Высокотемпературное обезвреживание газов

Термический метод обезвреживания получил более широкое распространение, так как некоторые вредные примеси трудно или невозможно полностью нейтрализовать другими методами из-за сложности их состава, низкой концентрации, а также из-за отсутствия эффективных средств улавливания. Он заключается в том, что все органические вещества полностью окисляются кислородом воздуха при высокой температуре до нетоксичных соединений. В результате выделяются минеральные продукты, вода, диоксид углерода, а также теплота, которые требуют дальнейшей их утилизации.

Метод термического окисления (дожита) органических веществ, содержащихся в отходящих газах, относится к энергоемким. Для поддержания необходимой температуры обезвреживания отходящих газов (800— 1200°С) используется высококалорийное топливо, поэтому преимущественно этот способ применяется для обезвреживания газов сложного состава и в тех случаях, когда возврат уловленных примесей в производство экономически нерентабелен.

Наиболее экономичным приемом термического обезвреживания газов из выбросов является их использование вместо дутьевого воздуха при сжигании высококалорийного топлива (природного газа, мазута) в действующих тепловых агрегатах, таких как печи, сушилки, топки и т. д. Для обеспечения надежного и качественного горения минимальное содержание кислорода в газовых выбросах должно быть около 17%.

К преимуществам термического метода обезвреживания отходящих газов относятся отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты установок, простота обслуживания, высокая эффективность, возможность обезвреживания горючих выбросов сложного состава.

В настоящее время метод дожита углеводородов получает все большее распространение. Накоплен опыт термического обезвреживания воздуха, содержащего примеси стирола, формальдегида, толуола, бутилацетата и других органических веществ.

Установки прямого сжигания представляют собой камеру, в которую по самостоятельным каналам подается топливо, очищаемый газ и воздух. Для полного окисления горючих компонентов необходимо тщательное перемешивание смеси. С целью снижения затрат отходящие газы чаще всего сжигаются совместно с твердыми отходами. В результате упрощается проблема утилизации промышленных отходов в целом, а также резко снижаются энергетические и эксплуатационные затраты. С помощью современных установок термодожига можно обеспечить полную безвредность и высокую производительность этого процесса.

Одним из таких устройств является установка типа «Вихрь» для бездымного сжигания нефтепродуктов, подлежащих вторичному использованию. В этой установке совмещены функции обезвреживания газов и сжигания отходов. Поступающий в установку шлам первоначально автоматически обезвоживается, а затем направляется в топочную камеру, где сжигается в ускоренном режиме при температуре порядка 1000 °C и подаче строго рассчитанного количества сжатого воздуха. Такие жесткие условия процесса способствуют тому, что побочные реакции окисления, ведущие к образованию тяжелых смолистых продуктов, оседающих плотными трудновыгораемыми наслоениями, отсутствуют. Процесс обеспечивает полное окисление продуктов, бездымность горения, отсутствие запахов и требуемую степень обезвреживания отходящих газов. По простоте конструкции, надежности в работе, высокому КПД и возможности подключения теплообменников для утилизации тепла установка «Вихрь» значительно превосходит другие агрегаты аналогичного назначения.

Недостаток метода — необходимость высоких температур, что приводит к повышенным энергозатратам.

С целью снижения температуры обезвреживания органических примесей применяют установки сжигания, где в качестве инициатора окисления используются различные катализаторы. Тем самым достигается снижение температуры обезвреживания более чем в два раза и обеспечивается возможность нейтрализации газов с низким содержанием вредных примесей.

Особенность установки термокаталитического обезвреживания состоит в том, что затраты энергии необходимы только в момент пуска, т. е. когда требуется подогреть газовый поток до начальной температуры каталитического окисления (300—400°С). Затем процесс протекает самопроизвольно за счет теплоты реакции окисления.

Термокаталитическое дожигание органических веществ до диоксида углерода и воды применяют в тех случаях, когда отходящие газы представляют собой многокомпонентную смесь различных органических веществ. В настоящее время разработаны типовые схемы обезвреживания выбросов от сушильных камер путем сжигания паров растворителей на поверхности катализатора. Внедрение схем, предусматривающих последующую утилизацию теплоты, позволяет достичь сокращения расхода теплоносителей не менее чем на 20% (при сжигании паров с низким содержанием горючего компонента).

Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Их преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов.

Газовые выбросы, содержащие горючие компоненты, сильно различаются для различных промышленных источников как по номенклатуре подлежащих устранению компонентов, так и по числу последних, а также по теплоте сгорания и объемам, составляющим от десятков до сотен тысяч г/ч. Способы газоочистки, основанные на высокотемпературном сжигании горючих примесей, широко используют в лакокрасочных производствах, процессах получения ряда видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, типографском деле, при обезжиривании и окраске деталей и изделий и во многих других процессах.

Суть этих способов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в обычных или усовершенствованных топочных устройствах, в промышленных печах и топках котельных агрегатов, а также в открытых факелах.

В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо. Прямое сжигание газообразных отходов с использованием дополнительного топлива считают целесообразным в случаях, когда обезвреживаемые компоненты газовых выбросов могут обеспечить не менее 50% общего тепловыделения. Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания прежде всего с целью сокращения этих затрат.

Для определения расхода дополнительного топлива g_T (в кг/с) можно использовать уравнение.

где g_B — расход воздуха (обезвреживаемого газа), кг/с; #_т, Я_н — теплота сгорания соответственно топлива и нейтрализуемой смеси, кДж/кг; с' — концентрация горючих примесей, кг/кг; с_р — теплоемкость воздуха (приравниваемая к теплоемкости газов), кДжДкг — К); t — температура воздуха (обезвреживаемого газа) на входе в регенератор, °С; ?₃ — температура нейтрализации, °С; % — степень регенерации, определяемая выражением.

где t2 — температура подогретого в регенераторе воздуха (обезвреживаемого газа), °С.

Степень нейтрализации обезвреженных газовых выбросов может быть оценена с использованием формулы.

где Ф_1!Х и Ф_ух — суммарная токсичность соответственно подлежащих нейтрализации и нейтрализованных газовых выбросов, определяемая по выражению.

где с, — концентрация токсичного компонента; К, — коэффициент, характеризующий комбинированное действие данного вещества с остальными токсичными компонентами.

Из новых процессов высокотемпературного обезвреживания газов сложного химического состава наиболее перспективны в настоящее время: процесс фильтрационного горения, разработанный в ИПХФ РАН в Черноголовке, и процесс плазмохимического сжигания, опытная установка которого создана в Зеленограде. Эти установки обеспечивают сжигание при температурах 1000— 1500 °C, при которых все содержащиеся в газовой смеси диоксины и фураны — особо опасные и вредные вещества — распадаются на элементарные.

Рассмотрим примеры решения задач.

Задача 9.1. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола C4H4CI2 в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод ©, содержащийся в горючем веществе, перешел в СО2, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде — 3,76N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлористого водорода один атом С1, поэтому перед молекулой хлористого водорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

г) уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлористого водорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂0. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

д) уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: в составе четырех молекул углекислого газа: 4 • 2 = 8; в составе одной молекулы воды: 11 = 1; итого: 8+1=9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9:2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Задача 9.2. Рассчитать объем воздуха, необходимый для полного сгорания 5 кг хлорбензола; общий o6i"tM образовавшихся продуктов горения и их объемный процентный состав, при температуре 12 °C и давлении 101 250 Па, если избыток воздуха составляет 15%.

Решение.

1. Составляем уравнение реакции горения хлорбензола в воздухе и определяем коэффициент р (стехиометрический коэффициент перед кислородом):

2. Рассчитываем объем, занимаемый 1 кмоль воздуха при заданных условиях:

3. Рассчитываем молярную массу хлорбензола:

4. Рассчитываем объем воздуха, необходимый для полного сгорания заданной массы хлорбензола:

По условию задачи избыток воздуха составляет 15%. В этом случае коэффициент избытка воздуха (а) на 0,15 больше единицы. Следовательно, а = 1,15.

5. Определяем избыточное количество вещества кислорода и азота:

6. Рассчитываем общее количество вещества продуктов горения:

7. Определяем общий объем образующихся продуктов горения:

8. Рассчитываем объем компонентов продуктов горения:

9. Определяем объемный состав компонентов продуктов горения. Принимаем общее количество вещества продуктов горения за 100%:

Ответ: для полного сгорания 5 кг хлорбензола в заданных условиях необходимо 39,85 м³ воздуха, при этом выделяется 41,93 м³ продуктов горения состава: оксид углерод (IV) — 6,24 м³ (14,88%), вода — 2,08 м³(4,96%), хлористый водород — 1,04 м³ (2,48%), кислород — 1,09 м³(2,6%), азот — 31,48 м⁵ (75,07%).