учебник основы экологии

При которых обеспечивается рентабельность адсорбционной установки

Растворитель	Концентрация в ПВС, г/м³	Растворитель	Концентрация в ПВС, г/м³
Бензин	2,0	Трихлорэтилен	1,8
Бензол	2,0	Метиленхлорид	2,0
Толуол	2,0	Четыреххлористый углерод	4,5
Ксилол	2,1	Ацетон	3,0
Метилацетат	1,8	Сероуглерод	1,5
Этанол	1,8	Бутилацетат	1,5

Как видно из таблицы, практически для всех хорошо адсорбируемых веществ минимальная концентрация составляет примерно 2,0 г/м³. Однако в данном случае не учитывается экологическая сторона, т.е. влияние выбрасываемых веществ на окружающую среду. Многие компоненты, включая толуол, ксилол, бензол, четыреххлористый углерод, сероуглерод обладают канцерогенными, мутагенными и другими опасными свойствами. Поэтому использование адсорбционных установок оказывается целесообразным при любых концентрациях этих веществ в ПВС.

Эффективность применения адсорбционных установок для очистки паро-воздушных смесей определяется также материальными и энергетическими за-

тратами на 1 т выделяемого компонента. Анализ работы отечественных и за-

рубежных промышленных установок рекуперации растворителей показывает, что на 1 т получаемого растворителя необходимо: водяного пара – 2-8 т; охлаждающей воды – 25-200 м³; электроэнергии – 50-1000 кВтч и активного угля – 0,22-2,5 кг.

В технике очистки и рекуперации наряду с другими методами для улавливания паров летучих растворителей применяют 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. Достоинством метода является простота аппаратурного оформления и эксплуатации рекуперационной установки. Однако проведение процесса очистки паровоздушных смесей методом конденсации осложняется, 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 растворителей (выход обычно не превышает 70-90%). Метод конденсации является рентабельным лишь при содержании паров растворителя в подвергаемом очистке потоке более 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.

Обезвреживание газовоздушных выбросов. Если концентрация примесей в газовоздушных выбросах незначительна (десятки миллиграммов на кубометр), улавливание их экономически и технически нецелесообразно. В этих случаях необходимо использовать различные приемы обезвреживания.

Одним из современных способов обезвреживания газовоздушных выбро-

сов с низкими концентрациями органических соединений, диоксида азота, оксида углерода, неприятнопахнущих соединений является каталитический,

при котором происходит глубокое их окисление до углекислого газа и воды.

Каталитическое обезвреживание основано на каталитических реакциях, в результате которых находящиеся в газе вредные примеси окисляются и превращаются в другие соединения, безвредные или менее вредные, или же легко удаляющиеся из среды. Степень их конверсии может достигать 99,9%.

Катализаторами служат платина, палладий, рутений, а также более дешевые, но менее эффективные никель, хром, железо, медь. В качестве восстановителей применяют метан, водород, оксид углерода, природный и нефтяной газы и др. Любой из этих газов не должен содержать примесей сернистых соединений, вызывающих отравление катализатора. В качестве носителей для катализаторов используют оксид алюминия, силикагель, керамику и другие материалы.

При использовании в качестве катализатора платины, палладия или родия обеспечивается высокая степень конверсии: остаточное содержание оксидов

азота не превышает 5-10^-4 об. % при больших объемах перерабатываемого газа.

При применении других, более дешевых катализаторов степень обезвреживания, а также скорость процесса оказываются меньшими.

Термический метод обезвреживания получил более широкое распространение, т.к. некоторые вредные примеси трудно или невозможно полностью нейтрализовать другими методами из-за сложности их состава, низкой концентрации, а также из-за отсутствия эффективных средств улавливания. Он заключается в том, что все органические вещества полностью окисляются кислородом воздуха при высокой температуре до нетоксичных соединений. В результате выделяются минеральные продукты, вода, диоксид углерода, а также теплота, которые требуют дальнейшей их утилизации.

Метод термического окисления (дожига) органических веществ, содержащихся в отходящих газах, относится к энергоемким. Для поддержания необходимой температуры обезвреживания отходящих газов (800-1200°С) используется высококалорийное топливо, поэтому преимущественно этот способ применяется для обезвреживания газов сложного состава и в тех случаях, когда возврат уловленных примесей в производство экономически нерентабелен.

Наиболее экономичным приемом термического обезвреживания газов из

выбросов является их использование вместо дутьевого воздуха при сжигании

высококалорийного топлива (природного газа, мазута) в действующих тепловых агрегатах, таких как печи, сушилки, топки и т.д. При этом для обеспечения надежного и качественного горения минимальное содержание кислорода в газовых выбросах должно быть около 17%.

К преимуществам термического метода обезвреживания отходящих газов

относятся: отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты установок, простота обслуживания, высокая эффективность, возможность обезвреживания горючих выбросов сложного состава.

Метод дожига углеводородов получает все большее распространение. На-

коплен опыт термического обезвреживания воздуха, содержащего примеси стирола, формальдегида, толуола, бутилацетата и других органических веществ. Степень окисления последних составляет 99%.

С целью снижения затрат отходящие газы чаще всего сжигаются совместно с твердыми отходами, в результате чего упрощается проблема утилизации промышленных отходов в целом, а также резко снижаются энергетические и эксплуатационные затраты. С помощью современных установок термодожига можно обеспечить полную безвредность и высокую производительность этого процесса.

Одним из таких устройств является установка типа «Вихрь» для бездымно-

го сжигания нефтепродуктов, подлежащих вторичному использованию. В этой установке совмещены функции обезвреживания газов и сжигания отходов. По простоте конструкции, надежности в работе, высокому КПД и возможности подключения теплообменников для утилизации теплоты установка «Вихрь» значительно превосходит другие агрегаты аналогичного назначения.

С целью снижения температуры обезвреживания органических примесей применяют установки сжигания, где в качестве инициатора окисления используются различные катализаторы. Тем самым достигается снижение температуры обезвреживания более чем в два раза и обеспечивается возможность нейтрализации газов с низким содержанием вредных примесей.

Особенность установки термокаталитического обезвреживания в том, что затраты энергии необходимы только в момент пуска, т.е. когда требуется подогреть газовый поток до начальной температуры каталитического окисления (300-400°С). Затем процесс протекает самопроизвольно за счет теплоты реакции окисления.

Термокаталитическое дожигание органических веществ до диоксида угле-

рода и воды применяют в тех случаях, когда отходящие газы представляют

собой многокомпонентную смесь различных органических веществ. В настоящее время разработаны типовые схемы обезвреживания выбросов от сушильных камер путем сжигания паров растворителей на поверхности катализатора. Внедрение схем, предусматривающих последующую утилизацию теплоты, позволяет достичь сокращения расхода теплоносителей не менее чем на 20% (при сжигании паров с низким содержанием горючего компонента).

Дезодорация неприятнопахнущих выбросов (НПВ), как правило, проводится для устранения запаха газовых потоков, содержащих примеси органических и неорганических веществ. Концентрация этих примесей в большинстве случаев ниже предельно допустимых значений, т.е. выбросы являются «чистыми» с точки зрения санитарных норм. Однако наличие запаха не позволяет выбрасывать такие отходящие газы в атмосферу без дополнительной обработки. Установки дезодорации, предназначенные для доочистки выбросов, снижают уровень загрязнения атмосферного воздуха одорантами.

Чаще всего для обеззараживания газовоздушных потоков используют те же методы и устройства, что и для дезодорации, поэтому в дальнейшем эти процессы рассматриваются совместно.

Для дезодорации и обеззараживания неприятнопахнущих выбросов (НПВ)

в промышленности используют все вышеперечисленные методы термического

и термокаталитического дожигания, абсорбции, адсорбции, химического и биохимического окисления, а также различные их сочетания. Содержание в ГВВ химических производств одорантов различной химической природы создает определенные трудности при выборе методов дезодорации.

Термические и термокаталитические методы дезодорации применяются в основном при дезодорации газов, содержащих низкокипящие органические вещества, т.к. содержание высокомолекулярных и высококипящих органических соединений может привести к закоксовыванию поверхности катализатора продуктами их окисления. Кроме того, при неполном окислении высокомолекулярных веществ могут образовываться новые одоранты, обладающие еще более неприятным запахом, чем исходные вещества.

При термокаталитических методах дезодорации следует учитывать возможность отравления катализатора различными ядами (например, хлорорганическими соединениями). Присутствие в отходящих газах азот - и серосодержащих соединений может привести к образованию токсичных веществ.

Анализ имеющихся данных об использовании термокаталитического метода дезодорации с учетом указанных достоинств и недостатков позволяет рекомендовать его для обработки небольших по расходу ГВВ (до 10 тыс. м³/ч).

Перспективным комбинированным методом устранения запахов ГВВ является биосорбционная дезодорация – сочетание адсорбции одорантов различными сорбентами с последующим их биохимическим окислением микроорганизмами, образующими биопленку на поверхности сорбента.

В качестве сорбентов используют торф, древесные опилки, шлам от очистных установок, компост, песок, камни, кокс, пластмассы, антрацит, активированный уголь и т.д.

Выбор вида микроорганизмов зависит от состава очищаемого газа. Так,

при наличии в ГВВ значительных количеств аммиака используются бактерии-денитрификаторы, а серосодержащих соединений – бактерии-десульфаторы.

Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в среде должны присутствовать соединения, содержащие углерод, фосфор, азот в соотношении

100:1:5, а также кальций, магний, железо и другие элементы. Показатель кислотности среды рН поддерживается на уровне 6-8, концентрация кислорода – 0,5-1,0 мг/л. При этом в качестве источника углерода используются соединения, содержащиеся в ГВВ. Температура ведения процесса должна быть оптимальной для жизнедеятельности выбранного вида микроорганизмов. Для обработки ГВВ могут быть применены аппараты как с фиксированным, так и с кипящим слоем носителя.

Особенно широкое распространение получили биофильтры, снабженные

носителем с фиксированными микроорганизмами, в которых периодически производится увлажнение носителя и подпитка микроорганизмов.

Опыт эксплуатации в Германии 100 биологических фильтров производительностью 1-30 тыс. м³/ч свидетельствует о возможности их применения для дезодорации ГВВ различного состава. Преимущества биосорбционного метода – универсальность, незначительные затраты, высокая эффективность.

Дезодорацию путем обычного биохимического окисления можно проводить в различных абсорберах. При биохимической дезодорации примесей в абсорбционной колонне суспензию аэробных бактерий помещают на тарелки, либо на элементы насадки, над которыми расположены распылители, подающие питательный раствор и абсорбент.

Абсорбционно-окислительные методы дезодорации и обеззараживания основаны на поглощении газов водой или другими поглотителями. Они нашли

самое широкое применение на предприятиях химической и микробиологичес-

кой промышленности. Для этого может использоваться абсорбционное оборудование различных видов, рассмотренное ранее.

Для повышения эффективности абсорбционного метода в качестве абсор-бента используют растворы многих окислителей: перманганата калия, пероксида водорода, гипохлоритов натрия и кальция, галогенсодержащих соединений, кислот, а также кислород, озон и некоторые другие. Процесс обеззараживания и дезодорации перманганатом калия или гипохлоритом натрия проводится при рН  6. Недостатками метода являются высокая стоимость окислителя, а также необходимость дополнительной обработки сточных вод для удаления диоксида марганца.

В некоторых случаях для дезодорации и обеззараживания газовоздушных выбросов используют комбинированные методы. Например, после обработки отходящих газов водными растворами, включающими соли бромистой или йодистой кислоты с одновременной обработкой ультрафиолетовым излучением, запах не ощущается. Мощность УФ излучения для газа, содержащего НПВ с концентрацией 1 г/м³, должна быть не менее 0,1 Вт/м³ч^-1.

Широкое применение в качестве окислителей находят гипохлориты – соли хлорноватистой кислоты, которые можно достаточно легко получать электрохимическим превращением насыщенного раствора хлорида натрия (поваренной соли) прямо на месте дезодорации. Обычно электролизер с одной стороны соединяется трубопроводами с емкостью насыщенного раствора хлорида, с другой – с циркуляционной системой орошения абсорбера. Такая схема обвязки позволяет избежать образования загрязненных сточных вод. Дезодорация осуществляется путем подачи отходящих газов в промывную колонну, орошаемую раствором гипохлорита натрия. Величина рН поддерживается на уровне 10-11. Эффективность дезодорации достигает 99,9%.

Существуют схемы дезодорации с использованием нескольких окислителей. Например, очищаемый газ подают в вертикальную полую башню через два ряда эжекторов. В первом ряду подают серную или соляную кислоты с концентрацией 0,5-5,0%, во втором – гипохлорит натрия с концентрацией 100-1000 г/м³. Время контакта ГВВ с окислителем около 5 секунд при удельном расходе жидких реагентов 0,0012-0,12 л/м³ очищаемого газа и размере капель жидкости менее 10 мкм. Для нейтрализации образующихся кислот и предотвращения накопления ионов хлора рекомендуется вести процесс дезодорации при щелочных значениях рН.

Эффективность дезодорации и обеззараживания ГВВ гипохлоритом натрия повышается путем предварительной обработки очищаемых газов кислотами с последующей промывкой выбросов щелочами, а также при использовании катализаторов на основе оксида цинка. Этот метод наиболее рационально может быть применен для дезодорации ГВВ с повышенной температурой. При этом отходящие газы и раствор гипохлорита натрия с концентрацией 100-500 г/м³ подают прямотоком в верхнюю часть колонны. Параметры процесса выбирают так, чтобы при испарении воды капли не исчезали, но их диаметр был меньше 10 мкм. Рекомендуемое время контакта около 10 с. После испарения части воды концентрация ее в газовом потоке должна быть в пределах 0,001-0,1 кг/м³. Если ГВВ содержат высококипящие НПВ, газ первоначально направляется в конденсатор, а затем в колонну дезодорации. Концентрация гипохлорита натрия, подаваемого на орошение, составляет 0,1-0,5 кг/м³.

Для проведения совместного процесса дезодорации и обеззараживания в некоторых случаях используют хлор, однако при этом следует учитывать, что

на эффективность процесса отрицательно влияет присутствие в выбросах нефтепродуктов, СПАВ, жирных кислот и спиртов, а также сочетание много- и одноатомных фенолов, что приводит к образованию хлорпроизводных соединений.

Одним из наиболее эффективных средств дезодорации и обеззараживания

является озон. Метод озонирования имеет целый ряд преимуществ: высокая

окислительная активность по отношению к спиртам, нефтепродуктам, фенолам и другим сложным соединениям; доступность сырья (кислород воздуха) для получения озона, технологическая гибкость и незначительный расход кислорода. Процесс дезодорации в этом случае можно рассматривать как суммарный эффект окисления органических веществ и маскировки запаха НПВ.

Процесс дезодорации и обеззараживания ГВВ озоном осуществляют в газовой или жидкой фазах. Окисление НПВ в газовой фазе обычно проводят при низкой их концентрации в выбросах. В этом случае озон вводится во всасывающую линию газового тракта. При интенсивном перемешивании озона с ГВВ в вентиляторе (дымососе) эффективность дезодорации значительно повышается. На крупнейшей в США установке по дезодорации и обеззараживанию га-

зов от аэротенков концентрация озона в озоно-воздушной смеси составляет 1%.

Время контакта НПВ с озоном 15-25 с. Недостатками метода газофазной дезодорации являются низкая степень использования озона и необходимость в длительном времени контакта.

Абсорбционно-окислительный метод дезодорации и обеззараживания позволяет сократить время контакта ГВВ и окислителя с 30 до 3 с и снизить удельный расход озона. При этом для эффективной дезодорации и обеззараживания ГВВ необходима концентрация озона в жидкости 0,45-1,0 г/м³.

В качестве примера на рис.7.1. представлена принципиальная схема установки дезодорации и обеззараживания ГВВ, разработанной в БГТУ под руководством одного из авторов и внедренной на ряде предприятий республики и СНГ.

Рис. 7.1. Принципиальная схема установки дезодорации НПВ озоном

Данная установка включает газофазный реактор 1, насос 2, абсорбер 3.

Абсорбер представляет собой аппарат насадочного типа, в верхней части которого установлен центробежный распылитель.В качестве насадки используются керамические кольца Рашига 50х50х5 мм, с высотой слоя насадки 2000 мм. Насадка загружается на опорную решетку с диаметром отверстий 30 мм. В центре аппарата имеется полое цилиндрическое пространство. На расстоянии 350 мм над насадкой расположены форсунки для распыления жидкости.

Установка работает следующим образом. Газовоздушный поток и озоно-

воздушная смесь поступают из озононаторной в газоход со встроенным завихрителем, где происходит их интенсивное перемешивание. Затем поток поступает в газофазный реактор, представляющий собой вертикальный цилиндрический аппарат, в котором происходит окисление органических веществ в газовой фазе. Время контакта – 5-6 с. Газовоздушный поток с частично окисленными НПВ и остаточным озоном после газофазного реактора направляется по газоходу в абсорбер, орошаемый технической водой. В верхней части аппарата происходит перемешивание воздуха, содержащего озон, с тонкодиспергированными каплями жидкости. Затем газожидкостная смесь поступает прямотоком на насадку, где происходит доулавливание НПВ и их окисление озоном в жидкой фазе. Кроме того, в жидкой фазе в зоне насадки происходит доулавливание непрореагировавшего озона.

В установке предусмотрена подача озоно-воздушной смеси в газоход перед абсорбером. Образующиеся сточные воды частично возвращаются в аппарат, а частично поступают на систему биологической очистки. Основные характеристики установки приведены в табл. 7.6.

Таблица 7.6. Технико-экономические показатели установки

Расход ГВВ на установку, м³/ч	15800
Влажность ГВВ, %	100
Температура ГВВ, °С	40-55
Габариты газофазного реактора, мм:
высота	6600
диаметр	2000
Габариты абсорбера, мм:
высота	6000
диаметр	1500
Расход технической воды на орошение абсорбера, м³/ч	6
Удельный расход озона на 1 м³ГВВ, г	0,02

По сравнению с водой бóльшей эффективностью обладают абсорбенты на основе водных растворов кислот, щелочей, перекиси водорода, бромидов щелочных металлов.

Жидкофазное окисление озоном НПВ может использоваться как вторая ступень дезодорации после газофазного окисления, что предотвращает выброс в атмосферу непрореагировавшего озона и недоокисленных органических соединений.

В некоторых случаях целесообразно использовать адсорбционно-окислительную дезодорацию ГВВ, которая проводится на твердых поглотителях с помощью озона. В качестве адсорбентов применяются активированный уголь, цеолиты, силикагели. Для повышения эффективности их пропитывают различными окислителями – перманганатами, гипохлоритами, перекисями и др.

В последние годы начали успешно использовать для обеззараживания и дезодорации ГВВ и другие окислители, например, смесь 10% раствора сульфита натрия с 1% раствором хлоргидрата гидроксиламина. Образующиеся после очистки сточные воды аэрируют воздухом и подают обратно в абсорбер.

Предложено дезодорацию НПВ проводить оксидом, гидроксидом, хлоридом или сульфатом железа в концентрации 0,1-50,0 г/л. Водный раствор соединений железа циркулирует в замкнутой системе абсорбер–насос–аэратор–абсорбер. В аэраторе абсорбент насыщается воздухом и доводится до температуры, оптимальной для процесса дезодорации и обеззараживания ГВВ.

Содержание