Химические методы очистки отходящих газов

стр. из 15

 

 

Введение

 

Тема реферата «Химические  методы очистки отходящих газов» по дисциплине «Технология очистки  и утилизации газовых выбросов».

В связи с повышением требований к экологической чистоте  производств все больше внимания уделяется развитию химических методов очистки отходящих газовых потоков. Эти методы сами по себе или в совокупности с основанными на других принципа технологии обеспечивают эффективную очистку выбрасываемы) в атмосферу газообразных продуктов, надежность всего производства, снижение энергозатрат и себестоимости.

Устранение нежелательных  компонентов в газах с использованием химических методов означает, что  в основе процесса лежит химическая реакция и ее роль является преобладающей  по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными выше физико-химическими методами. Например, метод очистки газа от SO₂ с использованием извести или известкового молока не приводится здесь в качестве химического, поскольку определяющей операцией является абсорбция на стадии скруббирования. Из этого примера видно, что определение, данное «химическому» методу очистки, неоднозначно и вводится для удобства изложения и необходимости классификации.

Абсорбционный метод  реализует процессы, происходящие между  молекулами газов и жидкостей. Если отсутствует взаимодействие между распыливающейся жидкостью и орошаемым газом, то эффективность поглощения компонентов из паровоздушной смеси определяется только равновесием пар-жидкость.

Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким  содержанием газообразных и парообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов они позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах.

Различают физическую и  химическую адсорбцию (хемосорбцию). 

1. Окислительные методы

 

1.1 Особенность применения химических методов очистки отходящих газов

 

Устранение нежелательных  компонентов в газах с использованием химических методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция и ее роль является преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными выше физико-химическими методами. Например, метод очистки газа от SO₂ с использованием извести или известкового молока не приводится здесь в качестве химического, поскольку определяющей операцией является абсорбция на стадии скруббирования. Из этого примера видно, что определение, данное «химическому» методу очистки, неоднозначно и вводится для удобства изложения и необходимости классификации.

Вследствие разнообразия топок, котельных и других аналогичных устройств сфера приложения описываемых методов контроля чистоты выбросов очень широка. Специалист в данной области имеет возможность выбрать наиболее оптимальный вариант или найти способы улучшения уже функционирующих конструкций. Общий интерес представляет применимость отдельных методов к конкретным типам загрязняющих выбросов, их универсальность, экономичность, перспектива усовершенствования, увеличение производительности и возможные недостатки.

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствий: которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).

Трудно провести границу  между адсорбционными и каталитическими  методами газоочистки, так как такие  традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах–катализаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выхлопных газов весьма перспективен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и возможности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0,1—0,2 в объемных долях SO₂). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах.

 

 

1.2 Адсорбционно-каталитические методы

 

Адсорбционно-каталитические методы применяют для очистки промышленных выбросов от диоксида серы, сероводорода и серо-органических соединений. Катализатором окисления диоксида серы в триоксид и сероводорода в серу служат модифицированный добавками активированный уголь и другие углеродные сорбенты. В присутствии паров воды на поверхности угля в результате окисления SO₂ образуется серная кислота, концентрация которой в адсорбенте составляет в зависимости от количества водяного пара при регенерации угля от 15 до 70%.

Схема каталитического  окисления H₂S во взвешенном слое высокопрочного активного угля приведена на рис. 8. Окисление H₂S происходит по реакции 

H₂S + 1/2 О₂ = Н₂О + S

 

Активаторами этой каталитической реакции служат водяной пар и  аммиак, добавляемый к очищаемому газу в количестве ~0,2г/м³. Активность катализатора снижается по мере заполнения его пор серой и когда масса S достигает 70—80% от массы угля, катализатор регенерируют промывкой раствором (NH₄)₂S. Промывной раствор полисульфида аммония разлагают острым паром с получением жидкой серы.

Представляет большой  интерес очистка дымовых газов  ТЭЦ или других отходящих газов, содержащих SO₂ (концентрацией 1-2% SO₂), во взвешенном слое высокопрочного активного угля с получением в качестве товарного продукта серной кислоты и серы.

Другим примером адсорбционно-каталитического метода может служить очистка газов от сероводорода окислением на активном угле или на цеолитах во взвешенном слое адсорбента-катализатора.

 

Рис. 1. Схема каталитической очистки газа от сероводорода во взвешенном слое активного угля: 1 – циклон-пылеуловитель; 2 – реактор со взвешенным слоем; 3 – бункер с питателем;4 – сушильная камера;5 – элеватор; 6 – реактор промывки катализатора (шнек); 7 – реактор экстракции серы (шнек-растворитель); I – газ на очистку; II – воздух с добавкой NH₃; III – раствор (NH₄)₂S_n на регенерацию; IV – раствор (NH₄)₂S; V – регенерированный уголь; VI – свежий активный уголь; VII – очищенный газ; VIII – промывные воды

 

 

1.3 Каталитическое окисление токсичных органических соединений и оксида углерода

 

Широко распространен способ каталитического окисления токсичных органических соединений и оксида углерода в составе отходящих газов с применением активных катализаторов, не требующих высокой температуры зажигания, например металлов группы платины, нанесенных на носители.

В промышленности применяют  также каталитическое восстановление и гидрирование токсичных примесей в выхлопных газах. На селективных  катализаторах гидрируют СО до CH₄ и Н₂О, оксиды азота — до N₂ и Н₂О. Применяют восстановление оксидов азота в элементарный азот на палладиевом или платиновом катализаторах.

Каталитические методы получают все большее распространение  благодаря глубокой очистке газов  от токсичных примесей (до 99,9%) при  сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также  при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Недостаток многих процессов каталитической очистки — образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.

 

 

1.4 Термические методы обезвреживания газовых выбросов

 

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший метод — факельное сжигание — возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса 750—900 °С и теплоту горения примесей можно утилизировать.

Когда концентрация горючих  примесей меньше нижнего предела  воспламенения, то необходимо подводить  некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Такие энерготехнологические схемы применяют при достаточно высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа.

Для полноценной очистки  газовых выбросов целесообразны  комбинированные методы, в которых  применяется оптимальное для  каждого конкретного случая сочетание  грубой, средней и тонкой очистки  газов и паров. На первых стадиях, когда содержание токсичной примеси велико, более подходят абсорбционные методы, а для доочистки — адсорбционные или каталитические.

 

2. Очистка газов от оксида азота

 

2.1 Введение  аммиака 

газ химический очистка токсичный

Методы очистки газов от NO_X являются наиболее удачным примером применения химических методов для обеспечения экологической чистоты промышленных выбросов. Особо отмечены два метода: некаталитическое гомогенное восстановление NO_X добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NH₃.

 

Основы методов

Метод основан на восстановлении NO до N₂ и Н₂О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя — аммиака (NH₃) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота. Процесс описывается следующими брутто-уравнениями :

 

NO + NH₃ + ј0₂ → N₂ + ³/₂Н₂0;

NH₃ + ⁵/₄0₂ + NO + ³/₂Н₂0.

 

Первая реакция преобладает  при температуре газового потока в интервале 880—1000 °С. Начиная с 1100°С вклад реакции становится существенным и наблюдается нежелательное образование NO . Таким образом, процесс восстановления очень чувствителен к температуре и наиболее эффективен в достаточно узком температурном интервале 970 ± 50 °С. Экспериментальные данные наглядно демонстрируют связь селективности процесса с изменением температуры . Добавка водорода снижает нижний температурный предел, и таким образом значительно расширяется допустимый температурный интервал. При мольном отношении Н₂ : NH₃ = 2:1 восстановление оксидов азота происходит достаточно быстро при температуре около 700 °С.

Очистку газов от оксидов  азота описываемым способом можно  применять в широком масштабе в различных стационарных сжигающих  устройствах, например в городских  и промышленных котельных и при  очистке газов металлургических производств (доменные печи, вагранки). Метод прошел успешную проверку на ряде котельных и промышленных топок в Японии и при очистке газов парогенераторов в США, предназначенных для повышения нефтеотдачи пластов. В Калифорнии наряде устройств подтверждена эффективность очистки отходящих газов с точки зрения допустимой чистоты выброса в соответствии с экологическими требованиями. До настоящего времени метод, однако, не опробован для очистки дымов топок, работающих на угле.

 

Факторы определяющие степень восстановления оксидов азота

Степень восстановления оксидов азота определяется следующими факторами:

1. Тип топки, характеристики  топлива.

2. Время пребывания  газовой смеси в области оптимальной  температуры в процессе движения  потока.

3. Распределение температуры  в топке.

4. Отношение NН₃/NО_х и концентрация NO_X.

5. Перемешивание в  потоке.

С практической точки  зрения наиболее важно установить место  ввода аммиака в газовый поток, чтобы обеспечить максимально быстрое  смешивание аммиака (и в случае необходимости Н₂) в оптимальном температурном интервале, совпадающем со стационарным режимом топки. Для этого необходимо иметь профиль распределения температуры по потоку при различных мощностях загрузки топлива. Обычно при правильном выборе температурной области для протекания реакции достаточно 0,2— 0,3; при содержании оксидов азота в количестве не выше 200 млн^-1 используется отношение NH₃ : NO* = 1,5. При дальнейшем увеличении количества NO_х это отношение уменьшается до 1,0. Эффективность восстановления возрастает с уменьшением количества кислорода в газовом потоке, однако лишь до определенного уровня в соответствии с уравнением брутто-реакции . Следует отметить, что это согласуется с практикой, когда для уменьшения образования оксидов поддерживают небольшой избыток воздуха.

Поскольку данный метод  очистки топочных газов находится  в стадии развития, необходимо отметить ряд недостатков, нерешенных вопросов и факторов, позволяющих в будущем  его усовершенствовать.

1. Необходимо очень  точно устанавливать место ввода аммиака в топочный газ, поскольку процесс восстановления NO аммиаком эффективно протекает в узком температурном интервале.

2. Строгие требования  к процессу восстановления и  зависимость температуры потока  от загрузки топлива и его  калорийности могут ограничивать мощность сжигающего устройства.

3. Выброс в атмосферу  аммиака (обычно не выше 50 млн^-1) и других побочных продуктов.

4. При сжигании высокосернистых  нефтей или углей теплообменник  котла может забиваться бисульфатом  аммония.

5. Стоимость очистки может превысить затраты на, усовершенствование сжигающего устройства.

Большинство указанных  недостатков, как было показано экспериментально, может быть устранено путем многофорсуночного  ввода аммиака при повышении  загрузки топки топливом, путем промывки дымоходов водой и отдува сажи воздухом для предотвращения закупорки газовых магистралей.