Каталитический метод очистки газов

Этим методом превращают токсичные компоненты выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в сис­тему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонен­тов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом на твердых катализаторах. Действие катализаторов проявля­ется в промежуточном (поверхностном) химическом взаимодействии с реаги­рующими соединениями, в результате которого образуются промежуточные вещества и регенерированный катализатор.

В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы или их соеди­нения (платина и металлы платинового ряда, оксиды меди и марганца и т.д.). Для осуществления каталитического процесса необходимы незначительные ко­личества катализатора, расположенного таким образом, чтобы обеспечить мак­симальную поверхность контакта с газовым потоком. Катализаторы обычно выполняются в виде шаров, колец или проволоки, свитой в спираль. Катализа­тор может состоять из смеси неблагородных металлов с добавкой платины и палладия (сотые доли % к массе катализатора), нанесенных в виде активной пленки на нихромовую проволоку, свитую в спираль.

Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического про­цесса оказывает температура газа. Для каждой реакции, протекающей в потоке газа, характерна минимальная температура начала реакции, ниже которой ка­тализатор не проявляет активности.

Для поддержания необходимой температуры газа иногда к нему подмеши­вают (особенно в пусковой период) продукты сгорания от вспомогательной го­релки, работающей на высококалорийном топливе. На рис. 41. представлен ка­талитический реактор, предназначенный для окисления толуола, содержащего­ся в газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содержащий примеси то­луола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника - рекупера­тора 1, откуда по переходным каналам он поступает в подогреватель 4. Продук­ты сгорания природного газа, сжигаемого в горелках 5, смешиваются с возду­хом, повышая его температуру до 250-350 оС, т. е. до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на поверхности катализатора. Про­цесс химического превращения происходит на поверхности катализатора 3, размещенного в контактном устройстве 2. В качестве катализатора применена природная марганцевая руда (пиролизит) в виде гранул размером 2-5 мм, про-мотированных азотнокислым палладием. В результате окисления толуола об­разуются нетоксичные продукты: оксид углерода и водяные пары (C₇H₈ + 9O₂ —» 7CO₂ + 4H₂O). Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350-450 оС направляется в рекуператор 1, где отдает тепло газовоздушному по­току, идущему на очистку, и, через выходной патрубок выводится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 95-98 % при расходе вспо­могательного топлива (природного газа) 3,5-4,0 м³ на 1000 м³ очищаемого газа.

В последние годы каталитический метод очистки нашел свое применение в процессах нейтрализации выхлопных газов автомобилей. Для комплексной очистки выхлопных газов - окисления продуктов неполного сгорания и восста­новления оксида азота - применяют двухступенчатый каталитический нейтра­лизатор (рис. 42). Установка состоит из последовательно соединенных восста­новительного 2 и окислительного 4 катализатора. Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором про­исходит нейтрализация оксидов азота по следующим реакциям:

NO + CO -> 1/2N₂ + CO₂; NO + H₂ -> 1/2N₂ + H₂O. (34)

В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл (медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (например, платина на глиноземе). Эффективность очистки по NO достигает 90 % и выше.

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для созда­ния окислительной среды через патрубок 3 подводится вторичный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания - оксида углерода и углеводородов:

СО + 1/2О₂ -> СО₂; С_хН_у + (х+у/4)О₂ -> хСО₂ + у/2Н₂О. (35)

топливо 5 4

3 2

очищенный газ

Газ

Рис. 41. Каталитический реактор:

1 - теплообменник-рекуператор; 2 - контактное устройство; 3 - катализатор;

4 - подогреватель; 5 - горелки

выхлопные газы _

очищенный газ

 

Рис. 42. Двухступенчатый каталитический нейтрализатор:

1 - входной патрубок; 2 - восстановительный катализатор; 3 - патрубок вторичного воздуха;

4 - окислительный катализатор

Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных ме­таллов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др.). Содержа­ние оксида углерода в выхлопных газах автомобиля с нейтрализатором снижа­ется почти в 10 раз, а углеводородов - примерно в 8 раз.