98. Метод гетерогенного катализа для обезвреживания отходов.Схемы термокаталитических реакторов.
Метод гетерогенного катализа применяют для обезвреживания газообразных отходов (термокаталитическое окисление, термокаталитичес-кое восстановление) и жидких отходов (парофазное каталитическое окисление).
Термокаталитическое окисление используют для обезвреживания газообразных отходов с низкой концентрацией горючих примесей, когда применение других термических методов связано с большими расходами топлива.
Процесс окисления на катализаторах осуществляют при температурах ниже температур самовоспламенения горючих составляющих отхода. При использовании активных катализаторов процесс окисления идет при 250 – 400 С. Температура начала реакции окисления зависит в основном от природы окисляющихся примесей и активности катализатора. Наиболее низкие температуры начала реакции окисления характерны для катализаторов из металлов платиновой группы, а наиболее высокие – для оксидов металлов (алюминия, меди, хрома, марганца, кобальта и др.) и некоторых природных руд (боксит, пиролюзит). Применение дешевых катализаторов с высокой температурой начала реакции: окисления (менее активных) приводит к увеличению габаритов установок и повышенному расходу топлива, необходимого для поддержания более высокого температурного режима окисления.
В термокаталитических реакторах успешно окисляются оксид углерода, водород, углеводороды, аммиак, фенолы, альдегиды, кетоны, пары смол, канцерогенные и другие соединения с образованием СО2, Н2О, N2. Степень окисления этих веществ может быть очень высокой – до 98-99,9%. Катализаторы используют в виде сеток, листов и таблеток различной формы. Для увеличения удельной поверхности катализаторов и экономии дорогих металлов применяют керамические пористые носители из оксида алюминия и других материалов, также обладающих каталитической активность. Металл наносят также на сетки и перфорированные листы из жаростойкой стали. Средний срок службы катализаторов обычно составляет 1 – 3 года.
Температура газообразных отходов на входе в термокаталитический реактор должна быть не ниже температуры начала реакции окисления. Для этого их подогревают в теплообменниках за счет тепла отходящих из реактора газов. При малом адиабатическом разогреве газообразных отходов в реакторе (при низкой концентрации горючих компонентов в отходе) температурный напор в теплообменнике мал, и для требуемого подогрева газообразного отхода необходимы очень большие поверхности нагрева рекуперативных теплообменников. В этих случаях целесообразно либо повышать концентрацию горючих компонентов в отходах, добавляя к ним некоторое количество газообразного топлива, либо догревать газообразный отход после теплообменника (при умеренном его подогреве в теплообменнике) до необходимой температуры, подмешивая к нему продукты сгорания топлива (рис. 2,а,б).
Рис. 2. Схемы термокаталитических реакторов:
А – без теплообменника (для обезвреживания вентиляционных выбросов); б – с рекуперативным теплообменником (для обезвреживания инертных газов); 1 – слой катализатора; 2 – горелочное устройство; 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – слой инертного материала; 5 – перекидной клапан; Т – топливо; В – воздух
Современные промышленные катализаторы глубокого окисления (алюмоокисномедные, алюмомеднохромовые, алюмомеднооксидные) устойчивы при температурах до 600 – 800 С. При более высоких температурах катализаторы дезактивируются и механически разрушаются. Поэтому применение термокаталитического метода для обезвреживания газообразных отходов с высокой концентрацией горючих компонентов нецелесообразно. Разбавление газообразных отходов воздухом или дымовыми газами с целью снижения адиабатического разогрева приводит к увеличению расхода катализаторов и других затрат на обезвреживание. Отвод избыточного тепла из слоя катализатора существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию термокаталитических реакторов.