Очистка выбросов от газообразных компонентов
Разнообразие газообразных примесей в выбросах в атмосферу приводит к необходимости применения различных способов их обезвреживания. Метод очистки выбирается в зависимости от состава загрязняющих веществ, их количества, эффективности очистных устройств, возможности утилизации уловленных продуктов, технико-экономических показателей, специфики технологического производства и других факторов. К наиболее распространенным способам очистки выбросов относятся; адсорбция, абсорбция, конденсация, химическое окисление, каталитическое и термическое дожигание, биологическая очистка [4].
Очистка методом адсорбции заключается в том, что выбросы пропускают через твердые вещества, способные концентрировать на поверхности внутренних пор содержащиеся в газах вредные компоненты. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, селикагели, алюмогели, циолиты, торф. Для проведения расчета процесса адсорбции необходимо иметь данные в виде сетки изотерм, отражающих равновесие поглощаемого компонента с адсорбентом в рабочем интервале температур очистки и десорбции. На основе этих данных, исходя из количества выбросов, концентрации вредных компонентов в них и необходимой продолжительности цикла улавливания, находят массу адсорбентов. После выбора конструкции адсорбера необходимо дать аппаратурное оформление и обосновать параметры последующих стадий процесса: десорбции, сушки и охлаждения адсорбента.
Процесс абсорбционной очистки вентиляционных выбросов заключается в избирательном поглощении одного или нескольких вредных компонентов жидким поглотителем. В качестве абсорбента может быть использована практически любая жидкость, в которой растворяются данные вредные вещества выбросов. На первой стадии расчета процесса абсорбции необходимо выбрать абсорбент и дать его обоснование. Абсорбент должен удовлетворять ряду требований: обладать высокой поглотительной способностью, минимальной летучестью, хорошими кинетическими свойствами, способностью к регенерации; не оказывать коррозийного воздействия на аппаратуру; не быть токсичным. Затем строят равновесные линии процесса абсорбции с концентрациями вредных веществ в газовой и жидких фазах и находят рабочую линию процесса очистки. Количество абсорбента Ga определяют на основе уравнения материального баланса процесса абсорбции
После аппаратурного оформления процесса очистки необходимо обосновать и рассчитать процесс регенерации абсорбента и дать предложения по утилизации уловленных веществ.
Очистку методом конденсации применяют для выбросов, содержащих повышенное количество паров различных водяных растворов, углеводородов и других органических соединений, имеющих повышенные температуру кипения и присутствующих в газовой фазе в относительно повышенных концентрациях. Для осуществления процесса используют конденсаторы с водным или воздушным охлаждением. Процесс конденсации следует рассматривать как первую ступень очистки, за которой последуют другие методы, например, дожигание, обеспечивающие выполнение санитарно- гигиенических требований к составу выбросов.
Суть способа химического окисления вредных веществ вентиляционных выбросов состоит в воздействии на вредные компоненты реагентами, обладающими сильными окислительными свойствами. К таким реагентам можно отнести озон, хлор, перманганаты и др. Способ химического окисления рекомендуется применять для очистки вентиляционных выбросов, когда концентрация вредных веществ в них мала, например, на уровне запахов. Источники выделения запахов широко распространены в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. К ним относятся животноводческие комплексы, мясокомбинаты, предприятия пищевой, машиностроительной, химической, парфюмерной, кожгалантерейной, электротехнической и других отраслей промышленности.
Суть метода биологической очистки вентиляционных выбросов состоит в разложении, окислении и ассимиляции микроорганизмами вредных компонентов. Особенностью метода является использование естественных биологических процессов без применения чуждых экологической системе материалов и реагентов.
Биологический метод очистки может быть реализован в устройствах трех типов: в фильтрах со слоем увлажненной почвы или компоста, через который пропускаются очищенные выбросы (земляные фильтры); в фильтрах с инертной насадкой, на поверхности которой искусственно выращивается биопленка (аэробиофильтры); в аппаратах барботажного типа с водной суспензией активного ила (абсорберы биоочистки).
Сущность термического способа очистки газовых выбросов заключается в нагреве их до температур, превышающих температуру самовоспламенения токсичных компонентов и выдержке их в присутствии кислорода. При этом горючие компоненты выбросов переходят в менее токсичные или нейтральные вещества. Например, реакция окисления углеводородов происходит с образованием углекислого газа и паров воды
Реакция протекает экзотермически.
Преимущества термического способа - универсальность по отношению к горючим газам любого состава, простота исполнения и надежность эксплуатации.
Недостатки - значительный расход топлива, обусловленный необходимостью нагрева газовых выбросов до температур начала процесса горения вредностей и появление в процессе дополнительных вредностей, например, окислы азота, угарный газ и др.
Термический способ следует рассматривать как чисто тепловой процесс горения бедных газовоздушпых смесей. Основными факторами, определяющими эффективность термического дожигания, являются температура нагрева вентиляционных выбросов, время их выдержки при этой температуре и качество перемешивания.
Температура, до которой необходимо нагреть выбросы, зависит от вида вещества. На основе опытных данных установлено, что газовые выбросы необходимо нагревать до температур, превышающих в 1,5-2 раза температуру самовоспламенения содержащихся в них горючих компонентов, но не ниже 750°С.
Время пребывания вредностей в термическом нейтрализаторе 0,5-1,5 с.
Выбор устройства термической очистки производится по расходу топлива Вт необходимого для подогрева выбросов до заданной температуры, который определяется по формуле
При термическом дожигании предварительный подогрев выбросов важен не только с точки зрения экономии расхода топлива, но и качества очистки. Он осуществляется при использовании теплоты очищенных газов. Степень рекуперации составляет 0,2-0,7.
ПРИМЕР 6.17. Из технологической установки удаляются в атмосферу газы в количестве L=1000 м3/ч с температурой t= 150°С, концентрацией паров ксилола Сп= 10 ООО мг/м3 и содержанием кислорода - 18%.
Подобрать автономное устройство термической очистки газовых выбросов, работающее, на природном газе с теплотворной способностью QH=33500 кДж/м3 при средней температуре подогрева газовых выбросов ?Д=404°С и обеспечивающее концентрацию паров ксилола не выше ПДК рабочей зоны.
Решение. На основании справочных данных находим характеристику вредности, содержащейся в газовых выбросах. Ксилол С8Н10 - температура самовоспламенения fc=563°C, нижний предел взрываемости в смеси с воздухом Св=43,5 г/м3, конечная концентрация 50 мг/м3, низшая теплотворная способность 250 кДж/кг.
Запишем реакцию обезвреживания ксилола термическим методом
На основе количества газовых выбросов и расхода топлива подбирают типоразмер устройства термической очистки, которое устанавливают на технологическом оборудовании.
Каталитическое дожигание беспламенно и вследствие этого не связано с пределами воспламенения смеси. В общем виде кинетику гетерогенного процесса каталитического окисления можно представить в виде пяти элементарных стадий: диффузия исходных веществ к поверхности катализатора, адсорбция, химическая реакция, десорбция, диффузия полученных веществ в свободное газовое пространство.
Аппарат каталитической очистки состоит из вентилятора для забора газовых выбросов, подогревателя до температур реакции начала каталитического окисления, реактора и теплообменника для утилизации тепла очищенных газов. Мощность N0 подогревателя, нагрева газовых выбросов до температур начала реакции каталитического окисления /к определяют по формуле
В качестве примера рассмотрим характеристику одного из типов катализатора, предназначенного для очистки газовых выбросов, НИИОГАЗ-ЗД.
Каталитически активное вещество представляет собой смесь окислов неблагородных металлов с добавками платины и палладия (сотые доли процента), которая нанесена в виде активной пленки на нихромовую проволоку диаметром 0,1-0,2 мм, свитую в спирали диаметром 3-4 мм. Катализатор упакован в пакеты прямоугольной формы и внешне подобен воздушному фильтру. Масса одного каталитического элемента для очистки 800-1000 м3/ч выбросов составляет 8-9 кг. Линейные размеры одного пакета - 610x305x90 мм. Гидравлическое сопротивление при линейной скорости потока 1 -4 м/с порядка 200 Па. Температура реакции начала каталитического окисления для паров органических растворителей 280-300°С. Допустимый разогрев 650°С, объемная скорость 25000-30000 ч-1.
ПРИМЕР 6.18. Подобрать устройство каталитической очистки газовых выбросов для технологической установки, имеющей следующую техническую характеристику: количество газовых выбросов в атмосферу 1500м3/ч, их температура t= 120°С, концентрация паров толуола в выбросах 8000 мг/м3, требуемая конечная концентрация вредности в очищенных газах - 200 мг/м3, энергоноситель - электроэнергия.
Решение. Находим характеристику вредности, содержащейся в газовых выбросах. Толуол, химическая формула С7Н8, нижний предел взрываемости в смеси с воздухом С-=49 г/м3, низшая теплотворная способность 41000 кДж/кг, стехиометрическое количество воздуха, потребное для сжигания 1 кг толуола 11,3 м3 /кг.
Запишем реакцию процесса обезвреживания паров толуола методом каталитического дожигания
Выбираем к установке в реактор катализатор типа НИИОГАЗ-ЗД. Согласно его технической характеристике при температуре подогрева газовых выбросов К = 350°С обеспечивается степень очистки не менее 98%. Пакет катализатора прямоугольной формы имеет следующие линейные размеры 610x305x90 мм. Допустимая температура разогрева не выше 650°С, объемная скорость не выше 30000 ч”1.
Приняв к установке 3 пакета катализаторов, находим объемную скорость civ и сравниваем ее с рекомендуемой величиной - 30000 ч-1.
Определяем температуру очищенных газов t0 и сравниваем ее с допустимой - 650°С
Находим мощность подогревателя загрязненных газов в системе католической очистки по формуле (6.75)
Далее из каталога по количеству очищаемых газов и мощности выбираем тип реактора и подогревателя.
