Каталитическая очистка отходящих газов. Методы очистки и применяемое оборудование

Ежегодно крупные и мелкие промышленные предприятия металлургической, химической, энергетической, нефтеперерабатывающей промышленности выбрасывают в атмосферу миллионы тонн загрязнений. Вредные и опасные вещества негативно влияют на человека, животных, растения, отравляют почву и водоемы, вызывают заболевания и ухудшают здоровье. Наличие на предприятиях систем очистки отходящих газов является обязательным условием, а количество предельно-допустимых выбросов (ПДВ) и значения предельно-допустимой концентрации (ПДК) установлены на законодательном уровне и регламентируются Федеральным законом от 10 января 2002 года N 7-ФЗ "Об охране окружающей среды". Превышения ПДК и ПДВ приводит к крупным штрафам для предприятия, а повторные нарушения могут стать причиной временной или полной остановки производства.

Одним из самых эффективных способов сокращения вредных веществ в отходящих газах является каталитическая очистка выбросов. Принцип этого способа заключается в обеспечении химического превращения загрязнений в безвредные или маловредные вещества под воздействием специальных катализаторов. Каталитическая очистка газовых выбросов применяется к широкому спектру загрязнений, к которым относятся не только многочисленные летучие органические соединения, образующиеся на металлургических, химических и нефтеперерабатывающих предприятиях, но и к дурнопахнущим веществам и выхлопным газам, выбрасываемым очистными сооружениями и установками в энергетической сфере. Способ применяется для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода, органических соединений и примесей.

Каталитические методы очистки газовых выбросов

Существует несколько способов очистки отходящих промышленных газов с помощью катализаторов, которые различаются по процессу, вида используемых каталитических веществ и химического состава загрязнений. Наибольшее распространение получили следующие каталитические методы очистка газов:

• пиролюзитный;
• озонокаталитический;
• жидкостно-контактный;
• радикально-каталитический.

Выбор метода и соответствующего оборудования зависит от конкретных условий производства, вида, химического состава и свойств загрязнений, экологической и финансовой составляющей процесса очистки.

Основой пиролюзитной каталитической очистки газовых выбросов в атмосферу является окисление сернистого соединения SO₂ кислородом в жидкой фазе с применением катализатора MnO₂ (пиролюзита). Метод широко применяется для получения серной кислоты. Озонокаталитический способ является разновидностью пиролюзитного, отличие заключается в том, что окисление двухвалентного и трехвалентного марганца происходит в озоновоздушной газовой смеси. Жидкостно-контактный способ заключается в поглощении сернистого ангидрида SO₂, находящегося в отходящей газовой смеси, с помощью суспензии CaCO₃ с образованием безвредных соединений сульфата кальция СаSO₃ и двуокиси углерода CO₂.

Для создания эффективного процесса каталитической очистки отходящих газов применяемый катализатор должен обладать определенными свойствами:

• высокой селективностью и активностью к обезвреживаемому веществу;
• пористой структурой;
• физической прочностью;
• стойкостью к образующимся каталитическим ядам;
• работой в широком интервале температур;
• стойкостью к высокой температуре;
• небольшим гидравлическим сопротивлением;
• небольшой температурой зажигания;
• низкой стоимостью.

Катализаторы очистки газовых выбросов представляют собой смесь каталитически активного вещества, носителя и активатора. Основой катализатора является активное вещество, в качестве которого применяются металлы, оксиды металлов или широкий спектр химических соединений. Основными материалами являются палладий, платиновые металлы, родий, рутений, сплавы никеля, хрома, ванадия, цинка, меди.

В результате проходящих каталитических реакций вредные и опасные соединения трансформируются в другие вещества, которые не опасны для человека и окружающей среды. Для удаления образовавшихся веществ необходимо проводить дополнительные процессы в виде извлечения твердыми или жидкими сорбентами.

Достоинства и оборудование каталитической очистки газов

Каталитическим методам очистки промышленных отходящих газов от вредных примесей характерны определенные преимущества:

• высокая универсальность, позволяющая очищать атмосферу от широкого спектра загрязнений, в том числе, летучие органические соединения, продукты неполного сгорания топлива, стиролы, альдегиды, кетоны, растворители;
• невысокая металлоемкость;
• простота процесса;
• легкость автоматизации процесса;
• компактность используемых аппаратов;
• возможность очищать газы с содержанием большого количества компонентов;
• высокая эффективность очистки;
• отсутствие образования сточных вод.

При очистке отходящих газовых потоков каталитическим методом основными расходами являются затраты на катализатор и теплообменник. Процесс очистки в промышленном масштабе может быть осуществлен в совмещенных или полусовмещенных устройствах.

Согласно классификации аппаратов для очистки газов устройства каталитического типа по конструктивным признакам делятся на несколько групп:

• тип К - каталитические реакторы с отдельным корпусом для твердого катализатора, где происходит контакт с газовым потоком;
• тип СТК – термокаталитические реакторы, контактный узел и подогреватель которых находятся в общем корпусе;
• тип КВ – рекуператор совмещен с контактной зоной;
• тип ТКВ – аппараты со встроенным регенератором.

Наибольшее распространение в промышленной сфере получили полочные, радиальные и горизонтальные реакторы.

Используемые аппараты, по способу взаимодействия очищаемого газа с веществом катализатора, делятся на три группы:

• реакторы с фильтрующим слоем катализатора (емкостные, трубчатые и полочные), в которых очищение происходит при прохождении газового потока через неподвижный слой катализатора;
• реакторы со взвешенным слоем катализатора, в которых каждая гранула катализатора имеет максимальный контакт с проходящим газовым потоком;
• реакторы с пылевидным катализатором, применяются для окисления и удаления диоксида серы, окиси углерода, органических соединений.