Oczyszczanie gazów odlotowych



Pobieranie 32.79 Kb.
Data06.05.2016
Rozmiar32.79 Kb.

OCZYSZCZANIE GAZÓW ODLOTOWYCH


Niekontrolowany rozwój przemysłu i żywiołowy postęp cywilizacji stanowi poważne zagrożenie dla naturalnego środowiska człowieka. W dniu dzisiejszym najważniejszym problemem jest ochrona środowiska. Jednym z jej aspektów jest utylizacja zanieczyszczeń gazowych emitowanych do atmosfery. Źródłem zanieczyszczeń gazowych obok zakładów przemysłowych są także samochody, kotłownie miejskie i domowe oraz duży udział mają źródła naturalne ( pożary lasów, wybuchy wulkanów, procesy gnilne itp.).

Strumienie gazów odlotowych powstające w procesach przemysłowych, wykazują zdecydowanie różny skład jakościowy, wartości stężeń i właściwości fizykochemiczne zanieczyszczeń. Ze względu na charakter i sposób oddziaływania na organizmy żywe różny jest poziom dopuszczalnych stężeń substancji zanieczyszczających powietrze.

W celu utrzymania poziomu zanieczyszczeń powietrza poniżej ustalonych, nie zagrażających zdrowiu i życiu ludzi, wartości wykorzystuje się szereg procesów służących ograniczeniu emisji zanieczyszczeń w strumieniach gazów odlotowych.

Oczyszczanie gazów odlotowych ma na celu:



  1. eliminację składników szkodliwych (toksycznych),

  2. wydzielenie składników cennych, które mogą być wykorzystane w procesach produkcyjnych.


Rys. 1. Metody oczyszczania gazów odlotowych.
Absorpcja polega na pochłanianiu zanieczyszczeń gazowych przez ciecz. W trakcie procesu zachodzi wymiana masy (przy udziale mechanizmów dyfuzji i konwekcji) polegająca na przenikaniu gazu przez warstwę graniczną rozdzielającą fazę gazową i ciekłą. Zjawisko dyfuzji polega na przenoszeniu cząsteczek gazu w głąb cieczy.

Warunkiem koniecznym absorpcji jest rozpuszczalność składników gazu w absorbującej cieczy. W zależności od sposobu rozpuszczania gazów w cieczy wyróżniamy absorpcję fizyczną, polegającą na rozpuszczaniu absorbowanego składnika w cieczy oraz absorpcję chemiczną, w której składnik mieszaniny gazowej reaguje z fazą ciekłą tworząc nowe związki podczas odwracalnej i nieodwracalnej przemiany chemicznej.



Proces absorpcji przeprowadza się w absorberach. W technice najczęściej stosuje się następujące absorbery:

  1. kolumny natryskowe,

  2. kolumny z wypełnieniem,

  3. kolumny rurowe,

  4. kolumny barbotażowe,

  5. kolumny półkowe.

W absorberach natryskowych dużą powierzchnią zetknięcia międzyfazowego gazu i cieczy uzyskuje się przez rozpylenie (rozprysk) cieczy na odpowiednio małe krople w strumieniu gazu, który tworzy fazę zwartą a ciecz fazę rozproszoną. Absorbery natryskowe można podzielić na wieżowe i mechaniczne. Charakteryzują się one prostą budową i dużą niezawodnością działania, małymi oporami hydraulicznymi przepływającego gazu, dużą możliwością zmian natężeń przepływu gazu i cieczy oraz stosunkowo niewielkimi kosztami eksploatacyjnymi. W urządzeniach tych ciecz rozpylana jest za pomocą dysz hydraulicznych, przy czym oprócz doboru właściwej dyszy ważny jest również sposób ich rozmieszczenia w kolumnie. Wadą kolumn natryskowych jest porywanie kropelek cieczy przez gaz.

Rys.2. Absorber natryskowy wieżowy; 1 – króciec dopływowy gazu, 2 – urządzenie rozpylające ciecz, 3 – króciec odpływowy gazu, 4 – króciec odpływowy cieczy.
Gaz dopływa do absorbera króćcem 1 i przepływa ku górze, stykając się z kroplami absorbenta wypływającego z rozpylaczy 2. Gaz oczyszczony odpływa króćcem 3, a absorbent z rozpuszczonym w nim gazem kierowany jest króćcem 4 do regeneracji.

Absorbery z wypełnieniem należą do często stosowanych w przemyśle, głównie z powodu prostej budowy i możliwości ich wykonania ze względnie tanich tworzyw konstrukcyjnych, odpornych na działanie korodujące cieczy i gazów agresywnych. Są to kolumny cylindryczne, wykonane z blachy, wyłożone wewnątrz płytkami z materiałów odpornych na korozję, ruchome i nieruchome. Zadaniem wypełnienia jest stworzenie najbardziej korzystnych warunków zetknięcia gazu z cieczą.
a) b)


Rys. 3. a) Absorber z wypełnieniem nieruchomym: 1 – ruszty, 2 – wypełnienie, 3 – urządzenie zraszające, 4, 5 – króciec dopływowy i odpływowy cieczy, 6, 7 - króciec dopływowy i odpływowy gazu. b) Absorber z wypełnieniem ruchomym: 1 –środkowa część kolumny, 2, 3 – sita, 4 – króciec dopływowy gazu, 5 – króciec dopływowy cieczy, 6 – króciec odpływowy cieczy, 7 – demister, 8 – króciec odpływowy gazu.
Na odpowiednich rusztach 1 spoczywają warstwy wypełnienia 2. nad górną warstwą wypełnienia znajduje się urządzenie zraszające 3, którego zadaniem jest rozprowadzenie cieczy jak najbardziej równomiernie na całym przekroju kolumny. Ciecz do zraszania dopływa króćcem 4. Ciecz spływająca po powierzchni wypełnienia styka się z gazem dopływającym do kolumny króćcem 6 i przepływającym przez warstwę wypełnienia ku górze. Nie zaabsorbowany gaz odpływa z kolumny króćcem 7, a ciecz z rozpuszczonym w niej składnikiem gazowym – króćcem 5.

Absorbery rurowe są pod względem budowy bardzo podobne do wymienników ciepła płaszczowo – rurowych. Absorpcja przebiega tu na powierzchni cieczy spływającej w postaci warstwy w dół z gazem przepływającym w przeciw- lub współprądzie.

Ciecz dopływa na górne dno sitowe króćcem 1, przelewa się do rur 2 i spływając po ich wewnętrznej powierzchni w postaci warstwy styka się z gazem dopływającym do absorbera króćcem 3. Roztwór gazu odpływa z absorbera króćcem 5, a nie zaabsorbowane gazy króćcem 4. W celu odprowadzenia ciepła absorpcji ciecz chłodząca dopływa do przestrzeni międzyrurowej króćcem 6 i odpływa z niej króćcem 7.




Rys. 4. Absorber rurowy: 1 – króciec dopływowy cieczy, 2 – rury, 3 – króciec dopływowy gazu, 4 – króciec odpływowy gazu, 5 – króciec odpływowy cieczy, 6, 7 – króciec dopływowy i odpływowy cieczy chłodzącej.
W absorberach barbotażowych, zwanych też absorberami bełkotkowymi fazą rozpraszaną jest gaz, a ciecz jako absorbent stanowi fazę zwartą. Powierzchnią zetknięcia międzyfazowego jest więc powierzchnia pęcherzyków gazu przepływających przez warstwę cieczy. Aparaty te są najczęściej stosowane do absorpcji z reakcją chemiczną. Wadą tego typu urządzeń są stosunkowo duże opory hydrauliczne, które zależą od ciśnienia wewnątrz kolumny, wysokości cieczy i rodzaju rozdzielacza gazu.


Rys. 5. Absorbery barbotażowe: a) jednostopniowy, b) wielostopniowy, c) cyrkulacyjny, d) strumieniowy.

Kolumny półkowe składają się z płaszcza oraz szeregu półek umieszczonych jedna nad drugą. Ciecz w takich kolumnach przepływa grawitacyjnie w dół, gaz natomiast przechodzi od dołu do góry. W odniesieniu do całej kolumny przepływ obu faz jest przeciwprądowy, natomiast dla jednej półki przepływ gazu i cieczy może być krzyżowy, przeciwprądowy lub mieszany. We wszystkich kolumnach półkowych występuje zjawisko zlewania. Jest ono bardzo ważne, gdyż limituje wartość maksymalnego obciążenia. Warunki porywania cieczy na sąsiednią górną półkę decydują o wysokości między półkami.

Rys. 6. Półkowa kolumna absorpcyjna.
Adsorpcja polega na wydzieleniu i zatrzymaniu zanieczyszczeń na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej w porach ciała stałego zwanego adsorbentem.

Rozróżniamy dwie formy adsorpcji na fazie stałej: adsorpcję fizyczną i chemiczną (chemisorpcję). Pierwsza występuje wtedy, gdy adsorbowane cząstki wiążą się z elementami fazy stałej siłami rzędu van der Waalsa. Chemisorpcja, inaczej adsorpcja aktywowana polega na wiązaniu się cząstek adsorbatu z podłożem (adsorbentem) spolaryzowanymi wiązaniami atomowymi lub wiązaniami jonowymi.

Adsorbenty stosowane w procesie powinny wykazywać dużą selektywność, łatwość regeneracji oraz odporność mechaniczną i termiczną. Podstawowym warunkiem jaki musi spełniać adsorbent jest max. wielkość powierzchni czynnej.

Do najczęściej stosowanych adsorbentów należą:



  1. węgiel aktywny,

  2. silikażel, ziemia Fullera, diatomit, sita molekularne, zeolity naturalne (adsorbenty krzemowe),

  3. aktywny tlenek glinu.

Węgiel aktywny jest efektywnym sorbentem cząstek organicznych z gazów wilgotnych, lecz charakteryzuje się mniejszą selektywnością niż inne adsorbenty. Stosowany jest do oczyszczania gazów z substancji organicznych i nieorganicznych, takich jak chlor, alkohole, węglowodory, estry, etery, węglowodory aromatyczne, aceton i inne ketony, benzen, ksylen, toluen i wiele innych związków.

Sita molekularne są stosowane do usuwania amoniaku i pary wodnej z gazów obojętnych, a także CO2, SO2, H2S, C2H5OH.

Silikażel stosowany jest najczęściej do pochłaniania pary wodnej.

Do prowadzenia procesu adsorpcji stosuje się urządzenia zwane adsorbentami, które możne podzielić na:



  1. urządzenia z nieruchomą warstwą adsorbentu,

  2. urządzenia z ruchomą warstwą adsorbentu,

  3. urządzenia z warstwą pierścieniową,

  4. adsorbery fluidyzacyjne.




Rys. 7. Adsorbery z warstwą nieruchomą: a) poziomy, b) z warstwą pierścieniową, c) pionowy; 1 – warstwa adsorbentu, 2 – luk załadowany, 3 – luk wyładowany.
Adsorbery buduje się jako pionowe lub poziome zbiorniki. Najczęściej adsorbent spoczywa na ruszcie wykonanym w ten sposób, aby wykluczyć zaklinowanie szczelin przez cząstki złoża. W dolnej części adsorbera jest umieszczona rura doprowadzająca parę wodną do desorpcji. Każdy z adsorbentów ma włazy wsypowe i wysypowe adsorbentu.

Zwiększenie intensywności adsorpcji można osiągnąć stosując złoże fluidalne. Proces polega na zawieszeniu drobnych ziaren adsorbentu w strumieniu oczyszczonych gazów płynących do góry. Szybkość gazów jest tak dobrana, aby zawieszone cząstki nie były wynoszone, lecz utrzymywały się w burzliwej warstwie o kontrolowanej wysokości.

W aparacie przedstawionym na rys. 8. warstwa fluidalna rozłożona na przegrodzie sitowej 2 rozprzestrzenia się pod wpływem ciśnienia dynamicznego przepływających gazów. Część zużytego adsorbentu jest w sposób ciągły wyprowadzana przewodem odlotowym 3, którego otwór umieszczony jest na wysokości złoża fluidalnego do desorbera 5, skąd po regeneracji przesyłany jest przez zsyp 4 ponownie do procesu.

Rys. 8. Schemat absorbera fluidalnego: 1 – adsorber, 2 – perforowana przegroda, 3 – przewód przesypowy, 4 – zasyp.



Rys. 9. Schemat wielostopniowego adsorbera fluidalnego: 1 – adsorber, 2 – perforowana półka, 3 – przewód przesypowy, 4 – wprowadzenie adsorbentu, 5 – wlot gazów, 6 – wylot gazów, 7 – desorber, 8 – odprowadzenie zanieczyszczeń.
W adsorberze wielostopniowym złoże adsorbentu podzielone zostało na tzw. stopnie (półki). Zregenerowany adsorbent podawany jest od góry przewodem zasypowym 4 i wędruje w dół z półki na półkę 2. Na półkach tworzy warstwę fluidalną wskutek przepływu oczyszczanych gazów wprowadzanych króćcem 5 w dolnej części kolumny, a wyprowadzany króćcem 6 na szczycie kolumny. Zużyty adsorbent osiąga stan zbliżony do nasycenia, odbierany jest na dole kolumny i poddawany regeneracji po czym wraca do instalacji w obiegu ciągłym.

Spalanie jest jedną z najczęściej stosowanych metod do usuwania z gazów odlotowych bardzo niebezpiecznych dla środowiska m. in. węglowodorów, często o przykrym zapachu par rozpuszczalników oraz substancji toksycznych H2S, HCN, CO. Spaleniu mogą również podlegać organiczne cząstki stałe, dymy, mgły i krople.

Zanieczyszczenia organiczne, występujące w przemysłowych gazach odlotowych, można spalać w następujących procesach:



  1. spalanie termiczne w temperaturach 900 – 1400K

  2. spalanie bezpośrednio w płomieniu w temperaturze 1500K

  3. spalanie katalityczne 505 – 900K

Metoda oczyszczania gazów odlotowych przy zastosowaniu otwartego płomienia tzw. pochodni służy do usuwania (przekształcania) palnych składników zawartych w oczyszczanej mieszaninie.

Pochodnie w zasadzie stanowią dyszę z palnikami umieszczone na szczycie komina gazów odlotowych. Istnieje kilka typów pochodni przeznaczonych do spalania różnego rodzaju gazów, w których dla zapewnienia optymalnych warunków, przede wszystkim mieszania gazów, stosuje się parę wodną, powietrze; stosowane są również pochodnie ciśnieniowe.

Metoda ta znalazła zastosowanie w usuwaniu zanieczyszczeń w przemyśle rafineryjnym, petrochemicznym, chemicznym.

Rys. 10. Schemat typowej pochodni ze wspomaganiem parowym: 1 – zbiornik zamknięcia wodnego, 2 – komora pochodni, 3 – zapora gazowa, 4 – urządzenie zapłonowe, 5 – palniki pilotowe, 6 – dysze parowe.
Gazy kierowane do spalania są oczyszczane, a następnie przepływają przez tzw. barierę gazową, zamknięcie wody, lub odpowiednie uszczelnienie komina uniemożliwiając cofnięcie się płomienia. Pochodnie zapala się na szczycie odpowiednim palnikiem.

W spalaniu termicznym do utlenienia zanieczyszczeń gazowych konieczne jest tu spalanie dodatkowego paliwa gazowego lub ciekłego. Ciepło dodatkowe konieczne jest do utrzymywania płomienia tj. do stabilizacji.




Rys. 11. Schemat ogólny instalacji spalania termicznego; 1 – palnik, 2 - komora spalania, 3 – wymiennik ciepła.
Gazy kierowane do spalania są przed wlotem do komory spalania lub palnika podgrzewane w wymienniku ciepła ogrzewane strumieniem odlotowym spalin. Paliwo spalane w palniku wytwarza w komorze spalania strefę utleniającą do której wprowadzone są zanieczyszczenia. Gdy zapewnione jest dobre mieszanie w strefie i odpowiednio długi czas przebywania, następuje całkowite utlenienie zanieczyszczeń.

W spalaniu wysokotemperaturowym z wykorzystaniem regeneratów ciepła wynalazły zastosowanie układy zwane termoreaktorami. Regeneratory wypełnione są kulami, pierścieniami lub innego rodzaju kształtkami ceramicznymi. Instalacja zawiera minimum dwa regeneratory (wymienniki ciepła) stacjonarne lub jeden regenerator ruchomy – obrotowy. Przepływ gazu oczyszczonego i spalin odbywa się na przemian cyklicznie przez dwa wymienniki. Im wyższa jest temperatura spalania i sprawniejszy odzysk ciepła, tym mniejsze jest zużycie dodatkowego paliwa. Jako dodatkowe mogą być stosowane paliwa klasyczne lub odpadowe. W termoreaktorach spala się akrylonitryle, benzen, ketony, kwas octowy, merkaptany, amoniak i inne gazy.

Istnieją różne typy palników np. ze względu na rodzaj spalanych substancji. Przykładowa komora spalania:


Rys. 12. Schemat komory spalania z palnikiem płaskim.
Spalanie katalityczne zachodzi wówczas, gdy strumień zanieczyszczonego gazu w mieszaninie z powietrzem przepływa przez warstwę odpowiedniego katalizatora. Zadaniem katalizatora jest obniżenie energii aktywacji wymaganej dla przebiegu danej reakcji, w wyniku czego ten sam stopień konwersji osiąga się w niższej temperaturze, z większą szybkością, w krótszym czasie przebywania. W rezultacie maleje zapotrzebowanie na dodatkowe paliwo. Katalizatorem nazywamy każdą substancję, która wprowadzona do środowiska zmienia szybkość reakcji chemicznej, a nie występuje w produktach końcowych tej reakcji. Jako katalizatory najczęściej są stosowane metale z grupy platynowców w postaci czystej lub stopów, ale również tlenki miedzi, chromu, niklu, kobaltu i inne.

Katalizatory są osadzone na odpowiednim obojętnym chemicznie nośniku. Głównym wymaganiem stawianym nośnikom katalizatorów do dopalania zanieczyszczeń jest duża powierzchnia zewnętrzna, a jednocześnie duża porowatość złoża, dająca małe opory przepływu.

Reakcje katalitycznego spalania są prowadzone w reaktorach różnej konstrukcji najczęściej z nieruchomą warstwą katalizatora. Aby mogła zajść reakcja katalityczna utleniania lub redukcji, nieodzowne są następujące warunki: odpowiedni katalizator, odpowiednia dla reakcji chemicznej temperatura oczyszczanych gazów oraz niezbędna zawartość tlenu w gazach.

Rys. 13. Schemat instalacji spalania katalitycznego: 1 – komora spalania, 2 – reaktor katalityczny, 3 – wymiennik ciepła.


Procesy katalitycznego spalania są stosowane do oczyszczania gazów z węglowodorów i ich pochodnych. Znajdują więc zastosowanie m. in. do oczyszczania gazów w przemyśle petrochemicznym i tworzyw sztucznych, we wszystkich procesach lakierniczych, w przemyśle spożywczym (palarnie kawy, wędzarnie mięs i ryb), w przemyśle farmaceutycznym itp. Ostatnio coraz częściej stosuje się katalizatory do unieszkodliwiania zanieczyszczeń w gazach spalinowych z silników pojazdów mechanicznych.

Podstawą metody kondensacyjnej jest oziębianie przy stałym ciśnieniu zanieczyszczonego powietrza do temperatury niższej od temperatury kondensacji par substancji zanieczyszczającej. Metoda ta może być odpowiednia do usuwania węglowodorów i ich pochodnych o wysokich temperaturach wrzenia.



Do kondensacji zanieczyszczeń gazowych, zwanych często oparami, są stosowane dwie zasadnicze metody chłodzenia: przeponowa i bezprzeponowa. W metodzie bezprzeponowej opary zanieczyszczeń kontaktują się wprost z powierzchnią cieczy chłodzącej w skruberach natryskowych lub półkowych. Podczas chłodzenia przeponowego przenikanie ciepła do czynnika chłodzącego odbywa są za pośrednictwem powierzchni stałej, zwykle cylindrycznej, wewnątrz której czynnik ten przepływa. Proces jest realizowany najczęściej w wymiennikach ciepła płaszczowo – rurowych lub rurowych.

Rys. 14. Schemat kondensacji dwustopniowej; 1 – chłodnica wstępna, 2 – kondensator.
W pierwszym etapie oczyszczania wieloskładnikowej mieszaniny gazowej, zawierającej nie kondensujące gazy, strumień gazu jest chłodzony w wyniku kondensacji strumienia ciepła do zimnej powierzchni kropel i warstewek cieczy lub do ściany (przegrody) w wymienniku przeponowym. Pobieranie ciepła od gazu będzie trwać tak długo, aż gaz stanie się nasycony względem jednego lub kilku składników oczyszczonej mieszaniny gazowej. Dalsze chłodzenie powoduje dyfuzję kondensacyjnych gazów do powierzchni wymiany ciepła, gdzie wskutek kondensacji jest oddawane ciepło parowania.

Pobieranie 32.79 Kb.





©absta.pl 2020
wyślij wiadomość

    Strona główna