Способ очистки отходящих газов от органических примесей

 

Использование: касается очистки отходов газов промышленных предприятий от токсичных летучих органических соединений. Сущность: способ включает осуществление циклического процесса, состоящего из стадии адсорбции органических примесей в слое катализатора при температуре ниже температуры начала каталитического окисления адсорбированных примесей при температуре выше или равной температуре начала глубокого окисления, причем процесс осуществляют при периодическом изменении направления движения газовой реакционной смеси через слой катализатора, первую стадию осуществляют в течение 10-2500 ч, а вторую - в течение 0,5-5 ч. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологиям очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных летучих органических соединений и может быть использовано в химической, нефтехимической, деревообрабатывающей, мебельной промышленности, машиностроении, а также в других отраслях промышленности.

Существующие способы очистки отходящих газов промышленных предприятий от органических примесей можно разделить на следующие группы: конденсационные, абсорбционные, биохимические, мембранные, термические и каталитические.

Для очистки отходящих газов, содержащих низкие концентрации органических примесей, наиболее эффективным и экономичным способом является окисление примесей кислородом воздуха в присутствии катализатора до экологически безопасных продуктов диоксида углерода и воды.

Так, известен способ очистки отходящих газов промышленных предприятий от органических примесей, основанный на проведении реакции окисления их кислородом при пропускании очищаемого газа через неподвижный слой зернистого катализатора [1] Этот способ характеризуется высокой эффективностью очистки, однако требует постоянного подогрева очищаемых газов перед подачей их в слой катализатора до температуры протекания реакции окисления до 200-400^oC, что обуславливает высокую энергоемкость этого способа, в особенности при очистке газов с низким содержанием примесей.

Известен также адсорбционно-каталитический способ очистки отходящих газов от органических примесей [2] основанный на циклическом осуществлении процесса очистки, включающем две последовательные стадии. Первая стадия цикла заключается в предварительном накоплении имеющихся в очищаемом газе органических примесей в слое катализатора. Накопление происходит за счет адсорбции и/или хемосорбции при пропускании очищаемых газов через слой катализатора при температуре ниже характерной температуры начала окисления этих примесей. Вторая стадия цикла заключается в окислении адсорбированных в слое катализатора органических примесей. Окисление происходит при пропускании через слой катализатора воздуха, нагретого до температуры выше характерной температуры начала глубокого окисления адсорбированных примесей. Этот способ обеспечивает высокую степень очистки отходящих газов с низкими исходными концентрациями примесей, при этом он существенно менее энергоемок по сравнению с вышеописанным способом. В то же время энергозатраты при проведении второй стадии цикла достаточно велики, так как температуру в слое катализатора на уровне характерной для протекания реакции окисления адсорбированных примесей требуется поддерживать в течение длительного, до 10 ч, времени. Также способ характеризуется периодичностью очистки отходящих газов, так как она происходит только на первой стадии цикла, а во время второй стадии нет. Этот способ по наибольшему с заявляемым количеству сходных признаков принят за прототип изобретения.

Изобретение решает задачу снижения энергозатрат на очистку газов с низкими концентрациями органических примесей при высокой степени очистки. Дополнительно изобретение решает задачу проведения непрерывной очистки от органических примесей кислородсодержащих отходящих газов.

Поставленная задача решается тем, что очистку отходящих газов от органических примесей осуществляют в циклическом режиме, причем цикл состоит из двух стадий, на первой из которых в течение 10-2500 ч проводят адсорбцию имеющихся в очищаемом газе органических примесей в слое катализатора, пропуская через него очищаемый газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора ниже температуры начала окисления имеющихся в очищаемых газах органических примесей, а на второй в течение 0,5-5 ч проводят окисление адсорбированных на первой стадии в слое катализатора органических примесей, пропуская через него кислородсодержащий газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора не ниже температуры начала окисления адсорбированных органических примесей, причем, по крайней мере, на второй стадии газ пропускают через слой катализатора поочередно в прямом и обратном направлении.

На первой стадии цикла, называемой стадией адсорбции, очищаемые отходящие газы пропускают через слой катализатора без подогрева. При этом в слое катализатора происходит адсорбция и/или хемосорбция имеющихся в очищаемом газе органических примесей, за счет чего обеспечивается очистка отходящих газов. Очищенные газы выбрасывают в атмосферу. Степень очистки на стадии адсорбции достигает значений, близких к 100% Для эффективного протекания адсорбции процесс ведут при температуре в слое катализатора ниже характерной температуры начала окисления примесей кислородом. Значения указанной температуры определяются химической природой подлежащих адсорбции органических примесей и типом используемого катализатора и, как правило, находятся в диапазоне 150-400^oC. По мере насыщения адсорбционной емкости катализатора эффективность очистки снижается и в зависимости от расхода отходящих очищаемых газов, концентрации в них органических примесей, загрузки и типа используемого катализатора, вида и адсорбционных характеристик присутствующих примесей по отношению к используемому катализатору и пр. через 10-2500 ч стадию адсорбции завершают. Длительность ее выбирают в указанных пределах, так как при этом обеспечивается оптимальное соотношение энергозатрат, требуемого для проведения процесса количества катализатора и степени очистки.

На второй стадии цикла, называемой стадией окисления, проводят окисление кислородом адсорбированных в слое катализатора органических примесей. Для этого через слой катализатора пропускают кислородсодержащий газ, поддерживая температуру в слое катализатора не ниже характерной температуры начала окисления адсорбированных примесей кислородом. Для обеспечения этой температуры холодный после завершения стадии адсорбции слой катализатора предварительно нагревают, например, путем пропускания через него нагретого любым известным методом кислородсодержащего газа до тех пор, пока температура в слое не достигнет требуемого значения. Далее кислородсодержащий газ подают в слой катализатора без предварительного подогрева. Протекающие при этом экзотермические реакции окисления кислородом органических примесей снабжают дополнительным теплом слой катализатора. В результате в слое образуется высокотемпературная зона, дрейфующая в направлении пропускания газа, а пропускаемый через слой катализатора кислородсодержащий газ разогревается по мере прохождения им слоя до температуры окисления органических примесей. Чтобы удержать высокотемпературную зону в пределах слоя, направление пропускания кислородсодержащего газа через слой катализатора периодически изменяют на противоположное. В таком режиме тепло экзотермической реакции окисления адсорбированных органических примесей аккумулируется в слое катализатора и расходуется на нагревание поступающего в него холодного кислородсодержащего газа, за счет чего и происходит поддержание в слое катализатора характерной температуры окисления адсорбированных примесей кислородом. Иными словами, стадия окисления протекает в автотермичном режиме, поэтому энергозатраты на осуществление очистки газов в целом значительно ниже, чем в известных способах. В качестве кислородсодержащего газа используют воздух в случае, если в очищаемых газах не содержится кислород, или сами очищаемые газы в случае, если в них содержится кислород. В последнем случае процесс очистки становится непрерывным, так как наряду с окислением адсорбированных органических примесей в слое катализатора одновременно протекает окисление примесей, содержащихся в самом газе. На стадии окисления образуются диоксид углерода и пары воды, которые выбрасывают в атмосферу вместе с очищенным кислородсодержащим газом, а также происходит освобождение и реокисление активной поверхности катализатора. Длительность ее в зависимости от расхода кислородсодержащего газа, загрузки и типа катализатора, количества и вида адсорбированных на первой стадии примесей выбирают в диапазоне 0,5-5 ч. При этом не требуется источник большой мощности для разогрева слоя катализатора, а также не возникает явление десорбции при медленном разогревании слоя.

Эффективность очистки отходящих газов от органических примесей может быть повышена посредством снижения сопутствующего явления десорбции адсорбированных в слое катализатора органических примесей. Для этого слой катализатора разделяют на не менее чем две части в сечении, перпендикулярном направлению прохождения газа через слой катализатора. Очищаемый газ на стадии адсорбции пропускают через слой катализатора в направлении от центра к торцам слоя, вводя его между частями слоя. Органические примеси при этом накапливаются преимущественно в центральной области слоя, что существенно снижает вероятность десорбции неокисленных примесей с торцов слоя при проведении стадии окисления адсорбированных примесей. Целесообразно также предварительно нагревать слой катализатора для поддержания на стадии окисления требуемой температуры, нагревая кислородсодержащий газ между частями слоя известными методами. В сочетании с периодическим изменением направления пропускания кислородсодержащего газа через слой катализатора этот прием позволяет существенно повысить эффективность регенерации тепла экзотермической реакции окисления адсорбированных органических примесей в слое катализатора. При этом еще больше снижаются энергозатраты на второй стадии цикла. Зона максимальных температур в слое катализатора формируется в его центральной области, в то время как торцы слоя имеют более низкую температуру, что способствует снижению десорбции адсорбированных органических примесей с торцов слоя.

На первой стадии цикла стадии адсорбции пропускание очищаемого газа через слой катализатора осуществляют либо в постоянном направлении, либо так же, как на второй стадии кислородсодержащего газа поочередно в прямом и обратном направлении. При проведении очистки газов в неразделенном на части слое катализатора направление пропускания очищаемого газа обеспечивают, подавая его с одного из торцов слоя катализатора. При проведении очистки газов в слое катализатора, разделенном на две и более частей, изменение направления пропускания очищаемого газа через каждую из этих частей осуществляют путем дополнительной подачи воздуха попеременно с одного из торцов слоя катализатора, чередуя торцы каждые 5-120 мин. Такой режим также способствует преимущественному накоплению адсорбированных органических примесей в центральной области слоя катализатора и позволяет увеличить эффективность очистки газов за счет снижения десорбции органических примесей, характеризующихся недостаточной способностью к хемосорбции. Расход подаваемого воздуха при этом поддерживают в диапазоне от 3 до 30% от расхода очищаемых газов. Подача воздуха с расходом менее или более указанного интервала не дает существенного эффекта ввиду сопутствующих явлений уменьшения динамической адсорбционной емкости слоя катализатора при разбавлении очищаемого газа, роста гидравлического сопротивления и др.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить очистку отходящих газов от органических примесей адсорбционно-каталитическим методом с низкими энергозатратами, высокой степенью очистки, а в случае, если очищаемые газы содержат кислород, то и непрерывно.

Пример 1. На очистку подают отходящие газы, представляющие собой воздух, содержащий стирол в количестве 50 мг/м³ с температурой 25^oC. Используют при этом слой катализатора, разделенный в сечении, перпендикулярном направлению газового потока, на две равные части. На стадии адсорбции очищаемый газ вводят между частями слоя катализатора, так что он движется в них в направлении от центра слоя к его торцам, и выбрасывают в атмосферу. В слое катализатора протекает очистка газа за счет адсорбции в нем стирола, поэтому концентрация последнего в выбрасываемом в атмосферу очищенном газе не превышает 0,5 мг/м³.

Через 200 ч после начала стадии адсорбции концентрация стирола в очищенном газе увеличивается до 3 мг/м³. После этого стадию адсорбции завершают и начинают стадию окисления адсорбированного в слое катализатора стирола. Для этого начинают пропускать через слой катализатора очищаемый газ, подавая его с торца слоя. Одновременно очищаемый газ нагревают в промежутке между частями слоя катализатора от электрического источника тепла до достижения в слое катализатора температуры 400^oC, после чего нагревание прекращают. Направление пропускания очищаемого газа каждые 20 мин изменяют на противоположное. Окисление адсорбированного в слое катализатора стирола ведут в течение 1,5 ч. При этом концентрация стирола в очищенном газе на выходе из слоя катализатора не превышает 5 мг/м³, максимальная температура в слое катализатора составляет 550^oC.

Далее процесс ведут циклически, последовательно повторяя первую и вторую стадии.

Средняя степень очистки за цикл составляет 98,9% суммарные энергозатраты на проведение очистки 0,85 ккал/м³.

Способ [1] обеспечивает аналогичную степень очистки, но требует больших энергозатрат на осуществление очистки: 35 ккал/м³. Способ [2] менее энергоемок -требуется 3,6 ккал/м³, но он также уступает заявляемому способу по этому показателю и, кроме того, отличается периодичностью действия и, следовательно, более низкой средней степенью очистки (около 95%) за счет того, что во время окисления адсорбированных в слое катализатора примесей стирола очистка отходящих газов не производится.

Пример 2. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Стадию адсорбции проводят в течение 10 ч, стадию окисления адсорбированных примесей стирола - 40 мин. Средняя степень очистки отходящих газов снижается до 98,4% энергозатраты возрастают до 3,2 ккал/м³.

Пример 3. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Стадию адсорбции проводят в течение 2400 ч, стадию окисления адсорбированных примесей стирола 3 ч. За счет проскока примесей после насыщения адсорбционной емкости слоя катализатора средняя степень очистки снижается до 96% Пример 4. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Стадию окисления адсорбированных в слое примесей стирола проводят в течение 30 мин. Максимальная температура в слое катализатора увеличивается до 680^oC (при пределе термостойкости катализатора около 700-750^oC).

Пример 5. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Стадию окисления адсорбированных в слое катализатора примесей стирола проводят в течение 5 ч. Степень очистки отходящих газов снижается до 97,5% энергозатраты возрастают до 3 ккал/м³.

Пример 6. Очистку осуществляют аналогично примеру 1, причем в очищаемых газах вместо стирола содержится ацетон. При ведении процесса в режиме, описанном в примере 1, степень очистки газов снижается до 90% за счет существенных потерь ацетона в результате его десорбции при нагреве слоя катализатора. На стадии адсорбции обеспечивают переменное направление движения очищаемого газа через слой катализатора, попеременно подавая воздух с расходом 10% от расхода отходящих газов то с одного, то с другого торца слоя катализатора, чередуя торцы каждые 25 мин. Степень очистки отходящих газов возрастает до 99,1% Пример 7. Очистку осуществляют аналогично примеру 6. Чередование торцов при вводе воздуха проводят через каждые 5 мин. Степень очистки снижается до 99% Пример 8. Очистку осуществляют аналогично примеру 6. Чередование торцов при вводе воздуха проводят через каждые 120 мин. Степень очистки снижается до 98% Пример 9. Очистку осуществляют аналогично примеру 6. Расход воздуха поддерживают на уровне 3% от расхода отходящих газов. Степень очистки снижается до 98,7% Пример 10. Очистку осуществляют аналогично примеру 6. Расход воздуха поддерживают на уровне 30% от расхода отходящих газов. Степень очистки снижается до 98,5% энергозатраты возрастают до 1,5 ккал/м³.

Формула изобретения

1. Способ очистки отходящих газов от органических примесей, включающий осуществление циклического процесса, состоящего из двух стадий, на первой из которых проводят адсорбцию имеющихся в очищаемом газе органических примесей в слое катализатора, пропуская через него очищаемый газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора ниже температуры начала окисления имеющихся в очищаемых газах органических примесей, а на второй проводят окисление адсорбированных на первой стадии в слое катализатора органических примесей, пропуская через него кислородсодержащий газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных органических примесей, отличающийся тем, что первую стадию цикла проводят в течение 10 2500 ч, а вторую в течение 0,5 5,0 ч, причем по крайней мере на второй стадии цикла газ пропускают через слой катализатора поочередно в прямом и обратном направлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на второй стадии цикла в качестве кислородсодержащего газа через слой катализатора пропускают воздух.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на второй стадии цикла в качестве кислородсодержащего газа через слой катализатора пропускают кислородсодержащий очищаемый газ.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой катализатора в сечении, перпендикулярном направлению пропускания через него очищаемого газа, разделяют на две части, между которыми на первой стадии цикла вводят очищаемый газ таким образом, чтобы обеспечить его прохождение от центра слоя к его торцам.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что на первой стадии цикла с одного из торцов слоя катализатора в очищаемый газ подают воздух, чередуя торцы каждые 5 120 мин и поддерживая при этом расход воздуха на уровне 3 - 30% от расхода очищаемого газа.