4.5. Очищення промислових газових викидів

У газоподібних промислових викидах шкідливі домішки можна розділити на дві групи: зважені частинки (аерозолі) твердих речовин–пил, дим; рідин–туман і газоподібні і пароподібні речовини. До аерозолів відносяться зважені тверді частинки неорганічного і органічного походження, а також зважені частинки рідини (туману). Пил–це дисперсна малостійка система, що містить більше крупних частинок, ніж дими і тумани. Розрахункова концентрація (число частинок в 1 см³) мала у порівнянні з димами і туманами. Неорганічний пил у промислових газових викидах утворюється при гірничих розробках, переробці руд, металів, мінеральних солей і добрив, будівельних матеріалів, карбідів і інших неорганічних речовин. Промисловий пил органічного походження–це, наприклад, вугільний, деревний, торф'яний, сланцевий, сажа та ін. До димів відносяться аеродисперсні системи з малою швидкістю осадження під дією сили тяжіння. Дими утворюються при спалюванні палива і його деструктивній переробці, а також у результаті хімічних реакцій, наприклад при взаємодії аміаку і хлороводню, при окисненні парів металів в електричній дузі та ін. Розміри частинок у димах багато менші, ніж у пилу і туманах, і складають від 5 мкм до субмікронних розмірів, тобто менше 0,1 мкм. Тумани складаються з крапельок рідини, пари, що утворюється при конденсації, або розпилюванні рідини. У промислових вихлопах тумани утворюються головним чином з кислотами: сульфатною, фосфатною та ін. Друга група–газоподібні і пароподібні речовини, що містяться у промислових газових вихлопах, набагато більш численна. До неї відносяться кислоти, галогени і галогенопохідні, газоподібні оксиди, альдегіди, кетони, спирти, вуглеводні, аміни, нітросполуки, пара металів, піридини, меркаптани і багато інших компонентів газоподібних промислових відходів.

У наш час, коли безвідходна технологія знаходиться у періоді становлення і повністю безвідходних підприємств ще немає, основним завданням газоочищення слугує доведення вмісту токсичних домішок у газових викидах до гранично допустимих концентрацій (ГДК), встановлених санітарними нормами. При вмісті у повітрі декількох токсичних сполук їх сумарна концентрація не повинна перевищувати одиницю, тобто:

c₁ /ГДК₁+c₂ /ГДК₂+ ∙∙∙+c_n/ГДК_n =1,

де с₁, с₂, ..., с_n- фактична концентрація забруднень у повітрі, мг/м³; ГДК_1, ГДК₂ – , ГДК_n- гранично допустима концентрація, мг/м³.

При неможливості досягти ГДК очищенням іноді застосовують багаторазове розбавлення токсичних речовин або викид газів через високі димарі для розсіювання домішок у верхніх шарах атмосфери. Теоретичне визначення концентрації домішок у нижніх шарах атмосфери залежно від висоти труби і інших чинників пов'язане з законами турбулентної дифузії в атмосфері і поки не повністю розроблено. Висоту труби, необхідну, щоб забезпечити ГДВ токсичних речовин у нижніх шарах атмосфери, на рівні дихання, визначають за наближеними формулами, наприклад:

ГДВ= ,

де ГДВ – гранично допустимий викид шкідливих домішок в атмосферу, що забезпечує концентрацію цих речовин у приземному шарі повітря не вище за ГДК, г/с; Н– висота труби, м; V – об'єм газового викиду, м³/с; Δt – різниця між температурами газового викиду і навколишнього повітря, °С; А – коефіцієнт, що визначає умови вертикального і горизонтального розсіювання шкідливих речовин у повітрі, (наприклад, для регіону Донбасу А = 160); F-безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість седиментації шкідливих речовин в атмосфері (для Сl₂, НС1, HF F=1); m – коефіцієнт, що враховує умови виходу газу з гирла труби, його визначають графічно або приблизно за формулою:

де ω_г – середня швидкість на виході з труби, м/с; D_т – діаметр труби, м.

Метод досягнення ГДК за допомогою «високих труб» слугує лише паліативом, оскільки не оберігає атмосферу, а лише переносить забруднення з одного району в інші.

Відповідно до характеру шкідливих домішок розрізняють методи очищення газів від аерозолів і від газоподібних і пароподібних домішок. Усі способи очищення газів визначаються насамперед фізико–хімічними властивостями домішок, їх агрегатним станом, дисперсністю, хімічним складом та ін. Різноманітність шкідливих домішок у промислових газових викидах призводить до великої різноманітності методів очищення, реакторів, що використовуються, і хімічних реагентів.

Очищення газів від аерозолів. Методи очищення за їх основним принципом можна розділити на механічне очищення, електростатичне очищення і очищення за допомогою звукової і ультразвукової коагуляції.

Механічне очищення газів включає сухі і мокрі методи. До сухих методів відносяться: гравітаційне осадження; інерційне і відцентрове пиловловлювання; фільтрація. У більшості промислових газоочисних установках комбінується декілька прийомів очищення від аерозолів, причому конструкції очисних апаратів дуже численні.

Гравітаційне осадження засноване на осадженні зважених частинок під дією сили тяжіння при русі запиленого газу з малою швидкістю без зміни напряму потоку. Процес проводять у відстійних газоходах і пилоосаджувальних камерах. Для зменшення висоти осадження частинок в осаджувальних камерах установлено на відстані 40—100 мм безліч горизонтальних полиць, що розбивають газовий потік на плоскі струмені. Продуктивність осаджувальних камер П =S·ω_о, де S–площа горизонтального перерізу камери, або загальна площа полиць, м²; ω_о— швидкість осадження частинок, м/с. Гравітаційне осадження дієво лише для крупних частинок діаметром більше 50—100 мкм, причому ступінь очищення складає не вище 40—50%. Метод використовується лише для попереднього, грубого очищення газів.

Інерційне осадження засноване на прагненні зважених частинок зберігати первинний напрям руху при зміні напряму газового потоку. Серед інерційних апаратів найчастіше застосовують жалюзійні пиловловлювачі з великим числом щілин (жалюзі). Гази знепилюються, виходячи через щілини і змінюючи при цьому напрям руху, швидкість газу на вході в апарат складає 10—15 м/с. Гідравлічний опір апарату 100—400 Па. Частинки пилу з d<20 мкм у жалюзійних апаратах не уловлюються. Ступінь очищення залежно від дисперсності частинок складає 20—70%. Інерційний метод можна застосовувати лише для грубого очищення газу. Крім малої ефективності недолік цього методу–швидке стирання або забивання щілин.

Відцентрові методи очищення газів засновані на дії відцентрової сили, що виникає при обертанні газового потоку, що очищається, в очисному апараті або при обертанні частин самого апарата. Як відцентрові апарати пилоочистки застосовують циклони різних типів: батарейні циклони, пиловловлювачі (ротоклони), що обертаються, та ін. Циклони найчастіше застосовують у промисловості для осадження твердих аерозолей. Газовий потік подається у циліндрову частину циклона тангенціально, описує спіраль у напрямку до дна конічної частини і потім спрямовується угору через турбулізоване ядро потоку біля осі циклона на вихід. Циклони характеризуються високою продуктивністю за газом, простотою устрою, надійністю у роботі. Ступінь очищення від пилу залежить від розмірів частинок. Для циклонів високої продуктивності, зокрема батарейних циклонів (продуктивністю більше 20000 м³/год), ступінь очищення складає близько 90% при діаметрі частинок d>30 мкм. Для частинок з d = 5–30 мкм ступінь очищення знижується до 80%, а при d = 2–5 мкм вона складає менше 40%. Діаметр частинок, що уловлюються циклоном на 50%, можна визначити за емпіричною формулою:

де — в'язкість газу, Па∙с; D_ц– діаметр вихідного патрубка циклонів, м; N_об−ефективне число обертів газу у циклоні; ω_г-середня вхідна швидкість газу, м/с; _ч, _г —густина частинок і газу, кг/м³.

Гідравлічний опір високопродуктивних циклонів складає близько 1080 Па. Циклони широко застосовують при грубому і середньому очищенні газу від аерозолів. Іншим типом відцентрового пиловловлювача слугує ротоклон, що складається з ротора і вентилятора, що поміщений в осаджувальний кожух. Лапасті вентилятора, обертаючись, спрямовують пил у канал, який веде у приймач пилу.

Фільтрація заснована на проходженні газу, що очищається, через різні фільтруючі тканини (бавовна, шерсть, хімічні волокна, скловолокно та ін.) або через інші фільтруючі матеріали (кераміка, металокераміка, пористі перегородки з пластмаси та ін.). Найчастіше для фільтрації застосовують спеціально виготовлені волокнисті матеріали – скловолокно, шерсть або бавовну з азбестом, азбоцелюлозу. Залежно від фільтруючого матеріалу розрізняють тканинні фільтри (зокрема рукавні), волокнисті, із зернистих матеріалів (кераміка, металокераміка, пористі пластмаси). Тканинні фільтри, найчастіше рукавні, застосовуються при температурі газу, що очищається, не вище за 60—65°С. Залежно від гранулометричного складу пилу і початкової запиленості ступінь очищення складає 85—99%. Гідравлічний опір фільтра ΔР близько 1000 Па; витрата енергії ~1 кВт·год на 1000 м³ газу, що очищається. Для безперервного очищення тканини продувають повітряними струменями, які створюються різними пристроями – соплами, розташованими супроти кожного рукава, рухомими зовнішніми продувними кільцями та ін. Зараз використовують автоматичне управління рукавними фільтрами з продуванням їх імпульсами стисненого повітря.

Волокнисті фільтри, що мають пори, рівномірно розподілені між тонкими волокнами, працюють з високою ефективністю; ступінь очищення =99,5–99,9% при швидкості фільтрованого газу 0,15–1,0 м/с і ΔР = 500–1000 Па.

На фільтрах з скловолокнистих матеріалів можливе очищення агресивних газів за температури до 275 °С. Для тонкого очищення газів при підвищених температурах застосовують фільтри з кераміки, тонковолокнистої вати з неіржавіючої сталі, що мають високу міцність і стійкість до змінних навантажень; проте їх гідравлічний опір великий – 1000 Па.

Фільтрація – дуже поширений прийом тонкого очищення газів. Її переваги – порівняльна низька вартість устаткування (за винятком металокерамічних фільтрів) і висока ефективність тонкого очищення. Недоліки фільтрації – високий гідравлічний опір і швидке забивання фільтруючого матеріалу пилом.

Мокре очищення газів від аерозолів засноване на промиванні газу рідиною (звичайною водою) при можливо розвиненішій поверхні контакту рідини з частинками аерозолю і можливо інтенсивнішому перемішуванні газу, що очищається, з рідиною. Цей універсальний метод очищення газів від частинок пилу, диму і туману будь-яких розмірів є найбільш поширеним прийомом завершальної стадії механічного очищення, особливо для газів, що підлягають охолодженню. В апаратах мокрого очищення застосовують різні прийоми розвитку поверхні зіткнення рідини і газу.

Башти з насадкою (насадкові скрубери) відрізняються простотою конструкції і експлуатації, стійкістю у роботі, малим гідравлічним опором (ΔР = 300–800 Па) і порівняно малою витратою енергії. У насадковому скрубері можливе очищення газів з початковою запиленістю 5—6 г/м³. Ефективність одного ступеня очищення для пилу з d >5 мкм не перевищує 70—80%. Насадка швидко забивається пилом, особливо при високій початковій запиленості.

Зрошувані циклони (відцентрові скрубери) застосовують для очищення великих об'ємів газу. Вони мають порівняно невеликий гідравлічний опір —400—850 Па. Для частинок розміром 2—5 мкм ступінь очищення складає ~50%. Відцентрові скрубери високопродуктивні завдяки великій швидкості газу; у вхідному патрубку _г= 18-20 м/с, а в перетині скрубера _г = 4-5 м/с.

Пінні апарати застосовують для очищення газу від аерозолів полідисперсного складу. Інтенсивний пінний режим створюється на полицях апарата при лінійній швидкості газу в його повному перерізі 1—4 м/с. Пінні газоочисники мають високу продуктивність за газом і порівняно невеликий гідравлічний опір (ΔР однієї полиці близько 600 Па). Для частинок з діаметром d>5 мкм ефективність їх уловлювання на одній полиці апарату 90—99%; при d<5 мкм = 75–90%. Для підвищення встановлюють дво – і триполичні апарати.

Скрубери Вентурі (рис. 4.3.) – високоінтенсивні газоочисні апарати, але працюють з великою витратою енергії. Швидкість газу у звуженні труби (горловині скрубера) складає 100—200 м/с, а у деяких установках – до 1200 м/с. При такій швидкості газ, що очищається, розбиває на найдрібніші краплини завісу рідини, що вприскується по периметру труби. Це призводить до інтенсивного зіткнення частинок аерозолю з краплями і уловлюванню частинок під дією сил інерції.

Рис. 4.3. Скрубер Вентурі:

1 – краплеуловлювач;

2 – дифузор; 3 – горловина;

4 – конфузор; 5 – пристрій

для подання води

Скрубер Вентурі – універсальний малогабаритний апарат, що забезпечує уловлювання туману на 99 – 100%, частинок пилу з d = 0,01−0,35 мкм – на 50—85% і частинок пилу з d = 0,5−2 мкм – на 97%. Для аерозолів з d=0,3−10 мкм ефективність уловлювання визначається в основному силами інерції і може бути оцінена за формулою:

де К–константа; L–об'єм рідини, що подається до газу, дм³/м³; – інерційний параметр, що віднесений до швидкості газу у горловині; при 90% є однозначною функцією перепаду тиску у скрубері.

Головний дефект скрубера Вентурі – велика витрата енергії зі здолання високого гідравлічного опору, який залежно від швидкості газу у горловині може складати 0,002 – 0,013 МПа. Крім того, апарат не відрізняється надійністю в експлуатації, управління ним складне.

Основний недолік всіх методів мокрого очищення газів від аерозолів–це утворення великих обсягів рідких відходів (шламу). Таким чином, якщо не передбачені замкнена система водообороту і утилізація всіх компонентів шламу, то мокрі способи газоочищення по суті лише переносять забруднювачі з газових викидів у стічні води, тобто з атмосфери у водоймища.

Електростатичне очищення газів слугує універсальним засобом, придатним для будь-яких аерозолів, включаючи тумани кислот, і за будь-яких розмірів частинок. Метод заснований на іонізації і зарядженні частинок аерозолю при проходженні газу через електричне поле високої напруги, що створюється коронуючими електродами. Осадження частинок відбувається на заземлених осаджувальних електродах. Промислові електрофільтри складаються з ряду заземлених пластин або труб, через які пропускається газ, що очищається. Між осаджувальними електродами підвішені дротяні коронуючі електроди, до яких підводиться напруга 25—100 кВ. Теоретичний вираз для ступеня уловлювання аерозолів у трубчастих електрофільтрах має вигляд:

де −швидкість дрейфу частинок до електроду; l−довжина електроду; r−радіус осаджувального електроду; _r – швидкість газу, що очищається.

На рис. 4.4 наведені ідеальні криві залежності ступеня уловлювання аерозолів в електрофільтрі від розмірів частинок.

Рис. 4.4. Криві залежності ступеня уловлювання пилу в електрофільтрі від розмі-рів частинок: 1−р∙Е∙Е_о=160; 2−р∙Е∙Ео=80; 3−р∙Е∙Е_о= 40

Криві на рис. 4.4. відповідають різним значенням добутку р∙Е∙Е_о, де р – коефіцієнт, для непровідних частинок р = 1,5−2, для провідних частинок р = 3; Е − напруга електричного поля; E_о – критичне значення напруги поля. Фактична залежність ступеня уловлювання аерозолів від діаметра частинок d для промислових електрофільтрів визначається експериментально. Очищення ускладнене прилипанням часток до електроду, аномальним (зниженим) опором шару пилу на електродах та ін.

Недолік цього методу – великі витрати засобів на спорудження і утримання очисних установок і значні витрати енергії на створення електричного поля. Витрата електроенергії на електростатичне очищення−0,1—0,5 кВт на 1000 м³ газу, що очищається.

Звукова і ультразвукова коагуляція, а також попередня електризація поки мало застосовуються у промисловості і знаходяться в основному у стадії розробки. Вони засновані на укрупненні аерозольних частинок, що полегшує їх уловлювання традиційними методами. Апаратура звукової коагуляції складається з генератора звуку, коагуляційної камери і осаджувача. Звукові і ультразвукові методи прийнятні для агрегації мілко дисперсних аерозольних частинок (туману сульфатної кислоти, сажі) перед їх уловлюванням іншими методами. Початкова концентрація частинок аерозолю для звукової коагуляції повинна бути не менше 2 г/м³ (для частинок d= – 10 мкм).

Коагуляцію аерозолів методом попередньої електризації проводять, наприклад, пропусканням газу через електризаційну камеру з коронуючими електродами, де відбувається зарядження, а потім через мокрий газоочисник, в якому газорідинний шар слугує осаджувальним електродом (рис. 4.5.).

Рис. 4.5. Схема мокрого пиловловлювання з попередньою електризацією: 1−камера електризації; 2−коронуючий електрод; 3−пінний апарат; 4−газорідинний (пінний) шар; 5— заземлена решітка; I – газ, що очищається; II – вода; III – очищений газ; IV—злив шламу і коагуляція частинок

Осаджувальним електродом може слугувати пінний шар у пінних апаратах, шар газорідинної емульсії у насадкових скруберах і інших мокрих газопромивниках, в яких решітки або інші відповідні деталі повинні бути заземлені.

Очищення газів від пароподібних і газоподібних домішок. Гази у хімічній промисловості звичайно забруднені шкідливими домішками, тому очищення широко застосовується на хімічних заводах для технологічних і санітарних (екологічних) цілей. Промислові способи очищення газових викидів від газо – і пароподібних токсичних домішок можна розділити на три основні групи: абсорбція рідинами; адсорбція твердими поглиначами і каталітичне очищення. У менших масштабах застосовуються термічні методи спалювання (або допалювання) горючих забруднень, спосіб хімічної взаємодії домішок з сухими поглиначами і окиснення домішок озоном.

Абсорбція рідинами застосовується у промисловості для вилучення з газів оксиду сірки (IV), сірководню і інших сірчистих сполук, оксидів азоту, пари кислот (НС1, HF, H₂SO₄), оксиду (II)і оксиду (IV) вуглецю, всіляких органічних сполук (фенол, формальдегід, леткі розчинники та ін.).

Методи абсорбції слугують для технологічного і санітарного очищення газів. Вони засновані на селективній розчинності га-

зо – і пароподібних домішок у рідині (фізична абсорбція) або на виборчому вилученні домішок хімічними реакціями з активним компонентом поглинача (хемосорбція). Очищення абсорбцією – процес безперервний і, як правило, циклічний процес, оскільки поглинання домішок звичайно супроводжується регенерацією поглинального розчину і його поверненням на початок циклу очищення. При фізичній абсорбції (і у деяких хемосорбційних процесах) регенерацію абсорбенту проводять нагріванням і зниженням тиску, у результаті чого відбувається десорбція поглиненої газової домішки і її концентрування (рис. 4.6).

Показники очищення, абсорбції: ступінь очищення (ККД–коефіцієнт корисної дії) і коефіцієнт масопередачі k залежать від розчинності газу в абсорбенті, технологічного режиму у реакторі ( , Т, Р) і від інших чинників, наприклад, від рівноваги і швидкості хімічних реакцій при хемосорбції. У хемосорбційних процесах, де у рідкій фазі відбуваються хімічні реакції, коефіцієнт масопередачі збільшується у порівнянні з фізичною абсорбцією.

Рис. 4.6. Схема установки для абсорбційно – десорб-ційного методу розділення газів: 1−абсорбер; 2−десор-бер; 3−теплообмінник; 4−холодильник

Більшість хемосорбційних процесів газоочищення зворотні, тобто при підвищенні температури поглинального розчину хімічні сполуки, що утворилися при хемосорбції, розкладаються з регенерацією активних компонентів поглинального розчину і з десорбцією поглиненої з газу домішки. Цей прийом покладений в основу регенерації хемосорбентів у циклічних системах газоочищення. Хемосорбція часто застосовується для тонкого очищення газів при порівняно невеликій початковій концентрації домішок.

Як абсорбенти застосовують воду, розчини аміаку, їдких і карбонатних лугів, солей марганцю, етаноламіни, оливи, суспензії гідроксиду кальцію, оксидів марганцю і магнію, сульфат магнію та ін. Очисна апаратура аналогічна вже розглянутій апаратурі мокрого уловлювання аерозолів. Найбільш поширений насадковий скрубер, який використовується для очищення газів від оксиду сірки (IV), сірководню, хлороводню, хлору, оксиду (II) і оксиду (IV) вуглецю, фенолів та ін. У насадкових скруберах швидкість масообмінних процесів мала за малоінтенсивного гідродинамічного режиму цих реакторів, що працюють при швидкості газу _г =0,02 – 0,7 м/с. Об'єми апаратів – великі і установки громіздкі.

Для очищення викидів від газоподібних і пароподібних домішок застосовують і інтенсивну масообміну апаратуру – пінні апарати, безнасадковий абсорбер, форсунки, скрубер Вентурі, що працюють при вищих швидкостях газу. Пінні абсорбери працюють при _г=1 – 4 м/с і забезпечують порівняно високу швидкість абсорбційно – десорбційних процесів; їх габарити у декілька разів менші, ніж насадкових скруберів. При достатньому числі ступенів очищення (багатополичний пінний апарат) досягаються високі показники глибини очищення: (для деяких процесів до 99,9%). Особливо перспективні для очищення газів від аерозолів і шкідливих газоподібних домішок пінні апарати зі стабілізатором пінного шару. Вони порівняно прості за конструкцією і працюють у режимі високої турбулентності при лінійній швидкості газу до 4—5 м/с.

Прикладом безвідходної абсорбційно − десорбційної циклічної схеми може слугувати поглинання оксиду вуглецю (IV) з газів, що відходять, розчинами моноетаноламіну з подальшою регенерацією поглинача при десорбції СО₂. На рис. 4.7 наведена схема абсорбції СО₂ у пінних абсорберах; десорбція СО₂ проводиться також у пінному режимі. Установка безвідходна, тому що чистий оксид вуглецю (IV) після скраплення передається споживачу у вигляді товарного продукту.

Методи абсорбції характеризуються безперервністю і універсальністю процесу, економічністю і можливістю видобування великих кількостей домішок з газів. Недоліки цього методу у тому, що насадкові скрубери, барботажні і навіть пінні апарати забезпечують досить високий ступінь вилучення шкідливих домішок (до ГДК) і повну регенерацію поглиначів лише при великому числі ступенів очищення.

Р ис. 4.7. Схема абсорбцій-

ного очищення га-зів від СО₂ з одер-жанням товарного оксиду вуглецю (IV): 1−холодиль-ник; 2 – повітро-дувка; 3 – пінний абсорбер; 4 – насос; 5 – теплообмінник; 6 – пінний десор-бер; 7 – кип'яти-льник десорбера; I – газ на очищення;

II – вода; III – очище-

ний газ; IV – оксид вуглецю (IV) – споживачу; V – пара

Тому технологічні схеми мокрого очищення, як правило, складні, багатоступінчасті і очисні реактори (особливо скрубери) мають великі об'єми.

Будь-який процес мокрого очищення абсорбцією вихлопних газів від газо− і пароподібних домішок доцільний лише у разі його циклічності і безвідходності. Але і циклічні системи мокрого очищення конкурентоспроможні тільки тоді, коли вони поєднані з пилоочищенням і охолоджуванням газу.

Адсорбційні методи застосовують для різних технологічних цілей – розділення парогазових сумішей на компоненти з виділенням фракцій, осушення газів і для санітарного очищення газових викидів. Останнім часом адсорбційні методи виходять на перший план як надійний засіб захисту атмосфери від токсичних газоподібних речовин, що забезпечує можливість концентрації і утилізації цих речовин. Адсорбційні методи засновані на виборчому вилученні з парогазової суміші певних компонентів за допомогою адсорбентів – твердих високопористих матеріалів, що мають розвинену питому поверхню S_пит. (S_пит. – відношення поверхні до маси, м²/г). Промислові адсорбенти, які найчастіше використовуються у газоочищенні, – це активоване вугілля, силікагель, алюмогель, природні і синтетичні цеоліти (молекулярні сита). Основні вимоги до промислових сорбентів – висока поглинальна здатність, вибірковість дії (селективність), термічна стійкість, тривала служба без зміни структури і властивостей поверхні, можливість легкої регенерації. Найчастіше для санітарного очищення газів застосовують активоване вугілля завдяки його високій поглинальній здатності і легкості регенерації.

Адсорбцію газових домішок звичайно ведуть у поличних реакторах періодичної дії без теплообмінних пристроїв, адсорбент розташований на полицях реактора. Коли необхідний теплообмін (наприклад, потрібно одержати при регенерації десорбат у концентрованому вигляді), використовують адсорбери з вбудованими теплообмінними елементами або виконують реактор у вигляді трубчастих теплообмінників; адсорбент засипають у трубки, а у міжтрубному просторі циркулює теплоносій. Газ, що очищається, проходить адсорбер зі швидкістю 0,05—0,3 м/с. Після очищення адсорбер переключається на регенерацію. Адсорбційна установка, що складається з декількох реакторів, працює у цілому безперервно, оскільки одночасно одні реактори перебувають на стадії очищення, а інші – на стадіях регенерації, охолоджування та ін. (рис. 4.8). Регенерацію проводять нагріванням, наприклад випалюванням органічних речовин, пропусканням гострої або перегрітої пари, повітря, інертного газу (азоту). Іноді адсорбент, що втратив активність (екранований пилом, смолою), повністю замінюють.

Рис. 4.8. Схема адсорбційної газоочисної установки: 1–фільтр; 2, 3–адсорбери; 4–кондесатор; 5–сепаратор; I–газ, що очи-щається; II–очищений газ; III–водяна пара; IV–некон-денсована пара; V– скон-денсований адсорбтив у сховище; VI–водний кон-денсат

Найбільш перспективні безперервні циклічні процеси адсорбційного очищення газів у реакторах з рухомим або зваженим шаром адсорбенту, які характеризуються високими швидкостями газового потоку (на порядок вище, ніж у періодичних реакторах), високою продуктивністю за газом і інтенсивністю роботи.

Загальні переваги адсорбційних методів очищення газів:

– глибоке очищення газів від токсичних домішок;

– порівняльна легкість регенерації цих домішок з перетворенням їх у товарний продукт або поверненням у виробництво; таким чином здійснюється принцип безвідходної технології.

Адсорбційний метод особливо раціональний для видалення токсичних домішок (органічних сполук, пари ртуті та ін.), що містяться у малих концентраціях, тобто як завершуючий етап санітарного очищення газів, що відходять.

Недоліки більшості адсорбційних установок – періодичність процесу і пов'язана з цим мала інтенсивність реакторів, висока вартість періодичної регенерації адсорбентів. Застосування безперервних способів очищення у рухомому і киплячому шарі адсорбенту частково усуває ці недоліки, але вимагає високоміцних промислових сорбентів, розробка яких для більшості процесів ще не завершена.

Каталітичні методи очищення газів засновані на реакціях у присутності твердих каталізаторів, тобто на закономірностях гетерогенного каталізу. У результаті каталітичних реакцій домішки, що знаходяться у газі, перетворюються на інші сполуки, тобто на відміну від розглянутих методів домішки не вилучаються з газу, а трансформуються у нешкідливі сполуки, присутність яких допустима у вихлопному газі, або у сполуки, що легко видаляються з газового потоку. Якщо речовини, що утворилися, підлягають видаленню, то потрібні додаткові операції (наприклад, вилучення рідкими або твердими сорбентами).

Важко провести межу між адсорбційними і каталітичними методами газоочищення, оскільки такі традиційні адсорбенти, як активоване вугілля, цеоліти, служать активними каталізаторами для багатьох хімічних реакцій. Очищення газів на адсорбентах–каталізаторах називають адсорбційно–каталітичним. Цей прийом очищення вихлопних газів дуже перспективний зважаючи на високу ефективність очищення від домішок і можливості очищати великі об'єми газів, що містять мало домішок (наприклад, 0,1—0,2 об'ємних часток SО₂). Але методи утилізації сполук, одержаних при каталізі, інші, ніж в адсорбційних процесах.

Адсорбційно–каталітичні методи застосовують для очищення промислових викидів від оксиду сірки (IV), сірководню і сіркоорганічних сполук. Каталізатором окиснення оксиду сірки (IV) у оксид (VI) і сірководню у сірку слугує модифіковане добавками активоване вугілля і інші вуглецеві сорбенти. У присутності парів води на поверхні вугілля у результаті окиснення SO₂ утворюється сульфатна кислота, концентрація якої в адсорбенті складає залежно від кількості водяної пари при регенерації вугілля від 15 до 70%.

Схема каталітичного окислення H₂S у зваженому шарі високоміцного активного вугілля наведена на рис.4.9. Окиснення H₂S відбувається за реакцією:

H₂S + 0,5O₂=Н₂О+S

Рис. 4.9. Схема каталітичного

очищення газу від сірководню

у зваженому шарі активова-

ного вугілля: 1–циклон-пило-

вловлювач; 2–реактор зі зва-

женим шаром; 3–бункер з жи-

вильником; 4–сушильна камера;

5–елеватор; 6–реактор промива

ння каталізатора (шнек); 7–реак

тор екстракції сірки (шнек–роз-

чинник); I–газ на очищення; II–повітря з добавкою NH₃; III–розчин (NH₄)₂S_n на регенерацію;

IV–розчин (NH₄)₂S; V–регенеро-

ване вугілля; VI–свіже активо-

ване вугілля; VII––очище-

ний газ; VIII–промивні води

Активаторами цієї каталітичної реакції слугують водяна па-ра і аміак, що додаються до газу, що очищається, у кількості

~0,2 г/м³.

Активність каталізатора знижується у міру заповнення його пор сіркою і коли маса сірки досягає 70—80% від маси вугілля, каталізатор регенерують промиванням розчином (NH₄)₂S_n. Промивний розчин полісульфіду амонію розкладають гострою парою з одержанням рідкої сірки.

Представляє великий інтерес очищення димових газів ТЕЦ або інших газів, що відходять, і містять SO₂ (з концентрацією 1—2% SО₂), у зваженому шарі високоміцного активного вугілля з одержанням як товарного продукту сульфатної кислоти і сірки.

Іншим прикладом адсорбційно–каталітичного методу може слугувати очищення газів від сірководню окисненням на активованому вугіллі або на цеолітах у зваженому шарі адсорбенту – каталізатора.

Широко поширений спосіб каталітичного окиснення токсичних органічних сполук і оксиду вуглецю у складі газів, що відходять, з застосуванням активних каталізаторів, які не потребують високої температури запалення, наприклад металів групи платини, нанесених на носії.

У промисловості застосовують також каталітичне відновлення і гідрування токсичних домішок у вихлопних газах. На селективних каталізаторах гідрують СО до СН₄ і H₂O, оксиди азоту – до N₂ і Н₂О тощо. Застосовують відновлення оксидів азоту в елементарний азот на паладієвому або платиновому каталізаторах.

Каталітичні методи одержують все більше розповсюдження завдяки глибокому очищенню газів від токсичних домішок (до 99,9%) при порівняно невисоких температурах і звичайному тиску, а також при дуже малих початкових концентраціях домішок. Каталітичні методи дозволяють утилізувати реакційну теплоту, тобто створювати енерготехнологічні системи. Установки каталітичного очищення прості в експлуатації і малогабаритні.

Недоліки багатьох процесів каталітичного очищення – утворення нових речовин, які підлягають видаленню з газу іншими методами (абсорбція, адсорбція), що ускладнює установку і знижує загальний економічний ефект.

Термічні методи знешкодження газових викидів застосовують при високій концентрації горючих органічних забруднювачів або оксиду вуглецю. Простий метод – факельне спалювання можливий, коли концентрація горючих забруднювачів близька до нижньої межі займання. У цьому випадку домішки слугують паливом, температура процесу 750—900 °С і теплоту горіння домішок можна утилізувати.

Коли концентрація горючих домішок менше нижньої межі займання, то необхідно підводити деяку кількість теплоти ззовні. Найчастіше теплоту підводять добавкою горючого газу і його спалюванням у газі, що очищається.. Горючі гази проходять систему утилізації теплоти і викидаються в атмосферу. Такі енерготехнологічні схеми застосовують при достатньо високому вмісті горючих домішок, інакше зростає витрата горючого газу, що додається.

Для повноцінного очищення газових викидів доцільні комбіновані методи, в яких застосовується оптимальне для кожного конкретного випадку поєднання грубого, середнього і тонкого очищення газів і пари. На перших стадіях, коли вміст токсичної домішки великий, більш підходять методи абсорбції, а для доочищення – адсорбційні або каталітичні.

Найбільш надійним і найекономічнішим способом охорони біосфери від шкідливих газових викидів є перехід до безвідходного виробництва.