Очистка газовых выбросов от газо-и парообразных загрязнителей

В настоящее время существует 2 типа газо- и пароулавливающих установок. Первый тип установок обеспечивает санитарную очистку выбросов без последующей утилизации уловленных примесей, количество которых невелико, но которые даже в ма­лых концентрациях опасны для здоровья человека. Второй тип предназначен для промышленной очистки выбросов от большого количеств вредных примесей с последующей их концентраций ей и дальнейшим использованием в качестве исходного сырья в различных технологических процессах. Установки второго типа являются составляющими элементами разрабатываемых перспективных малоотходных и безотходных технологий.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных и парообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп: промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химические (хемосорбция); поглощение газообразных примесей твёрдыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей с помощью каталитического превращения. Оборудование для реализации этих методов классифицируется следующим образом (рис. 23а).

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путём разделения газовоздушной смеси на составные части за счёт поглощения одной или нескольких вредных примесей (абсорбатов), содержащихся в этой смеси, жидким поглотителеы (абсорбентом) с образованием раствора.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород в качестве жидкого поглотителя применяется вода. Растворимость этих вредных веществ в воде составляет сотни граммов на 1 кг воды. Растворимость в воде сернистого ангидрида или хлора не превышает сотых долей грамма на 1 кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих эти вредные газы, требуются боль­шие количества воды. В качестве абсорбентов используются и другие жидкости: раствор сернистой кислоты для улавливания водяных паров; вязкие масла для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа.

Контакт очищаемых газов с абсорбентом осуществляется путём пропускания газа через насадочную колонну, либо распы­лением поглощающей жидкости, либо барботажем через её слой. В зависимости от способа контакта «газ—жидкость» различают следующие аппараты: насадочные башни; форсуночные и центробежные скрубберы (рис. 15, 17); скрубберы Вентури (рис. 18); барботажно-пенные (рис. 19), тарельчатые и другие типы скрубберов.

Конструкция широко используемых для абсорбционной очистки противопоточных насадочных башен аналогична конструк­ции насадочного скруббера (рис. 16), который может иметь не­сколько слоев насадки, увеличивающей площадь контакта газа с абсорбентом. Очищенный газ обычно отводится в атмосферу, а жидкость, содержащую вредные растворимые примеси, подвергают регенерации с целью отделения вредных веществ, после чего возвращают в аппарат или отводят в качестве отхода.

Метод хемосорбции заключается в поглощении вред­ных газовых и паровых примесей, содержащихся в газовых вы­бросах, твёрдыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Применение этого метода наиболее выгодно при небольших концентрациях вредных примесей в отходящих газах. Методом хемосорбции осуществляется очистка газовоздушной смеси от сероводорода с использованием мышьяково-щелочного, этанолами нового и других растворов. Сероводород при этом связывается в соответствующей хемосорбенту соли, находящейся в водном растворе, регенерация которого осуществляется кислородом, со­держащимся в очищенном воздухе, с образованием серы, которая может быть использована как сырьё.

Очистка газов с помощью хемосорбции осуществляется в на­садочных башнях, пенных и барботажных скрубберах, распыли­тельных аппаратах типа труб Вентири и в аппаратах с различ­ными механическими распылителями. Широко распространены скрубберы с подвижной насадкой, аналогичные по конструкции скрубберам, представленным на рис. 18. Насадка в виде сплош­ных, полых и перфорированных шаров, колец, полуколец, куби­ков и элементов другой формы совершает пульсационное движе­ние, что интенсифицирует процесс взаимодействия очищаемых газов с орошающей жидкостью, а также удаляет образующий­ся в результате химической реакции осадок со стенок корпуса аппарата или опорной решётки. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью очистки газовых выбросов, большой производительностью и низким гидравлическим сопротивлени­ем.

Хемосорбция широко применяется для очистки отходящих газов от окислов азота, образующихся при сжигании топлива, выделяющихся из ванн для травления и в других технологи­ческих процессах. Очистка осуществляется в скрубберах с ис­пользованием в качестве хемосорбента известкового раствора. Эффективность очистки от окислов азота составляет 0,17-0,86 и от паров кислот — 0,95.

Достоинство методов абсорбции и хемосорбции заключает­ся в непрерывности ведения технологического процесса и эконо­мичности очистки больших количеств газовых выбросов. Недо­статок — громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкостного орошения. В процессе очистки газы подвер­гаются охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния при отводе в атмосферу. В процессе работы абсорбционных ап­паратов образуется большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредных примесей, кото­рые подлежат транспортировке и утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки газов основан на по­глощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твёрдых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очи­щаемых газов.

Поглощающая способность адсорбента определяется наличи­ем в его объёме большого количества пор различного размера: микропоры, переходные и макропоры. Размеры микропор соиз­меримы с молекулами адсорбируемых вредных примесей и со­ставляют от 5-10~¹⁰ до 10~⁹ м. Размер переходных пор намного больше адсорбируемых молекул и колеблется от 1,5 • 10~⁹ до 2 • 10~⁷ м. Переходные поры выполняют роль каналов, подводя­щих поглощаемые примеси к микропорам, их удельная поверх­ность может составлять от 10 до 400 м²/г. Чем больше пори­стость абсорбента и выше концентрация примеси, тем интенсив­ней протекает процесс адсорбции. В качестве адсорбентов широ­ко применяют активированные угли, удельная поверхность ко­торых составляет 10²-10³ м²/г. Их применяют для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов и газо­образных примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных выбросах. Кроме активированного угля используются активированный глинозём, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углем обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определённых газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, т. к. позволяет, при снижении давления или повышении температуры удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной очистки работают периодически или непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых ёмкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется расходом очищаемого газа, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и другими факторами. Вертикальные адсорберы отличаются небольшой произ­водительностью. Производительность горизонтальных и кольцевых адсорберов достигает десятков и сотен тысяч м³/час. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуется с периодом регенерации твёрдого адсорбента.

Адсорберы непрерывного действия представляют вертикаль­ную многосекционную колонну, с движущимся сверху вниз адсорбентом, который проходит зоны охлаждения, поглощения, ректификации, нагрева и десорбции, и вновь возвращается в исходное положение. Газ поступает в зону поглощения и движется навстречу адсорбенту.

На рис. 24 представлена схема адсорбционной установки для удаления сернистого ангидрида (S0₂) из горячих топочных газов. В качестве адсорбента в установке служит активированный уголь, который заполняет адсорбер. Горячие топочные газы проходят через теплообменник, подогревая воздух, поступающий в топку и для обогрева десорбера, и подаются в нижнюю часть адсорбера, в котором при температуре 150-200°С происходит) улавливание S0₂. Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер, где с помощью нагретого в теплооб­меннике воздуха поддерживается температура 300-600°С, при которой из адсорбента выделяется сернистый ангидрид, отводимый из десорбера и полезно используемый. Регенированный адсорбент поступает в бункер, из которого подаётся в верхнюю часть адсорбера.

 

 

 

Рис.. 24. Адсорбционная установка для удаления SO2 из горячих дымовых газов: 1 — адсорбер; 2 — теплообменник; 3 — десорбер; 4 — бункер

Установки периодического действия отличаются конструк­тивной простотой, но имеют низкие скорости газа и большие энергетические затраты на его прокачку.

В установках непрерывного действия с подвижным слоем ад­сорбента полнее используется адсорбционная способность адсор­бента, обеспечивается процесс десорбции, однако имеются зна­чительные его потери за счет ударов частиц адсорбента друг о друга и истирания о стенки аппарата.

 

Термическая нейтрализация обеспечивает окисле­ние токсичных примесей в газовых выбросах до менее токсич­ных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газов. Этот метод применяется при больших объёмах газовых выбросов и концентрациях загрязняющих примесей, превышаю­щих 300 частей на миллион.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление при температурах 600-800°С и каталитическое сжигание — при 250-450°С. Выбор схемы нейтрализации определяется химиче­ским составом загрязняющих веществ, их концентрацией, на­чальной температурой газовых выбросов, объёмным расходом и предельно допустимыми выбросами вредных веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех слу­чаях, когда отходящие газы содержат достаточно тепла, необ­ходимого для осуществления процесса и составляющего более 50% от общей теплоты сгорания. В процессе прямого сжигания температура пламени может достигать 1300°С, что при нали­чии достаточного избытка воздуха и продолжительном времени нахождения газа при высокой температуре приводит к образо­ванию оксидов азота. В результате в процессе прямого сжига­ния одних вредных примесей происходит образование другого загрязняющего вещества.

Прямое сжигание может осуществляться как непосредствен­но в открытом факеле, так и в замкнутых камерах. Системы прямого сжигания обеспечивают эффективность очистки 0,9-0,99, если время пребывания вредных примесей, органических отходов, окислов азота, токсичных газов, например, цианистого водорода в высокотемпературной зоне — 0,5 с, а температура га­зов, содержащих углеводороды, не менее 500-650°С, содержащих оксид углерода — 660-750°С.

Термическое окисление применяется, когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного коли­чества кислорода, либо, когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, не­обходимой для поддержания пламени.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то про­цесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свеже­го воздуха. Так осуществляется дожигание оксида углерода и углеводородов, образующихся при работе автомобильного двигателя. Если отходящие газы имеют недостаточную для про­цесса окисления температуру, то они предварительно подогре­ваются в теплообменнике, а затем поступают в рабочую зону, в которой сжигают природный или другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температуры, превышающей точки их самовоспламенения, и они сгорают в среде кислорода, присутствующего в отходящих газах.

Основное преимущество термического окисления — относи­тельно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовления камеры сжигания и исключить обра­зования оксидов азота.

Каталитический метод предназначен для превращения вредных примесей, содержащихся в отходящих газах промыш­ленных выбросов, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ — катализаторов. Катализаторы изменяют скорость и направле­ние химической реакции, например, реакции окисления. В каче­стве катализаторов используются: платина, палладий и другие благородные металлы или их соединения: окислы меди, марган­ца и т. п. Катализаторная масса располагается в специальных реакторах в виде насадки из колец, шаров, пластин или прово­локи, свитой в спираль из нихрома, никеля, окиси алюминия с нанесённым на поверхность этих элементов слоем благородных металлов микронной толщины. Каталитические методы очист­ки широко используются для вредных примесей, содержащихся в газовоздушных выбросах цехов окраски, а также для нейтра­лизации выхлопных газов автомобилей.