3.3 Термічне допалювання
Допалювання є метод знешкодження газів шляхом термічного окислення різних шкідливих речовин, головним чином органічних, в практично нешкідливих або менш шкідливих, переважно СО2 і Н2О. Звичайні температури допалювання для більшості з'єднань лежать в інтервалі 750-1200 °C. Застосування термічних методів допалювання дозволяє досягти 99%-ого очищення газів.
При розгляді можливості і доцільності термічного знешкодження необхідно враховувати характер продуктів горіння, що утворюються. Продукти спалювання газів, що містять з'єднання сірки, галогенів, фосфору можуть перевершувати по токсичності початковий газовий викид. В цьому випадку необхідне додаткове очищення. Термічне допалювання є вельми ефективним при знешкодженні газів, що містять токсичні сполуки у вигляді твердих включень органічного походження (сажа, частинки вуглецю, деревного пилу і т.д.).
Найважливішими чинниками, що визначають доцільність термічного знешкодження, є витрати енергії (палива) для забезпечення високих температур в зоні реакції, калорійність знешкоджуваних домішок, можливість попереднього підігріву газів, що очищаються. Підвищення концентрації допалюваних домішок веде до значного зниження витрати палива. В окремих випадках процес може протікати в автотермічному режимі, тобто робочий режим підтримується тільки за рахунок тепла реакції глибокого окислення шкідливих домішок і попереднього підігріву початкової суміші знешкоджуваними газами, що відходять.
Принципову трудність при використанні термічного допалювання створює утворення вторинних забруднювачів, таких як оксиди азоту, хлор, SO2 і ін. [8].
Термічні методи широко застосовуються для очищення відхідних газів, від токсичних горючих з'єднань. Розроблені останніми роками установки допалювання відрізняються компактністю і низькими енерговитратами. Застосування термічних методів ефективне для допалювання пилу багатокомпонентних і запилених газів, що відходять.
3.4 Термокаталітичні методи
Каталітичні методи газоочистки відрізняються універсальністю. З їх допомогою можна звільняти гази від оксидів сірки і азоту, різних органічних сполук, монооксиду вуглецю і інших токсичних домішок. Каталітичні методи дозволяють перетворювати шкідливі домішки в нешкідливі, менш шкідливі і навіть корисні. Вони дають можливість переробляти багатокомпонентні гази з малими початковими концентраціями шкідливих домішок, добиватися високих ступенів очищення, вести процес безперервно, уникати утворення вторинних забруднювачів. Застосування каталітичних методів найчастіше обмежується трудністю пошуку і виготовлення придатних для тривалої експлуатації і достатньо дешевих каталізаторів. Гетерогенно-каталітичне перетворення газоподібних домішок здійснюють в реакторі, завантаженому твердим каталізатором у вигляді пористих гранул, кілець, кульок або блоків із структурою, близькою до стільникової. Хімічне перетворення відбувається на розвиненій внутрішній поверхні каталізаторів, що досягає 1000 м2/г.
В якості ефективних каталізаторів, що знаходять застосування на практиці, служать самі різні речовини – від мінералів, які використовуються майже без всякої попередньої обробки, і простих масивних металів до складних з'єднань заданого складу і будови. Зазвичай каталітичну активність проявляють тверді речовини з іонними або металевими зв'язками, що володіють сильними міжатомними полями. Одна з основних вимог, що пред'являються до каталізатора, - стійкість його структури в умовах реакції. Наприклад, метали не повинні в процесі реакції перетворюватися на неактивні з'єднання. [8]
Сучасні каталізатори знешкодження характеризуються високою активністю і селективністю, механічною міцністю і стійкістю до дії отрут і температур. Промислові каталізатори, що виготовляються у вигляді кілець і блоків стільникової структури, володіють малим гідродинамічним опором і високою зовнішньою питомою поверхнею.
Найбільшого поширення набули каталітичні методи знешкодження газів, що відходили, в нерухомому шарі каталізатора. Можна виділити два принципово різних методу здійснення процесу газоочистки - в стаціонарному і в штучно створюваному нестаціонарному режимах.
1. Стаціонарний метод.
Прийнятні для практики швидкості хімічних реакцій досягаються на більшості дешевих промислових каталізаторів при температурі 200-600 °C. Після попереднього очищення від пилу (до 20 мг/м3) і різних каталітичних отрут (As,Cl2 і ін.), гази зазвичай мають значно нижчу температуру.
Підігрів газів до необхідних температур можна здійснювати за рахунок введення гарячих димових газів або за допомогою електропідігрівача. Після проходження шару каталізатора очищені гази викидаються в атмосферу, що вимагає значних енерговитрат. Добитися зниження енерговитрат можна, якщо тепло відхідних газів, використовувати для нагрівання газів, що поступають в очищення. Для нагріву слугують зазвичай рекуперативні трубчасті теплообмінники.
За певних умов, коли концентрація горючих домішок в газах, що відходять, перевищує 4-5 г/м3, здійснення процесу по схемі з теплообмінником дозволяє обійтися без додаткових витрат.
Такі апарати можуть ефективно працювати тільки при постійних концентраціях (витратах) або при використанні довершених систем автоматичного управління процесом.
Ці труднощі вдається подолати, проводячи газоочистку в нестаціонарному режимі.
2. Нестаціонарний метод ( реверс-процес).
Реверс-процес передбачає періодична зміна напрямів фільтрації газової суміші в шарі каталізатора за допомогою спеціальних клапанів. Процес проходить наступним чином. Шар каталізатора заздалегідь нагрівають до температури, при якій каталітичний процес протікає з високою швидкістю. Після цього в апарат подають очищений газ з низькою температурою, при якій швидкість хімічного перетворення надто мала. Від прямого контакту з твердим матеріалом газ нагрівається, і в шарі каталізатора починає з помітною швидкістю йти каталітична реакція. Шар твердого матеріалу (каталізатора), віддаючи тепло газу, поступово охолоджується до температури, рівній температурі газу на вході. Оскільки в ході реакції виділяється тепло, температура в шарі може перевищувати температуру початкового розігрівання. У реакторі формується теплова хвиля, яка переміщається у напрямі фільтрації реакційної суміші, тобто у напрямі виходу з шару. Періодичне перемикання напряму подачі газу на протилежне дозволяє утримати теплову хвилю в межах шару як завгодно довго.
Перевага цього методу в стійкості роботи при коливаннях концентрацій горючих сумішей і відсутність теплообмінників.
Основним напрямом розвитку термокаталітичних методів є створення дешевих каталізаторів, що ефективно працюють при низьких температурах і стійких до різних отрут, а також розробка енергозберігаючих технологічних процесів з малими капітальними витратами на устаткування. Найбільш масове застосування термокаталітичні методи знаходять при очищенні газів від оксидів азоту, знешкодженні і утилізації різноманітних сірчистих сполук, знешкодження органічних сполук і СО.
Для концентрацій нижче 1 г/м2 і великих об'ємів газів, що очищаються, використання термокаталітичного методу вимагає високих енерговитрат, а також великої кількості каталізатора.
3.5 Озонні методи
Озонні методи застосовують для знешкодження димових газів від SO2(NOx) і дезодорувань газових викидів промислових підприємств. Введення озону прискорює реакції окислення NO до NO2 і SO2 до SO3. Після утворення NO2 і SO3 в димові гази вводять аміак і виділяють суміш комплексних добрив, що утворилися (сульфату і нітрату амонію). Час контакту газу з озоном, необхідне для очищення від SO2 (80-90%) і NOx (70-80%) складає 0,4 – 0,9 сек. Енерговитрати на очищення газів озонним методом оцінюють в 4-4,5% від еквівалентної потужності енергоблоку, що є, мабуть, основною причиною, стримуючою промислове застосування даного методу.
Застосування озону для дезодорування газових викидів засноване на окислювальному розкладанні речовин з неприємним запахом. У одній групі методів озон вводять безпосередньо в гази, що очищаються, в іншій гази промивають заздалегідь озонованою водою. Застосовують також подальше пропускання озонованого газу через шар активованого вугілля або падаючого на каталізатор. При введенні озону і подальшому пропусканні газу через каталізатор температура перетворення таких речовин як аміни, ацетальдегід, сірководень і ін. знижується до 60-80 °C. Як каталізатор використовують як Pt/Al2O3, так і оксиди міді, кобальту, заліза на носієві. Основне застосування озонні методи дезодорування знаходять при очищенні газів, які виділяються при переробці сировини тваринного походження на м’ясо- (жиро-) комбінатах і в побуті.
3.6 Біохімічні методи
Біохімічні методи очищення засновані на здатності мікроорганізмів руйнувати і перетворювати різні з'єднання. Розкладання речовин відбувається під дією ферментів, що виробляються мікроорганізмами в середовищі газів, що очищаються. При частій зміні складу газу мікроорганізми не встигають адаптуватися для вироблення нових ферментів, і ступінь руйнування шкідливих домішок стає неповним. Тому біохімічні системи понад усе придатні для очищення газів постійного складу. [8]
Біохімічну газоочистку проводять або в біофільтрах, або в біоскруберах. У біофільтрах газ, що очищається, пропускають через шар насадки, зрошуваний водою, яка створює вологість, достатню для підтримки життєдіяльності мікроорганізмів. Поверхня насадки покрита біологічно активною біоплівкою (БП) з мікроорганізмів.