2.7. Конденсационная очистка и термоокисление

Конденсационную обработку применяют для улавливания и возвращение в производственный процесс растворителей, извлечения дорогостоящих или описанных веществ. Широко используется в химических производствах, очистки воздуха лакокрасочного производства и обработки.

Степень улавливания (глубина извлечения) загрязнителя зависит от сте­пени охлаждения и сжатия газовых выбросов. В производственных условиях температуру и давление принимают такими, чтобы энергозатраты на конденса­цию составляли незначительную долю общих затрат на технологию. Степень очистки при этом составляет 70 – 80%. Данная доля очистки не позволяет достигнуть ПДК вещества, следовательно, конденсация является одним из промежуточных этапов очистки.

Конденсационная обработка как правило применяется при:

• Предварительной очистке газов с высоким содержанием паров загрязнителя перед тонкой очисткой в адсорбере;

• Извлечении паров, содержащих соединения фосфора, мышья­ка, тяжелых металлов, галогенов перед термообезвреживанием смеси загрязните­лей;

• Для обработки паров веществ, близких по температуре к точке росы (углеводороды и органические соединения с высокой концентрацией);

• Конденсации загрязнителей после химической обработки с целью перевода в легкоконденсируемые соединения, например, после хемосорбционных аппаратов.

Для удаления загрязнителей, имеющих низкое давление пара при обычных температурах, используют конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением.

Также применяют многоступенчатые системы конденсации с применением воздушного или водного охлаждения в первых ступенях с применением в последующих ступенях низкотемпературного охлаждения за счет холодильных машин. Залогом успешности процесса является предварительное удаление инертных или неконденсирующихся газов из смеси.

Если для очистки необходимо охладить газ до температуры меньше точки росы на 40 и более градусов, то можно столкнуться с таким явлением, как образование тумана в очищаемом газе. В большинстве случаев это потребует дополнительной ступени очистки в виде туманоуловителя. В качестве последних могут быть применены традиционные тканевые или скрубберы Вентури (с каплеуловителем на выходе) или электрофильтры. Скрубберы Вентури являются наиболее предпочтительными как в плане выделения из газа загрязнителя (если необходимо его в дальнейшем направлять в производственный цикл), так и в плане регенерации (она просто не требуется). При этом унос капель тумана составит до 20%. Тканевый туманоуловитель более эффективен. Коэффициент проскока частиц составит не более 1%, но при этом сложен в регенерации.

Электрофильтры несмотря на сложность конструкции являются наиболее предпочтительными в данной схеме.

При проектировании конденсацию подразделяют на два вида:

Поверхностную (или обычную конденсацию). Конденси­рующиеся пары и охлаждающий агент разделены стенкой, а сама конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки. Поверхностные конденсаторы по конструкции сходны с другими типами по­верхностных теплообменников - подогревателями, холодильниками, испарите­лями и представляют собой кожухотрубные теплообменники, аппараты типа «труба в трубе», пластинчатые теплообменники;

Конденсацию смешиванием. Конденсирующиеся пары при этом не­посредственно соприкасаются с охлаждающим агентом. Различают мокрые и су­хие конденсаторы смешения. В мокрых конденсаторах охлаждающий агент, конден­сат и неконденсирующиеся газы (воздух) отводят из нижней части аппарата при помощи мокро-воздушного насоса. В сухих конденсаторах охладитель с конден­сатом отводятся из нижней части аппарата, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней части.

В первом случае возможна конденсация всех видов паров, во втором – если конденсируемый газ нерастворим и не вступает в контакт с охладителем.

В обоих случаях возможно как прямоточное движение потоков, так и противоточное.

Термоокисление газообразных загрязнителей может происходить в га­зовой фазе (в объеме) или на границе раздела фаз (на поверхности). Газо­фазный процесс осуществляют непосредственным сжиганием газовых выбросов при температурах выше температуры воспламенения горючих выбросов. Сами катализаторы представляют собой конденсированные вещества, способные за счет своей активности ускорять процесс окисления загрязнителей при температуре ниже температуры воспламенения последнего. Метод с использованием катализаторов при термоокислении служит для превращения загрязнений в легкоудаляемые или безвредные.

Процессы гетерогенного катализа протекают на поверхности катализаторов. Данные процессы проходят при низкой концентрации удаляемых примесей и служат также финальным этапом очистки. Правда в некоторых случаях наблюдается образование новых веществ, которые впоследствии удаляются абсорбцией или десорбцией.

Посредством термокаталитиче­ского окисления возможно обезвреживание водорода Н₂, оксида углерода СО, углеводородов C_mH_n и кислородных производных углеводородов C_mH_nO_p только в газообразном состоянии.

Термокатализ неприемлем для обработки газов (паров) высокомоле­кулярных и высококипящих соединений, которые, плохо испаряясь с ката­лизатора, закоксовывают поры и резко падает эффективность.

Процесс термокатализации проходит при температуре 350 – 500°С. При этом для сжигания требуется определенное количество топлива, что приводит к увеличению стоимости процесса очистки.

В качестве катализаторов обычно используют металлы или оксиды металлов. Наилучшие катализаторы разрабатываются на основе благород­ных металлов, а среди других наиболее активны катализаторы из окислов кобальта, хрома, железа, марганца, никеля и др. Однако они имеют мень­шую активность, чем катализаторы из благородных металлов, а также низ­кую химическую и термическую стойкость.

Обычно активирующие компоненты наносятся на нейтральные термо­стойкие носители (фарфор или шамот в виде таблеток, шариков, гранул; сетки из нихромовой проволоки). Катализаторы подбирают индивидуально в зависимости от типа загрязнителя, его свойств, концентрации и пр.

Для очистки газа от оксидов серы используют каталитическое окисление с использованием ванадиевого катализатора при температуре 450 – 480°С, с последующей абсорбцией.

Для очистки от оксидов азота применяют каталитическое восстановление до элементарного азота в присутствии газа восстановителя. Катализаторами служат платиновые металлы, палладий, рутений, платина, родий либо сплавы, содержащие никель, хром, медь, цинк, вана­дий, церий и др. В качестве газа восстановителя используют метан, природный газ, оксид углерода, водород или аммиак.

Степень очистки достигает 96%.

Использование каждого катализатора имеет определенные темпера­турные ограничения. Превышение температуры приводит к его разруше­нию. Перегрев катализатора чаще всего происходит из-за нестабильности содержания окисляемых компонентов отбросных газов, концентрации ко­торых за технологический цикл обычно несколько раз изменяются от нуля до максимума, достигающего иногда нескольких десятков грамм на кубо­метр выбросов. Для предохранения от перегрева приходится оборудовать установки обезвреживания автоматикой регулирования подачи энергоно­сителя (обычно газового топлива) в зависимости от концентрации загряз­нителя. Система автоматики основывается на особенностях конкретных технологических процессов и разрабатывается индивидуально.

Конструктивно установки термокатализа обычно состоят из топки с газогорелочными устройствами и реактора, в котором размещаются ката­литические насадки.

Проектирование установки термокаталитического обезвреживания сводится к подбору конструкций и размеров топочных и горелочных уст­ройств, типа катализатора и способа его размещения в реакторе. Выпол­няют также гидравлические расчеты воздуховодов, газопроводов, дымохо­дов, подбирают вентиляторы и дымососы.

Для обезвреживания промышленных газов, содержа­щих легко окисляющиеся органические примеси используют метод прямого сжигания.

Например, при сжигании паров углеводородов образуются оксид углерода и водяной пар, а при сжигании сульфидов – диоксид серы и водяной пар. Данный способ применим лишь в том случае, если продукты сгорания содержать менее вредные и токсичные вещества, чем в исходном газе. Окисление возможно лишь за счет кислорода при сжигании. Именно его использование дает принципиально возможное получение безвредных продуктов окисления. При наличии иных окислителей возможно образование токсичных веществ.

Термоокисление осуществляют сжиганием в пламени газообразных выбросов при температуре выше, чем температура воспламенения горючих выбросов.

Газофазный процесс термоокисления осуществляют непосредствен­ной огневой обработкой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих температуру воспламенения горючих ком­понентов выбросов.

Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О - се­ру S, фосфор Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокисли­тельную обработку, так как продукты сгорания будут содержать высоко­токсичные соединения. При сжигании орга­нических соединений далеко не всегда удается обеспечить окисление компонентов до углекислого газа и воды.

Возможности термоокислительного метода обезвреживания ограни­чиваются также количеством отбросных газов и содержанием в них горю­чих компонентов. Если концентрация горючих компонентов выбросов не достигает нижнего предела воспламенения ("бедные" горючим выбросы), то их огневая обработка требует дополнительного расхода топлива на про­грев выбросов до температуры самовоспламенения, которая для паров уг­леводородов и кислородных производных углеводородов составляет около 500 – 750°С.

При невысоком содержании загрязнителей при высоком расходе очищаемого газа целесообразно использовать двухступенчатую очистку. В первой ступени происходит предварительная концентрация горючих компонент до нижнего предела воспламенения, а во втором собственно сжигание. Это ведет к увеличению эффективности очистки, при этом сокращаются затраты на газ для сжигания.

Сжигание производят в печах различных конструкций с открытым источником пламени. Температуру поддерживают 700 – 800 °С, топливо жидкое или газообразное. Для эффективного окисления и исключения недожога сжигание проводят при избыточной подаче воздуха (дополнительно 10-15% от расчетного). Возможно сжигание газа в открытом факеле.

Конструкции топочных устройств подразделяются на камерные, циклонные, шахтные и барабанные (рис.62).

Камерные печи прямоугольного или круглого сечения выполняют одно- или двухходовыми по дымовым газам. Предпочтительны горизонтальные конструкции, поскольку вертикальные обеспечивают худшее заполнение дымовыми газами. Кроме того возможно устройство отдельных зон с различной температурой. Это дает возможность организовать реакционную зону и процесс полного окисления.

В циклонных печах организуется вращательно-поступательное дви­жение продуктов горения, что обеспечивает большее время пребывания обрабатываемых газов, чем в камерных печах таких же габаритов. При этом образование реакционной зоны не представляется возможным.

Рис. 62. Конструкции топочных устройств: А – камерная печь; 1 – корпус печи; 2 – отверстие; 3 – коллектор; 4 – газообразные отходы; 5 – распределительные патрубки; 6 – фронтовая стена; 7 – горелка; 8 – перфорированная стенка; 9 – под; 10 – камера; 11 – камера для утилизации тепла; б – циклонная горизонтальная печь; 1 – горелка; 2 – цилиндрическая камера; 3 – патрубки для отвода газа

В конечном конструкция и габариты топочного устройства выполняются такими, чтобы обеспечить требуемое время пре­бывания отбросных газов в зоне высоких температур.