Основные технологии утилизации газовых выбросов. Принцип работы и конструкции аппаратов обезвреживания и очистки газовых выбросов.

(Пояснение к таблице 2) Механическая очистка газов включает сухие и мок­рые методы.

К сухим методам относятся:

1. Гравитационное осаж­дение - осаждение взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Метод пригоден для предварительной, гру­бой очистки газов.

2. Инерционное и центробежное пылеулавливание - основано на стремлении взве­шенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Газы обеспыливаются, выхо­дя через щели и меняя при этом направление движения. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи).

Инерционный метод применяется для гру­бой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.

Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очи­щаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа от аэрозолей.

3. При филь­трации используются фильтры тонкой очистки промышленных выбросов. Работа их основана на фильтровании воздуха через пористую перегородку, в процессе которой твердые частицы примесей задерживаются на ней. В фильтрах применяются перегородки различных типов:

1) в виде зернистых слоев, например гравия (неподвижные свободно насыпанные материалы) для очистки от пылей механического происхождения они дешевы, просты в эксплуатации, эффективность 0, 99;

2) гибкие пористые (ткани, войлоки, губчатая резина, пенополиуретан) используются для тонкой очистки газов от примесей; их основные недостатки - малая термостойкость, низкая прочность, 90%;

3) полужесткие пористые (вязаные сетки, прессованные спирали и стружка) изготавливаются из различных сталей, меди, бронзы, никеля и других металлов, могут работать в широком диапазоне частот до 1000 К, в агрессивных средах.;

4) жесткие пористые (пористая керамика, пористые металлы), изготавливаемые из пористой керамики и пористых металлов, обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью; они технологичны, находят широкое применение для очистки горючих газов и жидкостей, выбросов дыма, туманов, кислот, масел.

Для сухой очистки газов наиболее употребительны центробежные обеспыливающие системы ( циклоны )

Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов.

 Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на: форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов

Аппараты газоочистки.

Мокрые пылеуловители

Башни с насадкой (насадочные скрубберы) отличаются простотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в работе, малым гидравлическим сопротивлением (Δ Р=300-800 Па) и сравнительно малым расходом энергии. В насадочном скруббере возможна очистка газов с начальной запыленностью до 5-6 г/м³. Эффективность одной ступени очистки для пылей с d > 5 мкм не превышает 70-80%. Насадка быстро забивается пылью, особен­но при высокой начальной запыленности.

Орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) при­меняют для очистки больших объемов газа. Они имеют сравни­тельно небольшое гидравлическое сопротивление (Δ Р= 400-850 Па). Для частиц размером 2-5 мкм степень очистки составляет ~50%. Центробежные скрубберы высокопроизводительны благодаря боль­шой скорости газа; во входном патрубке ω _г=18÷ 20 м/с, а в се­чении скруббера ω _г = 4÷ 5 м/с.

Пенные аппараты применяют для очистки газа от аэро­золей полидисперсного состава. Интенсивный пенный режим соз­дается на полках аппарата при линейной скорости газа в его пол­ном сечении 1-4 м/с. Пенные газоочистители обладают высокой производительностью по газу и сравнительно небольшим гидрав­лическим сопротивлением (Δ Р одной полки около 600 Па). Для частиц с диаметром d > 5 мкм эффективность их улавливания на одной полке аппарата 90-99%; при d < 5 мкм η = 75-90%. Для повышения η устанавливают двух- и трехполочные аппараты.

Скрубберы Вентури (рис 1) — высокоинтенсив­ные газоочистительные аппараты, но работающие с большим расхо­дом энергии. Скорость газа в сужении трубы (горловине скруббе­ра) составляет 100—200 м/с, а в некоторых установках — до 1200 м/с. При такой скорости очищаемый газ разбивает на мель­чайшие капли завесу жидкости, впрыскиваемой по периметру тру­бы. Это приводит к интенсивному столкновению частиц аэрозоля с каплями и улавливанию частиц под действием сил инерции. Скруббер Вентури — универсальный малогабаритный аппарат, обеспечивающий улавливание тумана на 99—100%, частиц пыли с d = 0, 01÷ 0, 35 мкм — на 50–85% и частиц пыли с d = 0, 5-2 мкм — на 97%.

Рис.1 Скруббер Вентури

Недостаток скруббера Вентури — большой расход энергии по преодолению высокого гидравлического сопротивления, кото­рое в зависимости от скорости газа в горловине может составлять 0, 002-0, 013 МПа. Помимо того, аппарат не отличается надежно­стью в эксплуатации, управление им сложное.

Недостатки методов мокрой очистки газов от аэрозолей — это образование больших объемов жидких отходов (шлама). Если не предусмотрены замкнутая сис­тема водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мок­рые способы газоочистки по существу только переносят загрязни­тели из газовых выбросов в сточные воды, т. е. из атмосферы в водоемы.

Электростатическая очистка газов служит уни­версальным средством, пригодным для любых аэрозолей, вклю­чая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод осно­ван на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных электродах.

Электрофильтры. Их работа основана на одном из наиболее эффективных видов очистки газов от пыли - электрическом. Следует отметить, что электрофильтры также используются и для очистки тумана. Основной принцип работы - ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между коронирующим и осадительным  электродами. Промышленные электро­фильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускается очищаемый газ.

Степень очистки от аэрозолей – выше 90, 99, 9% - мно­гопольные электрофильтры при d > 1 мкм. Недостаток этого ме­тода – большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный расход энергии на создание электрического поля. Расход электроэнергии на электростатиче­скую очистку – 0, 1-0, 5 кВт на 1000 м³ очищаемого газа.

Звуковая и ультразвуковая коагуляция, а также предваритель­ная электризация пока мало применяются в промышленности и находятся в основном в стадии разработки. Они основаны на укрупнении аэрозольных частиц, облегчающем их улавливание традиционными методами. Аппаратура звуковой коагуляции со­стоит из генератора звука, коагуляционной камеры и осадителя. Звуковые и ультразвуковые методы применимы для агрегирова­ния мелкодисперсных аэрозольных частиц (тумана серной кисло­ты, сажи) перед их улавливанием  другими методами.

Рис.2 Коагулятор

Абсорбция – поглощение газа жидкостью. Абсорбенты, применяемые в промышленности, оцениваются по следующим показателям: 1) абсорбционная емкость, т. е. раство­римость извлекаемого компонента в поглотителе в зависимости от температуры и давления;

2) селективность, характеризуемая соот­ношением растворимостей разделяемых газов и скоростей их аб­сорбции;

3) минимальное давление паров во избежание загрязне­ния очищаемого газа парами абсорбента;

 4) дешевизна;

5) отсут­ствие коррозирующего действия на аппаратуру.

В качестве абсор­бентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др.

 Примером безотходной абсорбционно-десорбционной цикличе­ской схемы может служить поглощение диоксида углерода из от­ходящих газов растворами моноэтаноламина с последующей реге­нерацией поглотителя при десорбции СО2. Десорбция СО2 про­водится также при пенном режиме. Установка безотходна, так как чистый диоксид углерода после сжижения передается потре­бителю в виде товарного продукта.

Рис.4 Схема абсорции СО₂ в пенных абсорберах

Поэто­му технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) име­ют большие объемы.

Адсорбционные методы (поглощение газов твердым поглотителем) применяют для различных технологических целей — разделение парогазовых смесей на ком­поненты с выделением фракций, осушка газов и для санитарной очистки газовых выхлопов.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высоки­ми скоростями газового потока (на порядок выше, чем в перио­дических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы (см. рис. 7).

                          Рис 4. Адсорбер              Рис.5 Адсорбер

Достоинства адсорбционных методов очистки газов:

1. глубокая очистка газов от токсичных примесей;

2. сравнитель­ная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство;

3. осуществляется принцип безотходной технологии.

Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

Недостатки адсорбционных установок — перио­дичность процесса, малая интенсивность реак­торов, высокая стоимость регенерации адсорбен­тов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на зако­номерностях гетерогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превраща­ются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных мето­дов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в без­вредные соединения, присутствий: которых допустимо в выхлоп­ном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового пото­ка. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то тре­буются дополнительные операции (например, извлечение жидки­ми или твердыми сорбентами).

Рис.6 Каталитическая очистка

Трудно провести границу между адсорбционными и каталити­ческими методами газоочистки, так как такие традиционные ад­сорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активны­ми катализаторами для многих химических реакций.

Очистку га­зов на адсорбентах–катализаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выхлопных газов весьма перспек­тивен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и воз­можности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0, 1—0, 2 в объемных долях SO2). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах.

Адсорбционно-каталитические методы применяют для очистки промышленных выбросов от диоксида серы (SO2), сероводорода (H2S) и серо-органических соединений.

Катализатором окисления диоксида серы в триоксид и сероводорода в серу служат модифицирован­ный добавками активированный уголь и другие углеродные сор­бенты. В присутствии паров воды на поверхности угля в резуль­тате окисления SO₂ образуется серная кислота, концентрация ко­торой в адсорбенте составляет в зависимости от количества водяного пара при регенерации угля от 15 до 70%.

Окисле­ние H₂S происходит по реакции                H₂S + 1/2 О₂ = Н2О + S

Рис. 7.Схема каталитического окисления H₂S во взвешенном слое высокопрочного активного угля

Преимущества каталитических методов: глубокая очистка газов от токсичных примесей (до 99, 9%); невысокие температуры и обычное дав­ление; малые начальные концентрации при­месей; утилизирование реакци­онной теплоты; простота в эксплуатации и ма­логабаритность.

Недостаток каталитической очистки: обра­зование новых веществ, которые удаляют из газа дру­гими методами, что усложняет установ­ку и снижает общий экономический эффект.

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических за­грязнителей или оксида углерода. Простейший метод — факельное сжигание — возможен, когда концентрация горючих загрязните­лей близка к нижнему пределу воспламенения, то необходимо подводить некоторое количе­ство теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горю­чего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и выбрасываются в атмо­сферу. Такие энерготехнологические схемы применяют при доста­точно высоком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа.

Комбинированные методы. Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы, в которых применяется оптимальное для каждого конкретного случая сочетание грубой, средней и тонкой очистки газов и паров. На первых стадиях, когда содержание токсичной примеси велико, более подходят абсорбционные методы, а для доочистки - адсорбционные или каталитические.

УРОК (2 ч)

Основные технологии утилизации газовых выбросов. Принцип работы и конструкции аппаратов обезвреживания и очистки газовых выбросов.

Цель: изучение основных способов предотвращения и улавливания выбросов.

План: