14. Выбросы загрязняющих веществ и отработанных газов в атмосферу

14.54. Биофильтрация

Биофильтрация представляет собой низкозатратный и высокоэффективный технологический метод контроля степени загрязненности атмосферы, при использовании которого парообразные загрязнители органического типа пропускаются через пористые фильтры и абсорбирующие поверхности и расщепляются на мелкие фракции за счет воздействия микроорганизмов данных сред. Фильтрации могут быть подвергнуты отдельные штаммы бактерий. В среде очистки создаются оптимальные условия для расщепления соединений определенного типа. Биологические фильтры имеют некоторые преимущества по сравнению с обычными угольными фильтрами. Во-первых, при биологическом расщеплении постоянно обеспечивается максимальная интенсивность адсорбции. За счет этого этап перехода основной массы загрязнителей в поглощающую среду отличается стабильностью и относительной краткосрочностью. Фильтр не требует восстановительной обработки. Минимально необходимая длина корпуса значительно сокращена. Благодаря этим характеристикам сокращаются капитальные и операционные расходы. Кроме того, в отличие от фильтров с углеродными гранулами, фильтры данного типа позволяют не просто расщепить, а полностью уничтожить загрязнители.

Как и другие процессы, предполагающие биологическое воздействие, биофильтрация во многом зависит от возможности биологического разложения вредных веществ. При соблюдении определенных условий биофильтры позволяют преобразовать практически любые вредоносные фракции соответствующего типа в безвредные соединения. Биофильтрация преимущественно используется для переработки негалогенированных летучих органических соединений и углеводородного топлива. Галогенированные летучие органические соединения могут быть также подвергнуты переработке, однако есть вероятность того, что процесс фильтрации в данном случае окажется менее эффективным. Биофильтры успешно применяются для контроля распространения запахов от компостных куч.

Ограничивающие факторы:

• Уровень входящего потока летучих примесей ограничен размером биофильтра.

• Могут возникнуть проблемы при фильтрации летучих грибковых спор.

• При низких температурах процесс уничтожения загрязнителей может быть замедлен или приостановлен, если биофильтр не оснащен системой управления микроклиматом.

• Невозможно обеспечить преобразование в безопасные фракции соединений, не подверженных биологическому расщеплению.

14.55. Уничтожение загрязнителей высокой энергией

Технология уничтожения загрязнителей высокой энергией представляет собой один из многочисленных подходов очистки вредоносных веществ и отработанных газов, предшествующей их выбросу в атмосферу. Цель применения данной технологии — обеспечить средства для переработки отработанных газов, возникающих при выполнении других восстановительных действий, которые не будут зависеть от каких-либо условий и позволят менять их местоположение на практике.

Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией

При коронарном уничтожении загрязнителей высокой энергией для расщепления летучих органических соединений при комнатной температуре используется электричество высокого напряжения. Применяемое оборудование состоит из следующих элементов: коронарного реактора высокой энергии, в котором происходит уничтожение летучих органических соединений, подводки входных и выходных труб, оснащенных приборами для измерения влажности, температуры, давления, концентрации загрязняющих веществ и массовой скорости потока, системой для контроля массовой скорости и влажности входного потока и дополнительным поглотителем летучих соединений.

Коронарный реактор высокой энергии представляет собой стеклянную трубку, наполненную стеклянной дробью, через которую пропускаются отработанные газы после предварительной очистки. Каждый реактор имеет диаметр 5 см, длину 122 см и вес менее 9 кг. В центр реактора помещается высоковольтный электрод, к внешней стеклянной поверхности реактора прикрепляется заземленный металлический экран. Высоковольтный источник энергоснабжения соединен с электродами, обеспечивая подачу электрического тока силой от 0 до 50 мА частотой 60 Гц при напряжении 30 кВ. Сила тока и мощность электрода зависят от типа загрязнителя и его концентрации.

Технологическое решение располагается в отдельном переносном контейнере, в котором содержится оборудование для очистки летучих примесей и средства для анализа процессов в режиме реального времени. Установка предполагает присоединение входного и выходного шлангов к контейнеру с оборудованием для коронарного уничтожения загрязнителей высокой энергией. Обучение использованию оборудования может быть проведено в течение 1 часа. Для предупреждения выхода системы из строя используется комбинация автоматизированных и ручных средств, позволяющих предотвратить разрыв электрической цепи, ослабление потока и выброс летучего органического загрязнителя из-за поломки стеклянного реактора. Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией почти не требует или требует незначительного инженерного вмешательства. В течение нескольких месяцев регулярной лабораторной эксплуатации не наблюдалось полного отказа оборудования или снижения его эффективности. Газовая хроматограмма в режиме реального времени и инструменты оборудования не требуют регулярной настройки для обеспечения качества данных.

Плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки

Ученые Массачусетского технологического института исследуют химические процессы в плазме, связанные с разработкой плазменного реактора, приводимого в действие разнонаправленным электронным лучом, для эффективного расщепления четыреххлористого углерода (CCI4) и прочих органических летучих соединений на практике. В реакторе используется электронный луч средней энергии (100-300 кэВ), который вбрасывается в атмосферу, содержащую органические загрязнители. При взаимодействии с электронами и плазмой, формируемыми электронным лучом, происходит расщепление и окисление органических соединений с образованием химических веществ нетоксического действия. В среде происходит образование плазмы, а значит дополнительно увеличить поток электронов и температуру газа для оптимального процесса расщепления можно при помощи полей переменного и постоянного электрического тока. Реактор был назван «плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки» в связи с широкими возможностями его настройки и регулирования.

Загрязняющие вещества, которые можно подвергать переработке в реакторе, включают почти все летучие и среднелетучие органические соединения. Есть также возможность перерабатывать неорганические соединения, такие как оксиды азота и серы. Данная технология специально используется для расщепления органических веществ и хлорсодержащих растворителей, таких как трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, тетрахлорид углерода, хлороформ, дизельное топливо и бензин. Возможна переработка вредоносных примесей как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Данный технологический метод оптимально подходит для очистки потоков газов с низкой концентрацией органических летучих веществ, в частности хлорированных соединений.

Ограничивающие факторы:

Планируется продолжить НИОКР для достижения следующих целей: полной характеристики выбросов реактора для определения равновесного состояния массового потока, адаптации процесса коронарного уничтожения загрязнителей высокой энергией для обеспечения контроля в режиме реального времени, лучшего понимания физических и химических феноменов, приводящих в действие процесс коронарного уничтожения, проектирования реакторов более крупного размера, оптимизации оборудования и корпусов, используемых при проведении специальных, модульных и стандартных операций.

14.56. Отделение примесей при помощи мембран

Министерство энергетики США разработало систему высокого давления, позволяющую отделять примеси при помощи мембран в потоках исходных материалов, в которых растворены летучие органические соединения. Технология отделения парообразных и летучих органических примесей предполагает избирательное прохождение органических парообразных примесей через непористую мембрану для отделения газов (процесс диффузии, аналогичный пропуску минерализованной воды через мембрану обратного осмоса). В данной системе происходит сжатие потока исходных материалов с последующим его направлением в конденсатор, где происходит восстановление жидкого растворителя. Затем конденсатор, регулирующий свойства примерно 5 000 мг/м³летучих органических соединений в растворенном состоянии, направляется к модулю мембраны. Модуль мембраны состоит из спиралеобразных модулей тонкослойных мембран, отделенных друг от друга пластмассовой сеткой. Мембрана и разделительные сетки закручены в спирали вокруг центральной сборной трубки. Концентрация потока летучих органических соединений в мембранном модуле достигает 3%. Затем концентрированный поток возвращается обратно в компрессор для последующего восстановления в конденсаторе.

Летучие органические соединения, тетрахлорид углерода и хлороформ в газовых потоках являются целевыми вредоносными примесями.

Ограничивающие факторы:

• Невозможность очистки почв от загрязняющих веществ.

• Невозможность контролировать колебания в концентрации летучих органических веществ.

• Мембраны подвержены воздействию влаги.

14.57. Окисление

Оборудование для окисления (термического и каталитического) используется для устранения вредоносных примесей в отработанных газах воздухоотделителей и систем ППЭ. Оборудование для термического окисление, как правило, представляет собой камеру с футерованными окисляющими компонентами, оснащенную системой для сжигания паров пропана и естественного газа и выводным каналом. В силу того, что большая часть такого оборудования поднимается на подпорки и динамические элементы, используется керамическая огнеупорная изоляция с небольшим удельным весом. Если вредоносной примесью является бензин, мощность теплообменного устройства ограничена до 25%-35%. Температура предварительного подогрева сохраняется на уровне ниже 180⁰С (530⁰F), чтобы свести к минимуму вероятность возникновения возгорания в теплообменном устройстве. Между источником парообразных соединений и термическим окислителем всегда помещаются огнезащитные сетки. Мощность камеры сгорания составляет 0,5-2 млн терм в час. Температура процесса изменяется в пределах 760 °C – 870 °C (1 400 °F – 1 600 °F), газ сохраняет устойчивость, как правило, в течение 1 секунды или меньшего периода времени.

Каталитическое окисление применяется сравнительно недавно как альтернативный способ расщепления летучих органических соединений в воздушных потоках в результате проведения различных восстановительных действий. Дополнительное использование катализатора позволяет увеличить скорость окисления за счет поглощения кислорода и вредоносной примеси поверхностью катализатора, где данные вещества вступают в реакцию с образованием углекислого газа, воды и хлористоводородного газа. Катализатор позволяет провести реакцию окисления при низких температурах, которые требуются для термического окисления при обычных условиях. Летучие органические соединения подвергаются термическому расщеплению с применением твердого катализатора при температуре, которая составляет, как правило, 320° С – 540° C (600° F – 1 000° F). Во-первых, воздушный поток, содержащий вредоносные примеси, подвергается предварительному нагреву (электрическому или, чаще, с использованием природного газа или пропана) до температуры 310 °C – 370 °C (600 °F – 700 °F), необходимой для начала каталитического окисления летучих органических соединений. После предварительного подогрева насыщенный летучими органическими соединениями воздушный поток пропускается через твердый катализатор, где летучие органические соединения подвергаются быстрому окислению. Часто термические окислители можно преобразовать в каталитические после того, как высокая концентрация вредных примесей первоначального потока будет сокращена до 1 000 – 5 000 млн долей на единицу объема.

Каталитическое окисление

В каталитических системах, используемых для окисления летучих органических соединений, применяются металлические окислители, такие как оксид никеля, меди, марганца и хрома. Могут быть также использованы такие благородные металлы как платина и палладий. Большинство катализаторов, которые могут быть приобретены на коммерческих условиях, запатентованы.

Окисление в двигателе внутреннего сгорания

Органические примеси газов могут использоваться как топливо при сгорании в двигателе внутреннего сгорания. При слишком низкой концентрации органических веществ для ускорения окисления добавляется дополнительное топливо.

Термическое окисление

В большинстве случаев процесс термического или каталитического окисления может быть ускорен для снижения расходов на дополнительное топливо с использованием воздушного теплообменника, передающего тепловую энергию отработанных газов входящему воздушному потоку, содержащему вредные примеси. Как правило, удается восстановить до 50% тепловой энергии отработанных газов.

Окисление под воздействием ультрафиолетового излучения

Окисление органических примесей воздушных потоков можно также осуществить с использованием ультрафиолетовых лучей. Как описано в разделе, посвященном окислению сточных вод под воздействием ультрафиолетового излучения (раздел 4.44 «Характеристика технологии»), окисление под воздействием ультрафиолетовых лучей представляет собой процесс, при котором под воздействием ультрафиолетового излучения распадаются химические связи вредных примесей. В зависимости от матрицы, в рамках которой происходит данный процесс, продукты распада с помощью светового воздействия бывают разными. Однако полностью преобразовать органический загрязнитель в CO2, H2O и т.п. не представляется возможным.

Целевой группой вредных примесей для окисления являются негалогенированные летучие органические соединения, негалогенированные полулетучие органические соединения и топливные углеводороды. Были разработаны катализаторы из драгоценных и обычных металлов, которые, как сообщается, могут эффективно разрушать галогенированные (в том числе хлорсодержащие) углеводороды. В частности был осуществлена переработка таких хлорсодержащих углеводородов, как трихлорэтилен, трихлоруксусная кислота и дезоксикортикостеронацетат 1.1.

Ограничения:

• В потоках сернистых и галогенированных соединений и соединений с высоким содержанием частиц катализатор может быть связан или выведен из строя, что потребует его замену.

• Для разрушения галогенированных соединений и соединений с высоким содержанием частиц катализатор может быть связан и соединений требуются специальные катализаторы, материалы и конструкции, а также дополнительное использование газоочистителя для сокращения объемов выброса вредных газов.

• Концентрация газа во входящем потоке должна составлять < 25% взрывоопасной концентрации при каталитическом и термическом окислении.

• Наличие хлорсодержащих углеводородов (см. комментарии выше) и некоторых тяжелых металлов (например, свинца) может привести к загрязнению катализатора.

14.58. Газоочистители

Существуют две широкие классификации устройств контроля над уровнем загрязнения воздушного потока, которые имеют общее название «газоочистители»:

Жидкие газоочистители

Жидкие газоочистители позволяют удалить газообразные вредоносные примеси при помощи инерционной диффузии, реакции с раствором сорбента или реагента или абсорбции жидким раствором. Газоочистители данных типов могут использоваться для контроля определенного состояния, в том числе поддержания концентрации частиц на уровне ниже 10 мкм в аэродинамическом диаметре (при концентрации частиц 10), 2,5 мкм в аэродинамическом диаметре при концентрации частиц 2,5), а также опасных воздушных примесей в форме частиц, неорганических испарений, паров и газов (например, хромовой кислоты, сульфида водорода, аммиака, хлоридов, фторидов и оксида серы). Газоочистители этих типов могут также иногда использоваться для контроля концентрации летучих органических соединений. Летучие органические соединения, легко поглощающие воду, могут контролироваться водной средой, водостойкие — амфифильным блочным сополимером в водной среде. Однако в отношении данного применения имеется очень мало информации. При применении абсорбции как основного метода контроля использованные растворители можно легко восстановить или переработать методом, приемлемым с точки зрения экологической безопасности.

Сухие газоочистители

Струйные сухие газоочистители широко используются как технология десульфуризации газового топлива. Данная технология ограниченно применяется в установках со средней мощностью 200 МВт, поэтому данная технология используется на угольных электростанциях малого и среднего размера. С использованием газоочистителей данного типа удается добиться уничтожения 90% оксида серы. К некоторым преимуществам использования данной технологии относятся низкая стоимость переработки отработанных веществ, невысокий расход воды и редкие перепады давления. Некоторые вредоносные примеси, которые, как правило, подвергаются данной переработке, включают полициклические ароматические углеводороды, фторид углерода, гидрохлорид, тяжелые металлы и указанный выше оксид серы.

Целевая группа вредных примесей для переработки с использованием газоочистителей: соляная кислота, серная кислота, хлорин, оксид серы, пары кислот и щелочей. Большинство газоочистителей, предназначенных для сжигания отработанных паров или жидкостей, имеют фильтрующий слой. Кислотные газы, как правила, являются основной целью при проведении газоочистительных действий.

Ограничения:

• Для всех водорастворимых минералов есть определенные пределы твердости и температуры. Можно избежать образования осадка за счет увеличения скорости продува воды, используя только щелочные растворы для нейтрализации и замещения воды с твердых газоочистителей, при этом низкий уровень растворенных солей в жидкости газоочистителя поддерживается деионизированной водой.

• Переработка в условиях превышения предельно допустимой концентрации твердых веществ. При продуве газоочистителя кислотосодержащей жидкостью в результате нейтрализации соляной кислоты щелочью натрия образуется натрий гипохлорит (как например, в установке для очистки сточных вод), после чего следует распад натрия гипохлорита с образованием газообразного хлора Cl2.

• Неправильная очистка сточных вод. Большинство газосжигающих очистителей сконструированы из менее дорогостоящих кислотоустойчивых материалов, таких как полипропилен или подобных материалов, и подвержены действию высоких температур. Перед использованием газоочистителей горячий топливный газ должен быть охлажден.

• Сжигание отходов сопровождается образованием малых частиц, для переработки которых необходимо определить дополнительное оборудование. Большинство газоочистителей для топливных газов позволяют повторно осуществить циркуляцию воздушных масс для сокращения продува и увеличения обработки водой. Кавитация жидкости, циркулирующей в насосе, может снизить скорость подачи жидкости для очистки и привести к повреждению насоса.

• Неправильные характеристики насоса, недостатки конструкции всасывающего механизма, резервуара и блокировка всасывающего механизма инородными материалами.

14.59. Адсорбция углем на в фазе парообразования

Адсорбция углем в фазе парообразования — технология очистки, при применении которой загрязняющие вещества устраняются из воздуха путем физической адсорбции гранулами активированного угля. Активированный уголь получают для этой цели путем переработки угля с образованием пористых частиц с крупной внутренней поверхностью (300– 2 500 м²или 3 200–27 000 кв. футов на 1 грамм угля), которая притягивает и адсорбирует органические молекулы, а также молекулы некоторых металлов и неорганических соединений.

Для применения адсорбции в фазе парообразования предусмотрена коммерческая градация активированного угля. Активированный уголь в гранулированной форме, как правило, используется в насадках газоочистителей, через которые поток загрязненного воздуха пропускается до тех пор, пока концентрация вредных веществ в потоке воздуха, проходящим через насадку, превышается приемлемый уровень. Системы с гранулированным активированным углем, как правило, состоят из одного или нескольких сосудов, заполненных углем и соединенных в серии и (или) параллельно, работающих в условиях атмосферного давления, при отрицательных и положительных значениях давления. В зависимости от экономических целей уголь может быть переработан на месте, в очистной установке или может быть уничтожен.

Уголь может использоваться в связи с паровым риформингом. Паровой риформинг — технология, разработанная для уничтожения галогенированных растворителей (таких как тетрахлорид углерода, CCl4, хлороформ, CHCl3), адсорбированных активированным углем в реакции с перенасыщенным паром (паровой риформинг).

Очистка и переработка летучих органических соединений

Еще одной более современной технологией, связанной с адсорбцией угля на этапе парообразования, является тепловой насос, работающий по циклу Брайтона. Данная технология, созданная лабораторией «Айдахо Нэшнл Инджиниринг» (англ.Idaho National Engineering Laboratory), предлагает метод очистки и переработки летучих органических соединений. Тепловой насос, работающий по циклу Брайтона, может конденсировать летучие органические соединения из потока воздуха, что позволяет использовать его как для очистки, так и для местной и внешней переработки широкого спектра летучих органических соединений. Поток воздуха, содержащий летучие органические соединения, может образоваться в результате парообразования при вакуумной экстракции почвы или воздушном осушении загрязненных подземных вод.

Технология предполагает использования адсорбентов активированного угля, расположенных в каждой откачной скважине, и теплового насоса, работающего по циклу Брайтона, для регулярного восстановления адсорбентов. Поток воздуха из скважины, содержащий летучие органические соединения, пропускается через прослойку угла, адсорбирующие летучие органические соединения. При определенной концентрации адсорбированных веществ в прослойке для их десорбции из теплообменника впрыскивается горячий азот. Азот проходит через охлаждающий механизм, подвергается компрессии и затем охлаждается в теплообменнике, где переработке подвергаются 50% - 80% органических загрязнителей. Частично отработанный азотсодержащий поток затем пропускается через турбину, при этом его температура понижается до значения -150^oF, а оставшиеся органические соединения конденсируются. Очищенный азот пропускается через теплообменник для охлаждения азота с летучими органическими примесями и затем возвращается в угольную прослойку. В результате образуются только чистый отработанный газ из скважины и небольшое число переработанных органических веществ.

Не рекомендуется проводить адсорбцию углем на этапе парообразования для очистки воздушных потоков с высокой концентрацией вредоносных веществ. Более целесообразным с экономической точки зрения представляется предварительная обработка потока летучих органических соединений, после чего на завершающем этапе пары подвергаются обработке в системе с гранулированным активированным углем.

Ограничивающие факторы:

• Может потребоваться очистка отработанного технического угля от вредоносных веществ.

• Необходимо проводить переработку отработанного угля и уничтожение адсорбированных загрязнителей, которые часто проводятся термическим способом.

• При относительной влажности выше 50% может понизить уровень улавливания угля.

• При повышении температуры в насосе для паровой экстракции почв (выше 38° C или 100° F) адсорбция будет затруднена.

• При биологическом обрастании угля и высоком содержании частиц масса потока, проходящего через прослойку, может быть уменьшена.

• Некоторые соединения (например, кетоны) могут привести к возгоранию в угольной прослойке в результате повышения температуры при адсорбции.