Очистка дымовых газов: методы, фильтры, очистка от оксидов азота, оксидов серы, золы, твердых частиц

Очистка дымовых газов, образующихся в процессе осуществления технологических и подготовительных процессов на промышленных предприятиях, является одной из основных задач в сфере сохранения окружающей среды и снижения заболеваний персонала. Энергетические, металлургические, химические предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество вредных и опасных веществ, количество которых исчисляется миллионами тонн в год.

Наличие эффективных установок очистки дымовых газов на промышленном производстве обязательно и закреплено на законодательном уровне. Существуют таблицы предельно-допустимых концентраций (ПДК) для конкретных вредных веществ, превышение которых влечет за собой крупные штрафы от контролирующих органов, а повторные нарушения могут привести к частичной или полной остановке производственных процессов. 

Методы, технологии, способы очистки

Способы очистки дымовых газов зависят от большого количества факторов:

• физические и химические свойства выбрасываемых веществ;
• дисперсный состав примесей;
• концентрация вредных компонентов в выбрасываемых газах;
• температура рабочей среды;
• объем и скорость выбросов;
• необходимая степень очистки;
• возможность повторного использования улавливаемых веществ.

Способ и вид устройства для очистки выбрасываемых газов рассчитывается и выбирается на стадии создания общего проекта энергетического или металлургического объекта. Существуют два метода очистки дымовых газов:

• физический;
• физико-химический.

В первом случае используются сухие (механические) улавливающие устройства и аппараты мокрой очистки. Сухим способом очищаются газовоздушные смеси в инерционных пылеуловителях, циклонах, электрических, рукавных, картриджных фильтрах. Очищение потока происходит за счет центробежной и инерционной сил, когда твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса или оседают в накопительный бункер при резком изменении направления движения очищаемого газа. В рукавных фильтрах очищение осуществляется при прохождении запыленного газа через фильтрующий материал, а в электрических аппаратах для осаждения используется разность потенциалов частичек загрязнений и специальных электродов внутри корпуса. Циклоны и осадительные камеры могут применяться в качестве основной или второй ступени очистки.

В аппаратах мокрой очистки производится промывка запыленного потока жидкостью с помощью форсунок или загрязнения осаждаются на пленку жидкости, которая подается на внутренние поверхности камеры. Твердые частицы загрязнений захватываются мельчайшими каплями жидкости и выводят их из запыленного потока. Прилипшие на мокрые поверхности загрязнения смываются жидкостью в дренажную систему. К аппаратам мокрой очистки относятся скрубберы, трубы Вентури, динамические промыватели. Мокрая очистка актуальна для предприятий, на которых существует система очистки воды, при ее отсутствии лучше предусмотреть сухой метод обеспыливания рабочего потока.

В современной промышленности применяют пять основных видов очистки дымовых газов:

• абсорбция (физическая или химическая) – основой метода является подбор жидкости, при прохождении которой загрязнения растворяются в ней (физическая абсорбция) или вступают с ней в химическую реакцию с образованием новых веществ (химическая абсорбция);
• адсорбция – процесс диффузии с образованием повышенной концентрации отделяемых газов на границе раздела фаз при связывании загрязняющих веществ на поверхности жидкого или твердого соединения (активный уголь, силикагель, цеолиты, синтетические смолы);
• конденсация – метод для применения в среде углеводородов или других органических соединений, когда система содержит пары веществ при температуре, очень близкой к точке росы;
• дожигание – термическое окисление газов до образования безвредных соединений (СО₂, Н₂О);
• химический метод – нейтрализация вредных веществ путем химической реакции с другими элементами.

В зависимости от условий эксплуатации и состава очищаемого потока газа методы могут комбинироваться.

Фильтры дымовых газов: Электрофильтры, Циклоны, Скрубберы

Основными устройствами для очистки дымовых газов от золы, пыли, твердых неслипающихся веществ на крупных производственных предприятиях являются циклоны, скрубберы, электрические и рукавные фильтры. В зависимости от вида загрязнений, концентрации и объема выбросов такие аппараты могут использоваться в качестве основной или дополнительной (второй) ступени очистки.

В циклонах очистка происходит за счет воздействия на запыленный поток центробежной и инерционной сил. Загрязненный газ поступает в цилиндрический корпус через спиральный патрубок, который закручивает поток вокруг вертикальной оси. Частицы пыли отбрасываются к стенкам корпуса и продолжают движение в нижнюю коническую часть циклона. Направление движения потока в нижней части резко меняется на 180°, чистый воздух выходит в вертикальный патрубок, а пыль оседает в нижнюю часть корпуса и далее в накопительный бункер.

Скрубберы могут иметь различную конструкцию, но основным отличием таких аппаратов является орошение внутренних поверхностей для связывания частиц загрязнений. Пыль оседает на мокрую поверхность или удаляется мельчайшими каплями жидкости, которую подают давлением форсунки. Все загрязнения смываются в дренаж и транспортируются в систему очистки. Для нейтрализации определенных вредных газов или химических веществ в скрубберах возможно применение в качестве жидкостей различных химических растворов.

Принцип работы электрических фильтров основан на движении заряженных частиц загрязнений в электрическом поле к электродам, которые имеют противоположный заряд. Процесс характеризуется небольшим удельным сопротивлением движению потока газов и высокой степенью очистки. Наибольшее распространение получили трубчатые и пластинчатые модели фильтров. В первом случае запыленный поток проходит вертикально через полые (трубчатые) электроды, по оси которых расположены коронирующие проводники. Во втором случае электроды изготовлены в виде пластин, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга в несколько рядов. Проходя через коронный разряд, образующийся между электродами, частицы загрязнений получают ионы противоположного значения, которые заставляют двигаться пыль к электродам. Для поддержания эффективности электроды периодически встряхиваются.

Очистка дымовых газов от оксидов азота, оксидов серы, золы, твердых частиц

Основными источниками загрязнения окружающей среды являются энергетика (тепловые станции), черная и цветная металлургия, химические предприятия. Распространенным способом очистки отходящих газов от диоксида серы в сфере энергетики и металлургии является многоступенчатая система с применением абсорбера в виде суспензии извести СаО с концентрацией 100-150 г/л и суспензии известняка СаСО₃. В этой схеме первоначальная очистка дымовых газов от золы осуществляется электрическим фильтром. Далее газовый поток дымососом направляется в форсуночный абсорбер первой ступени и после во второй абсорбер. Суспензия известняка в абсорберы подается циркуляционными насосами с орошением многочисленных ярусов. В результате диоксид серы преобразуется в CaSO₄. Степень очистки от диоксида серы в таком процессе доходит до показателя 90-98%.

Похожая система осуществляется с применением поглотителя в виде водного раствора аммиака. В схему включены скруббер, два холодильника, поглотительная башня, отгонная колонна, выпарные аппараты, кристаллизатор, центрифуга.

Оксиды азота (NO, NO₂) крайне негативно влияют на человека: при попадании в организм действуют на нервную систему, при высокой концентрации разрушает кровь, преобразуя оксигемоглобин в метгемоглобин, разрушает слизистую оболочку легких. Основными источниками являются предприятия, производящие азотную кислоту, удобрения, боеприпасы, котлоагрегаты сжигающие топливо, газотурбинные двигатели, ТЭС.

Различают два вида решения проблемы уменьшения выбросов оксидов азота:

• очистка выбросов (окислительный, восстановительный, сорбционный способы);
• подавление процесса образования в устройствах.

Окислительный способ состоит в окислении азотистых соединений до N₂O₃ с последующим поглощением различными сорбентами. Восстановительный способ подразумевает восстановление каталитическим или термическим методом до нейтральных соединений. Сорбционный вариант основан на взаимодействии окислов с растворами щелочей, сульфатов или хлоридов железа, сульфатов никеля. Сорбционный способ для очистки дымовых газов с содержанием малореакционного NO малопригоден.

Установки очистки дымовых газов металлургических печей

Основной установкой для очистки газов в металлургической промышленности является скруббер (труба Вентури). Способ основан на орошении отходящих газов жидкостью с различным углом от плоскости движения потока. Конструкция трубы Вентури представляет собой два конуса, соединенных между собой узкими частями. При прохождении поочередно узкой и широкой части скруббера скорость потока газов меняется, что позволяет эффективно впрыскивать жидкость и распределять ее на максимальный объем. Загрязнения в виде пульпы удаляются через шламопровод. Выделяющийся при металлургических процессах оксид углерода СО (угарный газ) выводится через дымоход (свеча), где в определенном месте автоматически поджигается, превращаясь в безвредный СО₂.