Плазменный метод очистки дымовых газов

ТАЛЛИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Вирумааский колледж
RAR 0680 Сберегающие технологии
Анне Шнурова
124446RDKR
Плазменный метод очистки дымовых газов
Доклад
Преподаватель: лектор А.А.Згуро
Кохтла-Ярве 2015
Плазменные технологии[2]
Загрязнение окружающей среды в основном связано с производственной деятельностью
человека.Основными источниками вредных выбросов являются в основном
промышленные предприятия, такие как тепловые электростанции, цементные заводы,
металлургические и химические комбинаты и др. Одной из важнейших проблем данных
предприятий является наличие больших объемов газовых выбросов, содержащих вредные
компоненты. В настоящее время существует значительное количество методов и
технологий, позволяющих производить очистку дымовых газов от технических
загрязнений: SO2,NOх,
H2S, NH3, оксида углерода, различных органических и
неорганических веществ. Эффективность этих мероприятий достаточно высока, однако
существенным их недостатком является высокая стоимость оборудования и эксплуатации,
а также сложность технологических процессов, большой расход энергии. Таким образом,
в условиях постоянно растущего энергопотребления необходимо создание эффективных
и в то же время малозатратных технологий и технических средств, которые позволили бы
снизить уровень негативного воздействия на окружающую среду до нулевых выбросов.
Одна из новейших технологий очистки дымовых газов - плазменная технология,
основанная на использовании низкотемпературной плазмы, создаваемой плазмотроном.
Сущность плазменного метода заключается в том, что в результате электрохимического
разряда образуются электроны, которые при столкновении с молекулами газа вызывают
их активацию, ионизацию и образование нестабильных компонентов.
Плазма[1]
В земных условиях плазменное состояние реализуется в молниях и северном сиянии,
электрической дуге, светящемся веществе неоновых и аргоновых ламп, пламени горелки.
В состоянии плазмы находится основная масса космического вещества — звезды,
туманности, межзвездное вещество и др. Колоссальным сгустком плазмы является
Солнце.
Существенное изменение претерпевает вещество при нагревании до температур порядка
тысяч и миллионов градусов. В этих условиях оно переходит в ионизированный газ –
плазму.Все частицы плазмы обладают огромной энергией теплового движения, которая и
приводит атомы к термической диссоциации на ядра и электроны.
Плазма – частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных
атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей
особенностью
плазмы является ее квазанейтральность, это означает, что объемные
плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она
образована, оказываются почти одинаковыми.
Низкотемпературной считается плазма с температурой 11 600 К (с температурой порядка
103–104оС ). В ней присутствуют недиссоциированные молекулы, молекулярные ионы,
атомы, простейшие ионы, электроны. Это создает возможность осуществлять в
плазменных условиях различные химические реакции.
Плазменное состояние многие рассматривают как четвертое состояние вещества (твердое,
жидкое, газообразное и плазменное). Из плазмы состоят звезды и туманности. Состояние
2
плазмы возникает и в горячем пламени, и в электрической дуге.Сам термин «плазма»
применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими
физиками Лэнгмюром и Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде.
В общем случае плазма – это смесь беспрерывно перемещающихся атомов, электронов,
положительных ионов и атомных ядер. Плазма в целом электронейтральна, но обладает
электронной и ионной проводимостью.
Плазмохимический метод.
Плазмохимический метод основан на пропускании через высоковольтный разряд
воздушной смеси с вредными примесями. Проходящий низкотемпературную плазмугаз с
вредными примесями подвергается бомбардировке электронами и ионами.
Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически
активных частиц,таких как атомарный кислород, озон, гидроксильные группы,
возбужденные молекулы и атомы, которые и участвуют в плазмохимических реакциях с
вредными примесями. Основные направления по применению данного метода идут по
удалению SO2, NOxи органических соединений. Использование аммиака, при
нейтрализацииSO2, NOx дает на выходе после реактора порошкообразные удобрения
(NH4)2SO4и NH4NH3, которые фильтруются.[7]
В ионизированном с помощью непрерывных электронных пучков газе в присутствии
паров воды протекают реакции образования свободных радикалов О., ОН.. Эти радикалы
вступают в реакции с оксидами азота и серы, в результате образуется смесь серной и
азотной кислот. Использование аммиака, при нейтрализации этих кислот, дает на выходе
реактора соли (NH4)2SO4иNH4NO3, в виде твердого порошка, который улавливается с
помощью фильтров. Такой метод очистки подразумевает некоего продукта и его
последующего удаления. Ниже представлена схема очистки дымового газа
вышеописанного метода. [4]
Рисунок 1. Схема очистки дымового газа плазмохимическим методом.[4]
Плазмокаталитический метод
Это довольно новый способ очистки, который использует два известных метода –
плазмохимический и каталитический. Установки, использующие данный метод, состоят
из двух ступеней. Первая – плазмохимический реактор (озонатор), вторая –
каталитический реактор. Дымовые газы
с вредными веществами проходят зону
3
высоковольтного разряда в газоразрядных ячейках, где взаимодействуют с продуктами
электросинтеза, разрушаются и переходят в безвредные вещества, вплоть до CO2и Н2О.
Глубина конверсии зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне
реакции. После плазмохимического реактора газы подвергаются финишной тонкой
очистке в каталитическом ректоре. Синтезируемый в газовом разряде плазмохимического
реактора озон попадает на катализатор, где сразу распадается на активный атомарный и
молекулярный кислород. Остатки загрязняющих веществ (активные радикалы,
возбужденные атомы и молекулы), не уничтоженные в плазмохимическом реакторе,
разрушаются на катализаторе благодаря глубокому окислению кислородом.
Установка «ПЛАЗКАТ».[5]
С целью совмещения преимуществ плазмохимического и каталитического способов
российскими учеными была разработана очищающая установка «ПЛАЗКАТ».
Установка состоит из плазмокаталитического реактора, агрегата питания и стойки
управления.
Плазмокаталитический реактор представляет собой мультиплицированный блок из
реакторов определенной производительности. Каждый реактор в блоке состоит из трех
ступеней. Первая ступень – противопылевая, вторая - плазмохимическая, где происходит
разрушение, окисление молекул газов, бомбардировка быстрыми электронами,
энергетический разрыв молекулярных связей, образование нестабильных комплексов и
радикалов. Третья – каталитическая, где происходит глубокое окисление, разрушение и
стабилизация простых молекулярных форм.
Рисунок 2. Плазмокаталитический реактор установки «ПЛАЗКАТ» [5]
По направлению потока газа/воздуха первой расположена противопылевая ступень.
Вторая и третья ступени, плазмохимическая и каталитическая, объединены в единый
модуль, где газовоздушная смесь распределяется от центральной оси к периферии по
4
всему сечению. Стенки каталитической ступени реактора являются электродами
плазмохимической. Происходит процесс одновременной обработки очищаемого газа.
Разрядная зона занимает практически весь объем модуля за исключением мест крепления
электродов и опорно-проходного изолятора. При таком распределении активной зоны
разряда и размещении катализатора, обрабатываемый газ подвергается максимально
возможной обработке всеми активными частицами, синтезируемыми в разряде. Питание
установки обеспечивает высоковольтный трансформатор с преобразователем.
Данная установка решает проблему очистки воздуха(газов) при минимуме катализатора
(то есть без применения драгоценных металлов), при минимуме температуры (от 20 0С) и
при минимуму потребляемой электроэнергии. Объемы очищаемого воздуха(газа) от 5 до
100 000 м3/час.
Применение плазмокаталитического очистителя в совокупности с пылеочистными
установками позволяет осуществить полный цикл очистки выбрасываемых газов в
атмосферу.
Преимуществом этого метода являются использование каталитических реакций при
температурах, более низких (40 – 100оС), чем при термокаталитическом методе, что
приводит к увеличению срока службы катализаторов, а также к меньшим энергозатратам
(при концентрациях вредных веществ до 0,5 г/м3). Использование катализаторов без
применения драгоценных металлов. Химические, сорбционные и биологические методы
предусматривают стадию утилизации продуктов реакции и возмещение затраченных
реагентов. Для осуществления плазмокаталитических реакций разложения вредных
веществ требуется лишь подача электроэнергии. Установки работают в основном на
промышленной частоте питающего напряжения. Степень очистки технологических
выбросов от ароматических углеводородов, формальдегида, оксидов азота и углерода
достигает в среднем 90-92%. [3]
Недостатком данного метода: большая зависимость от концентрации
необходимость предварительной очистки до концентрации 3-5 мг/м3.
Установка
сорбционно-плазмо-каталитической
очистки
технологических выбросов в атмосферу «СТОПКР»[8]
пыли,
воздушных
Рисунок 3. Установка «СТОПКР»[8]
5
Предназначена для очистки воздуха от органических веществ: предельных, непредельных,
ароматических углеводородов и др., а также неорганических веществ: NH3, H2S, SO2,
NOx, CO и др.
Очистка газов производится по схеме: Грязный воздух → фильтр предварительной
очистки→ плазмохимический реактор→ каталитический реактор → вентилятор →
атмосфера.
Плазмохимический реактор представляет собой металлический воздуховод, внутрь
которого устанавливаются кассеты с высоковольтными газоразрядными элементами,
кассеты электрически соединены с высоковольтными трансформаторами, которые
расположены в специальных электрических шкафах, находящихся в нижней части
корпуса ПХР или в верхней, либо вынесены. Высоковольтные газоразрядные элементы
представляют из себя газоразрядные колбы, наполненные электропроводящим газом, на
которые навиты электроды специальной конструкции из нержавеющей стали.
Газоразрядные элементы расположены в кассете в шахматном порядке перпендикулярно
движущемуся загрязненному воздуху. Газообразные загрязнители, проходя зону
высоковольтного разряда и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и
переходят в менее вредные соединения и безвредные, вплоть до СО 2 и Н2О. После
плазмохимического реактора смесь частично разложившихся загрязнителей и
окислителей подается в каталитический реактор, где происходит низкотемпературная
каталитическая реакция доокисления.
Основным элементом каталитического реактора является не просто катализатор, а
сорбент- катализатор, который позволяет увеличить эффективность очистки в несколько
раз по сравнению с катализаторами аналогичного действия. Сорбент-катализатор
благодаря своей большой разветвленной поверхности и емкости позволяет накапливать
вредные газообразные соединения до тех пор, пока они не окислятся, и, тем самым,
позволяет более оптимально использовать синтезируемый из воздуха окислитель. Как
правило, при использовании этой технологии каталитические реакции проходят в
интервале температур от 30 ºС до100 ºС. После каталитического реактора очищенный
воздух выбрасывается в атмосферу с помощью вентилятора. Установка эксплуатируется
под разрежением.
Таблица 1.
Технические характеристики установки «СТОПКР»
6
Литература:
1. Плазма - [WWW] http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/PLAZMA.html
(9.11.2015)
2. «Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на
предприятиях энергетики» А.С.Носков, З.П.Пай, серия «Экология», выпуск 40,
Новосибирск 1996
3. ИННОВАЦИИЭКООЧИСТКИ:
плазмокаталитическаятехнология.
http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=2157(9.11.2015)
[WWW]
4. Plasma-Based Depollution of Exhausts: Principles, State of the Art and Future Prospects
- [WWW]
http://orbit.dtu.dk/fedora/objects/orbit:64697/datastreams/file_5740104/content(16.11.2015)
5. Конструкция установки «ПЛАЗКАТ-аэро» [WWW]http://www.plazkat.ru/konstrukcija_ustanovki_plazkatajero/(9.11.2015)
6. Отрасли применения «Плазкат» [WWW]http://www.plazkat.ru/otrasli_primenenija_plazkatajero/
7. Описание существующих методов очистки воздуха от вредных газообразных
примесей -[WWW]http://www.air-cleaning.ru/d_method_rev.php
8. Установка сорбционно-плазмо-каталитической очистки воздуха
[WWW]http://www.air-cleaning.ru/doc/leaflet_stopkr.pdf(11.11.2015)
«СТОПКР»-
7
8