Oczyszczanie gazów

Oczyszczanie gazów

odlotowych

odlotowych

z zanieczyszczeń

z zanieczyszczeń

gazowych

gazowych

cz. 1

cz. 1

Wykład – Kierunek OCHRONA ŚRODOWISKA, st. inżynierskie III rok

Wykład – Kierunek OCHRONA ŚRODOWISKA, st. inżynierskie III rok

© Kazimierz Warmiński (2007)

© Kazimierz Warmiński (2007)

Metody oczyszczania gazów

Metody oczyszczania gazów

(nie tylko odlotowych):

(nie tylko odlotowych):

Ab

Ab

sorpcyjne

sorpcyjne

Ad

Ad

sorpcyjne

sorpcyjne

Spalanie (dopalanie)

Spalanie (dopalanie)

Katalityczne

Katalityczne

Podstawowe pojęcia:

Podstawowe pojęcia:

absorpcja

absorpcja

– proces pochłaniania gazu

– proces pochłaniania gazu

przez

przez

absorbent

absorbent

(ciecz; substancję

(ciecz; substancję

pochłaniającą) zachodzący w całej

pochłaniającą) zachodzący w całej

jego objętości;

jego objętości;

absorbat

absorbat

– składnik gazowy, który

– składnik gazowy, który

usuwany jest w drodze absorpcji

usuwany jest w drodze absorpcji

absorber

absorber

– aparat do

– aparat do

przeprowadzenia procesu absorpcji

przeprowadzenia procesu absorpcji

Podstawowe

Podstawowe

pojęcia

pojęcia

– cd.

– cd.

adsorpcja

adsorpcja

– proces wiązania

– proces wiązania

składnika (tzw.

składnika (tzw.

adsorbatu

adsorbatu

) z płynu

) z płynu

(mieszaniny gazowej lub ciekłej) na

(mieszaniny gazowej lub ciekłej) na

powierzchni porowatego ciała stałego

powierzchni porowatego ciała stałego

(

(

adsorbenta

adsorbenta

)

)

adsorber

adsorber

– aparat do prowadzenia

– aparat do prowadzenia

procesu adsorpcji

procesu adsorpcji

Rodzaje sorpcji

Rodzaje sorpcji

Cząsteczki

Cząsteczki

ab

ab

sorbatu lub

sorbatu lub

ad

ad

sorbatu

sorbatu

mogą być wiązane siłami przyciągania

mogą być wiązane siłami przyciągania

międzycząsteczkowego natury fizycznej

międzycząsteczkowego natury fizycznej

(

(

sorpcja fizyczna

sorpcja fizyczna

) lub oddziaływaniami

) lub oddziaływaniami

natury chemicznej (

natury chemicznej (

chemisorpcja

chemisorpcja

)

)

Absorpcyjne metody

Absorpcyjne metody

oczyszczania gazów

oczyszczania gazów

Absorbery

Absorbery

są podobne konstrukcyjnie do

są podobne konstrukcyjnie do

odpylaczy mokrych. Rozróżnia absorbery:

odpylaczy mokrych. Rozróżnia absorbery:

powierzchniowe

powierzchniowe

–

–

cechą

cechą

charakterystyczną tego typu aparatów

charakterystyczną tego typu aparatów

jest

jest

ograniczenie powierzchni międzyfazowej

ograniczenie powierzchni międzyfazowej

ciecz/gaz tylko do powierzchni swobodnej

ciecz/gaz tylko do powierzchni swobodnej

cieczy. Przepływ cieczy i gazu powinien być

cieczy. Przepływ cieczy i gazu powinien być

przeciwprądowy.

przeciwprądowy.

Schemat blokowy absorbera powierzchniowego

błonkowe

błonkowe

, w których ciecz spływa

, w których ciecz spływa

cienką warstwą po wewnętrznej

cienką warstwą po wewnętrznej

powierzchni rury lub po szeregu

powierzchni rury lub po szeregu

pionowych płyt lub kaskad o

pionowych płyt lub kaskad o

rozwiniętej powierzchni

rozwiniętej powierzchni

umieszczonych w komorze

umieszczonych w komorze

skrubery

skrubery

– absorbery natryskowe

– absorbery natryskowe

(podobne do skruberów

(podobne do skruberów

odpylajacych)

odpylajacych)

absorbery barbotażowe

absorbery barbotażowe

absorbery Venturiego

absorbery Venturiego

kolumny z wypełnieniem

kolumny z wypełnieniem

(skrubery z wypełnieniem)

(skrubery z wypełnieniem)

–

–

różnego kształtu i rozmiarów

różnego kształtu i rozmiarów

elementy wypełniające mają za

elementy wypełniające mają za

zadanie rozwinąć (zwiększyć)

zadanie rozwinąć (zwiększyć)

powierzchnię styku (czynną) cieczy i

powierzchnię styku (czynną) cieczy i

gazu.

gazu.

Przykład kolumny (skrubera) z wypełnieniem

Zastosowanie metod

absorpcyjnych:

Odsiarczanie spalin (usuwanie

Odsiarczanie spalin (usuwanie

tlenków siarki SOx)

tlenków siarki SOx)

Usuwanie tlenków azotu ze spalin

Usuwanie tlenków azotu ze spalin

oraz z przemysłowych gazów

oraz z przemysłowych gazów

odlotowych (np. z produkcji HNO3)

odlotowych (np. z produkcji HNO3)

Jednoczesne usuwanie NOx i SOx z

Jednoczesne usuwanie NOx i SOx z

gazów spalinowych

gazów spalinowych

Absorpcja gazów przemysłowych

Absorpcja gazów przemysłowych

(np. HF, HCl, Cl2, NH3)

(np. HF, HCl, Cl2, NH3)

Dezodoryzacja gazów odlotowych

Dezodoryzacja gazów odlotowych

(usuwanie odorantów):

(usuwanie odorantów):



metoda absorpcyjna

metoda absorpcyjna

fizykochemiczna

fizykochemiczna



metoda absorpcyjna połączona z

metoda absorpcyjna połączona z

biodegradacją

biodegradacją

(tzw. płuczki biologiczne)

(tzw. płuczki biologiczne)

biofiltry do dezodoryzacji
gazów odlotowych

firmy THOLANDER

biofiltry do dezodoryzacji
gazów odlotowych

firmy THOLANDER

Zastosowanie metod

Zastosowanie metod

ad

ad

sorpcyjnych:

sorpcyjnych:

Ochrona dróg oddechowych

Ochrona dróg oddechowych

(maski p-gaz)

(maski p-gaz)

Oczyszczanie powietrza

Oczyszczanie powietrza

napływającego z zewnątrz do

napływającego z zewnątrz do

wewnątrz pomieszczeń, pojazdów itp.

wewnątrz pomieszczeń, pojazdów itp.

Odzyskiwanie składników (np.

Odzyskiwanie składników (np.

rozpuszczalników organicznych z

rozpuszczalników organicznych z

lakierni)

lakierni)

Rozdzielanie mieszanin

Rozdzielanie mieszanin

gazowych

gazowych

Oczyszczanie gazów odlotowych

Oczyszczanie gazów odlotowych

(mniejsze znaczenie,

(mniejsze znaczenie,

w porównaniu z metodami

w porównaniu z metodami

ab

ab

sorpcyjnymi)

sorpcyjnymi)

Przegląd

Przegląd

absorpcyjnych metod

absorpcyjnych metod

odsiarczania spalin

odsiarczania spalin

Podział

Podział

A) proste odpadowe

A) proste odpadowe

– produkt

– produkt

odsiarczania (mieszanina gipsu,

odsiarczania (mieszanina gipsu,

siarczynu wapnia i popiołu) wydalany

siarczynu wapnia i popiołu) wydalany

jest w całości na składowiska, do

jest w całości na składowiska, do

wypełnień górniczych lub do morza;

wypełnień górniczych lub do morza;

składowiska wymagają rekultywacji

składowiska wymagają rekultywacji

(!)

(!)

Podział

Podział

B) półodpadowe

B) półodpadowe

– produktem jest

– produktem jest

gips

gips

CaSO

CaSO

4

4

∙2H

∙2H

2

2

O

O

, który można

, który można

wykorzystać np. w budownictwie,

wykorzystać np. w budownictwie,

ale często jest składowany

ale często jest składowany

(mniejsze zagrożenie dla

(mniejsze zagrożenie dla

środowiska niż produkt odsiarczania

środowiska niż produkt odsiarczania

metodą odpadową)

metodą odpadową)

Podział

Podział

C) bezodpadowe

C) bezodpadowe

– absorbent zostaje

– absorbent zostaje

zregenerowany, a wydzielony SO

zregenerowany, a wydzielony SO

2

2

wykorzystuje się do produkcji H

wykorzystuje się do produkcji H

2

2

SO

SO

4

4

,

,

siarki elementarnej lub w innych

siarki elementarnej lub w innych

gałęziach przemysłu

gałęziach przemysłu

(najkorzystniejsze rozwiązanie)

(najkorzystniejsze rozwiązanie)

A) Metody odpadowe

A) Metody odpadowe

1). Metoda wodna

1). Metoda wodna

– metoda historyczna;

– metoda historyczna;

zastosowana w elektrowni węglowej w

zastosowana w elektrowni węglowej w

Londynie w latach trzydziestych XXw.;

Londynie w latach trzydziestych XXw.;

Gazy spalinowe przepłukiwano w

Gazy spalinowe przepłukiwano w

skruberach wodą alkaliczną wprost z

skruberach wodą alkaliczną wprost z

Tamizy, a po absorpcji produkty utleniano i

Tamizy, a po absorpcji produkty utleniano i

wprowadzano bez oczyszczania do rzeki (

wprowadzano bez oczyszczania do rzeki (

!

!

).

).

Skuteczność wysoka (95%), ale duża

Skuteczność wysoka (95%), ale duża

uciążliwość dla środowiska wodnego.

uciążliwość dla środowiska wodnego.

Elektrownię zamknięto dopiero w 1975r.

Elektrownię zamknięto dopiero w 1975r.

Metody odpadowe

Metody odpadowe

2) Wapniakowa odpadowa

2) Wapniakowa odpadowa

– absorbentem

– absorbentem

jest wodna zawiesina wapienia (wapniaka;

jest wodna zawiesina wapienia (wapniaka;

węglanu wapnia)

węglanu wapnia)

SO

SO

2

2

+ CaCO

+ CaCO

3

3

= CaSO

= CaSO

3

3

+ CO

+ CO

2

2

SO

SO

3

3

+ CaCO

+ CaCO

3

3

+ 2H

+ 2H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H2O

∙2H2O

+

+

CO

CO

2

2

CaSO

CaSO

3

3

+ ½ O

+ ½ O

2

2

+ 2H

+ 2H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H

∙2H

2

2

O

O

(zachodzi tylko częściowe utlenianie)

(zachodzi tylko częściowe utlenianie)

Metody odpadowe

Metody odpadowe

3). Wapienna odpadowa –

3). Wapienna odpadowa –

polega na myciu

polega na myciu

spalin mlekiem wapiennym (wodną

spalin mlekiem wapiennym (wodną

zawiesiną wodorotlenku wapnia):

zawiesiną wodorotlenku wapnia):

SO

SO

2

2

+ Ca(OH)

+ Ca(OH)

2

2

= CaSO

= CaSO

3

3

+H

+H

2

2

O

O

SO

SO

3

3

+ Ca(OH)

+ Ca(OH)

2

2

+ 2H

+ 2H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H2O

∙2H2O

CaSO

CaSO

3

3

+ ½ O

+ ½ O

2

2

+ 2H

+ 2H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H2O

∙2H2O

(utlenianie częściowe)

(utlenianie częściowe)

Metody odpadowe

Metody odpadowe

W metodach odpadowych (prostych)

W metodach odpadowych (prostych)

wapiennej i wapniakowej głównym

wapiennej i wapniakowej głównym

produktem odsiarczania jest CaSO

produktem odsiarczania jest CaSO

3

3

, który

, który

częściowo ulega utlenieniu do CaSO

częściowo ulega utlenieniu do CaSO

4

4

w

w

absorberach i w dalszej perspektywie na

absorberach i w dalszej perspektywie na

składowiskach.

składowiskach.

W tych metodach spaliny nie muszą być

W tych metodach spaliny nie muszą być

odpylane – w takim przypadku uzyskujemy

odpylane – w takim przypadku uzyskujemy

mieszaninę w/w soli oraz pyłu.

mieszaninę w/w soli oraz pyłu.

B). Metody półodpadowe

B). Metody półodpadowe

1.

1.

wapienna z produkcją gipsu

wapienna z produkcją gipsu

2.

2.

wapniakowa z produkcją gipsu

wapniakowa z produkcją gipsu

3.

3.

dwualkaliczna z produkcją gipsu

dwualkaliczna z produkcją gipsu

4.

4.

metoda z absorpcją w roztworze

metoda z absorpcją w roztworze

kwasu siarkowego

kwasu siarkowego

(

(

z produkcją

z produkcją

gipsu)

gipsu)

5.

5.

metoda półsucha (

metoda półsucha (

ang.

ang.

dry

dry

scrubbing)

scrubbing)

1) i 2) wapienna i

1) i 2) wapienna i

wapniakowa

wapniakowa

z produkcją gipsu

z produkcją gipsu

Reakcje takie jak w metodach

Reakcje takie jak w metodach

odpadowych z tym, że

odpadowych z tym, że

utlenianie

utlenianie

przeprowadza się niemal

przeprowadza się niemal

całkowicie

całkowicie

w

w

dodatkowym reaktorze, przez co

dodatkowym reaktorze, przez co

otrzymuje się tylko gips

otrzymuje się tylko gips

CaSO

CaSO

4

4

∙2H

∙2H

2

2

O

O

Wymagane jest dokładne odpylanie

Wymagane jest dokładne odpylanie

gazów (np. elektrofiltrami)

gazów (np. elektrofiltrami)

3). Dwualkaliczna z

3). Dwualkaliczna z

produkcją gipsu

produkcją gipsu

wykonuje się rozdzielenie procesów

wykonuje się rozdzielenie procesów

absorpcji i wytrącania osadów

absorpcji i wytrącania osadów

procesy te przeprowadza się w

procesy te przeprowadza się w

oddzielnych reaktorach

oddzielnych reaktorach

3). Dwualkaliczna …

3). Dwualkaliczna …

Absorpcja

Absorpcja

(prowadzona w absorberze):

(prowadzona w absorberze):

NaOH + SO

NaOH + SO

2

2

= NaHSO

= NaHSO

3

3

2 NaOH + SO

2 NaOH + SO

2

2

= Na

= Na

2

2

SO

SO

3

3

+ H

+ H

2

2

O

O

Na

Na

2

2

SO

SO

3

3

+ SO

+ SO

2

2

+ H

+ H

2

2

O = 2 NaHSO

O = 2 NaHSO

3

3

3). Dwualkaliczna…

3). Dwualkaliczna…

Utlenianie siarczynu i wytrącanie gipsu

Utlenianie siarczynu i wytrącanie gipsu

(w osobnym reaktorze)

(w osobnym reaktorze)

:

:

2NaHSO

2NaHSO

3

3

+ CaCO

+ CaCO

3

3

= Na

= Na

2

2

SO

SO

3

3

+ CaSO

+ CaSO

3

3

+

+

H

H

2

2

O + CO

O + CO

2

2

lub

lub

2NaHSO

2NaHSO

3

3

+ Ca(OH)

+ Ca(OH)

2

2

= Na

= Na

2

2

SO

SO

3

3

+ CaSO

+ CaSO

3

3

+

+

2H

2H

2

2

O

O

CaSO

CaSO

3

3

+ ½ O

+ ½ O

2

2

+ 2H

+ 2H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H

∙2H

2

2

O

O

(całkowite utlenianie i wytrącenie gipsu)

(całkowite utlenianie i wytrącenie gipsu)

3). Dwualkaliczna…

3). Dwualkaliczna…

Powstały gips dekantuje się, płucze

Powstały gips dekantuje się, płucze

i suszy;

i suszy;

Roztwór Na

Roztwór Na

2

2

SO

SO

3

3

zawraca się do

zawraca się do

absorbera (odtworzenie

absorbera (odtworzenie

absorbentu).

absorbentu).

4). Metoda z absorpcją w

4). Metoda z absorpcją w

roztworze kwasu

roztworze kwasu

siarkowego

siarkowego

SO

SO

2

2

dobrze rozpuszcza się roztworze kwasu

dobrze rozpuszcza się roztworze kwasu

siarkowego reagując z wodą:

siarkowego reagując z wodą:

SO

SO

2

2

+ H

+ H

2

2

O = H

O = H

2

2

SO

SO

3

3

powstały kwas siarkawy utlenia się do

powstały kwas siarkawy utlenia się do

siarkowego:

siarkowego:

H

H

2

2

SO

SO

3

3

+ ½ O

+ ½ O

2

2

+ /katalizator/ = H

+ /katalizator/ = H

2

2

SO

SO

4

4

a ten zobojętnia się do gipsu:

a ten zobojętnia się do gipsu:

H

H

2

2

SO

SO

4

4

+ CaCO

+ CaCO

3

3

+ H

+ H

2

2

O =

O =

CaSO

CaSO

4

4

∙2H

∙2H

2

2

O

O

+ CO

+ CO

2

2

5). Metoda półsucha

5). Metoda półsucha

Metoda nowatorska, oparta jest na

Metoda nowatorska, oparta jest na

wykorzystaniu tzw. suszarki

wykorzystaniu tzw. suszarki

rozpyłowej.

rozpyłowej.

Rozpylona w atomizerach zawiesina

Rozpylona w atomizerach zawiesina

lub roztwór absorbenta (CaCO

lub roztwór absorbenta (CaCO

3

3

,

,

Ca(OH)

Ca(OH)

2

2

itp.) kontaktuje się w suszarce

itp.) kontaktuje się w suszarce

z gorącymi gazami spalinowymi.

z gorącymi gazami spalinowymi.

5). Metoda półsucha

5). Metoda półsucha

Reakcje zachodzą szybko:

Reakcje zachodzą szybko:

głównie: SO

głównie: SO

2

2

+ Ca(OH)

+ Ca(OH)

2

2

= CaSO

= CaSO

3

3

+H

+H

2

2

O

O

Woda ulega odparowaniu.

Woda ulega odparowaniu.

Powstałą suchą mieszaninę

Powstałą suchą mieszaninę

poreakcyjną wraz z pyłem usuwa się w

poreakcyjną wraz z pyłem usuwa się w

odpylaczach, najlepiej tkaninowych.

odpylaczach, najlepiej tkaninowych.

C). Metody bezodpadowe

C). Metody bezodpadowe

(regeneracyjne)

(regeneracyjne)

1.

1.

Wellmana-Lorda

Wellmana-Lorda

2.

2.

Magnezytowa

Magnezytowa

3.

3.

Amoniakalna

Amoniakalna

1). Wellmana-Lorda

1). Wellmana-Lorda

Oczyszczane gazy muszą być dokładnie

Oczyszczane gazy muszą być dokładnie

odpylone;

odpylone;

sorbentem jest wodny roztwór Na

sorbentem jest wodny roztwór Na

2

2

SO

SO

3

3

(pH=

(pH=

6÷7):

6÷7):

Na

Na

2

2

SO

SO

3

3

+ SO

+ SO

2

2

+ H

+ H

2

2

O = 2NaHSO

O = 2NaHSO

3

3

proces absorpcji prowadzi się w absorberach

proces absorpcji prowadzi się w absorberach

1). Wellmana-Lorda

1). Wellmana-Lorda

Regeneracja polega na termicznym

Regeneracja polega na termicznym

rozkładzie w wyparkach:

rozkładzie w wyparkach:

2NaHSO

2NaHSO

3

3

= Na

= Na

2

2

SO

SO

3

3

+ SO

+ SO

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

(w roztworze wodnym)

(w roztworze wodnym)

Uzyskany SO

Uzyskany SO

2

2

wykorzystuje się np.

wykorzystuje się np.

do produkcji H

do produkcji H

2

2

SO

SO

4

4

2). Magnezytowa

2). Magnezytowa

idea podobna, tylko absorbentem

idea podobna, tylko absorbentem

jest wodna zawiesina MgO:

jest wodna zawiesina MgO:

MgO + SO

MgO + SO

2

2

+ nH

+ nH

2

2

O =

O =

MgSO

MgSO

3

3

∙nH

∙nH

2

2

O

O

gdzie n= 3 lub 6

gdzie n= 3 lub 6

2). Magnezytowa

2). Magnezytowa

Regeneracja polega na prażeniu

Regeneracja polega na prażeniu

wytrąconych siarczynów:

wytrąconych siarczynów:

MgSO

MgSO

3

3

∙nH

∙nH

2

2

O = MgO + SO

O = MgO + SO

2

2

+ nH

+ nH

2

2

O

O

(800-1000

(800-1000

o

o

C)

C)

3). Amoniakalna

3). Amoniakalna

odpylone gazy przepłukuje się wodą

odpylone gazy przepłukuje się wodą

amoniakalną; zachodzą głownie reakcje:

amoniakalną; zachodzą głownie reakcje:

SO

SO

2

2

+ 2 NH

+ 2 NH

3

3

+ H

+ H

2

2

O = (NH

O = (NH

4

4

)

)

2

2

SO

SO

3

3

(NH

(NH

4

4

)

)

2

2

SO

SO

3

3

+ ½ O

+ ½ O

2

2

= (NH

= (NH

4

4

)

)

2

2

SO

SO

4

4

CO

CO

2

2

+ 2 NH

+ 2 NH

3

3

+ H

+ H

2

2

O = (NH

O = (NH

4

4

)

)

2

2

CO

CO

3

3

Powstały siarczan amonu jest cennym

Powstały siarczan amonu jest cennym

nawozem azotowym. Zawiera też ok. 3-

nawozem azotowym. Zawiera też ok. 3-

5% węglanu amonu.

5% węglanu amonu.

Podsumowanie

Podsumowanie

Obecnie opracowanych jest około stu

Obecnie opracowanych jest około stu

metod odsiarczania spalin

metod odsiarczania spalin

Najlepsze to metody bezodpadowe

Najlepsze to metody bezodpadowe

(regeneracyjne) ze względu na brak

(regeneracyjne) ze względu na brak

odpadów, które trzeba by było

odpadów, które trzeba by było

składować

składować

Gdzie się stosuje? – duże jednostki

Gdzie się stosuje? – duże jednostki

ciepłownicze i elektrociepłownie

ciepłownicze i elektrociepłownie