1. Аналитический обзор

Методы очистки отходящих газов от паров органических растворителей

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют методы: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические, конденсации и компримирования.

1. Абсорбционные методы

Абсорбционные методы основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка – непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начало цикла очистки. При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрирование.

Показатели абсорбционной очистки: степень очистки и коэффициент массопередачи зависят от растворимости газа в абсорбенте, технологического режима в реакторе (скорости, температуры, давления) и от других факторов, например от равновесия и скорости химических реакций при хемосорбции. В хемосорбционных процессах, где в жидкой фазе происходят химические реакции, коэффициент массопередачи увеличивается по сравнению с физической абсорбцией. Большинство хемосорбционных процессов газоочистки обратимы, то есть при повышении температуры поглотительного раствора химические соединения, образовавшиеся при хемосорбции, разлагаются с регенерацией активных компонентов поглотительного раствора и с десорбцией поглощенной из газа примеси. Этот прием положен в основу регенерации хемосорбентов в циклических системах газоочистки. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей.

Для очистки выбросов от газообразных и парообразных примесей применяют и интенсивную массообменную аппаратуру — пенные аппараты, безнасадочный форсуночный абсорбер, скруббер Вентури, работающие при более высоких скоростях газа. Пенные абсорберы работают при скоростях от 1 до 4 м/с и обеспечивают сравнительно высокую скорость абсорбционно-десорбционных процессов; их габариты в несколько раз меньше, чем насадочных скрубберов. При достаточном числе ступеней очистки (многополочный пенный аппарат) достигаются высокие показатели глубины очистки: для некоторых процессов до 99,9%. Особенно перспективны для очистки газов от аэрозолей и вредных газообразных примесей пенные аппараты со стабилизатором пенного слоя. Они сравнительно просты по конструкции и работают в режиме высокой турбулентности при линейной скорости газа до 4-5 м/с.

Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы.

2. Адсорбционные методы

Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью (отношение поверхности к массе, м²/г). Внутренняя структура наиболее распространенных на практике промышленных адсорбентов характеризуется наличием различных размеров и форм пустот или пор, среди которых различают макро-, мезо- и микропоры. Суммарный объем последних в единице массы или объема адсорбента определяет в решении задач газоочистки, как скорость (интенсивность) поглощения целевого компонента, так и адсорбционную способность твердым поглотителем этого компонента.

Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированные угли, силикагели, алюмогели, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные требования к промышленным сорбентам — высокая поглотительная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительная служба без изменения структуры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации. Чаще всего для санитарной очистки газов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной способности и легкости регенерации.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции поглощаемые молекулы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-Вальса, при хемосорбции – химическими силами [1].

Адсорбцию газовых примесей обычно ведут в полочных реакторах периодического действия без теплообменных устройств; адсорбент расположен на полках реактора. Когда необходим теплообмен (например, требуется получить при регенерации десорбат в концентрированном виде), используют адсорберы с встроенными теплообменными элементами или выполняют реактор в виде трубчатых теплообменников; адсорбент засыпан в трубки, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель.

Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью от 0,05 до 0,3 м/с. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие — на стадиях регенерации, охлаждения и прочее.

Регенерацию проводят нагреванием, например выжиганием органических веществ, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смолой), полностью заменяют.

Общие 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; таким образом, осуществляется принцип безотходной технологии.

Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей, содержащихся в малых концентрациях, то есть как завершающий этап санитарной очистки отходящих газов.

Недостатки большинства адсорбционных установок — периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.

3. Каталитические методы

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, то есть на закономерностях гетерогенного катализатора. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие 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). Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и каталитических ядов. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Проводят их в реакторах различной конструкции.

Широко распространен способ каталитического окисления токсичных органических соединений и оксида углерода в составе отходящих газов с применением активных катализаторов, не требующих высокой температуры зажигания, например металлов группы платины, нанесенных на носители. Обычно любые газообразные органические соединения могут подвергаться каталитическому сжиганию при условии, что продукты сгорания сами газообразны. К таким органическим примесям относятся соединения, содержащие серу или азот, но не кремний- и фосфорорганические соединения. Если содержание неорганической пыли в сжигаемом газе велико, она должна быть предварительно удалена, однако малое ее количество, которое обычно содержится в воздухе, может пройти через установку каталитического сжигания и, в ряде случаев даже уловлено в ней. Этот осадок удаляется при периодической (годовой или полугодовой) промывке катализатора.

Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9%) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, то есть создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Недостаток многих процессов каталитической очистки — образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.

4. Методы конденсации и компримирования

В рекуперационной технике наряду с другими методами для улавливания паров летучих растворителей используют методы конденсации и компримирования.

Метод конденсации – уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. Смесь паров растворителя с воздухом предварительно охлаждают в теплообменнике, а затем конденсируют. Достоинство: простота аппаратурного оформления; эксплуатация рекуперационной установки. Однако проведение процесса очистки паровоздушных смесей методом конденсации сильно осложнено, поскольку содержание паров летучих растворителей в этих смесях обычно превышает нижний предел их взрываемости. Недостатки: высокие расходы холодильного агента, электроэнергии и низкий процент конденсации паров (выход) растворителей (70—90%).

Метод компримирования то же явление, что и метод конденсации, но применительно к парам растворителей, находящимся под избыточным давлением. Однако, метод компримирования более сложен в аппаратурном оформлении, так как в схеме улавливания паров растворителей необходим компримирующий агрегат. Кроме того, он сохраняет все недостатки, присущие методу конденсации, и не обеспечивает возможность улавливания паров летучих растворителей при их низких концентрациях.

5. Термические методы

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно 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, сильно различаются для различных промышленных источников как по номенклатуре подлежащих устранению компонентов, так и по числу последних, а также по теплоте сгорания и объемам, составляющим от десятков до сотен тысяч м³/ч. Способы газоочистки, основанные на высокотемпературном сжигании горючих примесей, широко используют в лакокрасочных производствах, процессах получения ряда видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой индустрии, в типографском деле, при обезжиривании и окраске деталей и изделий и во многих других процессах.

Суть этих способов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. 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.

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 от 0,1 до 0,5 с (иногда до 1 с), рабочая температура в большинстве случаев ориентирована на нижний предел самовоспламенения обезвреживаемых газовых смесей и превосходит температуру воспламенения на 100-150°С.

В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо. В качестве самостоятельного топлива могут сжигаться отходя­щие газы с теплотворной способностью от 3,35 до 3,77 МДж/м³ и ниже, если они обладают повышенной температурой. Прямое сжигание газообразных отходов с использованием дополнительного топлива считают целесообразным в случаях, когда обезвреживаемые компоненты газовых выбросов могут обеспечить не менее 50% общего тепловыделения. Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания прежде всего с целью сокращения этих затрат. Расход дополнительного топлива при сжигании таких газообразных отходов, нагретых до 50 °С, составляет от 25 до 40 кг условного топлива на 1000 м³ обрабатываемых газов [1].

6. Метод биохимической очистки

Биохимические методы газоочистки основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Поглощение и обезвреживание вредных примесей, содержащихся в воздухе, при биологической очистке осуществляется за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Особенностью метода является использование естественных биологических процессов без применения чуждых экологической системе материалов и реагентов.

Сущность биохимического метода состоит в аэробном разложении, окислении и ассимиляции микроорганизмами уловленных примесей. Разложение веществ происходит под воздействием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соединений или группы веществ, присутствующих в очищаемых газах.

В результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит разложение вредных веществ, содержащихся в воздухе, и превращение их в менее опасные вещества. Скорость протекания биохимических реакций зависит от состава очищаемого воздуха, концентрации в нем аэрозольных частиц, а так же от вида, количества и активности микроорганизмов.

В качестве среды обитания микроорганизмов в биофильтре применяют компост, землю, торф, кору деревьев, пластмассовые элементы и др. Активность микроорганизмов зависит от температуры, влажности, кислотности среды, насыщения кислородом, наличия веществ для питания микроорганизмов в очищаемом воздухе.

Биологический метод очистки может быть реализован в аппаратах или устройствах трех типов:

• в фильтрах со слоем увлажненной почвы или компоста, через который пропускается очищаемый газ при нагрузке до 100 мг/(кг·ч);

• в биофильтрах с инертной насадкой, на поверхности которой искусственно выращивается биопленка активного ила (суспензия, содержащая 5 – 10 г/л активного ила);

• в аппаратах барботажного типа (скрубберах) с водной суспензией микроводорослей хлореллы или активного ила.

Содержащиеся в очищаемых газах вредные вещества улавливаются слоем насадки или абсорбентом и расщепляются микроорганизмами активного ила. Способность активного ила к расщеплению уловленных веществ устанавливается по соотношению полной биохимической потребности в кислороде (БПК_п) до начала процессов нитрификации и химической потребности в кислороде (ХПК), которая характеризует окисление вещества до оксида углерода и воды.

При биологической очистке необходимо создать определенный температурно-влажный режим для микроорганизмов, которые являются живыми существами и нуждаются в определенной среде и питании. Если одно из условий (температура, влажность, соответствующая питательная среда) не создано, количество микроорганизмов уменьшается, и они могут погибнуть. Необходимо выбрать оптимальный вид микроорганизмов и условия их обитания с учетом вида очищаемой среды и содержащихся в ней веществ.