Высокотемпературное обезвреживание газовых выбросов

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда очищаемые газы обладают значительной энергией - теплотой сгорания, достаточной для поддержания горения.

Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Этот метод применим практически для обезвреживания любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения.

Огневой обработкой, как и термокаталитическим окислением, принципиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содержат каких-либо других элементов, кроме водорода, углерода и кислорода. Это следующие химические соединения: водород Н₂, оксид углерода СО, углеводороды С_mН_n и кислородные производные углеводородов С_mН_nО_p. Посредством сжигания возможно обезвреживание перечисленных веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях, диспергированных или компактных, а посредством термокаталитического окисления - только в газообразном. Термокатализ неприемлем и для обработки газов (паров) высокомолекулярных и высококипящих соединений, которые, плохо испаряясь с катализатора, коксуются и "отравляют" его.

Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О, - серу, фосфор, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокислительную обработку, так как продукты сгорания будут содержать высокотоксичные соединения. В реальных условиях и при сжигании чисто органических соединений не удается обеспечить абсолютно полное окисление исходных компонентов до практически безвредных углекислого газа (СO₂) и паров воды (Н₂O). В дымовых газах всегда присутствуют оксид углерода (СО) и другие продукты химического недожога (неполного окисления). Кроме того, при повышенных температурах заметно ускоряется реакция окисления азота, который поступает в зону горения с топливом и воздухом. Некоторые оксиды азота оказывают вредное воздействие на организм человека и окружающую среду. Горючее вещество отбросных газов состоит в основном из трех элементов - углерода, водорода и серы.

Горение - это быстрое соединение кислорода с горючими элементами, сопровождающееся выделением теплоты. Каждый процесс горения требует:

достаточного времени для завершения химических реакций; достаточной температуры для нагрева газовых выбросов до последовательных стадий разложения и до загорания углерода и водорода;

достаточной турбулентности для смешивания кислорода и горючих элементов и обеспечения полного сгорания.

При горении протекают следующие основные реакции:

Углерод до диоксида углерода СО + O₂ → СO₂ + тепло

Углерод до оксида углерода 2С + O₂ → 2СО + тепло

Оксид углерода до диоксида углерода 2СО + O₂ → 2СO₂ + тепло

Водород до водяного пара 2Н₂ + O₂ → 2Н₂O + тепло

Сера до диоксида серы S + O₂ → SO₂ + тепло

Когда температура воспламенения превышена, реакция дает больше тепла, чем теряется в окружающую среду, и горение становится самоподдерживающимся. Температура воспламенения возрастает в ряду газообразное топливо - жидкое топливо - уголь. Теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющейся при сгорании единицы топлива, зависит от химического соединения, которое сжигается. В идеале топливо данной массы соединяется со стехиометрическим количеством кислорода, давая продукты сгорания.

Газообразное топливо легко смешивается с воздухом и не требует подготовки. Когда воздух и газ перемешаны до воспламенения, горение протекает путем гидроксилирования в голубом пламени. Крекинг, или горение желтым пламенем, протекает, когда кислород добавлен к газу, после того как оба компонента нагреты. В желтом пламени могут образовываться сажа и пироуглерод, если присутствует недостаточно кислорода или если горение прекращено преждевременно.

Природный газ, в основном метан, является преобладающим газообразным топливом, используемым в настоящее время. Теплота сгорания его лежит в пределах (3,4...4,5)·10⁵ Дж/м³.

Другими газообразными топливами являются газовый конденсат, нефтяные газы, доменный газ, ацетилен, водород и спутные газы, состав которых зависит от типа производства Почти во всех процессах горения используется воздух, а не чистый кислород. Количество воздуха, используемого в системе сжигания, зависит от количества кислорода, требуемого для полного сгорания, и от степени смешения. При идеальном смешении теоретическое отношение воздуха к топливу обеспечивает полное сгорание, однако смешение никогда не бывает идеальным и для полного сгорания требуется избыточный воздух.

При увеличении избыточного воздуха уменьшается количество несгоревшего топлива и увеличивается эффективность сгорания, но при этом разбавляются и охлаждаются продукты горения. При этом имеется точка, за которой при дальнейшем увеличении избытка воздуха теряется с отходящими газами больше теплоты, чем создается за счет высвобождения при сгорании. Эта точка называется точкой максимальной общей тепловой эффективности.

При обработке горючих газов для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание, однако применение этого метода затруднено тем, что концентрация органических примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низка.

Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до СO₂ и Н₂O. В ходе процесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например галоген- и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков.

Для того чтобы нагреть такие большие количества воздуха до температур, при которых проводится дожигание, расходуется очень большое количество энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием. Обрабатываемые газы пропускают через слой адсорбента, а насыщенный адсорбент продувают воздухом, который затем поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию загрязнителя в 40 раз.