5.5.2. Очистка воздуха и газов от паро- и газообразных примесей

Для очистки газов (воздуха) от газообразных примесей наиболее часто используются три группы процессов:

1. Адсорбция.

2. Абсорбция.

3.Окислительно–восстановительные процессы, при которых образуются менее опасные продукты:

3.1) окисление органических примесей до СО₂ и Н₂О;

3.2) окисление примесей (хлорорганических веществ, SO₂, оксидов азота) в ценные продукты с получением соответственно Cl₂, H₂SO₄, HNO₃;

3.3) восстановление примесей в безвредные продукты (например, NO в N₂).

3. 4) восстановление примесей в ценные продукты (например, SO₂ в S);

3.5) разложение примесей до безвредных продуктов.

Адсорбцией называют концентрирование веществ на поверхности или в объеме микропор твердого тела (адсорбента). Поглощаемое вещество называют адсорбтивом, а после его перехода в адсорбированное состояние – адсорбатом. Любое твердое вещество, обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом. В технике используются адсорбенты с развитой в специальных условиях внутренней поверхностью.

Адсорбенты состоят из пор различного размера: макро-, переходных (мезопор) и макропор.

Микропоры имеют размер 1,5 нм. Суммарный объем пор 5 ·10^-4м³/г. Адсорбция происходит за счет заполнения пор.

Переходные поры имеют размеры 1,5 – 100 нм. Их удельная поверхность 10 – 400 м²/г. Оседание загрязнений происходит не во всем объеме, а только на небольшом расстоянии от стенок. Они служат транспортными путями для подвода к микропорам.

Макропоры имеют эффективный радиус 100 – 200 нм. Их удельная поверхность мала – от 0,5 до 10 м²/г, поэтому адсорбцией на них пренебрегают. Они служат для транспорта загрязнений к микропорам адсорбента.

Наиболее распространенными адсорбентами являются активные угли и силикагели.

Обычно адсорбция проводится в установках периодического действия, состоящих из нескольких адсорберов, через которые пропускается очищаемый газ (рис.5.10).

После заполнения адсорбента адсорбер переключается на десорбцию. Десорбцию проводят острым паром, под давлением 1,5 МПа.

Абсорбция – поглощение газов жидкими абсорбентами. Абсорбция может осуществляться без изменения химического состава, т.е. растворением. Наиболее распространенным абсорбентом является вода (рис.5.11). Чем выше растворимость газов, тем лучше они сорбируются.

Рис. 5.10 Адсорбер полочного типа неподвижными слоями адсорбента 1 – корпус, 2 – слой адсорбента	Рис. 5.11. Абсорбционный аппарат : 1 – распылитель, 2 – абсорбционная камера, 3 - сепаратор

В некоторых случаях для поглощения газообразных компонентов применяют минеральные масла (для сероуглерода), расплавы (для нагретых газов).

Однако чаще всего используют водные растворы веществ, реагирующих с поглощаемым компонентом – хемосорбцию.

Окисление кислородом при повышенных температурах - термическое обезвреживание. Различают прямое и каталитическое окислени (сжигание). Для прямого сжигпния используют пламенные печи и установки факельного сжигания. Различают низкие факелы (до 25 м) и высокие (до 100 м).

Каталитическое окисление применяют когда содержание органических продуктов мало и использовать метод прямого сжигания невыгодно. Прцесс протекает при 200 -300^оС, вместо 950-1100 ^оС.

Катализатор – соединения щелочных металлов, нанесенные на оксид алюминия, кизельгур или силикаты.. Стоимость каталитической очистки в 2-3 раза дешевле высокотемпературного сжигания.

Биологические (биохимические) процессы очистки воздуха могут быть использованы для очистки от дурнопахнущих веществ. Реакторы биоочистки делятся на мокрые и сухие. Мокрый реактор (биоскруббер работает как реактор с насадкой и противотоком жидкости. Часто в качестве такой жидкости используют сточные воды. Дурнопахнущие вещества переносятся из воздуха в жидкость, а затем окисляются микроорганизмами, формирующими биопленку, в результате очищаются и воздух, и сточные воды.

"Сухой" реактор представляет реактор с насадкой из биоактивного сорбирующего материала (например, компост, торф и др.). Загрязненные газы продуваются через слой насадки.

Очистка выбросов от оксидов углерода. В связи с огромным выбросом СО₂ ведется интенсивный поиск методов синтеза из него органических веществ. При наличии дешевого Н₂ (например, при развитии солнечной энергетики) из СО₂ после его адсорбции или абсорбции можно будет получать формальдегид, метанол и метан – заменители топлива:

2 Н₂ + СО₂ ^{катализ} СН₂О

3/4 Н₂ + СО₂ ^{катализ} СН₃ОН + Н₂О

Процесс очистки газовых выбросов, содержащих СО, может каталитически осуществляться:

СО + Н₂О ^{катализ} СО₂ + Н₂ .

При содержании СО  2 % более эффективен каталитический процесс метанирования:

СО + Н₂ ^{катализ} СН₄ + Н₂О.

Очистка отходящих газов от сероводорода. Сероводород является составляющим компонентов нефти и газа, а также может образовываться в процессе восстановления оксидов серы.

Сероводород, уловленный из газов, в зависимости от метода очистки выделяется в виде элементной серы или концентрированного газа, который каталитически перерабатывают в серную кислоту и элементную серу.

Большую группу методов очистки газов от примеси сероводорода составляют окислительные методы, в которых его улавливают тем или иным абсорбентом (водные растворы Nа₂СО₃, К₂СО₃, NН₃, Fе(ОН)₃ и других веществ), а затем поглощенный Н₂S окисляют кислородом воздуха с получением элементной серы:

2 Н₂S + 0₂ → 2Н₂0 + 2 S

Однако окисление Н₂S при обычных условиях практически не протекает. Для окисления используют катализаторы.

К окислительным методам очистки газов от сероводорода относится мышьяково-содовый. В этом процессе в качестве поглотителя применяют нейтральные или слабощелочные растворы тиоарсената натрия или аммония т. е. соли пятивалентного мышьяка.

Механизмы протекающих реакций сводятся к замещению одного атома кислорода в молекуле тиоарсената атомом серы при абсорбции и обратном замещении при регенерации:

Na₄Аs₂S₅О₂ + Н₂S → Na₄Аs₂S₆О + Н₂О

Na₄Аs₂S₆О + ¹/₂О_а → Na₄Аs₂S₅О₂+ S↓

Рис. 5.12. Схема установки мышьяково-содовой очистки газов 1 – скруббер; 2 – нагреватель насыщенного раствора; 3 – регенератор; 4 – пеносборник; 5 – вакуум-фильтр; 6 – бункер; 7 – аппарат для плавления серы; 8 – воздуходувка

Очищаемый газ (рис.5.12) поступает в нижнюю часть скруббера 1, проходит через него противотоком к раствору и удаляется сверху. Отработанный раствор подогревают до 40 ^оС в теплообменнике 2 и регенерируют в колонне 3 в прямотоке с воздухом. Регенерированный раствор возвращают в абсорбер, а серная пена поступает в пеносборник 4, где уплотняется и при помощи мешалок поддерживается в состоянии суспензии. Затем серная суспензия поступает в ва­куум-фильтр 5, где отмывается от мышьяка теплой водой. Серную пасту, содержащую до 40 % влаги, через бунккер 6 направляют в аппарат для плавления серы 7, а промывные воды возвращают в процесс.

Сухие методы очистки газа от сернистых соединений включают очистку гидратом окиси железа, активным углем и цеолитами.

Установка для очистки гидратом окиси железа (болотной рудой) показана на рис.5.13.