К тканям предъявляются следующие требования:

1. высокая пылеемкость при фильтрации и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которое достаточно для обеспечения высокой эффективности очистки газов от тонкодисперсных твердых частиц;

2. сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии;

3. высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при многократных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, находящихся в сухих и насыщенных влагой газах;

4. способность к легкому удалению накопленной пыли;

5. низкая стоимость.

Существующие материалы обладают не всеми указанными свойствами и их выбирают в зависимости от конкретных условий очистки. Например, хлоп-чатобумажные ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами и имеют низкую стоимость, но обладают недостаточной химической и термической стойкостью, высокой горючестью и влагоемкостью. Шерстяные ткани харак-теризуются большой воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и регенерацию, но стойкость к кислым газам, особенно к SO2 и туману серной кислоты, низкая. Стоимость их выше, чем хлопчатобумажных. При длительном воздействии высокой температуры волокна становятся хрупкими. Работают при температуре газов до 90 °С. Синтетические ткани вытесняют материалы из хлопка и шерсти благодаря более высокой прочности, стойкости к повышенным температурам и агрессивным воздействиям, более низкой стоимости. Среди них нитроновые ткани, которые используют при температуре 120—130 °С в химической промышленности и цветной металлургии. Лавсановые ткани используются для очистки горячих сухих газов в цементной, металлургической и химической промышленности. В кислых средах стойкость их высокая, в щелочных — резко снижается. Стеклянные ткани стойки при 150—350 0С. Их изготовляют из алюмоборосиликатного бесщелочного или магнезиального стекла. По мере запыления аэродинамическое сопротивление ткани возрастает, а расход газа через фильтр уменьшается. Ткань регенерируют путем продувки в обратном направлении, механического встряхивания или другими методами. Волокнистые фильтры Фильтрующий элемент этих фильтров состоит из одного или нескольких слоев, в которых однородно распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине слоя. Сплошной слой пыли образуется только на поверхности наиболее плотных материалов. Для фильтров используют естественные или специально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до 2 м (многослойные глубокие насадочные фильтры долговременного использования). Такие фильтры используют при концентрации дисперсной твердой фазы 0,5 — 5 мг/м3 и только некоторые грубоволокнистые фильтры применяют при концентрации 5 — 50 мг/м3. При таких концентрациях основная доля частиц имеет размеры менее 5 — 10 мкм. Различают следующие виды промышленных волокнистых фильтров: 1 сухие — тонковолокнистые, электростатические, глубокие, фильтры предварительной очистки (предфильтры); 2 мокрые — сеточные, самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением. Процесс фильтрации в волокнистых фильтрах состоит из двух стадий. На первой стадии (стационарная фильтрация) уловленные частицы практически не изменяют структуры фильтра во времени, на второй стадии процесса (нестационарная фильтрация) в фильтре происходят непрерывные структурные изменения вследствие накопления уловленных частиц в значительных количествах. В соответствии с этим все время изменяются эффективность очистки и сопротивление фильтра. Теория фильтрования в таких фильтрах еще недостаточно разработана. Волокнистые фильтры тонкой очистки. Используются в атомной энергетике, радиоэлектронике, точном приборостроении, промышленной микробиологии, в химико-фармацевтической и других отраслях. Фильтры позволяют очищать большие объемы газов от твердых частиц всех размеров, включая субмикронные. Их широко применяют для очистки радиоактивных аэрозолей. Для очистки на 99% (для частиц 0,05 — 0,5 мкм) применяют материалы в виде тонких листов или объемных слоев из гонких или ультратонких волокон (диаметр менее 2 мкм). Скорость фильтрации в них составляет 0,01 — 0,15 м/с, сопротивление чистых фильтров не превышает 200 — 300 Па, а забитых пылью фильтров 700 — 1500 Па. Улавливание частиц в фильтрах тонкой очистки происходит за счет броуновской диффузии и эффекта касания. Регенерация отработанных фильтров неэффективна или невозможна. Они предназначены для работы на длительный срок (0,5 — 3 года). После этого фильтр заменяют на новый. С увеличением концентрации пыли на входе >0,5 мг/м3 срок службы значительно сокращается. Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим основным требованиям: наибольшая поверхность фильтрации при наименьших габаритах; минимальное сопротивление; возможность более удобной и быстрой установки; надежная герметичность групповой сборки отдельных фильтров. Этим требованиям соответствуют рамные фильтры (рисунок 18 а). Фильтрующий материал в виде ленты укладывают между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между соседними слоями материала устанавливают гофрированные разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. Материал для рамок: фанера, винипласт, алюминий, нержавеющая сталь. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны. Рисунок 18 – Фильтры тонкой очистки: а – рамный: 1 – П-образная планка; 2 – боковая стенка; 3 – фильтрующий материал; 4 – разделитель; б – с сепараторами клиновой формы типа Д-КЛ: 1 фильтрующий материал; 2 – рамка — сепаратор клиновой формы; в – комбинированный: 1 – секция с набивным слоем из волокн; 2 – секция тонкой очистки

Фильтры марки Д-КЛ (рисунок 18 б) представляют собой набор цельно-штампованных гофрированных рамок-разделителей из винипластовой пленки, между которыми укладывается фильтрующий материал. Рамки имеют форму клиньев и установлены с чередованием открытых и закрытых сторон в противоположных направлениях.

Разработаны стекловолокнистые фильтры тонкой и грубой очистки производительностью от 200 до 1500 м3/ч с сопротивлением от 200 до 1000 Па.

Двухступенчатые или комбинированные фильтры (рисунок 18 в). В одном корпусе размещают фильтры грубой очистки из набивного слоя лавсановых волокон толщиной 100 мм и фильтр тонкой очистки из материала ФП.

Глубокие фильтры

Это фильтры многослойные. Используются для очистки вентиляционного воздуха и технологического газа от радиоактивных частиц. Многослойные фильтры рассчитаны на работу в течение 10—20 лет. После этого их захороняют с цементированием.

Зернистые фильтры

Применяются для очистки газов реже, чем волокнистые фильтры. Достоинства зернистых фильтров: доступность материала, возможность работать при высоких температурах и в условиях агрессивной среды, выдерживать большие механические нагрузки и перепады давлений, а также резкие изменения температуры. Различают насадочные и жесткие зернистые фильтры.

Насадочные (насыпные) фильтры. В таких фильтрах улавливающие элементы (гранулы, куски и т.д.) не связаны друг с другом. К ним относятся: статические (неподвижные) слоевые фильтры; динамические (подвижные) слоевые фильтры с гравитационным перемещением сыпучей среды; псевдоожиженные слои. В насыпных фильтрах в качестве насадки используется песок, галька, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, графит и др. Выбор материала зависит от требуемой термической и химической стойкости, механической прочности и доступности.

По мере накопления пыли в порах насадки эффективность улавливания возрастает. При увеличении сопротивления до предела производят рыхление слоя. После нескольких циклов рыхления насадку промывают или заменяют.

Зернистые жесткие фильтры. В этих фильтрах зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, прессования или склеивания и образуют прочную неподвижную систему. К ним относятся: пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы. Фильтры устойчивы к высокой температуре, коррозии и механическим нагрузкам и применяются для фильтрования сжатых газов.

Недостатки таких фильтров: высокая стоимость, большое гидравлическое сопротивление и трудности регенерации, которую проводят четырьмя способами:

1. продуванием воздухом в обратном направлении;

2. пропусканием жидких растворов в обратном направлении;

3. пропусканием горячего пара;

4. простукиванием или вибрацией трубных элементов.

6 Для очистки отходящих газов от диоксида серы применяют:

- абсорбцию водой;

- нерекуперационные методы;

- рекуперационные методы очистки с регенерацией хемосорбентов (магнезитовый, цинковый, аммиачный, абсорбция расплавленными солями).

Абсорбция водой

Абсорбция водой диоксида серы сопровождается реакцией

SO2 + Н2O → H+ + HSO3-

Растворимость SO2 в воде мала. В связи с низкой растворимостью диоксида серы в воде для очистки требуется большой ее расход и абсорберы с большими объемами. Удаление SO2 из раствора ведут при нагревании его до 100 °С. Таким образом, проведение процесса связано с большими энергозатратами.

В Норвегии разработан процесс «Flakt-Hydro», в котором в качестве поглотителя SO2 используют морскую воду, которая имеет слабощелочную реакцию. За счет этого растворимость в ней SO2 возрастает. Схема такой установки представлена на рисунке 22, а. Рисунок 22 — Схемы установки абсорбции диоксида серы: а — морской водой: 1 — электрофильтр; 2, 3 — абсорберы; 4 — подогреватель; 5 — реактор; б — суспензией известняка: 1 — абсорбер; 2 — сборник; 3 — вакуум-фильтр

Газы сначала очищают от золы в электрофильтрах или мультициклонах, а затем охлаждают в скруббере Вентури водой. Абсорбцию SO2 проводят в полом скруббере, после которого газы нагревают теплом горячих топочных газов, частично отобранных после экономайзера. Сточные воды после скруббера и абсорбера обрабатывают воздухом для окисления сульфитных соединений в сульфатные и сбрасывают в море.

Исследован также процесс абсорбции SO2 водой р. Темзы. Вода имеет щелочную реакцию. Для увеличения щелочности воды к ней добавляют меловой шлам.

7 В промышленной практике использование адсорбентов как агентов аккумуляторов оксидов азота ограничена. Достаточно эффективными поглотителями оксидов азота являются активированные угли. Однако, при их контакте с оксидами азота возможны возгорания и даже взрывы. Так же активированные угли характеризуются низкой механической прочностью.

Адсорбционная способность по NO силикагелей несколько ниже, чем у активированных углей. Однако они не имеют недостатков, которые указаны выше. С использованием силикагелей можно достигать высокой очистки от оксидов азота. В промышленности этот метод не используется из-за экономических аспектов.

Алюмогели обладают сравнительно небольшой поглощающей эффективностью по оксидам азота и стоимостью.

Алюмосиликаты хорошо поглощают оксиды азота, обладают высокой механической устойчивостью.

Присутствующая в отходящих газах влага сорбируется вместе с оксидами азота. Из-за диффузии и малой адсорбционной емкости адсорбентов, больших затрат тепла на их регенерацию адсорбция оксидов азота твердым сорбентом не имеет практического применения; для этих целей предложены природные адсорбенты (торфы, бурые угли) – которые не нуждаются в регенерации.

Преимущества адсорбционных методов перед абсорбционными:

- компактность и простота конструкции аппаратуры, отсутствие сточных вод;

Недостатки методов:

1. цикличность (адсорбция, десорбция);

2. необходимость проведения регенерации при высоких температурах с последующей утилизацией оксидов азота;

3. поглощение адсорбентами не только оксидов азота, но и других примесей, включая влагу.

Хемосорбционные методы применяют для одновременной очистки отходящих газов от оксидов азота и серы. В качестве сорбентов используются соединения меди, которые поглощают оксиды серы, а оксиды азота восстанавливают с помощью NH3. Процесс проводят в кипящем слое при температуре 400 – 450 0С. В качестве других широкодоступных и дешевых поглотителей оксидов азота можно использовать известняк, известь, зола. При этом отработанные хемосорбенты можно направлять на нейтрализацию кислых стоков в производстве или в сельском хозяйстве в качестве азотсодержащих удобрений.

8 Суть каталитических процессов газоочистки заключается в реализации химических взаимодействий, приводящих к конверсии подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов. Последние не вызывают изменения энергетического уровня молекул взаимодействующих веществ и смещения равновесия простых реакций. Их роль сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Каталитические взаимодействия в гетерогенном катализе происходят на границе раздела фаз конвертируемой газовой смеси и катализатора. Последний обеспечивает взаимодействие на его поверхности конвертируемых веществ с образованием активированных комплексов в виде промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ, формирующих затем продукты катализа, освобождающие (восстанавливающие) поверхность катализатора. Схема этого явления для газовой реакции А + В→С в присутствии катализатора К может быть представлена следующим образом:

А+В+К →К[АВ], К[АВ] →С+К,

где К[АВ] – активированное промежуточное соединение на поверхности катализатора.

В ряде случаев функции поверхности катализатора заключаются в зарождении реакционных цепей, развивающихся затем в объеме конвертируемой газовой фазы, где осуществляется дальнейшая конверсия целевого компонента по гетерогенно-гомогенному механизму.

Активность катализатора обычно определяется совокупностью физико-химических свойств, как самого катализатора, так и конвертируемого газового потока. В наибольшей степени она зависит от температуры каталитического превращения, структуры катализатора, содержания в нем промоторов, давления, объемного расхода, концентрации и молекулярных масс исходных реагентов и продуктов конверсии в газовой смеси.

Масса и свойства катализатора теоретически не должны претерпевать изменений в процессе его работы. На практике, однако, в процессе эксплуатации катализаторов они в той или иной степени подвергаются постепенной дезактивации или деструкции. Последние вызываются химическими (отравление каталитическими ядами, присутствующими в конвертируемых газах, недостаточная селективность катализатора, возможность образования нелетучих продуктов и т. п.) и физическими (механическое истирание, спекание, агрегатирование под действием избыточной свободной энергии поверхности и т. п.) факторами и ведут к необходимости периодической регенерации (активации) или замены катализаторов. В этой связи к промышленным катализаторам предъявляют требования в отношении высокой активности и теплопроводности, а также стойкости к механическим и термическим нагрузкам. Наряду с этим они должны быть дешевыми и, обладая необходимыми структурными параметрами, иметь, возможно, более низкие температуры зажигания и геометрию частиц, обеспечивающую низкое гидравлическое сопротивление слоя.

Необходимые для эффективного осуществления соответствующих процессов газоочистки катализаторы обычно подбирают экспериментальным путем.

В процессах санитарной каталитической очистки отходящих газов промышленности высокой активностью характеризуются контактные массы на основе благородных металлов (платина, палладий, серебро и др.), оксидов марганца, меди, кобальта, а также оксидные контакты, активированные благородными ме¬таллами (1,0–1,5%).

Среди катализаторов условно различают:

1. цельнометаллические – представляют собой металлы платиновой группы или неблагородные металлы, нанесенные на сетки, ленты, спирали;

2. смешанные — включают металлы платиновой группы и оксиды неблагородных металлов, нанесенных на оксид алюминия или другие металлы;

3. керамические – состоящие из металлов платиновой группы или оксидов неблагородных металлов, нанесенных на керамическую основу виде сот или решеток;

4. насыпные – приготовленные в виде гранул или таблеток различной формы с нанесенными на него металлом платиновой группы или оксидами неблагородных металлов, а так же виде зерен оксидов неблагородных металлов.

Достоинства и недостатки: наибольшее преимущество перед другими типами катализаторов имеют катализаторы, нанесенные на металлические носители: более термостабильные имеют период эксплуатации 1 год и более, отличаются высокой износостойкостью и прочностными характеристиками; имеют развитую поверхность и пониженную насыпную плотность; их регенерация не представляет существенных трудностей. Это обуславливают широкую распространенность цельно-металлических каталлизаторов для обработки значительных объемов газовых выбросов, содержащих пары растворителей, фенолов и других токсичных органических веществ.

Более простые и дешевые в изготовлении катализаторы на основе из керамики: характеризуются низким гидравлическим сопротивлением, меньшей насыпной плотностью, но менее термостабильные, чем цельнометаллические.

Термический метод обезвреживания получил более широкое распространение, так как некоторые вредные примеси трудно или невозможно полностью нейтрализовать другими методами из-за сложности их состава, низкой концентрации, а также из-за отсутствия эффективных средств улавливания. Он заключается в том, что все органические вещества полностью окисляются кислородом воздуха при высокой температуре до нетоксичных соединений. В результате выделяются минеральные продукты, вода, диоксид углерода, а также теплота, которые требуют дальнейшей их утилизации.

Метод термического окисления (дожига) органических веществ, содержащихся в отходящих газах, относится к энергоемким. Для поддержания необходимой температуры обезвреживания отходящих газов (800 -1200°С) используется высококалорийное топливо, поэтому преимущественно этот способ применяется для обезвреживания газов сложного состава и в тех случаях, когда возврат уловленных примесей в производство экономически нерентабелен.

Наиболее экономичным приемом термического обезвреживания газов из выбросов является их использование вместо дутьевого воздуха при сжигании высококалорийного топлива (природного газа, мазута) в действующих тепловых агрегатах, таких как печи, сушилки, топки и т. д. Для обеспечения надежного и качественного горения минимальное содержание кислорода в газовых выбросах должно быть около 17 %.

К преимуществам термического метода обезвреживания отходящих газов относятся отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты установок, простота обслуживания, высокая эффективность, возможность обезвреживания горючих выбросов сложного состава.

Метод дожига углеводородов получает все большее распространение. Накоплен опыт термического обезвреживания воздуха, содержащего примеси стирола, формальдегида, толуола, бутилацетата и других органических веществ.

Установки прямого сжигания представляют собой камеру, в которую по самостоятельным каналам подается топливо, очищаемый газ и воздух. Для полного окисления горючих компонентов необходимо тщательное перемешивание смеси. С целью снижения затрат отходящие газы чаще всего сжигаются совместно с твердыми отходами. В результате упрощается проблема утилизации промышленных отходов в целом, а также резко снижаются энергетические и эксплуатационные затраты. С помощью современных установок термодожига можно обеспечить полную безвредность и высокую производительность этого процесса.

Одним из таких устройств является установка типа «Вихрь» для бездымного сжигания нефтепродуктов, подлежащих вторичному использованию. В этой установке совмещены функции обезвреживания газов и сжигания отходов. Поступающий в установку шлам первоначально автоматически обезвоживается, а затем направляется в топочную камеру, где сжигается в ускоренном режиме при температуре порядка 1000 °С и подаче строго рассчитанного количества сжатого воздуха. Такие жесткие условия процесса способствуют тому, что побочные реакции окисления, ведущие к образованию тяжелых смолистых продуктов, оседающих плотными трудновыгораемыми наслоениями, отсутствуют. Процесс обеспечивает полное окисление продуктов, бездымность горения, отсутствие запахов и требуемую степень обезвреживания отходящих газов. По простоте конструкции, надежности в работе, высокому КПД и возможности подключения теплообменников для утилизации тепла установка «Вихрь» значительно превосходит другие агрегаты аналогичного назначения.

Недостаток метода — необходимость высоких температур, что приводит к повышенным энергозатратам.

С целью снижения температуры обезвреживания органических примесей применяют установки сжигания, где в качестве инициатора окисления используются различные катализаторы. Тем самым достигается снижение температуры обезвреживания более чем в два раза и обеспечивается возможность нейтрализации газов с низким содержанием вредных примесей.

Особенность установки термокаталитического обезвреживания состоит в том, что затраты энергии необходимы только в момент пуска, т. е. когда требуется подогреть газовый поток до начальной температуры каталитического окисления (300 — 400 °С). Затем процесс протекает самопроизвольно за счет теплоты реакции окисления.

Термокаталитическое дожигание органических веществ до диоксида углерода и воды применяют в тех случаях, когда отходящие газы представляют собой многокомпонентную смесь различных органических веществ. В настоящее время разработаны типовые схемы обезвреживания выбросов от сушильных камер путем сжигания паров растворителей на поверхности катализатора. Внедрение схем, предусматривающих последующую утилизацию теплоты, позволяет достичь сокращения расхода теплоносителей не менее чем на 20 % (при сжигании паров с низким содержанием горючего компонента)