CC BY
31
/14 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 2 (56) УДК 66.074.5.097.094.2; 504.054; 544-478.03
Каталитическая очистка индустриальных газовых выбросов от органических загрязнений с помощью стекловолокнистых тканых каталитических (СВТК) материалов
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2018
М.В. Кузнецов, А.В. Сафонов
Аннотация
Рассмотрены новые системы для каталитической очистки газовых выбросов промышленных предприятий от органических загрязнений. Вместо традиционных крупнотоннажных масс гранулированных катализаторов предложено без существенных изменений технологического процесса и аппаратурного обеспечения использовать новое поколение отечественных универсальных стекловолокнистых тканых каталитических материалов с различными металлами-наполнителями.
Ключевые слова: газовые выбросы промышленных предприятий; гранулированные катализаторы; стекловолокнистые тканые каталитические материалы; технологические преимущества; эксплуатационные расходы.
Catalytic Purification of Industrial Gas Emissions From Organic Pollutants Using Fiberglass Woven Catalytic (FGWC) Materials
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2018
M. Kuznetsov, A. Safonov
Abstract
The authors propose new systems for catalytic purification of industrial gas emissions from organic pollutants. Instead of traditional multi-ton bulk granular catalysts, it is proposed to use a new-generation domestic universal fiberglass woven catalytic (FGWC) materials with various filler metals without significant changes in the technological process and hardware.
Key words: gas emissions of industrial enterprises; granulated catalysts; fiberglass woven catalytic (FGWC) materials; technological advantages; operating costs.
Статья поступила 16.03.2018.
Введение
Газообразные выбросы промышленных предприятий в результате осуществления ими хозяйственной деятельности неблагоприятно влияют на экологическую обстановку, а также ухудшают санитарно-гигиенические условия труда персонала.
В состав промышленных газовых выбросов входят токсичные компоненты в виде взвешенных частиц пыли и тумана, а также в виде парообразных и газообразных примесей неорганического и органического происхождения. Для их очистки применяется широкий спектр методов и аппаратов, в том числе разнообразные виды механических пылеуловителей, абсорберов, фильтров и т. д. Одним из эффективных направлений в области очистки промышленных газовых выбросов от органических загрязнений является применение каталитических технологий за счет использования композиций на основе благородных металлов, особенно платиновых.
Суть процесса очистки газовых выбросов заключается в том, что на катализаторе происходит окислительное или восстановительное разложение токсичных примесей до безвредных соединений — воды, азота, диоксида углерода. Органические примеси газовых выбросов и оксид углерода, как правило в результате каталитического окисления, разлагаются до воды и диоксида углерода. Оксиды азота, наоборот, восстанавливаются до азота.
Несмотря на относительно высокие первоначальные затраты, каталитический способ очистки имеет много преимуществ, в том числе и по сравнению с термическим дожиганием (способ, применяемый для органических примесей):
рабочая температура каталитического процесса существенно ниже температуры термического дожигания;
более мягкие условия эксплуатации оборудования, и, как следствие, более длительный срок его службы;
многолетняя устойчивость катализатора (зафиксирована, например, работа катализатора очистки вентиляционных выбросов в цехе участка покрытия лаком проводов (очистка от паров растворителя) в течение 28 лет);
возможность регенерации катализатора; возможность переработки катализатора с целью извлечения драгоценных металлов.
Традиционные технологические подходы в данном случае заключаются в использовании в качестве катализаторов значительных масс гранул-носителей с соответствующими нанесенными активными покрытиями, которые загружаются в специальные аппараты диаметром и высотой в несколько метров. При этом высота каталитического слоя может составлять до 1 м, а масса катализатора 2-5 тонн.
В статье предлагаются новые системы для каталитической очистки газовых выбросов от органических загрязнений. Эти системы могут быть использованы, например, в машиностроительной, автомобильной, кабельной промышленности, на предприятиях по производству мебельных изделий и в любой другой индустрии для нейтрализации воздушных потоков,
отходящих от покрасочных и лакопокрывающих линий и установок.
Основной инновационной разработкой, которая была использована при реализации предлагаемых в данной работе технологических подходов, является новое поколение отечественных универсальных стекло-волокнистых тканых каталитических (далее — СВТК) материалов с различными наполнителями. СВТК — представляют собой изделия, сотканные из силикатных, аморфных по фазовому состоянию стекловолокон (содержание SiO2 55-98% масс.) в форме полотнищ или сеток, активированных каталитическими компонентами из широкого ряда металлов (Р1, Pd, Ag, Сг, N1, Мп, Со и др.), композиция которых и их содержание определяется требованиями каждого конкретного каталитического процесса.
На рис. 1 приведено изображение этих материалов, иллюстрирующее необычный облик и дизайн [1-3]. В ходе поиска приемов каталитической активации кремнеземной основы СВТК был разработан ряд методов имплантации ионов металлов в аморфную стеклово-локнистую матрицу в процессе их производства. СВТК элементы характеризуются высокой каталитической активностью при весьма малом содержании в матрице металлической компоненты и весьма развитой каталитической поверхностью.
Рис. 1. Стекловолокнистые тканые катализаторы с различным типом тканой структуры, активированные металлами (слева направо): 1,4-5 — без наполнителя;
2 — Pd, 3 — Pt. Реальные размеры образцов (длина ~ 100 мм; ширина ~ 50 мм)
Их макропористость регулируется подбором специфической мультиволокнистой структуры матрицы, которая формируется операциями кручения отдельных элементарных волокон диаметром 5-9 микрон в рабочую нить, а также типом переплетения нитей в рабочее полотнище (простое тканое плетение, саржевое, сатиновое, сеточное, жаккартово тканье и др.).
Микропористость СВТК легко управляется путем изменения химического состава стекла и введением специальных операций предварительной обработки стекловолокнистой матрицы носителя. Внутренняя поверхность может варьироваться в соответствии с требованиями конкретного каталитического процесса от единиц (для щелочного стекла) до сотен (для алюмо-боросиликатного стекла) квадратных метров на грамм
/16 См! SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, N0. 2 (56)
массы катализатора с реализацией широкого спектра пор по их размерам (10-1000 А).
СВТК характеризуются высокой химической и термической стойкостью, механической прочностью, устойчивостью к истиранию и пылению. Эти качества СВТК систем в соединении со стабильностью введенной в их матрицу металлической компоненты обеспечивают этим системам хорошие характеристики по длительности эксплуатации (рабочему ресурсу).
Их структура и свойства позволяют реализовать в реакторе эффективный кассетный дизайн послойно сформированного катализаторного пакета со значительным сокращением общей массы загрузки по сравнению с традиционными гранулированными насыпными катализаторами. Такой кассетный дизайн катализаторного пакета-картриджа обеспечивает эксплуатационную простоту и оперативность его инсталляции, а также извлечения отработавшего элемента из реактора.
Процесс производства СВТК материалов характеризуется непрерывностью технологической схемы, легкой ее перестраиваемостью на новое изделие, а также экономичностью. СВТК материалы могут быть классифицированы как новые, практически неизученные объекты каталитической химии. Этот класс каталитических систем характеризуется как собственной фундаментальной научной новизной, так и новизной их технологического применения.
Эти системы могут быть использованы в качестве альтернативы применяемым в настоящее время многотонным массам порошковых и гранулированных катализаторов. Применительно к задачам переработки отходов различного назначения данные каталитические системы могут быть использованы в системах комплексной очистки индустриальных газовых выбросов мусоросжигательных предприятий.
Краткая характеристика технологических процессов и ожидаемых результатов
Предлагаемый процесс реализуется с использованием СВТК-материалов, активированных благородными металлами при их содержании в матрице СВТК 0,05-0,20% масс. Как уже было подчеркнуто ранее, структура каталитической ткани может быть выполнена в любой форме: обычное переплетение, сетка, сатиновое тканье и другая возможная геометрия.
СВТК-системы очистки промышленных газовых выбросов не требуют существенной модификации технологического оборудования. Каталитический сменный «картридж» изготавливается в форме кассетного элемента, легко устанавливаемого в реактор-нейтрализатор и легко извлекаемого из него. Время инсталляции и демонтажа каталитического картриджа без остановки технологического процесса не превышает 1-2 часов [4-5].
Схематическая диаграмма стандартного промышленного процесса очистки газовых выбросов с помощью гранулированных катализаторов представлена на рис. 2 (а). Процесс осуществляется с использованием
оборудования компании «Окси-Франс» (Франция) на
заводе ООО «Пластик» (г Сызрань, Самарская область).
8 атмосферу
б
Рис. 2. (а) Схема процесса очистки промышленных воздушных выбросов, (б) гранулированные катализаторы и носители на основе Al2O3
На рис. 2 (б) показаны используемые в промышленных процессах гранулированные катализаторы и носители на основе А1203 (Производитель — Ред-кинский катализаторный завод, г. Редкино; слева направо): Высокопрочный носитель (максимальная рабочая температура Тмакс ~ 8000С); Катализатор для высокотемпературной очистки газовых выбросов (Т ~ 5000С); Носитель с высокой теплопроводностью (Тмакс ~ 11000С); Катализатор для удаления водорода из промышленного газового цикла на объектах ядерной энергетики (Т ~ 6000С); Катализатор для использования в процессах каталитического горения (окисления) и удаления потенциально опасных органических соединений из газового цикла (Тмакс ~ 5000С).
Паровоздушная смесь, содержащая пары растворителей (таких как метилэтилкетон, циклогексанон, бутан-2-ОН и т.д.), при температуре 25-300С подается в нагревательную камеру с помощью вентилятора, где температура существенно выше за счет горения пропан-бутановой смеси. В нагревательной камере паровоздушная смесь нагревается до 550 0С и затем переходит в каталитический реактор, в котором протекают процессы интенсивного окисления паров растворителей на поверхности гранулированных катализаторов. В нашем случае эти гранулированные катализаторы заменяются на кассетную сборку, содержащую слои СВТК в определенном наборе и последовательности. Стандартный каталитический реактор имеет 4 секции, в которые в общей сложности помещено порядка 2 тонн гранулированного катализатора. Именно в этих секциях без изменения конструкции реактора гранулят может быть заменен на СВТК кассетного дизайна. Пропускная
способность данной системы каталитической очистки составляет 25000 м3/ч. Очищенный горячий воздух поступает в теплообменник, в котором его температура понижается до 3000С, затем переходит в колонну высотой порядка 40 м и рассеивается в атмосфере. Суть каталитических процессов очистки выбросов вредных органических веществ и монооксида углерода является то, что катализатор обеспечивает окислительное или восстановительное разложение токсичных примесей до безвредных веществ, таких как вода, азот и углекислый газ. Оксиды азота восстанавливаются до азота.
Практическая реализация предлагаемых разработок
Совместно с научно-производственным предприятием (НПП) «Экопромика» (п.Томилино, Московская область) разработана технология каталитической очистки промышленных газовых выбросов и воздуха от загрязнений с использованием СВТК. Оборудование данной компании установлено по всей России и в странах СНГ (Белоруссии, Украине, Казахстане). Компания НПП «Экопромика» активно участвует в реализации национальной программы «Экология России». Так, за 8 лет ОКБ НПП «Экопромика» разработала 12 базовых газоочистных установок и более 30 модификаций [6-8]. Сдано в эксплуатацию более 500 газоочистных комплексов Газоконвертор «Ятаган», которые очищают свыше 5000000 кубических метров загрязненного воздуха в час. В качестве примера использования изготовленных катализаторов можно привести характеристики СВТК-систе-мы, применяемой на Липецком заводе «СТИНОЛ» для очистки вентиляционного воздуха из покрасочных камер холодильников (система очистки находится в режиме непрерывной эксплуатации уже более 5 лет): воздушный поток, направляемый на очистку — 10000 м3/ч; температура на входе в зону катализа — 350-4000С; содержание примесей (органические растворители) — 0,5-1,0 г/ м3; степень очистки — 90-95%; тканый катализатор используется в форме послойно уложенного картриджа: метраж каталитического полотнища, необходимый для укомплектования реактора, — 100 м2; масса 1 м2-0.7 кг; каталитическая кассета собрана из 8 слоев с общей толщиной сборки 8-10 мм (табл.).
Таким образом, на предприятиях различных отраслей промышленности успешно реализуются подходы, связанные с внедрением стекловолокнистых тканых каталитических (СВТК) материалов, являющихся исключительно отечественной разработкой. Данные перспективные каталитические материалы и технологические подходы, связанные с их применением на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, а также в экологических процессах, в перспективе способны обеспечить решение проблем импортозамещения при производстве катализаторов, а также существенно улучшить экологическую составляющую соответствующих производственных процессов.
Вывод
Достигнутые сравнительные научно-технические и практические результаты за счет применения СВТК-систем вместо традиционных порошковых или гранулированных каталитических систем очистки промышленных газовых выбросов:
аналогичное качество и объем очистки воздуха при использовании СВТК требует использования значительно меньших объемов и масс катализаторов (в ~12-16 раз);
аналогичное качество и объем очистки воздуха при использовании СВТК обеспечивает более длительный срок эксплуатации катализатора (в ~1,2-1,5 раза) по сравнению с традиционными гранулированными и порошковыми катализаторами;
применение СВТК позволяет значительно упростить работы по замене отработанного катализатора на новый путем замены одной кассеты на другую, фактически не прерывая технологический процесс (1-2 ч.); вместо осуществления дорогостоящего процесса выгрузки-загрузки гранулированного катализатора, что требует длительной остановки производственного процесса (2-3 рабочие смены);
снижение общих эксплуатационных расходов более чем в три раза;
снижение аварийности объектов промышленности в результате упрощения работы по замене отработанного катализатора на новый.
Таблица
Сравнительные характеристики КСВК-систем и традиционных гранулированных катализаторов на основе Al2O3
в процессах очистки промышленных газовых выбросов
Технологические параметры Традиционные гранулированные катализаторы на основе Л1203 КСВК-системы
Масса загрузки Более 1 тонны 60-80 кг
Форма загрузки Насыпной слой Каталитическая кассета
Срок гарантированной эксплуатации 10 тыс. часов 12-15 тыс. часов
Время установки и замены каталитического материала 2-3 рабочих смены 1-2 часа
Температура на входе в зону катализа 350-400оС 350-400оС
Степень очистки 90% Более 90%
Стоимость системы очистки (в относительных единицах) 1 0.3
/18 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 2 (56)
Литература
1. Симонова Л. Г., Барелко В. В., Лапина О. Б. и др. Катализаторы на основе стекловолокнистых носителей. I: Физико-химические свойства кремнеземных стекловолокнистых носителей // Кинетика и катализ. 2001. Т. 42. № 5. С. 762-772.
2. Симонова Л. Г., Барелко В. В., Паукштис Е. А. и др. Катализаторы на основе стекловолокнистых носителей. II: Физико-химические свойства алюмоборсиликатных стекловолокнистых носителей // Кинетика и катализ. 2001. Т. 42. № 6. С. 907916.
3. Симонова Л. Г., Барелко В. В., Токтарев А. В. и др. Катализаторы на основе стекловолокнистых носителей. III: Свойства нанесенных металлов (Pt, Pd) по данным электронной микроскопии и РФЭС // Кинетика и катализ. 2001. Т. 42. № 6. С. 917927.
Барелко В. В., Прудников А. А., Быков Л. А. и др. Устройство для термокаталитической очистки вентиляционных выбросов от камер окраски: Патент 2171430. РФ // Б.И. 2001. № 21. Барелко В. В., Хрущ А. П., Черашев А. Ф. и др. Каталитические системы на основе стекловолокнистых тканых матриц с нанесенными металлами в реакциях восстановления оксидов азота // Кинетика и катализ. 2000. Т. 41. № 5. С. 719. Барелко В. В., Хальзов П. И., Онищенко В. Я. и др. Катализатор для химических процессов, например для конверсии аммиака, окисления углеводородов, диоксида серы, очистки выхлопных газов: Патент 2069584. РФ // Б.И. 1996. № 33. Барелко В. В., Кузнецов М. В., Дорохов В. Г. и др. Стекловолок-нистые тканые катализаторы — альтернативные каталитические материалы для различных отраслей промышленности // Химическая физика. 2017. Т. 36. № 7. С. 75-89. Барелко В. В., Бальжинимаев Б. С., Кильдяшев С. П. и др. Носитель и катализатор для гетерогенных реакций: Патент 2143948. РФ // Б.И. 2000. № 1.
Сведения об авторах
Кузнецов Максим Валерьевич: д. х. н., ФГБУ ВНИИГОЧС
(ФЦ), г. н. с. науч.-исслед. центра.
121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7.
e-mail: maxim1968@mail.ru
SPIN-код — 6127-9141
Сафонов Алексей Владимирович: ФГБУ ВНИИГОЧС
(ФЦ), н.с. науч.-исслед. лаб.
121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7.
e-mail: safa2004@mail.ru
SPIN-код — 4911-1783
Information about the authors
Kuznetsov, Maksim V.: Dr. Sci. (Chemistry), All-Russian Science Research Institute for Civil Defense and Emergency Management.
121352, Moscow, ul. Davydkovskaya, 7. e-mail: maxim1968@mail.ru SPIN-code: — 6127-9141.
Safonov, Aleksey V.: Researcher at Laboratory, All-Russian Science Research Institute for Civil Defense and Emergency Management.
121352, Moscow, ul. Davydkovskaya, 7. e-mail: safa2004@mail.ru SPIN-code — 4911-1783
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Гражданской обороне 85 лет: Фотоальбом https://elibrary.ru/item.asp?id=30505592
Сломянский В.П. и др. Комментарий к Федеральному закону от 12 февраля 1998 года № 28-ФЗ «О гражданской обороне» https://elibrary.ru/item.asp?id=30601349
В.Ю. Глебов и др. Научно-практический комментарий к федеральному закону от 21 декабря 1994 г. № 68-ФЗ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Издание 2-е, переработанное и дополненное https://elibrary.ru/item.asp?id=30601450
Р.А. Фархатдинов. Проблемы реализации этноязыковой политики в России https://elibrary.ru/item.asp?id=32067052
Н.Н. Посохов и др. Экологические последствия чрезвычайных ситуаций: актуальные проблемы и пути их решения. XXII Международная научно-практическая конференция по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. 7 июня 2017 г. Ногинск, Россия. Материалы конференции https://elibrary.ru/item.asp?id=30642616
Акимов В.А. и др. Чернобыль. Памяти страницы (к 30-летию аварии на ЧАЭС) http://elibrary.ru/item.asp?id=25889315
Батырев В.В. и др. Основы индивидуальной защиты человека от опасных химических и радиоактивных веществ. Монография http://elibrary.ru/item.asp?id=25637877
Артамонов В.С. и др. Историческая пожарно-спасательная энциклопедия Артамонов В.С. и др. Гражданская оборона. Учебник https://elibrary.ru/item.asp?id=32288725 http://elibrary.ru/item.asp?id=26496217
Акимов В.А. и др. Защита населения и территорий Российской Федерации в условиях изменения климата Гаврилюк А.Д. и др. Обеспечение безопасности при реализации крупных экономических и инфраструктурных проектов в Арктике. Проблемы и пути решения. Международная конференция. Салехард, 18-20 августа 2015 г. Материалы конференции http://elibrary.ru/item.asp?id=26013124 http://elibrary.ru/item.asp?id=26496295
