Экологичность - важнейшее требование современных химических производств, которому в настоящее время уделяется особое внимание. Решений по достижению необходимых показателей экологичности сегодня предложено немало. Однако все ли они оптимальны в использовании и оправдывают свою цену?
Одним из наиболее эффективных решений в данном направлении является каталитический метод с применением реверс-процесса, который позволяет сгладить концентрационные неоднородности вредных примесей в очищаемом потоке.
Еще в 2014 г в России государственными институтами была начата работа по внедрению системы технологического нормирования, которая основана на принципах наилучших доступных технологий (НДТ). Подобным образом посредством применения методов правового и экономического регулирования этот механизм отлажен и эффективно работает в зарубежных странах (Европа, США и др.).
Внимание Правительства РФ к проблеме экологической обстановки в стране стабильно и неуклонно растёт.
Об этом свидетельствует объявление 2017 г в России - годом экологии. Уже к 2019 г в России самые «грязные» промышленные предприятия должны соответствовать принципам НДТ, а к 2025 г законодательство намеревается контролировать все промышленные предприятия.
В связи с этим, сегодня разработчики производственных процессов стремятся минимизировать образование «отходов». В числе используемых методов - рецикл (возврат в технологический процесс) веществ, выделение загрязняющих веществ с последующей химической дезактивацией и так далее.
Особое место в дезактивации занимает каталитический метод, который наряду с такими методами как термическое окисление, сжигание, абсорбция/адсорбция и др. имеет ряд преимуществ, связанных с энергоэффективностью. Каталитическая очистка токсичных соединений основана на протекании ряда основных химических реакций, целью которых является образование безвредных для природы и человека веществ. Реакции условно можно разделить на следующие группы:
- Реакции окисления:
Летучие органические соединения (ЛОС) + О2→ СО2 + Н2О
CxHy + O2→CO2 + H2O
H2S + ½О2→Sэл + Н2О
2 NH3 + 3/2О2→N2 + 3Н2О
СО + ½O2→CO2
- Реакции восстановления:
NOx + NH3 →N2 + Н2О
- Реакции разложения:
N2O →N2 +½O2
2O3→ 3O2
Данный способ каталитической очистки наиболее эффективен, если содержание загрязняющих веществ, к примеру, ЛОС составляет 0,8 - 15,0 мг/м3[1]. При этом газы с содержанием токсичных примесей от 0,8 - 5,0 мг/м3 предпочтительно очищать методом «реверс-процесс», а более калорийные газы с содержанием ЛОС от 5,0 - 15,0 мг/м3 подходят для термокаталитического метода. Для переработки газов с концентрациями ниже 0,8 мг/м3 оптимальным является использование адсорбционных методов или иных, которые позволяют концентрировать примеси.
Важным аспектом использования каталитического способа очистки является непостоянство содержания вредных примесей в очищаемом потоке. Зачастую это связано с технологическими режимами работы источника загрязнений. При низких содержаниях ЛОС выделяющегося тепла от реакции будет недостаточно для протекания каталитического процесса в автотермическом режиме, а при высоких концентрациях возможны локальные перегревы каталитического слоя выше допустимых температур эксплуатации катализатора и материала реактора. Все эти концентрационные неоднородности сглаживаются при использовании метода «реверс-процесс».
Рис.1. - Принципиальная схема реверс-процесса
Метод основан на изменении направления потока очищаемого газа в периодическом режиме [2]. Таким образом, тепло, выделяемое при химической реакции, сохраняется в каталитическом слое. После изменения направления потока тепло, которое выделялось при каталитическом обезвреживании, служит для нагрева входящего очищаемого газа. Периодичность переключения варьируется от 5 до 100 минут и зависит от концентраций примесей и объемных скоростей потока. Поддерживая при этом необходимую температуру в слое катализатора на уровне 300 - 700 °С (в зависимости от концентрации обезвреживаемых веществ и режима переключения), метод позволяет обеспечивать высокоэффективную очистку от разнообразных вредных или токсичных веществ при разных содержаниях загрязняющих веществ в потоке. Главное преимущество этого метода - это энергоэффективность.
Реверс-процесс позволяет снизить энергозатраты в 3 - 5 раз по сравнению с традиционными термокаталитическими методами.
Область применения и место практической реализации. В настоящее время реверс-процесс используется для очистки газов от летучих органических загрязнителей (метанол, фенол, стирол, синильная кислота, бутанол, акриловой кислоты, формальдегид, стирол, бензол ацетони др.). На его основе в США эксплуатируются более 100 установок с производительностью по очищаемому газу 0,5 - 30,0 тыс. м3/ч. В качестве базовых катализаторов для этих установок используют катализаторы компании СКТБ «Катализатор»: алюмомедно-хромовый марки ИКТ-12-8 и алюмомарганцевый марки ИКТ-12-40. В отличие от катализаторов, в состав которых входит драгоценные металлы, катализаторы компании СКТБ «Катализатор» имеют ряд преимуществ:
- широкий температурный диапазон работы вплоть до 1000 оС;
- возможность регенерации;
- отсутствие в составе благородных металлов.
В России реверс-процесс был успешно применен для очистки газовых сбросов от смеси оксидов азота (NOx). Каталитическая очистка основана на процессе селективного восстановлении оксидов азота аммиаком на поверхности твердого катализатора. Процесс очистки достаточно эффективен при непостоянных концентрациях оксидов азота. Степень очистки газового потока от оксидов азота достигала 99 %. Такая установка производительностью 10,0 - 12,0 тыс. м3/ч эксплуатировалась на предприятии по производству высокоэнергетических веществ для очистки отходящих газов производства после абсорбционных колонн.
На сегодняшний день реверс-процесс содержит в себе высокий потенциал применения для решения проблем промышленной экологии. Его применимость не ограничивается очисткой от ЛОС и оксидов азота, он с успехом может применяться при очистке газовых выбросов, включая низкоконцентрированные газы, от аммиака, диоксида серы, органических примесей, в том числе хлорсодержащих. Реверс-процесс может быть использован на предприятиях черной и цветной металлургии, машиностроения, нефтехимической, химической (производство минеральных удобрений и взрывчатых веществ, переработка пластмасс и т.д.), пищевой и других отраслей промышленности.
Список литературы
1. Нестеренко С С, Овчинникова Е. В. и Чумаченко В. А. Каталитическое обезвреживание газовых выбросов при изменении в широких пределах концентраций примесей летучих органических соединений [Журнал] // Катализ в промышленности, № 4. - 2014 г.. - стр. 45-54.
2.Матрос Ю. Ш., Носков А. С. и Чумаченко В. А. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств [Книга]. - Новосибирск : Наука. Сиб. отделение, 1991, 224 с.
Прочитать in English.
