Методы и аппараты для очистки газовоздушных выбросов от газообразных и парообразных примесей


Промышленные газовые выбросы могут содержать токсичные для биоты неорганические и органические вещества. Среди них наиболее опасны для оксиды серы, азота, углерода (СО), аммиак, хлористый водород, фтористый водород, хлор, пары летучих органических соединений: ацетона, бензола, толуола, ксилола, фенола, метилэтилкетона, низших спиртов, гептана, сероуглерода, эфиров, галогенуглеводородов (фтор- и хлорпроизводных), бензина. Общим для всех загрязнений данной группы является то, что при обычных атмосферных условиях (давление, температура) эти вещества  находятся в газообразном состоянии в потоке очищаемого газа. Эти загрязнения отличаются  по  растворимости в воде и другим физико-химическим  и химическим свойствам, что используется  при выборе метода очистки.

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют следующие методы: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические, биохимические, конденсации и компримирования (таблица 2).

Таблица 2

Методы очистки промышленных газовых выбросов от газообразных и парообразных загрязнений

Методы очистки

тип процесса

аппараты

абсорбционные

поглощение загрязнений растворителем (водой) с образованием раствора

насадочные башни; скрубберы; барботажно-пенные аппараты и др.

хемосорбционные

химическое взаимодействие загрязнений с жидкими  сорбентами (поглотителями) с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений

насадочные башни;

скрубберы; распылительные аппараты и др.

адсорбционные

адсорбция загрязнений на поверхности твердого вещества

адсорберы

термические

окисление загрязнений кислородом воздуха при высоких температурах с образованием нетоксичных (менее токсичных) соединений

камеры сжигания и др.

каталитические

каталитическая химическая реакция загрязнений с другими загрязнениями или добавленными веществами с образованием нетоксичных (менее токсичных) соединений

каталитические и
термокаталитические
реакторы

биохимические

трансформация загрязнений под воздействием ферментов, вырабатываемых  микроорганизмами

биофильтры;

биоскрубберы

 

Абсорбционные методы основаны на различиях в растворимости веществ в определенных растворителях. При контакте загрязненного газового потока с жидким растворителем пары определенных загрязнений поглощаются растворителем – абсорбентом с образованием раствора.

Для физической абсорбции на практике применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ.

Наиболее дешевым и доступным в промышленных условиях растворителем является вода. Процесс поглощения таких загрязнений растворителем (водой) проводится одним из следующих способов. Загрязненный газовый поток: а) пропускается через насадочную колонну, орошаемую растворителем (водой); б) контактирует с каплями жидкости, распыляемой форсунками; в) барботируется через слой жидкости. Чистый растворитель вводится в верхнюю часть аппаратов абсорбционной очистки, а из нижней части аппаратов отбирают отработанный раствор. Очищенный газ из верхней части аппаратов выводится в атмосферу. Полученный раствор подвергают обычно регенерации, т.е. очищают от  загрязнений и снова возвращают в аппарат. Концентрат загрязняющих веществ используют в качестве ВМР – вторичного материального ресурса или отхода. Таким образом, в атмосферу загрязнения не поступают, но могут загрязнять почву в виде твердых отходов  или поступать в водоемы в  составе сточной воды, если не применяются в производственном процессе малоотходные или безотходные технологии.

При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии различных веществ.

Хемосорбционные методы основаны на химическом взаимодействии газообразных или парообразных загрязнений с твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых  химических соединений. Используемые в методе реакции, как правило, обратимы. Потому при определенных условиях возможно смещение равновесия в сторону обратной реакции, т.е. десорбция поглощаемого вещества, регенерация хемосорбента. Аппараты хемосорбционной очистки похожи на аппараты абсорбционной очистки. Общим недостатком этих аппаратов является образование большого количества отходов.

Абсорбционные методы очистки отходящих газов подразделяют по следующим признакам:

1) по абсорбируемому компоненту;

2) по типу применяемого абсорбента;

3) по характеру процесса — с циркуляцией и без циркуляции газа;

4) по использованию абсорбента — с регенерацией и возвращением его в цикл (циклические) и без регенерации (не циклические);

5) по использованию улавливаемых компонентов — с рекуперацией и без рекуперации;

6) по типу рекуперируемого продукта;

7) пo организации процесса — периодические и непрерывные;

8) пo конструктивным типам абсорбционной аппаратуры.

 

Выбор метода очистки зависит от многих факторов:

- концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах;

- объема и температуры газа;

- содержания примесей;

- наличия хемосорбентов;

- возможности использования продуктов рекуперации;

- требуемой степени очистки.

Выбор производят на основании результатов технико-экономических расчетов.

 

Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами-адсорбентами.

В адсорбционных методах очистки используются сорбенты, имеющие пористую структуру и, как следствие, большую удельную поверхность. Например, удельная поверхность единицы массы активированного угля достигает 106 м2/кг. Такие сорбенты применяют для очистки газов от  паров органических растворителей, удаления неприятных запахов и др. Основными промышленными сорбентами являются  активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, синтетические цеолиты. При выборе адсорбента основное внимание уделяется его селективности и адсорбционной способности по отношению к извлекаемому компоненту.

Аппараты для адсорбционной очистки газов представляют собой вертикальные, горизонтальные или кольцевые емкости, заполненные пористым адсорбентом, через слой которого пропускается поток очищаемого газа. За время контакта загрязнения задерживаются поверхностью адсорбента, а из аппарата выводится газ, который может содержать инертные примеси, не взаимодействующие с адсорбентом или незначительно им поглощаемые. Регенерацию адсорбента проводят продувкой нагретым водяным паром.

Процессы очистки проводят в периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком — невозможность очистки запыленных газов.

 

            Термическая нейтрализация загрязненных газовых выбросов основана на окислении  загрязнений кислородом воздуха при высоких температурах до менее токсичных соединений. Метод применим для очистки газовых выбросов, содержащих пары органических соединений, окисляемых токсичных, а также неприятно пахнущих веществ (НПВ), но не содержащих таких загрязнений, как галогены, сера, фосфор и их соединения. Ограничение обусловлено тем, что при горении указанных соединений образуются, как правило, продукты, превышающие по токсичности исходные загрязнения.

Процесс очистки может проводиться: прямым сжиганием загрязнений в пламени с температурой 600 – 800ºС в присутствии катализаторов или без них, окислением при температурах 250 – 450ºС. Прямое сжигание (факел) применяют для горючих газообразных отходов технологического процесса. Например, если отходящие газы содержат водород, летучие углеводороды, метан в больших концентрациях и температура их достаточна для горения, то такая газовая смесь будет гореть. В пламени проходит окисление других примесей.

Преимуществами высокотемпературного обезвреживания газов является относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов. Суть высокотемпературного сжигания заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы для обезвреживания практически любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Процесс проводят в обычных или усовершенствованных топочных устройствах, в промышленных печах и топках котельных агрегатов, а также в открытых факелах. Принципиальные схемы термических нейтрализаторов представлены на рисунке 13.

 

I-35

Рис. 13. Схемы термических нейтрализаторов
промышленных газовых отходов без теплообменника (а) и с теплообменником (б).

Термическое окисление при более низких температурах проводят в тех случаях, когда концентрация горючих примесей мала и они не обеспечивают требуемой высокой температуры газового потока, или в газовой смеси недостаточно кислорода для горения.

Каталитическое окисление проводят для того, чтобы получить менее токсичные продукты горения за счет образования определенных промежуточных соединений веществ газовой смеси с катализатором. В очищаемый газ при необходимости могут вводиться дополнительные  вещества, участвующие в каталитической реакции с веществами-загрязнениями с образованием менее токсичных промежуточных продуктов. В промышленности в качестве катализаторов чаще применяются химически инертные металлы: платина, палладий. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Процесс проводится в каталитических и термокаталитических реакторах.

            Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать необходимое время пребывания обрабатываемых газов в аппарате при температуре, гарантирующей возможность достижения заданной степени их обезвреживания (нейтрализации). Время пребывания обычно составляет 0,1 – 0,5 с (иногда до 1 с), рабочая температура в большинстве случаев ориентирована на нижний предел самовоспламенения обезвреживания газовых смесей и превосходит температуру воспламенения на 100 – 150°С.

            Биохимические методы очистки газовых выбросов от загрязнений – это по существу также каталитические методы, но отличающиеся тем, что катализаторы процессов превращения  загрязняющих веществ в менее токсичные «поставляются» живыми микроорганизмами. Следовательно, для успешной реализации этих методов необходимо обеспечить такие условия, при которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс может проводиться в биофильтрах и биоскрубберах. Принципиальное отличие биофильтров от аналогичного типа аппаратов других методов газоочистки заключается в том, что фильтрующим элементом является почва, торф или другой – материал, на поверхности и в объеме  создаются условия для поддержания жизнедеятельности сообщества микроорганизмов. Основное отличие биоскрубберов состоит в том, что поток газа контактирует не с каплями жидкости, а с каплями суспензии активного ила. Биохимический метод пока широкого применения не находит из-за сложности обеспечения стабильной жизнедеятельности сообщества микроорганизмов. Но по своей сущности это наиболее экологичный метод очистки, обеспечивающий при должном подборе видов микроорганизмов наиболее эффективную  очистку по отношению к биоте.

В рекуперационной технике наряду с другими методами для улавливания паров летучих растворителей используют методы конденсации и компримирования.

В основе метода конденсации лежит явление уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. Смесь паров растворителя с воздухом предварительно охлаждают в теплообменнике, а затем конденсируют. Достоинствами метода являются простота аппаратурного оформления и эксплуатации рекуперационной установки. Однако проведение процесса очистки паровоздушных смесей методом конденсации сильно осложнено, поскольку содержание паров летучих растворителей в этих смесях обычно превышает нижний предел их взрываемости. К недостаткам метода относятся также высокие расходы холодильного агента и электроэнергии и низкий процент конденсации паров (выход) растворителей — обычно не превышает 70—90%. Метод конденсации является рентабельным лишь при содержании паров растворителя в подвергаемом очистке потоке ≥100 г/м3, что существенно ограничивает область применения установок конденсационного типа.

Метод компримирования базируется на том же явлении, что и метод конденсации, но применительно к парам растворителей, находящимся под избыточным давлением. Однако метод компримирования более сложен в аппаратурном оформлении, так как в схеме улавливания паров растворителей необходим компримирующий агрегат. Кроме того, он сохраняет все недостатки, присущие методу конденсации, и не обеспечивает возможность улавливания паров летучих растворителей при их низких, концентрациях.

Следует отметить, что сложный химический состав выбросов и высокие концентрации токсичных компонентов заранее предопределяют многоступенчатые схемы очистки, представляющие собой комбинацию разных методов.

 

Очистка газов от оксидов углерода СО2  и СО.

            Оксиды углерода СО2  и СО в воздухе присутствуют  в газообразном состоянии. Продолжительность их пребывания в приземном слое атмосферы  определяется свойствами оксидов и параметрами среды (температура, давление, влажность и т.п.). Оксид углерода СО2  значительно легче, чем СО, выводится из атмосферы в процессе ее самоочищения. Оксид углерода СО чрезвычайно токсичен, переносится на большие расстояния от источников выброса, долго может находиться в неизменном виде в приземном слое атмосферы. Очистка промышленных газов от СО2  и СО основана на их физических и химических свойствах.

Оксид углерода (IU) – это бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом. В воде СО2  растворим  довольно хорошо (приблизительно 1:1 по объему). По химической природе это кислотный оксид, взаимодействующий с водой при растворении в ней, основаниями (щелочами), основными оксидами. При растворении СО2  в водеобразуется слабая угольная кислота:

Н2О  + СО2   = Н2 СО3 .

Н2О  + СО2   =  Н2 СО3  =  Н+   +  НСО3¯   =  2 Н+    + СО3 2 ¯

 

            При нагревании СО2  улетучивается и равновесия смещаются влево. При добавлении щелочи или щелочных реагентов равновесия смещаются вправо. Образующиеся карбонаты  и гидрокарбонаты  имеют различную растворимость в воде, не токсичны.

            Оксид углерода (II) – бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, плохо растворим в воде. Газ сильно токсичен, его ПДК в воздухе населенных мест 1 мг/м3. Основная опасность СО для животных и человека обусловлена его способностью связываться с гемоглобином крови легче, чем кислород. Большая токсичность СО обусловливает необходимость тщательной очистки  от него промышленных газов, выбрасываемых в атмосферу. При очистке загрязненных газов от СО используются следующие его свойства: возможность окисления СО до СО2; способность СО вступать в реакции комплексообразования.

 

Таблица 3                  Методы очистки газов от оксидов углерода

метод

основные процессы метода

Абсорбция  СО2

водой

абсорбция: СО2   +   Н2О  =  Н2СО3

регенерация сорбента: Н2СО3  = Н2О   + СО2

Абсорбция  СО2

этаноламином

абсорбция: (RNH3)2 СО3  + СО2 + Н2О  = 2 (RNH3)НСО3

регенерация сорбента: 2 (RNH3)НСО3 = (RNH3)2 СО3  + СО2 + Н2О

Метанирование СО и СО2

 

СО  +  3 Н2   =  СН4   +  Н2О

СО2   +  4 Н2  = СН4   +  2 Н2О

(катализатор на основе оксидов NiO, Al2O3)

Абсорбция

медноаммиачным раствором СО и СО2

 

абсорбция: [ Cu(NH3)2]+   +  CO  + NH3  = [ Cu(NH3)3CO]+

регенерациясорбента:

[ Cu(NH3)3CO]+  =  [ Cu(NH3)2]+  +  CO  + NH3

NH3  + Н2О  = NH4OH

2NH4OH  + СО2  =  (NH4)2CO3  + Н2О

(NH4)2CO3  + СО2  +  Н2О  =  2NH4HCO3

Конверсия  СО с водяным
паром

СО  + Н2О  = СО2  + Н2 (катализатор на основе оксидов железа)

 

Абсорбция СО2 водой  - один из простейших методов очистки газообразных выбросов от оксида углерода (IU).Максимальная поглотительная способность воды  8 кг СО2  на 100 кг воды. Очищенный газ выводится в атмосферу. Раствор СО2  в воде перекачивается в дегазатор, где СО2  выделяется из раствора и выводится из аппарата  для дальнейшего использования или химической переработки. Вода из дегазатора подается в поглотительную  колонну  для использования в следующем аналогичном цикле.

                               Н2О  + СО2                                                            Н2О

1 – колонна высокого давления,

2 – устройства для перекачки жидкостей ( вода, раствор)

3 – дегазатор

Рис.14. Схема абсорбционной очистки газов от СО2.

 

            Основные преимущества данного метода заключаются в следующем: отсутствие токсичных отходов, выбрасываемых в природные среды; экономичность; доступность растворителя – воды, относительная простота технологического процесса и применяемых аппаратов. К существенным недостаткам метода относится  небольшая поглотительная емкость воды по СО2, недостаточная чистота  выделяемого СО2.

Абсорбция СО2 этаноламинами обладает рядом преимуществ по сравнению с абсорбцией СО2  водой и является наиболее распространенным методом очистки промышленных газообразных выбросов от этого компонента. Большая по сравнению с водой эффективность этаноламинов обусловлена, прежде всего, наличием щелочных свойств у моно-, ди- и триэтаноламинов (МЭА, ДЭА, ТЭА). Как следствие, данные растворители способны эффективно поглощать из загрязненных газовых сред  не только СО2 , но и другие  загрязнения, обладающие кислотными свойствами, например, сероводород. Моноэтаноламин хорошо поглощает также оксид углерода (II).

 

   2 RNH2      + 2 Н+  + СО3 2 ¯ = (RNH3 )2 СО3

   (RNH3 )2 СО3  + СО2  + Н2О = 2 (RNH3 )НСО3

2 RNH2      + Н2S = (RNH3 )2 S

   (RNH3 )2 S + Н2S = 2 (RNH3 )HS

 

RNH2  моноэтаноламин (МЭА, R – этил  С2Н5 );

R2NH диэтаноламин (ДЭА);

R3N триэтаноламин (ТЭА).

В промышленности чаще применяют моноэтаноламин как абсорбент, эффективный по отношению к нескольким компонентам, недорогой, легко поддающийся  регенерации. Технологическая схема процесса обычная для абсорбционных процессов.

            Метанирование СО и СО2 применяется для очистки газов, содержащих небольшие остаточные количества СО. Очистка газов основана на экзотермической реакции гидрирования СО в присутствии катализаторов. Одновременно из очищаемого газа удаляется СО2 и кислород. Образующийся метан может далее сжигаться, если не используется в технологическом процессе.

Абсорбция СО и СО2 медноаммиачным раствором используется для глубокой очистки газов от СО. Процесс основан на способности  комплексного медно-аммиачного соединения поглощать СО под высоким давлением с образованием соответствующего комплексного соединения [Cu(NH3)3CO]+. При нагревании последнего СО легко удаляется, что объясняет возможность легкой регенерации поглотительного раствора. Улавливаемы оксид углерода СО следует далее на другие ступени очистки (например, на окисление до СО2). Процесс абсорбции проводят при высоком давлении и температуре, близкой к 0ºС. Десорбцию СО проводят при атмосферном давлении и температуре » 80ºС. Технологическая схема процесса обычная для абсорбционных процессов.

Конверсия СО с водяным паром. Окисление СО до СО2 в промышленных условиях проводится с использованием различных реагентов, но наиболее распространенными реагентами являются водяной пар и метан. Конверсия СО с водяным паром проводится в присутствии железных окисных катализаторов (Fe2O3 + Cr2O3), реакция СО + Н2О = СО2 + Н2 экзотермична.

 

Очистка газов от сероводорода.

Сероводород – бесцветный газ с характерным запахом, хорошо растворим в воде. Один объем воды растворяет в обычных условиях около 3 объемов сероводорода. В водном растворе сероводород ведет себя как слабая кислота, она несколько слабее угольной кислоты. При нагревании растворимость сероводорода в воде понижается.

            Сероводород сильно токсичен. При концентрации сероводорода в воздухе 0,004 мг/л ощущается сильный запах. При более высоких концентрациях этого газа в воздухе возможны сильные отравления у людей, вплоть до летальных исходов из-за остановки дыхания. Предельно допустимая концентрация (ПДК) сероводорода в воздухе рабочей зоны составляет  10 мг/м3, а в присутствии углеводородов – 3 мг/м3. Максимальная разовая и среднесуточная ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов равна 0,008 мг/м3

Методы очистки газовых выбросов от сероводорода основаны таких его свойствах,  как хорошая растворимость в воде с образованием слабой  кислоты, способности окисляться с образованием различных продуктов. Сероводород может гореть на воздухе с образованием серы или оксида серы в зависимости от условий проведения процесса:

 

            2 Н2S + 3 О2   =  2 Н2О   +  2 SО2  (в избытке кислорода)

            2 Н2S +   О2   =  2 Н2О   +  2 S  (при недостатке кислорода)

 

            Очистка промышленных газовых выбросов от сероводорода может проводиться как мокрым, так и сухим способами. В мокрых методах очистки содержащие сероводород газы контактируют с поглотительными растворами, в состав которых входят компоненты, способные химически взаимодействовать с сероводородом. В сухих способах очистки газов от сероводорода используются сорбенты различной природы. Поглощение сероводорода происходит в результате течения обратимых химических реакций и процессов сорбции – десорбции.

Таблица 4                  Методы очистки газов от сероводорода

метод

основные процессы метода

Мышьяково-содовый метод очистки газов от Н2S

абсорбция: Na4As2S5O2  +  H2S = Na4As2S6O + H2O

регенерациясорбента: Na4As2S6O + ½ O2 = Na4As2S5O2 + S

Фосфатный метод очистки газов от Н2S

Н2S  + К3РО4  =  К2НРО4  +  КНS

 

 

Железо-содовый метод очистки газов от Н2S

абсорбция:

Н2S  + Na2CO3   = NaНS  + NaНCO3

3NaНS + 2Fe(OH)3   = Fe2S3 + 3 NaОН + 3Н2О

3NaНS+2Fe(OH)3 =2 FeS + S + 3NaОН+3Н2О

регенерация сорбента:

2 Fe2S3   +  6 Н2О  +  3 О2  =  4 Fe(OH)3   +  6 S

4 FeS  +   6 Н2О  +   3 О2  =  4 Fe(OH)3   +  4S

Адсорбция Н2S цеолитами.

адсорбция: Н2S  +  NaA® Н2S(NaA)

регенерация сорбента: Н2S(NaA) ® Н2S  +  NaA

Адсорбция Н2S  активированным углем

адсорбция: Н2S + (уголь) +  О2

каталитическое окисление: 2 Н2S  +   О2   =  2 Н2О   +  2 S

 

            Мышьяково-содовый метод очистки газов от Н2S основан на хемосорбции сероводорода тиоарсенатом натрия. Химизм процесса сложен, результирующие реакции могут быть представлены в виде следующих схем:

Na-S                    S-Na               Na-S                  S-Na

             As-S-As             + Н2S®         As-S-As             + Н2О

Na-S     ||         ||    S-Na              Na-S  ||          ||  S-Na

             O        O                                    O          S

             Раствор А                                Раствор Б

 

 

Na-S                  S-Na                        Na-S            S-Na

           As-S-As              + ½ O2®          As-S-As              + S

Na-S  ||          ||  S-Na                    Na-S   ||         ||  S-Na

           O        S                                          O        O

 

            Абсорбцию и регенерацию сероводорода проводят при температуре 40 – 45ºС в скрубберах различной конструкции. К достоинствам метода относится селективность очистки по отношению к сероводороду, высокая эффективность очистки: степень выделения сероводорода достигает 98%.

            Фосфатный метод очистки газов от Н2S основан на хемосорбции сероводорода раствором фосфата калия. Данный метод очистки газов от сероводорода обладает определенными преимуществами по сравнению с мышьяково-содовым методом: нелетучесть фосфата калия позволяет проводить процесс при более высоких температурах,  используемый поглотительный раствор позволяет селективно выделять сероводород из загрязненных газов, где его концентрация относительно высока и присутствует в значительных количествах СО2. Фосфат калия может взаимодействовать с очищаемым газом с выделением в аппаратах очистки нерастворимых карбонатов, потому при повышенном содержании в промышленных газах СО2 процесс проводят с использованием 35% раствора фосфата калия. Степень очистки газов от сероводорода в фосфатном методе несколько ниже, чем в мышьяково-содовым, остаточное содержание сероводорода  около 1,5 г/м3.

            Железо-содовый процесс очистки газов от Н2S проводится на ряде химических предприятий. В основе метода лежит процесс поглощения сероводорода суспензией гидроксида железа Fe(OH)3  в растворе соды Na2CO3 в щелочной среде (рН 8,5 – 9,0).

При регенерации поглотительного раствора сульфиды железа окисляются  кислородом воздуха с выделением элементарной серы, которая представляет собой товарный продукт.

            Очистка газов от Н2S цеолитами. Цеолиты NaA, CaA являются эффективными сорбентами, отличающимися  высокой адсорбционной  способностью и селективностью по отношению к сероводороду. Процесс можно проводить в присутствии СО2, который хоть и сорбируется вместе с сероводородом, но значительно легче десорбируется. На начальной стадии очистки из загрязненного газа извлекаются как сероводород, так и СО2. Затем сероводород вытесняет из сорбента СО2  и содержание последнего  в выходящем из адсорбера газе начинает возрастать. Процесс может быть остановлен при любом экономически и технологически оправданном содержании СО2  в очищаемой газовой смеси. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают цеолиты типа СаА.

            Очистка газов от Н2S активированным углем состоит в адсорбции сероводорода на поверхности угля и последующем окислении Н2S кислородом воздуха до элементарной серы. Активированный уголь одновременно является адсорбентом и катализатором окисления сероводорода. Каталитические свойства сорбента усиливают путем нанесения на его поверхность других веществ - катализаторов окисления сероводорода, например, иода, иодистого калия. Образующаяся на поверхности и в объеме пор сорбента элементарная сера снижает его активность, поэтому периодически проводят регенерацию угля. Для этого серу вымывают из сорбента специальным растворителем. Далее промытый уголь очищают от растворителя, сушат. При этом возникает проблема рекуперации растворителя, а также проблема очистки газовых выбросов от паров растворителя. Процесс поглощения сероводорода активированным углем не находит широкого применения еще и потому, что в аппаратах очистки возможно протекание сильно экзотермичной реакции окисления сероводорода до серной кислоты, что может быть причиной возгорания угля.

Поглощение и химическое превращение сероводорода в элементарную серу используется в процессах очистки промышленных газов от органических сернистых соединений.

 

Очистка газов от оксида серы (IU).

            Сернистый газ – одно из основных загрязнений атмосферного воздуха, оказывающее сильное негативное воздействие на живые организмы. В обычных условиях это бесцветный газ с резким характерным запахом. В атмосфере он постепенно окисляется до серного ангидрида, а последний при взаимодействии с водой образует серную кислоту. Из атмосферы сернистый газ и продукты его химических превращений вымываются с осадками, поступая в водоемы, почву. Время пребывания сернистого газа в атмосфере зависит от многих факторов и составляет от нескольких часов до 4-5 суток. Предельно допустимая концентрация этого вещества в воздухе (среднесуточная) составляет 0,005 мг/м3.

Сернистый газ – кислотный оксид, способы улавливания SO2 из загрязненных промышленных газов основаны на способности его взаимодействовать с водой, основными оксидами, некоторыми солями.

Таблица 5                  Методы очистки газов от SO2.

метод

основные  процессы метода

 

Известковый метод очистки газов от SO2

SO2   +  CaCO3  =  CaSO3   + CO2

SO2  + CaO  =  CaSO3

SO2  +  Ca(OH)2  = CaSO3  +  H2O

2CaSO3  + O2  =  2 CaSO4

Аммиачный метод очистки газов от SO2

SO2   +  (NH4)2SO3  + H2O  =  2 NH4HSO3

Поглощение SO2  углеродными пористыми сорбентами

(SO2     +H2O  +   О2) ® уголь

SO2  + H2O  = H2 SO3

H2 SO3 + ½ O2  = H2 SO4

 

            Известковый метод очистки газов от SO2. Это один из наиболее простых в техническом отношении методов. Однако в процессе очистки образуются твердые отходы, которые не находят практического применения, сбрасываются в отвалы. Поэтому метод применим только при небольших содержаниях SO2 в очищаемом газе. Метод основан на необратимом химическом взаимодействии сернистого газа с известняком (известью или мелом), в результате чего образуется сульфит кальция, который на воздухе окисляется до сульфата кальция.

            Аммиачный метод очистки газов от SO2 имеет несколько вариантов, отличающихся условиями проведения процесса. Однако во всех вариантах этого метода первая стадия одинакова - это поглощение сернистого газа водным раствором сульфита аммония с образованием гидросульфита аммония. Далее варианты метода отличатся по направлениям переработки гидросульфита аммония. Наибольший интерес с точки зрения эколога представляют те методы, в которых происходит  превращение SO2  в какой-либо  продукт, используемый в других производствах или в сфере потребления. При таком подходе  более интересен аммиачно-автоклавный метод. Здесь на второй стадии процесса гидросульфит аммония разлагается в автоклаве при повышенных температурах и давлениях с получением в качестве товарных продуктов серы и сульфата аммония:

2 NH4HSO3    +  (NH4)2SO3   =  2(NH4)2SO4   +  S  + H2O

            Поглощение SO2  углеродными пористыми сорбентами является одним из наиболее перспективных методов. При контакте содержащего SO2  газа с пористым сорбентом вначале происходит сорбция SO2  и других компонент загрязненного газа  на активной поверхности сорбента. Далее в результате взаимодействия сорбированных веществ между собой образуются вещества, представляющие  собой товарные продукты. Так образование серной кислоты может быть представлено следующей схемой:

 

SO2        H2O    О2                          SO2  +H2O  = H2SO3

H2SO3 + ½ O2  = H2SO4

 

Очистка газов от оксидов азота.

            Оксиды азота, как и сернистый газ, являются одним из основных загрязнений атмосферы. Наиболее устойчив в атмосфере оксид азота (IY). Предельно допустимая концентрация установлена для всех оксидов азота в пересчете на NO2  и составляет 0,085 мг/м3 в воздухе населенных пунктов. Источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются процессы сжигания топлива, а также производства азотной кислоты, минеральных удобрений.

            Наиболее экологичным способом очистки промышленных газовых выбросов от оксидов азота является каталитическое восстановление их до молекулярного азота. При этом в качестве восстановителей могут использоваться СО, Н2, СН4, NН3, различные газовые смеси. Катализаторы – металлы  подгруппы платины на различных носителях.

            В различных процессах могут образоваться выхлопные газы с различным содержанием оксидов азота. Если содержание их мало, то применяются относительно простые системы очистки. Например, в производстве разбавленной азотной кислоты образуются выхлопные газы с содержанием  оксидов азота 0,2 – 0,25%, кислорода - до 3 %, паров воды - до2,0%. Основной компонент таких газов – азот. Для восстановления оксидов азота  используется аммиак при температуре 120ОС и давлении 0,3 МПа:

6 NO  +  4 NH3(избыток)  = 5 N2  +  6H2O

6 NO2  +  8 NH3 (избыток)  =  7 N2  +  12H2O

Оставшийся аммиак окисляется кислородом воздуха:

4 NH3   +  2  =  2 N2  +  6H2O

Очищенный от оксидов азота газ выбрасывается в атмосферу. Поскольку все используемые в схеме очистки химические процессы проводятся при повышенных температурах, то выбрасываемый после очистки газ является источником энергетического загрязнения атмосферы. Если содержание оксидов азота в выхлопных газах повышено, то применяют многоступенчатые системы очистки, которые также основаны на каталитическом восстановлении оксидов азота до молекулярного азота.

 

Очистка газов от аммиака.

            Аммиак - токсичный газ, исходное сырье в производстве азотной кислоты. ПДК аммиака в воздухе населенных пунктов 0,2 мг/м3. Промышленные газы могут содержать аммиак в широком интервале концентраций. Очистка газов от аммиака основана на его хорошей растворимости в воде и щелочных свойствах.

            Аммиак легко удаляется из загрязненных газов промывкой водой, иногда добавляют дополнительную ступень доочистки раствором серной или фосфорной кислоты:

NH3   +  H2O  = NH4OH

2 NH3  +  Н2SO4 =   (NH4)2 SO4

3 NH3   +  Н3РО4  =  (NH4)3РО4

Адсорбцию аммиака водой проводят в системе, состоящей из последовательно включенных насадочных и тарельчатых колонн при давлении 1,6 МПа и температуре 60ОС с получением товарного продукта – аммиачной воды.

Наиболее экологичным является метод каталитического разложения аммиака при повышенных температурах:

2 NH3  =  N2  +  3 Н2

Образующийся при этом газ содержит такое количество водорода, что может сгорать с выделением большого количества теплоты.

            Очистку газов от аммиака при небольшом содержании этого компонента в газовых смесях можно проводить, используя активированные угли или крупнопористые иониты. На активированных углях имеет место процесс адсорбции аммиака. На ионитах – процесс ионообменной адсорбции, в котором участвует гидроксид аммония, образующийся в присутствии влаги в очищаемом газе:

NH4OH  = NH4+   +   ОН-

HR  + NH4OH  = (NH4) R   + H2O

HR – катионит  в Н-форме.

Катионит регенерируют, промывая водой или слабым раствором кислоты.