Применение катализа для защиты окружающей среды (стр. 3 из 4)
Рис. 1. Каталитический реактор
В последние годы каталитические методы очистки нашли применение для нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки выхлопных газов - окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксида азота -применяют двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис. 2). Установка состоит из последовательно соединенных восстановительного 2 и окислительного 4 катализаторов. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором происходит нейтрализация оксидов азота по следующим реакциям:
ТЩ+СО-Ю1.2Т2+СЩ2ж ТЩ+Н2-Ю1.2Т2+Н2О
В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (например, платина на глиноземе). При объемной скорости порядка 100000 ч-1эффективность очистки по NO достигает 90% и выше.
Рис. 2 Двухступенчатый каталитический нейтрализатор
После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок 3 подводится вторичный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания - оксида углерода и углеводородов:
СО+1.2Щ2-ЮСЩ2ж СчРн+(ч+н.4)Щ2-ЮчСЩ2+1.2Р2Щб
Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др.). Содержание оксида углерода в выхлопных газах автомобиля с нейтрализатором снижается почти в 10 раз, а углеводородов - ~ в 8 раз. Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствуют использование этилированного бензина, который содержит определенное количество свинца. Свинец дезактивирует катализаторы в течение 100-200 ч.
Для расчета каталитического реактора необходимы следующие параметры: объемный расход очищаемого газа Qг, м3/с; состав и концентрация примесей Св, мг/м3; тип катализатора; скорость обезвреживания газа ωк, 1/ч, и рекомендуемая температура перед слоем катализатора ТК. Минимальный объем Vк, м3, катализаторной массы определяют исходя из максимальной скорости обезвреживания газа Vк = Qг/ωк. Толщина слоя катализатора h, м, необходимая для достижения заданной степени очистки η, определяется по формуле
р=Т0ωр.(Ыэфβ)б
где Т0 =дт 1.1-η – число единиц переноса;
ωp=ω0-Tp/T0 1/Пк - скорость газа при рабочих условиях, м/с;
ω0 - линейная скорость потока газа при нормальных условиях (T0=273К и Р=101,3 кПа), отнесенная к полной фильтрующей поверхности (на практике обычно применяют
ω0= 0,5-1 м/с);
Пк - пористость слоя катализатора;
Sэф=Sудkф - эффективная удельная поверхность катализатора, м2/м3; 5удельная наружная поверхность катализатора, м2/м3;
Sуд - коэффициент формы зерна, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна катализатора обдувающему потоку;
β - коэффициент массопередачи, отнесенный к единице поверхности катализатора, м/с.
Коэффициент массопередачи определяют в зависимости от режима течения газа:
Nuд=0,515Re0,35Sc0,33 при Re=0,01 ÷ 20;
Nuд=0,725Re0,47Sc0,33 при Re=2 ÷ 30;
Nuд=0,395Re0,64Sc0,33 при Re=30 ÷ 8000,
где Nuд=β dэ/D - диффузионный критерий Нуссельта;
Re=ω рdэ/ν - критерий Рейнольдса;
Sc = ν/D -критерий Шмидта (диффузионный критерий Прандтля);
ν - коэффициент кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м2/с;
dэ - эквивалентный диаметр зерна катализатора, м;
D=D0(T/T0)1,8 - коэффициент диффузии улавливаемого газового компонента в воздухе, м2/с;
D0 - коэффициент диффузии при Т0=273 К и р0=101,3 кПа.
В задачу аэродинамического расчета входит определение гидравлического сопротивления слоя катализатора, которое находят по формуле
Δр/h=150(1-Пк)2/П3к μωρ/d2э+1,75 1-Пк/П3к рг ω2ρ/dэ
где μ - коэффициент динамической вязкости газа при рабочих условиях, Н•с/м2.
Термический метод. Достаточно большое развитие в отечественной практике нейтрализации вредных примесей, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, имеет высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Для осуществления дожигании(реакций окисления) необходимо поддержание высоких температур очищаемого газа и наличие достаточного количества кислорода. Выбор схемы дожигания зависит от температуры и количества выбросов, а также от содержания в них вредных примесей, кислорода и других компонентов. Если выбросные газы имеют высокую температуру, процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и СХНУ) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха.
Если температура выбросов недостаточна для протекания окислительных процессов, то в потоке отходящих газов сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ. Одним из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов, является горелка, предназначенная для сжигания природного газа (рис. 3). Обезвреживаемые выбросы в этом случае подаются в канал 1, где они омывают горелку 2. Из коллектора 3 газ, служащий топливом, поступает в сопла, при истечении из которых инжектируется первичный воздух из окружающей среды. Горение смеси газа с первичным воздухом осуществляется в V-образной полости коллектора. Процесс догорания происходит на выходе из полости, где хвостовая часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их истечении из кольцевой щели между корпусом горелки и коллектора.
Рис. 3 Установка для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов
Институтом газа АН УССР разработана и успешно прошла промышленные испытания установка очистки газовых выбросов лакокрасочного производства. Установка представляет собой циклонную топку (рис. 4), скомпонованную с газовой горелкой и камерой разбавления газов после их очистки. Воздух, загрязненный токсическими примесями органических веществ (толуол ксилол и др.), поступает в вихревую двух горелку 2 по каналу 6 и непосредственно во внутреннюю полость печи 4 по тангенциальным каналам 5. Природный газ подается в горелку 2 по трубе 3. Время пребывания в полости (не менее 0,5 с) и контакт их с раскаленными стенками камеры обеспечивают полноту их сгорания. Атмосферный воздух подается по центральной трубе 1 горелки 2 только при обезвреживании выбросов, содержащих менее 15% кислорода. Запуск установки, вывод на рабочий режим и его поддержание осуществляются с помощью блока автоматического управления и регулирования установки.
Рис. 4 Установка очистки газообразных выбросов лакокрасочного производства
Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 90-99%, если время пребывания вредностей в высокотемпературной зоне не менее 0,5 с и температура обезвреживаемых газов, содержащих углеводороды, не менее 500-650°С, а содержащих оксид углерода - 660-750° С.
катализатор обезвреживание токсичный сточный
Глава 3. Применение катализа для защиты окружающей среды
Универсальность каталитических методов позволяет решать самые сложные проблемы обезвреживания и утилизации антропогенных выбросов промышленных предприятий. Это касается как обезвреживания газовых выбросов, так и очистки сточных вод.
Как разнообразна деятельность человека, так и широк спектр токсичных газов, выбрасываемых при этом в атмосферу, (табл. 1).
Прежде всего, это оксиды азота, которые выбрасываются в атмосферу тепловыми электростанциями, автотранспортом, предприятиями химической промышленности. Аммиак появляется в атмосфере при производстве минеральных удобрений и работе холодильной техники, сероводород — за счет газодобычи и нефтепереработки. Весьма разнообразны источники выбросов органических веществ — нефтехимия, мебельная и лакокрасочная промышленность, машиностроение и многое другое.
Особое внимание сейчас уделяется озонразрушающим газам — диоксиду углерода, закиси азота, метану и фторуглеводородам. Выбросы этих газов ограничены в соответствии с Киотским протоколом. В табл. 2 приведены источники выбросов этих газов и их относительная опасность. В настоящее время стоимость 1 т С02 при международной торговле выбросами составляет около 10 евро, стоимость 1 т N0 превышает 3 тыс. евро. Счетом этого очистка газовых выбросов от метана и закиси азота становится экономически перспективной.
Каталитическая очистка токсичных соединений основана на протекании ряда химических реакций.
Наибольшее промышленное распространение для очистки газов от оксидов азота в присутствии в отходящих газах кислорода имеет процесс их селективного восстановления аммиаком (см. рис. 1, реакция 1).
