Основные методы газовых выбросов на промышленных предприятиях

Существенный вклад в антропогенную эмиссию оксидов азота в атмосферу вносят энергетические установки, генерирующие энергию за счёт сжигания различных видов топлива. К настоящему времени разработан и в значительной части реализован целый ряд технологических мероприятий по снижению содержания этих компонентов в отходящих дымовых газах. К числу таких мероприятий следует, прежде всего, отнести[5; 6; 8]:

- внедрение режимов с малыми значениями коэффициента избытка воздуха;

- рециркуляция дымовых газов через горелки в смеси с воздухом;

- двухступенчатое сжигание топлива, что может быть реализовано в конструкции горелок или в топке в целом;

- трехступенчатое сжигание топлива;

- применение специальных горелок;

- впрыск воды;

- двухсветные экраны;

- специальные методы сжигания (например, кипящий слой, вихревые низкоэмиссионные технологии);

- снижение температуры горячего воздуха.

Однако, как показывают приведённые выше данные Государственных докладов, эффективность этих мероприятий явно недостаточна. При этом планируемое в рамках энергетической стратегии России до 2020 года увеличение производства электроэнергии на тепловых электростанциях на 36-47% неизбежно приведёт к существенному росту выбросов оксидов азота.

В этой связи всё более актуальной становится задача совершенствования действующих и разработки новых технологий очистки отходящих дымовых газов от этих компонентов.

Выполненный в рамках настоящих исследований аналитический обзор свидетельствует о том, что сегодня приоритетными методами снижения концентрации оксидов азота в отходящих дымовых газах теплотехнических установок являются их некаталитическое и каталитическое восстановление.

Некаталитические процессы осуществляются с применением восстановительных агентов различного состава. Первоначально в этом качестве широко использовали аммиак, что определяло значительную экологическую опасность технологии, поскольку помимо хранения и транспортировки этого высокотоксичного реагента необходимы высоконадежные методы дозирования, точного контроля и последующей деструкции. В последние годы внимание, в частности, привлекают восстановители, получаемые на основе карбамида. Так, разработан процесс, включающий обработку потока дымовых газов в их высокотемпературной зоне 700-1200°С газообразной восстановительной смесью, предварительно полученной путем термического разложения твердого карбамида вне зоны обработки очищаемых газов и подаваемой в зону очистки газом носителем. В предложено применять в качестве восстановительного агента водные растворы карбамида, карбоната аммония и их смеси. Возможно понижение температуры обрабатываемых газов до 200-700°С при использовании восстановителя, полученного совместным термическим разложением карбамида и перекиси водорода. Разработан также двухстадийный процесс восстановления оксидов азота, в первой высокотемпературной стадии которого осуществляется восстановление карбамидом при температуре 900-1000°C. А во второй, низкотемпературной стадии с использованием карбамида, активированного добавкой АГ-1, при температуре 350-500°C, происходит доочистка газов от остаточных оксидов азота. Такая организация процесса имеет ряд важных преимуществ: увеличивается суммарная эффективность восстановления по сравнению с эффективностью отдельных стадий очистки, существенно уменьшается жесткая зависимость эффективности процесса от колебаний температуры в высокотемпературной стадии [7].

С начала 90-х годов ХХ века, когда в работах Held и Iwamoto была открыта принципиальная возможность селективного каталитического восстановления оксидов азота углеводородами в кислородсодержащей среде, в России и во всем мире интенсивно ведутся разработки катализаторов и условий реализации этой технологии . Сегодня известны сотни публикаций и патентов по этой проблеме. Наибольшую активность для реакции восстановления оксидов азота демонстрируют катализаторы, содержащие металлы платиновой группы. Основным их недостатков является высокая стоимость. Поэтому усилия исследователей направлены на поиск иных более дешевых катализаторов. Выполненные системные исследования механизма катализа при восстановлении оксидов азота углеводородами в избытке кислорода позволили разработать каталитические композиции на основе катионов Cu, Co, Ni и Fe, в том числе, промотированных Ag или Pt, нанесенных на высококремнистые цеолиты, природные глины, обладающие высокой активностью и селективностью по отношению к целевой реакции. В [9] исследован Cu-Cr катализатор и получено кинетическое описание восстановления оксидов азота метаном и водородом. Авторами [10] разработана каталитическая система, содержащая Ni, Cu с добавками Mn, Co и Pd (0,2%), обладающая высокой прочностью, достаточным сроком службы и активностью, сопоставимой с палладиевым катализатором.

Ряд исследований посвящены изучению возможности использования известных промышленных катализаторов для решения проблемы очистки газовых выбросов от оксидов азота. Так, в при изучении селективного восстановления оксидов азота пропаном на механической смеси промышленных катализаторов НТК-10-1 и СТК был обнаружен эффект синергизма. Проведенные исследования механизма процесса позволили предложить эффективные промышленные нейтрализаторы для локальных энергетических установок на основе доступных промышленных катализаторов, не содержащих благородных металлов. В работе представлены экспериментальные данные по восстановлению оксидов азота оксидом углерода в присутствии промышленных катализаторов АПК-2 и ГИАП-3.

Особый интерес представляют разработанный новый нанесенный оксокомплексный нанокатализатор на блочных носителях, обеспечивающие безрегентную каталитическую очистку от оксидов азота по механизму

диссоциативного разложения на атомарно-диспергированных металлических активных центрах [11; 12].

Принципиально иной способ освобождения дымовых газов от оксидов азота предложен В. С. Ежовым в [13]. Разработанный процесс включает смешение дымовых газов с озоновоздушной смесью и окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV), охлаждение до температуры ниже температуры точки росы, конденсацию водяных паров и абсорбцию оксида азота (IV). Образующийся кислый конденсат направляют для очистки от кислотных компонентов в утилизатор, где осуществляется ступенчатое вымораживание воды холодным воздухом при температуре ниже нуля и отделение раствора азотной кислоты, являющейся целевым продуктом в этом процессе.

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы, в которых применяется оптимальное для каждого конкретного случая сочетание грубой, средней и тонкой очистки газов и паров. На первых стадиях, когда содержание токсичной примеси велико, более подходят абсорбционные методы, а для доочистки — адсорбционные или каталитические.

Наиболее надежным и самым экономичным способом охраны биосферы от вредных газовых выбросов является переход к безотходному производству, или к безотходным технологиям. Термин «безотходная технология»  впервые предложен академиком Н.Н. Семеновым. Под ним подразумевается создание оптимальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов и не должно потреблять воду из природных водоемов.

Конечно же, понятие «безотходное производство» имеет несколько условный характер; это идеальная модель производства, так как в реальных условиях нельзя полностью ликвидировать отходы и избавиться от влияния производства на окружающую среду. Точнее следует называть такие системы малоотходными, дающими минимальные выбросы, при которых ущерб природным экосистемам будет минимален.

В настоящее время определилось несколько основных направлений охраны биосферы, которые в конечном счете ведут к созданию безотходных технологий:

1)    разработка и  внедрение принципиально новых  технологических процессов и  систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов;

2)    создание бессточных  технологических систем и водооборотных  циклов на базе наиболее эффективных  методов очистки сточных вод;

3)    переработка  отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья;

4)    создание территориально-промышленных  комплексов с замкнутой структурой  материльных потоков сырья и  отходов внутри комплекса.

Разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов, является основным направлением технического прогресса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

1.    Кузнецов В.В., Усть-Качкинцов В.Ф. Физическая и коллоидная химия. Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. школа, 2003. – 277 с.: ил.

2. Основы химической технологии: Учебник для студентов хим.-технол.спец. вузов / И.П. Мухленов, А.Е. Горштейн, Е.С. Тумаркина; Под ред. И.П. Мухленова. – 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 2004. – 463 с.: ил.

3.    Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология: Учебник, 4-е изд.: перераб. и доп. — М.: Изд-во МГУ,2006. – 520 с.: ил.

4. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году [Электронный ресурс]: Государственный доклад. URL: http://mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1266

5. Котлер В. Р., Штегман  А. В. Успешный опыт снижения выбросов NOx на угольных электростанциях США // Энергохозяйство за рубежом. 2006. № 4. С. 36-39.

6. Котлер В. Р., Штегман  А. В., Сосин Д. В. Некоторые аспекты снижения выбросов оксидов азота на угольных котлах тепловых электростанций // Международная научно-техническая конференция «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля»: сборник докладов и тезисов. М., 2009. С. 287-293.

7. Метод трехступенчатого сжигания как средство защиты атмосферы от выбросов NOx // Экологические производства. 2006. № 3. С. 13-15.

8. Кулиш О. Н., Кужеватов С. А., Орлова М. Н., Иванова Е. В. Перспективы применения технологии некаталитического восстановления оксидов азота для очистки дымовых газов стационарных топливоиспользующих агрегатов // Чистый город. 2009. № 4. С. 17-23.

9. Власов Е. А. Каталитическое восстановление оксида азота водородом и метаном // Вестник ИНЖЭКОНа. 2009. № 8.С. 87-94.

10. Моисеев М. М., Ефремов В. Н., Голосман Е. З., Леонов В. Т. Катализаторы очистки отходящих газов от оксидов //Теория и практика массообменных процессов химической технологии: тезисы докладов 3-й всероссийской научной конференции. Уфа, 2006. С. 119-120.

11. Газаров Р. А., Широков В. А., Газаров К. Р., Румянцева Н. А., Славин С. И. Новый каталитический безреагентный метод очистки оксидов азота в отходящих газах газоперекачивающих агрегатов КС // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 1. С. 12-16. Издательство 126 «Грамота» www.gramota.net

12. Газаров Р. А., Широков В. А., Славин С. И., Русакова В. В., Лобанова Т. П., Арбузов Ю. А. Новый каталитический безреагентный метод очистки оксидов азота в отходящих газах газоперекачивающих агрегатов КС // Наука и техника в газовой промышленности. 2009. № 2. С. 24-32, 117.

13. Ежов B. C. Получение азотной кислоты при очистке дымовых газов теплогенераторов от оксидов азота // Экология и промышленность России. 2010. Апрель. С. 7-9.