Методи за пречистване на отпадъчни газове от летливи органични съединения

Летливи органични съединения или ЛОС са всички органични съединения, различни от метана, които могат да отделят фотохимичен окислител чрез реакция с азотни оксиди в присъствието на слънчева светлина. Източниците на ЛОС са много и различни: термични процеси, употреба на органични разтворители, транспорт и обработка на течни горива и леки органични съединения, рафинерии и органична химическа промишленост, естествени източници.

ЛОС играят важна роля в атмосферната химия - чрез сложни фотохимични реакции те допринасят за образуването на токсични окислители като тропосферен озон и др., които могат да предизвикат различни здравословни проблеми, както и да окажат вредно въздействие върху растенията и екосистемите. Известно е, че някои ЛОС са силно токсични, мутагенни и канцерогенни. На тези ЛОС е необходимо да се обръща специално внимание, тъй като те имат пряко отношение към здравето на човека.

За да се сведат до минимум емисиите от ЛОС и да се изготви план за тяхното намаляване, е необходимо много добре да се познава естеството им. Това може да се постигне чрез мониторинг на емисиите от ЛОС в изпускащите устройства и определяне на фугитивните емисии.

Съставянето на план за управление на разтворителите е основен подход за анализ на потреблението и емисиите от разтворители, особено на фугитивните емисии на летливи органични съединения. Планът за управление на разтворителите се състои в оценка на разходваните спрямо изпуснатите разтворители. И ако вложените разтворители обикновено лесно могат да бъдат преценени, то това не важи за изпуснатите такива.

За почти всички стационарни източници съществуват мерки за контрол или предотвратяване на емисиите от ЛОС. Обикновено се разграничават първични, вторични и структурни мерки. Ако не е посочено друго, мерките са приложими и за нови, и за съществуващи инсталации. Редуцирането на емисиите от ЛОС извън тези от стационарни източници акцентира върху ограничаването на съдържанието на ЛОС в продуктите.

Първични мерки
Възможни първични мерки за контрол на емисиите от промишлената употреба на органични разтворители са: предотвратяване (използване на материали без или със ниско съдържание на органични разтворители), интегрирани в процеса мерки и структурни мерки.

По принцип могат да се прилагат два подхода: продуктово-ориентиран - например преформулиране на продукта (бои, мастила, продукти за обезмасляване и т. н.); и процесно-ориентиран (увеличаване на ефективността на пренос, използване на затворени камерни системи за обезмасляване). Продуктово-ориентираният подход следва да бъде разглеждан и в светлината на положителния съпътстващ ефект върху емисиите от производството на органични разтворители.

Освен това въздействието на емисиите върху околната среда може да бъде допълнително намалено чрез преформулиране на продукта, като разтворителите се заменят с по-малко вредни алтернативи. Затворените системи могат значително да редуцират емисиите на органични разтворители. Напоследък се наблюдава тенденция към използване на бои с ниско или нулево съдържание на органични разтворители, което се явява като едно от най-рентабилните решения.

Вторични мерки
Когато първичните мерки не са достатъчни за постигане на високи степени на редуциране на ЛОС или са технически неизпълними, могат да се приложат допълнителни мерки – самостоятелно или комбинирано. Тези мерки се използват за намаляване емисиите на ЛОС от процеси и при използване на разтворители.

Процесите, включващи термично окисление, могат да позволят оползотворяване на енергийното съдържание на ЛОС. Все пак, в повечето случаи такова оползотворяване се постига трудно поради обикновено ниските концентрации на ЛОС. Първичното регенериране на топлинната енергия (например за подгряване на входящите газове) е задължително, но във вече съществуващи инсталации често е трудно да се осъществи вторично възстановяване.

Концентрациите на ЛОС трябва да са достатъчно високи, за да позволяват на окислителния реактор да работи без допълнително гориво, т. е. автономно. При по-ниски концентрации ще е необходимо ползването на допълнително гориво, което може да се окаже доста нерентабилно.

Рекуперативно или регенеративно термично окисление
При рекуперативното или регенеративно окисление ЛОС се разлагат при висока температура. Температурата на окисление зависи от вида на използваната система за възстановяване на енергия. В рекуперативния окислител се използва топлообменник за предварително подгряване на постъпващите газове. Степента на възстановяване на топлинна енергия варира между 60 и 70%, а температурата е в диапазон от 650 до 750°C. Системата може да работи автономно само при високи концентрации на летливи органични съединения, вариращи от 8 до 10 g/Nm3.

Регенериративният термичен окислител се състои от два или три керамични топлообменника. Съдържащите ЛОС отпадъчни газове преминават през първия керамичен топлообменен апарат, където се загряват. След това те постъпват в горивната камера, в която чрез горелки се поддържа температура от около 800 до 900°С. Преди да бъдат изпуснати в атмосферата, газовете преминават през друг керамичен топлообменник, отдавайки топлинната си енергия за повторна употреба при предварителното загряване в следващия цикъл.

Функцията на топлообменника се променя постоянно от подгряване в охлаждане и обратно. Ефективността при възстановяването на топлината може да достигне до 95%. Регенеративните термични окислители са ефективни при големи обеми от отпадъчни газове и могат да работят без допълнително гориво при концентрации на ЛОС от 2 до 3 g/Nm3. Крайни концентрации на ЛОС под 20 mg/Nm3 могат да бъдат достигнати само чрез перфектно оразмерени и експлоатирани окислители. Метанът има значителен дял в получения газов поток.

Рекуперативно или регенеративно каталитично окисление
При рекуперативното или регенеративно каталитично окисление използването на катализатор позволява разлагането на ЛОС да става при по-ниска температура, отколкото при термичното окисление. Катализаторите са или благородни метали (платина, паладий или родий), или метални оксиди (Cr, Fe, Mo, Mn, Co, Cu, Ni). Принципите на топлообмен са същите като при термичното окисление.

Температурите на окисление варират между 200 и 500°С в зависимост от използвания катализатор и вида на топлообменника. Рекуперативният каталитичен окислител може да работи автономно при концентрации на ЛОС от 3 до 4 g/Nm3, а регенеративният - при 1 до 2 g/Nm3. Експлоатационният живот на катализаторите е с ограничена продължителност. За тези, базирани на метални оксиди, тя е около 12 000 часа, а за базираните на благородни метали - между 15 000 и 25 000 часа. Катализаторите са чувствителни на отрови и могат да бъдат деактивирани необратимо от някои от тях.

Биологична деструкция
Биологичната деструкция може да се извърши в биофилтри и скрубери. Микроорганизмите могат да разлагат биоразградимите летливи органични съединения при влажни условия и ниска температура. Топлите отпадъчни газове (>35°C) трябва да бъдат охладени. Микроорганизмите в биофилтрите са прикрепени към повърхността на влажен органичен субстрат, който може да бъде торф или компост.

При биологичното третиране в скрубери се извършва комбинация от мокро пречистване на газа и биоразграждане, като микроорганизмите са суспендирани в пречистващата вода. Когато се използват биофилтри, времето за престой трябва да е достатъчно, за да могат да протекат биологичните реакции. Биологичното окисление се използва предимно при ниски концентрации на ЛОС. Крайните концентрации на ЛОС, които могат да бъдат постигнати, са от 100 до 150 mg/Nm3 . По-ниски концентрации обаче е трудно да бъдат получени.

Адсорбция с активен въглен или зеолити
При адсорбцията ЛОС физически се свързват към повърхността на среда, която може да бъде активен въглен или зеолити. Адсорбционният капацитет на активния въглен или зеолита е ограничен и съответно те трябва да бъдат регенерирани. Съществуват няколко конфигурации на съоръжения, но в повечето случаи се използват адсорбери с 2 или 3 неподвижни слоя. Първият слой е във фаза на адсорбция, а вторият - във фаза на десорбция. Десорбцията се осъществява при висока температура с пара или инертен газ.

Температурата, при която протича процесът на адсорбция, трябва да е под 40°C, тъй като при по-ниски температури ефективността се подобрява. Това означава, че входящите газове трябва да бъдат кондиционирани. ЛОС се възстановяват чрез специално третиране, което включва процеси на кондензация, отделяне и дестилация, ако присъстват няколко различни ЛОС.

Ефективността на процеса на ограничаване на емисиите от ЛОС зависи от много параметри като например температурата на адсорбция, типа и броя на наличните ЛОС, които трябва да бъдат отстранени, зададената честота на десорбция. С метода могат да бъдат постигнати концентрации на ЛОС между 50 и 100 mg/Nm3.

Кондензация и криогенна кондензация
При процеса на кондензация ЛОС се охлаждат под точката на оросяване на газовия поток. Охлаждаща среда за процеса могат да бъдат студена вода, хладилни агенти или течен азот. За целите на процеса могат да се използват разнообразни типове топлообменници. Кондензацията с вода или хладилни агенти често се използва като предварително третиране, но не постига достатъчно добри резултати по отношение намаляване на емисиите. Крайните концентрации на ЛОС след пречистване варират между 100 и 150 mg/Nm3.

При криогенната кондензация, която протича при температура под -160°С, се използва течен азот. Криогенната кондензация е универсален процес, който не се прилага само за ЛОС. Летливите органични съединения кондензират в кожуха на топлообменника, след което се отвеждат в събирателен резервоар, откъдето могат да бъдат изпратени за рециклиране, повторна употреба или обезвреждане.

По време на кондензация наличието на водна пара или ЛОС с висока точка на топене може да доведе до замръзване по външната повърхност на тръбите в криогенния кондензатор. Криогенната кондензация е най-подходяща за случаите, в които дебитът на отпадъчните газове е малък и/или концентрациите на ЛОС са високи. Могат да бъдат постигнати крайни концентрации на ЛОС между 50 и 100 mg/Nm3, като ефективността зависи от правилното оразмеряване на инсталацията, летливостта на разтворителите и т. н.

Мембранно разделяне
Емисиите на ЛОС могат да бъдат концентрирани посредством използването на органични селективни (ЛОС-пропускливи) мембрани. Въздухът и летливите вещества преминават през мембраната с дебити, определени от относителната й пропускливост и разликите в налягането. В зависимост от конструкцията на системата, концентрацията на ЛОС в изходящия поток може да бъде увеличена от 5 до 50 пъти спрямо началната концентрация преди преминаването през мембраната.

След това концентрираните газови потоци могат да бъдат компресирани и кондензирани посредством конвенционална технология. Мембранното разделяне не може да се прилага самостоятелно. Необходимо е и последващо пречистване на газовете.
Изборът на технология за емисионен контрол зависи от множество различни параметри като концентрацията на летливи органични съединения в суровия газ, обема на газовия поток, вида и състава на ЛОС и др.

Затова понякога може да се получи известно припокриване в областите на приложение. Тогава най-подходящата технология трябва да бъде избрана в съответствие със специфичните за конкретния случай условия. Цялостната ефективност на вторичните мерки в секторите, използващи разтворители, до голяма степен зависи от ефективността на улавяне на потоците от съдържащи ЛОС отпадъчни газове.