12 Методы каталитической и термической очистки отходящих газов

Суть каталитических процессов газоочистки заключается в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов. Последние не вызывают изменения энергетического уровня молекул взаимодействующих веществ и смещения равновесия простых реакций. Их роль сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Каталитические взаимодействия в гетерогенном катализе происходят на границе раздела фаз конвертируемой газовой смеси и катализатора. Последний обеспечивает взаимодействие на его поверхности конвертируемых веществ с образованием активированных комплексов в виде промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ, формирующих затем продукты катализа, освобождающие (восстанавливающие) поверхность катализатора. Схема этого явления для газовой реакции А + В→С в присутствии катализатора К может быть представлена следующим образом:

А+В+К →К[АВ], К[АВ] →С+К,

где К[АВ] – активированное промежуточное соединение на поверхности катализатора.

В ряде случаев функции поверхности катализатора заключаются в зарождении реакционных цепей, развивающихся затем в объеме конвертируемой газовой фазы, где осуществляется дальнейшая конверсия целевого компонента по гетерогенно-гомогенному механизму.

Активность катализатора обычно определяется совокупностью физико-химических свойств, как самого катализатора, так и конвертируемого газового потока. В наибольшей степени она зависит от температуры каталитического превращения, структуры катализатора, содержания в нем промоторов, давления, объемного расхода, концентрации и молекулярных масс исходных реагентов и продуктов конверсии в газовой смеси.

Масса и свойства катализатора теоретически не должны претерпевать изменений в процессе его работы. На практике, однако, в процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции. Последние вызываются химическими (отравление каталитическими ядами, присутствующими в конвертируемых газах, недостаточная селективность катализатора, возможность образования нелетучих продуктов и т. п.) и физическими (механическое истирание, спекание, агрегатирование под действием избыточной свободной энергии поверхности и т. п.) факторами и ведут к необходимости периодической регенерации (активации) или замены катализаторов. В этой связи к промышленным катализаторам предъявляют требования в отношении высокой активности и теплопроводности, а также стойкости к механическим и термическим нагрузкам. Наряду с этим они должны быть дешевыми и, обладая необходимыми структурными параметрами, иметь, возможно, более низкие температуры зажигания и геометрию частиц, обеспечивающую низкое гидравлическое сопротивление слоя.

Необходимые для эффективного осуществления соответствующих процессов газоочистки катализаторы обычно подбирают экспериментальным путем.

В процессах санитарной каталитической очистки отходящих газов промышленности высокой активностью характеризуются контактные массы на основе благородных металлов (платина, палладий, серебро и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контакты, активированные благородными ме¬таллами (1,0–1,5%).

Среди катализаторов условно различают:
цельнометаллические – представляют собой металлы платиновой группы или неблагородные металлы, нанесенные на сетки, ленты, спирали;
смешанные — включают металлы платиновой группы и оксиды неблагородных металлов, нанесенных на оксид алюминия или другие металлы;
керамические – состоящие из металлов платиновой группы или оксидов неблагородных металлов, нанесенных на керамическую основу виде сот или решеток;
насыпные – приготовленные в виде гранул или таблеток различной формы с нанесенными на него металлом платиновой группы или оксидами неблагородных металлов, а так же виде зерен оксидов неблагородных металлов.

Достоинства и недостатки: наибольшее преимущество перед другими типами катализаторов имеют катализаторы, нанесенные на металлические носители: более термостабильные имеют период эксплуатации 1 год и более, отличаются высокой износостойкостью и прочностными характеристиками; имеют развитую поверхность и пониженную насыпную плотность; их регенерация не представляет существенных трудностей. Это обуславливают широкую распространенность цельно-металлических каталлизаторов для обработки значительных объемов газовых выбросов, содержащих пары растворителей, фенолов и других токсичных органических веществ.

Более простые и дешевые в изготовлении катализаторы на основе из керамики: характеризуются низким гидравлическим сопротивлением, меньшей насыпной плотностью, но менее термостабильные, чем цельнометаллические.

Термический метод обезвреживания получил более широкое распространение, так как некоторые вредные примеси трудно или невозможно полностью нейтрализовать другими методами из-за сложности их состава, низкой концентрации, а также из-за отсутствия эффективных средств улавливания. Он заключается в том, что все органические вещества полностью окисляются кислородом воздуха при высокой температуре до нетоксичных соединений. В результате выделяются минеральные продукты, вода, диоксид углерода, а также теплота, которые требуют дальнейшей их утилизации.

Метод термического окисления (дожига) органических веществ, содержащихся в отходящих газах, относится к энергоемким. Для поддержания необходимой температуры обезвреживания отходящих газов (800 -1200°С) используется высококалорийное топливо, поэтому преимущественно этот способ применяется для обезвреживания газов сложного состава и в тех случаях, когда возврат уловленных примесей в производство экономически нерентабелен.

Наиболее экономичным приемом термического обезвреживания газов из выбросов является их использование вместо дутьевого воздуха при сжигании высококалорийного топлива (природного газа, мазута) в действующих тепловых агрегатах, таких как печи, сушилки, топки и т. д. Для обеспечения надежного и качественного горения минимальное содержание кислорода в газовых выбросах должно быть около 17 %.

К преимуществам термического метода обезвреживания отходящих газов относятся отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты установок, простота обслуживания, высокая эффективность, возможность обезвреживания горючих выбросов сложного состава.

Метод дожига углеводородов получает все большее распространение. Накоплен опыт термического обезвреживания воздуха, содержащего примеси стирола, формальдегида, толуола, бутилацетата и других органических веществ.

Установки прямого сжигания представляют собой камеру, в которую по самостоятельным каналам подается топливо, очищаемый газ и воздух. Для полного окисления горючих компонентов необходимо тщательное перемешивание смеси. С целью снижения затрат отходящие газы чаще всего сжигаются совместно с твердыми отходами. В результате упрощается проблема утилизации промышленных отходов в целом, а также резко снижаются энергетические и эксплуатационные затраты. С помощью современных установок термодожига можно обеспечить полную безвредность и высокую производительность этого процесса.

Одним из таких устройств является установка типа «Вихрь» для бездымного сжигания нефтепродуктов, подлежащих вторичному использованию. В этой установке совмещены функции обезвреживания газов и сжигания отходов. Поступающий в установку шлам первоначально автоматически обезвоживается, а затем направляется в топочную камеру, где сжигается в ускоренном режиме при температуре порядка 1000 °С и подаче строго рассчитанного количества сжатого воздуха. Такие жесткие условия процесса способствуют тому, что побочные реакции окисления, ведущие к образованию тяжелых смолистых продуктов, оседающих плотными трудновыгораемыми наслоениями, отсутствуют. Процесс обеспечивает полное окисление продуктов, бездымность горения, отсутствие запахов и требуемую степень обезвреживания отходящих газов. По простоте конструкции, надежности в работе, высокому КПД и возможности подключения теплообменников для утилизации тепла установка «Вихрь» значительно превосходит другие агрегаты аналогичного назначения.

Недостаток метода — необходимость высоких температур, что приводит к повышенным энергозатратам.

С целью снижения температуры обезвреживания органических примесей применяют установки сжигания, где в качестве инициатора окисления используются различные катализаторы. Тем самым достигается снижение температуры обезвреживания более чем в два раза и обеспечивается возможность нейтрализации газов с низким содержанием вредных примесей.

Особенность установки термокаталитического обезвреживания состоит в том, что затраты энергии необходимы только в момент пуска, т. е. когда требуется подогреть газовый поток до начальной температуры каталитического окисления (300 — 400 °С). Затем процесс протекает самопроизвольно за счет теплоты реакции окисления.

Термокаталитическое дожигание органических веществ до диоксида углерода и воды применяют в тех случаях, когда отходящие газы представляют собой многокомпонентную смесь различных органических веществ. В настоящее время разработаны типовые схемы обезвреживания выбросов от сушильных камер путем сжигания паров растворителей на поверхности катализатора. Внедрение схем, предусматривающих последующую утилизацию теплоты, позволяет достичь сокращения расхода теплоносителей не менее чем на 20 % (при сжигании паров с низким содержанием горючего компонента).