Термическое обезвреживание газовых выбросов

Химические реакции между ингредиентами газовых выбросов, которые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются с повышением температуры. Система, содержащая токсичные вещества, может быть обезврежена посредством термообработки, если реакции, происходящие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов.

По типу происходящих реакций высокотемпературные методы обезвреживания можно разделить на восстановительные и окислительные. Высокотемпературное восстановление специфично и разрабатываются индивидуально для каждого конкретного загрязнителя. К настоящему времени в технике газоочистки нашли применение способы термохимического восстановления NO_x до N₂ и некоторые другие. Расчеты таких процессов и подбор оборудования для них выполняют методами, общепринятыми для процессов химической технологии.

Процессы высокотемпературного окисления, как правило, проводят, используя в качестве окислителя кислород.

Высокотемпературное восстановление. Наиболее разработаны в настоящее время методы очистки отбросных газов от оксидов азота путем гомогенного и гетерогенного восстановления. В качестве гомогенных восстановителей используют аммиак, карбамид в виде водного раствора, горючие газы. При взаимодействии аммиака с NO_x в присутствии паров воды в газовой фазе при температуре 30…40ºС протекают следующие экзотермические реакции:

NH₃ + H₂O NH₄OH

2NO₂ + 2NH₄OH NH₄NO₂ + NH₄NO₃

N₂O₃ + 2NH₄OH 2NH₄NO₂ + H₂O

Последующее нагревание газового потока приводит к разложению образовавшихся аэрозолей нитритов и нитратов аммония на безвредные продукты:

NH₄NO₂→N₂ + 2H₂O

NH₄NO→N₂ + 2H₂O + ¹/₂O₂

Нитрит аммония интенсивно и полностью разлагается при 70…80ºС, разложение нитрата аммония происходит при температуре 230…240ºС. При содержании NO_x в нитрозных газах 0,4 об.% и введении в них стехиометрического количества аммиака степень разложения солей при температуре 250ºС составляет 98%, при 300ºС – 100%.

В качестве гомогенного восстановителя можно использовать также природный газ. В этом случае процесс разложения проводят в реакторе при температуре 1000…1100ºС. Степень разложения оксидов азота можно определить по формуле

, (109)

где t – температура, ºС.

Скорость разложения оксидов азота G, кмоль/м³ и необходимый объем реактора V, м³, определяются по уравнениям

; (110)

, (111)

где K – коэффициент, равный 2,1–2,2; C_NO – концентрация NO в газе,%; V_нг – объем нитрозных газов, м³/ч.

Для обезвреживания отходящих газов от оксидов азота в теплоэнергетике более перспективным является использование карбамида в виде водных растворов, а также в виде гранул, порошка или в виде слоя, нанесенного на пористые носители. В последнем случае процесс восстановления является гетерогенным, так как в нем участвуют две разных фазы: газообразная и твердая. В таких процессах степень обезвреживания может достигать 85–99% и более.

Высокотемпературное окисление. Основой процесса термического обезвреживания промышленных газообразных отходов (ПГО) является реакция окисления токсичных горючих веществ (как правило, органического происхождения), содержащихся в промышленных газовых выбросах. Основными источниками таких выбросов являются продукты сгорания различных топлив, а также газы, выделяющиеся при других технологических процессах, не связанных с горением топлива. Из всех окислительных процессов для термообезвреживания пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты окисления. Поэтому далее под термином «окисление» подразумевается процесс, окислителем в котором служит кислород. Способы газоочистки, основанные на высокотемпературном сжигании горючих примесей, широко используют в лакокрасочных производствах, в химической, электротехнической и электронной промышленности, в пищевой индустрии, типографском деле, при обезжиривании и окраске деталей и изделий и во многих других процессах.

Суть этих способов заключается в окислении токсичных или нежелательных компонентов кислородом. Таким образом могут быть обезврежены практически любые пары и газы, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества.

Термоокисление газообразных загрязнителей может происходить в газовой фазе (в объеме) или на границе раздела фаз (на поверхности). Газофазный процесс осуществляют непосредственной огневой обработкой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих температуру воспламенения горючих компонентов выбросов.

Термоокислительные методы менее специфичны, чем термовосстановительные, однако далеко не универсальны. Огневой обработкой, принципиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содержат каких-либо других элементов, кроме водорода Н, углерода С и кислорода О. Это следующие химические соединения: водород Н₂, оксид углерода СО, углеводороды C_mH_n и кислородные производные углеводородов (КПУ) C_mH_nO_k . Посредством сжигания возможно обезвреживание перечисленных веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях, диспергированных или компактных. Загрязняющие вещества, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О – серу S, фосфор Р, галогены, металлы и другие нельзя подавать на термоокислительную обработку, так как продукты сгорания будут содержать вредные соединения, токсичность которых зачастую выше, чем у исходных газов. В реальных условиях и при сжигании чисто органических соединений не удается обеспечить абсолютно полное окисление исходных компонентов до практически безвредных углекислого газа СО₂ и паров воды Н₂О. В дымовых газах всегда присутствуют оксид углерода СО и другие продукты неполного химического окисления.

Метод сжигания вредных примесей, способных окисляться, находит все более широкое применение для очистки дренажных и вентиляционных выбросов производств основного органического синтеза, фенолсодержащих газов, паров масел, нефтепродуктов и др. Как правило, примеси сжигают в печах с использованием газообразного или жидкого топлива.

Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также неприятно пахнущих примесей. Их преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов.

Газовые выбросы, содержащие горючие компоненты, существенно отличаются для различных промышленных источников как по номенклатуре подлежащих устранению компонентов, так и по теплоте сгорания и объемам, составляющим от десятков до сотен тысяч кубических метров в час.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в обычных или усовершенствованных топочных устройствах, в промышленных печах и топках котельных агрегатов, а также в открытых факелах.

Существуют различные схемы проведения процесса сжигания. Применение той или иной схемы процесса термического обезвреживания ПГО зависит от физико-химических свойств веществ, находящихся в выбросах, и их токсичности.

Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать необходимое время пребывания обрабатываемых газов в аппарате при температуре, гарантирующей возможность достижения заданной степени их обезвреживания (нейтрализации). Время пребывания обычно составляет 0,1–0,5 с (иногда до 1 с), рабочая температура в большинстве случаев ориентирована на нижний предел самовоспламенения обезвреживаемых газовых смесей и превосходит температуру воспламенения (табл. 15) на 100…150°С.

Таблица 15