2.3.5. Методи очистки промислових газів від оксидів нітрогену

Оксиди нітрогену NxOy є одними з основних забруднювачів атмосфери. Нітроген з оксиґеном утворює п'ять різних сполук, проте в повітрі зустрічаються тільки три. Деякі їх характеристики розглянемо нижче. -

N₂O - оксид нітрогену(І), безбарвний газ, важчий за повітря. В значних кількостях у суміші з киснем має наркотичну дію. Оксид нітрогену (І) часто називають "веселячий газ". При систематичній дії на організм людини викликає запалення кори мозку.

NO - оксид нітрогену(П), за нормальних умов, безбарвний газ, малорозчинний у воді. Має руйнівну дію на нервову систему людини (вражає головний мозок і, як наслідок, викликає параліч та судоми), при потрап­лянні в кров викликає кисневе голоду­вання. В присутності кисню повітря частково перетворюється в діоксид нітрогену, який у во­логій поверхні легенів утворює нітратну кислоту:

NO + 1/2 O₂ = NO₂ + 113 кДж/моль;

З N0₂ + Н₂0 = 2 HNO₃ + NO.

Збільшення вмісту оксиду нітрогену в атмосфері, в першу чергу в стра­тосфері, за рахунок ви­кидів надзвукових літаків, які використовують як паливо гептил, може призводити до руйну­вання озонового шару Землі:

NO + O₃ → N0₂ + 0₂;

N0₂ + О → NO + 0₂.

NO₃ - діоксид нітрогену, буро-червоний газ із характерним запахом. За звичайних умов скла­дається з двох компонентів: мономера N0₂ та димера N₂0₄, які знаходяться в рівновазі:

N₂0₄ = 2 N0₂ - 57 кДж/моль.

З водою діоксид нітрогену утворює нітратну кислоту чим і зумовлена його токсична дія на організм людини. В першу чергу вражаються дихальні шляхи, особливо альвеоли легенів.

Відчуття запаху та подразнення в роті відмічається при концентрації діоксиду нітрогену = 0,2 мг/м³. При концентрації діоксиду нітрогену в повітрі понад 50 мг/м³ спостерігаються важкі отруєння з смертельними випадками.

Небезпека потрапляння діоксиду нітрогену в атмосферу зумовлена тим, що при його взаємо­дії з парами води утворюється нітратна кислота, яка поряд із сульфатною кислотою є основ­ною складовою "кислотних дощів".

Найстійкіший в атмосфері є діоксид нітрогену, в який переходять всі інші оксиди нітрогену. Тому ГДК встановлені для суми всіх оксидів нітро­гену в перерахунку на N0₂. ГДК оксидів нітрогену в повітрі населених міст складає (ГДК_МР=0,085 мг/м³, ГДК_СД=0,04 мг/м³).

Слід зазначити, що середній вміст оксидів нітрогену в атмосфері: N0₂ -1,0 мг/м³, NO - < 0,002 мг/м³, N₂0 - 0,02 мг/м³. Під впливом сонячних променів оксиди нітрогену розкладаються з ут-воренням атомарного оксигену та, в присутності вуглеводнів, за сприятливих метеорологі­ч-них умов можуть викликати утворення фотохімічного смогу.

Баланс викидів оксидів нітрогену підприємствами різних галузей промис­ловості характеризу­ється такими показниками: теплові електростанції - 72,5%, автотранспорт - 17,3%, чорна ме­талургія - 6,1%, промисловість будівель­них матеріалів - 1,8%, хімічна промисловість - 1,7%.

В промисловості набули поширення лише два метода очистки газів від оксидів нітрогену - лужний та каталітичний.

Лужні методи. Лужні методи базуються на взаємодії оксидів нітрогену з водними розчинами лугів. Внаслідок взаємодії утворюються солі ніратної та нітрит­ної кислоти, які є товарними продуктами. Внаслідок цього лужні методи є економічно доці­льними. Проходить наступна реакція:

2 NаОН + 2 NО₂ = NаN0з + NаN0₂ + Н₂0.

Очистку промислових газів проводять в апаратах насадкового або барботажного типу. Не­до-ліком лужних методів очистки газів від оксидів нітрогену є низька ступінь очистки газів, яка не відповідає санітарним вимогам викидів оксидів нітрогену в атмосферу.

Каталітичні методи. Найефективнішим способом знезараження оксидів нітрогену є каталіти­чне відновлення їх до елементарного азоту. Процес відновлення проходить на поверхні ката­лі-затора в присутності газу-відновника. Каталізаторами є сплави металів платинової групи та перехідних мг і злів.

Ефективність процесу каталітичного відновлення оксидів нітрогену визначається активні­стю каталізатора. Найвищою каталітичною активністю володіють каталізатори на основі пла­тини, родію та паладію, вміст яких в каталізаторах (на основі А1₂0₃) є в межах 0,1-2,0%. Ці каталіза-тори забезпечують високу ступінь очистки газу - залишковий вміст оксидів нітро­гену в газі не перевищує 5х10^-5 %.

Як відновники використовують метан, оксид карбону (СО), водень, природний газ, аміак, на­фтовий та коксовий гази, пари керосину тощо. Будь-який з газів-відновників не повинен міс­тити сполук сульфуру, які є каталітичними "отрутами".

Як носій для каталізаторів використовують оксид алюмінію, кераміку, силікагель, металі­чну стрічку тощо.

Підновлення оксидів нітрогену проходить за схемою:

4 N0 + СН₄ -> 2 N₂ + С0₂ + 2 Н₂0

2 N0₂ + СН₄ → 2 N₂ + С0₂ + 2 Н₂0;

або

2 N0 + 2 СО → N₂ + 2 С0₂

2 N0₂ + 4 СО → N₂ + 4 С0₂

або

2 N0 + 2 Н₂ → N₂ + 2 Н₂0

2 N0 + 4 Н₂ → N₂ + 4 Н₂0

або

6 N0 + 4 NН₃ →5 N₂ + 6 Н₂0;

6 N0₂ + 8 NН₃ → 7 N₂ + 12 Н₂0;

Каталітичне відновлення починається при температурі 149°С (відновник - водень) або при 339°С (відновник - метан). Максимальна температура в шарі каталізатора - 800-900°С.

Залежно від концентрації оксидів нітрогену в очищувальному газі вибирають різні схеми очищення. При високих концентраціях оксидів нітрогену (>10%) використовують двохступінчасту очистку газу. Першою стадією очистки є поглинання оксидів нітрогену охолодженою 97-98% НN0₃ утворенням нітроолеума НN0₃ґпN0₂. Концентрація N0, в олеумі до 30 %.

Одночасно проходить окислення N0 до N0₂ за реакцією:

N0 + 2 НN0₃ = З N0₂ + Н₂0.

Частково очищені гази (або хвостові гази), які містять 1,0-2,0% оксидів нітрогену, доочища­ють каталітичним відновленням.

Відновлення оксидів нітрогену проходить за реакціями:

6 N0 + 4 NН₃ = 5N₂ + 6 Н₂О + Q;

6N0 ₂ + 8 NН₃ = 7 N₂ +12Н₂О + Q.

Для повнішого проведення реакцій вміст аміаку повинен перевищувати стехіометричну но­рму на 20-30%. Надлишок аміаку окислюється киснем за реакцією:

4 NН₃ + 3 0₂ = 2 N₂ + 6 Н₂0 + Q.

Можливе перетворення невеликої кількості аміаку, який пройшов через шар каталізатора в нітрат та нітрит амонію. Установка двохступінчастого очищення ніт­розних газів представлена на рис. 3.14. в атмосферу

Рис. З-14. Схема установки для очистки газів з високою кониентрацією оксидів нітрогену.

Схема двохступінчастої очистки нітрозних газів включає в себе два абсорбери, які заповнені кільцями Рашига. В першому абсорбері (3) оксиди нітрогену поглинаються охолод-женою концентрованою нітратною кислотою, яка надходить на зрошення верхньої частини абсор­бера з теплообмінника (1) при температурі 0-10°С. Із середньої частини першого абсорбера кислота потрапляє на охолодження в теп­лообмінник (2) і потім знову подається на зрошення нижньої частини абсорбера. Концентрація N0₂ при цьому знижується до 1,5-2,0%. Кон­цент­рована нітратна кислота зливається в ємність (11), звідки насо­сом (12) знову подається в теп­лообмінник (1). Частина кислоти з ємності (11) перекачується у відділення відбілювання, де з неї виду­вають оксиди нітрогену. Після цього нітратна кислота у вигляді то­варного продукту надходить на склад.

Нітрозні гази, які містять 1,5-2,0% оксидів нітрогену, напрямляють у другу абсорбційну вежу (4), яка зрошується охолодженим в холодильнику (8) конденсатом з ємності (10). Утво­рений при цьому кислий конденсат напрямляється в цех для одержання розведеної нітратної кислоти. Одер­жаний газ проходить через краплевловлювач (5), вентилятором (7) подається в електрофільтр (6), а потім викидається в атмосферу.