ЗАХИСТ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ ВІД ПРОМИСЛОВИХ ВИКИДІВ ПАРО- I ГАЗОПОДІБНИХ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН
Основні методи очищення атмосферного повітря від шкідливих парів і газів
Очищення та знешкодження технологічних і вентиляційних викидів промислових підприємств від газо- і пароподібних домішок характеризується тим, що, по-перше, гази, які викидаються в атмосферу, надто різні за хімічним складом; по-друге, вони мають іноді достатньо високу температуру і містять значну кількість пилу, що суттєво ускладнює процес газоочищення, і потребують попередньої підготовки відвідних газів; по-третє, концентрація газоподібних і пароподібних домішок часто у вентиляційних і рідше в технологічних викидах є змінна та низька.
Існуючі газоочисні установки дозволяють знешкоджувати технологічні та вентиляційні викиди без або з подальшою утилізацією вловлених домішок. Перший тип апаратів характеризується санітарними обмеженнями, пов'язаними з процесами видалення, транспортування та захоронення вилученого продукту. Найбільш перспективними є апарати з виділенням продукту в концентрованому вигляді та подальшим його використанням для потреб народного господарства. Виробництво таких установок є важливим завданням у розроблення маловідходної та безвідходної технологій.
Для реалізації завдань захисту атмосфери від шкідливих викидів зараз застосовують шість основних методів: абсорбція; адсорбція; хемосорбція; термічна нейтралізація; каталітичне знешкодження; хімічне знешкодження (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Методи та апарати для очищення промислових викидів паро- і газоподібних речовин
Абсорбцію в техніці часто називають скруберним процесом очищення атмосферного повітря від парів та газів. Принцип цього методу полягає в розкладанні газоподібної суміші на складові частини поглинанням одного або декількох газових компонентів (абсорбентів) цієї суміші рідким поглиначем (абсорбентом) з утворенням розчину. Основним при цьому є градієнт концентрації на межі фаз "газ — рідина”. Розчинений у рідині адсорбат унаслідок дифузії проникає у внутрішні шари абсорбенту.
Метод адсорбції ґрунтується на властивостях деяких твердих тіл з ультрамікроскопічною структурою селективно вилучати та концентрувати на поверхні окремі компоненти із газової суміші. У пористих тілах з капілярною структурою поверхневе поглинання доповнюється капілярною конденсацією.
Адсорбція поділяється на фізичну і хемосорбцію. При фізичній адсорбції молекули газу прилипають до поверхні твердого тіла під дією міжмолекулярних сил притягання (сил Ван-дер-Ввальса). Вивільнене при цьому тепло залежить від сили притягання і за порядком значення (як правило, в межах від 2 до 20 кДж/моль) збігається з кількістю тепла конденсації випарів. Великою перевагою фізичної адсорбції є зворотність процесу. При зменшенні тиску адсорбату в потоці газу або при збільшенні температури поглинений газ легко десорбується без зміни хімічного складу. Зворотність цього процесу виключно важлива, якщо економічно вигідно рекуперувати адсорбований газ або адсорбент.
Метод хемосорбції ґрунтується на поглинанні газів і парів твердими або рідкими поглиначами з утворенням малолетких або малорозчинних хімічних сполук. Поглинальна здатність хемосорбенту майже не залежить від тиску, тому хемосорбція доцільніша за невеликої концентрації шкідливих речовин у вихідних газах. Більшість реакцій, що протікають у процесі хемосорбції, є екзотермічними та зворотними, тому при підвищенні температури розчину хімічні сполуки розкладаються з виділенням вихідних елементів. На цьому принципі базується механізм десорбції хемосорбенту.
Прикладом хемосорбції може слугувати очищення газоповітряної суміші від сірководню із застосуванням миш'яково-лужного, еталоламінового та інших розчинів. При миш'яково-лужному методі вилучений із вихідного газу сірководень зв'язується оксисульфомиш'яковою сіллю, що знаходиться у водному розчині:
Регенерацію розчину здійснюють окисленням кисню, що виділяється в очищуваному повітрі:
У цьому випадку побічним продуктом є сірка.
Метод термічної нейтралізації ґрунтується на здатності горючих токсичних компонентів (гази, пари та дуже ароматні речовини) окислювання до менш токсичних за наявності вільного кисню та високої температури газової суміші. Цей метод застосовується у випадках, коли об'єми викидів надто великі, а концентрації забруднювальних речовин перевищують 300 млн'1.
Методи термічної нейтралізації шкідливих домішок у багатьох випадках мають переваги перед методами адсорбції та абсорбції. Відсутність шламів, невеликі габарити очисних установок, простота їх обслуговування, а також можливість автоматизації їхньої роботи, висока ефективність знешкодження шкідливих речовин та інші позитивні якості стали причиною їх широкого застосування у машинобудівній промисловості.
Ділянка застосування методу термічної нейтралізації шкідливих домішок обмежується характером утворених при окисленні продуктів реакції. Так, при спалюванні газів з вмістом фосфору, галогену, сірки утворені продукти реакції за токсичністю в декілька разів перевищують вихідний газовий викид. Виходячи з цього, метод термічного знешкодження може застосовуватися лише для викидів, що не містять токсичних компонентів. До них належать речовини органічного походження, до яких не входять галогени, сірка та фосфор.
Каталітичний метод використовують для перетворення токсичних компонентів промислових викидів у речовини, нешкідливі або малошкідливі для довкілля введенням у систему додаткових речовин — каталізаторів. Каталітичні методи ґрунтуються на взаємодії вилучених речовин з одним із компонентів, наявних в очищуваному газі. Каталізатор, взаємодіючи з однією із реагуючих сполук, утворює проміжну речовину, яка розпадається з утворенням продукту регенерованого каталізатора.
Каталітичне окислення має деякі переваги над термічним, зокрема, характеризується короткочасністю процесу, невеликими габаритами реактора, значно нижчою температурою для нагрівання газів (до 300 °С) тощо. Основним критерієм вибору каталізаторів є їх активність і довговічність.
Як каталізатори можуть застосовуватися метали (платина, паладій та інші метали) або їхні сполуки (оксиди міді, марганцю та ін.).
Про активність каталізатора свідчить кількість продукту, отриманого з одиниці об'єму каталізатора, або об'ємна швидкість каталітичного процесу, при яких забезпечується потрібний ступінь знешкодження оброблюваного газу. Об'ємну швидкість визначають як відношення витрати газу, що обробляється (м3/год), приведеного до нормальних умов, до об'єму каталізаторної (м3).
Каталізаторна маса зазвичай виготовляється з кульок, кілець, пластин або дроту, сплетеного у вигляді спіралі із ніхрому, нікелю, оксиду алюмінію з нанесенням на їхню поверхню (соті частки % до маси каталізатора) шляхетних металів. Каталітичний шар повинен створювати незначний перепад тиску, забезпечити максимальну поверхню контакту з газовим потоком і максимальну довговічність каталізатора.
Об'єм каталізаторної маси визначають на основі максимальної швидкості знешкодження газу, яка, в свою чергу, залежить від природи і концентрації шкідливих речовин у відвідному газі, а також від температури й тиску каталітичного продукту та активності каталізатора.
Біохімічний метод очищення повітря від газів ґрунтується на здатності мікроорганізмів руйнувати й перетворювати різні сполуки. Речовини розпадаються під дією ферментів, вироблених мікроорганізмами під впливом окремих сполук або групи речовин, наявних у газах, що очищаються. Біохімічний метод газоочищення найбільше застосовується для очищення відвідних газів постійного складу. При частій зміні складу газу мікроорганізми не встигають адаптуватися до нових речовин і виробляють недостатню кількість ферментів для їх розкладання, внаслідок чого біологічна система матиме слабку руйнівну здатність відносно шкідливих компонентів газів. Високий ефект газоочищення досягається за умови, що швидкість біохімічного окислення вилучених речовин більша, ніж швидкість їх надходження із газової фази.
Абсорбційне очищення атмосферного повітря від шкідливих газів
Для вилучення із технологічних викидів таких газів, як аміак, хлористий або фтористий водень доцільно застосовувати як поглинач воду, оскільки розчинність газів у воді становить сотні грамів на 1 кг Н20. При поглинанні з газів сірчистого ангідриду або хлору витрата води є досить значною, оскільки їх розчинність становить лише частку грама на 1 кг води. У деяких випадках замість води застосовують водні розчини сірчистої кислоти (для вловлювання водяних парів), в'язкі масла (для вилучення ароматичних вуглеводнів із коксового газу) та ін.
Забруднений повітряний потік контактує з рідким розчинником, проходячи через насадкову колону, розпилюючи рідини, або барботуючи газ через шар абсорбованої рідини. Залежно від реалізації способу контакту "газ — рідина" розглядають такі види очисних установок: насадні башти; форсункові та відцентрові скрубери; скрубери Вентурі; барбатажно-пінні скрубери; тарілчасті скрубери та інші очисні установки (схеми цих очисних установок наведені в розділі 3).
На рис. 4.2 зображена схема протитічної насадкової башти-абсорбера. В абсорбер через патрубок 1 надходить загазоване повітря з максимальним парціальним тиском, барботує через шар рідини 5 (у вигляді бульбашок) і виходить через патрубок 3 з мінімальним парціальним тиском. Погливна рідина протитечією надходить в апарат через розбризкувач 4 і виходить через патрубок 7. Процес абсорбції є гетерогенним, що протікає на межі "газ — рідина", тому для його прискорення застосовують різні пристрої, що збільшують площу контакту газу з рідиною.
Рис, 4.2. Схема башти-абсорбера: 1 — вхідний патрубок для загазованого повітря; 2 — патрубок для подавання рідини; 3 — вихідний патрубок для відведення очищеного повітря; 4 — розбризкувач; б — шар рідини з насадкою; 6 — сітка; 7 — вихідний патрубок для відведення забрудненої води
Для підвищення ефективності очищення повітря від пари розчинників, розріджувачів і газів застосовують хімічні поглиначі у вигляді водних розчинів електролітів (кислот, солей, лугів тощо). Наприклад, для очищення повітря від діоксиду сірки як поглинач (нейтралізатор) застосовують розчин лугу, в результаті реакції одержують сіль:
Рідина, що виводиться із абсорбера, підлягає регенерації, десорбуючи забруднювальну речовину, і повертається знову в процес (або відводиться як відходи).
Хімічно інертна насадка, яку додають у рідину, призначається для збільшення її поверхні, розтікається на сітці колони у вигляді плівки. Як насадку використовують тіла різної геометричної форми, кожна з яких характеризується власною питомою поверхнею та опором руху газоповітряного потоку. Типові форми насадок зображені на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Типові форми насадок для абсорберів: 1 — сідло Берля; 2 — кільце Рашипа; 3 — кільце Палля; 4 — розетка Теллера; 5 — сідло "Інталюкс"
Матеріали для виготовлення насадок (кераміка, порцеляна, пластмаси, метали) вибирають, враховуючи антикорозійну стійкість.
На промислових підприємствах часто можна побачити башти з ковпаковими тарілками. На рис. 4.4 наведена схема тарілчастого абсорбера, в якому замість насадки встановлено декілька тарілок 1.
Кожна тарілка обладнана ковпачками 2 із зубчастими краями, патрубками 3 і переливними патрубками 4. Абсорбент у цих апаратах стікає від тарілки до тарілки через переливні вертикальні трубки. Очищуване повітря рухається знизу вгору в напрямку, вказаному стрілками, барботуючи через шар рідини. Під час проходження між зубцями ковпачків загазоване повітря розподіляється на велику кількість струмочків і пухирців, унаслідок чого збільшується поверхня контакту взаємодіючих речовин. Іноді замість ковпакових тарілок застосовують перфоровані пластини з великою кількістю дрібних отворів (діаметром 6 мм), що призначаються для створення пухирців газу однакової форми та розміру.
Рис. 4.4. Схема ковпаково-тарілчастого абсорбера: 1 — тарілка; 2 — ковпачок; 3 — патрубок; 4 — переливна трубка
Такі абсорбери широко застосовуються у машинобудівній, металургійній та деревообробній промисловостях.