Методы очистки газовых выбросов предприятий и транспорта

Многие современные технологические процессы связаны с дроблением и измельчением веществ, транспортированием сыпучих материалов. При этом часть материалов переходит в пыль, которая вредна для здоровья и наносит значительный материальный ущерб народному хозяйству вследствие потери ценных компонентов.

Пылевые частицы имеют большую суммарную поверхность, поэтому химическая и биологическая активность пыли значительно выше, чем у исходных материалов.

Частицы промышленной пыли имеют разную форму (шарики, пластинки, иглы, волокна и т.д.). Понятие «размер частицы» ввиду большого разнообразия форм условно. Принято характеризовать размер частицы величиной, определяющей скорость ее осаждения. Такой величиной служит седиментационный диаметр - диаметр шара, скорость оседания и плотность которого равны скорости оседания и плотности данной частицы. Пылевые частицы различной формы при одной и той же массе оседают с разной скоростью. Чем ближе их форма к сферической, тем быстрее они оседают. Наибольший и наименьший размеры частиц характеризуют диапазон дисперсности данной пыли.

Работа пылеулавливающих аппаратов основана на использовании различных механизмов осаждения частиц: - гравитационное осаждение под действием силы тяжести при прохождении частиц через аппарат;

- осаждение под действием центробежной силы;

- инерционное осаждение, зацепление (эффект касания);

- диффузионное осаждение (осаждение мелких частиц на поверхности, стенках аппарата под действием молекул газа, находящихся в движении);

- электрическое осаждение осуществляется в результате ионизации газа, при которой частицы заряжаются и осаждаются на электродах.

Влияние различных факторов на выбор метода очистки

Основной критерий выбора того или иного типа оборудования - степень очистки, которая зависит от свойств пыли и параметров газового потока.

Степень очистки газов от пыли определяется следующим образом:

где С1 и С2 - концентрации пыли в газе до и после очистки.

Кроме этого требуемая степень очистки, пылевая нагрузка (Gвх) и ПДВ (размерность г/с) связаны следующей формулой:

Одним из основных параметров при выборе и эксплуатации пылеуловителей является объемный расход газа. Разные виды уловителей эксплуатируются при следующих значениях скорости газа (м/с):

циклоны (одиночные) - 3? 6

мультициклоны - 6? 12

электрофильтры - 1.5? 3

тканевые фильтры - 0.005? 0.3

скрубберы - 1? 4

Существенный фактор, влияющий на очистку газов, - их влажность. При содержании влаги до 20% (объемные) вероятна конденсация паров воды внутри пылеуловителя. Тканевые фильтры из-за образования корки грязи на поверхности осаждения могут выйти из строя, нормальная работа циклонов и электрофильтров в этом случае также затрудняется.

Циклоны из обычной стали применяют для очистки газов, имеющих температуру до 450 0С, а при наличие футеровки - до 1400 0С. Температура газов, очищаемых в тканевых фильтрах, не должна быть выше 350 0С.

Тканевые фильтры и электрофильтры весьма чувствительны к колебаниям пылевой нагрузки (концентрации пыли).

Природа частиц. Для улавливания пыли, содержащей неорганические вещества (абразивные вещества, минеральные соли, аэрозоли металлов), применяют механические пылеуловители, мокрые пылеуловители, фильтры и электрофильтры. При этом частицы размером более 5 мкм улавливают в циклонах, а для улавливания частиц меньших размеров используют тканевые фильтры и электрофильтры, а также аппараты мокрой очистки. Для пыли, содержащей органические компоненты (пыль древесная, табачная, мучная и др.), употребляют механические пылеуловители. Для газов, содержащих горючие и ядовитые примеси, лучше всего использовать аппараты мокрой очистки.

7.2. Классификация методов очистки выбросов от газообразных загрязнений

Наиболее эффективным методом обезвреживания отходящих газов является их очистка от загрязнений. Существует большое разнообразие методов очистки, которые классифицируются по разным признакам.

Методы очистки газов

некаталитические

каталитические

(примеси выводятся из газовой смеси путем конденсации или поглощения жидкими или твердыми поглотителями)

(примеси не выделяются, а превращаются в другие вещества, которые остаются в газовой смеси или затем удаляются из нее)

Некаталитические методы очистки делятся по типу процесса на:

а) адсорбционные;

б) хемосорбционные;

в) абсорбционные.

Кроме того, все методы очистки отходящих газов подразделяются по характеру процесса на:

а) регенерационные (циклические);

б) не регенерационные.

Выбор метода очистки зависит от следующих факторов:

концентрация извлекаемого компонента в отходящих газах;

объем и температура газа;

наличие в газе других примесей;

требуемая степень очистки;

возможность использования продуктов рекуперации.

Метод выбирают на основе технико-экономических расчетов.

Абсорбционные методы

Абсорбционные и хемосорбционные методы широко применяют для очистки газов от СО, NxOy, SO2, H2S, HCl, CO2.

Сущность метода заключается в поглощении удаляемых компонентов жидкими поглотителями - абсорбентами и хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жидкости. В процессе хемосорбционной очистки выделяемые из газов компоненты вступают в химические реакции с хемосорбентами, при этом образуются новые вещества, регенерирующиеся и возвращающиеся вновь на абсорбцию.

Хемосорбционные методы подразделяют по типу хемосорбента и по типу получаемого продукта.

Процесс абсорбции (хемосорбции) газов проводят в пленочных, насадочных (с неподвижной и подвижной насадкой), тарельчатых и других аппаратах, называемых абсорберами. При этом абсорберы должны иметь высокую пропускную способность по газу, высокую эффективность, низкое гидравлическое сопротивление, простоту конструкции и удобство эксплуатации, небольшую металлоемкость; кроме этого аппаратура не должна забиваться осадками и корродировать.

Пример хемосорбции

Очистка газов от диоксида серы ведется преимущественно хемосорбционными методами на основе извести или известняка. Достоинства этих методов - доступность и дешевизна абсорбентов, простая технологическая схема процесса, низкие капитальные и эксплуатационные затраты.

Недостатками методов являются - невысокая эффективность, недостаточная степень использования известняка, образование отходов в виде шлама или загрязненного гипса.

При абсорбции известковым молоком процесс протекает по реакциям:

SO2 + H2O = H2SO3 Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O

2CaSO3 + O2 = 2CaSO4? (гипс)

При использовании суспензии известняка суммарные реакции имеют следующий вид:

SO2 + CaCO3 + 2H2O = CaSO3 + 2H2O + CO2

CaSO3 + 1/2 O2 + 2H2O = CaSO4. 2H2O

Известняки содержат равное количество СаСО3 и примесей, поэтому 1 кг известняка поглощает только 0.4-0.6 кг SO2. Для уменьшения отложений CaSO4 и CaSO3 рН суспензии должна быть не менее 5.

Процесс не регенерационный.

Очистку газов от сернистого ангидрида можно вести и другим методом - с использованием сульфита натрия.

В основе метода лежат следующие реакции:

Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3

2NaHSO3 SO2 + Na2SO3

Первая реакция протекает при абсорбции SO2, вторая показывает регенерацию бисульфита натрия. Эта реакция проводится при t= 130 0С, при этом выделяется газообразный SO2. Охлажденный раствор Na2SO3 снова возвращается на абсорбцию, а SO2 направляется на переработку (например, получение серной кислоты).

Для хемосорбционной очистки газов от оксидов азота применяют растворы NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2, NH4OH, FeSO4, FeCl2, Na2SO3 и т.д.

H2S поглощают растворы солей кальцинированной соды и мышьяка (Na2CO3 + Na3AsO4(Na2HAsO3)) или раствор As2O3 + NH3 + (NH4)3AsO3.

СО улавливают из выбросов аммиачными растворами одновалентной муравьиной или углекислой меди (Cu(NH4)nCOCH).

Адсорбционные методы

Адсорбция - избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой фазы твердыми телами - адсорбентами.

При адсорбционных методах газы поглощаются твердыми пористыми веществами. Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердых тел за счет физической адсорбции (силы Ван-дер-Ваальса) либо химическими силами.

Адсорбция рекомендуется для очистки газов с невысокой концентрацией вредных компонентов. Адсорбированные вещества удаляются из адсорбентов десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят термическую регенерацию. Достоинствами этого процесса являются высокая степень очистки, газы не охлаждаются, и отсутствуют жидкости.

Адсорбционную очистку газов проводят в аппаратах адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента в установках периодического и непрерывного действия. Наиболее часто этот метод применяют при регенерации органических растворителей.

Существуют следующие виды сорбентов:

а) неполярные твердые вещества, на поверхности которых происходит в основном физическая адсорбция;

б) полярные твердые вещества, на поверхности которых происходит химическая адсорбция без изменения структуры молекул газа и поверхности адсорбента;

в) вещества, на поверхности которых протекает чисто химическая адсорбция, при чем десорбция молекул газа возможна только в результате химической или каталитической реакции.

Из неполярных адсорбентов самый распространенный - активированный уголь, а также часто используют синтетические минеральные силикогели и алюмогели. В качестве полярных адсорбентов применяют хемосорбенты на основе оксидов железа, меди и цинка, которые обеспечивают проектную степень очистки даже от технологических газов.

Например, при адсорбции газов, содержащих SO2, применяют как активированные угли, так и полукоксы, активированный силикогель, карбонат кальция, активированный MnO2.

Каталитические методы

Катализ как метод очистки газов от нежелательных примесей позволяет значительно расширять область применения как чисто химических, так и сорбционных процессов для разделения газовых смесей, которое малоэффективно или просто невозможно в обычных условиях.

Кроме того, при каталитической очистке газов не существуют проблемы утилизации жидких отходов, как, например, при сорбционной газоочистке.

Среди разнообразных процессов очистки технологических газов можно назвать, например, очистку природного газа от высших углеводородов каталитическим деструктивным гидрированием (гидрокрекинг), очистку коксового и природного газа от оксидов азота и ацетилена и т.д.

Основными технологическими характеристиками промышленных катализаторов являются: селективность, стабильность, регенерируемость, механическая прочность и т.д. По установившимся в промышленности нормам нижний предел стабильности катализаторов в большинстве процессов составляет 700-750 часов.

В качестве примера приведем широко распространенное каталитическое разложение оксидов азота. Сущность способа заключается в том, что NxOy восстанавливаются газом-восстановителем (Н2, СН4, СО и др.) в присутствии катализатора. Температура начала катализа 400-470 0С.

СН4 + 4NO = CO2 + 2H2O + 2N2

СН4 + 2NO2 = CO2 + 2H2O + N2

2CO + 2NO = N2 + 2CO2

4CO + 2NO2 = N2 + 4CO2

2H2 + 2NO = N2 + 2H2O

4H2 + 2NO2 = N2 + 4H2O

В качестве катализаторов используют различные металлы, которыми покрывают огнеупорные материалы (носители). Чаще всего применяют палладиевый катализатор, нанесенный на окись алюминия.

Биохимическая очистка газов

Этот способ очистки газов с использованием микроорганизмов пока не нашел широкого применения, однако он весьма перспективен.

Например, подобную очистку применяют для дезодорации воздуха, удаления из отходящих газов примесей аммиака, формальдегида, фенола, цианистого водорода, бутилацетата, фурфурола, азот- и серосодержащих соединений и других загрязнителей. Газы фильтруют через твердый слой, содержащий биологически активные вещества - ферменты, либо промывают суспензиями с частицами активного ила.

В качестве фильтрующего слоя используют почву, компост, торф, а также их смеси с активным илом, к которому добавляют питательные вещества.

В настоящее время область промышленного применения метода ограничена только теми компонентами газовых потоков, которые поддаются биохимическому окислению.