Методы термической и каталитической очистки вентиляционных выбросов

Методы термической нейтрализации вредных примесей во многих случаях имеют преимущества перед методами адсорбции и абсорбции. Отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты очистных установок, простота их обслуживания, а в ряде случаев и пожарная автоматизация их работы, высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и ка талитическое сжигание. Прямое сжигание в пламени и термическое окисление осуществляют при температурах 600 – 800 °С; каталитическое сжигание – при 250 – 450 °С. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом и предельно допустимыми нормами выброса загрязняющих веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для осуществления процесса. Из экономических соображений этот вклад должен превышать 50 % общей теплоты сгорания. При проектировании устройств прямого сжигания необходимо знать пределы взрываемости или воспламеняемости сжигаемых отходов и газообразного топлива в смесях с воздухом. Эти данные показывают, будет ли данный вид газообразных отходов поддерживать горение без дополнительного подвода топлива.

Примером процесса прямого сжигания является сжигание углеводородов, содержащих токсичные газы (например, цианистый водород), непосредственно в факеле, (т. е. просто в открытой горелке, направленной вертикально вверх). Факел применяют главным образом для сжигания горючих отходов, которые не поддаются другим видам обработки.

Существует ряд конструктивных решений, позволяющих осуществлять прямое сжигание вредных примесей в замкнутой камере. Основные требования, предъявляемые к конструкциям таких камер, – обеспечение высокой степени турбулентности газового потока и времени пребывания его в камере в пределах 0,2 – 0,7 с.

Термическое окисление применяют либо когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

Важнейшие факторы, которые должны учитываться при проектировании устройств термического окисления, – время, температура и турбулентность. Время в аппарате должно быть достаточным для полного сгорания горючих компонентов. Обычно оно составляет от 0,3 до 0,8 с. Турбулентность характеризует степень механического перемешивания, необходимого для обеспечивания эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Рабочие температуры зависят от характера горючих примесей. Так, при окислении углеводородов рациональный интервал температур 500 – 760 °С, при окислении оксида углерода 680 – 800 °С, при устранении запаха посредством окисления 480 – 680 °С.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха.

Одно из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных низкотемпературных выбросов, схематически представлено на рис. 1.

Рис. 1. Установка для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов: 1 – входной патрубок; 2 – теплообменник-подогреватель; 3 – полость горелки; 4 – камера смешения; 5 – выходной патрубок

Загрязненный отходящий газ через входной патрубок и полость теплообменника-подогревателяпоступает в V-образную полость коллектора горелки. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до необходимой температуры и сжигают в кислороде, присутствующем в потоке загрязненного газа. Процесс догорания происходит в камере смешения, где хвостовая часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их турбулизации перегородками камеры, выходящие из патрубкагазы могут либо выбрасываться непосредственно в атмосферу, либо пропускаться через дополнительный теплообменник с целью рекуперации теплоты горячих газов.

Основное преимущество термического окисления — относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и избежать значительного образования оксидов азота

Каталитический методиспользуют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом. Катализатор, взаимодействуя с одним из реагирующих соединений, образует промежуточное вещество, которое распадается с образованием продукта регенерированного катализатора.

Каталитическое окисление отличается от термического кратковременностью протекания процесса (иногда достаточно нескольких долей секунды), что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, температура, необходимая для осуществления реакции органических газов и паров с кислородом, снижена (до 300°С) по сравнению с термическим окислением. Объемную скорость определяют как отношение расхода обрабатываемого газа (м³/ч), приведенного к нормальным условиям, к объему катализаторной массы (м³).

Основными критериями выбора катализаторов являются их активность и долговечность. Об активности катализатора судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по объемной скорости каталитического процесса, при которых обеспечивается требуемая степень обезвреживания обрабатываемого газа.

Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные количества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Каталитический слой должен создавать умеренно низкий перепад давления, обеспечивать структурную целесообразность и долговечность катализатора. В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы (платина, палладий и другие благородные металлы) или их соединения (оксиды меди, марганца и т. п.). Катализаторная масса обычно выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, оксида алюминия с нанесенными на их поверхность (сотые доли % к массе катализатора) благородных металлов.

Различают два конструктивных варианта газоочистных каталитических устройств:

· реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе;

· реакторы термокаталитические – аппараты, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель.

Наиболее многочисленную группу аппаратов каталитического обезвреживания органических соединений и оксида углерода представляют термокаталитические реакторы очистки газов, в которых рекуператор теплоты, подогреватель и контактный узел размещены в одном корпусе. На рис. 9.3 приведен каталитический реактор, предназначенный для окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски.

Рис. 9.3. Каталитический реактор: 1 – теплообменник-рекуператор; 2 – контактное устройство; 3 – катализатор; 4 – подогреватель; 5 – горелка природного газа

Воздух, содержащий примеси толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника-рекуператора, откуда по переходным каналам поступает в подогреватель. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелке, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250 – 350 °С, т. е. до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора, размещенного в контактном устройстве. В качестве катализатора применена природная марганцевая руда (пиромзит) в виде гранул размером 2 – 5 мм. В результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: диоксид углерода и водяные пары. Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350 – 450 °С направляется в рекуператор, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на очистку, и затем через выходной патрубок выводится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 0,95 – 0,98 при расходе вспомогательного топлива (природного газа) 3,5 – 4,0 м³ на 1000 м³ очищаемого воздуха. Гидравлическое сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800 – 900 м³/ч) не превышает 150 – 180 Па. Скорость процесса находится в пределах от 8000 до 10000 объемов на объем катализаторной массы в 1 ч.

Каталитические методы очистки применяют и для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.

Дата добавления: 2015-06-27