Рис. 5.13. Башня для сухой очистки газов

Окисью железа

1 – слой сорбента; 2 – опорные решетки

Очистку производят, пропуская газ через слой болотной руды: . Fе₂О₃ + ЗН₂S = Fе₂S₃ + ЗН₂О

После этого окисляют воздухом:

2 Fе₂S₃ + 30₂ = 2Fе₂0₃

Серу после полного насыщения руды обычно выжигают с последующей переработкой SO₂ в серную кислоту. Иногда применяют экстракцию серы растворителями, например сероуглеродом или перхлорэтиленом, после чего ее выделяют кристаллизацией или простой отгонкой растворителя. Поглотительную массу обычно применяют в виде зерен размером 6-8 мм. Кроме Fе₂О₃ (45-55 %) масса содержит 30-50 % влаги.

Теоретически 1 кг Fе(ОН)₃ при полном превращении в сульфид поглощает 0,64 кг Н₂S.

Очистка активным углем. Активный уголь не только адсорбирует сероводород из газовой среды, но и катализирует реакцию окисления поглощенного сероводорода в адсорбированной фазе кислородом, если он имеется в газе, до элементной серы:

Н₂S + ¹/₂О₂ S + Н₂О + 220 кДж

Если очистке подвергают газ, не содержащий кислорода, его добавляют.

Переработка сероводорода в серу методом Клауса. Метод Клауса, заключается в окислении сероводорода кислородом воздуха в элементарную серу (рис. 5.14).

H₂S +1/2 О₂ → S + 220 кДж

Рис. 5.14. Схема установки для очистки газов от сероводорода методом Клауса

1 – аппарат пламенного окисления; 2, 6 – холодильники; 3,7 – сепараторы;

4 – нагреватель; 5 – реактор с бокситом.

Окисление проводят в 2 стадии: термической и каталитической. В термической стадии ведут пламенное окисление Н₂S со стехиометрическим количеством О₂ при температурах в топке 900-1350 °С.

Одна­ко при этом часть Н₂ S окисляется до S О₂.

2Н₂ S + 3О₂ → 2SО₂ + 2Н₂О

В каталитической части идет реакция между Н₂S и SО₂ на. катализаторе – боксите или активной окиси алюминия при температуре 220-250 °С:

2Н₂ S + S О₂ →2Н₂0 + 3 S

Как правило, каталитический процесс проводят в две стадии, так как в результате реакции сильно повышается температура га­зов. Для увеличения выхода серы после термической и каждой ка­талитической ступени реакционные газы охлаждают до 140-160 °С и из них выводят образовавшуюся элементную серу. Подогрев газа перед каталитическими ступенями до 225-250 °С идет за счет тепла сгорания части сероводорода (15 %) в специальной топке. Продукты сгорания примешиваются к реакционному газу. В неко­торых схемах конденсацию серы после термической ступени не проводят, газы охлаждают лишь до 300 °С, и при этой температуре они поступают на первую каталитическую ступень. В этом случае подогрев реакционного газа перед второй ступенью проводят в га­зовом теплообменнике.

Очистка от оксидов серы. Для поглощения сернистого и серного ангидрида используют известь, соду, натровый щелок. При этом происходят следующие реакции

SO₂ + Ca(OH)₂→ CaSO₃ + H₂O

SO₃ + Ca(OH)₂→ CaSO₄ + H₂O

SO₂+Na₂CO₃ → Na₂SO₃ + CO₂

SO₃+Na₂CO₃→ Na₂SO₃ + CO₂

Некоторые производства содержат в воздушных выбросах до 4-10 % диоксида серы, что вполне достаточно для получения серной кислоты. Для ее получения проводят жидкофазное окисление диоксида серы при повышенных температурах:

SO₂ + 1/2 О₂ + Н₂ О ^{катализ} Н₂ SО₄ .

Степень улавливания близка к 100 %.

Из газов с концентрацией SO₂ менее 2 % этими способами получить серную кислоту нельзя. Для их очистки разработано несколько способов; некоторые из них кратко описаны ниже.

Известковый способ. Газы, содержащие SO₂, промываются в скруббере известковым молоком (гидратом оксида кальция), которое реагирует с SO₂ по уравнению

SO₂ +Са (ОН)₂ = Са SО_З +Н₂О.

Этим способом можно получить высокую степень очист­ки, но требуется затратить большое количество извести.

Для осуществления процесса необходимо подавать на орошение скруббера большое количество жидкости для то­го, чтобы насадка скруббера не засорялась, образующим­ся в процессе побочным продуктом – гипсом (СаSО₄). Поэтому применяют многократную циркуляцию пульпы

(рис.5.15).

Рис. 5.15. Схема известкового метода очистки газов от диоксида серы

1 – скруббер, 2 – насадка, 3 – форсунка, 4 – кристаллизатор, 5 – насос, 6 – приемный бак

При применении взамен извести молотого известняка степень очистки газов от SO₂ значительно понижается.

Аммиачный способ (циклический). Газы, содержащие SO₂, после тщательной их очистки от пыли, мышьяка и селена и охлаждения до 35-40 °С промывают раствором, содержащим (NН₄)₂S0з. При этом протекает реакция (NН₄)₂SОз+S0₂+Н₂О=2NН₄НSО₃ в результате которой газ очищается от SО₂.

При нагреве полученного раствора бисульфата аммония до кипения реакция идет в обратном направлении с выделением сернистого ангидрида и получением раствора сульфита аммония (рис. 5.16).

Аммиачным способом получают сернистый ангидрид высокой концентрации, используемый для производства серной кислоты.

Полученный после отгонки S0₂ раствор сульфита аммония охлаждают и снова ис­пользуют для улавливания сер­нистого ангидрида из газов. При этом способе поглотитель совершает круговой цикл: он поглощает SО₂, а затем после отгонки SО₂ и последующего охлаждения используется повторно. Такие методы называют циклическими.

Аммиачный способ (нециклический). По данному способу, газы металлургических производств очищают от SО₂, абсорбируя их раствором сульфита аммония. Половину полученного бисульфита аммония обрабатывают какой-либо кислотой (серной азотной, фосфорной).

(NН₄)₂SОз+S0₂+Н₂О=2NН₄НSО₃

NН₄НSО₃ +H₂SO₄= 2(NН₄)₂SО₄+ 2 Н₂О + S0₂

При этом получают аммонийную соль, которую можно использовать как удобрение. Образовавшийся S0₂, идет на производство серной кислоты.

Рис. 5.16. Схема обогащения диоксида серы аммиачно-циклическим

методом: 1 – абсорберы; 2 – холодильники; 3 – насосы; 4 – сборники;

5 – теплообменники; 6 – конденсаторная колонка; 7 – отгонная колонна;

8 – кипятильник отгонной колонны; А – подача свежего поглотителя;

В – выход поглотителя цикла

Марганцевый метод разработан японской фирмой «Митсубиси». Мелко измельченный диоксид марганца вводят в поток дымового газа. В результате реакции образуется сульфат марганца

МnO₂ + S0₂ = Mn S0₄

Твердый аэрозоль сульфата марганца и избыток непрореагировавшего диоксида марганца выделяют в батарейных циклонах и электрофильтрах. Степень улавливания 99,98%. Выделенную смесь твердых частиц вводят в в водный раствор аммиака и аэрируют в окислительной колонне. При этом протекает реакция:

Mn S0₄+ 2NH₃ + H₂O + 1/2O₂= MnO₂ + (NH₄)₂SO₄

Раствор сульфата аммония отделяют фильтрацией или центрифугированием от твердых частиц диоксида марганца, Последний сушат, измельчают и возвращают в процесс. Раствор сульфата аммония поступает на сушку. Кристаллы сухого продукта подаются на склад. Иногда сульфат аммония обрабатывают известковым молоком , получая гипс.

(NH₄)₂SO₄+ Са(ОН)₂ = Са SO₄+ 2NH₃ + 2Н₂О

Выделившийся аммиак используют для регенерации раствора.

Адсорбционные методы. Для улавливания S0₂ широкое применение получили углеродные пористые вещества – активные угли, полукоксы и др.

Обычно в газе очистки содержатся кислород и пары воды. В адсорбированной фазе протекают вторичные реакции

S0₂+Н₂О↔Н₂ S0₃

Н₂ S0₃ +1/2 О+ nН₂О↔(Н₂ S0₄• Н₂0)

Для синтеза серной кислоты в адсорбированной фазе необходимо наличие кислорода и воды. При температуре 100^о и концентрации паров воды в воздухе 10 % концентрация серной кислоты в адсорбированной фазе достигает 70 %.

Очистка газов от оксидов азота проводится сорбционными (абсорбционными и адсорбционными) и каталитическими мотодами. Применяются также комплексные метода очистки дымовых газов от оксидов азота и серы.

Абсорбция водой малоэффективна, так как оксиды азота плохо растворяются. Более эффективной является очистка от NO_х припомощи щелочей.

Щелочные методы основаны на взаимодействии оксидов азота с водными растворами щелочей. Образующиеся при этом азотно- и азотистокислые соли используются в промышленности и в сельском хозяйстве в качестве товарных продуктов.

2NH₄OH + 2NO₂ = 2NH₄ NO₃ + H₂O.

NO + NO₂ + 2 NaOH = 2NaNO₂ + H₂O/

Для абсорбции NO_х можно применять Са(ОН)2, Мg ОН₂, Мg СО₃/

NO_х в прмышленных условиях абсорбируют в скрубберах Вентури, промывных башнях, насадочных и тарельчатых абсорберах.

В качестве адсорбентов применяют активированные угли, древесный уголь, торф и др. В качестве десорбентов воду или водяной пар. При десорбции получается азотная кислота и концентрированный оксид азота.

Наиболее эффективным способом является каталитические методы.

При температуре более 620^оС все высшие оксиды диссоциируют до NO При температуре 900 – 1000^оС возможна диссоциация по реакции

2 NO→ N₂ +O₂ + 181 кДж/моль

Эта реакция идет очень медленно, поэтому для ускорения процесса применяют катализаторы – оксиды Со, Сu ,Ni, Fе, Cr, Zn. Однако катализаторы очень быстро дезактивируются. Более перспективным является восстановление на каталтзаторах в присутствии восстановителей: Н₂, СН₄, N Н₃, СО и твердый углерод.. Для этого в слое катализатора производится беспламенное сжигание при температуре 500^оС при недостатке кислорода (α<1). При этом протекают следующие реакции

2NO + 2 Н₂ = 2Н₂О + N₂

2NO₂ + 4Н₂ = 4Н₂О + N₂

2NO + 2 СО = 2СО₂ + N₂

В качестве катализаторов используют Pt, Pd, Rh, Ru, а также Со, Сu ,Ni, Fе, Cr, Zn и их оксиды нанесенные на пористые оксиды кремни и алюминия.

Наиболее высокой активностью обладают катализаторы на основе платины, родия и палладия, содержание которых в катализаторе колеблется в пределах 0,1-2 %.

На принципе восстановления работают нейтрализаторы автомобильных выбросов. Нейтрализация отработавших газов в выбросах ДВС идет по уравнению

2 NO + 2 CO  N₂ + 2 CO₂

В настоящее время все автомобили, выпускаемые в США (около 10 млн. шт. в год), в обязательном порядке снабжаются каталитическими нейтрализаторами, устанавливаемыми в выхлопную систему двигателя без каких - либо изменений и зачастую выполняющими функцию глушителя рис. 5.17.

Рис. 5.17. Нейтрализатор (каталитический газоочиститель) выхлопных газов: 1 - выход газа из выхлопной трубы; 2 - воздух; 3 - катализатор; 4 - очищенный газ.

Нейтрализатор представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с вмонтированной в нее сотовидной керамической сеткой, покрытой платиной, палладием или другим благородным металлом. Он обеспечивает эффективную очистку основных токсических компонентов в интервале от 150 до 900^оС , Газы из выхлопной трубы автомобиля проходят через суженный участок для инъекции атмосферного воздуха, необходимого для сжигания СО и других горючих компонентов смеси. Газовая смесь проходит через цилиндрический слой катализатора, зажатый между сетками, где и происходит каталитическое окисление примесей.

Контрольные вопросы

1. Какие методы применяются для очистки выбросов от газовых примесей?

2. Чем отличается адсорбция от адсорбции?

3. За счет чего происходит адсорбция?

4. Что можно делать с адсорбированными загрязненииями?

5. Когда используются окислительные способы очистки выбросов?

6. Когда используются восстановительные способы очистки выбросов?