3579
.pdfвытесняя молекулы адсорбата, а загрязнения конденсируются вместе с избытком водяного пара. При этом влажность адсорбента повышается, что приводит к дополнительной обработке горячим сухим воздухом для восстановления исходного состояния.
Вслучае органических материалов, хорошо растворимых
вводе, применение этого метода связано с трудностями, поскольку требуется проведение дополнительного разделения водного конденсата и органических продуктов. Определенные трудности вызывает и дальнейшая утилизация загрязнителя. При незначительных объемах применяют биологическое разложение. С этим в целом справляется обработка в канализационных сооружениях. При больших объемах необходимо устройство дополнительных локальных очистных сооружений, что приводит к увеличению капиталозатрат, стоимости очистки в целом.
При наличии устойчивых органических соединений или в случае большого количества водных растворов желательно отказаться от данного метода десорбции.
Следует отметить, что регенерацией никогда не достигается 100% десорбция и часть загрязнителя будет присутствовать в адсорбенте. Органические вещества при регенерации в условиях высоких температур могут полимеризоваться и привести к закупорке пор адсорбента, что делает последний неактивным.
Поэтому к выбору метода регенерации необходимо подходить взвешенно, учитывая свойства загрязнителя. Регенерация может быть комбинированной и включать в себя нагревание в условиях умеренных температур, с последующей обработкой водяным паром или вакуумированием. Схема регенерации полностью определяется разработчиком системы и учитывает особенности производства.
Более сложным случаем является регенерация после хемосорбции. В результате сорбат связывается очень прочно,
90
что приводит к необходимости удаления части сорбента. Регенерация при этом требует специальных условий.
Так, например, при регенерации активированного угля, используемого для удаления SO2, используют воздух. При этом часть оксида серы накапливается в сорбенте, что приводит к образованию в последнем серной кислоты. Дальнейшая десорбция протекает при 370°С в инертной атмосфере, в результате чего кислота реагирует с углем, образуя CO2 и SO2.
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 от 70 до 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
кточке росы (углеводороды и органические соединения с высокой концентрацией);
91
– 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
92
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.
Впервом случае возможна конденсация всех видов паров, во втором – если конденсируемый газ нерастворим и не вступает в контакт с охладителем.
Вобоих 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
93
наблюдается образование новых веществ, которые впоследствии удаляются абсорбцией или десорбцией.
Посредством термокаталитического окисления возможно обезвреживание водорода Н2, оксида углерода СО, углеводородов CmHn и кислородных производных углеводородов CmHnOp 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 от 350 до 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 от 450 до 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, со-
94
держащие 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 содержат менее вредные и токсичные вещества, чем в исходном газе. Окисление возможно лишь за счет кислорода при сжигании. Именно его использование дает принципиально возмож-
95
ное 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 некоторых, 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 примерный диапазон от 500до 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 от 700 до 800 °С, топливо жидкое или газообразное. Для эффективного окисления и исключения недожога сжигание проводят при избыточной подаче воздуха (дополнительно от 10 до
96
15 % от расчетного). Возможно сжигание газа в открытом факеле.
Конструкции топочных устройств подразделяются на камерные, циклонные, шахтные и барабанные (рис. 55).
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. 55. 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
97
Вконечном конструкция и габариты топочного устройства выполняются такими, чтобы обеспечить требуемое время пребывания отбросных газов в зоне высоких температур.
2.8.Фильтры
Внастоящее время в энергетике получают применение тканевые фильтры, использовавшиеся ранее в других отраслях промышленности для улавливания пыли [12]. Поскольку электрофильтры плохо улавливают частицы менее 10 мкм, это стало причиной, что на новых ТЭС рукавные фильтры устанавливаются в качестве элемента финишной очистки газа следом за электрофильтрами. Фильтрация осуществляется через гибкую ткань, изготовленных из тонких нитей диаметром от 100 до 300 мкм. Рукавные фильтры имеют цилиндрическую форму. С их помощью можно достичь высокой степени улавливания пыли до 99,9 %. При этом имеется ряд ограничений для их использования. Скорость газового потока через ткань не должна превышать диапазон от 0,01 до 0,02 м/с. Гидравлическое сопротивление при этом составляет от 0,5 до 1,5 кПа. Для регенерации применяют продувку воздухом либо механическое встряхивание. Для регенерации фильтр выводится из работы. Устройство и принцип действия тканевого рукавного фильтра показаны на рис. 56.
98
Рис. 56. Устройство и принцип действия тканевого рукавного фильтра с подачей запыленного потока с периферии в рукав:
слева–рукав в режиме очистки продувкой воздухом, справа –рукав в режиме очистки дымовых газов
Тканевые фильтры изготавливаются из материалов, выдерживающих высокую температуру дымовых газов, стойких к влиянию химических соединений и влажности. В качестве материалов применяют шерсть, стекловолокно, оксалин. Последние работают при температуре до 260 °С. Средний срок эксплуатации фильтра составляет 1 –3 года.
На рис. 57 представлена конструкция многокамерного рукавного фильтра. Число рукавов в одной камере свыше 100 и более. Загрязненные газы подводятся снизу внутрь рукавов, а осаждение частиц осуществляется на внутренней поверхности стенки рукава. Регенерация осуществляется путем вывода из работы одной из камер, с дальнейшим встряхиванием или вибрацией рукавов. Далее пыль направляется в пылесборник для дальнейшей утилизации.
99