Методы термической очистки выбросов. Устройство и принцип работы каталитического реактора.

 

Методы термической нейтрализации вредных примесей во многих случаях имеют преимущества перед методами адсорбции и абсорбции. Отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты очистных установок, простота их обслуживания, а в ряде случаев и пожарная автоматизация их работы, высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание. Прямое сжигание в пламени и термическое окисление осуществляют при температурах 600 – 800 °С; каталитическое сжигание – при 250 – 450 °С. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом и предельно допустимыми нормами выброса загрязняющих веществ.

Каталитический методиспользуют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом. Катализатор, взаимодействуя с одним из реагирующих соединений, образует промежуточное вещество, которое распадается с образованием продукта регенерированного катализатора.

Каталитическое окисление отличается от термического кратковременностью протекания процесса (иногда достаточно нескольких долей секунды), что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, температура, необходимая для осуществления реакции органических газов и паров с кислородом, снижена (до 300°С) по сравнению с термическим окислением. Объемную скорость определяют как отношение расхода обрабатываемого газа (м³/ч), приведенного к нормальным условиям, к объему катализаторной массы (м³).

Основными критериями выбора катализаторов являются их активность и долговечность. Об активности катализатора судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по объемной скорости каталитического процесса, при которых обеспечивается требуемая степень обезвреживания обрабатываемого газа.

Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Каталитический слой должен создавать умеренно низкий перепад давления, обеспечивать структурную целесообразность и долговечность катализатора. В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы (платина, палладий и другие благородные металлы) или их соединения (оксиды меди, марганца и т. п.). Катализаторная масса обычно выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, оксида алюминия с нанесенными на их поверхность (сотые доли % к массе катализатора) благородных металлов.

Различают два конструктивных варианта газоочистных каталитических устройств:

· реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе;

· реакторы термокаталитические – аппараты, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель.

Наиболее многочисленную группу аппаратов каталитического обезвреживания органических соединений и оксида углерода представляют термокаталитические реакторы очистки газов, в которых рекуператор теплоты, подогреватель и контактный узел размещены в одном корпусе. На рис. 9.3 приведен каталитический реактор, предназначенный для окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски.

Рис. 9.3. Каталитический реактор: 1 – теплообменник-рекуператор; 2 – контактное устройство; 3 – катализатор; 4 – подогреватель; 5 – горелка природного газа

 

Воздух, содержащий примеси толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника-рекуператора, откуда по переходным каналам поступает в подогреватель. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелке, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250 – 350 °С, т. е. до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора, размещенного в контактном устройстве. В качестве катализатора применена природная марганцевая руда (пиромзит) в виде гранул размером 2 – 5 мм. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: диоксид углерода и водяные пары. Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350 – 450 °С направляется в рекуператор, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на очистку, и затем через выходной патрубок выводится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 0,95 – 0,98 при расходе вспомогательного топлива (природного газа) 3,5 – 4,0 м³ на 1000 м³ очищаемого воздуха. Гидравлическое сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800 – 900 м³/ч) не превышает 150 – 180 Па. Скорость процесса находится в пределах от 8000 до 10000 объемов на объем катализаторной массы в 1 ч.

Каталитические методы очистки применяют и для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.