Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей

Эти методы очистки делятся на четыре группы: промывка выбросов растворителями примеси (метод абсорбции); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (метод хемосорбции); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (метод адсорбции); поглощение примесей путем применения каталитических превращений.

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси поглотителями, называемыми абсорбентами, с образованием раствора. Физическая сущность процесса объясняется пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности раздела фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый в жидкости компонент газовоздушной смеси из-за градиента концентрации проникает путем диффузии сначала через газовую пленку, а затем – сквозь жидкостную и поступает во внутренние слои абсорбента.

Абсорбент выбирают из условия растворимости поглощаемого газа, температуры и парциального давления газа над жидкостью. Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый и фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н₂О. При поглощении же сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли граммов на 1 кг воды. Поэтому для поглощения этих веществ применяют другие жидкости или другие методы, например, адсорбцию для концентрирования газа и каталитические методы для перевода их в концентрированные кислоты, например, серную. В некоторых специальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.

Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) проводится либо снижением общего давления примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов одновременно.

В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных конструкций: пленчатые, насадочные, трубчатые и др.

Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками (рис. 8), в которых вместо насадки установлено несколько тарелок (1). Каждая тарелка снабжена колпачками (2) с зубчатыми краями, патрубками (3) и переливными трубками (4). Абсорбент в этих аппаратах стекает от тарелки к тарелке по переливным вертикальным трубкам. Очищенный газ движется снизу вверх, барботируя через слой жидкости. При прохождении между зубцами колпачков газ разбивается на множество струек и пузырьков, в результате чего образуется большая поверхность соприкосновения взаимодействующих веществ.

Рис. 8. Схема тарельчатого абсорбера:

1 – тарелки; 2 – колпачки; 3 – патрубки; 4 – переливные трубки.

В качестве абсорберов могут использоваться и такие устройства, как мокрые скрубберы Вентури, центробежные скрубберы и др.

Расчет абсорбера состоит в определении объемного расхода поглотительной жидкости Q_ж, необходимой поверхности F соприкосновения газа с жидкостью и параметров вспомогательной аппаратуры (мощность насосов, размер баков и т.п.).

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием соединений непостоянного состава. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов. Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольших концентрациях вредностей в отходящих газах.

Примером хемосорбции может служить очистка от сероводорода с использованием мышьяковощелочного раствора:

Na₄As₂S₅O₂ +H₂S = Na₄As₂S₆O +H₂O

Регенерация раствора проводится окислением продукта кислородом, содержащимся в очищаемом воздухе:

Na₄As₂S₆O + 1/2O₂ = Na₄As₂S₅O₂ + S₂

В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.

От сероводорода можно очищать газ и с применением раствора едкого натра. Получаемый при этом гидросульфид натрия можно использовать для очистки сточных вод от металлов:

H₂S + NaOH = NaHS + H₂O

На мокром улавливании основано также производство некоторых редких металлов, таких как индий, кадмий, и др. В данном случае, например, при производстве цинка индий переходит в возгоны, т.е. в газ, который затем улавливается как в дистиллировочном аппарате. Возгоны собирают, они затем служат полупродуктом для производства металла.

Мокрые способы очистки газов имеют и недостатки. При очистке получают разбавленные растворы и шламы, которые затем нужно куда-то утилизировать. Из-за высокой коррозионной активности газов и полученных растворов оборудование приходится делать в коррозиостойком исполнении и по возможности герметичным, что увеличивает стоимость этого оборудования.

Адсорбционные методы. Адсорбция – процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью:

- активные угли;

- селикагели – гидратированные аморфные кремнеземы (SiO₂ .nH₂O);

- алюмогель – активный оксид алюминия (Al₂O₃ .nH₂O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия;

- цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов;

- иониты – высокомолекулярные соединения.

Регенерацию насыщенных адсорбентов осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.

Основные закономерности, протекающие при адсорбции газов, носят те же закономерности, что и для жидкости.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.

Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению скорости химических реакций. Катализатор обеспечивает образование промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль.

Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса оказывает температура газов. Для каждой реакции, протекающей в потоке газа, характерна, так называемая минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор не проявляет активности. Для поддержания необходимой температуры газа иногда к нему подмешивают продукты сгорания от вспомогательной горелки, работающей на каком-либо высококалорийном топливе.

В последние годы каталитические методы очистки нашли применение для нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки выхлопных газов – окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксида азота – применяют двухступенчатый каталитический нейтрализатор. Установка состоит из последовательно соединенных восстановительного и окислительного катализаторов. Отработавшие газы через патрубок поступают к восстановительному катализатору, на котором происходит нейтрализация оксидов азота:

NО + СО → ½ N₂ + CO₂,

NО + H₂ → ½ N₂ + H₂O.

В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (платина на глиноземе).

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды подводится вторичный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания – оксида углерода и углеводов:

СО + ½ O₂ → CO₂,

С_хН_у + (х + у/4) O₂ → хCO₂ + (у/2)H₂O.

Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др). Содержание оксида углерода в выхлопных газах при этом уменьшается в 10 раз, а углеводов – в 8 раз.

Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствует использование этилированного бензина, который содержит определенное количество свинца. Свинец дезактивирует катализаторы в течение 100-200 ч.

Каталитические методы используются и при производстве серной кислоты для окисления сернистого газа до серного ангидрида. При этом сконцентрированный методами адсорбции сернистый газ пропускают через специальный ванадиевый катализатор. Добавляют воду и получают серную кислоту:

2SO₂ + 2H₂O + O₂ + ванадиевый катализатор = 2H₂SO₄

Термическая очистка газов. Большое развитие в отечественной практике нейтрализации вредных веществ, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, получило высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Преимуществом термической очистки является простота используемой аппаратуры и универсальность использования – независимо от состава обрабатываемых газов.

Термическая очистка широко применяется в производстве лакокрасочных изделий, при получении некоторых видов химической, электротехнической и электронной продукции, в пищевой промышленности и других производствах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо.

Лекция 12. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ

ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

План лекции

1. Основные виды отходов: бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, строительные, производственного потребления.

2. Источники возникновения твердых отходов в материальном производстве.

3. Классификация отходов.

4. Основные технологические принципы утилизации, обезвреживания и захоронения отходов.

Урбанизация городов, приведшая к образованию крупнейших мегаполисов, и постепенно возрастающая хозяйственная деятельность человека создают одну из острейших проблем ХХI века – проблему защиты окружающей среды от негативного воздействия отходов производства и потребления. Практически во все времена своего существования человек стремился как можно быстрее и дешевле избавиться от отходов, ссыпая их в ближайшие овраги или в понижения рельефа, не задумываясь при этом о последствиях.

Большинство городов мира практически построены на свалках. Дальнейший рост городов, развитие промышленности и сельского хозяйства нередко приводят к нарушению экологической обстановки, особенно в крупных городах, где хозяйственная деятельность наиболее сконцентрирована на ограниченной территории и где сосредоточена значительная часть населения. Как показывает практика, в таких городах происходит наиболее интенсивное накопление отходов, а неправильное и несвоевременное удаление их и обезвреживание нередко приводят к экологическому кризису. Возникающие вокруг городов, плохо организованные, а порой и просто «стихийные» свалки являются наиболее серьезными источниками загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод.

Известно, что за всю историю существования человечество научилось использовать в среднем 2-5% исходного сырья. Остальная масса вещества превращается в отходы. В России ежегодно образуется 5-7 млрд т отходов производства и потребления. Под их складирование выведено из оборота более 1 млн га плодородных земель. Ежегодная прибавка токсичных отходов составляет 50 млн т. Таких отходов накоплено свыше 1000 млн т. Так, различными отвалами в Свердловской области занято до 5% территории, что привело к необходимости в разработке губернаторской и федеральной программ по переработке техногенных отходов, которые содержат значительное количество полезных компонентов. Бытовыми отходами по данным различных источников занято до 20% территории Московской области.

С целью охраны окружающей среды, а также утилизации содержащихся в отходах ценных компонентов разрабатывают и внедряют различные промышленные технологии обезвреживания и переработки отходов, включая методы термического и биологического обезвреживания и другие технологические приемы их переработки.

Учитывая все возрастающие требования к защите окружающей среды необходим поиск новых рациональных путей снижения экологического ущерба, наносимого природной среде повседневной жизнедеятельностью человека. Остановимся на понятии «отходы» и на их классификации.

В соответствии с законом Российской Федерации «Об отходах…», «отходы производства и потребления – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства». Это определение содержит некоторые неточности, в частности, не перечислены все возможные группы веществ, которые относятся к отходам. Более точное определение дано В.Л.Лотошем в работе [8]: «отходы производства и потребления – некондиционные остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе производства и потребления товарной продукции, или товарная продукция, полностью или частично утратившая свои потребительские свойства в процессе использования или хранения, или нецелевые продукты производства, образовавшиеся попутно с товарной продукцией, которые при наличии определенных социально-эколого-экономических условий могут быть использованы в качестве сырья, материалов, полуфабрикатов».

По данным международной организации «ВейстТэк», к отходам производства и потребления относятся: промышленные, муниципальные, медицинские, биологические, сельскохозяйственные, органические, техногенные образования, отходы строительства и сноса, транспортного, топливно-энергетического комплексов, отходы с низким уровнем радиоактивности, лом черных и цветных металлов, электронный и электротехнический лом, шламы, сточные воды, иловые осадки, воздушные выбросы и др.

Классификация отходов проводится по ряду признаков. Наиболее общим является деление по форме материального субстрата, в которой они находятся.

По этому признаку отходы разделяют на вещественные и энергетические. К последним относятся механические колебания и волны, электромагнитные поля.

Отходы в вещественной форме различают по:

агрегатному состоянию – газообразные жидкие, твердые и условно твердые (пастообразные);

химическому составу – органические и неорганические;

генезису (происхождению) – бытовые и производственные (промышленные, сельскохозяйственные, промысловые);

возможности применения – вторичные материальные ресурсы, которые пригодны к эффективному использованию на данном этапе развития науки и техники; отбросы, которые не могут быть полезны на данном этапе развития науки;

токсичному действию – первый класс (чрезвычайно опасные вещества), второй (высокоопасные), третий (умеренно опасные) и четвертый (малоопасные);

способные к самостоятельному горению – горючие и негорючие.

Возможны и другие признаки деления отходов.

В области государственного управления при обращении с отходами для учета, контроля, нормирования МПР России разработан Федеральный классификационный каталог, который зарегистрирован в Минюсте России в 2003 году. Для формализации видов отходов, удобства передачи информации, ее сбора и обработки введена кодовая система Каталога отходов, содержащий перечень их видов, систематизированных по совокупности приоритетных признаков: происхождению, агрегатному состоянию, химическому составу, экологической опасности.

Таким образом, отходы могут быть бытовыми, промышленными, сельскохозяйственными, строительными и т.д.

Бытовые (коммунальные) твердые (в том числе твердая составляющая сточных вод – их осадок) отбросы, не утилизированные в быту, образовавшиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей.

Отходы производства (промышленные) – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства, а также образующиеся в процессе производства попутные вещества, не находящие применения [10]. В странах ЕЭС 60% бытовых отходов подвергаются захоронению, 33% – сжиганию, а 7% – компостированию, свыше 60% промышленных отходов и 95% отходов сельскохозяйственного производства подвергаются интенсивной переработке.

Отходы производственного потребления – непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке, машины, инструменты и пр.

Классификация отходов по агрегатному состоянию и опасности воздействия на окружающую среду приведена на схеме 13.

Схема 13

Как видно из приведенной выше схемы, все отходы в той или иной степени воздействуют на окружающую среду, вызывая в ней изменения, которые в ряде случаев приводят к состоянию экологического бедствия или чрезвычайной экологической ситуации или экологического кризиса.

По степени воздействия на окружающую среду промышленные отходы, как было показано выше, различаются по классам токсичности и степени опасности. Класс токсичности таких отходов определяется в каждом конкретном случае расчетным путем в соответствии с нормативным документом «Предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах, обуславливающее отнесение этих отходов к категории токсичности» № 3170-84. – М.: Минздрав СССР, 1985. Основой расчета является сравнение растворимости и содержания опасных веществ в отходах с их ПДК в почве.

Для определения класса токсичности рассчитывается индекс токсичности данного компонента по формуле:

(5)

где: ПДК_i – предельно допустимая концентрация в почве i-того токсичного вещества, содержащегося в отходе;

S_i – коэффициент, отражающий растворимость его в воде (величина безразмерная);

Св – содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т;

i – порядковый номер данного компонента.

Величину К_i округляют до первого десятичного знака после запятой.

Рассчитав К_i для отдельных компонентов отходов, выбирают 1-3 ведущих компонента, имеющих минимальное значение, причем К₁< К₂< К₃. Кроме того, должно выполняться условие: 2 К_i > К₃. Затем находят суммарный индекс токсичности (К_z ) по формуле:

(6)

где n – число значимых токсичных компонентов в отходе. Причем n ≤ 3.

С помощью суммарного индекса токсичности по таблице 4 («Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами».- М.: Минздрав СССР, 1987, № 4266-87) определяется класс опасности отходов производства.

Таблица 4