Очистка газов от оксидов углерода СО2 и СО

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 сжиганиемзагрязнений в пламени с температурой 600 – 800ºС в присутствии катализаторов или без них,окислениемпри 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.

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 методыочистки 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, чтофильтрующим 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

Абсорбция СО₂ водой - один из простейших методов очистки газообразных выбросов от оксида углерода (IU).Максимальная поглотительная способность воды8 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 растворомиспользуется 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.