7.2. Термическая нейтрализация

Метод термической нейтрализации основан на способности горючих токсичных компонентов (газы, пары, сильно пахнущие вещества) окисляться до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газовой смеси. Этот метод используется в тех случаях, когда объемы выбросов велики, а концентрации загрязняющих веществ больше 1/300·10⁶ массовых долей.

Методы термической нейтрализации вредных примесей имеют следующие преимущества перед методами адсорбции и абсорбции. Во-первых: отсутствие шламового хозяйства (т. е. аппаратных средств удаления шлама); во-вторых: небольшие габариты очистных установок и простота их обслуживания (в том числе, в ряде случаев, возможна их пожарная автоматизация); в-третьих: высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки, и т.д.

В виду того что область изменения метода термической нейтрализации вредных примесей ограничивается характером образующихся при окислении продуктов реакции, необходимо отметить существенный недостаток этого метода: так, при сжигании газов, содержащих фосфор, галогены, серу, обра- зуются соединения, по токсичности во много раз превышающие исходный газовый выброс. Исходя из этого метод термического обезвреживания применим для выбросов, включающих токсичные компоненты органического происхождения, но не содержащие галогены (F, Cl, Br, I), серу и фосфор.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов:

− прямое сжигание в пламени;

− термическое окисление;

− каталическое сжигание.

Метод прямого сжигания (огневое обезвреживание). Прямое сжигание используют в тех случаях, когда отходящие газы (т.е. выбросы) обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для процесса горения, который происходит при температурах 600…800 °C. Из экономических соображений этот вклад, как правило, не превышает 50 % общей теплоты сгорания. При выборе устройств прямого сжигания необходимо учитывать пределы взрываемости или воспламеняемости сжигаемых отходов и газообразного топлива в смесях с воздухом. По этим данным заключают − будет ли данный вид газообразных отходов поддерживать горение без дополнительного подвода топлива.

Одной из проблем, ограничивающих применение метода прямого сжигания, является то, что при наличии достаточного избытка воздуха и длительного выдерживания газа при высокой температуре (~1300 °C) происходит образование оксидов азота.

Тем самым процесс сжигания, обезвреживая загрязняющие вещества одного типа, становится источником загрязняющих веществ другого типа.

В качестве примера процесса прямого сжигания является сжигание углеводородов, содержащих токсичные газы (например, цианистый водород), непосредственно в факеле, т.е. просто в открытой горелке, направленной вертикально вверх. Факел применяют главным образом для сжигания горючих отходов, с трудом поддающихся другим видам обработки.

Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очист-ки 0,90…0,99, если время пребывания загрязняющих веществ в высокотемпературной зоне составляет не менее 0,5 с, а температура обезвреживания газов:

− содержащих углеводороды – не менее 500…650 °C;

− содержащих оксид углерода – не менее 660…750 °C.

В ряде случаев применяют метод прямого сжигания вредных примесей в замкнутой камере – так называемые камерные дожигатели, которые используются, например, для удаления органических отходов из лакокрасочных цехов. Основное конструктивное требование к таким камерам – обеспечение высокой турбулентности газового потока в пределах 0,2…0,7 с.

Термическое окисление. Термическим называется окисление компонентов выбросов при высокой (800…1000 °C) температуре, которое может применяться в отношении как газов (паров), так и горючих компонентов дисперсной фазы аэрозолей (смол, масел, летучих растворителей и др.).

Термическое окисление применяют:

− либо когда отходящие газы (выбросы) имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода;

­− либо когда концентрация горючих примесей в газовой смеси низка, и они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

На рисунке 7.8 представлена принципиальная схема установки термического окисления (обезвреживания) выбросов. Важнейшие факторы, которые должны учитываться при проектировании таких установок – время, температура и турбулентность. Время в аппарате должно быть достаточным для полного сгорания горючих компонентов (обычно оно составляет 0,3…0,8 с). Турбулентность характеризует степень механического перемешивания, необходимого для обеспечения эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Рабочие температуры зависят от характера горючих примесей: например, при окислении углеводородов рациональный температурный интервал составляет 500…760 °C; при окислении оксида углерода – 680 – 800 °C; при устранении запа- хов – 480…680 °C.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит с подмешиванием свежего воздуха. Наример: 1) дожигание продуктов неполного сгорания (СО и C_nH_m) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха; 2) дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей.

Если температура отходящих газов недостаточна для протекания процесса окисления, то, как правило, поток отходящих газов подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабочую зону, в которой сжигают природный или какой-нибудь другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температур, превышающих точки их самовоспламенения, и они сгорают под действием кислорода, обычно присутствующего в потоке загрязненного газа. При недостатке кислорода его вводят в поток отходящих газов при помощи воздуходувки, энжектирования или вентиляторов.

На рисунке 7.9 схематически представлено устройство для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных низкотемпературных газовых выбросов. Загрязненный отходящий газ через входной патрубок 1 и полость теплообменника-подогревателя 2 поступает в полость коллектора 4 горелки 3, где происходит процесс сжигания в кислороде присутствующего в потоке загрязненного газа. Процесс догорания хвостовой части факела происходит в камере смешения 5, где необходимая турбулизация газового потока обеспечивается перегородками камеры. Выходящие из патрубка 6 газы могут либо выбрасываться непосредственно в атмосферу, либо пропускаться через дополнительный теплообменник с целью рекуперации теплоты горячих газов.

Основное преимущество термического окисления – относительно невысокие температуры процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и избежать значительного образования оксидов азота.

Термокаталитическое обезвреживание. Термокаталитическим называется окисление вредных компонентов отходящих газов при относительно невысокой температуре (250…500 °C) в присутствиикатализатора(рис. 7.10).

Таким образом, каталитический метод используют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов.

Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищенном газе, или со специально добавленным в смесь веществом, которое и является катализатором. Катализатор, взаимодействуя с одним из реагирующих соединений, образует промежуточное вещество, которое распадается (с образованием продукта регенерированного катализатора). Каталитическое окисление выгодно отличается от термического: во-первых, кратковременностью протекания процесса, что позволяет резко уменьшить габариты реактора; во-вторых, необходимая температура для осуществления реакции окисления органических газов и паров с кислородом также снижена (до 300…400 °C) по сравнению с термическим окислением.

Методы подбора катализатора, как правило, базируются на эмпирических или полуэмпирических способах. Основной критерий выбора катализаторов – их активность и долговечность.