ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Способы очистки газовых выбросов

Дисперсные и газовые загрязнители нередко являются следствием одних производственных процессов, вместе перемещаются в коммуникациях, тесно взаимодействуют в очистных аппаратах и атмосфере, совместно наносят ущерб окружающей среде и человеку. Поэтому необходимо учитывать весь комплекс присутствующих в технологическом выбросе загрязнителей. Нельзя принимать за средство очистки запыленных газов пылеосадительное устройство, выбра­сывающее в атмосферу вредные газообразные вещества. Недопустимы и такие средства, в которых обезвреживание исходных газовых загрязнителей сопро­вождается образованием и выбросом ядовитых туманов и дымов других ве­ществ.

Судя по составам реальных отбросных газов и масштабам загрязнения ок­ружающей среды, разрабатывать устройства пылеочистки без учета газообраз­ных загрязнителей возможно только для вентиляционных выбросов механиче­ских цехов. Выбросы практически всех других производств требуют удаления и дисперсных и газовых загрязнителей, причем иногда это можно сделать в одном очистном устройстве.

Для обезвреживания выбросов по принципу удаления токсичных приме­сей наряду с физическими удачно используются и химические процессы. Посредством последних можно изменять в широких пределах физические свойства примесей (например, превращая исходные газообразные загрязни­тели в соединения с высокой температурой кипения) с целью облегчения их дальнейшего улавливания.

Для реализации второго принципа обезвреживания - превращения загрязнителей в безвредные вещества необходимо сочетание химических и физических процессов. С этой целью чаще всего используются процессы термической деструкции и термического окисления. Они применимы для загрязнителей всех агрегатных состояний, но ограничены составом обраба­тываемого вещества. Термической обработке с целью обезвреживания мо­гут быть подвергнуты лишь вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. В противном случае установки термообез­вреживания переходят в разряд источников загрязнения атмосферы, и неред­ко - крайне опасных.

Классификация средств обезвреживания газообразных загрязнителей заключается в разделении по применяемым процессам. В основном для газо­очистки используются средства химической технологии. Поэтому классифи­кация средств обезвреживания выбросов практически совпадает с классифика­цией процессов и аппаратов химической промышленности, вырабатывающих вредные выбросы как отходы основного производства.

Для обезвреживания отходящих газов от газо - и парообразных ток­сичных веществ применяют абсорбционные, адсорбционные, каталитиче­ские, термические и конденсационные методы. Абсорбционные методы основаны на поглощении газов или паров жидкими поглотителями. Ад­сорбционные методы основаны на поглощении примесей твердыми порис­тыми телами. Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных примесей в нетоксичные на поверхности твер­дых катализаторов. Термические методы основаны на сжигании горючих вредных примесей. В основе конденсационных методов лежит явление уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры.

С целью улавливания газообразных примесей применяют процессы кон­денсации, сорбции (абсорбции и адсорбции), хемосорбции, а превращают загрязни­тели в безвредные соединения посредством термохимических (термическая де­струкция, термическое и термокаталитическое окисление) и химических процес­сов. Соответствующие аппараты называются конденсаторами, абсорберами, ад­сорберами, установками (печами) термодеструкции (пиролиза, крекинга, рифор - минга), термоокисления (дожигания), термокаталитическими установками (печа­ми, реакторами), химическими реакторами.

Для очистки выбросов от газообразных загрязнителей чаще всего при­меняют методы конденсации, абсорбции, адсорбции и термообезвреживания. Если температура кипения загрязнителей при атмосферном давлении невысо­ка (ориентировочно ниже 100°С), то глубокая очистка посредством охлажде­ния и повышения давления потребует чрезмерно высоких расходов энергии, и конденсационную очистку можно использовать только как предваритель­ную. Абсорбционной обработке могут быть подвергнуты выбросы, загрязни­тели которых хорошо растворяются в абсорбенте. Если при этом концентра-

3 3

Ция загрязнителя в выбросах превышает (1...2) 10 кг/м, то технически воз­можно достичь степени очистки более 90%.

В качестве абсорбента чаще всего используются вода или органические жидкости, кипящие при высокой температуре. В аппаратах с органическими аб­сорбентами можно обрабатывать выбросы, не содержащие твердых приме­сей, которые практически не поддаются отделению от поглотительной жидко­сти. Для некоторых газовых загрязнителей можно успешно применить химиче­скую абсорбцию (хемосорбцию) - процесс, в котором подлежащий удалению загрязнитель вступает в химическую реакцию с поглотителем и образует ней­тральное или легко удаляемое из процесса соединение. Такие процессы спе­цифичны и разрабатываются конкретно для каждого вида выбросов и набора загрязнителей.

Самым универсальным средством очистки выбросов от газообразных загрязнителей на настоящее время остается адсорбция, а наиболее универ­сальным адсорбентом - активированный уголь. Посредством адсорбции прин­ципиально возможно извлечь из выбросов любой загрязнитель в широком диа­пазоне концентраций. Однако высококонцентрированные загрязнители (ориен-

3 3

Тировочно с концентрациями более 510 кг/м) удобнее подвергать предвари­тельной обработке (конденсацией, абсорбцией) для снижения их концентраций. Необходима также предварительная обработка (осушка) сильно увлажненных газов.

К сожалению, часто в качестве универсального средства очистки вы­бросов рассматривается термообезвреживание, каковым оно на самом деле не является. В термоокислительных процессах необратимо теряется качество воз­духа, использованного для горения, а продукты окисления, выбрасываемые в атмосферу, содержат некоторое количество новых токсичных веществ - ок­сида углерода СО и оксидов азота NO. Вообще область применения термо­обезвреживания ограничена только соединениями, в молекулах которых нет других элементов, кроме углерода С, водорода Н и кислорода О. Получить не­токсичные продукты реакции любых других соединений с кислородом прин­ципиально невозможно. Термоокислительная обработка выбросов, загрязнен­ных углеводородами или КПУ (кислородными производными углеводородов), ограничивается также по затратам топлива на создание требуемых температур в зоне реакции (400...550°С для термокаталитической обработки и 800...1200°С для непосредственного термоокисления, т. е. сжигания в пламени). Чтобы обеспечить максимальное окисление исходных загрязнителей до отно­сительно нейтральных СО2 и Н2О, процесс термообезвреживания должен быть полностью контролируемым. Поэтому он должен осуществляться в топочных устройствах, соответствующих по параметрам расчетным условиям, обеспечи­вающим полное окисление загрязнителей. По этой же причине сжигание орга­нических соединений в открытом пламени не может быть отнесено к способу термического обезвреживания. Канцерогенная копоть факелов химических предприятий, с легкостью преодолевающая санитарно-защитную зону, показы­вает, что это серьезный источник загрязнения окружающей среды, а не сред­ство защиты атмосферы.

К перспективным способам обработки больших объемов выбросов с не­высокими концентрациями органических газообразных загрязнителей можно отнести схему термообезвреживания с предварительным концентрированием загрязнителей посредством адсорбции. Такая схема может быть технически и экономически приемлемой при начальной концентрации загрязнителя выше 50 мг/м. Теплоту, выделяющуюся при сгорании загрязнителей, можно достаточно легко утилизировать. Если концентрация горючих загрязнителей может быть

33

Доведена ориентировочно до (5...6) 10' кг/м, то термообработку можно орга­низовать с незначительным добавлением топлива, а при более высоких концен­трациях можно ожидать и экономической эффективности работы установки.

Представляются перспективными способы обработки отбросных газов, основанные на переводе парообразных загрязнителей в конденсированное со­стояние и последующей фильтрации образовавшегося аэрозоля. Если загрязни­тели имеют невысокое давление насыщенных паров, то может быть приемле­мой конденсация посредством повышения давления и понижения температуры выбросов. Пары загрязнителей легкокипящих веществ могут быть подвергнуты обработке химическими реагентами таким образом, чтобы продукты реакции имели низкие давления насыщенных паров. При этом способы химической обработки необходимо подбирать так, чтобы была возможна утилизация улав­ливаемого продукта.

В практике газоочистки применяют три основных способа очистки выбросов в атмосферу от вредных паров и газов: абсорбция жидкостями, адсорбция твердыми поглотителями, каталитические методы очистки.

Абсорбция — избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями.

Газовую среду, из которой извлекают компонент, называют газом- носителем,, жидкий поглотитель — абсорбентом, поглощаемый компонент — абсорбтивом.

Скорость абсорбции зависит от ряда факторов, главным образом, давления и температуры. С ростом давления и температуры скорость аб­сорбции повышается.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изме­няются условия, например, происходит понижение давления над жидко­стью или снижается температура, процесс становится обратимым и проис­ходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществ­лен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить поглощенный компонент. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно много­кратно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой про­цесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде.

Абсорбционную очистку выбросов в атмосферу применяют как для извле­чения ценного компонента из газа, так и для санитарной очистки газа. Считают, что целесообразно применять абсорбцию, если концентрация данного компо­нента в газовом потоке составляет свыше 1 %.

Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки газовых сме­сей во многих отраслях, например, в химической промышленности. Абсорб­цию широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других серни­стых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, орга­нических веществ (фенола, формальдегида и др.).

Различают абсорбцию физическую и химическую. При физической абсорбции молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие. При химической абсорбции молекулы абсорбента вступают в химическую реакцию с молекулами абсорбтива, об­разуя новое химическое соединение.

Процесс абсорбции осуществляется в специальных аппаратах — абсор­берах. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта абсорбента с газом-носителем.

Адсорбция — процесс избирательного поглощения одного или несколь­ких компонентов из газовой среды с помощью адсорбентов — твердых материа­лов с большой удельной поверхностью.

Газовая среда, из которой происходит поглощение компонента, на­зывается газом-носителем, твердое вещество, поглощающее компонент — адсорбентом, поглощаемое вещество — адсорбтивом, поглощенное веще­ство — адсорбатом.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества не происходит химического взаимодействия. Процесс физической адсорбции может быть обратимым, т. е. чередуются стадии адсорбции и десорбции (выделения поглощенного компонента из адсорбента).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и адсорбтива хими­чески взаимодействуют. Десорбция практически неосуществима.

При химической адсорбции выделяется значительно больше тепло­ты, чем при физической адсорбции.

Ниже рассматривается физическая адсорбция, находящая применение в промышленности в значительной мере из-за возможности осуществить об­ратный процесс (десорбцию).

Каталитические методы очистки основаны на взаимодействии уда­ляемых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду веществом в при­сутствии катализатора. В результате реакций находящиеся в газе примеси превращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность, или легко отделяются от газа.

Благодаря применению катализаторов можно достичь высокой степени счистки газа, достигающей в ряде случаев 99,9 %. Каталитическая очистка применяется в основном при небольшой концентрации удаляемого компо­нента в очищаемом газе.

Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, ок­сид углерода, другие вредные газовые загрязнения.

Катализатор должен обладать активностью, пористой структурой, а также стабильностью, селективностью, прочностью. Под стабильностью по­нимают устойчивость к длительному воздействию температуры и компо­нентов газовой смеси.

Основное достоинство каталитических методов очистки: возмож­ность достижения высокой степени очистки. При температуре 100...150°С процессы рассматриваются как необратимые, что позволяет получать газ с весьма низким содержанием примесей.

Основные недостатки: обычно установки для каталитической очист­ки сложны, громоздки; в качестве эффективных катализаторов приходится применять дорогостоящие вещества — платину, палладий, рутений; ис­пользуют и более дешевые — никель, хром, медь, но они менее эффектив­ны. В целом наблюдается тенденция расширения применения каталитиче­ской очистки. Эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термиче­ского окисления углеводородных компонентов до СО2 и Н2О. В ходе про­цесса дожигания 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.

Очевидно, что возможность дальнейшей переработки отходов средствами основной технологии весьма ограничена, чем изначально предопределяется не­высокое качество очистки выбросов. Такой подход к проблеме требует сущест­венного пересмотра. Одним из действенных шагов могло бы стать включение операций обезвреживания отходов в основной технологический процесс, как ли­митирующих количество и качество выпускаемой продукции.

Неограниченный рост ассортимента и объема производимой в современ­ном мире продукции ведет к усложнению и удорожанию технологий обработки от­ходов. Можно предполагать, что уже в ближайшем будущем станут вполне при­емлемыми по затратам методы, используемые сегодня в малотоннажных произ­водствах - газоразделение посредством хроматографирования на молекулярных ситах, центрифугирования тяжелых компонентов, термодиффузии, обезвреживание загрязнителей плазменной деструкцией.