Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Термокаталитическое обезвреживание отходящих газов, содержащих смолистые вещества и другие токсичные компоненты

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Термокаталитическое обезвреживание отходящих газов, содержащих смолистые вещества и другие токсичные компоненты"

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знаиени химико-технологический институт им. Д.И.Менделеева

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз' 0 0 0 01 "') АРЯНИН АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ, СОДЕРЖАЩИХ СМОЛИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ДРУГИЕ ТОКСИЧНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Робота выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологическом институте им.Д.И.Менделеева, в Государственном научно-исследовательсном институте конструкционных материалов на основе графита и в Производственном специализированном обьединении "Цветметэкология".

Научные руководители - доктор технических наук, профессор Зайцев В.А. и кандидат технических наук, доцент Макаров C.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Дигуров Н.Г.; кандидат технических наук Кучеров A.A.

Ведущее предприятие - Концерн "Углеродпром".

Защита диссертации состоится 1992 г. в час.

на заседании специализированного совета Д 053.34.11 в Московском химико-технологическом институте имени Д.И.Менделеева (I25I90, Москва А - 190, Миусская пл., 9) <? ауд.Л^Д

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре Московского химико-технологического института имени Д.И.Менделеева

Автореферат разослан 2é <¿/¿/<3 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

' ОБИА Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ahíунльность темы. По данный ВОЗ рост числа онкологических заболеваний и генетических аномалий в первую очередь связан с увеличение« зибросов в биосферу канцерогенных и мутагенных соединений, массовым источником которых являются отходящие газы (ОТГ) предприятий, выпускающих и перерабатывающих каменноугольный пен. В состав ОТГ коксохимических, металлургических, электроугольных и электродных заводов входят "смолистые вещества" (СЗ), представляющие собой сложную смесь полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), часть которых, включая бенз(а)пирен (БП), обладает ярко выраженными канцерогенными и мутагенными свойствами. Только с ОТГ обжиговых печей и камер элент-родных заводов в оиружкщую среду сбрасывается до 2,0 т БП в год, что составляет около 70Í общего количества БП, поступающего в атмосферу от всех технологических агрегатов подотрасли. Повышенная экологическая опасность этих зибросов связана, г.реяде всего, с несовершенством основных технологических процессов, а также с низкой эффективностью смоляных электрофильтров и других газоочистных аппаратов на потоках ОТГ, содернащих СВ в аэрозольной и газовой фазах, сажеобразную пыль (салу), оксид углерода и другие токсичные компоненты, что и определяет особую актуальность разработки эффективных способов и систем их обезвреживания.

Цель работы. Разроботно и внедрение эффективных и экономичных способов, устройств и систем термокаталитического обезвреживания СВ, сани, СО и других тонсичных компонентов в ОТГ обжиговых печей и камер электродных заводов с комплексным решением экологических и технологических проблем при создании малоотходного производство углеграфи-товых материалов.

Научная новизна. Впервые в практике газоочистки определены условия применения теплоизоляционных муллитокремнеземистых волокнистых материалов (MBI.I) в системах теркокаталитического обезвреживания ОТГ и разработаны новые катализаторы с активацией исходных волокон. Для различных вариантов применения МВМ и катализаторов на их основе разработан комплекс способов и устройств, позволяющих эффективно решать природоохранные и технологические проблемы электродных заводов и ряда других производств. Все разработанные способы и устройства защищены авторскими свидетельствами или имеют положительные решения на выдачу авторских свидетельств и патентов.

Практическая ценность. Для предприятий электродной подотрасли разработаны две базовые еппаратурно-техналогичесние схемы доухступен-

- г -

чатого обезвреживания ОТГ печеП к каиер кассетного и контейнерного обжига. Внедрены в производство А системы обезвреживания ОТГ индивидуальных камер контейнерного обжига. Данные длительной эксплуатации показали высокую эффективность и экономичность внедренных систем без образования вторичных загрязняющих веществ с экономией топлива, сокращением времени "вывода копер не выдержку" и увеличение« "выхода годных" при выревнивании температурных полей в обжиговом пространстве каиер. Проводится внедрение газоочистных систем кольиевых печей контейнерного обжига. Но первом этапе ввода в эксплуатацию двухступенчатой системы внедрена в производство 1-я ступень обезвреживания ОТГ 10-ти камерной печи, 2 газоочистные системы кольцевых печей подготовлены к пуску и на 3 выданы технологические регламенты на проектирование.

Внедряется в производство газоочистные системы многокамерных печей кассетного типа, 3 из которых находятся на стадии «октава, 2 - на стадии проектирования, 3 - но стадии разработки технологических регламентов на проектирование. Подготовлены к пуску газоочистные системы графитировочной печи, печи с выдвижныу подом и двухкамерного блока кассетного типа. На стадии проектирования и монтажа находятся танке нейтрализатор выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и системы обезвреживания ОТГ котельного агрегата, электролизера по производству алюминия и устоновки по производству битума.

Апробация роботы. Результаты работы доложены на координационном совещании 1!ЦН СССР по решении научно-технических проблем в области охраны воздувного бассейна (г.Чимкент,' июль 1588 г.), на секции НТС 1!ЦЦ СССР ПО "Совзуглерод" (г.Запорожье, сентябрь 1988 г.), на П Всесоюзной научно-техничесной конференции "Пути ускорения научно-технического прогресса производство углеродной продукции" (г;Челябинск, октябрь 1988 г.), на республиканской конференции "Малоотходные технологические процессы -и сокращение промышленных выбросов в металлургической промыаленности" (г.Запорожье, сентябрь 1989 г.), на секции охраны природы НТС Нинмета СССР *0 состоянии и перспективах очистки ОТГ от смолистых веществ и монооксида углерода" (г.Москва, декабрь 1990г., на республиканской конференции "Проблемы экологии в металлургии, машиностроении и пути их реиений" ^г.Суздоль, май 1992 г.). Способу обезвреживания ОТГ с использование» фильтров из минеральных волокон присуждена серебряная медаль ВДНХ (г.Москва, август 1989 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, тезисы доклада, получено И авторских свидетельств, 3 повожктельвых решения на их выдачу и одно положительное решение на выдачу патента.

Стзуктуоо к обьеч рпботы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, зыведов, библиографического списна и приложений. Работа изложена на страницах наамнописмсго тенета, содепиит 44 рисунка ц 28 таблиц. Список использованной литературы енличает 130 наименований.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во звегении обоснована актуальность теиы, с^риулироеаны цель и задачи настоящей работы.

В первой глаза приведен литературный обзор, в котором рассмотрена специфика процессов изготовления углегра?итовых изделий в электродной подотрасли с характеристикой исходного сырья, обишговых и граЗитирозочных агрегатов, технологических условия облиго, дана оценка канцерогенной опасности промыиленных выбросов электродных заводов с анализои перспектив применения известных способов газоочистки для обезвреживания ОТГ, содержащих з составе СВ, саму, СО и другие токсичные коипоненти, поставлена цель настоящей работа и определены задачи исследования.

Во втовзй главе представлены результаты исследования потакав ОТГ в процессах облиго углеродных заготовок. В состсв ОТГ обяиговых технологических агрегатаз, как правило, входят пары и аэрозоли СВ, саяа, СО и другие токсичные компоненты. Уровень выбросов этих веществ в каждой конкретном случае определяется технологическими условиями обжига и эффективностью газоочистных систем. Так, выбросы в атмосферу за один технологический процесс, для неоснащенных системами, газоочистки индивидуальных нокер изяенялтея з достаточно аироних прзделох: 8,230-24,010 и 0,593-23,366 кг (Ш; 0,0044-0,0129 и 0,0002-0,0079 кг БП для кассетного и контейнерного обвита, соответственно. С ОТГ неоснащенного системой газоочистки 8-ми камерного кольцевого блеча контейнерного обиига в атиос$еру поступает СО - 0,120; сажи - 1,210; ПАУ - 9,110; БП - 0,003 кг/ч. Выбросы в атас$еру трех печей Ридгам-мера в зависимости от. технологических условий обяига углеродной продукции, при эффективности электрофильтров 852», составляют, кг/ч: 2,520; 3,820; 14,П2(С0), 1,300; 6,720; 1,830(ПАУ), 0,0007; 0,0024; 0,0020(БП).

Концентрации основных компонентов, количество, разреяение и теи-перстура ОТГ з элеЗантах систем огня и на выходе сборного коллектора многокамерных кольцевых печеП и блонов (агрегатов непрерывного дейст-оияi пкеят стабильные значения и суцественно не изменяются в процессе обкига. Те ле поремзтры при обяиге заготовок в индивидуальных ка-

мерах (агрегатах периодического действия), изменяются в зависимости от заданного режима. При этом изменение концентраций основных токсичных компонентов в составе ОТГ всех обжиговых капер, включая отдельные камеры кольцевых печей, имеет один и тот ие характер с плавный подье-мом от нуля до максимального значения и таким же последующим снижением (рис. I). Как видно из рис.1 при обжиге заготовок в камере (Р 7 цеха (г 4 Челябинского электродного завода (ЧЭЗ) выделение ПАУ из пакетов начинается на 37 часе технологического процесса при температуре под сводом 932°С и заканчивается на 81 часе при температуре под сводом И9ГС.

Установлено, что к началу выделения "летучих" температура в верхней части кассет индивидуальных камер будет не нише 848"С, аналогичных камер в системах огня кольцевых печей - не ниже 500°С, а на щелевых подинах индивидуальных камер контейнерного обжига и таких же камер в системах огня кольцевых блоков - не ниже 450 и 400°С; соответственно. При этом температура под сводами и на подинах камер возрастает в процессе обжига в зависимости от заданного режима до 850 -1200°С с выдержкой на этом уровне и с'последующим охлаждением. Температура в элефантах индивидуальных камер нассетного типа, соответст- . вующая началу выделения "летучих", находится в пределах 176-215°С при ев максимальном значении 600-635°С. Температура в элефантах и на выходе сборных коллекторов кольцевых печей и блоков имеет стабильные, значения в пределах 70-Ю5°С и 90-I04T, соответственно.

Анализ полученных данных показывает, что состав, аэродинамические параметры ОТГ, температура под сводами ка'мер, на щелевых подинах, в элефантах и на выходах сборных коллекторов позволяют проводить термокаталитическое обезвреживание СВ, сажи, СО и других токсичных компонентов, используя энергию основного технологического процесса с размещением насадон из термостойких и каталитически активных материалов в указанных выше зонах технологических агрегатов. Учитывая данные по низкой эффективности термокаталитических реакторов (ТКР) на потоках сложного состава и реально оценивая ситуацию на заводах электродной подотрасли, в системах обезвреяиЕания ОТГ обжиговых печей и камер предложено использовать двухступенчатый термокаталитический процесс с выведением из потока но первой стадии сажи, аэрозолей и тяжелых фракций СВ.

В третьей главе приведены результаты исследований по разработке комплекса способов и устройств термокаталитического обезвреживания ОТГ, содержащих СВ, сажу, СО и другие токсичные компоненты.

Для рассмотренных выше условий проведения термокаталитических

процессов необходимы соответствующие материали, которые при умеренной стоимости долины обладать технологичностью применения, высокой термостойкостью, механической прочностью и способностью ее сохранять при длительном воздействии высоких температур, не создавоть повышенного гидравлического сопротивления в газоходных тронтох, иметь высокую поверхность контакта с ОТГ, проявлять каталитическую активность в реакциях окисления их компонентов. Из всех рассмотренных термостойких материалов, включая и промышленные катализаторы глубокого окисления этим требованиям в наибольшей степени соответствуют рулонние HBI.I ГОСТ 23619-79. При этом марки Ш,1 MKPP-I30 и MKPPX-I50 наиболее приемлемы по кажущейся плотности и стоимости. В связи с тем, что применение UBf.! ранее ограничивалось только теплозащитными укрытиями различных типов, проведены лабораторные исследования основных аэродинамических и термоиаталитических свойств !.!КРР-130 и I.1KPPX-I50 в сравнении с каталитически активными и термостойкими зернистыми материалами: бокситом, активной А1203 и олюмохроыфосфатом (UAX0C-I).

Результаты исследования зависимости гидравлического сопротивления материалов от линейной скорости фильтрации, представленные на рис. 2, получены на создухе при температуре 20°С. Сысота контактных слоев - 30 мм и диапазон линейных скоростей соответствовали условиям предполагаемого промышленного применения ЦВМ. В термокаталитических насадках, как видно из рис. 2, зависимость гидравлического сопротивления контантов от линейной скорости фильтрации в общем виде подчиняется закону Дарси, а 1.1В!,! имеют существенное преимущество в сравнении с зернистыми материалами по этой основной аэродинамической характеристике.

Для сравнительной оценки термокаталитической активности контактов использована методика, основанная на определении температуры до-стииения практически полного окисления фенола такие при условиях промышленного применения МБ!.!: входная концентрация фенола - 2,0 +. 0,5 г/нм', высота контактных слоев - 30 мм, линейная скорость фильтрации - 0,02 м/с (Н.У.). Результаты эксперимента представлены на рис. 3, где исследуемые контакты, включая I.1KPPK и МКРРХК (прокаленные 8 часов при 600°С MBU UKPP-I30 и MKPPX-I50) имеют примерно равную активность, за исключением боксита и МКРРХК. Кок видно из рис. 3 по температуре полного превращения фонола контакты монио расположить в следующей последовательности: ИКРРХН (490°С), акт. AI203 (5I0"C), МНРРН (560°С), ШФС-1 (580°С). При этом по активности они располагаются в следующий убивапций ряд: МКРРХК > акт. Л1?0,> I1HPPK > MAXCC-I боксит.

- б -

Для повышения каталитической активности MBU разработаны методы их активации с проведением незавершенной термической кристаллизации оксидов на поверхности волокон и нанесением активных центров на поверхность прокаленных волокон путем их пропитки растворами солей меди и хрома при повторном прокаливании пропитанных МВМ в окислительной среде. На рис. 4 представлена зависимость степени превращения фенола от температуры на исходных контактах и полученных катализаторах: МНРРЛ - пропитанный раствором оцетота меди и МКРРХК-3 - с незавершенной кристаллизацией окислов на поверхности волокон. Как видно из рис. 4 полное превращение фенола на катализаторах ИКРРП и МКРРХК-3 достигается при температурах 360 и 370*С, соответственно. То есть на 200 и 120°С нияе чем на исходных контактах УКРРН и'ИКРРХК. Для более полной оценки термокаталитичесной активности исследуемых материалов и катализаторов изучены основные кинетические закономерности глубокого окисления фенола с расчетом констант скорости реакций и составлением нинетичесних уравнений вида:

м/ = к • сф • ссо2- Сбг'

где: W - скорость реакции, г/нм'.с

Kj - константа скорости реакции, с"

С» - входная концентрация фенола, г/ни'

Cqq и Cg - концентрации и в реакционной а-еси, г/ни"

Например, для акт. Д1203 и катализатора УКРРП кинетические урас нения реакций глубокого окисления фенола имеют следующий вид:

W = 3,68 . I02 . ехр ¿^f j- . С? . . С0°2 ноль/им! \л/= I,3Ö' . Ю9 . j.. . C£Q . Cg моль/ш.;3.с

■I

Я т J » 2 2

Сопоставление .активности контактов проводилось путем расчето отнесенных к единицам их веса, объема и поверхности, удельных констант скорости реакции,•приведенных в таблице.

По данным таблицы мокно сделать вывод о явном преимуществе МВМ и катализаторов на их основе по всем основным показателям. При этой все волокнистые контакты по каталитической активности и по температурам превращения фенола располагаются в следующем порядке: МКРРП (360°С), МКРРХК-3 (3704), 1,ШРРК-3*(460°С), МКРРХК (490°С), 1ЛКРРК (560°С).

V Я?

л» я?

я?-

Л7 20 30 90 so Со 70 во Риг. I. Изменение концентрации ПАУ в ОТГ и температуры пол, гводом камеры № 7 цеха % Ч 433'а в процессе обжига.

1 - концентрация ПАУ

2 - температура под сводом

камеры

iW ■ /¡os Рис. 2.

0,05 0,07 он 013 о,)У Зависимость гидравлического сопротивлении контактных слоев от линейной скорости фпльт. рации.

I- МКРР-Г30,2-МКРРX'-150

3- активированнаяНСгОз,

4-МАХФС—1. 5 - боксит

400

Soo боо

Риг. 3.

Зависимость степени прев-гащения фенола от темпе-, ратуры на алюмосодержа-"ших материалах _ X - ЙОКСИТ, » - /\t-2U3 . о - МАФХС- I, а - МКРРК (поо каленный 8 чаг. пои 600°С), Л - МКРРХК (прог каленный 8 час. при 600 С;

Зоо Рис.

400 5~00 £00 Зависимость степени превращения фенола от температуры на исходных МВМ й полученных катализаторах, а - исходные МВМ :

□ - МКРРК д - МКРРХК

б - катализаторы :

□ - МКРРП

А - МКРРХК-3