Ежедневно в атмосферу Земли продолжает поступать такое количество отходов, которое в конечном итоге неминуемо приведет человечество к глобальной экологической катастрофе. В этой ситуации значение газоочистки возрастает по нарастающей. Другой вопрос – достаточное ли внимание уделяется этой отрасли науки и техники?
Ведущими отраслями промышленности, где без газоочистительного оборудования не обойтись, являются энергетика, промышленность строительных материалов, черная и цветная металлургия, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. Коротко оценим влияние на экологию каждой из этих отраслей.
Энергетика. Когда речь заходит об энергетике, на память невольно приходит план ГОЭЛРО, по которому предусматривалось за 10–15 лет соорудить 30 крупных электростанций общей мощностью 1750 тысяч киловатт. Много это или мало? В наиболее благоприятный для России 1913 г. мощность всех электростанций России составляла около 400 тысяч киловатт, а выработка электроэнергии – примерно 2 миллиарда киловатт-часов в год. (Накануне развала Советского Союза мощность всех его электростанций составляла около 1500 миллиардов киловатт-часов, то есть произошло увеличение мощности в 800 раз.)
До революции крупных электростанций в России было всего около десятка. Таким образом, по плану ГОЭЛРО мощность и количество электростанций должно было увеличиться примерно в 3 раза.
Для нас представляет интерес то, что из 30 запланированных электростанций – 20 теплоэнергостанций (ТЭС), работавших на угле, сланце, торфе. Тогда о вредных выбросах в атмосферу еще не думали, но сегодня эту проблему уже не проигнорируешь. Однако теплоэлектростанции по-прежнему выдают по разным сведениям около 70–80 % электрической энергии. И это при огромных гидроресурсах России и уникальном опыте возведения гигантских гидроэлектростанций. Всё это дает основание утверждать, что в ближайшее время, несмотря на продолжающееся строительство ГЭС и АЭС, теплоэлектростанции останутся одними из главных производителей электроэнергии. Соответственно не должно ослабнуть внимание и к обязательному атрибуту теплоэлектростанций – пылеулавливающему оборудованию.
Еще более экономичнее, чем ТЭС, являются ТЭЦ – теплоэлектроцентрали, которые снабжают потребителей не только электричеством, но и теплом, имея коэффициент полезного действия примерно в полтора раза больше. Академик В.А.Кириллин писал в статье о перспективах развития отечественной энергетики:
«Еще в 1924 году в Ленинграде была создана первая система централизованного теплоснабжения от электростанции. В 1983 году теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) перекрывали 33 % потребностей тепла в стране. Свыше 800 городов и промышленных центров снабжаются теплом более чем 100 ТЭЦ. Теплофикация, наряду с экономией топлива, обеспечивает значительный экологический эффект. На ТЭЦ достигается высокая очистка продуктов сгорания от вредных примесей, уменьшается тепловое загрязнение водоемов, наконец, централизованное снабжение влечет за собой уменьшение числа мелких котельных, где не может быть обеспечена высокая степень экологической очистки».
Но не всё так гладко, как пишет академик. Считается, что тепловые ГРЭС – государственные районные электростанции – остаются наиболее рентабельными энергетическими сооружениями, однако нельзя сбрасывать со счетов, что они потребляют невозобновляемые топливные ресурсы и загрязняют атмосферу вредными выбросами – пылью, сернистыми и азотистыми газами.
Впроцессе сжигания твердого или жидкого топлива котельные установки, тепловые электростанции, теплоэлектроцентрали выделяют в атмосферный воздух дым, который создает опасность для человека. При сжигании угля в топках котельных и электростанций в воздух поступают вместе с дымом сажа, сернистый газ, угарный газ и зола, представляющая собой негорючие минеральные примеси. Находящаяся в топливе сера полностью сгорает до сернистого газа. Некоторая его часть соединяется в воздухе с капельками влаги, превращаясь в серную кислоту. В малосернистой нефти и мазуте нет золы, при его сжигании воздух не загрязняется золой и пылью, но зато выделяют в 3 раза больше серного ангидрида. Отопительная система жилищ, потребляя 25 % топлива, выделяет в атмосферу более 30 % вредных веществ. Мелкие отопительные и технологические установки дают мало окислов азота, но выбрасывают в атмосферу большое количество продуктов неполного сгорания, особенно сажи. Хотя малые котельные используются сегодня всё реже, остаются проблемы с крупными ТЭС и ТЭЦ, которые требуют дорогостоящего газооочистного оборудования. И тут ничего не поделаешь. Главное, чтобы это оборудование было надежным и эффективным.
Промышленность строительных материалов. Промышленность строительных материалов включает в себя асфальтобетонные заводы, заводы железобетонных изделий, кирпичные и цементные заводы и др. Сырьем для этих заводов служит песок, щебень, известковый порошок и др. В процессе получения асфальтовой массы щебень и известковый камень дробят, а затем сушат в специальных сушильных барабанах. Этот подготовительный процесс сопровождается большим пылевыделением. Кирпичные заводы и заводы железобетонных изделий также в основном загрязняют атмосферный воздух цементной и кварцсодержащей пылью. Очень большое загрязнение атмосферы производят цементные заводы. Основные технологические процессы этого производства – измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу. При работе вращающихся печей пылеунос достигает 8–25 % к весу сухого сырья, запыленность газа – 10-60 г/м3. Таким образом, четверть сырьевой массы, частично уже обожженной, выбрасывается в воздух. Этого нельзя допускать не только по санитарным нормам, но и по экономическим соображениям.
Между тем промышленность строительных материалов и, в частности, цементная промышленность развивается всё возрастающими темпами. В связи с этим представляет интерес история создания цемента.
В России в качестве активных минеральных добавок, придающих воздушной извести способность твердеть в воде, применяли пемзу, туф и толченый кирпич – «цемянку». Первое такое производство было налажено в Москве и существовало уже в начале XVIII в., при Петре I , широко развернувшем гидротехническое строительство. В 1824 г. англичанин Д.Аспдин взял патент на «Усовершенствованный способ производства искусственного камня». Из-за своего сходства с портландским камнем, добываемым возле города Портланда, этот искусственный камень стали называть портландцементом. Цемент в переводе с латинского – дробленый камень. Ныне портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера – смеси известняка и глины, полученной после обжига, – и необходимого количества гипса. Первый в России завод по производству портландцемента был построен в 1856 г. в Гродзеце, затем появились цементные заводы в Глухоозерске, Вольске, Подольске, Новороссийске и других городах. В 1958 г. производство цемента составляло 33,3 млн. тонн, увеличившись по сравнению с 1913 г. в 20 раз, в 1968 г. – 87,5 млн. тонн.
В 1979 г. вышла книга Ф.Г.Банита и А.Д.Мальгина «Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов», в которой приведены подробные сведения об аэрозолях, выделяемых в атмосферу при производстве строительных материалов, излагается теория процессов, протекающих в газопылеулавливающих установках: циклонах, мокрых аппаратах, матерчатых фильтрах, электрофильтрах. Помимо информации об очистке газов в цементной промышленности рассматриваются вопросы обеспыливания на известковых и гипсовых заводах, на предприятиях стеновых материалов, на заводах кровельных и теплоизоляционных материалов, при производстве стекла, керамики, каолина, талька и графита.
В книге приводится такой пример. При выпуске 1 тонны цемента из основных технологических агрегатов и транспортирующих механизмов при мокром способе производства выделяется 20–25 тыс. м3 аэрозолей, содержащих до 700 кг пыли, при сухом способе – 13–15 тыс. м3, включающих около 500 кг пыли.
Предназначенная для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций, для инженерно-технических работников предприятий промышленности строительных материалов книга Ф.Г.Банита и Д.И.Мальгина – первого директора Семибратовского филиала НИИОГАЗ – не потеряла своей актуальности и сегодня.
В 1987 г. Новороссийский научно-исследовательский и проектный институт по газоочистным сооружениям, технике безопасности и охране труда в промышленности строительных материалов (НИПИОТстром) выпустил обзорную информацию для служебного пользования «Пылеулавливание на цементных заводах в 1985 году». В обзоре дан анализ эксплуатации очистного оборудования по заводам и отрасли в целом, приводятся данные об оснащенности пылеулавливающими установками основных переделов производства. Обзор был подготовлен на основании данных 62 отечественных цементных заводов, на долю которых приходилось свыше 75 % производства цемента. Всего в это время в Советском Союзе, производившем около 100 млн. тонн цемента, было около 100 цементных заводов, и их всё равно не хватало для полного удовлетворения потребностей строительной промышленности.
В 1985 г. на всех переделах цементного производства было уловлено пылеочистным оборудованием 24,1 млн. тонн сырья, клинкерной пыли и цемента, в том числе 20,7 % приходилось на готовый продукт. В связи с развалом СССР количество цементных заводов сократилось, но в последние годы спрос на цемент опять опережает его производство. А это в принципе означает, что теми же темпами должна возрастать и потребность в пылеулавливающем оборудовании.
Черная металлургия. Выше мы уже писали о том, что первый промышленный выброс в атмосферу связывают с возникновением металлургии. В Европе первый крупный металлургический завод, на котором работало около 100 человек, в 1700 г. основал шведский инженер Х.Полем. В России развитие промышленной металлургии связывают с именем Петра I . При нем за четверть века возникло свыше 100 мануфактур, в том числе металлургические, чугунолитейные и медеплавильные заводы. Выплавка чугуна поднялась с 2400 до 12800 тонн, а в середине XVIII в. составляла уже 32 тысячи тонн. За весь XVIII в. выплавка чугуна увеличилась в 66 раз. Всё возрастающими темпами металлургия развивалась и в дальнейшем. И с каждым годом всё острее становился вопрос о необходимости оснащения металлургических заводов газоочистительным оборудованием. Приводятся следующие цифры, как черная металлургия загрязняет атмосферу.
Для получения тонны чугунного литья перерабатывается 8–10 тонн различных сыпучих материалов: песок, сухая глина, угольная пыль и др. Выброс пыли в расчете на 1 тонну передельного чугуна составляет 4,5 кг, сернистого газа 2,7 кг и марганца 0,5–0,1 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу выбрасываются соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества. Пыль выбрасывается с вентиляционным воздухом из землеприготовительных, обрубных, очистных, выбивных и других участков литейного цеха. Значительным источником загрязнения воздуха сернистым газом являются агломерационные фабрики. Во время агломерации руды происходит выгорание серы из пиритов. Сульфидные руды содержат до 10 % серы, а после агломерации ее остается лишь 0,2–0,8 %. Выброс сернистого газа при агломерации может быть принят в размере 190 кг на 1 тонну руды, т. е. одна ленточная машина дает около 700 тонн сернистого газа в сутки.
Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы мартеновских и конверторных сталеплавильных цехов. При ведении мартеновского процесса пыль образуется из металлической шихты при ее окислении, из шлака, руды, известняка и окалины, идущих на окисление примесей шихты, из доломита, применяющегося для заправки пода печи. При кипении стали выделяются пары окислов шлака и металла, газы. Размеры частиц пыли не превышают 3 мкм. При бескислородном процессе на 1 тонну мартеновской стали выделяется 3000–4000 м3 газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м3. В период подачи кислорода в зону расплавленного металла пылеобразование многократно увеличивается, достигая 15–52 г/м3. Кроме того, плавление стали сопровождается выгоранием некоторого количества углерода и серы, в связи с чем в отходящих газах мартеновских печей при кислородном дутье содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа в расчете на 1 тонну выдаваемой стали.
При конверторном способе получения стали образуются дымовые газы из частиц окислов кремния, марганца и фосфора. В составе дыма содержится значительное количество окиси углерода – до 80 %. Концентрация пыли в отходящих газах составляет примерно 15 г/м3. Основная масса пыли – 90 %, состоит из частиц размером 0,2–1 мкм.
Коксохимические производства загрязняют атмосферный воздух пылью и смесью летучих соединений. При коксовании 1 тонны угля образуется 300–320 м3 коксового газа. В его состав входят: водород, метан, окись углерода, углекислый газ, азот, углеводороды и кислород. Основная масса коксового газа улавливается и направляется на химическую переработку и утилизацию, около 6 % газа поступает в атмосферу вследствие потерь во время загрузки и выгрузки печей и негерметичности аппаратуры. При нарушении режима работы батарей коксования или вспомогательных отделений утилизации в атмосферу выбрасываются значительные количества неочищенного коксового газа. Загрязнение воздуха пылью при коксовании углей сопряжено с подготовкой шихты и загрузкой ее в коксовые печи, с выгрузкой кокса в тушильные вагоны и мокрым тушением кокса. Мокрое тушение сопровождается также выбросом в атмосферу веществ, входящих в состав используемой воды.
В диссертации В.Т.Стефаненко «Исследования технологических выбросов в атмосферу и разработка средств для улавливания пыли на коксохимических предприятиях» (Екатеринбург, 2007) приведен перечень двадцати загрязняющих веществ в данной отрасли производства: бензопирен, сероводород, фенол, цианистый водород, сероуглерод, пиридин, диоксид азота, серная кислота, бензол, формальдегид, сажа, диоксид серы, пыль угольная и коксовая, толуол, ксилол, нафталин, аммиак, оксид углерода, оксид азота, пыль сульфата аммония. В книге С.М.Андоньева и О.В.Филипьева «Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии» можно найти подробную информацию о технологических выбросах всей отрасли черной металлургии. Список состоит из нескольких десятков позиций, однако и он не охватывает весь спектр источников вредных выбросов.
Цветная металлургия. До наших дней сохранилась гравюра XVIII в. с изображением медеплавильных печей Полевского завода на Урале, из труб которых поднимаются в небо черные хвосты дыма (см. стр. 222). Можно утверждать, что этот дым не рассеялся и в следующем, XIX столетии. В книге Н.Г. Залогина и С.М.Шухера «Очистка дымовых газов» утверждается, что «Первая крупная промышленная установка электрической очистки отходящих газов была сооружена в 1908 г. на одном из заводов цветной металлургии».
При получении и переработке различных цветных металлов (медь, цинк, олово, свинец и др.) в воздух поступает пыль сложного состава. Так, в обжиговых газах медеплавильной промышленности содержится медь, окись железа, соединения мышьяка, сурьмы, висмута, кадмия, селена, теллура, серебра, фосфора, ртути, цинка, свинца. Выброс пыли значительно превышает количество готового продукта. Так, например, на тонну черновой меди выбрасывается до 2 тонн пыли. Значительный процент от общего состава пыли приходится на свинец. Так, в дымовых газах плавильных печей при плавке медьсодержащего лома содержание свинца доходит до 10 %, а в отходящих газах цинковой промышленности – даже до 25–50 %. Предприятия цветной металлургии являются также источниками загрязнения воздушного бассейна сернистым газом, который выделяется в процессе подготовки сырья. При получении металлического алюминия электролизом с отходящими газами от электролизных ванн в атмосферный воздух выделяются газообразные и пылевидные фтористые соединения. При получении 1 тонны алюминия в зависимости от типа и мощности электролизера расходуется от 33 до 47 кг фтора, около 65 % его попадает в атмосферу.
Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. «Нефть не топливо, топить можно и ассигнациями». Это изречение известного русского химика Д.И.Менделеева наиболее точно отражает суть того, как разумному человечеству надо относиться к «черному золоту». Но не менее осторожного отношения заслуживают и другие невозобновляемые природные ресурсы, многие из которых в процессе переработки выделяют в атмосферу вредные выбросы.
Сырьем для предприятий химической промышленности служат нефть, природный газ, попутные газы, которые образуются, например, при коксовании углей на металлургических предприятиях, разнообразные химические вещества и соединения. В атмосферный воздух могут поступать различные газообразные, жидкие и твердые химические вещества в процессе переработки сырья и получения готовой продукции через неплотности аппаратуры или с вентиляционными выбросами. Так, в процессе получения серной кислоты в воздух поступают сернистый газ, аэрозоль серной кислоты, окислы азота и пыль. На лакокрасочных заводах выделяются в воздух пары разнообразных растворителей – бензина, ксилола, толуола, изопропилового спирта и др. Для химических заводов характерно то, что в их выбросах содержится одновременно большое количество разнообразных по своим свойствам химических веществ. Поступая в атмосферный воздух, они взаимодействуют друг с другом и могут превращаться в другие соединения, иногда даже более вредные для организма, чем исходные.
Газовые выбросы нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов и сероводорода. Заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу стирол, дивинил, толуол, ацетон, изопрен и др. К основным выбросам предприятий химической промышленности также относятся окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак, пыль от неорганических производств, органические вещества, сероводород и сероуглерод, хлористые соединения, фтористые соединения и др. И все без исключения выбросы способствуют возникновению антропогенных заболеваний.
Энергетика. Когда речь заходит об энергетике, на память невольно приходит план ГОЭЛРО, по которому предусматривалось за 10–15 лет соорудить 30 крупных электростанций общей мощностью 1750 тысяч киловатт. Много это или мало? В наиболее благоприятный для России 1913 г. мощность всех электростанций России составляла около 400 тысяч киловатт, а выработка электроэнергии – примерно 2 миллиарда киловатт-часов в год. (Накануне развала Советского Союза мощность всех его электростанций составляла около 1500 миллиардов киловатт-часов, то есть произошло увеличение мощности в 800 раз.) 
Промышленность строительных материалов. Промышленность строительных материалов включает в себя асфальтобетонные заводы, заводы железобетонных изделий, кирпичные и цементные заводы и др. Сырьем для этих заводов служит песок, щебень, известковый порошок и др. В процессе получения асфальтовой массы щебень и известковый камень дробят, а затем сушат в специальных сушильных барабанах. Этот подготовительный процесс сопровождается большим пылевыделением. Кирпичные заводы и заводы железобетонных изделий также в основном загрязняют атмосферный воздух цементной и кварцсодержащей пылью. Очень большое загрязнение атмосферы производят цементные заводы. Основные технологические процессы этого производства – измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу. При работе вращающихся печей пылеунос достигает 8–25 % к весу сухого сырья, запыленность газа – 10-60 г/м3. Таким образом, четверть сырьевой массы, частично уже обожженной, выбрасывается в воздух. Этого нельзя допускать не только по санитарным нормам, но и по экономическим соображениям. 
В 1985 г. на всех переделах цементного производства было уловлено пылеочистным оборудованием 24,1 млн. тонн сырья, клинкерной пыли и цемента, в том числе 20,7 % приходилось на готовый продукт. В связи с развалом СССР количество цементных заводов сократилось, но в последние годы спрос на цемент опять опережает его производство. А это в принципе означает, что теми же темпами должна возрастать и потребность в пылеулавливающем оборудовании.