Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для очистки дымовых газов промышленных объектов, в которых присутствует выброс в атмосферу продуктов горения, в частности, для улавливания из дымовых газов загрязняющих веществ, таких как NO_x, SO₂, СО, СО₂ и твердых частиц.

Способ разработан для объектов и установок, для которых характерно образование дымовых газов с достаточно низким содержанием токсичных веществ, например, дизельных электростанций, устройств сжигания природного газа, бытовых котлов и т.п.

Дымовые газы от сжигания жидкого или газообразного топлива в общем случае представляют собой газовую смесь, содержащую оксиды углерода СО и СО₂, оксиды азота (II, IV), диоксид серы, частицы сажи, пыль.

Наиболее опасными веществами в выбросах дымовых газов являются оксид углерода СО и оксиды азота и серы.

Оксид углерода СО чрезвычайно токсичен, переносится на большие расстояния от источников выброса, долго может находиться в неизменном виде в приземном слое атмосферы. Основная опасность СО для животных и человека обусловлена его способностью связываться с гемоглобином крови легче, чем кислород. Сернистый газ SO₂ в атмосфере постепенно окисляется до серного ангидрида, а последний при взаимодействии с водой образует серную кислоту. Из атмосферы сернистый газ и продукты его химических превращений вымываются с осадками, поступая в водоемы, почву. Оксиды азота в атмосфере также образуют химически агрессивные кислоты. Большая токсичность этих веществ обусловливает необходимость тщательной очистки от них промышленных газов, выбрасываемых в атмосферу.

Способов очистки дымовых газов существует множество, они представлены в различных вариантах очистки от одного или смеси веществ, и в общем случае способы можно разделить на группы:

- жидкофазные (мокрые), в основе которых лежит процесс обратимой или необратимой абсорбции;

- полусухие, сочетающие абсорбционно-адсорбционные методы, а также электронно-лучевой и метод коронного разряда;

- газофазные (сухие), включающие в себя каталитические, термические и адсорбционные, некоторые методы физического воздействия (например, акустических колебаний).

Например, в [1] (патент RU 2556656) описан способ мокрой очистки дымовых газов от твердых и токсичных элементов, в котором поток отходящих дымовых газов проходит через последовательно соединенные эмульгаторы в виде набора бесшовных труб из прочных износостойких сплавов титана, расположенные в одной линии очистки для золоочистки, абсорбции окислов серы, азота, поглощения двуокиси углерода. Недостаток данного способа состоит в том, что не обеспечивается глубокая очистка от угарного газа.

Известен также способ очистки газов от двуокиси серы путем контактирования с сорбентом. В качестве сорбента используют суспензию железомарганцевых конкреций с их содержанием в суспензии 5-30 масс. и размером частиц 0,074-2,0 мм [2] (авторское свидетельство СССР 1191720688, В01В 53/02, 1992). Недостатком данного способа является необходимость предварительного приготовления суспензии с определенным содержанием железомарганцевых конкреций и соблюдения размера их частиц, а также необходимость регенерации данного сорбента.

В [3] (патент RU 2504425) описан способ комплексной очистки различных газообразных выбросов промышленных производств путем прокачивания потока очищаемых газов через емкость, заполненную 5,0-10,0 М водным раствором трифторуксусной кислоты, насыщенным кислородом, отделения образовавшихся побочных продуктов и их утилизации, а также регенерацию отработанного раствора трифторуксусной кислоты путем насыщения кислородом и рециркуляцию регенерированного раствора. Недостатком данного способа является необходимость организации и поддержания реагентного хозяйства и повышенные эксплуатационные затраты. Кроме того, способу свойственна высокая агрессивность среды, приводящая к необходимости соблюдения мер защиты при контакте с ней и к коррозии оборудования, связанной с проблемами экологического характера.

Широко известны способы очистки дымовых газов, основанные на контакте с различными окислителями [4] (патент РФ 2403081); [5] (Шубов Л.Я., Ставронский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе): разд. 5.3.7.2. - ГОУВПО «МГУС». - М., 2006.); [6] (патент РФ 2100058), щелочными компонентами [7, 8, 9] (Патенты РФ 2134148, 2199374, 2329090).

Ряд работ [10, 11, 12, 13] (Патенты РФ 2274485; 2140811; 2064834; Попова Н.М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. - М.: Химия, 1991) посвящен каталитической очистке воздуха замкнутых помещений и выбросов от оксида углерода на марганцево-медных катализаторах, одним из которых является гопкалит.

Основной недостаток вышеописанных способов заключается в том, что они не являются комплексными, то есть их использование не приводит к эффективной очистке отходящих газов от смеси загрязнителей.

Недостатками указанных способов являются также недостаточно высокая степень очистки отходящих газов, высокие эксплуатационные затраты при их реализации, а также возможность их реализации только при высоких концентрациях загрязнителей в отходящих газах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ, описанный в [14] патенте РФ 2172641 «Способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов». Способ используется для очистки воздуха от токсичных компонентов и включает его пропускание через слой сорбента, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди. Перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей и затем нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину, равную 5-30°С, а в качестве сорбента используют гопкалит или активированный уголь, поглощающий углеводороды и другие органические соединения.

Главным недостатком прототипа является повышенный расход энергии на подогрев воздуха, а также то, что его целевое назначение - очистка воздуха замкнутых помещений. При этом отсутствуют сведения о применении способа, изложенного в прототипе, для дымовых газов и выбросов в атмосферу.

Задачей настоящего изобретения является осуществление очистки дымовых газов производственных установок от золы, оксидов серы, азота, углерода, по комплексной технологии, в одной линии, без дополнительных энергозатрат, и повышение степени очистки дымовых газов от вредных примесей.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом комплексной очистки дымовых газов в одну линию, включающим их последовательное пропускание через фильтр, активный в реакциях восстановления оксида азота и диоксида серы, пропускание через блок очистки от оксида углерода, состоящего из послойной загрузки адсорбентов, селективных к оксиду углерода и абсорбцию оксидов азота, серы и углерода в окислительно-щелочной среде с повышенной турбулизацией потоков.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что заявляемый способ комплексной очистки дымовых газов, включающий их пропускание через слой адсорбента, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, согласно изобретению, предлагает использовать первым по ходу очищаемых газов фильтр из графитированного пористого материала, очищающий от механических примесей и восстанавливающий NO и SO₂; затем блок очистки от СО с послойной загрузкой адсорбентов, первый слой которого является цеолитом с размерами пор 4-5 ангстрем (например, типа NaA), второй слой является адсорбентом, состоящим из 50-60% масс. диоксида марганца MnO₂, 20-40% масс. оксида меди (II) CuO, связующего - остальное (например, гопкалит); затем блок абсорбции оксидов азота, углерода и серы, который состоит из смеси поглотительного водно-спиртового щелочного раствора и окислителя в соотношении (1,2-2,0) моль щелочного компонента на 1 моль окислителя, причем в качестве щелочного компонента могут быть использованы гидрокарбонат натрия, гидроксид натрия, в качестве спиртового компонента - этанол или другие одноосновные спирты С₁-С₄, а в качестве окислителя - перекись водорода.

При этом, очистка дымовых газов происходит поэтапно в одну линию без дополнительных энергозатрат. На первой ступени горячие дымовые газы с температурой 250-500°С проходят через графитовый механический фильтр, на котором происходит частичное восстановление оксида азота (II) NO и диоксида серы (IV) SO₂ по реакциям:

2NO+C=N₂+CO₂

SO₂+C=S+CO₂

Затем в блоке очистки от оксида углерода происходит адсорбция СО на цеолите и окисление СО до СО₂ на медь-марганцевом адсорбенте. Слой цеолита также предохраняет отравление медь-марганцевого адсорбента парами воды. Повышенная температура газов благоприятно сказывается на работе медь-марганцевого адсорбента.

Степень очистки от СО во второй ступени составляет 35-60%. Помимо поглощения СО, на цеолите типа NaA адсорбируются оксиды азота в количестве 20-40%. Степень очистки зависит от температуры и скорости дымовых газов. Заявляемые результаты достигаются при температуре дымовых газов не выше 400°С и скорости 0,5-5,0 м/с.

После блока очистки от оксида углерода дымовые газы проходят через аппарат воздушного охлаждения любой конструкции, например, змеевик с наружным оребрением, и поступают в абсорбционный блок. На третьей ступени дымовые газы проходят через слой водно-спиртового поглотительного раствора, состоящего из щелочного компонента и окислителя. В поглотительном растворе происходят реакции окисления оксида углерода СО и оксида азота NO по схеме:

ЭО+Ок→ЭO₂,

до диоксидов, которые проявляют кислотные свойства. Щелочной компонент вступает в реакцию с диоксидами азота, серы и углерода в реакцию по схеме:

ЭO₂+Ме(ОН)_х→МеЭО₃+H₂O, где Э=N, S, C; х=1-2.

Добавление спирта в поглотительный раствор позволяет снизить остаточное содержание непрореагировавшего СО за счет повышения его растворимости.

Степень очистки дымовых газов на выходе из третьей ступени по СО, NO и NO₂ составляет 96-97%.

Вышеописанное иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Дымовые газы от сжигания дизельного топлива пропускали на лабораторной установке через патрон, заполненный войлоком графитированным, для очистки от копоти и мехпримесей, затем направляли в адсорбер, заполненный слоем предварительно прокаленного при 350° цеолита NaA и гопкалитом в массовом соотношении 10:1. Скорость газов варьировалась от 1 до 6 м/с. В адсорбере происходят процессы адсорбции оксидов и воды на цеолите и окисления СО до СО₂ на гопкалите. После этой стадии был проведен отбор газов на анализ. Состав газов представлен в таблице 1.

Пример 2.

Опыт проводился по примеру 1. Далее частично очищенные дымовые газы через змеевик с оребрением, где они охлаждаются до 40-17°, поступали через трубу с большой площадью перфорации в поглотительный раствор, имеющий состав: 8,5% масс. гидрокарбоната натрия, рН раствора 10,0 ед. Выходящие с установки газы также были проанализированы. Состав газов представлен в таблице 1.

Пример 3.

Опыт проводился по примеру 2, но состав поглотительного раствора представлял собой: 8,5% масс. гидрокарбоната натрия, 21% масс. этанола, рН раствора 10,0 ед. Выходящие с установки газы были проанализированы. Состав газов представлен в таблице 1.

Пример 4.

Опыт проводился по примеру 3, но поглотительный раствор имел состав: 6,5% масс. гидрокарбоната натрия, 21% масс. этанола и 5% масс. перекиси водорода. рН раствора 9,5 ед. Состав очищенного газа представлен в таблице 1.

Таблица 1. Состав газов после ступеней очистки

Степень очистки газов представлена в таблице 2.

На фиг. 1 представлено изменение степени очистки дымовых газов в зависимости от состава поглотительного раствора.

Таким образом, заявляемый способ комплексной очистки дымовых газов позволяет очистить дымовые газы от основных примесей: пыли, сажи, оксидов углерода, азота, серы - в одной линии без дополнительных энергозатрат с высокой степенью очистки.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. «Способ мокрой очистки дымовых газов от твердых и токсичных элементов», патент RU 2556656, B01D 47/00, 12.12.2013;

2. «Способ очистки дымовых газов», авторское свидетельство СССР 1191720688, В01В 53/02, 1992;

3. «Способ очистки дымовых газов», патент RU 2504425, B01D 53/60, 20.01.2014;

4. «Способ некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота», патент РФ 2403081, B01D 53/56, 10.11.2010;

5. Шубов Л.Я., Ставронский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе): разд. 5.3.7.2. - ГОУВПО «МГУС». - М., 2006;

6. «Установка для очистки газовоздушных выбросов литейного производства», патент РФ 2100058, B01D 53, 27.12.1997;

7. «Способ очистки пирогаза от сероводорода и двуокиси углерода», патент РФ 2134148, B01D 53, С10К 1/12, 10.08.1999;

8. «Способ щелочной очистки газов пиролиза», патент РФ 2199374, B01D 53, 27.02.2003;

9. «Способ щелочной очистки газов пиролиза», патент РФ 2329090, B01D 53/00, 20.07.2008;

10. «Способ очистки воздуха от оксида углерода и фильтрующий модуль для очистки воздуха от оксида углерода», патент РФ 2274485, B01D 53/86, 20.04.2006;

11. «Способ очистки промышленных газовых выбросов от органических кислородосодержащих соединений», патент РФ 2140811, B01D 53/86, B01J 23/889, 10.11.1999;

12. «Способ получения низкотемпературного катализатора окисления оксида углерода», патент РФ 2064834, B01J 23/889, B01J 37/04, B01J 23/889, B01J 101:64, 10.08.1996;

13. Попова Н.М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. - М.: Химия, 1991;

14. «Способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов», патент РФ 2172641, B01D 53, B01D 35, 27.08.2001.