ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И ЕГО УТИЛИЗАЦИЯ

АННОТАЦИЯ

В конце ХХ столетия стало заметно ощущаться систематическое потепление окружающей среды. Причиной такого фактора является увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере. Количество выбросов СО₂ в мире в 2005 году составило более 22 млрд. тонн/год, в том числе по Республике Узбекистан около 115 млн. тонн/год, и намечается тенденция его возрастания. Поэтому перед исследователями стоит задача снижения выбросов СО₂ как за счет его утилизации, так и за счет исключения образования СО₂ при термической переработке углеродсодержащего сырья.

ABSTRACT

At the end of the twentieth century, a systematic warming of the environment began to be noticeable. The reason for this factor is an increase in the concentration of carbon dioxide in the atmosphere. The amount of CO2 emissions in the world in 2005 amounted to more than 22 billion tons / year, including about 115 million tons / year in the Republic of Uzbekistan, and there is a tendency of its increase. Therefore, researchers are faced with the task of reducing CO2 emissions both through its utilization and by eliminating the formation of CO2 during thermal processing of carbon-containing raw materials.

Ключевые слова: Диоксид углерода (СО₂), моноэтаноламин, термодиффузии, жидкостная очистка.

Keywords: Carbon dioxide (CO2), monoethanolamine, thermal diffusion, liquid cleaning.

В плане выполнения международных обязательств по Киотскому протоколу и РКИК разработан комплекс мер, утвержденный Постановлением Правительства Республики Узбекистан от 20 октября 1999 года № 469 «О программе действия по охране окружающей среды на 1999 – 2005 годы». Приняты основные положения Национальной стратегии по снижению эмиссии парниковых газов Республики Узбекистан на 2000 – 2010 годы и мероприятия по ее реализации.

Как известно, углекислый газ образуется при самых разнообразных процессах: брожении, гниении, дыхании, но главным источником СО₂ (более 15% от общего содержания в воздухе) являются промышленные выбросы: при сжигании твердых, жидких и газообразных топлив, а также при термообработке природных карбонатов (известняка, доломита, магнезита и др.)

Поэтому перед исследователями стоит задача снижения выбросов СО₂ как за счет его утилизации, так и за счет исключения образования СО₂ при термической переработке углеродсодержащего сырья.

Для успешного решения этой задачи необходимо прежде знать механизм взаимодействия СО₂ с химическими реагентами в зависимости от их состава и условий проведения процесса, а также проанализировать существующие методы очистки дымовых газов от диоксида углерода из промышленных выбросов и его утилизация.

Химически СО₂ довольно инертен, термически устойчив, диссоциирует на окись углерода и кислород при высокой температуре: % диссоциации при 2000 ⁰С; 2900 ⁰С; 5000 ⁰С соответственно составляет 2; 50; 99. Диссоциация ускоряется под действием УФ лучей, высокого давления и электроразряда (2).

Основным процессом извлечения СО₂   из дымовых газов является его адсорбция и десорбция. Для очистки и утилизации СО₂ дымовые газы пропускают через башни, в которых по кускам кокса стекает раствор поташа (К₂СО₃) (2).

Последний поглощает СО₂ с образованием бикарбоната и вновь выделяет ее при нагревании, согласно реакциям:

К₂СО₃ + СО₂  + Н₂О → 2КНСО₃     нагрев

2КНСО₃        →      К₂СО₃ + СО₂  + Н₂О

Эффективным адсорбентом является моноэтаноламин (3). Это слабое основание хорошо поглощает СО₂  из воздуха. Оптимальная адсорбция при 400⁰С, десорбция при 110⁰ – 120⁰С. Кроме того, предлагаются и другие методы выделения СО₂ , в частности, мембранный адсорбционный метод с использованием пустотелых гидрофобных  волокон полимерных материалов (политетрат, фторэтилен, полиэтилен, полипропилен и др.) и различных видов адсорбционных растворов, в качестве последних используются  водные растворы натриевых солей, моноэтаноламина и др. (4,5).

В литературе приводятся теоретические и экспериментальные исследования процесса очистки дымовых газов промышленных установок от СО и СО₂  с получением в качестве конечного продукта твердых частиц углерода нанометрового размера со структурой аморфной сажи. Это достигается деструкцией СО и СО₂  под действием электроразряда (6).

Есть исследования по использованию для очистки дымовых газов от СО₂ твердых адсорбентов – цеолитов и углеродистых волокон (7,8).

Промышленные методы очистки дымовых газов от вредных примесей можно подразделить на три группы (9-11):

1. с помощью твердых поглотителей или катализаторов – «сухие» методы очистки;
2. с помощью жидких поглотителей – жидкостная очистка;
3. очистка без применения поглотителей или катализаторов, основанных на конденсации газов.

К первой группе относятся методы, основанные на адсорбции, химическом взаимодействии с твердыми поглотителями и на каталитическом превращении примесей в безвредные или легко удаляемые соединения. Сухие методы очистки обычно проводят с неподвижным слоем сорбента, поглотителя или катализатора, который периодически должен подвергаться регенерации или замене. В последнее время такие процессы осуществляются также в «кипящем» или движущемся слое, что позволяет непрерывно обновлять очищающие материалы. Жидкостные способы основаны на адсорбции извлекаемого компонента жидким сорбентом. Типичная схема жидкостных способов очистки включает непрерывную циркуляцию адсорбента между аппаратом, в котором происходит очистка газа, и регенератором, в котором происходит восстановление поглотительной способности раствора.

Третья группа методов очистки основана на конденсации примесей и на диффузионных процессах (термодиффузии, разделение через пористую перегородку).

Примерная характеристика некоторых наиболее употребительных промышленных способов очистки, выбрасываемых в атмосферу газов от СО₂, SO₂, SO₃ и H₂S, следующая (9):

1. Очистка от СО₂ и H₂S – водным 15 – 30% раствором моноэтаноламина, при давлении от атмосферного до 30 атм, температура 30 – 40⁰С. Остаточное содержание примеси 0,002 – 0,2 % СО₂; 20 – 50 мг/н*м³ H₂S. Ориентировочные расходные коэффициенты на очистку 1000 нм³ газа – 0,05–0,5 кг амина, 10 квт-ч электроэнергии; 300 – 1000 кг пара. Регенерация адсорбента при 120 – 130⁰С.
2. Аммиачная очистка от СО₂ и H₂S – водным 1,5 – 6,0 % раствором NH₃, давление атмосферное или 8 – 10 атм. Остаточное содержание примесей 0,5 – 3 г/нм³ H₂S. Расходные коэффициенты – 100 кг пара на 1 кг H₂S удаленного из газа. Регенерация с нагреванием раствора.
3. Низкотемпературная абсорбция СО₂ и H₂S – метиловым спиртом, давление 10 – 30 атм., температура минус 30 – минус 70⁰С. Остаточное содержание примесей 1 – 1,5 % СО₂ , менее 1 мг/нм³ сернистых соединений. Расходные коэффициенты на очистку 1000 нм³ газа 0,5 – 1 кг метилового спирта, 20 – 30 квт-ч электроэнергии, 40 – 60 кг пара. Условия регенерации – ступенчатое снижение давления до 0,2 атм., температура минус 60⁰С.
4. Водная очистка от СО₂ – давление 12 – 30 атм., температура 10 – 30⁰С. Остаточное содержание примесей 0,3 – 2 % СО₂. Для очистки 1000 нм³ газа необходимо затратить 60 – 80 м³ воды, 40 – 55 квт-ч электроэнергии. Условия регенерации – снижение давления до атмосферного, дегазация воды.
5. Поташная очистка от СО₂ – 35-40% водным раствором К₂СО₃, давление 15-30 атм., температура 110 – 120⁰С. Остаточное содержание СО₂ – 0.5-2%. На очистку 1000 нм³ газа расходуется 0,001 кг поташа, 14 квт-ч электроэнергии, 400-500 кг пара. Условия регенерации – снижение давления до 1,2 – 1,3 атм., температура 110 – 120⁰С.
6. Щелочная очистка от СО₂ - 8-10% водным раствором NaOH, давление атмосферное. Остаточная примесь 0,001 – 0,002 СО₂, расходы на очистку 1000 нм³ газа – 1,3-1,6 кг каустика, 8-9 кг извести, 3 квт-ч электроэнергии, 25-30 кг пара. Регенерация раствора не производится или производится путем каустификации известью. Побочных продуктов нет.

Обзор физико-химических свойств диоксида углерод и промышленных методов очистки дымовых газов от диоксида углерода и других сернистых соединения говорит о том, что зная источники выброса в атмосферу вредных газов и кинетику процесса взаимодействия СО₂ с различными химическими реагентами можно утилизировать и сократить выбросы его в атмосферу. Однако существующие промышленные способы очистки дымовых газов в основном базируются на химическом сырье, завозимого из-за пределов Республики Узбекистан.

Поэтому при разработке технологии очистки дымовых газов следует ориентироваться на местное сырье.

Список литературы:

1. Проблемы энерго- и ресурсосбережения. №1-2, Т.,2003.13стр. К.Р.Алаев
2. Краткая химическая энциклопедия. Изд-во «Советская энциклопедия» М. 1961, том V.
3. РЖХ, 2006 г., № 6, 19 П. 539
4. РЖХ, 2006г., № 5, 19 П. 532
5. РЖХ, 2002 г., № 2, 19 П. 491
6. РЖХ, 2005 г., № 5, 19 П. 534
7. РЖХ, 2005 г., № 4, 19 П. 496
8. РЖХ, 2006 г., № 12, 19П. 519
9. Краткая химическая энциклопедия. Изд-во «Советская энциклопедия» М. 1961, том I.
10. Содиков Усмонали Худоберганович, Жумабоев Алишер Гофурович Получение оксигенатно-углеводородной смеси целевым назначением // Universum: технические науки. 2019. №11-2 (68). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-oksigenatno-uglevodorodnoy-smesi-tselevym-naznacheniem (дата обращения: 25.09.2021).
11. Жумабоев А.Г., Содиков У.Х.Разработка схемы использования поглотителя при нейтрализации «кислых газов», образующихся при сжигании кокса в катализаторе блока каталитического риформинга // Universum: технические науки. 2020. №10-2 (79). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-shemy-ispolzovaniya-poglotitelya-pri-neytralizatsii-kislyh-gazov-obrazuyuschihsya-pri-szhiganii-koksa-v-katalizatore (дата обращения: 25.09.2021).