Способ очистки газов от токсичных примесей

 

Изобретение относится к технологиям очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных летучих органических соединений. Очистку отходящих газов от токсичных примесей осуществляют в циклическом режиме, причем цикл состоит из двух стадий, на первой из которых проводят адсорбцию имеющихся в очищаемом газе токсичных 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 токсичных примесей, а на второй проводят окисление адсорбированных на первой стадии в слое катализатора токсичных примесей, пропуская через него кислородсодержащий газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных токсичных примесей, а по крайней мере на второй стадии цикла газ пропускают через слой катализатора поочередно в прямом и обратном направлениях и в начале этой стадии цикла пропускаемый через слой катализатора кислородсодержащий газ нагревают в центральной части слоя, изменяя направления его пропускания по достижении 0-200°С в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-30% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ, а по достижении максимальной температуры в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных на первой стадии цикла в слое катализатора токсичных примесей нагревание кислородсодержащего газа прекращают, изменяя направление его пропускания через слой катализатора по достижении 200-800°С в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-20% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. Изобретение позволяет повысить степень очистки отходящих газов. 6 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к технологиям очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных летучих органических соединений, а также соединений, содержащих азот, серу, галогены и другие вредные вещества, и может быть использовано в химической, нефтехимической, деревообрабатывающей, мебельной, машиностроительной, а также в других отраслях промышленности.

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

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

Так, известен способ очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных органических примесей, основанный на проведении реакции окисления их кислородом при пропускании очищаемого газа через неподвижный слой зернистого катализатора [Термические методы обезвреживания отходов. - Л. : "Химия", 1975, стр. 25-40]. 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 токсичных примесей.

Известен также адсорбционно-каталитический способ очистки отходящих газов от токсичных хлорорганических веществ [А.с. СССР N 1674933, МПК В 01 D 53/36, Опубл. 07.09.91] , осуществляемый циклически в две последовательные стадии. На первой стадии цикла очищаемые газы пропускают через слой катализатора в режиме адсорбции до проскока примесей через катализатор. На второй стадии цикла поднимают температуру в слое катализатора до 350-400^oC, при этом происходит окисление адсорбированных примесей. Этот способ обеспечивает высокую степень очистки отходящих газов с низкими исходными концентрациями примесей, однако он также энергоемок, для быстрого подъема температуры требуется мощный источник тепловой энергии, и, кроме того, способ имеет прерывистый характер.

Известен также адсорбционно-каталитический способ очистки отходящих газов от токсичных органических примесей [Патент США N 4234549, МПК В 01 D 53/42] , основанный на циклическом осуществлении процесса очистки, причем цикл включает две последовательные стадии. Первая стадия цикла заключается в предварительном накоплении имеющихся в очищаемом газе токсичных 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 токсичных 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 на время осуществления второй стадии прерывается. Этот способ по наибольшему с заявляемым количеству сходных признаков принят за прототип изобретения.

Предлагаемое изобретение решает задачу снижения энергозатрат на очистку газов с низкими концентрациями токсичных примесей при высокой степени очистки. Дополнительно изобретение решает задачу проведения непрерывной очистки от токсичных примесей отходящих очищаемых газов.

Поставленная задача решается тем, что очистку отходящих газов от токсичных примесей осуществляют в циклическом режиме, причем цикл состоит из двух стадий, на первой из которых проводят адсорбцию имеющихся в очищаемом газе токсичных 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 токсичных примесей, а на второй проводят окисление адсорбированных на первой стадии в слое катализатора токсичных примесей, пропуская через него кислородсодержащий газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных токсичных примесей, а по крайней мере на второй стадии цикла газ пропускают через слой катализатора поочередно в прямом и обратном направлении и в начале этой стадии цикла пропускаемый через слой катализатора кислородсодержащий газ нагревают в центральной части слоя, изменяя направления его пропускания по достижении 0-200^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-30% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ, а по достижении максимальной температуры в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных на первой стадии цикла в слое катализатора токсичных примесей нагревание кислородсодержащего газа прекращают, изменяя направление его пропускания через слой катализатора по достижении 200-800^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-20% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ.

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 токсичных 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 содержащихся в нем примесей кислородом. Значения указанной температуры определяются химической природой подлежащих адсорбции токсичных 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 токсичных примесей, загрузки и типа используемого катализатора, вида и адсорбционных характеристик присутствующих примесей по отношению к используемому катализатору и пр., как правило, 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 токсичных примесей. Для этого через слой катализатора пропускают кислородсодержащий газ, поддерживая температуру в слое катализатора не ниже характерной температуры начала окисления адсорбированных примесей кислородом. Достижение этой температуры обеспечивают тем, что холодный после завершения стадии адсорбции слой катализатора в начале второй стадии нагревают известными методами путем нагрева кислородсодержащего газа в центральной части слоя катализатора, изменяя при этом направление пропускания через него кислородсодержащего газа на противоположное по достижении 0-200^oC в сечении, находящемся на расстоянии 0-30% от длины слоя катализатора от его торца, из которого при этом выходит газ. Сочетание нагревания слоя в центре и периодических изменений направления пропускания кислородсодержащего газа через него на противоположное позволяет максимально эффективно использовать энергию, расходуемую на нагрев слоя. Постепенный разогрев слоя катализатора при этом происходит от центра к торцам. При этом в центральной части слоя катализатора также происходит частичная десорбция адсорбированных примесей с их последующей адсорбцией на более холодных торцах слоя катализатора. Периодические изменения направления пропускания кислородсодержащего газа, производимые вышеописанным способом, позволяют избежать избыточного нагрева торцов слоя катализатора и тем самым не допустить попадание десорбируемых примесей в выходящий из слоя катализатора кислородсодержащий газ, сохраняя высокую степень очистки.

Далее, по достижении температуры в слое катализатора выше требуемой температуры начала окисления адсорбированных на первой стадии цикла в слое катализатора токсичных примесей нагревание слоя прекращают. Кислородсодержащий газ подают в слой катализатора без предварительного подогрева. Протекающие при этом экзотермические реакции окисления кислородом токсичных примесей снабжают дополнительным теплом слой катализатора. В результате в нем образуется высокотемпературная зона, дрейфующая в направлении пропускания газа, а пропускаемый через слой кислородсодержащий газ разогревается по мере прохождения им слоя до температуры окисления токсичных 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 токсичных примесей аккумулируется в слое катализатора и расходуется на нагревание поступающего в него холодного кислородсодержащего газа, за счет чего происходит поддержание в слое катализатора характерной температуры окисления адсорбированных примесей кислородом. Изменение направления пропускания кислородсодержащего газа через слой катализатора производят по достижении 200-800^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-20% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. Это обеспечивает прохождение высокотемпературной зоны по всей длине слоя и, соответственно, полную регенерацию поверхности катализатора в слое.

Таким образом, эффективное использование энергии при предварительном нагреве слоя катализатора до характерной температуры окисления адсорбированных примесей кислородом и прекращение нагрева по достижении этой температуры приводят к тому, что энергозатраты на осуществление очистки газов в целом значительно ниже, чем в известных способах. Кроме того, периодические изменения направления пропускания кислородсодержащего газа, производимые вышеописанным способом, позволяют избежать десорбцию примесей и тем самым обеспечить высокую степень очистки очищаемых газов без использования дополнительных устройств для улавливания десорбируемых примесей.

В качестве кислородсодержащего газа используют воздух или смесь очищаемого газа и воздуха - в случаях, если в очищаемых газах не содержится кислород, или сами очищаемые газы - в случае, если в них содержится кислород. При использовании смеси очищаемого газа и воздуха или кислородсодержащего очищаемого газа процесс очистки газов протекает в непрерывном режиме, так как наряду с окислением адсорбированных токсичных примесей в слое катализатора одновременно протекает окисление примесей, содержащихся в самом очищаемом газе. На стадии окисления образуются нетоксичные вещества, такие, например, как диоксид углерода, молекулярный азот, пары воды и др., которые выбрасывают в атмосферу вместе с 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, как правило, 0,5-5 ч. При этом не требуется источника большой мощности, для разогрева слоя катализатора.

Эффективность очистки отходящих газов от токсичных примесей может быть повышена посредством снижения сопутствующего явления десорбции адсорбированных в слое катализатора токсичных 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. Токсичные 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.

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 направлениях. 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 токсичных примесей в центральной области слоя катализатора и позволяет увеличить эффективность очистки газов за счет снижения десорбции токсичных примесей, характеризующихся недостаточной способностью к необратимой 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, росту гидравлического сопротивления и др.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить очистку отходящих газов от токсичных примесей адсорбционно-каталитическим методом с низкими энергозатратами, высокой степенью очистки 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 изменяют на противоположное по достижении 50^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 15% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. После достижения температуры в центральной части слоя катализатора около 260-290^oC начинается интенсивное окисление адсорбированного стирола с выделением большого количества тепла. При этом нагрев газов в центральной части слоя прекращают. Направление пропускания очищаемого газа изменяют на противоположное по достижении 500^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 5% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. 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 стадию.

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

Пример 2. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Направление пропускания кислородсодержащего газа при предварительном нагреве слоя изменяют на противоположное по достижении 100^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 15% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. Средняя степень очистки отходящих газов снижается до 98,0%, энергозатраты возрастают до 1,2 ккал/м³.

Пример 3. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Направление пропускания кислородсодержащего газа при предварительном нагреве слоя изменяют на противоположное по достижении 100^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 5% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. Средняя степень очистки отходящих газов снижается до 95,0%, энергозатраты возрастают до 1,8 ккал/м³.

Пример 4. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Направление пропускания очищаемого газа после достижения характерной температуры начала окисления адсорбированного стирола изменяют на противоположное по достижении 200^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 5% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. В результате катализатор в торцах слоя не регенерируется, что приводит к снижению степени очистки в последующих циклах.

Пример 5. Очистку осуществляют аналогично примеру 1. Направление пропускания очищаемого газа после достижения характерной температуры начала окисления адсорбированного стирола изменяют на противоположное по достижении 550^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 5% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ. В результате существенных потерь тепла высокотемпературной зоны процесс окисления адсорбированного стирола затухает и слой катализатора не регенерируется.

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 99,0%.

Пример 8. Очистку осуществляют аналогично примеру 6. Чередование торцов при вводе воздуха проводят через каждые 120 мин. Степень очистки снижается до 98,0%.

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 токсичных примесей, включающий осуществление циклического процесса, состоящего из двух стадий, на первой из которых проводят адсорбцию имеющихся в очищаемом газе токсичных 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 токсичных примесей, а на второй проводят окисление адсорбированных на первой стадии в слое катализатора токсичных примесей, пропуская через него кислородсодержащий газ и поддерживая при этом температуру в слое катализатора выше температуры окисления токсичных примесей, отличающийся тем, что по крайней мере на второй стадии цикла направление пропускания газа через слой катализатора периодически изменяют на противоположное, причем в начале второй стадии цикла пропускаемый через слой катализатора кислородсодержащий газ нагревают в центральной части слоя, изменяя направление его пропускания по достижении 0-200^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-30% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ, а по достижении максимальной температуры в слое катализатора выше температуры начала окисления адсорбированных на первой стадии цикла в слое катализатора токсичных примесей нагревание кислородсодержащего газа прекращают, изменяя направление его пропускания через слой катализатора по достижении 200-800^oC в сечении слоя катализатора, находящегося на расстоянии 0-20% от его длины от торца слоя, из которого при этом выходит газ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую стадию цикла проводят в течение 10-2500 ч, а вторую - в течение 0,5-5,0 ч.

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

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на второй стадии цикла в качестве кислородсодержащего газа через слой катализатора пропускают кислородсодержащий очищаемый газ.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на второй стадии цикла в качестве кислородсодержащего газа через слой катализатора пропускают смесь воздуха и очищаемого газа.

6. Способ по п.1 или 2, 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 так, чтобы обеспечить его прохождение от центра слоя к его торцам.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что по крайней мере на одной стадии цикла с одного из торцов слоя катализатора в слой катализатора подают воздух, поддерживая при этом его расход на уровне 3-30% от расхода очищаемого газа.