Глава 6. Очистка газов от оксида углерода

Оксид углерода (карбоксид) представляет собой высокотоксич- ный газ. Установлены жесткие предельно допустимые его концентра- ции: в рабочей зоне - 20 мг/м³, в атмосфере (максимально-разовая) - 5 мг/м³, среднесуточная - 3 мг/м³.

Оксид углерода СО образуется в результате неполного сгорания жидкого, твердого и газообразного топлива. Он входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и переработки черных и цветных металлов, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, газов, образующихся при взрывных работах.

Методы санитарной очистки выбросов от оксида углерода дороги и несовершенны. Это не позволяет подвергать санитарной очистке зна- чительные объемы выбросов, содержащих СО.

Чаще выполняют очистку газов от СО в технологических целях: например, газы, подаваемые на синтез аммиака, должны содержать не более 5-10 промилей СО, который является каталитическим ядом.

1. Каталитическая очистка газов от оксида углерода

Каталитическое окисление является наиболее рациональным ме- тодом обезвреживания отходящих газов промышленности от оксида углерода. Однако наряду с оксидом углерода в зависимости от условий конкретного производства в газах могут содержаться и другие токсич- ные компоненты: диоксид серы. оксиды азота, пары различных углево- дородов. Кроме того, в них обычно присутствуют диоксид углерода, кислород, азот, пары воды и часто механические примеси в виде раз- личных пылей. Некоторые из этих примесей могут быть ядами для ка- тализаторов.

Процесс очистки газовых смесей с высоким содержанием СО осуществляется с использованием реакции водяного газа (конверсией с водяным паром), проводимой в присутствии окисных железных ката- лизаторов:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + 37,5 кДж/моль.

Процесс применим для очистки водорода, получаемого конверси- ей природного газа, кроме того, метод используют для изменения со- отношения Н₂: СО в синтез-газе, а также для очистки защитной атмо- сферы, предназначенной для термообработки металлов.

Промышленный катализатор конверсии имеет форму таблеток размером 6,46,4 или 9,69,6 мм. Он содержит от 70 до 85 % Fe₂O₃ и 5- 15 % промотора Cr₂O₃. Катализатор относительно устойчив в присут- ствии сернистых соединений при непродолжительном воздействии ка- пельной влаги; он сохраняет активность вплоть до 600 ^оС. В случае вы- соких концентраций СО в исходном газе катализатор в контакторе рас- полагают в несколько слоев, причем необходимо предусмотреть меры для отвода тепла между слоями. Схема процесса представлена на рис. 6.1.

Газовую смесь, образованную в результате конверсии природного

Рис. 6.1. Схема установки для очистки газов от оксида углерода реакци- ей водяного газа

1 - конвертор СО первой ступени; 2, 6 - холодильники; 3 - абсорбер СО₂ первой ступени; 4 - нагреватель газа; 5 - конвертор СО второй ступени; 7 - абсорбер СО₂ второй ступени

газа с паром и содержащую водород, оксид и диоксид углерода, после выхода из реактора конверсии охлаждают добавкой водяного пара до 370^о и пропускают через конвертор первой ступени 1. Здесь в присут- ствии катализатора 90-95 % СО превращается в СО₂ с образованием эквивалентного количества водорода. Газ охлаждают в водяном холо- дильнике 2 до 35-40 ^оС и извлекают из него диоксид углерода этанола- мином. Очищенный газ подогревают, добавляют необходимое количе- ство водяного пара, снова подвергают конверсии и очистке от образо- вавшегося СО₂. С целью получения водорода повышенной чистоты иногда процесс проводят в три ступени. После третьей ступени газ имеет состав: 99,7 % (об.) Н₂; 0,02 % СО; 0,01 % СО₂; О,27 % СН₄.

Каталитические гидрирование оксида и диоксида углеродов в ме- тан обычно применяется для очистки небольших остаточных количеств этих соединений (не более 2 %) в газовых потоках после удаления ос- новной массы их при помощи других методов. Метод используется особенно часто в тех случаях, когда присутствие метана не ухудшает условий дальнейшей переработки или использования газов. Типичным примером применения этого процесса может быть удаление оксидов углерода из водорода после конверсии СО и абсорбции СО₂ жидкост- ными процессами. Остаточное содержание оксидов углерода в очи- щенном газе составляет несколько десятитысячных долей процента. Одновременно происходит удаление свободного кислорода, если он присутствует в газе.

Реакция метанирования оксидов углерода:

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О + 218 кДж/моль; СО₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О + 180 кДж/моль.

Промышленный катализатор содержит 76-78 % NiO и 20-22 %

Al₂0₃. Его изготовляют, как и в предыдущем случае, в виде таблеток. Срок службы ката- лизаторов достигает несколько лет.

Рис. 6.2. Схема установки для очистки газа метанированием

1 - теплообменник; 2 - холодильник;

3 - печь; 4 – реактор

Схема установки предс- тавлена на рис. 6.2.

Газ после колонны эта- ноламиновой очистки от СО₂ подогревается сначала в тепло- обменник теплом продуктов метанирования, а затем до 260-

270 С в печи. Нагретый газ сверху вниз проходит через слой катализатора, охлаждает-

ся в теплообменнике и в концевом холодильнике, после чего поступает на синтез аммиака или используется для других целей. Вследствие не- благоприятного воздействия высоких температур на равновесие реак- ции и стабильность работы катализатора режим работы в реакторе ре- гулируют таким образом, чтобы температура газа на выходе из реакто- ра не превышала 440 ^оС. Процесс отличается высокой экзотермично- стью: повышение температуры в реакторе составляет 56 ^оС на каждый процент карбоксида, содержащийся в газе. Это препятствует использо- ванию данного процесса применительно к газам, содержащим более 2

% кислорода, оксида и диоксида углерода в сумме.

Метанирование проводят в широком интервале давлений - от ат- мосферного до 80 МПа (800 кгс/см²) и более. Степень очистки увели- чивается с повышением давления.