В.М. Вязовик

Л.В. Коржик

Г.С. Столяренко

Технології очищення газів

Черкаси

Вертикаль

2010

УДК

ББК

В 55

Рецензенти:

д.т.н., професор Мусієнко М.П.

к.т.н., доцент Бондаренко.М.О.

к.х.н., доцент Магльована Т.В.

Вязовик В.М., Коржик Л.В., Столяренко Г.С.

В 55 Технології очищення газів. – Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С.Г. – 2010. – 308 с., іл., табл.

ISBN 978-966-8438-

Розглянуті основні методи видалення твердих і газоподібних домішок з газових потоків (сухі і мокрі методи очищення, електро­очищення від пилу, фільтрування, абсорбція, адсорбція, каталітичне очищення, термічні методи). Охарактеризовані ефективні техноло­гічні способи і основна апаратура, яка призначена для очищення газових потоків від домішок різної природи. Спеціальний розділ присвячений методикам і прикладам розрахунку основних апаратів для очищення газів.

Для студентів технічних і екологічних спеціальностей. Може бути корисною для спеціалістів, зайнятих питаннями дослідження, розробки, проектування і експлуатації газоочисного обладнання.

УДК

ББК

ISBN 978-966-8438-

© Вязовик В.М., Коржик Л.В.,

Столяренко Г.С., 2010

© Кандич С.Г., макет, 2010

ЗМІСТ

Вступ	5
Розділ 1 Методи очищення і знешкодження відхідних газів	7
1.1 Процеси захисту атмосфери	7
Розділ 2 Очищення відхідних газів від аерозолів	15
2.1 Основні властивості пилу і ефективність його вловлювання	15
2.2 Очищення газів в сухих механічних пиловловлювачах	19
2.3 Очищення газів у фільтрах	26
2.4 Очищення газів в мокрих пиловловлювачах	35
2.5 Очищення газів в електрофільтрах	43
2.6 Вловлювання туманів	45
2.7 Рекуперація пилу	47
Розділ 3 Абсорбційні методи очищення	49
3.1 Очищення газів від оксиду сірки (IV).	49
3.2 Очищення газів від сірководню, сірковуглецю і меркаптанів	66
3.3 Очищення газів від оксидів азоту	74
3.4 Очищення газів від галогенів і їх сполук	80
3.5 Очищення газів від оксиду вуглецю	90
Розділ 4 Адсорбційне і хемосорбційне очищення газів	95
4.1 Адсорбція парів летких розчинників	95
4.2 Очищення газів від оксидів азоту	101
4.3 Очищення газів від оксиду сірки (IV)	105
4.4 Очищення газів від галогенів	109
4.5 Очищення газів від сірководню і сіркоорганічних сполук	113
4.6 Очищення газів від парів ртуті	122
Розділ 5 Каталітичне і термічне очищення	127
5.1 Каталітичне очищення газів. Суть методу.	127
5.2 Конструкція каталітичних реакторів	133
5.3 Твердофазне каталітичне очищення газів від оксидів азоту	138
5.4 Каталітичне очищення газів від оксиду сірки (IV)	145
5.5 Каталітичне очищення газів від органічних речовин	147
5.6 Каталітичне очищення газів від оксиду вуглецю (ІІ)	150
5.7 Високотемпературне знешкодження газів	154
Розділ 6 Розрахунок обладнання по очищенню газів	156
6.1 Розрахунок пилоосаджувальних камер	156
6.2 Розрахунок циклонів	162
6.3 Вихрові пиловловлювачі	178
6.4 Розрахунок і вибір газових фільтрів	185
6.5 Мокрі скрубери	200
6.6 Швидкісні пиловловлювачі (скрубери Вентурі)	210
6.7 Підбір і розрахунок електрофільтрів	222
6.8 Багатоступінчате очищення від пилу	236
6.9 Розрахунок насадкових абсорберів	239
6.10 Розрахунок тарілчастих абсорберів	257
6.11 Розрахунок адсорберів періодичної дії	279
6.12 Розрахунок каталітичного реактора	290
6.13 Формули для перерахунку основних характеристик газів при різних умовах	298
Задачі	300
Література	309

вступ

Стародавня проблема взаємозв'язку людини і природи у наш час придбала нове, часом грізне звучання. Технічний прогрес привів до істотних змін природного середовища, обумовлених великою кількістю промислових і господарських викидів (забруднень).

Всяке забруднення викликає у природи захисну реакцію, спрямовану на його нейтралізацію. Ця велика здатність природи довгий час експлуатувалася людиною бездумно і по-хижацьки. Із століття в століття складалася практика широкого використання здатності до самоочищення атмосфери і гідросфери. Відходи виробництва викидалися в повітря, скидалися у воду з розрахунку на те, що всі вони зрештою будуть знешкоджені і перероблені самою природою. При цьому не виникало і думки про шкоду, що наноситься їй. Здавалося, що хоч яка не велика загальна маса відходів, вона незначна в порівнянні із захисними ресурсами. Проте при все прогресуючому зростанні забруднень стає очевидним, що природні системи самоочищення рано чи пізно не зможуть витримати такий натиск.

Деякі шкідливі речовини з тих, які викидаються в біосферу, не нейтралізуються в біологічному круговороті і перебувають в ній роками, не розпадаючись. Тим самим порушується природна рівновага, газовий, водний і геохімічний режим біосфери. Людина вступає з природою в серйозний конфлікт.

Інтенсивний розвиток промисловості приводить до того, що безперервно збільшуються викиди забруднень в атмосферу і гідросферу. Загальний об'єм промислових, сільськогосподарських і комунальних відходів в масштабі всієї планети за рік оцінюється нині мільярдами тонн.

Більше всього відходів дають енергетика, чорна і кольорова металургія, хімічна, нафтовидобувна і нафтопереробна, целюлозно-паперова, машинобудівна, харчова, гірничовидобувна і легка промисловість. В результаті в атмосфері росте вміст вуглекислого газу і пилу, сірчистого ангідриду і оксидів азоту, а в окремих районах - сірководню, чадного газу і інших шкідливих речовин. Відбувається засолення і підкислення вод і ґрунтів. Результати глобальної господарської діяльності людини і її наслідки давно вже привели до розуміння необхідності захисту навколишнього середовища, обмеження об'єму промислових викидів. Це розуміння знайшло віддзеркалення в розробці норм гранично допустимих концентрацій (ГДК) шкідливих речовин в приземному шарі атмосфери.

Від повноти теоретичних уявлень як про сам пилегазовий потік, так і про процеси, що протікають в промислових агрегатах, в газоходах і апаратах, залежать рівень інженерних розробок систем і установок газочищення, ефективність їх експлуатації та економічність і витрати "на екологію", сплату штрафів за порушення норм ГДК. З цієї причини при вирішенні питань охорони навколишнього середовища обов'язковим є вивчення основних властивостей аеродисперсних систем, питань їх утворення і розвитку, основних співвідношень механіки двофазного потоку, закономірностей коагуляції, а також особливостей протікання процесів осадження в аерозольних системах в спеціальних апаратах.

Аеродисперсний або аерозольний потік є дуже складною і недостатньо вивченою системою. Речовина, знаходячись в аерозольному стані (пил, дим або туман), набуває ряду особливих властивостей і ознак. Однією з таких властивостей виступає дисперсний склад аерозолю, що значною мірою визначає вибір типу газоочисного пристрою. У зв'язку з цим виникає необхідність вивчення дисперсного складу дисперсної фази аерозолів і методів його опису.

Природно, успішно боротися з викидами промислових агрегатів можна лише у тому випадку, коли є інформація про їх кількість. Вивчення фізичних властивостей утворення аерозолів дозволяє відповісти на питання, як утворюються тверді або рідкі частинки в газовій фазі, в якій кількості і яка гранично можлива концентрація частинок при здійсненні тієї або іншої промислової технології. За наявності достатніх даних про концентрацію парів речовин в робочому просторі агрегату представляється можливим розрахувати і початковий дисперсний склад аерозольної системи.

Вибір типу апарату газоочищення, а також поведінка аерозольної системи визначаються властивостями аерозолів. Звідси витікає необхідність вивчення фізичних і молекулярно-кінетичних властивостей часток. Знання цих властивостей дозволяє оцінити умови стійкості аерозолів, знайти способи дії на процеси і тлумачити явища, які виявляються тільки в аерозолях. Електричні властивості аерозолів лежать в основі багатьох явищ і процесів, що протікають в газоходах і апаратах; опис цих процесів служить теоретичною основою проектування електрофільтрів.

Розділ 1 методи очищення і знешкодження відхідних газів

1.1 Процеси захисту атмосфери

Одним із наслідків техногенного впливу на навколишнє середовище у ряді країн в даний час є помітне погіршення стану атмосферного повітря. Найбільш великотоннажні (млн. т. в рік) глобальні забруднення атмосфери утворюють СО₂ (2·10⁴), пил (250), С (200), SО₂ (150), вуглеводні (> 50), NO_x (50). Номенклатура забруднень вельми широка і включає, окрім названих, сірководень, сірковуглець, аміак, галогени і їх похідні, саджу, оксиди металів, різні солі та інші сполуки.

Джерела виробничих забруднень атмосферного повітря роз­діляють:

а) за призначенням – технологічні, такі, що містять хвостові гази рекуперацій, абсорбційних, адсорбційних і інших вловлюючих установок, а також продувочні гази з апаратів, пристроїв і установок (для цих джерел характерні високі концентрації шкідливих речовин і порівняно малі об'єми повітря, що видаляється); вентиляційні (місцеві відсмоктування від устаткування і загальнообмінна вентиляція);

б) за місцем розташування – незатінені або високі, такі, що знаходяться в зоні недеформованого потоку (високі труби, а також точкові джерела, які видаляють забруднення на висоту, що перевищує в 2,5 рази висоту виробничої будівлі); затінені або низькі, розташовані над будівлею на меншій висоті; наземні, такі, що знаходяться поблизу земної поверхні (відкрито розташоване технологічне устаткування, колодязі промканалізації, пролиті токсичні речовини, відходи виробництва, що зберігаються відкрито);

в) за геометричною формою – точкові (труби, шахти, вентилятори на даху) і лінійні (аераційні ліхтарі, відкриті вікна, близько розміщені витяжні шахти і факели);

г) за режимом роботи – безперервної і періодичної дії, миттєві і залпові, при яких за короткий проміжок часу в повітря викидається велика кількість шкідливих речовин (можливі при аваріях і спалюванні відходів виробництва, які швидко горять на спеціальних майданчиках для їх знищення).

Всі промислові викиди в атмосферу класифікують за агрегатним станом (газоподібні, рідкі, тверді і змішані), за характером організації відведення і контролю (організовані і неорганізовані), за режимом відведення (безперервні і періодичні), за температурним потенціалом – нагріті (температура викидів перевищує температуру повітря) і холодні, за локалізацією (в основному, допоміжному, підсобному виробництві), за ознаками очищення – що видаляються без нього (організовані і неорганізовані) і після нього (організовані).

Організований промисловий викид – це викид в атмосферу через спеціально споруджені газоходи, повітряводи, труби, а неорганізо­ваним викидом називають промисловий викид в атмосферу у вигляді ненапрямлених потоків газу в результаті порушення герметичності устаткування, відсутності або незадовільної роботи устаткування з відсмоктування газу в місцях завантаження, вивантаження і зберігання продукту.

Розрізняють також первинні викиди, що поступають в атмосферу безпосередньо від джерел забруднень, і вторинні викиди, які, будучи продуктами перетворень первинних викидів, можуть бути токсичніші і небезпечніші.

Під очищенням газового потоку розуміють відділення від нього або перетворення на нешкідливу форму забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферу разом з газовим потоком. Повітряними масами забруднення можуть переноситися на великі відстані і впливати на стан атмосфери і здоров'я людини.

Зокрема, накопичення в атмосфері СO₂ (відбувається з інтенсивністю 0,4% в рік) внаслідок поглинання ним ІЧ-випромінення сонця може викликати глобальне підвищення температури ("парниковий" ефект). Трансформація в атмосфері SO₂, NO_x та інших (анологічної природи) викидів може завершуватися утворенням кислотних туманів і випаданням кислотних дощів (снігів), що викликають корозію багатьох неорганічних матеріалів (об'єктів), а також пригноблення і знищення різних об'єктів флори і фауни. Аерозолі (пил, дими, тумани), що знаходяться в атмосферному повітрі, затримують падаючу на поверхню Землі сонячну радіацію, сприяючи похолоданню на планеті. Пил, що осідає на поверхні льодовиків, прискорює їх танення унаслідок інтенсивнішого поглинання сонячної енергії. Атмосферні аерозолі унаслідок їх досить тривалої седиментації обумовлюють забруднення токсичними речовинами поверхневих і підземних вод, а також ґрунтів.

Багатофакторно негативний вплив атмосферних забруднень на тваринний світ, і, зокрема, людину. Так, навіть малі концентрації SО₂ при тривалій дії обумовлюють виникнення у людини гастриту, ларингіту і інших хвороб. Припускають навіть зв'язок між вмістом в повітрі SО₂ і рівнем смертності від раку легенів. Оксид вуглецю (ІІ) інактивує гемоглобін, обумовлюючи кисневу недостатність живих тканин, і викликає розлад нервової і серцево-судинної систем, а також сприяє розвитку атеросклерозу. Сірковуглець впливає на нервову систему, призводить до гострої інтоксикації і атеросклерозу. Сірководень викликає головний біль, слабкість і нудоту і, навіть в малих концентраціях, може обумовлювати функціональні розлади центральної нервової і серцево-судинної систем. Оксиди азоту сильно подразнюють органи дихання, викликаючи в них запальні процеси; під їх впливом утворюється метгемоглобін, знижується кров'яний тиск, виникає запаморочення, блювота, задишка, можлива втрата свідомості. Хлор і його сполуки впливають на нюх, світлову чутливість очей, порушують дихання. Сполуки фтору подразнюють шкіру і слизові оболонки, при їх тривалій дії можливі носові кровотечі, нежить, кашель, склеротичні зміни в легенях. Наявність в атмосферному повітрі вуглеводнів викликає подразнення дихальних шляхів, нудоту, запаморочення, сонливість, розлади дихання і кровообігу; деякі вуглеводні – канцерогенні речовини. Хронічна дія радіоактивних речовин, що знаходяться в атмосферному повітрі навіть в малих концентраціях, порушує нервову діяльність, функції статевих залоз, шлунково-кишкового тракту, органів дихання, роботу надниркових залоз, гіпофіза щитовидної залози, серцево-судинної системи, змінює елементи крові, викликає генетичні аномалії.

Ці обставини обумовлюють жорсткі вимоги, що пред'являються до виробничих викидів в атмосферу і вмісту забруднень в атмосфер­ному повітрі. Виконання цих вимог контролюється спеціальними службами підприємств, а також відомчих і державних органів шляхом, зокрема, встановлення відповідності вимірюваних показників величинам гранично допустимих концентрацій і гранично допустимих викидів (ГДК і ГДВ).

Основними джерелами забруднення атмосферного повітря є промислові підприємства, транспорт, теплові електростанції, тварин­ницькі комплекси. Кожне з цих джерел пов'язане з виділенням великої кількості специфічних токсичних речовин, які іноді не піддаються відразу ідентифікації.

Наприклад, підприємства чорної металургії викидають гази, що містять пил, оксиди сірки і металів. На 1 т передільного чавуну викидаються 4,5 кг пилу, 2,7 кг SО₂, 0,1-0,5 кг Мn, а також сполуки арсену, фосфору, сурми, свинцю, ртуті, рідкісних металів, смолянисті речовини. Агломераційні фабрики викидають пил і оксид сірки (IV) (190 кг SO₂ на 1 т руди). Мартенівські і конверторні цехи виділяють великі маси пилу. На 1 т мартенівської сталі виділяється 3000-4000 м³ газів з концентрацією пилу в середньому 0,5 г/м³, 60 кг SіО₂, 3 кг SO₂. Коксохімічні цехи забруднюють атмосферу пилом і сумішшю летких сполук. Підприємства кольорової металургії викидають запилені гази, що містять оксид сірки (IV), фтористі гази і метали. З тонни пилу, що поступає в атмосферу при плавці мідних руд, можна вилучати до 100 кг міді і трохи менше свинцю і цинку. Викиди металургійних підприємств характеризуються високою температурою, що досягає 800° С і більше.

Підприємствами хімічної промисловості викидаються пил, що містить неорганічні та органічні речовини, і гази: СО₂, СО, NH_3, SО_2, NO_x, HF, HC1, SF_4, H₂S і ін. Повітряні викиди нафтовидобувної і нафтопереробної промисловості містять вуглеводні, сірководень і гази з неприємним запахом.

Заводи промисловості будівельних матеріалів викидають пил, фториди, оксиди сірки (IV) і азоту (IV). Вихлопні гази автомобілів містять більше 200 речовин, зокрема канцерогенні вуглеводні і тетраетилсвинець. Теплові електростанції виділяють в атмосферу гази, що містять оксиди сірки, азоту і вуглецю, попіл, метали.

Для зниження забруднення атмосфери від промислових викидів вдосконалюють технологічні процеси, здійснюють герметизацію технологічного устаткування, застосовують пневмотранспорт, будують різні очисні споруди.

Найбільш ефективним напрямом зниження викидів є створення безвідходних технологічних процесів, що передбачають, наприклад, впровадження замкнутих газових потоків. Проте до теперішнього часу основним засобом запобігання шкідливим викидам залишається розробка і впровадження ефективних систем очищення газів. При цьому під очищенням газу розуміють вилучення з газу або перетворення на нешкідливий стан забруднюючих речовин, що надходять від промислового джерела.

Класифікація методів і апаратів для знешкодження газових викидів від різних домішок наведена на рис. 1.1. Ця класифікація є наближеною. Вона не охоплює всіх існуючих методів і тим більше апаратів для здійснення газоочищення.

Для знешкодження аерозолів (пилу і туманів) використовують сухі, мокрі і електричні методи. Крім того, апарати відрізняються один від одного як за конструкцією, так і за принципом осадження завислих часток. У основі роботи сухих апаратів лежать гравітаційні, інерційні і відцентрові механізми осадження або фільтраційні механізми. У мокрих пиловловлювачах здійснюється контакт запилених газів із рідиною. При цьому осадження відбувається на краплі, на поверхні газових бульбашок в або на плівці рідини. У електрофільтрах виділення заряджених часток аерозолю відбувається на осаджувальних електродах.

Вибір методу і апарату для вловлювання аерозолів насамперед залежить від їх дисперсного складу.

Таблиця 1.1 – Класифікація апаратів за дисперсністю складу аерозолів

Розмір часток, мкм	Апарати
40-1000	Пилоосаджувальні камери
20-1000	Циклони діаметром 1-2 м
5-1000	Циклони діаметром 1 м
20-100	Скрубери
0,9-100	Тканинні фільтри
0,05-100	Волокнисті фільтри
0,01-10	Електрофільтри

Для очищення відхідних газів від газоподібних і пароподібних токсичних речовин застосовують наступні методи: абсорбції (фізична і хемосорбції), адсорбції, каталітичні, термічні, конденсації і компримування.

Абсорбційні методи очищення відхідних газів, підрозділяють за наступними ознаками: 1) за компонентом, що абсорбується; 2) за типом абсорбенту; 3) за характером процесу – з циркуляцією і без циркуляції газу; 4) за використанням абсорбенту – з регенерацією і поверненням його в цикл (циклічні) і без регенерації (не циклічні); 5) за використанням уловлюваних компонентів – з рекуперацією і без рекуперації; 6) за типом продукту, що рекуперується; 7) за організацією процесу – періодичні і безперервні; 8) за конструк­тивними типами апаратури абсорбції.

Газоподібні викиди

Осаджувальні камери

Пиловло-влювачі

Очищення від пилу

Очищення від туманів і бризок

Очищеннявід газових домішок

Очищення від пароподібних домішок

Сухе очищення

Мокре очищення

Електричне очищення

Газо-промивачі

Сухі електрофільтри

Мокрі

електрофільтри

Абсорбційне очищення

Адсорбційне

очищення

Каталітичне очищення

Термічне очищення

Абсорбери

Адсорбери

Реактори

Печі, пальники

Конденсаційне очищення

Циклони

Фільтри тумано-вловлювачі

Конденсатори

Фільтри

Сітчасті бризко-вловлювачі

Рисунок 1.1 – Класифікація методів і апаратів для знешкодження газових викидів

Для фізичної абсорбції на практиці застосовують воду, органічні розчинники, які не вступають в реакцію з газом, що очищається, водні розчини цих речовин. При хемосорбції в якості абсорбенту використовують водні розчини солей і лугів, органічні речовини і водні суспензії різних речовин. Вибір методу очищення залежить від багатьох факторів: концентрації компоненту, що ви­лучається з відхідних газів, об'єму і температури газу, вмісту домішок, наявності хемосорбентів, можливості використання продук­тів рекуперації, необхідного ступеню очищення. Вибір проводять на підставі результатів техніко-економічних розрахунків.

Адсорбційні методи очищення газів використовують для видалення з них газоподібних і пароподібних домішок. Методи засновані на поглинанні домішок пористими тілами – адсорбентами. Процеси очищення проводять в періодичних або безперервних адсорберах. Перевагою методів є високий ступінь очищення, а недоліком – неможливість очищення запилених газів.

Каталітичні методи очищення засновані на хімічних перетвореннях токсичних компонентів до нетоксичних на поверхні твердих каталізаторів. Очищенню піддаються гази, що не містять пилу і каталізаторних отрут. Методи використовуються для очищення газів від оксидів азоту, сірки, вуглецю і від органічних домішок. Їх проводять в реакторах різної конструкції.

У техніці рекуперації разом з іншими методами для уловлювання парів летких розчинників використовують методи конденсації і компримування.

В основі методу конденсації лежить явище зменшення тиску насиченої пари розчинника при пониженні температури. Суміш парів розчинника з повітрям заздалегідь охолоджують в теплообміннику, а потім конденсують. Перевагою методу є простота апаратурного оформлення і експлуатації установки рекуперації. Проте, проведення процесу очищення пароповітряних сумішей методом конденсації сильно ускладнене, оскільки вміст парів летких розчинників в цих сумішах зазвичай перевищує нижню межу їх вибухонебезпеки. До недоліків методу відносяться також високі витрати холодильного агента і електроенергії та низький відсоток конденсації парів розчинників (вихід зазвичай не перевищує 70-90%). Метод конденсації є рентабельним лише при вмісті пари розчинника в потоці, що піддається очищенню, не менше 100 г/м³, що істотно обмежує сферу застосування установок конденсаційного типу.

Метод компримування базується на тому ж явищі, що і метод конденсації, але стосовно парів розчинників, що знаходяться під надмірним тиском. Проте метод компримування складніший в апаратурному оформленні, оскільки в схемі уловлювання парів розчинників необхідний компримуючий агрегат. Крім того, він зберігає всі недоліки, властиві методу конденсації, і не забезпечує можливість уловлювання парів летких розчинників при їх низьких концентраціях.

Термічні методи (методи прямого спалювання) застосовують для знешкодження газів від домішок, що легко горять, а також домішок з неприємним запахом. Методи засновані на спалюванні горючих домішок в топках печей або факельних пальниках. Перевагою методу є простота апаратури, універсальність використання. Недоліки: додаткова витрата палива при спалюванні газів з низькою концентрацією домішок, а також необхідність додаткового абсорбційного або адсорбційного очищення газів після спалювання.

Слід зазначити, що складний хімічний склад викидів і високі концентрації токсичних компонентів заздалегідь визначають багатоступеневі схеми очищення, що є комбінацією різних методів.

Питання для самоконтролю.

1. Хімічний баланс планети та забруднення оточуючого середовища хімічними речовинами.

2. Характеристика викидів виробництв. Класифікація відходів.

3. Основні методи очищення та знешкодження відхідних газів виробництв.