7.3 Очистка воздуха от газообразных загрязнителей

На предприятиях пищевой промышленности к наиболее распространенным газам, которые содержатся в технологических и вентиляционных выбросах, относятся диоксид серы, сероводород, оксид и диоксид углерода, аммиак, оксиды азота, акролеин и др.

В настоящее время очистка дымовых газов и выбросов в атмосферу от газообразных загрязнителей на предприятиях пищевой промышленности не находит широкого применения. Однако, в связи с возрастающими требованиями к чистоте атмосферного воздуха эти мероприятия будут осуществляться практически на всех предприятиях.

Особенностью очистки выбросов от газообразных примесей является необходимость предварительной подготовки газовых потоков, которая заключается в очистке их от твердых частиц – пыли, сажи, золы. Кроме того, отходящие газы весьма разнообразны по химическому составу, довольно часто имеют высокую температуру, концентрация примесей обычно переменна и достаточно низка, что необходимо учитывать при выборе метода очистки.

Для удаления из промышленных выбросов газообразных примесей применяются следующие методы: абсорбция, адсорбция, хемосорбция, термическая нейтрализация, каталитический метод.

Метод абсорбции называют скрубберным процессом, который заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Процесс протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз и коэффициент диффузии. Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента, которая зависит от температуры и давления. Растворимость газов при температуре 0⁰С и парциальном давлении 101,3кПа должна составлять сотни грамм на 1кг растворителя.

Для удаления из технологических выбросов таких газов как аммиак, хлористый или фтористый водород в качестве абсорбента экономически целесообразно применять воду.

Для очистки газовых выбросов методом абсорбции применяют абсорберы различных конструкций – насадочные башни, форсуночные, центробежные, барботажно-пенные скрубберы и др.

На рис. 25 представлен абсорбер, выполненный в виде скруббера с подвижной насадкой. Загрязненный газ входит в нижнюю часть скруббера, а сверху при помощи оросителей 1 вводят абсорбент. Очищенный газ сбрасывают в атмосферу через верхнюю часть аппарата. Отработанная жидкость отводится из нижней части на регенерацию, после чего ее возвращают в процесс. Химически инертная насадка 2, заполняющая внутреннюю полость скруббера, предназначена для увеличения поверхности абсорбента, растекающегося по ней в виде пленки. В качестве насадки используют полые, сплошные и перфорированные шары, кольца, полукольца и т.д. Материалом для изготовления насадок служит керамика, фарфор, пластмасса, металлы, которые выбираются, исходя из соображения антикоррозийной устойчивости.

Рис. 25 Скруббер с подвижной насадкой

Метод адсорбции представляет собой процесс поглощения газов твердыми активными веществами (адсорбентами), в качестве которых используют активированный уголь, силикагель, глинозем, оксид алюминия, синтетические цеолиты и др. Их применяют для очистки газов от органических примесей, летучих растворителей, а также для подавления неприятных запахов.

В качестве адсорбентов используют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Так, удельная поверхность активированных углей достигает 10⁵-10⁶м²/кг. Адсорбционная способность адсорбента зависит от концентрации газа (адсорбата) у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических и электрических свойств адсорбента и адсорбата, температурных условий и присутствия других примесей.

Конструктивно адсорберы (рис. 26 а, б, в) выполняются в виде горизонтальных, вертикальных, либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа.

Рис. 26. Конструктивные схемы адсорберов:

а – вертикальный, б – горизонтальный, в – кольцевой

1 – адсорбер; 2 – слой активированного угля; 3 – центральная труба для подачи газовоздушной смеси; 4 – барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 – труба для выхода инертных по отношению к поглотителю газов; 6 – труба для выхода пара при десорбции

Слой адсорбента может быть неподвижным (в адсорберах периодического действия) или движущимся. Выбор конструкции определяется скоростью движения газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов.

Метод хемосорбции заключается в промывке очищаемого воздуха растворами реагентов, которые вступают с газообразными примесями в химические реакции. Хемосорбция применяется для очистки отходящих газов от диоксида азота, хлора, сероводорода и др.

Методы хемосорбции и абсорбции относят к мокрым методам очистки. Их преимущество заключается в экономичности очистки больших объемов газовых выбросов и осуществлении непрерывных технологических процессов. Основным недостатком мокрых методов является образование большого количества отходов, представляющих собой смесь пыли, растворителя и продуктов поглощения, в связи с чем возникают проблемы транспортировки и утилизации шлама, что удорожает и осложняет эксплуатацию абсорберов.

Метод термической нейтрализации основан на способности горючих токсичных компонентов окисляться до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газовой смеси.

Термическая нейтрализация вредных примесей в ряде случаев имеет преимущества перед сорбционными методами, которые заключаются в отсутствии шламового хозяйства, небольших габаритах очистных установок и простоте их обслуживания, высокой эффективности обезвреживания газов при относительно низкой стоимости и т.д. Однако область применения термической нейтрализации ограничивается характером образующихся при окислении продуктов реакции, которые по токсичности могут во много раз превышать исходный газовый выброс.

Термическую нейтрализацию газовых выбросов осуществляют прямым сжиганием в пламени или путем термического окисления. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом газовой смеси и предельно допустимыми выбросами загрязняющих веществ.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда отходящие газы за счет высокой температуры поддерживают горение без дополнительного топлива.

Одна из проблем прямого сжигания – высокая температура пламени, которая может достигать 1300 ⁰С, что при наличии избытка воздуха приводит к образованию оксидов азота. Тем самым процесс сжигания, обезвреживая загрязняющие вещества одного типа, становится источником других вредных веществ. Прямое сжигание обеспечивает эффективность очистки 90-99 % при начальной температуре газовых выбросов 650-750 ⁰С.

Термическое окисление применяют, если отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода. Процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием к отходящим газам свежего воздуха.

Основное преимущество термического окисления – относительно низкая (не более 800 ⁰С) температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и избежать значительного образования оксидов азота.

Каталитический метод очистки применяется для превращения токсичных компонентов газовых выбросов в нетоксичные или малотоксичные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов. В качестве катализаторов используют благородные металлы, такие как платина, палладий и др., а также некоторые соединения – оксиды меди, марганца, никеля, алюминия и т.п. Основной критерий выбора катализаторов – их активность, т.е. количество продукта, получаемого с единицы объема катализатора, и долговечность. Присутствие в газовых выбросах таких соединений как сера, железо, кремний, фосфор вызывает отравление катализаторов и сокращает срок их службы. С помощью катализаторов практически полностью окисляются примеси этилена, бутана, пропана, спиртов, ацетона, бензола и др. при относительно низкой температуре – 350-400 ⁰С.

В настоящее время применяют два варианта газоочистных каталитических устройств:

• реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе;

• реакторы термокаталитические, в которых контактный узел и подогреватель размещены в общем корпусе.

Термокаталитические реакторы представляют собой многочисленную группу современных аппаратов для каталитического обезвреживания газовых выбросов от оксида углерода и органических соединений.