Oczyszczanie Gazów Odlotowych

z zanieczyszczeń gazowych

Metody oczyszczania gazów (nie tylko odlotowych):

1. Absorpcyjne

2. Adsorpcyjne

3. Spalanie (dopalanie)

4. Katalityczne

Podstawowe pojęcia:

absorpcja - proces pochłaniania gazu przez absorbent (ciecz rzadziej ciało stałe) zachodzący w całej jego objętości

absorbat - składnik gazowy, który usuwany jest w drodze absorpcji

absorber - aparat do przeprowadzenia procesu absorpcji

adsorpcja - proces wiązania składnika (tzw. adsorbatu) z płynu (mieszaniny gazowej lub ciekłej) na powierzchni porowatego ciała stałego (adsorbenta)

adsorber - aparat do prowadzenia procesu adsorpcji

Cząsteczki absorbatu lub adsorbatu mogą być wiązane siłami przyciągania międzycząsteczkowego natury fizycznej (sorpcja fizyczna) lub oddziaływaniami natury chemicznej (chemisorpcja)

absorpcyjne metody oczyszczania gazów

Absorbery są podobne konstrukcyjnie do odpylaczy mokrych.

Rozróżnia absorbery:

1. powierzchniowe - cechą charakterystyczną tego typu aparatów jest ograniczenie powierzchni międzyfazowej ciecz/gaz tylko do powierzchni swobodnej cieczy. Przepływ cieczy i gazu powinien być przeciwprądowy.

2. błonkowe, w których ciecz spływa cienką warstwą po wewnętrznej powierzchni rury lub po szeregu pionowych płyt lub kaskad o rozwiniętej powierzchni umieszczonych w komorze

3. kolumny z wypełnieniem - różnego kształtu i rozmiarów elementy wypełniające mają za zadanie rozwinąć (zwiększyć) powierzchnię styku (czynną) cieczy i gazu.

4. skrubery - absorbery natryskowe

5. absorbery barbotażowe

6. absorbery Venturiego

Zastosowanie metod absorpcyjnych:

1. Odsiarczanie spalin (usuwanie tlenków siarki SO_x)

2. Usuwanie tlenków azotu ze spalin oraz z przemysłowych gazów odlotowych (np. z produkcji HNO₃)

3. Jednoczesne usuwanie NO_x i SO_x z gazów spalinowych

4. Absorpcja gazów przemysłowych (np. HF, HCl, Cl₂, NH₃)

5. Dezodoryzacja gazów odlotowych (usuwanie odorantów):

• metoda absorpcyjna fizykochemiczna

• metoda absorpcyjna połączona z biodegradacją
  (tzw. płuczki biologiczne)

Zastosowanie metod adsorpcyjnych:

1. Ochrona dróg oddechowych (maski p-gaz)

2. Oczyszczanie powietrza napływającego z zewnątrz do wewnątrz pomieszczeń, pojazdów itp.

3. Odzyskiwanie składników (np. rozpuszczalników organicznych z lakierni)

4. Rozdzielanie mieszanin gazowych

5. Oczyszczanie gazów odlotowych (mniejsze znaczenie,
   w porównaniu z metodami absorpcyjnymi)

Przegląd absorpcyjnych metod odsiarczania spalin

Podział:

1. proste odpadowe - produkt odsiarczania (mieszanina gipsu, siarczynu wapnia i popiołu) wydalany jest w całości na składowiska, do wypełnień górniczych lub do morza

2. półodpadowe - produktem jest gips CaSO₄∙2H₂O, który można wykorzystać np. w budownictwie

3. bezodpadowe - absorbent zostaje zregenerowany, a wydzielony SO₂ wykorzystuje się do produkcji H₂SO₄, siarki elementarnej lub w innych gałęziach przemysłu

Ad.1. metody odpadowe:

1. wodna - metoda historyczna; zastosowana w elektrowni węglowej w Londynie w latach trzydziestych XXw.; Gazy spalinowe przepłukiwano w skruberach wodą alkaliczną wprost z Tamizy, a po absorpcji produkty utleniano i wprowadzano bez oczyszczania do rzeki (!). Skuteczność wysoka (95%), ale duża uciążliwość dla środowiska wodnego. Elektrownię zamknięto dopiero w 1975r.

2. wapniakowa - absorbentem jest wodna zawiesina wapienia
   
   SO₂ + CaCO₃ = CaSO₃ + CO₂
   SO₃ + CaCO₃ + 2H₂O = CaSO₄∙2H₂O + CO₂
   CaSO₃ + ½ O₂ + 2H₂O = CaSO₄∙2H₂O (utlenianie częściowe)

3. wapienna - polega na myciu spalin mlekiem wapiennym:
   SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃
   SO₃ + Ca(OH)₂ + 2H₂O = CaSO₄∙2H₂O
   CaSO₃ + ½ O₂ + 2H₂O = CaSO₄∙2H₂O (utlenianie częściowe)

Ad.2. metody półodpadowe:

1. wapienna z produkcją gipsu oraz

2. wapniakowa z produkcją gipsu - reakcje podobne jak w poprzednich metodach tylko, że utlenianie przeprowadza się niemal całkowicie w dodatkowym reaktorze, przez co otrzymuje się tylko gips CaSO₄∙2H₂O
   Wymagane jest dokładniejsze odpylanie gazów.

3. dwualkaliczna z produkcją gipsu - wykonuje się rozdzielenie procesów absorpcji i wytrącania osadów
   
   absorpcja:
   NaOH + SO₂ = NaHSO₃
   2 NaOH + SO₂ = Na₂SO₃ + H₂O
   Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O = 2NaHSO₃
   
   utlenianie siarczynu i wytrącanie gipsu (w osobnym zbiorniku-reaktorze):
   2NaHSO₃ + CaCO₃ = Na₂SO₃ + CaSO₃ + H₂O + CO₂ lub
   2NaHSO₃ + Ca(OH)₂ = Na₂SO₃ + CaSO₃ + 2H₂O
   CaSO₃ + ½ O₂ + 2H₂O = CaSO₄∙2H₂O (całkowite utlenianie)

4. metoda z absorpcją w roztworze kwasu siarkowego - SO₂ dobrze rozpuszcza się w tym roztworze reagując z wodą:
   SO₂ + H₂O = H₂SO₃
   powstały kwas siarkawy utlenia się do siarkowego:
   H₂SO₃ + ½ O₂ + /katalizator/ = H₂SO₄
   a ten zobojętnia się do gipsu:
   H₂SO₄ + CaCO₃ + H₂O = CaSO₄∙2H₂O + CO₂

5. metoda półsucha (ang. dry scrubbing) - metoda nowatorska, oparta jest na wykorzystaniu tzw. suszarki rozpyłowej. Rozpylona w atomizerach zawiesina lub roztwór absorbenta kontaktuje się w suszarce z gorącymi gazami spalinowymi. Reakcje zachodzą szybko (głównie: SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃), a woda ulega odparowaniu. Powstałą suchą mieszaninę poreakcyjną wraz z pyłem usuwa się w odpylaczach, najlepiej tkaninowych.

Ad.3. metody bezodpadowe (regeneracyjne):

1. Wellmana-Lorda - oczyszczane gazy muszą być dokładnie odpylone; sorbentem jest wodny roztwór Na₂SO₃ (pH= 6÷7):
   
   Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O = 2NaHSO₃
   
   Regeneracja polega na termicznym rozkładzie w wyparkach:
   2NaHSO₃ = Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O (w roztworze wodnym)
   
   Uzyskany SO₂ wykorzystuje się np. do produkcji H₂SO₄
   

2. Magnezytowa - idea podobna, tylko absorbentem jest wodna zawiesina MgO:
   
   MgO + SO₂ + nH₂O = MgSO₃∙nH₂O gdzie n= 3 lub 6
   
   Regeneracja polega na prażeniu wytrąconych siarczynów:
   MgSO₃∙nH₂O = MgO + SO₂ + nH₂O (800-1000^oC)
   

3. Amoniakalna - odpylone gazy przepłukuje się woda amoniakalną; zachodzą głownie reakcje:
   
   SO₂ + 2 NH₃ + H₂O = (NH₄)₂SO₃
   (NH₄)₂SO₃ + ½ O₂ = (NH₄)₂SO₄
   CO₂ + 2 NH₃ + H₂O = (NH₄)₂CO₃
   
   Powstały siarczan amonu jest cennym nawozem azotowym. Zawiera też ok. 3-5% węglanu amonu.

inne metody odsiarczania spalin

1. Metoda sucha - zaliczana do met. adsorbcyjnych (chemisorpcja);
   polega na wprowadzeniu (wtrysku) drobno zmielonego (pyłu) sorbentu do właściwej strefy spalania (komory paleniskowej);
   sorbentem może być wapniak CaCO₃, dolomit CaCO₃·MgCO₃, wapno gaszone Ca(OH)₂ lub wapno palone CaO.
   W temperaturze płomienia następuje dekarbonizacja węglanów (750-900^oC) lub dehydratacja wodorotlenku (400-500^oC) do CaO i reakcja z SO₂ i HCl:
   
   CaO + SO₂ = CaSO₃
   CaO + SO₃ = CaSO₄
   CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O
   

2. Kotły fluidalne - zastosowanie tego typu rozwiązań ma za zadanie jednocześnie ograniczyć emisje SO₂ (chemisorpcja) i NO_x (obniżenie temperatury spalania). Drobno zmielone paliwo stałe (np. węgiel) i wapniak utrzymywane są w stanie fluidalnym przez powietrze zastosowane w niedomiarze (ok. 65% całkowitej ilości powietrza) - pierwsza strefa spalania. W drugiej strefie spalania następuje dopalenie paliwa. Dwustrefowe spalanie przyczynia się do lepszego wykorzystania paliwa, obniżenia temperatury (mniejsza emisja NO_x), a dodatek wapniaka eliminuje w >90% tlenki siarki z gazów spalinowych.

wtórne metody ograniczania emisji NO_x

(oczyszczanie gazów odlotowych)

Metody te polegają na:

1. Utlenianiu NO do NO₂ i wiązaniu NO₂ metodami absorpcyjnymi
np. metoda amoniakalna odsiarczania połączona z utlenianiem NO ozonem:
skruber nr 1 - odsiarczanie jak w pkt 3C (met. amoniakalna)

skruber nr 2:
NO + O₃ = NO₂

2NO₂ + 2 NH₃ + H₂O = NH₄NO₂ + NH₄NO₃
skruber nr 3 - dodatkowe oczyszczanie

Produkt końcowy: siarczan amonu i saletra amonowa (nawozy)

2. redukcji niekatalitycznej np. amoniakiem w komorze spalania
   4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O
   2NO₂ + 4NH₃ + O₂ = 3N₂ + 6H₂O
   

3. redukcji katalitycznej - zachodzi wiele reakcji przyśpieszanych katalizatorami m.in.:
   
   2NO + 2CO = 2CO₂ + N₂

absorbent

(ciecz)

zużyty

absorbent

zanieczyszczony

gaz

oczyszczony

gaz

k.w.

---