Пречистване на отпадъчни газове в скрубери

Генерираните от промишлената дейност отпадъчни газове се третират по технологии, които позволяват тяхното регенериране и оползотворяване в първоначалния или в друг процес като суровина или енергиен носител. Други методи осигуряват понижаване на концентрацията на замърсителите.
Скруберните системи са група съоръжения за контрол на замърсяването на въздуха, които намират приложение за отстраняване на прахови частици и/или газове от индустриални отпадъчни потоци.

Традиционно терминът се употребява за пречиствателни съоръжения, в които за “отмиването” на нежеланите компоненти се използва течност. В последните години обаче обхватът на понятието се разшири, описвайки и системи, в които в отпадъчния газов поток се впръсква сух реагент или суспензия за отстраняване на киселинните газове. Скруберите също така могат да бъдат използвани за възстановяване на топлинната енергия от горещи отпадъчни потоци посредством процес на кондензация.

Мокро пречистване
Мокрото пречистване (или абсорбцията) е масообменен процес, който се осъществява между разтворим газ и разтворител – най-често вода, които са в контакт помежду си. Физическото пречистване се предпочита за възстановяване на химични вещества, докато химическото пречистване се ограничава само до отстраняване и понижаване съдържанието на газообразни съединения. Физикохимичното пречистване заема междинна позиция – при протичане на процеса съединенията се разтварят в абсорбиращата течност и участват в обратими химични реакции, които позволяват възстановяването им.
Основните приложения на скруберите за мокро пречистване са:

• отстраняване на газообразни замърсители като халогениди, серен диоксид, амоняк, сероводород или летливи органични съединения (ЛОС);
• отстраняване на прах в някои видове скрубери.

В зависимост от замърсителите, които трябва да бъдат елиминирани, се използват няколко вида течни абсорбенти – вода, алкални и киселинни разтвори, алкални окислителни разтвори, разтвори на натриев хидрогенсулфит, моно- и диетаноламин и органични разтворители.
Използват се и различни видове скрубери, като например: скрубери с пълнеж от влакнест материал, скрубери с подвижен слой, скрубери с пълнежен слой, барботажни (тарелкови) колони, разпръсквателни абсорбери. Изборът на съоръжение зависи от изискванията за ефективност, енергийните нужди, използваните реактиви, свойствата на потока отпадъчни газове.

Оптималният дизайн на скруберните системи за постигане на възможно най-ниски изходни концентрации включва висока надеждност, автоматизация на работния процес и противотоков режим на течността и газа. Скруберите обикновено са оборудвани със съоръжения за предварително охлаждане, които осигуряват намаляване на температурата на входящите газове и същевременно насищане на газовия поток, като по този начин се избягват понижение в скоростта на абсорбцията и изпаряване на разтворителя. Такива допълнителни съоръжения създават и падове на налягането.

Видове скрубери за мокро пречистване
Скруберът с влакнест пълнеж се състои от камера с вход и изход за газа, която съдържа слоеве от влакнести материали, които се оросяват с течност. Тези устройства могат да бъдат проектирани за потоци, движещи се както в хоризонтално, така и във вертикално направление. Използваните пълнежни материали най-често са стъкло, пластмаса или стомана. Благодарение на тях могат да бъдат отстранени киселинни съединения (флуороводород, хлороводород, сярна и хромна киселина) и органични/неорганични съединения.

Отпадъчните газови потоци често се охлаждат преди да постъпят в скрубера, за да може по-голямата част от съдържащата се в тях течност да кондензира и да се увеличи размерът на съществуващите аерозолни частици. Преди навлизането на газовия поток в скрубера обикновено се прилага предварително филтриране за отстраняване на по-големите частици.

Скруберите с подвижен слой се състоят от зони с подвижен пълнеж, обикновено пластмасови сфери. Корпусът на съда е оборудван с опорни решетки, върху които се поставя пълнежният материал, входове и изходи за газа и пречистващата течност. Скруберите с подвижен слой се прилагат за пречистване на серен диоксид, флуороводород и миришещи вещества. Те се използват и за третиране на отпадъчни газове, които съдържат прах, и в случаите, когато могат да се образуват отлагания.

Пластмасовите сфери са с малка плътност и могат свободно да се движат в рамките на опорните решетки. Тези скрубери са по-малко податливи на запушване, тъй като сферичните кухи пластмасови топчета се държат в постоянно състояние на разбъркване и флуидизация. Това постоянно движение и гладката повърхност на сферите предотвратяват отлагането на частици върху пълнежния материал.

Скруберите с пълнежен слой се състоят от корпус с разположен в него слой от различни пълнежни материали, поставен върху носещи решетки. Съоръжението включва още и разпределители за течността, входове и изходи за газа и течността, и мъглоуловител. Те са най-често използваните абсорбери за контрол на замърсяването. Скруберите с пълнежен слой, в комбинация с подходящи реагенти, се използват за абсорбиране на серен диоксид, хромна киселина, сероводород, амоняк, хлориди, флуориди и ЛОС.

Скруберите с пълнежен слой не са подходящи за пречистване на газови потоци, съдържащи прахови частици, поради възможността от запушване. Обикновено са ограничени до приложения, при които съдържанието на частици е по-малко от 0,5 g/Nm3. Отстраняването на полепналите по пълнежа частици е сериозен проблем за този вид скрубери, тъй като почистването на пълнежа е по-трудно. Следователно, това налага необходимостта от предварително пречистване на входящия газов поток за ефективно отстраняване на съдържащите се твърди частици.

Барботажните скрубери се състоят от вертикална колона с няколко хоризонтални перфорирани тарелки (сита), наредени в нея. На малки разстояния над отворите в тарелките са разположени отражателни прегради. Типичното приложение на тези скрубери е абсорбцията на киселини, серен диоксид и миришещи вещества. Те са широко използвани, обикновено поради тяхната висока ефективност и лесна поддръжка.

В повечето случаи са проектирани така, че да осигуряват достъп на оператора до всяка тарелка, което ги прави относително лесни за поддръжка и почистване. Височината на колоната и количеството на пълнежния материал, както и/или броят на металните тарелки, заедно с пада на налягането в колоната, обикновено определят дебита на отпадъчните газове. Понижаването на налягането е определящ фактор при избора на скрубер и в това отношение барботажните (тарелкови) скрубери са най-рентабилни при пречистването на отпадъчни газове в сравнение с други методи.

Разпръсквателните абсорбери (или спрей скрубери) се състоят от дюзи, разположени в горната част на колоната, през които се впръсква абсорбиращата течност, и вход за газа близо до дъното на съоръжението. Обикновено потокът от отпадъчни газове преминава във възходяща посока, в противоток на течността. Тези колони имат традиционна скруберна конфигурация и се използват за отстраняване на киселинни газове и миризми. Приложението им обаче ограничава до отстраняването само на силно разтворими газове, тъй като се характеризират с ниска ефективност на масопреноса.

Въздействия
Ефективността на пречистване на газовете чрез скрубери зависи от времето на престой на газа в абсорбционната колона, вида на използвания пълнеж, съотношението течност/газ, скоростта на обновяване, температурата на водата и добавените химикали. Консумацията на вода за пречистване се определя до голяма степен от входните и изходните концентрации на газообразните съединения. Загубите от изпарение зависят основно от температурата и влажността на входящия газов поток.

Допълнителна обработка на рециркулиращата течност обикновено се изисква в зависимост от влошаването на абсорбционните й свойства и загубите от изпарение. Пречистването в скрубери води до генериране на отпадъчни води, които се нуждаят от третиране, освен когато съдържащият се в тях абсорбент не се използва по друг начин – например в някои случаи той може да се изпари и обработи за извличането на химични продукти. В някои държави чрез инсинератор за течни и газообразни отпадъци абсорбиращата течност се рециклира, като се връща обратно в системата или се изпарява в горивната камера. В допълнение, генерираната от инсталацията за изгаряне енергия се използва за производството на пара.

Отпадъчните киселинни или алкални води се източват частично, за да се регулира стойността на рН и отлагането на соли в системата. Необходимо е тези води да бъдат третирани преди тяхното изпускане в околната среда. Понякога дренираната вода може да се използва повторно, например водите от отстраняване на серен диоксид могат да намерят приложение в производството на гипс. Адекватното третиране включва десорбция на съдържанието на отпадъчни газове, която се извършва във всички случаи, когато целта на пречистването е възстановяването на газа. Десорбцията обаче, от своя страна, може да доведе до отделяне на емисии във въздуха, а и при осъществяване на процеса трябва да се имат предвид енергийните нужди.

Приложимост
Абсорбцията е широко използван метод за разделянето и пречистването на газообразни потоци, които съдържат високи концентрации на ЛОС, особено за съединения, които са разтворими във вода като алкохоли, ацетон или формалдехид. Прилагането на абсорбция като първична контролна техника за органични пари зависи от наличието на подходящ разтворител с висока разтворимост за газа, ниско парно налягане и малък вискозитет.

За неорганичните съединения пречистването посредством скруберни системи се използва като крайна техника за емисионен контрол. Пригодността му като метод за контрол на замърсяването зависи от: стойността за възстановяване на замърсителя; разходите за обезвреждане на отпадъчните води; изискваната ефективност на пречистване; концентрацията на замърсителите във входящия газов поток; наличието на подходящ разтворител/химичен реагент.
Ефективността на процеса нараства при увеличаване на площта на контактните повърхности, при по-високо съотношение течност/газ, при по-високи концентрации в газовия поток и по-ниски температури.

Предимства и недостатъци
Процесът на абсорбция е свързан с редица предимства, сред които са: широката гама от приложения; високата ефективност при пречистването на газовите потоци; компактната инсталация (благоприятното съотношение между капацитета и обема на съоръженията); простата и стабилна технология; лесната поддръжка. Като преимущества могат да се посочат и малкият брой елементи, чувствителни към износване, възможността за третиране на запалими и взривоопасни газове/прахове с малък риск, охлаждането на горещите газови потоци, способността за неутрализиране на корозивни газове и прахове и възможността за модулност на инсталациите.

Недостатъците включват необходимостта от периодична подмяна на използваните води или химикали поради загуби от изпарение, изискването за третиране на генерираните отпадъчни води и на праха, отделен като утайка, и нуждата от използване на кондициониращи агенти (киселини, основи, окислители, омекотители).

Биоскрубери
Бискруберите съчетават мокро пречистване на газовите потоци и биоразграждане. За целта сорбиращият воден поток съдържа популация от суспендирани микроорганизми, подходящи за окисляване на вредните газообразни съединения. Това обуславя необходимостта от осигуряване на определени условия за използване на биоскруберите – наличието на възможност за отмиване на веществата в отпадъчните газове, които, от своя страна, трябва да бъдат биоразградими при аеробни условия.

Дизайнът на биореакторите се основава на системи с активна утайка или утайки, разположени върху носещи конструкции. Сместа от вода и утайка се рециркулира в реактора, а абсорбираните замърсители се разграждат в резервоари за аерирана утайка. Сорбционната колона трябва да бъде проектирана по такъв начин, че да се осигури контактно време от около една секунда в зависимост от замърсителите.

Биоскруберите често се инокулират с активна утайка, например от пречиствателни станции за биологично третиране на отпадъчни води. В зависимост от състава на отпадъчния газ, ефективността на биоскрубера може да достигне желаното ниво само след няколко седмици на адаптация. Инокулирането с култури, приготвени във ферментатори, се прилага по-специално за замърсители, които съдържат сяра (меркаптани, сероводород, диметилсулфид и др.) или хлор (хлорирани метани или етани).

Изпарението, съпроводено от минерализация и добавяне на хранителни вещества (осигуряващи липсващите елементи като фосфор, азот или калий) и/или неутрализиращи агенти, обикновено води до увеличаване на съдържанието на соли в абсорбента. Този ефект може да инхибира биологичния процес, въпреки че според проучвания стабилни скорости на биоразграждане могат да бъдат поддържани дори при концентрации на соли, съответстващи на проводимост до 5000 mS/cm.

Мерките за предотвратяване на прекомерното образуване на соли включват: адекватно отстраняване на абсорбента и едновременно добавяне на чиста вода; работа с омекотена вода; насищане на газовите потоци с пари. Вещества, съдържащи сяра, хлор и азот, водят до подкисляване, което се коригира чрез регулиране на рН. Време на употреба на абсорбента в порядък от 20 до 40 (максимум) дни се счита за достатъчно.

Поради биологичната активност в биоскруберите, концентрацията на соли в циркулационната вода се увеличава, което налага нейното периодично подменяне. Отпадъчните води и излишната активна утайка трябва да бъдат третирани по подходящ начин, в зависимост от съдържащите се в тях замърсяващи вещества. От резервоарите за съхранение на продуктите от разграждането е възможно отделянето на миришещи вещества, което налага улавянето на отработения въздух и отвеждането му за последващо третиране.

Биоскруберите намират успешно приложение в химическата и нефтохимическата промишленост, както и в пречиствателните станции за битови отпадъчни води. Те позволяват лесното отстраняване на биоразградими съединения като амоняк, амини, въглеводороди, сероводород и миришещи вещества. Методът е подходящ и за замърсители с ниски концентрации, които лесно се разтварят във вода.

Биосорбцията дава възможност за понижаване на високи концентрации на лесно разградими съединения, намаляване на концентрациите на съединения, съдържащи сяра, хлор и/или азот, чрез регулиране на рН, по-добър контрол на пикови концентрации на емисиите, отколкото при биофилтри или капещи биофилтри.

Недостатъците на метода са свързани с големите количества биомаса, които се натрупват. Методът не е подходящ за слабо разтворими съединения и може да се прилага само за биоразградими компоненти, а колебанията, например променящите се концентрации и дебит на газовия поток, оказват значително въздействие върху ефективността.