов, предусматривающих, например, внедрение замкнутых газообразных потоков. Однако до настоящего времени основным средством предотвращения вредных выбросов остаются разработка и внедрение 
эффективных систем очистки газов. При этом под очисткой газа 
понимают отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника.
Классификация методов и аппаратов, используемых для обезвреживания газовых выбросов от различных примесей, приведена 
на рисунке ниже. Эта классификация является приближенной. Она 

не охватывает всех существующих методов, а тем более аппаратов 
газоочистки.

Очистка от пылей
Очистка 

от туманов и брызг

Сухие методы 

очистки

Мокрые методы 

очистки

Электрические 
методы очистки

Сухие 

электрофильтры

Мокрые 

электрофильтры

Фильтры 

туманоуловители

Сеточные 

брызгоуловители

Газопромыватели:
полые, насадочные, 

тарельчатые, 

ударно-инерционного действия, 
центробежные, 

механические, ско
ростные

Пылеосадительные 

камеры

Пылеуловители:
инерционные,
динамические,

вихревые

Фильтры:

волокнистые, тканевые, зернистые, 

керамические

Циклоны

Очистка 

от газовых примесей

Абсорбционные 
методы очистки

Абсорберы:
тарельчатые, 
насадочные, 

пленочные, рас
пыливающие

Адсорбционные 
методы очистки

Адсорберы:

с неподвижным, 

движущимся 
и псевдоожиженным слоем

Каталитические методы 

очистки

Реакторы

Термические 

методы очистки

Печи, горелки

Конденсационные методы 

очистки

Конденсаторы

Очистка от паро
образных примесей

Классификация методов и аппаратов 
для обезвреживания газовых выбросов

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют 

сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппараты отли

чаются друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. В основе работы сухих аппаратов лежат 
гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях 
осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом 
осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей 
или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных 
частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.
Выбор метода и аппарата для улавливания аэрозолей прежде 
всего зависит от их дисперсного состава (мкм):
Пылеосадительные камеры ..............................................40—1000
Циклоны диаметром 1—2 м .............................................20—1000
Циклоны диаметром 1 м .....................................................5—1000
Скрубберы ...........................................................................20—100
Тканевые фильтры .............................................................0,9—100
Волокнистые фильтры .....................................................0,05—100
Электрофильтры ................................................................0,01—10
Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют: абсорбцию (физическую 
и хемосорбцию), адсорбцию, каталитический, термический, конденсационный методы.
Абсорбционные методы очистки отходящих газов подразделяют 
по следующим признакам: 1) абсорбируемому компоненту; 2) типу 
применяемого абсорбента; 3) характеру процесса — с циркуляцией 
и без циркуляции газа; 4) использованию абсорбента — с регенерацией и его возвращением в цикл (циклические) и без регенерации 
(нециклические); 5) использованию улавливаемых компонентов — 
с рекуперацией и без рекуперации; 6) типу рекуперируемого продукта; 7) организации процесса — периодические и непрерывные; 
8) конструктивным типам абсорбционной аппаратуры.
Для физической абсорбции применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные 
растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества 
и водные суспензии различных веществ. Выбор метода очистки 
зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания 
примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования 
продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производят на основании результатов технико-экономических расчетов.
Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления 
из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны