Методы очистки воздуха от вредных газообразных примесей

Введение

 

До определенного этапа  развития человеческого общества, в  частности индустрии, в природе  существовало экологическое равновесие, т.е. деятельность человека не нарушала основных природных процессов или  очень незначительно влияла на них. Экологическое равновесие в природе  с сохранением естественных экологических  систем существовало миллионы лет и  после появления человека на Земле. Так продолжалось до конца XIX в. Двадцатый  век вошел в историю как  век небывалого технического прогресса, бурного развития науки, промышленности, энергетики, сельского хозяйства. Одновременно как сопровождающий фактор росло  и продолжает расти вредное воздействие  индустриальной деятельности человека на окружающую среду. В результате происходит в значительной мере непредсказуемое  изменение экосистем и всего  облика планеты Земля. В настоящее  время с ростом и бурным развитием  промышленности большое внимание уделяется  ее экологической обоснованности, а  именно проблеме очистке и утилизации отходов. В данной работе рассматривается  один из видов отходов промышленности – газовые выбросы предприятий. Впервые как проблему газовые  выбросы можно рассматривать  на примере лондонского «смога» (от англ. smoke – дым), под которым  первоначально понимали смесь сильного тумана и дыма. Такого типа смог наблюдался уже в Лондоне уже более 100 лет  назад. В настоящее время это  уже более широкий термин –  над всеми большими и индустриально  развитыми мегаполисами помимо дымотуманного  смога выделяют и фотохимический смог. Если причиной смога первого  типа является в основном сжигание угля и мазута, то причиной второго  – выбросы автотранспорта. Конечно  же, все это усугубляется некоторым  кумулятивным действием большого количества примесей. Zb, при дымотуманном смоге  сернистый газ дает аэрозоль серной кислоты (из ряда кислотных дождей) который, естественно, намного реактивней по своему действию. Неудивительно, что  в настоящее время пристальное  внимание уделяется проблеме удаления первопричин возникновения таких  нежелательных явлений, как выбросы  в атмосферу. В данной работе тематика проблемы сознательно ограничена рамками  промышленных газовых выбросов, так  как именно промышленность является источником опасных и крайне опасных  примесей и составляющих явлений  типа «смога». В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно  разделить на две группы: а) взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ  — пыль, дым; жидкостей — туман б) газообразные и парообразные вещества. К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (тумана). Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Счетная концентрация (число частиц в 1 см3) мала по сравнению с дымами и туманами. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и др. К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработке, а также в результате химических реакций, например при взаимодействии аммиака и хлороводорода, при окислении паров металлов в электрической дуге и т.д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 5 мкм до субмикронных размеров, т.е. менее 0,1 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др. Вторая группа – газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выхлопах, гораздо более многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения. А также пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов. В настоящее время, когда безотходная технология находится в периоде становления и полностью безотходных предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами. В данной таблице выборочно приведены ПДК некоторых атмосферных загрязнителей.

 

Вещества:     ПДК:

Аммиак     |0,2 |0,2

Ацетальдегид    |0,1 |0,1

Ацетон     |0,35 |0,35

Бензол     |1,5 |1,5

Гексахлоран    |0,03 |0,03

Ксилолы     |0,2 |0,2

Марганец и его соединения   |— |0,01

Мышьяк и его соединения   |— |0,003

Метанол     |1,0 |0,5

Нитробензол    |0,008 |0,008

Оксид углерода (СО)   |3,0 |1,0

Оксиды азота (в пересчете  на N2O5)  |0,085 |0,085

Оксиды фосфора (в пересчете  на P2O5) |0,15 |0,05

Ртуть     |0,0003 |0,0003

Свинец     |— |0,0007

Сероводород    |0,008 |0,008

Сероуглерод    |0,03 |0,005

Серы диоксид SO2    |0,5 |0,05

Фенол     |0,01 |0,0

Формальдегид    |0,035 |0,012

Фтороводород    |0,05 |0,005

Хлор     |0,1 |0,03

Хлороводород    |0,2 |0,2

Тетрахлорид углерода   |4,0 |2,0

 

1. Описание существующих методов очистки воздуха от вредных газообразных примесей

В настоящее время разработано  и опробовано в промышленности большое  количество различных методов очистки  газов от технических загрязнений: NOx, SO2, H2S, NH3, оксида углерода, различных  органических и неорганических веществ.

Опишем эти основные методы и укажем их преимущества и недостатки.

 

Абсорбционный метод

Абсорбция представляет собой  процесс растворения газообразного  компонента в жидком растворителе. Абсорбционные системы разделяют  на водные и неводные. Во втором случае применяют обычно малолетучие органические жидкости. Жидкость используют для  абсорбции только один раз или  же проводят ее регенерацию, выделяя  загрязнитель в чистом виде. Схемы  с однократным использованием поглотителя  применяют в тех случаях, когда  абсорбция приводит непосредственно  к получению готового продукта или  полупродукта. В качестве примеров можно назвать:

• получение минеральных кислот (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция оксидов азота в производстве азотной кислоты);
• получение солей (абсорбция оксидов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков, абсорбция водными растворами извести или известняка с получением сульфата кальция);
• других веществ (абсорбция NH3 водой для получения аммиачной воды и др.).

Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы) распространены шире. Их применяют  для улавливания углеводородов, очистки от SO2 дымовых газов ТЭС, очистки вентгазов от сероводорода железно-содовым методом с получением элементарной серы, моноэтаноламиновой очистки газов от CO2 в азотной промышленности.

В зависимости от способа  создания поверхности соприкосновения  фаз различают поверхностные, барботажные  и распыливающие абсорбционные  аппараты.

В первой группе аппаратов  поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости или поверхность  текучей пленки жидкости. Сюда же относят  насадочные абсорбенты, в которых  жидкость стекает по поверхности, загруженной  в них насадки из тел различной  формы.

Во второй группе абсорбентов  поверхность контакта увеличивается  благодаря распределению потоков  газа в жидкость в виде пузырьков  и струй. Барботаж осуществляют путем  пропускания газа через заполненный  жидкостью аппарат либо в аппаратах  колонного типа с тарелками различной  формы.

В третьей группе поверхность  контакта создается путем распыления жидкости в массе газа. Поверхность  контакта и эффективность процесса в целом определяется дисперсностью  распыленной жидкости.

Наибольшее распространение  получили насадочные (поверхностные) и  барботажные тарельчатые абсорберы. Для эффективного применения водных абсорбционных сред удаляемый компонент  должен хорошо растворяться в абсорбционной  среде и часто химически взаимодействовать  с водой, как, например, при очистке  газов от HCl, HF, NH3, NO2. Для абсорбции  газов с меньшей растворимостью (SO2, Cl2, H2S) используют щелочные растворы на основе NaOH или Ca(OH)2. Добавки химических реагентов во многих случаях увеличивают  эффективность абсорбции благодаря  протеканию химических реакций в  пленке.

Для очистки газов от углеводородов  этот метод на практике используют значительно реже, что обусловлено, прежде всего, высокой стоимостью абсорбентов. Общими недостатками абсорбционных  методов является образование жидких стоков и громоздкость аппаратурного  оформления.

Адсорбционный метод

Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Только в США введены  и успешно эксплуатируются десятки  тысяч адсорбционных систем. Основными  промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению  к полярным и неполярным молекулам  адсорбируемых соединений. Он менее  селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных  для работы во влажных газовых  потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов  от дурно пахнущих веществ, рекуперации  растворителей и т.д.

Оксидные адсорбенты (ОА) обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам  в силу собственного неоднородного  распределения электрического потенциала. Их недостатком является снижение эффективности  в присутствии влаги. К классу ОА относят силикагели, синтетические  цеолиты, оксид алюминия.

Можно выделить следующие  основные способы осуществления  процессов адсорбционной очистки:

• После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других примесей.
• После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий, пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей.
• После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно хемосорбированным загрязнителем. Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов.

Для десорбции примесей используют нагревание адсорбента, вакуумирование, продувку инертным газом, вытеснение примесей более легко адсорбирующимся  веществом, например, водяным паром. В последнее время особое внимание уделяют десорбции примесей путем  вакуумирования, при этом их часто  удается легко утилизировать.

Для проведения процессов  адсорбции разработана разнообразная  аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем  гранулированного или сотового адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции  и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим  слоем.

В последние годы все более  широкое применение получают волокнистые  сорбционно-активные материалы. Мало отличаясь  от гранулированных адсорбентов  по своим емкостным характеристикам, они значительно превосходят  их по ряду других показателей. Например, их отличает более высокая химическая и термическая стойкость, однородность пористой структуры, значительный объем  микропор и более высокий коэффициент  массопередачи (в 10-100 раз больше, чем  у сорбционных материалов). Установки, в которых используются волокнистые  материалы, занимают значительно меньшую  площадь. Масса адсорбента при использовании  волокнистых материалов меньше, чем  при использовании АУ в 15-100 раз, а  масса аппарата в 10 раз. Сопротивление  слоя не превышает при этом 100 Па.

Повысить технико-экономические  показатели существующих процессов  удается также путем оптимальной  организации стадии десорбции, например, за счет программированного подъема  температуры.

Следует отметить эффективность  очистки на активированных углях  сотовой (ячеистой) структуры, обладающих улучшенными гидравлическими характеристиками. Такие сорбенты могут быть получены нанесением определенных композиций с  порошком АУ на вспененную синтетическую  смолу или вспениванием смеси  заданного состава, содержащей АУ, а  также выжиганием наполнителя из смеси, включающей АУ вместе с связующим.

Еще одним направлением усовершенствования адсорбционных методов очистки  является разработка новых модификаций  адсорбентов – силикагелей и  цеолитов, обладающих повышенной термической  и механической прочностью. Однако гидрофильность этих адсорбентов затрудняет их применение.

Наибольшее распространение  получили адсорбционные методы извлечения из отходящих газов растворителей, в том числе хлорорганических. Это связано с высокой эффективностью процесса очистки газов (95-99%), отсутствием  химических реакций образования  вторичных загрязнителей, быстрой  окупаемостью рекуперационных установок (обычно 2-3 года) благодаря повторному использованию растворителей и  длительным (до 10 лет) сроком службы АУ. Ведутся активные работы по адсорбционному извлечению из газов оксидов серы и азота.

Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки  газов. Их применение позволяет вернуть  в производство ряд ценных соединений. При концентрациях примесей в  газах более 2-5 мг/мі, очистка оказывается  даже рентабельной. Основной недостаток адсорбционного метода заключается  в большой энергоемкости стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет его  применение для многокомпонентных  смесей.

 

Термическое дожигание

 

Дожигание представляет собой  метод обезвреживания газов путем  термического окисления различных  вредных веществ, главным образом  органических, в практически безвредных или менее вредных, преимущественно  СО2 и Н2О. Обычные температуры дожигания для большинства соединений лежат в интервале 750-1200 °C. Применение термических методов дожигания позволяет достичь 99%-ной очистки газов.

При рассмотрении возможности  и целесообразности термического обезвреживания необходимо учитывать характер образующихся продуктов горения. Продукты сжигания газов, содержащих соединения серы, галогенов, фосфора, могут превосходить по токсичности  исходный газовый выброс. В этом случае необходима дополнительная очистка. Термическое дожигание весьма эффективно при обезвреживании газов, содержащих токсичные вещества в виде твердых  включений органического происхождения (сажа, частицы углерода, древесная  пыль и т.д.).