СПОСОБ ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ
METHOD OF CLEANING VENTILATION EMISSIONS FROM TOXIC GASES

2
3
2
Изобретение относится к технологии очистки вентиляционных выбросов из производственных помещений от содержащихся в них токсичных веществ и, в частности, к применению для этой цели органических ионитных волокнистых сорбентов типа «ФИБАН», производство которых осуществляется в Белоруссии на опытно-промышленной установке «Института физико-органической химии Национальной Академии Наук» [Материалы для очистки воздуха от табачного дыма - г.Минск, ИФХ НАН Белоруссии, 2011 г.]. Волокнистые ионитные материалы применяются для очистки вентиляционных выбросов от токсичных газов (NO, NO, SO, SO, HCl), металлических аэрозольных частиц и табачного дыма.
Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена тем, что в России и других странах загрязнение атмосферы происходит в основном за счет выбросов из цехов производственных предприятий больших объемов вентиляционных газов, которые содержат токсичные вещества.
Очистку от токсичных веществ вентиляционных и сбросных технологических газов осуществляют абсорбционными (водными) или адсорбционными (сухими) методами.
2
3
Попытки решить проблему очистки вентиляционных газов традиционными методами не дали желаемого результата. Так, применение для этой цели водных методов путем орошения вентвыбросов в скрубберах водой или слабощелочными растворами NaOH, КОН или NaCO не дают желаемого результата из-за низкой эффективности этого способа: степень очистки вентгазов от токсичных выбросов за одну стадию составляет в среднем лишь 50-60%.
2
3
2
Повышение эффективности улавливания токсичных газов возрастает при использовании нескольких последовательных стадий газоочистки. Так, согласно патенту №2074015 (1997 г.) очистку сбросных газов от фтористого водорода и диоксида серы осуществляют в 3-х последовательно установленных абсорберах с заданным расходом воды; в первых двух абсорберах очистку осуществляют водой с возвратом воды со второй стадии на первую. На третьей стадии абсорбцию осуществляют 5-10% раствором NaCO. По данным авторов патента суммарная степень очистки от HF составляет 92-99%, от SO - 95-99%. Аналогично в 3 стадии осуществляют процесс абсорбции HF в производстве фтористого водорода на АЭХК. Недостаток метода - его сложность и недостаточная степень очистки.
Лучшие показатели достигнуты при использовании сухих методов,
3
2
2
6
Так, согласно патенту №2342982 (2006 г.) предложен способ синтеза химического поглотителя состава 66-90% СаСО+10-30% Са(ОН)+4% NaOH, применение которого обеспечивает очистку сбросных технологических газов в одну стадию от HF, F и UF на 98-99%.
2
6
6
В соответствии с патентом №2408420 (2006 г.) предложен способ приготовления гранулированного смешанного сорбента на основе фторида натрия состава 80-95% NaF+5-20% CaF. Способ позволяет повысить прочность сорбента, его пористость и емкость по UF. Последующие испытания сорбента во ВНИИХТ и на УЭХК показали, что сорбент обеспечивает за одну стадию степень улавливания UF более чем на 99%.
6
2
6
6
2
На практике, в заводских условиях на изотопно-разделительных заводах (УЭХК, АЭХК) в связи со сложным составом сбросных газов применяют двойную схему очистки сбросных технологических газов: вначале в адсорберах с гранулированным фторидом натрия для улавливания UF и HF, затем в адсорберах с ХП-И для улавливания F и остатков UF и HF. Схема обеспечивает практически 100% поглощение HF, UF и F. На некоторых установках УЭХК и АЭХК применяют тройную схему газоочистки в двух последовательно установленных адсорберах с гранулами NaF и контрольном адсорбере с ХП-И.
Таким образом, для эффективной очистки сбросных технологических газов водным или сухим методом требуется двойная или тройная очистка.
Многократная очистка экологически и экономически оправдана при улавливании ценных и особо токсичных веществ и широко применяется в случае обезвреживания небольших по объему сбросных технологических газов. В случае очистки вентиляционных газов обычно применяют однократную схему улавливания токсичных веществ.
3
Однако адсорберы, применяемые для очистки технологических газов, имеют низкую производительность по объему очищаемых газов, а поскольку объем вентиляционных выбросов на промышленных предприятиях достигает сотен тысяч и даже миллионов м/час, использование адсорберов для очистки вентвыбросов сухим методом приводит к большим капитальным затратам. В связи с этим, сухие методы нашли широкое применение лишь для очистки небольших объемов сбросных технологических газов [Галкин Н.П., Зайцев В.А., Серегин М.Б. «Улавливание фторсодержащих газов», М., Атомиздат, 1975 г.]
Поиски новых эффективных методов очистки вентвыбросов привели к разработке новых эффективных органических ионитных сорбентов, изготавливаемых в виде волокнистых материалов ФИБАН с влажностью 60-100% и загружаемых плотным слоем в фильтры.
3
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение количества стадий очистки. Кроме того, оно обеспечивает высокую скорость улавливания токсичных газов благодаря их быстрому поглощению влагой волокнистого материала с мгновенной передачей (в доли секунд) поглощенных анионов ионитному волокнистому материалу за счет анодного или катодного ионного обмена. Разработанный способ обеспечивает большую производительность аппаратов (десятки тысяч м/час) и высокую степень поглощения токсичных газов (96-98%).
Технический результат достигается тем, что для очистки вентиляционных газов применяют волокнистый материал ФИБАН с влажностью 60-100%.Для очистки от фтористого водорода применяют ионитный волокнистый сорбент типа ФИБАН А-5 и A-6N, причем в момент проскока фтористого водорода через сорбент увеличивают его содержание не более чем на 2,5-4,0% от его исходного содержания. Для улавливания гексафторида урана применяют ионитные материалы ФИБАН А-5 и ФИБАН АК-22.
Сорбенты типа ФИБАН А-5 и A-6N обладают высокой равновесной емкостью по фтористому водороду (10,7-10,1%) и наибольшей степенью улавливания фтористого водорода в динамическом режиме (до 99,0-99,6%). Сорбенты типа ФИБАН А-5 и ФИБАН АК-22 обладают наибольшей равновесной емкостью по гексафториду урана (24,6-22,7).
Для определения возможности применения ионитных волокнистых материалов «ФИБАН» по новому назначению, а именно, для очистки вентиляционных газов от фтористого водорода и гексафторида урана, авторами заявки выполнены исследования по взаимодействию этих токсичных газов с различными марками ионитных материалов «ФИБАН», производимых в Белоруссии. Их свойства приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные характеристики волокнистых материалов «ФИБАН»
Марка волокна
Функциональные группы
Тип
Оптимальная статистическая обменная емкость, мг·экв/г
Оптимальное набухание, г H<sub>2</sub>O/г ионита
Рабочий интервал рН
Максимальная температура работоспособ-ности, °С
ФИБАН А-5
-N(СН<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
полифункциональный с преобладанием третичных аминогрупп
4,2 (по -NR<sub>2</sub>)
1,4
1-8
80
=NH
-СООН
0,5 (по -СООН)
ФИБАН A-6N
-(C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>OH)(СН<sub>3</sub>)<sub>2</sub>N<sup>+</sup>Cl
полифункциональный с сильно- и слабоосновными аминогруппами
2,1 (по -N<sup>+</sup>) 0,8
1,6
0-13
80 (Cl)
-N(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
(по -NR<sub>2</sub>)
ФИБАН А-6
-(C<sub>3</sub>H<sub>5</sub>O)(СН<sub>3</sub>)<sub>2</sub>N<sup>+</sup>Cl
полифункциональный с сильно- и
2,0 (по -N<sup>+</sup>) 0,8
1,2
0-13
80 (Cl)
-N(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
слабоосновными аминогруппами
(по -NR<sub>2</sub>)
ФИБАН АК-22
=N, =NH,
полифункциональный
4,5
0,7
1-8
80
-СООН
1,0
ФИБАН АК-22В
-СООН, =NH, =NH<sub>2</sub>
полифункциональный
0,5 (по -COOH) 2,0 (по =NH)
0,6
1-12
80
3
3
Пример 1. Опыты проводили при давлении 760 мм рт.ст., температуре 25-30°С, концентрациях HF в воздухе 2200 мг/м и 100 мг/м и влажности воздуха 60% до достижения полного насыщения различных материалов по HF.
Результаты опытов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Равновесная емкость волокнистых материалов «ФИБАН» по HF при различном содержании его в вентиляционном воздухе
Марка материала
Емкость по HF (мас.%) при его исходном содержании 2200 мг/м<sup>3</sup>
Емкость по HF (мас.%) при его исходном содержании 100 мг/м<sup>3</sup>
ФИБАН А-5
10,71
10,40
ФИБАН A-6N
10,07
9,40
ФИБАН А-6
9,74
9,10
ФИБАН АК-22
8,25
8,03
ФИБАН АК-22В
7,83
7,51
Максимальной равновесной емкостью по HF обладают ФИБАН А-5 (10,71-10,40 масс.%) и ФИБАН A-6N (10,07-9,40 масс.%), причем емкость материалов мало зависит от исходной концентрации HF в воздухе.
Пример 2.
В таблице 3 приведены результаты опытов по взаимодействию газообразного UF6, содержащегося в вентиляционном воздухе, с различными марками материала «ФИБАН».
Таблица 3
Равновесная емкость волокнистых материалов «ФИБАН» по UF<sub>6</sub> при его исходном содержании 785 мг/м<sup>3</sup>, температуре 20°С, давлении 760 мм рт.ст. и относительной влажности воздуха 70%
Марка материала
Емкость по UF<sub>6</sub> (мас.%)
ФИБАН А-5
24,06
ФИБАН A-6N
22,66
ФИБАН А-6
20,60
ФИБАН АК-22
19,87
ФИБАН АК-22В
16,80
Из результатов экспериментов видно, что максимальную равновесную емкость имеют марки ФИБАН А-5 (24,06 мас.%) и ФИБАН A-6N (22,66 мас.%).
Пример 3.
Были проведены дополнительные опыты по улавливанию HF из вентиляционного газа в динамических условиях:
- диаметр фильтра: 5 см;
2
- площадь фильтра: 20 см;
- высота слоя волокнистого материала: 6 см;
3
- объем фильтра: 120 см;
- расход воздуха: 3 и 12 л/мин; линейная скорость воздуха через слой волокнистого материала: 2,5 и 10 см/с соответственно;
3
- содержание HF в воздухе - 110 мг/м;
- относительная влажность воздуха: 70-80%.
Таблица 4
Результаты определения динамической емкости ионита ФИБАН А-5 при различных линейных скоростях вентиляционных газов через слой волокнистого материала
Линейная скорость 2,5 см/с
Линейная скорость 10 см/с
Продолжитель-ность, часы
Емкость, масс.%
Степень улавливания HF, %
Продолжи-тельность,часы
Емкость, мас.%
Степень улавливания HF, %
в данный момент
средняя
в данный момент
средняя
10,0
1,33
100,0
100,0
1
0,55
100,0
100,0
20,0
2,72
100,0
100,0
2
1,10
100,0
100,0
30,0
4,03
100,0
100,0
3
1,63
100,0
100,0
40,0
5,26
100,0
100,0
4
2,17
100,0
100,0
45,0
5,88
99,5
99,95
5
2,70
100,0
100,0
50,0
6,47
98,5
99,79
6
3,22
100,0
100,0
55,0
7,07
98,0
99,66
7
3,73
100,0
100,0
57,5
7,36
97,5
99,56
8
4,24
99,75
99,9
60,0
7,63
97,0
99,41
9
4,74
99,40
99,7
62,5
7,93
96,4
99,28
10
5,23
98,70
99,4
65,0
8,22
96,0
99,16
11
5,71
97,50
99,0
67,5
8,49
94,5
98,60
12
6,18
96,00
98,5
70,0
8,71
90,3
98,0
13
6,61
90,2
98,0
Из экспериментальных данных следует, что в первый период процесса наблюдается полное поглощение HF, а в дальнейшем степень улавливания фтористого водорода уменьшается и составляет:
- 99,0-99,56% при проскоке HF в данный момент 2,5% от исходного содержания;
- 99,0-99,16% при проскоке HF в данный момент 4% от исходного содержания;
- 98% при проскоке HF в данный момент 10% от исходного содержания.
Рекомендуется применять ионит «ФИБАН» А-5 до проскока HF 2,5-4,0%, что обеспечивает суммарную степень очистки за весь период процесса 99,0-99,6%. Некоторое снижение емкости ионита по HF не имеет большого значения, так как материал в любом случае будет подвергаться водно-щелочной регенерации для повторного использования в многократных циклах сорбции-десорбции.