11.3. Термоокислительные методы обезвреживания

По теплотворной способности химические промышленные сто­ки делят на сточные воды, способные гореть самостоятельно, и на воды, для термоокислительного обезвреживания которых необходи­мо добавлять топливо. Последние имеют энтальпию ниже 8400 кДж/кг (2000 ккал/кг).

При использовании термоокислительных методов все органичес­кие вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных со­единений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный, или "огневой", метод. Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и тре­бований, предъявляемых к очищенным водам.

Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при температурах 100-350°С и давлениях 2-28 МПа. При высо­ких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрас­тает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ. Принципиальная схема жидкофазного окисления органи­ческих веществ в сточных водах показана на рис. II-112, a.

Сточную воду смешивают с воздухом, нагнетаемым компрессо­ром, и насосом подают в теплообменник, где смесь нагревается за счет тепла отходящей очищенной воды. Далее она поступает в печь для нагревания до необходимой температуры, а затем в реактор, в котором происходит процесс окисления, сопровождаемый повыше­нием температуры. Воду и продукты окисления (пар, газы, зола) из реактора подают в сепаратор, где происходит отделение газов от жидкости. Газообразные продукты направляют на утилизацию теп­ла, а воду с золой — в теплообменник, в котором они отдают своё тепло смеси сточной воды с воздухом.

При высокой концентрации органических веществ в сточной воде вследствие большого выделения тепла необходимость подогрева воды в теплообменнике и печи отпадает, кроме пускового периода.

Эффективность процесса окисления увеличивается с повышени­ем температуры. Летучие вещества при условиях процесса окисля­ются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие — в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде эконо­мичность процесса жидкофазного окисления возрастает.

Достоинствами метода являются: возможность очистки большо­го объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органических веществ, лег­кость комбинирования с другими методами, безопасность в работе. Среди недостатков следует указать на неполное окисление некото­рых химических веществ, значительную стоимость оборудования установки и высокую коррозию оборудования в кислых средах. Ме­тод начинают использовать для очистки сточных вод в азотной, неф­теперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Рис. II-112. Схемы установок для очистки сточных вод: a — жидкофазным окислением: 1 — сборник, 2 — насос, 3 — теплообменник, 4 — печь, 5 — реактор, 6 — сепаратор; 6 — каталитическим окислением: 1 — емкость, 2 — выпарной аппарат, 3 — теплообменник, 4 — контактный аппарат, 5 — котел-утилизатор, 6 — печь, 7 — центрифуга

Метод парофазного каталитического окисления. В основе ме­тода находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, на­ходящихся в промышленных сточных водах. Процесс протекает весь­ма интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового ката­лизатора. Одна из установок окисления представлена на рис. II-112,6.

Сточную воду из сборника подают в выпарной аппарат, откуда упаренная пульпа поступает на центрифугу, где обезвоживается. Образующийся осадок направляют на сжигание в печь. Водяной пар вместе с летучими органическими веществами из выпарного аппа­рата поступает в теплообменник, где нагревается за счет тепла паро­газовой смеси, выходящей из контактного аппарата. После теплооб­менника пары смешивают с горячим воздухом и направляют в кон­тактный аппарат, в котором происходит окисление органических ве­ществ. Дымовые газы из печи поступают в котел-утилизатор, где об­разуется пар, направляемый в выпарной аппарат.

Установки характеризуются высокой производительностью по сточной воде и высокой степенью обезвреживания, достигающей 99,8%. Основной недостаток установки — возможность отравления катализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Поэтому необ­ходимо предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод.

Огневой метод. Этот метод обезвреживания сточных вод явля­ется наиболее эффективным и универсальным из термических мето­дов. Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900-1000°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Содержа­щиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы, которые улавливают в циклонах или фильтрах.

Огневой метод нецелесообразно применять для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Метод может быть использован для обезвреживания небольшого объема сточ­ных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очи­стка от которых другими методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод целесообразен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо.

В процессах обезвреживания сточных вод различного состава мо­гут образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных метал­лов (CaO, MgO, BaO, K₂O, Na₂O и др.). Некоторые из этих оксидов могут взаимодействовать с компонентами дымовых газов, например:

Na₂O+CO₂=Na₂CO₃.

При диссоциации хлоридов в дымовых газах содержатся хлор и хлороводород. Органические соединения, содержащие серу, фосфор, галогены, могут образовывать SO₂ , SO₃, Р₂О₅ , НС1, С1₂ и др. Присут­ствие этих веществ в дымовых газах нежелательно, так как это вы­зывает значительную коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содер­жащих нитросоединения, могут выделяться оксиды азота: NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₅ , при 900°С — практически N0. Между всеми этими ве­ществами в газовой фазе происходят сложные взаимодействия с об­разованием новых соединений, в том числе и токсичных. Это необ­ходимо учитывать при удалении газов в атмосферу.

В зависимости от концентрации и состава сточных вод исполь­зуют печи различной конструкции: камерные, шахтные, циклонные и с псевдоожиженным слоем. Камерные и шахтные печи громоз­дки, характеризуются низкой удельной производительностью — до 100 л/(м³ч), их сооружение связано с высокими капитальными вложениями. Их используют для сжигания сульфидных щелоков, сточных вод анилинокрасочной промышленности и др.

Наиболее эффективными являются циклонные печи. В них, бла­годаря вихревому характеру газового потока, создается интенсивный массо- и теплообмен между каплями сточной воды и газообразными продуктами. Такие печи работают при больших удельных нагруз­ках. Применяют разнообразные горизонтальные и вертикальные цик­лонные камеры. Схема печи для сжигания горючих отходов показа­на на рис. II-113. Воздух, тангенциально вводимый в печь, соверша­ет вращательное движение, перемещаясь вдоль оси цилиндра по спи­рали. Сточную воду распыляют форсункой и сжигают. Недоста­ток таких печей — большой унос солей с газовым потоком.

С большой интенсивностью осуществляется процесс в печах с псевдоожиженным слоем, кото­рый создают газом, подаваемым под газораспределительную ре­шетку. Печи просты по конструк­ции, компактны и позволяют пол­ностью обезвреживать сточные воды (рис. II-114). В процессе сжигания твердые частицы нахо­дятся во взвешенном состоянии. Процесс проводят при 800-890°С.

Для сжигания сточных вод могут быть использованы уста­новки, имеющие различные схемы: 1) без рекуперации тепла и очис­тки газов; 2) без рекуперации тепла с очисткой газов; 3) с рекупера­цией тепла без очистки газов; 4) с рекуперацией тепла и с очисткой газов. Все эти схемы без рекуперации твердых отходов. Имеются схемы с рекуперацией твердых отходов.

Схемы установок без рекуперации тепла и очистки отходящих газов (рис. II-115, а) рекомендуют для обезвреживания сточных вод, содержащих только органические вещества. Удельный расход условно­го топлива на таких установках до­стигает 300 кг на 1 т сточных вод.

Предложены различные схе­мы установок с рекуперацией теп­ла, но без очистки газов (рис. II-115, б-г). По схеме б тепло отхо­дящих газов используют для по­догрева дутьевого воздуха. В этом случае происходит снижение рас­хода тепла на 20-30% по сравне­нию со схемой без рекуперации тепла. По схеме в происходит упа­ривание сточных вод за счет теп­ла дымовых газов. В таких схе­мах удельный расход тепла на ог­невое обезвреживание составля­ет 90 кг/т воды. По схеме г тепло дымовых газов используют для получения пара.

Рис. II-115. Схемы установки огневого обезвреживания сточных вод: а — без рекуперации тепла и очистки отходящих газов; б — с подогревом дутьевого воздуха; в — с упариванием сточных вод дымовыми газами; г — с образованием пара: 1 — печь, 2 — дымовая труба, 3 — вентилятор, 4 — воздуходувка, 5 — газоход, 6 — дымосос, 7 — воздухоподогреватель, 8 — испаритель, 9 — емкость, 10 — насос, 11 — котел-утилизатор; д — с рекуперацией тепла и сухой очисткой газов: 1 — печь, 2 — котел-утилизатор, 3 — воздухоподогреватель, 4 — аппарат сухой очистки газов, 5 — дымовая труба, 6 — дымосос, 7 — воздуходувка

Имеются различные схемы с рекуперацией тепла и очисткой от­ходящих газов в циклонах, электрофильтрах, скрубберах различной конструкции. Одна из таких схем показана на рис. II-115, д.

8