Физико-химические методы очистки газов

Газообразные загрязнители удаляют из промышленных выбросов при помощи физико-химических или химических методов. Существует пять основных методов удаления газообразных загрязнителей: абсорбция, адсорбция, конденсация, сжигание горючих загрязнителей и химическая обработка.

1 Абсорбция. Метод основан на подборе такой жидкости, при прохождении через которую вредная примесь переходит в жидкую фазу абсорбента, растворяясь в нем без химических взаимодействий и образования новых химических веществ – это физическая абсорбция. Например, физическая абсорбция применяется для очистки природных газов и газов при производстве водорода от сероводорода, диоксида углерода с использованием сульфолана, пропиленкарбоната. В тех случаях, когда абсорбенты вступают в химические реакции с очищаемым газом, например при очистке природных газов от сероводорода, диоксида углерода, диоксида серы с помощью водных растворов слабых оснований – аммиака, анилина, ксилидина, происходит процесс, называемый химической абсорбцией

Абсорбция представляет собой процесс, включающий массоперенос между растворимым газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в абсорбере. Движущей силой абсорбции является разность между парциальным давлением растворенного газа в газовой смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Если значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит. Если это значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция, и количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти.

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз в аппаратах, называемых абсорберами, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на поверхностные, распыливающие и барботажные.

Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, образующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом. В таких абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Примером пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер, в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверхности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом.

В качестве насадочных абсорберов широкое распространение получили колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, но течение жидкости происходит только по элементу насадки, а не по всей высоте аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента на другой пленка жидкости разрушается.

Барботажные абсорберы представляют собой обычно вертикальные колонны, внутри которых размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке.

2. Адсорбция – это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции, когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений.

При физической адсорбции адсорбированное вещество можно полностью удалить при обратном процессе (десорбции), например, понизив давление или увеличив температуру, а хемосорбированное вещество вернуть в газовую фазу невозможно, т.к. процесс необратим. Поскольку процессы хемосорбции идут только в тонких поверхностных слоях адсорбента, то для повышения эффективности процесса активную поверхность хемосорбента увеличивают за счет нанесения его тонкими слоями на поверхности инертного тонкодисперсного носителя.

В промышленности в качестве поглотителей чаще всего применяют активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты).

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента.

3. Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары веществ при температурах, близких к их точке росы. Этот метод наиболее эффективен в случае углеводородов и других органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой фазе в относительно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих достаточно низкое давление пара при обычных температурах, можно использовать конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для очень летучих растворителей возможна двухстадийная конденсация с использованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемпературного охлаждения – на второй. Замораживание до очень низких температур только с целью удаления загрязнителей редко является целесообразным; если в замораживании нет необходимости по каким-либо другим технологическим причинам. Максимальное снижение содержания инертных или неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение процесса конденсации и повысить ее экономическую эффективность.

Конденсацию можно проводить при непосредственном контакте или косвенном охлаждении. В первом случае охлаждаемый пар непосредственно контактирует с охлажденной или замороженной жидкостью. При косвенном охлаждении используется поверхностный конденсатор с металлическими трубками. Трубки охлаждаются жидким хладореагентом с другой стороны стенки. В случае неконденсирующихся газов пере охлаждением проводят их сжатие, что позволяет достичь эквивалентного парциального давления загрязняющего вещества при более высоких температурах.

4. Очистка газов дожиганием представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до СО₂ и Н₂О. Это определение может быть полностью отнесено и к жидким отходам. В ходе процесса другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. С точки зрения охраны окружающей среды очистка газов методом дожигания обеспечивает требуемую чистоту выбросов в атмосферу с минимальным содержанием непрореагировавших углеводородов, оксидов азота и серы, галогенов и других органических соединений.

5. Химические методы 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 физико-химическими методами. Рассмотрим химические методы на примере очистки газов от оксидов азота и серы.

1. Очистка газов от оксидов азота. Наиболее часто для очистки от NO_X применяются два метода: некаталитическое гомогенное восстановление NO_X добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NН₃.
• Некаталитический процесс основан на восстановлении NO до N₂ и Н₂О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя – аммиака (NН₃) и предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота.
• Метод селективного каталитического восстановления (СКВ) основан на реакции восстановления оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин селективный в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим прежде всего к топочным газам в условиях полного сгорания – содержание кислорода в них не более 1% и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях.
• Неселективное каталитическое восстановление (НСКВ). В данном методе восстанавливающий агент – аммиак заменяется другими восстановителями (Н₂, СО, углеводороды). Эти восстановители действуют неселективно, поскольку взаимодействуют с кислородом и SO₂ газового потока: это взаимодействие идет параллельно с целевой реакцией восстановления оксидов азота, что требует значительного избытка восстановителей.

б. Очистка газов от SO₂. Методы очистки газов от SO₂ предполагают

предварительную стадию адсорбции SO₂, но их основу составляют химические

превращения оксидов серы в новое химическое соединение, выделяемое из

газового потока.

· Процесс с использованием СuO/CuSO₄. Метод обеспечивает одновременную очистку газов от NO_X и SO_X в присутствии катализатора – оксида меди (CuO), нанесенного на оксид алюминия. Топочный газ подается в реактор с параллельным расположением каналов для прохождения газового потока, заполненных катализатором.

· Методы с добавлением извести: приготовление гранул из угольной крошки с добавлением извести для использования в колосниковых топках и добавление порошкообразной извести к угольной пыли для использования в топках с форсуночным распылением топлива.

· Введение сухого сорбента позволяет снизить концентрацию диоксида серы на 50%. Сухой щелочной агент вдувается под давлением в магистраль отходящего топочного дыма, и прореагировавшие твердые продукты отделяются от потока. Для отделения используются тканевые фильтры.

Дата добавления: 2014-01-06