1.4 Недостатки и преимущества абсорбционного метода очистки газов

Абсорбционный метод очистки газов не свободен от определенных недостатков, связанных, прежде всего, с громоздкостью оборудования. Этот метод достаточно капризен в эксплуатации и связан с большими затратами. К недостаткам абсорбционного метода следует отнести также образование твердых осадков, что затрудняет работу оборудования, и коррозионную активность многих жидких сред. Однако, не смотря на эти недостатки, абсорбционный метод еще широко применяется в практике газоочистки, так как он позволяет улавливать наряду с газами и твердые частицы, отличается простотой оборудования и открывает возможности для утилизации улавливаемых примесей

Технология абсорбционной очистки промышленных

выбросов

Одной из основных областей применения абсорбции является удаление водорастворимых газообразных загрязнений из отходящих газов различных процессов. Примерами таких загрязнений являются HCl, SO2, NO2, HF, SiF4, NH3 и H2S. Из-за ограниченной растворимости SO2 в воде обычно применяют щелочную абсорбирующую жидкость, что позволяет нейтрализовать SO2 в абсорбирующей жидкой пленке, снизить давление паров SO2 и увеличить движущую силу.

Очистка газов от SО2 ведется преимущественно хемосорбционными методами на основе извести или известняка. При абсорбции известковым молоком процесс протекает следующим образом:

SО2 + Н2O → Н2SO3; Са(ОН)2 + SO2 → СаSОз + H2O;

2СаSО3 + O2 → 2CaSО4.

При использовании суспензий известняка суммарные реакции имеют вид:

SО2 + СаСО3 + 2Н2O → СаSО3 + 2H2O + СО2;

CaSO3 +½ O2 + 2Н2O → CaSО4 × 2Н2O

Высокая степень улавливания SO2 достигается при использовании аммиачного способа:

SO2 + NH4OH → NH4HSO3;

(NH4)2SO3 + SО2 + H2O → 2NH4HSO3.

При нагревании бисульфат аммония разлагается:

2NH4HSO3 → (NH4)2SO3 + SО3 + Н2O

Недостаток метода - большой расход NН3, сложность схем улавливания и регенерации полученных растворов.

Однако поскольку продукты сгорания содержат CO2, в случае сильно щелочных растворов (рН > 9) будут абсорбироваться большие количества CO2, что приведет к повышенному расходу щелочи и твердых реагентов для удаления отходов. Обычно величину рН абсорбирующей жидкости на выходе газового потока поддерживают равной 8,0…8,5. Для поддержания в отработанной жидкости рН > 7 соответствующим образом регулируют отношение скоростей жидкого и газового потоков. Чтобы движущая сила была максимальной, жидкость и газ направляют противотоком.

Насадочные и тарельчатые колонны, обеспечивающие наиболее эффективный контакт газа с жидкостью, являются оптимальными аппаратами для абсорбции в отсутствие твердых частиц (как присутствующих в газовом потоке, так и образующихся в результате реакции осаждения). Известь (а также известняк) - доступные и недорогие щелочные агенты - часто применяются для достижения требуемого рН абсорбирующей жидкости. В то же время многие соли кальция, такие как сульфаты, сульфиты и фториды, имеют ограниченную растворимость. При использовании их растворов возможна забивка трубопроводов, форсунок, насадки и т. п., что представляет серьезную проблему в системах обессеривания топочных газов. Для абсорбции HF часто используют открытые распыливающие камеры, однако при обессеривапии в этих аппаратах также возможны указанные трудности. Успешно был проведен процесс очистки в скрубберах Вентури и в турбулентных контактных аппаратах.

Другим возможным решением проблемы забивки оборудования является использование в абсорберах хорошо растворимых щелочных агентов, например NaOH. Жидкость после стадии абсорбции обрабатывается известью в специальном реакторе, и смесь подается в отстойник; в результате такой обработки регенерируется NaOH, который возвращается в абсорбер. В системе протекают следующие химические реакции.

В абсорбере:

SO2 + 2NaOH Na→2SO3 + H2O

Na2SO3 + Ca(OH)2 → CaSO3 + 2NaOH.

Иногда раствор продувают воздухом для окисления сульфита в сульфат.

Если образующийся при обработке продукт находит полезное применение, то необходимость в стадии регенерации отпадает. Так, процесс абсорбции SO2 гидроксидом или карбонатом натрия может оказаться экономически выгодным в тех случаях, когда образующиеся бисульфит или сульфит натрия находят применение на расположенных неподалеку бумагоделательных фабриках.

Для абсорбции SO2 используют щелочной раствор соли аммония. При этом по мере необходимости могут быть получены бисульфит, сульфит, бисульфат или сульфат аммония. Газы, поступающие на промывку, на первой стадии контактируют с раствором, имеющим явно щелочную реакцию, в результате чего достигается полное удаление SO2. На второй стадии, газ проходит через скруббер с нейтральным или слабокислым раствором, что-бы предотвратить унос NH3 в атмосферу.

В другой абсорбционной системе, разработанной для удаления SO2 и прошедшей опытную проверку, используют MgO и промывку фосфатными, карбонатными или лимоннокислыми растворами.

При абсорбционной обработке, когда на начальных стадиях контакта используется вода, содержащая летучий нейтрализующий агент, необходимо учитывать, что он может взаимодействовать с газообразными загрязнениями в газовой фазе с образованием твердых продуктов реакции. В качестве примера можно упомянуть абсорбцию NH3 водой, подкисленной HCl или HNO3, или абсорбцию HCl водой, содержащей NH3. Газофазные реакции протекают в начале контактирования, они приводят к образованию дыма с частицами субмикронных размеров, которые плохо смачиваются и могут проходить через абсорбер, практически не улавливаясь. Для предотвращения этого явления необходимо соответствующим образом регулировать концентрации (давление пара) нейтрализующего агента в точках, где происходит первичный контакт. Можно рекомендовать использование чистой воды или очень малых концентраций нейтрализующего агента с последующим его добавлением к абсорбирующей жидкости по мере снижения парциального давления загрязняющего вещества в газовом потоке. Подобные проблемы становятся еще более серьезными в тех случаях, когда на очистку подаются горячие газы, что может привести в начальный момент к испарению нейтрализующего агента. В этом случае поступающий газ желательно предварительно охладить.

Хотя изменение рН водной фазы является наиболее распространенным методом при абсорбции газообразных загрязнений, возможно также использование других вспомогательных химических реагентов, природа которых определяется конкретными химическими свойствами системы. Для удаления следов органических соединений, в том числе в таких коли-чествах, которые определяются только по запаху, к водному раствору добавляют окислители. Типичные промывные растворы могут содержать KmnO4, NaClO4, HNO3 и H2O2. В тех случаях, когда необходимо использование восстановителей, можно рекомендовать Na2SO3. В некоторых случаях очень эффективны концентрированные растворы неорганических соединений; примером может служить удаление олефинов с использованием H2SO4.

При абсорбции NO2 серьезные проблемы связаны с тем, что из каждых 3 молей диоксида, поглощенных водой, образуется, наряду с азотной кислотой, 1 моль NO. Последний необходимо вновь окислять до NO2 (реакция протекает с малой скоростью) и снова подавать на абсорбцию. При уменьшении концентраций оксида азота общая скорость процесса снижается. При практическом осуществлении абсорбции в насадочных и в тарельчатых колоннах полное удаление никогда не достигается и выбрасываемые в атмосферу газы часто имеют коричневую окраску. Полной очистки можно достичь путем дополнительного промывания щелочью, однако удаление образующихся при этом продуктов связано с очень большими трудностями. Серная кислота хорошо поглощает NOx, однако и в этом случае возникает проблема утилизации или удаления отработанных раство-ров. Также проводят абсорбцию NO2 отогнанной азотной кислотой с использованием каталитической насадки, на которой происходит окисление образующегося NO.

Пары органических соединений, не растворимых в воде, обычно абсорбируют органическими малолетучими жидкостями. На практике используют процессы удаления H2S и кислых продуктов для очистки углеводородных газов, основанные на абсорбции органическими аминами.

На рис. 3.2. показана схема абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина с рециркуляцией жидкости и десорбцией, применяемая в производстве жидкой углекислоты и сухого льда.

Рис. 3.2. Схема абсорбционной установки для извлечения углекислого

газа из дымовых газов водным раствором моноэтаноламина

Охлажденные до температуры 30…40°С и отмытые от механических примесей и сернистых соединений дымовые газы, содержащие CO2, подаются снизу в абсорбер 1, заполненный нерегулярной насадкой 4 из колец Рашига. Насадка орошается 10…30 % - м раствором моноэтаноламина, подаваемым через распределитель 3. Стекающий по насадке раствор контактирует с поднимающимися вверх дымовыми газами, насыщается углекислотой и собирается в нижней части абсорбера.

Вследствие выделения теплоты абсорбции температура раствора и отходящих газов повышается. Проходя через установленный в верхней части абсорбера трубчатый водяной холодильник 2, газы охлаждаются до температуры, которую они имели на входе.

Насыщенный раствор из абсорбера насосом 5 через рекуперативный теплообменник 8 направляется в десорбер 12. В теплообменнике раствор нагревается за счет охлаждения истощенного раствора, отводимого из десорбера. Десорбер 12 состоит из двух частей: нижняя представляет собой кипятильник 9, выполненный в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, верхняя 13 заполнена насадкой и работает как ректификатор. Насыщенный раствор распределяется по насадке ректификатора и стекает по ней, контактируя с поднимающейся вверх парогазовой смесью. Из ректификатора по наружному трубопроводу раствор перетекает в нижнюю часть трубного пространства кипятильника 9. Здесь он нагревается за счет теплоты конденсации водяного пара, подаваемого в межтрубное пространство, и закипает. Выделяющаяся при кипении раствора парогазовая смесь через трубу 14 направляется в ректификатор 13 десорбера, а истощенный раствор моноэтаноламина отводится на охлаждение в рекуперативный теплообменник 8, а затем насосом 7 через холодильник 6 направляется на орошение насадки 4 абсорбера. Таким образом абсорбционно-десорбционный цикл замыкается.

Выходящая из верхней части десорбера парогазовая смесь, состоящая из углекислого газа, паров моноэтаноламина и воды, поступает в холодильник 10, где пары моноэтаноламина и воды конденсируются. Конденсат отделяется в сборнике конденсата 11, а углекислый газ направляется на отмывку от следов моноэтаноламина, а затем на сжижение.

Газообразные загрязнения могут быть удалены с помощью твердых абсорбентов, так, например, удаляется H2S при прохождении через слой гранулированного оксида железа Fe2O3. В процессе обработки оксид сульфидируется, и через некоторое время его регенерируют, обрабатывая воздухом. Оксид цинка также был использован для удаления серы. Проводилось также гидрирование органических серусодержащих соединений на твердых катализаторах, содержащих сульфиды кобальта, никеля и молибдена. В результате чего достигалось выделение серы из органической молекулы. Обычно используются неподвижные слои материала, хотя описано и применение ожиженного слоя оксида железа. Эффективность реакций, как правило, невелика, что связано с недостаточно большими площадями поверхности твердых материалов. В настоящее время специалисты технологи рассматривают подобные методы как устаревшие и малоэффективные. Однако при интенсивной разработке процессов газификации и ожижения угля эти методы снова могут приобрести практическое значение, поскольку следует ожидать, что будут разработаны твердые абсорбенты с большой площадью поверхности, пригодные для использования в ожиженных и в движущихся слоях.

В последнее время были предприняты попытки использовать твердую известь и известняк для обессеривания топочных газов. Однако в этих экспериментах степень удаления SO2 редко превышала 50…60 %. Намного более эффективное удаление SO2 было достигнуто при использовании жидких суспензий, что привело к прекращению работ с твердыми материалами.