Методы очистки от газообразных загрязнений

Многие промышленные производства (металлургия, химические, нефтехимические, отдельные виды машиностроения) сопровождаются образованием и поступлением вредных газов и паров в атмосферный воздух. Активным загрязнителем атмосферного воздуха является транспорт, в первую очередь автомобильный. Газовые выбросы, как и аэрозольные, загрязняя атмосферный воздух, значительно ухудшают его качество, а в ряде случаев делают его непригодным для нахождения в нем людей.

При очистке выбросов от газовых загрязнений приходится одновременно решать ряд дополнительных проблем, связанных с тем, что в выбросах, содержащих вредные пары и газы, находятся также аэрозоли — пыль, сажа. При этом выбросы могут быть нагреты до высоких температур, а загрязнения, содержащиеся в них, многокомпонентны, что требует применения различных методов очистки. Кроме того, расход выбросов по времени непостоянен, изменяется концентрация содержащихся в них различных вредных веществ и т. д. Все это осложняет процесс очистки, требует принятия в каждом отдельном случае соответствующих решений, используя один или несколько ниже перечисленных методов.

Существует большое разнообразие методов очистки, которые могут быть объединены в две большие группы: некаталитические и каталитические. Кроме этого, по характеру процесса все методы можно разделить на регенерационные (циклические) и нерегенерационные.

При некаталитическом методе очистки примеси выводятся из газовой смеси путем конденсации или поглощения жидкими или твердыми поглотителями; при каталитическом — примеси не выводятся, а превращаются в другие вещества, которые остаются в газовой смеси или затем удаляются из нее.

Выбор метода очистки зависит от многих факторов:

• • концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах;
• • объема и температуры газа;
• • наличия в газе других примесей;
• • требуемой степени очистки;
• • возможности использования продуктов рекуперации.

К некаталитическим методам относятся следующие основные методы.

Абсорбция газовых примесей — некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпонентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их.

Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы. При абсорбции происходит избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями. Обратный процесс, т. е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией.

Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, а вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, — растворителем (поглотителем, или абсорбентом). Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т. е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом, а поглощаемое вещество в объеме поглотителя — абсорбатом.

Абсорбат удерживается в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул вследствие растворения или химической реакции. Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией. При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, при этом молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие. Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непосредственно с самим растворителем.

Процесс, сопровождающийся химической реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют химической абсорбцией (хемосорбция). При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе. Скорость абсорбции зависит от ряда факторов, главным образом давления и температуры, причем с их ростом скорость абсорбции повышается.

Абсорбционную очистку выбросов в атмосферу применяют как для извлечения ценного компонента из газа, так и для его санитарной очистки. Считается, что абсорбцию целесообразно применять, если концентрация данного компонента в газовом потоке свыше 1%. Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, например в химической промышленности. Данный метод широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других сернистых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, органических веществ (фенола, формальдегида и др.).

К примеру, очистка газов от диоксида серы ведется преимущественно хемосорбционными методами на основе извести или известняка. К достоинствам этих методов относят доступность и дешевизну абсорбентов, простоту технологической схемы процесса, низкие капитальные и эксплуатационные затраты.

Недостатками методов являются невысокая эффективность, недостаточная степень использования известняка, образование отходов в виде шлама или загрязненного гипса. При абсорбции известковым молоком процесс протекает, но реакциям:

При использовании суспензии известняка суммарные реакции имеют следующий вид:

Процесс носит нерегенерационный характер.

Адсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонента газа, пара или раствора с помощью адсорбентов — пористых твердых материалов с большой удельной поверхностью. Газовая среда, из которой происходит поглощение компонента, называется газом-носителем, твердое вещество, поглощающее компонент, — адсорбентом, целевой поглощаемый компонент (поглощаемое вещество), находящийся в очищаемом газе, — адсорбтивом, этот же компонент в адсорбированном состоянии, т. е. поглощенное вещество в адсорбенте, — адсорбатом. Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Каждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощать другие. Поглощенное вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции. В отличие от абсорбционных методов адсорбция позволяет проводить очистку газов при повышенных температурах.

По характеру взаимодействия адсорбата с поверхностью различают физическую и химическую адсорбцию.

При физической адсорбции между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества не происходит химического взаимодействия. Процесс физической адсорбции может быть обратимым, т. е. чередуются стадии адсорбции и десорбции (выделения поглощенного компонента из адсорбента).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и адсорбтива вступают в химические реакции; действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а тепла высвобождается столько же, сколько и при химической реакции (в пределах 20—400 кДж/ моль). При адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное извлечение компонентов, выделение которых путем абсорбции было бы невозможно из-за их малой концентрации в смеси.

Существуют следующие виды адсорбентов:

• а) неполярные твердые вещества, на поверхности которых происходит в основном физическая адсорбция;
• б) полярные твердые вещества, на поверхности которых происходит химическая адсорбция без изменения структуры молекул газа и поверхности адсорбента;
• в) вещества, на поверхности которых протекает чисто химическая адсорбция, причем десорбция молекул газа возможна только в результате химической или каталитической реакции.

Из неполярных адсорбентов самый распространенный — активированный уголь, также часто используют и синтетические минеральные силикогели и алюмогели. В качестве полярных адсорбентов применяют хемосорбенты на основе оксидов железа, меди и цинка, которые обеспечивают проектную степень очистки даже от технологических газов. Например, при адсорбции газов, содержащих S0₂, применяют как активированный уголь, так и полукокс, активированный силикогель, карбонат кальция, активированный Мп0₂.

Адсорбцию применяют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных или парообразных загрязнений до получения их очень низких объемных концентраций для улавливания из газов, вентиляционных выбросов сернистых соединений, углеводородов, хлора, окислов азота, паров органических растворителей и др. Наиболее широкое применение методы адсорбции находят в тех случаях, когда необходимо снизить содержание загрязняющих веществ до очень низких значений.

Подобные задачи возникают в пищевой (удаление запахов при консервировании, обжиге кофе, переработке рыбы, вытапливании сала, ферментации, жарении и выпечке), химической и перерабатывающей промышленности, а также при осуществлении других процессов, например при нанесении лакокрасочных и других покрытий, и в лабораториях, где проводятся эксперименты на животных. Адсорбция менее эффективна при необходимости удаления больших концентраций загрязняющих веществ, поскольку при этом необходима большая адсорбционная емкость или большое количество адсорбента. В тех случаях, когда концентрации загрязнений невелики и обработке подвергается большое количество воздуха, адсорбция может оказаться очень эффективной для удаления летучих углеводородов и органических растворителей. Наиболее целесообразно использовать этот метод для удаления паров ядовитых веществ и предполагаемых канцерогенов в тех случаях, когда содержание примесей должно быть снижено до нескольких миллионных долей или ниже.

Адсорбцию широко применяют для удаления как паров органических смол и паров растворителя в системе вентиляции производственных помещений при производстве стекловолокна и стеклоткани, так и паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве нитроцеллюлозы и бездымного пороха. Адсорбенты используются для очистки выхлопных газов автомобилей и для удаления ядовитых компонентов, например H₂S из газовых потоков, выбрасываемых в атмосферу через лабораторные вытяжные шкафы. Адсорбция также применяется для удаления радиоактивных газов при эксплуатации ядерных реакторов, в частности радона и радиоактивного иода.

По этим причинам методы адсорбции продолжают оставаться основным способом очистки технологических газовых выбросов. В принципе данный метод может быть применен для извлечения любых загрязнителей из газового потока, но на практике область ее применения ограничена рядом эксплуатационных, технических и экономических условий.

Каталитические методы газоочистки основаны на взаимодействии удаляемых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду веществом в присутствии катализатора. В результате реакций находящиеся в газе примеси превращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа. Действие катализаторов проявляется в промежуточном (поверхностном) химическом взаимодействии с реагирующими соединениями, в результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный катализатор.

Особенность процессов каталитической очистки газов заключается в том, что они протекают при малых концентрациях удаляемых примесей и применяются в основном при небольшой концентрации удаляемого компонента в очищаемом газе. В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы или их соединения (платина и металлы платинового ряда, оксиды меди и марганца и т. д.). Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительное количество катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль.

Основным достоинством метода является то, что он дает высокую степень очистки, а недостатком — образование новых веществ, которые надо удалять из газа адсорбцией или абсорбцией. Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, оксид углерода, другие вредные газовые загрязнения. Благодаря применению катализаторов можно получить высокую степень очистки газа, достигающую в ряде случаев 99,9%. Каталитическая очистка применяется в основном при небольшой концентрации удаляемого компонента в очищаемом газе.

В качестве примера приведем широко распространенное каталитическое разложение оксидов азота. Сущность способа заключается в том, что соединения N_vO_y/ восстанавливаются газом-восстановителем (Н₂, СН₄, СО и др.) в присутствии катализатора. Температура начала катализа 400—470°С.

СН₄ + 4NO = С0₂ + 2Н₉0 + 2N₂; 2СО + 2NO = N₉ + 2С0₉;

СН₄ + 2N0₄ = С0₂ + 2Н₉0 + N₂; 4СО + 2N0₂ = N₉ + 4Сб₉.

• 2Н₂ + 2NO = N₉ + 2Н₂0;
• 4Н₂ + 2N0₂ = N₂ + 4Н₂0;

Термической обработкой возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содержат каких-либо других элементов, кроме водорода Н, углерода С и кислорода О. Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом, а сами методы применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Термическое обезвреживание газов может быть реализовано в нескольких вариантах.

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. При обработке горючих газов для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание, которое представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до С0₂ и Н₉0. В ходе процесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например галогени серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. Использование этого метода затруднено тем, что концентрация органических примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низка.