Принципы очистки газовых выбросов

На предприятиях повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, золы, сажи) и токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NO2, SO2, SO3 и др.), однако, с точки зрения будущего, аппараты пылегазоочистки по вышеуказанным причинам не имеют перспектив.

Тем не менее все методы могут быть условно разбиты на две основные группы. К первой относятся физические методы очистки газов от жидких и твердых частиц с использованием так называемого разделительного оборудования, в котором в несколько стадий под действием тех или иных сил происходит выделение этих частиц из основного газового потока и перенесение их на поверхности осадителей различных конструкций. Для удаления частиц из потока могут применяться гравитационные, инерционные, диффузионные, электростатические и другие воздействия.

Во второй группе для извлечения примесей из газа используются физико-химические методы. В зависимости от физико-химических свойств загрязняющих веществ и от условий, при которых осуществляется их отделение, наиболее часто используются процессы абсорбции, адсорбции, окисления и восстановления, а также каталитические (обычно гетерогенные) химические реакции.

Как правило, пылеулавливающие аппараты (сепараторы) подразделяются на четыре группы:

1. сухие или механические пылеуловители, в которых частицы пыли отделяются от газа с помощью механической силы; чаще используются в качестве первой ступени перед более эффективными устройствами;

2. мокрые, в которых частицы пыли отделяются от газа с помощью промывки той или иной жидкостью, чаще водой; существует большое разнообразие таких устройств по конструкции и принципам действия;

3. фильтры, которые задерживают пыль при пропускании через них очищаемого газа (применяются тканевые, волокнистые, воздушные, зернистые и другие фильтры);

4. электрофильтры, в которых отделение частиц из газового потока осуществляется под действием электрических сил; пригодны для сухой и мокрой очистки и обеспечивают для мелкодисперсных сред наибольшую ее эффективность.

Для очистки выбросов от аэрозолей в настоящее время применяют различные типы устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки.

Сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры) предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы – оседание частиц под действием центробежных сил и сил тяжести. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок (рис.15.1), далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда периодически удаляются.

Рис.15.1. Схема устройства циклона: 1 корпус; 2 входной патрубок; 3 выхлопная труба; 4 сборник пыли

Для повышения эффективности работы применяют групповые (батарейные) циклоны.

Мокрые пылеуловители (скрубберы, турбулентные, газопромыватели и др.) требуют подачи воды и работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель под действием сил инерции и броуновского движения. Наибольшее практическое применение получили скрубберы Вентури (рис.15.2.), которые обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм и, как все мокрые пылеуловители, незаменимы при очистке от пыли взрывоопасных и горячих газов.

Рис.15.2. Схема устройства скруббера Вентури: 1 труба Вентури; 2 скруббер-каплеуловитель

Фильтры (тканевые, зернистые) способны задерживать мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. Особенно эффективны рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250–300 ºС) типа "сульфон-Т", фильтровальные металлические ткани (до 800 ºС), а также фильтры из тканей типа ФПП и ФПА, дающие высокую степень очистки.

Электрофильтры – наиболее совершенный способ очистки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0–99,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности коронирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли (рис.15.3.). Электроды требуют большого расхода электроэнергии – это их основной недостаток.

Рис.15.3. Схема устройства трехпольного электрофильтра: 1 - корпус; 2 - электрод осадительный; 3 - электрод коронирующий; 4 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 - механизм встряхивания осадительных электродов; 6 - газораспределительная решетка; 7 - сборник пыли; 8 – изолятор.

Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах. (Защита окружающей среды..., 1993).

Естественно, что газообразное вещество—загрязнитель из общего газового потока с помощью сепараторов выделить, как правило, невозможно. В этом случае используются физико-химические методы.

Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NO2, SO2 и др.) подразделяют на три основные группы: 1) поглощение примесей путем применения каталитического превращения; 2) промывка выбросов растворителями примеси (абсорбционный метод) и 3) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикропористой структурой (адсорбционный метод).

С помощью каталитического метода токсичные компоненты промышленных выбросов превращают в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Широко применяют палладийсодержащие и ванадиевые катализаторы. С их помощью происходит каталитическое досжигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида. Возможно также восстановление оксидов азота аммиаком до элементарного азота. Одна из разновидностей этого метода – дожигание вредных примесей с помощью газовых горелок (факельное сжигание), широко используется на нефтеперерабатывающих заводах.

Абсорбционный метод основан на поглощении вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом). В качестве абсорбента используют воду, растворы щелочей (соды), аммиака и др. Газообразные цианистые соединения абсорбируют, например, 5%-ным раствором железного купороса. Устройство, в котором осуществляют процесс абсорбции, называют абсорбером.

Абсорбционный метод основан на подборе такой жидкости, при прохождении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем — это физическая абсорбция. Например, физическая абсорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. В тех случаях, когда абсорбенты вступают в химические реакции с очищаемым газом, например, при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью водных растворов слабых оснований - аммиака, анилина, ксилидина, происходит процесс так называемой химической абсорбции.

Для поглощения загрязняющих веществ из промышленных выбросов применяется разнообразное абсорбционное оборудование: безнасадочные распылительные абсорбенты, абсорбционные колонны с насадкой, пенные абсорбенты, абсорбенты с плавающей насадкой.

В качестве насадок чаще всего используются кольца Рашига, башни с колпачковыми тарелками. В некоторых случаях в качестве абсорбента применяются определенного типа скрубберы, например, мокрые центробежные.

Адсорбция — это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного и жидкого вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит никаких химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции, когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений.

При физической адсорбции адсорбированное вещество можно полностью удалить при обратном процессе (десорбции), например, понизив давление или увеличив температуру. Адсорбент можно применять повторно в циклическом процессе, а отделенное вещество подвергается дальнейшей обработке или используется непосредственно по назначению. Поэтому процесс физической адсорбции, как правило, включает в себя три последовательных этапа: контактирование газа с адсорбентом, десорбцию и улавливание после регенерации. Метод физической адсорбции находит применение прежде всего там, где в процессе производственного цикла теряются с выбросами ценные продукты, например, растворители. Чаще всего в качестве адсорбентов применяются активированный уголь, силикагель, глинозем, бентонит, окись алюминия и др.

Хемосорбированное вещество вернуть в газовую форму ни повышением температуры, ни снижением давления невозможно, процесс необратим. Поскольку процессы хемосорбции идут только в тонких поверхностных слоях адсорбента, то для повышения эффективности процесса активную поверхность хемосорбента увеличивают за счет нанесения его тонкими слоями на поверхности инертного тонкодисперсного носителя.

Адсорбционное оборудование может быть весьма разнообразным в зависимости от условий эксплуатации. В простейшем случае адсорбер выполняется в виде цилиндра с сеткой на дне. На сетку насыпается слой адсорбента, через который прогоняется очищаемый газ. По мере эксплуатации адсорбера происходит постепенное послойное насыщение адсорбента с полной потерей адсорбционной способности при насыщении всего слоя, т.е. необходима замена адсорбента на свежий. Эффективность адсорбционного метода очистки может достигать 100%.

Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов – твердых тел с ультрамикропористой структурой (активированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, сланцевая зола и другие вещества). Например, на АЭС широко применяется метод очистки технологических газов путем сорбции радиоактивных продуктов на угольных фильтрах – адсорбентах, которые позволяют надежно предотвратить загрязнение атмосферы при всех режимах работы АЭС ("Защита окружающей среды..., 1993).

Иногда загрязняющие вещества промышленных выбросов можно трансформировать с переводом в безвредное состояние с помощью реакций окисления или восстановления. Обычно при нормальных условиях реакции окисления или восстановления идут очень медленно. Поэтому для ускорения процессов либо повышаются давление или температура, либо используются процессы катализа. При этом получаемые продукты являются либо конечными, либо промежуточными и пригодными для дальнейшей переработки или становятся почти полностью удаляемыми с помощью других известных методов. В частности, с помощью катализатора диоксид серы превращают в триоксид, который удаляется затем в процессе адсорбции.

В принципе каталитическое окисление (сжигание) экономически оправдывает себя при необходимости очистки смесей, когда они либо не горючи, либо процесс горения возможен при предварительном нагреве смеси до высокой температуры (до 800°С). Применение катализаторов обеспечивает быстрое и практическое полное протекание химических процессов при низких температурах. Например, полнота прохождения химических реакций с использованием современных катализаторов достигает 90% при температуре ЗООºС и 99% - при 350-400º'С.

Каталитические методы очистки промышленных отходящих газов применяются в производстве акрилатов, лаков, красок, синтетического каучука и др. В последние годы во всем мире ведутся работы по созданию устройств на основе применения катализаторов для нейтрализации и дожигания выхлопных газов автомобилей. Каталитическое дожигание также может быть полезно при удалении запахов некоторых органических соединений в промышленных выбросах.

Катализаторы представляют собой либо металлы, либо соединения, нанесенные на инертную подложку. Чаще всего применяются платина, палладий или другие металлы платиновой группы, а также железо, никель, ванадий, медь, молибден и их сплавы.

Оборудование для каталитического окисления также достаточно разнообразно, тем не менее включая в себя три основных узла: камеру сгорания, она же смеситель, реактор, где происходят химические реакции, и теплообменник для отвода выделяемого тепла.

Рассеивание газовых примесей в атмосфере используют для снижения опасных концентраций примесей до уровня соответствующего ПДК. Как показывает опыт, в приземном слое атмосферы вблизи крупных энергетических установок (ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС) и других предприятий концентрация вредных веществ в отходящих газах может превышать предельно допустимые нормы, несмотря на все применяемые меры по очистке газов и экологизацию технологических процессов.

Рассеивание пылегазовых выбросов осуществляют с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. На ряде предприятий высота дымовых труб достигает более 300 м. Так, на медно-никелевом комбинате в г. Садбери (Канада) высота трубы 407 м. Значительную высоту (не менее 100 м) имеют вентиляционные (выбросные) трубы на АЭС для рассеивания радиоактивных выбросов. Следует признать, что рассеивание газовых примесей в атмосфере – это далеко не самое лучшее решение проблемы, связанной с загрязнением воздушного бассейна. По мнению А. Гора (1993), "применение высоких дымовых труб, хотя и помогло уменьшить локальное дымовое загрязнение, осложнило в то же время региональные проблемы выпадения кислотных дождей. Чем выше от поверхности земли происходит выброс загрязняющих газов, тем дальше от своего источника они распространяются. То, что было когда-то дымной мглой над Питтсбургом, становилось кислотным снегопадом в Лабрадоре. Примеси, досаждающие лондонцам в виде смога, губят листву в лесах Скандинавии". Рассеивание вредных веществ в атмосфере – это временное, вынужденное мероприятие, которое осуществляется вследствие того, что существующие очистные устройства не обеспечивают полной очистки выбросов от вредных веществ.

Поиск по сайту: