ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ГАЗОВ

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ

Метод прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Его используют в тех случаях, когда очищаемые газы обладают значительной энергией - теплотой сгорания, достаточной для поддержания горения.

Достоинства метода:

- простота конструкции аппарата;

- универсальность использования аппарата.

Недостатки:

образование окислов азота (N0, N0₂).

Суть метода:

окисление вредных газов 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.

Для термообезвреживания пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты сгорания (окисления).

Огневой обработкой возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содержат каких-либо других элементов, кроме водорода, углерода и кислорода. Это – водород Н₂, оксид углерода СО, углеводороды С_mН_n и кислородные производные углеводородов С_mН_nО_p.

Загрязнители, содержащие, 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 неполного окисления. Кроме того, из-за реакции окисления азота (присутствует в воздухе) образуются оксиды азота, которые 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; температуры для нагрева газовых выбросов до стадий разложения и до загорания углерода и водорода; турбулентности для смешивания кислорода и горючих элементов и обеспечения полного сгорания.

Когда температура воспламенения превышена и реакция дает больше тепла, чем теряется в окружающую среду, горение становится самоподдержи-вающимся. Теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, зависит от химического соединения, которое сжигается.

В идеале топливо данной массы соединяется со стехиометриическим количеством кислорода, когда воздух и газ перемешиваются до состояния воспламенения, в ерзультате горение протекает в голубом пламени. Крекинг (горение желтым пламенем), протекает, когда кислорода не хватает для полного сжигания топлива, в результате образуется сажа и др.

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. 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.

Установки термообезвреживания газовых выбросов

Газы сжигают на установках с открытым факелом или в печах различных конструкций. Прямое сжигание осуществляют при 700…800°С с использо-ванием газообразного или жидкого топлива. Для сжигания необходим избыток кислорода на 10…15% больше стехиометрического количества.

Газы также сжигают в факеле. Чтобы пламя факела было некоптящим, добавляют воду в виде пара. В этом случае происходит реакция водяного пара с углеводородами, сопровождаемая образованием водорода и оксида углерода. Количество пара в зависимости от концентрации углеводородов колеблется от 0,05 до 0,33 кг/кг.

Если концентрация горючих газов мала и выделяющегося тепла не достаточно для реакции сгорания, то газы предварительно подогревают.

На рис. 7.1…7.3 показаны схемы факельных установок. Уста­новка, представленная на рис.7.1, работает при избыточном давлении 0,15 МПа.

Рис. 1. Установка для факельного сжигания газообразных отходов: 1 – гидрозатвор; 2 – огнепреградитель; 3 – основная горелка; 4 – де­журная горелка; 5 – система зажигания дежурной горелки

Рис. 2 Установка для факельного сжигания газов: 1 – реактор; 2 – эжекционный смеситель; 3 – электрозапал; 4 – дежурная горелка; 5 – основная горелка; 6 – насадка-огнепреградитель

Горение таких газов сопровождается образованием значительного количества технического углерода, поэтому предусмотрена подача пара в газовый поток. Для поджигания основной горелки во всех установках предусмотрена дежурная горелка, работающая на природном газе.

Термоокислительное обезвреживание концентрированных газов про­водится в установках, которые обычно состоят из топочных и горелочных устройств с дымоходами для отвода продуктов сгорания и теплоутилиза-торами.

Схемы термических нейтрализаторов даны на рис. 3. Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать нейтрализацию токсичного продукта.

Для этого время пребывания его в нейтрализаторе составляет 0,1…1,0 сек. Температура сжигания на 100…150 ^оC превышает температуру самовоспла­менения, приведенные в таблице 1.

Рис. 3. Схемы термических нейтрализаторов промышленных отходящих газов:

а - без теплообменника; б - с теплообменником

Таблица1 Температуры самовоспламенения t_e горючих веществ

Конструкции топочных устройств для печей термообезвреживания можно разделить на камерные, циклонные, шахтные и барабанные. Наибо­лее распространены вертикальные и горизонтальные камерные (рис. 7.5, а), а также циклонные горизонтальные (рис. 7.5, б) конструкции.

Рис. 5. Конструкции топочных устройств: а – камерная печь для сжигания газообразных отходов; 1 – корпус печи; 2 – отверстие; 3 – коллектор; 4 – газообразные отходы; 5 – распределитель­ные патрубки; 6 – фронтовая стена; 7 – горелка; 8 – перфорированная стенка; 9 – под; 10 – камера; 11 – камера для утилизации тепла; б – ци­клонная горизонтальная печь; 1 – горелка; 2 – цилиндрическая камера; 3 – патрубки для отбросного газа

В циклонных печах организуется вращательно-поступательное дви­жение продуктов горения, что обеспечивает большее время пребывания обрабатываемых газов, чем в камерных печах таких же габаритов.

Тип горелочного устройства для установок термообезвреживания и схему подвода отбросных газов выбирают в зависимости от их состава.

Га­зовые выбросы с высоким содержанием кислорода, которые могут быть использованы в качестве дутьевого воздуха, выгоднее всего подавать в воздушные тракты дутьевых газогорелочных устройств.

Богатые горючим газовые выбросы с низким содержанием кислорода можно подавать непосредственно в газовые тракты дутьевых горелок.

Горелки инжекционного типа для этих целей практически непри­годны из-за нестабильности состава выбросов. В то же время инжекционные горелки, работающие на топливном газе стабильного состава, находят применение в качестве пилотных устройств. Высокая температура в зоне горения таких горелок обеспечивает термо­окисление загрязнителя при колебаниях состава обрабатываемых газов. Кроме того, они не требуют затрат электроэнергии на подачу воздуха для горения.

Факельная горелка с паровыми дюзами показана на рис. 5, горелка для сжигания галогенсодержащих примесей представ­лена на рис.6.

Такие устройства могут быть эффективно использованы при высоких избытках воздуха, если на обезвреживание поступают горя­чие газовые выбросы

Рис. 7.6. Факельная горелка с паро­выми дюзами: 1 – дежурная горелка2 – воздушная труба; 3 – защитный козырек; 4 – корпус факельной горелки; 5 – па­ровая дюза; 6 – карман для термопа­ры

Рис. 7.7. Горелка для сжигания гало-генсодержащих газов в атмосфере

инертного газа: 1 – внутренний корпус горелки; 2 – отверстие для выхода газообразных отходов; 3 – внешний корпус горел­ки; 4 – отверстие для выхода инерт­ного газа; 5 – канал для смеси инертного газа и газовых отходов; 6 – ввод инертного газа; 7 – игла; 8 – ввод природного газа; 9 – кольцевое пространство для природного газа; 10 – штуцер для подачи инертного газа; 11 - кольцевое пространство для инертного газа

Устройство работает следующим образом.

Камера 16 дожигания предварительно разогревается до температуры 1000-1200^оС посредством сжигания вспомогательного топлива в воздухе (преимущественно), подающихся через газовое сопло 11, вставку 9 и инжектор 1 соответственно. Количество воздуха устанавливают в оптимальном соотношении к вспомогательному топливу, регулируя его расход клапанами 5 и 6, при необходимости подмешивая к воздуху кислород для достижения необходимой температуры. Одновременно с прогревом камеры дожигания происходит разогрев стенок 17 диффузора 14 так, что фронт начала горения приближается к инжектору 1 на расстояние 3-5 калибров диаметра 15 смесителя 8 (увеличивая для приближения факела долю кислорода на сжигание топлива посредством клапана 6). В результате излучения от факела и от разогретой камеры 16 дожигания стенки 17 диффузора 14 прогреваются до температуры не менее 1000-1300^оС, а затем посредством клапана 7 открывают доступ к инжектору 1 сбросных газов через патрубок 4. Одновременно прерывают подачу воздуха клапаном 5, используя кислород, истекающий через насадок 10 для сжигания вспомогательного топлива, а кислород, истекающий через кольцевую щель 12 для инжекции и сжигания сбросных газов. Последние протягиваются через патрубок 4, попадают в смеситель 8, далее в диффузоре 14 постепенно перемешиваются кислородом. Для полного усреднения смеси достаточна длина, равная 8 калибром диаметра 15 смесителя 8. Стенки 17 диффузора 14 разогреты до температуры 1000^оС уже на расстоянии 5 калибров диаметра 15 смесителя, и на них начинает происходить дожигание горючих газов при большом избытке кислорода. Далее степень дожигания возрастает, так как заканчивается смешение, и возрастает температура стенок 17 диффузора 14 как минимум до 1300^оС от горения кислородного факела вспомогательного топлива, сжигаемого в оптимальном режиме посредством отделения необходимой части кислорода от полного количества вставкой 9 с насадком 10. Таким образом, на стенках 17 диффузора 14 создаются все условия для дожигания горючих газов, а именно температура 1300^оС, избыток кислорода более 12% и материал стенок 17, обладающий каталитическими свойствами. Экспериментально установлено, что на длине диффузора 14, равной 8-20 калибрам диаметра 15 смесителя 8 сжигание горючих составляющих происходит полностью (в том числе бензпирена со степенью 99,98%).