4.4. Оксиды азота
Источники выброса газов, содержащих оксиды, разнообразны. Эти газы различаются по содержанию в них оксидов азота и других примесей, степени окисления оксидов азота, температуре, давлению и т.д. При этом объемная доля оксидов азота в отходящих газах может колебаться от 0,07 до 30 %.
Методы очистки газов от оксидов азота делятся на окислительные, восстановительные и сорбционные.
Окислительные методы основаны на предварительном окислении монооксида азота с последующим поглощением диоксида азота и триоксида азота различными поглотителями. Окисление монооксида азота можно проводить несколькими путями: в газовой фазе кислородом, в жидкой фазе с газообразным кислородом; наиболее эффективный метод окисления NO газообразным кислородом на катализаторах (силикагель, карбоалюмогель, гопкалит).
Окисление монооксида жидкими окислителями (водный раствор пероксида водорода, азотная кислота, хроматы и бихроматы, перманганат калия) – эффективный процесс, обеспечивающий окисление до остаточного содержания оксидов азота в газе от 50 до 100 см3/м3, процесс протекает при обычном давлении и температуре:
ЗН2О2 + 2NO 2HNO3 + 2Н2О
KMnO4 + NO KNO3 + MnO2
HNO3 + NO NO2 + HNO2
K2Cr2O7 + 2NO + 3H2O KNO3 + 2 Cr(OH)3
Однако жидкие окислители дороги, требуется их регенерация, большое количество отходов.
Восстановительные методы основаны на восстановлении оксидов азота до азота различными восстановителями в присутствии катализаторов и под действием высоких температур.
Селективное восстановление оксидов азота с помощью аммиака на алюмованадиевом катализаторе при t = 300 °С протекает по следующей схеме:
NO + 4NH3 5N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O6
4NO + 4NH3 + О2 4N2 + 6H2O
4NH3 + 3O2 2N2+ 6H2O.
Для более полного протекания реакций содержание аммиака должно превышать стехиометрическое на 20-30 %. Процесс достаточно прост по аппаратурному оформлению и внедрен в производстве азотной кислоты. Процесс обеспечивает 96 % очистку нитрозных газов.
Технологическая схема очистки отходящих производственных газов от окислов азота представлена на примере процесса датской фирмы «Денокс» (рис. 4.7)
Рис. 4.7. Принципиальная технологическая схема очистки
Отходящих производственных газов от оксидов азота:
1 – резервуар для жидкого аммиака; 2 – испаритель; 3 – сопловой
распределитель; 4 – реактор; 5 – пароструйные воздуходувки
Жидкий аммиак из резервуара 1 подается в испаритель 2, откуда пары аммиака, смешиваясь с воздухом высокого давления, поступают в поток очищаемого газа через сопловый распределитель 3, обеспечивающий равномерное распределение аммиака в сечение газового потока.
Система газораспределения на входе в реактор 4 обеспечивает равномерный профиль распределения газа перед слоем катализатора, что обеспечивает эффективное использование последнего при сравнительно малом аэродинамическом сопротивлении слоя катализатора. Реактор имеет обычно прямоугольное сечение и содержит два или более слоя катализатора, между которыми при необходимости располагают пароструйные воздуходувки 5 для удаления пыли и летучей золы с поверхности катализатора .
Метод гомогенного восстановления оксидов азота основан на селективном восстановлении оксидов азота аммиаком в газовой фазе при отсутствии катализатора. При взаимодействии аммиака с NОх в присутствии паров воды в газовой фазе при температуре 30-40 °С протекают следующие экзотермические процессы:
NH3 + Н2О NH4OH
2NO2 + 2NH4OH NH4NO2 + NH4NO3
N2O3 + 2NH4OH 2NH4NO2 + H2O
Последующее нагревание газового потока до 240 °С приводит к разложению образовавшихся аэрозолей нитритов и нитратов аммония на безвредные продукты:
NH4NO2 N2 + 2Н2О
NH4NO3 N2 + 2H2O + 1/2O2.
Каталитическое восстановление оксидов азота проводят в присутствии катализатора из сплавов металлов платиновой группы или составов, содержащих никель, хром, медь, цинк, ванадий и др. Восстановителями служат водород, оксид углерода, метан и другие углеводороды:
NO(NO2) + СН4 N2 + СО2 + Н2О
NO(NO2) + Н2 N2 + Н2О
NO(NO2) + СО N2 + СО2
Газы, подлежащие очистке, в смеси с газом-восстановителем нагревают до требуемой температуры 150-480 °С (в зависимости от вида восстановителя и катализатора) и пропускают через слой катализатора. Отходящие газы содержат значительное количество кислорода, который окисляет восстановители. В процессе выделяется большое количество тепла, резко возрастает температура, что обусловливает повышенное требование к термостабильности и механической прочности катализатора. Тепло, выделяющееся в процессе восстановления, можно использовать в газовых турбинах для получения дополнительной энергии, что улучшает экономические показатели процесса очистки.
Сорбционные методы основаны на поглощении оксидов азота жидкими или твердыми сорбентами.
Щелочная абсорбция целесообразна при санитарной очистке газов от оксидов азота при степени окисления близкой к 50 %. В качестве абсорбентов можно применять растворы соды Na2CO3, едкого натра NaOH, известкового молока СаСОз и мочевину CO(NH2)2 (40 %-ный раствор):
NO + NO2 + CO(NH2)2 → 2N2 + CO2 + 2H2O
Хемосорбционные методы применяются для одновременной очистки от оксидов серы и азота. В качестве сорбента используют соединения меди, которые поглощают оксиды серы, а оксиды азота восстанавливаются с помощью подаваемого аммиака. Процесс проводят в «кипящем» слое при температуре от 400 до 450 °С.