способ очистки газовых выбросов, содержащих фтористые соединения

Формула изобретения

Способ очистки газовых выбросов, содержащих NF₃ с примесями N₂F₄, HF и OF₂, включающий пропускание газовой смеси через адсорбирующее вещество, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют активированный уголь, процесс разложения ведут при температуре 150-200°С и времени контакта 6-10 с.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области неорганической химии, а именно к обезвреживанию газовых выбросов, содержащих фтористые соединения.

Известен способ очистки газовых выбросов, содержащих, например, трифторид азота (NF₃) с примесями тетрафторгидразина (N₂F₄), фтористого водорода (HF) и кислых примесей типа OF₂, при котором применяется способ обработки отработанных газов кремнием (Si), бором (В), ванадием (V), вольфрамом (W), молибденом (Мо), железом (Fe), или их неоксидными соединениями при 500-800°С. [Выложенная заявка, Япония №86-204.025, B 01 D 53/36, публ. 1986 г.].

Газовые выбросы, содержащие такие фтористые соединения, как NF₃ с примесями N₂F₄, HF и кислых примесей типа OF₂, пропускают через никелевую трубку, наполненную, например, порошком Si, при температуре 500°С, выходящие газы не содержат N₂F₄ (ПДКр.з. 0,02 мг/м³), HF (ПДКр.з. 0,5 мг/м³), OF ₂ (ПДКр.з. 0,03 мг/м³), а/концентрация NF ₃ снижается до 60,0 мг/м³ (ПДКр.з. 10,0 мг/м ³), которая затем улавливается химической щеткой, содержащей 20% водный КОН. Этот метод очистки предполагает использование дорогостоящих материалов V, Мо, W и т. д., требует значительных энергозатрат.

Известен способ очистки газовых выбросов, содержащих фтористые соединения, такие как NF₃ с примесями N₂F₄, HF, OF₂, при котором используют метод сжигания [А.П.Титов, Г.П.Беспамятнов, «Обезвреживание промышленных отходов», М.: Стройиздат. 1980 г., с.46]. Метод сжигания газовых выбросов, содержащих NF₃ с примесями N₂ F₄, HF и кислых примесей типа OF₂, требуют коэффициента избытка воздуха =1,5±0,2. В случае недостатка кислорода в состав продуктов сгорания помимо (CO₂, F₂H₂O) могут входить: СН₂, СО, Н₂, углеводороды C_nH_n-m*X_m. Трубопроводы в печи сжигания для увеличения турбулизации выполнены в виде тангенциальных вводов. Дополнительная турбулизация и рециркуляция газового потока обеспечивается подачей воздуха в печь через трубопровод, находящийся в верхней части печи, противоположно направлению воздушных потоков в первых двух вводах. Температура в камере сгорания газовых выбросов - 1100-1200°С. Данный метод обезвреживания газовых выбросов, содержащих фтористые соединения, такие как NF₃ с примесями N₂F₄, HF и кислых примесей типа OF ₂, обеспечивает очистку указанных продуктов до концентраций ниже ПДК, но имеет следующие недостатки, а именно:

- значительные энергозатраты;

- сложность конструкции печи;

- коррозия оборудования;

- образование канцерогенных продуктов, таких как диоксины, бензпирен;

- требуется дополнительная очистка от F₂, образующегося в процессе обезвреживания.

Известен способ очистки газовых выбросов, содержащих фтористые соединения, такие как NF₃ с примесями N₂ F₄, HF адсорбционным методом, и принят за прототип [патент США № 4156598, В 01 D 53/02, опубл. 29.05.1979].

Для очистки газовых выбросов, содержащих 5-50% об. NF₃ с примесями HF - 2,5% об., N₂F₄ - 0,05÷3% об. адсорбционным методом, газовые выбросы предварительно пропускают через абсорбер, орошаемый гидроокисью натрия или калия, при этом проходит реакция:

HF+NaOH NaF+HaO

В результате реакции образуется соль NaF или KF. Затем газовые выбросы пропускают через никелевый реактор, заполненный никелевыми шариками, при температуре в реакторе 300÷400°С. При этом наблюдается термическое разложение N₂F ₄ с образованием фтор-ионов и азот-ионов. Время пребывания газовых выбросов в реакторе 2-5 с. При температуре реактора ниже 300°С время пребывания газовых выбросов увеличивается, при этом может наблюдаться и термическое разложение NF₃ , тем самым происходит потеря NF₃. Затем газовые выбросы поступают в два адсорбера, причем 1-ый адсорбер заполнен цеолитом в Na-форме, а 2-ой адсорбер заполнен цеолитом в Са-форме в количестве 19,25 м³. В адсорберах происходит адсорбция NF ₃, фтора. Газовые выбросы на выходе из адсорбера не содержат N₂F₄, HF, F₂, а концентрация NF₃ снижается до 2ПДК÷3ПДК.

В первом адсорбере во время процесса адсорбции NF₃, F₂ наблюдаются местные перегревы до 200-220°С. В этих участках цеолита в Na-форме наблюдается термическое разложение NF₃ с образованием фтор-иона и азот-иона, которые затем собираются цеолитом в Са-форме.

При содержании в газовых выбросах NF₃ с концентрацией 5-50% об., N₂F ₄ - 0,05÷3% об., HF - 2,5% об. время работы адсорбера от 4 до 10 часов, затем необходимо провести десорбцию. Десорбцию проводят газообразным азотом при температуре 400°С. Адсорбционный способ очистки газовых выбросов с применением в качестве адсорбента - цеолитов в Na-форме и Са-форме позволяет очистить газовые выбросы таких фтористых соединений, как HF (с начальной концентрацией 2,5% об.), N₂F₄ (с начальной концентрацией 0,05÷3% об.), NF₃ (с начальной концентрацией 5÷50% об.) до 2ПДК÷3ПДК. Но данный способ очистки имеет следующие недостатки, а именно:

- сложность технологического процесса обезвреживания;

- большие энергозатраты;

- требуется дорогостоящее оборудование;

- не удается очистить газовые выбросы от NF₃ до ПДК;

- необходимость проведения процесса десорбции;

- ограниченный ассортимент фтористых соединений, поступающих на очистку.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование технологического процесса очистки газовых выбросов фтористых соединений по снижению энергозатрат, снижению коррозионной активности реакционной среды (при увеличении ассортимента обезвреживаемых газов и их очистка до ПДК).

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что очистка газовых выбросов, содержащих фтористые соединения, включает пропускание очищаемых газов через адсорбирующее вещество, в качестве которого используют активированный уголь, и процесс адсорбции ведут при температуре 150÷200°С и времени контакта 6÷10 секунд.

Активированный уголь, используемый в качестве адсорбента, имеет мелкопористую структуру, поэтому является хорошим адсорбентом. Кроме того, активированный уголь имеет кислотные группы, которые являются катализаторами процессов разложения фтористых соединений. Активированный уголь при обезвреживании газовых выбросов, содержащих фтористые соединения, такие как NF₃ с примесями N ₂F₄, HF и кислых примесей типа OF₂ , на первой стадии очистки является адсорбентом обезвреживаемых продуктов на поверхности угля, затем катализатором процесса термического разложения фтористых соединений, и далее хемосорбентом, т. к. получаемые в результате термического разложения фтористых соединений фтор-ион и кислород-ион взаимодействуют с активированным углем с образованием нетоксичных продуктов: СО₂, N₂ , С_nF_2n+2. Процесс обезвреживания фтористых соединений с применением активированного угля проходит согласно реакции:

Данный способ осуществляется следующим образом. Газовые выбросы, содержащие фтористые соединения, такие как NF ₃ с концентрацией до 3000 г/м³ с примесями N ₂F₄, HF, OF₂, поступают в никелевый трубчатый реактор (l-800 мм, d_вх 37,5 мм), заполненный активированным углем (насыпной вес - 0,45 г/ м³), нагретым до 150-200°С. Подачу осуществляют при атмосферном давлении, объемной скорости газа 60 л/ч, что соответствует времени контакта 6÷10 с.

В результате пропускания газовых выбросов, содержащих такие фтористые соединения, как NF₃ с примесями N₂F₄, HF, OF₂, через активированный уголь происходит очистка выходящих газовых выбросов до ПДК.

Результаты процесса очистки в заданном интервале температур и времени контакта представлены в таблице.

Из таблицы следует, что

- проведение процесса обезвреживания при температуре ниже 150°С и времени контакта меньше заявленного (6 с) приводит к образованию токсичного продукта N₂F₄;

- проведение процесса обезвреживания при температуре более 200°C позволяет очистить газовые выбросы до отсутствия в них таких фтористых соединений, как NF₃ , N₂F₄, HF, OF₂, но нецелесообразно с точки зрения эксплуатации;

- проведение процесса очистки при оптимальном режиме позволяет обезвреживать газовые выбросы от NF₃ с исходной концентрацией от 3000 г/м³ до ПДКр.з. - 10,0 мг/м³, а также от N₂ F₄, HF, OF₂ до их отсутствия в газовых выбросах.

Предлагаемый способ позволяет очистить газовые выбросы, содержащие такие фтористые соединения, как NF₃ с примесями N₂F₄, HF, OF₂ до ПДК.

Процесс очистки проводится при температуре 150-200°С, что позволяет значительно снизить энергозатраты технологического процесса.

Способ обезвреживания газовых выбросов, содержащих такие фтористые соединения, как NF₃ с примесями N ₂F₄, HF, OF₂, проходит стадию внедрения на 2-ом опытном заводе ФГУП «РНЦ «Прикладная химия».