Основные физико-химические принципы, технологические процессы и оборудование, ограничивающие загрязнение ОПС паро- и газообразными отходами.

Основные способы снижения загрязнения ОПС газообразными отходами (в т. ч. аэрозолями).

 

 

Абсорбционная газоочистка.

Абсорбцияпредставляет собой физико-химический процесс поглощения одного или несколько компонентов из газовой смеси твёрдыми или жидкими поглотителями при условии, что процесс протекает в объёме поглотителя. При этом поглощаемое вещество называется абсорбатом, а поглотитель – абсорбентом. Поскольку объёмное поглощение характерно прежде всего для жидких поглотителей, в газоочистной технике термин „абсорбция“ применяется только для мокрых методов очистки.

Основным критерием процесса абсорбции служит растворимость абсорбата в жидкости (абсорбенте), которая зависит от свойств жидкости, температуры и парциального давления абсорбируемого компонента.

Зависимость растворимости газообразного компонента смеси от его парциального давления характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное парциальное давление этого компонента пропорционально его содержанию в абсорбенте. Закон Генри соблюдается достаточно точно лишь при относительно невысоких концентрациях растворов, что обычно имеет место в процессах санитарно-экологической газоочистки.

Так как абсорбция представляет собой массообменный процесс, протекающий на границе раздела фаз «газ-жидкость», необходимо рассматривать характер возможных поверхностей раздела этих фаз, в зависимости от которого абсорбция делится на следующие типы:

– поверхностная (плёночная) – поверхность раздела фаз представляет собой зеркало жидкости или поверхность текущей плёнки жидкости;

– барботажная – поверхность раздела фаз образуется во время прохождения газовых струй через слой жидкости;

– капельная – поверхность раздела фаз формируется при распылении (в виде капель) в потоке газа.

По степени применимости в газоочистной практике на первом месте стоит капельная абсорбция, на втором – барботажная, на третьем – поверхностная.

Одновременно с чисто физическим процессом растворения газа в жидкости при абсорбции могут протекать химические реакции. При этом возрастает градиент концентраций участников процесса у поверхности раздела фаз и соответственно увеличивается скорость поглощения газа, которая также возрастает при увеличении скорости химической реакции.

Примеры абсорбционной газоочистки:

Очистка газовых выбросов от диоксида серы (SO₂) известняковым способом.

Процесс очистки осуществляется путём контактирования газовой смеси, содержащей диоксид серы, с суспензией известняка (CaCO₃) в воде. При этом протекают следующие реакции

SO₂ + H₂O = H₂SO₃

CaCO₃ + H₂SO₃ = CaSO₃ + CO₂ + H₂O

2CaSO₃ +O₂ = 2CaSO₄↓

Образующийся в результате описанного процесса шлам может перерабатываться в гипс, который широко используется в народном хозяйстве.

Кроме этого способа газоочистки от SO₂ существуют и другие (аммиачный, содовый и т.п.).

Очистка газовых выбросов от оксидов азота (NO_X) щелочными методами.

Абсорбция оксидов азота водными растворами сильных щелочей сопровождается образованием нитритов соответствующих металлов по реакции

2NaOH + N₂O₃ = 2NaNO₂ + H₂O

Нитриты после выделения из раствора могут быть использованы в различных химико-технологических процессах или после окисления до нитратов в качестве удобрения в сельскохозяйственном производстве.

Очистка газовых выбросов от хлора.

В качестве абсорбента в данном процессе используется гидрооксид кальция в виде водной суспензии, при этом протекает следующая реакция

6Ca(OH)₂ + 6Cl₂ = 5CaCl₂ + Ca(ClO₃)₂ + 6H₂O

Образующийся при этом гипохлорит кальция может использоваться в качестве обеззараживающего вещества, например, в санитарно-гигиенических целях.

Технологии абсорбционной газоочистки разработаны для большинства вредных веществ, содержащихся в газовых выбросах промышленных предприятий.

Адсорбционная газоочистка.

Адсорбция – процесс поглощения молекул газов, паров или растворённых в жидкостях веществ поверхностью твёрдых поглотителей (адсорбентов).

Поглощаемое вещество в этом процессе называется адсорбатом, а поглотитель – адсорбентом.

Адсорбция также может быть физической и химической. При физической адсорбции поглощаемые молекулы газов и паров удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). При химической адсорбции (хемосорбция) то же происходит за счёт ковалентных связей между атомами адсорбата и адсорбента.

В качестве адсорбентов используются пористые вещества с развитой внутренней поверхностью, характеризующейся параметром – удельная поверхность(S_уд, м²/г). В санитарно-экологической практике наибольшее распространение получили такие адсорбенты, как силикагель, алюмосиликаты, активированный уголь, цеолиты и др., удельная поверхность которых колеблется в диапазоне 100 – 1500 м²/г.

Важную роль в процессах адсорбционной газоочистки играет способ контактирования газовой смеси с адсорбентом или иначе - режим работы адсорбента. Наиболее распространёнными режимами работы адсорбента являются следующие:

– фильтрующий режим – адсорбент располагается в аппарате в виде неподвижного мелкозернистого слоя, через который сверху вниз пропускается очищаемая газовая смесь;

– псевдоожиженный режим (режим кипящего слоя) – мелкозернистый адсорбент находится в восходящем потоке очищаемой газовой смеси;

– взвешенный режим – пылевидный адсорбент непрерывно дозируется в поток очищаемой газовой смеси.

Адсорбент, насыщенный поглощаемым компонентом, может подвергаться десорбции,приэтом последний выделяется в концентрированном виде и может быть использован в народном хозяйстве.

Для вышерассмотренных сорбционных процессов одним из важнейших параметров является температура их осуществления. При прочих равных условиях эффективность сорбционной газоочистки повышается с понижением температуры, поэтому применяются эти способы преимущественно для очистки „холодных” выбросов в атмосферу (t ≈ 15 ÷ 30⁰C).

Каталитическая газоочистка.

Суть каталитических процессов газоочистки заключается в осуществлении химических реакций, приводящих к обезвреживанию или конверсии примесей в другие продукты, в присутствии катализаторов.

Катализаторы не вызывают изменения энергетических уровней молекул взаимодействующих веществ и смещения равновесия химических реакций. Их роль сводится к увеличению скорости реакций.

По окончании элементарного акта катализа катализаторы не изменяют свой состав и не расходуются, т. е. остаются неизменными по составу и количеству.

В природоохранной практике преимущественно используется гетерогенный катализ, когда каталитические реакции происходят на границе раздела фаз очищаемой газовой смеси и твёрдого катализатора. При этом на катализаторе образуются активированные комплексы в виде промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ, способствующие протеканию целевой реакции с большей скоростью. Активированные комплексы разлагаются на целевой продукт реакции и исходный катализатор. Затем эти стадии, вновь и вновь чередуясь, повторяются.

Схематически катализ можно представить следующим образом

А + В + Кt → Кt[AB]

 

Kt[AB] → C + Kt

 

где: А,В- реагирующие вещества;

Кt- катализатор;

Кt[AB]- активированный комплекс;

С- целевой продукт каталитической реакции.

Для повышения эффективности каталитического процесса необходимо обеспечить большую площадь контакта реагирующих веществ с катализатором, что достигается распределением его активного компонента на инертном материале (носитель) с высокоразвитой пористой внутренней поверхностью.

В качестве катализаторов широко используются вещества: платина (Pt); триоксид железа (Fe₂O₃); пентоксид ванадия (V₂O₅); диоксид марганца (MnO₂); палладий (Pd) и др.

Наиболее распространёнными носителями являются силикагель, оксиды алюминия, алюмосиликат, кизельгур, диатомит и др.

Примеры каталитической газоочистки.

Аммиачно-каталитический метод очистки отходящих газов от оксидов азота.

Накатализаторе марки АВК-10 (V₂O₅ на γ-Al₂O₃) при подаче аммиака (NH₃) в газовый поток с температурой 180-360 ⁰С происходят реакции

6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O

В результате осуществленияданных реакций образуются нетоксичные вещества.

Каталитическая очистка газовых выбросов от диоксида серы.

На ванадиевом катализаторе одной из марок (БАВ, СВД, КС и др.) в газовой смеси, содержащей диоксид серы и кислород, при температуре ~400 ⁰С протекает реакция

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃

Образующийся триоксид серы легко поглощается водой с образованием серной кислоты, которая может использоваться в народном хозяйстве.

Каталитическая очистка газовых выбросов от монооксида углерода (СО).

Каталитическое окисление монооксида углерода кислородом воздуха до диоксида углерода (СО₂) является наиболее рациональным способом обезвреживания газовых выбросов в атмосферу от этого компонента. Для этой цели используются марганцевые, медь-хромовые и содержащие металлы платиновой группы катализаторы. Процесс протекает при повышенной температуре (~300 ^оС) по реакции

2СО + О₂ = 2СО₂

Наибольшее применение в газоочистной практике обезвреживания монооксида углерода нашли платиновые и палладиевые катализаторы.

Термическое обезвреживание газовых выбросов.

Физико-химическая суть термических способов обезвреживания газовых выбросов заключается в высокотемпературном окислении вредных компонентов кислородом, содержащимся в этих выбросах, с образованием нетоксичных или менее токсичных (по сравнению с исходной смесью) веществ. Температура при этом поддерживается в диапазоне 800 – 1100 ^оС.

Применяются эти способы как при обезвреживании газопарообразных компонентов, так и дисперсной фазы аэрозолей. Токсическими компонентами при этом, как правило, являются горючие вещества. Технологический процесс газоочистки может протекать без добавления топлива, если концентрация обезвреживаемого компонента равна или превышает нижний концентрационный предел распространения пламени; в противном случае добавляется природный газ, мазут или другое топливо.

Термическая газоочистка осуществляется в несложных топочных устройствах, причём иногда используются топки обычных отопительных или энергетических котельных установок, имеющихся на предприятиях.

При термическом обезвреживании отходящих газов могут образовываться новые токсические вещества (СО, SO₂, NO_X, Cl₂ и др.), поэтому предварительно необходимо оценить параметр суммарной токсичности выбросов до и после обезвреживания по формуле

_Zі

Ф = ∑ k_і—

^і ПДК _і

где: k_і – коэффициент, характеризующий степень взаимодействия і-го компонента с другими веществами обезвреживаемой смеси;

_Zі – концентрация i-го компонента, мг/м³;

ПДК_i – максимально разовая предельно допустимая концентрация i-го компонента в атмосферном воздухе населённых мест, мг/м³.

Степень обезвреживания отходящих газов при этом рассчитывается по формуле

Ф₂

η = 1 − ───

Ф₁

где: Ф₁, Ф₂ - параметры суммарной токсичности выбросов соответственно до и после очистки.