Технологія очищення відхідних газів від оксидів сульфуру

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологія очищення відхідних газів від оксидів сульфуру

Ковальчук О.В., Шинкарук Н.О.

Відомо, що Сірка міститься практично в усіх видах паливно-енергетичних та сировинних ресурсів (нафта, природний і попутній газ, вугілля, руди, зокрема, сульфідні, сульфатні, інші). При цьому існує закономірність, чим глибше в Землі знаходяться поклади сировини, тим більший в них вміст Сульфуру [1]. При перероблені сульфуровмісної сировини на різних стадіях виробничих процесів утворюються сульфуровмісні сполуки, які переходять, насамперед, у газову фазу, переважно у вигляді діоксиду сульфуру.

Найбільшими забруднювачами біосфери є теплові електростанції, підприємства чорної і кольорової металургії, транспортні засоби, хімічні виробництва тощо [2, 3]. Тільки за один рік до атмосфери викидається близько 350 т діоксиду Сульфуру, що еквівалентно понад 530 т сульфатної кислоти, тобто проблема забруднення атмосфери сульфуровмісними сполуками є однією із найгостріших.

При надходженні до атмосфери із відхідними газами оксиди сульфуру наносять значної шкоди біоті (руйнують хлорофіл, пригнічують життєдіяльність клітин, порушують окисно-відновні властивості їх складових тощо). Так, нормальний ріст рослин порушується при вмісті в повітрі понад 0,00002% діоксиду сульфуру [4].

В атмосфері діоксид сульфуру може окислятись до триоксиду. Енергія сонячного проміння, мілкі частинки металів, наявність інших газів каталізують окислення діоксиду сульфуру в триоксид. Тривалість існування діоксиду сульфуру в атмосфері становить 1,5 доби [4, 5]. При наявності вологи в повітрі діоксид сульфуру може перетворюватись у сульфатну кислоту. В результаті сульфатна та інші кислоти, що утворюються при цьому, випадають на землю у вигляді “кислотних дощів” та “кислотного снігу”, рН при цьому сягає 4,5-5, інколи 3 і 2,5 [6, 7]. Це призводить до зниження врожайності низки сільськогосподарських культур; вимивання з грунтів іонів калію, кальцію, магнію; закислення ґрунтів та водойм це також негативно впливає на здоров'я людей, збільшуючи загальний рівень захворюваності, обумовлюючи ураження окремих органів та систем організму [8-12].

Отже, проблема забруднення атмосферного повітря є надзвичайно актуальною і потребує швидкого розв'язання, оскільки має велике суспільне значення.

Аналіз відомих методів очищення газів від шкідливих домішок [13-16] та враховуючи їх переваги і недоліки, прийшли до заключення, що існуючі методи є складними, багатостадійними, ресурсо- та енерговитратними. В них часто використовують дорогі та дефіцитні матеріали, реактиви, а в результаті очищення одержувані відпрацьовані матеріали та абсорбційні рідини необхідно регенерувати або утилізувати [16]. Крім того, концентрація діоксиду сульфуру у відхідних газах на різних виробництвах неоднакова. Так, на одних підприємствах вона складає 6-10% і такі гази піддаються утилізації існуючими методами, насамперед, для одержання сульфатної кислоти. На багатьох інших виробництвах уміст діоксиду сульфуру суттєво нижчий, що ускладнює його вилучення, потребує значних капітальних і експлуатаційних витрат і веде до збільшення собівартості очищення [15, 17].

На підставі детального аналізу існуючих способів очищення низькоконцентрованих сульфуровмісних газів, особливостей їх складу та нагромадження, технологій і процесів їх переробки, прийшли до висновку про доцільність і економічність аміачного методу [5, 18, 19]. Оксиди сульфуру при цьому абсорбують розчинами сульфіт-гідрогенсульфіту амонію. Даний шлях дає змогу не тільки нейтралізувати викиди оксидів сульфуру, а й утилізувати їх у вигляді сульфітних солей, та використовувати для одержання амонію сульфату, сульфатної кислоти чи діоксиду сульфуру. Однак, проведені роботи з удосконалення та інтенсифікації аміачного та інших методів очищення відхідних газів, не вирішують проблеми ліквідації викидів оксидів сульфуру в атмосферу.

Мета роботи. Розроблення ефективних способів, технологій і процесів очищення низько концентрованих газів від оксидів сульфуру.

Матеріал і результати досліджень. Повнота і глибина абсорбції оксидів сульфуру водними розчинами сульфіт- гідрогенсульфіту амонію значною мірою залежить від парціальних тисків парів компонентів даної системи [13, 18, 19]. Досліджено і уточнено розподіл оксидів сульфуру, аміаку і водяних парів над розчинами сульфіт-гідрогенсульфіт-сульфату амонію в практичному інтервалі змінних параметрів, а саме: температурі 293-343К (20-70⁰ С), молярних співвідношеннях діоксиду сульфуру до аміаку СSO2заг./CNH3=0,55-0,9 і концентрації аміаку у водних розчинах від 7 до 20% мас (рис. 1-4).

Рисунок 1 - Залежність парціальних тисківSO2 над розчином сульфіт- гідрогенсульфіту амонію від температури при СNH3 = 20 моль/100 мольН2О

1-C_SO2 / CNH3 = 0,55;

2-CSO2 / CNH3 = 0,6;

3-CSO2 / CNH3 = 0,7;

4-CSO2 / CNH3 = 0,8;

5-CSO2 / CNH3 = 0,9;

Рисунок 2 - Залежність парціальних тисківSO2 над розчином сульфіт- гідрогенсульфіту амонію від температури при СSO2 (заг)/CNH3 =0,7

1-CNH3 = 10 моль/100 моль Н2О;

2-C_{NH3 =} 12 моль/100 моль Н2О;

3-C_NH3 =14 моль/100 мольН2О;

4-C_NH3 =16 моль/100 мольН2О;

5-C_NH3=18 моль/100 мольН2О;

6-C_NH3 =20 моль/100 мольН2О;

температура гідрогенсульфіт амоній

Рисунок 3 - Залежність парціальних тисків аміаку над розчином сульфіт- гідрогенсульфіту амонію від температури при СNH3 = 20 моль/100 мольН2О

1-C_SO2 / CNH3 = 0,55;

2-CSO2 / CNH3 = 0,6;

3-CSO2 / CNH3 = 0,7;

4-C_SO2 / CNH3 = 0,8;

5-C_SO2 / CNH3 = 0,9;

Рисунок 4 - Залежність парціальних тисків аміаку над розчином сульфіт-гідрогенсульфіту амонію в залежності від температури при СSO2(заг)/ СNH3=0,7

1-CNH3 = 10 моль/100 моль Н2О;

2-C_{NH3 =} 12 моль/100 моль Н2О;

3-C_NH3 =14 моль/100 мольН2О;

4-C_NH3 =16 моль/100 мольН2О;

5-C_NH3 =18 моль/100 мольН2О;

6-C_NH3 =20 моль/100 мольН2О;

Одержані результати і залежності зміни парціального тиску водяних парів, діоксиду сульфуру і аміаку над сульфіт-гідрогенсульфітними розчинами свідчать, що з підвищенням температури тиск парів зазначених компонентів зростає, що призводить до зменшення ступеня абсорбції діоксиду сульфуру з газів.

З підвищенням умісту середньої солі амонію в розчині, ступінь абсорбції діоксиду сульфуру зростає, оскільки парціальний тиск діоксиду сульфуру є найнижчим. Однак, при цьому також зростає парціальний тиск аміаку над розчином і, як наслідок, це призводить до його втрат.

Одержані результати досліджень, а також попередні дані [18 ,19], дали змогу визначити і уточнити раціональні умови очищення відхідних газів від оксидів сульфуру: температуру 293-398 К, уміст аміаку в розчині 9-10% мас, відношення концентрації діоксиду сульфуру до концентрації аміаку, рН.

На підставі результатів проведених досліджень запропоновано і розроблено три хіміко- технологічні системи очищення відхідних газів різних виробництв. Хіміко-технологічні системи передбачають очищення відхідних газів аміачною водою з одержанням розчину сульфіт-гідрогенсульфітних солей амонію. При цьому розчин може бути використаний для одержання сульфітних солей (за І схемою) або для виробництва діоксиду сульфуру чи сульфату амонію (за ІІ схемою). На відміну від І-ої системи, у ІІ-й системі передбачено розклад одержаного розчину сульфіт-гідрогенсульфіту амонію і діоксиду сульфуру. Хіміко-технологічна система за варіантом ІІІ передбачає очищення відхідних газів від оксидів сульфуру поглинальним розчином і сульфатною кислотою.

Складено матеріальні баланси і проведені теплові розрахунки. Досліджено вплив температури відхідних газів і циркулюючого розчину сульфіт-гідрогенсульфітних солей амонію на режим очищення. Визначено, що підвищення температури відхідних газів від 40 до 70^о С призводить до значного збільшення маси конденсованої вологи і, відповідно, до зменшення концентрації солей в поглинальних розчинах. Показано, що незначне підвищення температури циркулюючого розчину призводить до зниження ступеня очищення газів.

Запропоновані хіміко-технологічні системи забезпечують практично повну утилізацію сульфуровмісних газових викидів (на 90-99%), дозволяють регулювати і виробляти необхідну кількість сульфату амонію чи діоксиду сульфуру.

Висновок. На підставі пошукових теоретичних досліджень встановлено, що реакції в системі оксиди сульфуру - сульфіт - гідрогенсульфіт- сульфату амонію є термодинамічно імовірними в практичному інтервалі температур 323-373 К. При застосуванні аміачної води, як поглинаючого компоненту оксидів сульфуру, з'являється можливість одержувати амонійні добрива або чистий SO2. Досліджено також реакції, що передбачають нейтралізацію оксидів сульфуру до елементної сірки та екологічно безпечних продуктів (азот, вода тощо). Також розроблено технологію очищення відхідних газів виробництв від оксидів сульфуру продуктивністю 40000 м³ очищуваного газу за годину; вихідні дані для проектування виробництва кристалічного сульфату амонію продуктивністю 8800 т на рік; нестандартне нове обладнання розкладу одержаного розчину сульфіт-гідрогенсульфіт амонію і віддувки діоксиду сульфуру із розчину.