Методы очистки газо-пылевых промышленных выбросов

В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы:

– взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ (пыль, дым), жидкостей (туман);

– газообразные и парообразные вещества.

К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (туман).

Пыль представляет собой дисперсную систему, состоящую из газовой среды и взвешенных твердых частиц. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и другие.

Дымы образуются при сжигании топлива, в результате химических реакций, при окислении паров металлов в электрической дуге и т. д. Размеры частиц в дымах варьируют от 5 мкм до субмикронных размеров, т. е. менее 0, 1 мкм.

Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из серной, фосфорной и других кислот.

Вторая группа – газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выбросах – гораздо более многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов.

Методы очистки газов от аэрозолей можно разделить на механические, электростатические и методы звуковой и ультразвуковой коагуляции. В большинстве промышленных газоочистных установок используются комбинации нескольких методов очистки от аэрозолей.

Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся гравитационное осаждение, инерционное и центробежное пылеулавливание, фильтрация.

Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят вотстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах на расстоянии 40 – 100 мм установлено множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Гравитационное осаждение действенно для крупных частиц диаметром более 50 – 100 мкм. Данный метод пригоден только для предварительной, грубой очистки газов.

Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10 – 15 м/с. Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.

Центробежные методы очистки газов от взвешенных частиц основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в аппаратах, а именно в циклонах различных типов, батарейных циклонах, вращающихся пылеуловителях (ротоклонах) и др. Газовый поток подается в цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направлению к дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона на выход. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц.

Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани, изготовленные из хлопка, шерсти, химических волокон, стекловолокна, или через другие фильтрующие материалы (керамику, металлокерамику, пористые перегородки из пластмассы и др.). В зависимости от фильтрующего материала различают тканевые фильтры (в том числе рукавные), волокнистые, из зернистых материалов (керамики, металлокерамика, пористых пластмасс).

Тканевые фильтры, чаще всего рукавные, применяются при температуре очищаемого газа не выше 60 – 65⁰С. Для непрерывной очистки ткани продувают воздушными струями, которые создаются различными устройствами – соплами, расположенными против каждого рукава, движущимися наружными продувочными кольцами и др. Сейчас применяют автоматическое управление рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого воздуха.

Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой эффективностью; степень очистки 99, 5 – 99, 9 % при скорости фильтруемого газа 0, 15 – 1, 0 м/с.

На фильтрах из стекловолокнистых материалов возможна очистка агрессивных газов при температуре до 275⁰С. Для тонкой очистки газов при повышенных температурах применяют фильтры из керамики и тонковолокнистой ваты, из нержавеющей стали, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузкам, однако их гидравлическое сопротивление велико.

Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычно водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров наиболее распространен на заключительной стадии механической очистки, особенно для газов, подлежащих охлаждению. В аппаратах мокрой очистки применяют различные приемы увеличения поверхности контакта жидкости и газа.

Используют башни с насадкой (насадочные скрубберы), отличающиеся простотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в работе, малым гидравлическим сопротивлением и сравнительно малым расходом энергии; орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) для очистки больших объемов газа; пенные аппараты применяют для очистки газа от аэрозолей полидисперсного состава. Интенсивный пенный режим создается на полках аппарата при линейной скорости газа в его полном сечении 1 – 4 м/с. Пенные газоочистители обладают высокой производительностью по газу и сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

Электростатическая очистка газов является универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных электродах. Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускается очищаемый газ. Между осадительными электродами подвешены проволочные коронирующие электроды, к которым подводится напряжение 25 – 100 кВ.

Звуковые и ультразвуковые методы коагуляции применимы для агрегирования мелкодисперсных аэрозольных частиц (тумана серной кислоты, сажи) перед их улавливанием другими методами. Начальная концентрация частиц аэрозоля для звуковой коагуляции должна быть не менее 2 г/м³ (для частиц d = 1 – 10 мкм). Электризацию частиц производят путем пропускания газа через электризационную камеру с коронирующими электродами. Осадительным электродом может служить пенный слой в пенных аппаратах, слой газожидкостной эмульсии в насадочных скрубберах и других мокрых газопромывателях, в которых решетки или другие соответствующие детали должны быть заземлены.

Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы: абсорбция жидкостями; адсорбция твердыми поглотителями; каталитическая очистка.

Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСl, HF, H₂SO₄), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенола, формальдегида, летучих растворителей и др.).

Абсорбционные методы служат для технологической и санитарной очистки газов. Они основаны на высокой растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей при протекании в жидкости химического взаимодействия примеси с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка – непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. Хемосорбция применяется для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей.

Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов (твердых пористых материалов): активированного угля, силикагеля, алюмогеля, природных и синтетических цеолитов (молекулярные сита). Основные требования к промышленным адсорбентам – высокая поглотительная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительный срок службы без изменения структуры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации.

Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью 0, 05 – 0, 3 м/с. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие – на стадиях регенерации, охлаждения. Регенерацию проводят нагреванием, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа азота.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на порядок выше, чем в периодических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы

Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов: глубокая очистка газов от токсичных примесей; сравнительная легкость регенерации с превращением примесей в товарный продукт или возвратом в производство.

Адсорбционный метод особенно эффективен на завершающем этапе санитарной очистки отходящих газов.

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях примесей с кислородом или другими веществами в присутствии твердых катализаторов. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, трансформируются в безвредные либо в легко удаляемые соединения. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами). Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами газоочистки, так как такие традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах-катализаторах называют адсорбционно-каталитической.

Каталитические методы получают все большее распространение, так как позволяют глубоко очистить газы от токсичных примесей (до 99, 9 %) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т. е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший метод – факельное сжигание – возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса 750 – 900 °С, и теплоту горения примесей можно утилизировать.

Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, необходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе.

Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразно использовать комбинированные методы, в которых применяется оптимальное для каждого конкретного случая сочетание грубой, средней и тонкой очистки газов и паров. На первых стадиях, когда содержание токсичной примеси велико, более подходят абсорбционные методы, а для доочистки – адсорбционные или каталитические.

Наиболее надежным и самым экономичным способом охраны биосферы от вредных газовых выбросов является переход к безотходному производству (безотходным технологиям), что предполагает создание оптимальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов, а также не потребляет воду из природных водоемов.