Интенсификация очистки газовых выбросов от монооксида углерода и органических веществ с использованием металлургических отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Лисицына, Ольга Геннадьевна

• Лисицына, Ольга Геннадьевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лисицына, Ольга Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ОТ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ. ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА.

1.1. Введение.

1.2. Источники образования монооксида углерода и углеводородов.

1.3. Способы улавливания и обезвреживания монооксида углерода

1.4. Виды катализаторов, используемых для низкотемпературного окислния монооксида углерода и углеводородов.

1.5. Использование отходов промышленных предприятий.

Цель и задачи, решаемые в данной работе.

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ, ИССЛЕДОВАННЫХ В РАБОТЕ В КАЧЕСТВЕ КАТАЛИЗАТОРОВ ГЛУБОКОГО ОКИСЛЕНИЯ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Обоснование выбора исследуемых отходов.

2.2. Методика проведения экспериментов и расчетов.

2.3. Характеристика используемых в исследованиях материалов.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЫБРАННЫХ ОТХОДОВ В РЕАКЦИЯХ ОКИСЛЕНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ.

3.1. Каталитическая активность бентонитовой глины.

З.2. Каталитические свойства анодного шлама.

3.3. Результаты окисления углеводородов с использованием в качестве катализатора глубокого окисления анодного шлама.

3.4. Результаты окисления монооксида углерода с использованием дегидрохлорированного поливинилхлорида.

3.5. Каталитическая активность отходов металлообработки в процессах глубокого окисления СО и углеводородов.

3.6. Исследование каталитических свойств нефелиновых шламов в реакциях глубокого окисления СО и СхНу.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АНОДНОГО ШЛАМА И ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА НА НЕМ.

4.1. Исследование анодного шлама, используемого в качестве катализатора окислительных процессов.

4.2. Кинетический анализ процесса окисления монооксида углерода на анодном шламе.

4.3. Исследование структуры анодного шлама после его использования в реакциях окисления монооксида углерода.

4.4. Рассмотрение механизма окисления монооксида углерода на анодном шламе.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОКИСЛЕНИЯ МОНООКИДА УГЛЕРОДА НА АНОДНОМ ШЛАМЕ.

5.1. Общая характеристика работы шахтной печи ИПШ-26200.

5.2. Термодинамический анализ основных физико-химических процессов, осуществляющихся при обжиге известняка, в том числе приводящих к образованию монооксида углерода.

5.3. Технологические особенности эксплуатации шахтной печи, приводящие к повышенному выбросу вредных веществ.

-45.4. Мероприятия, позволяющие снизить содержание монооксида углерода в отходящих газах шахтной печи.

5.5. Технологическая и аппаратурная схемы.

5.6. Рекомендации по снижению выбросов, отходящих от шахтной печи.

5.7. Тепло-массообмен при наличии химической реакции на поверхности одиночной частицы катализатора - анодного шлама.

5.8. Расчет реактора окисления монооксида углерода, работающего на анодном шламе, применительно к отходящим газам шахтной печи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация очистки газовых выбросов от монооксида углерода и органических веществ с использованием металлургических отходов»

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Монооксид углерода встречается везде, где существуют условия для неполного сгорания веществ, содержащих углерод. Монооксид углерода входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и переработки черных и цветных металлов, при работе энергетических установок, содержится в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС), отходящих газов от мусоросжигающих заводов, в сигаретном дыме и т.д. При попадании в кровь человека монооксид углерода вытесняет кислород из оксигемоглобина (НЬО), образуя карбоксиге-моглобин (СОНЬ), вызывающий аноксемию. Монооксид углерода способен оказывать непосредственное токсическое действие на клетки, нарушать тканевое дыхание и уменьшать потребление тканями кислорода, угнетать активность печени, сердца; от воздействия СО особенно страдает центральная нервная система. Органические вещества, содержащиеся в отходящих газах, имеют различный характер воздействия на человека, но, в основном, являются наркотическими веществами и приводят к поражению печени.

При большом разнообразии возможностей очистки газов от СО и углеводородов в промышленности широкое применение нашел только способ дожигания, с большим остаточным содержанием указанных веществ в очищенном газе.

Наиболее эффективный метод обезвреживания отходящих газов от СО и углеводородов это каталитический, но он имеет ограниченную сферу распространения. Это связано с тем, что основными активными компонентами в них являются благородные металлы. Ежегодно для изготовления катализаторов обезвреживания выхлопных газов автомобилей только в США используется 12 тонн платины и 4 тонны палладия [1]. Высокая стоимость платиновых и палладиевых катализаторов мешает их широкому внедрению в системы газоочистных установок. Применяющиеся катализаторы глубокого окисления на основе оксидов переходных металлов в изготовлении так же достаточно трудоемки, энергоемки, сложны и экологически опасны. Процесс их получения включает в себя следующие стадии: а) приготовление высокопористого носителя, которое состоит из операций получения гидроксидов, образования коагелей или гелей, старения, промывки и сушки; б) осаждение на носитель солей активного металла; в) термическую обработку полученных соединений; г) измельчение или грануляцию катализатора. При получении в промышленном масштабе носителей, например, оксида алюминия образуется достаточно большое количество побочных продуктов - щелочных солей соответствующих кислот: сульфата натрия, нитрата натрия, нитрата аммония, которые так же требуют своей утилизации.

Поэтому очень остро встает вопрос нахождения более экономичных и экологически чистых методов изготовления катализаторов и более дешевых и эффективных катализаторов для широкого их использования в процессах низкотемпературного доокисления экологически опасных веществ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Проведение экспериментальных и теоретических исследований возможности использования металлургических отходов, которые содержат переходные металлы, в качестве катализаторов глубокого окисления монооксида углерода и углеводородов.

НАУЧНАЯ ИДЕЯ. Исследовать закономерности окисления монооксида углерода на выбранных промышленных отходах от температуры катализатора, установить кинетические зависимости протекающего процесса окисления монооксида углерода на поверхности катализатора, связать фазовый состав отходов и активные структуры поверхности с каталитической активностью, обеспечивающей глубокое окисление монооксида углерода и углеводородов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

- возможность использования природного материала - бентонитовой глины, с нанесенными на нее ионами металлов, для очистки отходящих газов от монооксида углерода и углеводородов;

- возможность применения отходов металлообрабатывающих цехов и полимерных материалов, содержащих поливинилхлорид, для очистки газов от экологически опасных составляющих;

- анодный шлам - высокоактивный, низкотемпературный катализатор глубокого окисления углеводородов и монооксида углерода;

- при окислении монооксида углерода на анодном шламе порядок реакции по СО равен единице, энергия активации соизмерима с никельоксид-ними катализаторами окисления СО, объемная скорость окисления соизмерима с палладиевыми катализаторами;

- связана структура анодного шлама с механизмом окисления на нем монооксида углерода.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Химические методы анализа: объемные, весовые и люминесцентные; физико-химические методы анализа: рент-генофазовый, дифференциальной сканирующей колориметрии, термографический, инфракрасной спектроскопии, линейно-колориметрический, абсорбционный метод анализа с использованием интерференционных фильтров в инфракрасной области спектра; метод статистического анализа результатов эксперимента с использованием ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложено использовать в качестве катализатора окисления углеводородов бентонитовую глину с осажденными на ней ионами металлов;

- предложено использовать в качестве эффективного катализатора глубокого окисления монооксида углерода и углеводородов анодный шлам (АШ), образующийся при электролизе кислых растворов сульфата цинка на свинцовосеребрянном аноде; в частности, анодный шлам электролизного цеха АООТ "Электроцинк" РСО-Алания г.Владикавказа;

- определены условия предварительной обработки АШ перед его дальнейшим использованием в качестве катализатора глубокого окисления;

- установлена зависимость каталитической активности анодного шлама от температуры катализатора;

- определен порядок реакции окисления по монооксиду углерода на анодном шламе, вычислена кажущаяся энергия активации, рассчитана константа скорости;

- предложен механизм каталитического процесса окисления монооксида углерода, протекающего на анодном шламе.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных выводов и рекомендаций подтверждаются результатами статистической обработки достаточно большого количества проведенных экспериментов.

Степень обоснованности и достоверности научных исследований базируется на согласованности теоретических положений с полученными экспериментальными данными.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Показано, что продукты, образующиеся на аноде при электролитических процессах, содержат структуры, приводящие с снижению энергии активации окисления монооксида углерода за счет хемосорбции СО поверхностью шламов с образованием мультиплетных комплексов, способствующих низкотемпературному окислению монооксида углерода с высокими степенями превращения.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. На основе экспериментальных исследований найдены оптимальные условия для проведения каталитических реакций глубокого окисления, при которых достигается очистка отходящих газов до ПДК от содержащихся в них вредных компонентов: монооксида углерода и органических веществ: ацетона, бензола, толуола, ксилола, уайт-спирита, ацетилена, углеводородов нефти.

Полученные результаты могут быть использованы для очистки отходящих газов от тепловых установок, ДВС, различных металлургических процессов, при санитарной очистке отходящих газов от различных производств.

Анодный шлам, предложенный в качестве катализатора глубокого окисления, легко доступен, недорог, так как относится к отходам производства, не требует трудоемких операций по изготовлению, более устойчив в эксплуатации к различным каталитическим ядам по сравнению с обычно применяемыми катализаторами.

Технологические схемы каталитического окисления монооксида углерода и углеводородов могут быть осуществлены без дополнительного нагрева как катализатора, так и отходящих газов, что весьма существенно в плане экономии энергоресурсов.

Каталитическая установка, рассчитанная на доведение до ПДК содержания монооксида углерода в отходящих газах шахтной печи получения извести, свидетельствует о практической возможности использования АШ в качестве низкотемпературного катализатора глубокого окисления.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Положения диссертационной работы доложены автором на II Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (г.Санкт-Петербург, 1996г.), на научно-технической конференции "Горы Северной Осетии: природопользование и проблемы экологии" (г.Владикавказ, 1996г.), на научно - технических конференциях СКГТУ (г.Владикавказ) в 1997, 1998, 1999 г.г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы защищены 3 патентами Российской Федерации и изложены в 10 публикациях.