СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ И ВЫБРОСОВ, СОДЕРЖАЩИХ БЕНЗПИРЕН Российский патент 2000 года по МПК F23G7/06 C22B21/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к плавке черных и цветных сплавов, и может быть использовано для обезвреживания газообразных отходов и выбросов, загрязненных органическими веществами, в частности бензпиреном.

При плавке черных и цветных сплавов в состав шихты входят отходы металла в виде стружки и металлолома. Стружка всегда загрязнена смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ), а на ломе встречается нагар масла. При подготовке шихты к плавке, а также при плавке СОЖ и нагар масел подвергаются термическому воздействию в интервале 300-800^oC. Температуры этого интервала являются температурами максимумов выхода бензпирена - самого активного, из известных, канцерогенного вещества. Образованию бензпирена способствует недостаток кислорода, всегда имеющий место при плавке.

Бензпирен, образующийся в результате пиролиза, протекающего в органических материалах при недостатке кислорода, относится к полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), имеет формулу C₂₀H₁₂, кристаллическое вещество, способен возгоняться при 20^oC, испаряется при температуре 179^oC (Вредные вещества в промышленности, под ред. Н.В.Лазарева, т. 1, 1976). Предельно-допустимая концентрация бензпирена по ГОСТ 12.1.005-88 0,00015 мг/м³, по ГОСТ 12.1.007-83 он относится к 1 классу опасности, чрезвычайно опасным.

При плавке загрязненных органическими веществами шихтовых материалов концентрации в воздухе рабочей зоны часто превышают ПДК в несколько раз. Это вызывает опасность заболевания работающих и, попадая в окружающую среду, к заболеванию населения. Кроме того, бензпирен в обычных условиях не исчезает, а накапливается в организме человека, в растениях, в воде и почве.

Известен способ термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства путем сжигания аксиального потока топлива с частью воздуха (V₁) с получением потока высокотемпературных газов и подачи тангенциальным потоком смеси отходящих газов с другой частью воздуха (V₂). Топливо сжигают при коэффициенте расхода воздуха 1,5-2,0, отходящие газы смешивают с другой частью воздуха при коэффициенте расхода последнего 1-1,2, а отношение V₁:V₂ = 0,5-1,0. Воздух предварительно подогревают до 100-500^oC (Патент РФ N 2027107, кл. F 23 G 7/06, опубл. 20.01.95).

Однако в известном способе данного количества воздуха недостаточно для полного окисления бензпирена, и низка температура подогрева воздуха 100-500^oC, она должна быть не менее 800^oC.

Наиболее близким по технической сущности является способ обжига смолосвязанных огнеупоров с обезвреживанием бензпирена путем нагрева их с последующим дожиганием выделяющихся из огнеупоров газов в камере дожигания. Нагрев смолосвязанных огнеупоров ведут газокислородным факелом с температурой не менее 2000^oC до достижения температуры на их поверхности не ниже 600^oC, стенки камеры дожигания разогревают до температуры выше 1000^oC, инжектируют туда кислородной струей выделяющиеся из огнеупоров газы и дожигают их в кислородном факеле с температурой не менее 1300^oC (Патент РФ N 2053451, кл. F 23 G 7/06, опубл. 27.01.96).

Недостатки известного способа следующие: высокая температура процесса, 2000^oC, требует дополнительных устойчивых высокотемпературных материалов; дожигание идет в камере в присутствии кислорода, что усложняет процесс и делает его более опасным.

Задача, решаемая изобретением - совершенствование процесса обезвреживания бензпирена в плане действенной защиты окружающей среды.

Технический результат заключается в упрощении способа и повышении его безопасности за счет его непрерывности и использования воздуха вместо кислорода.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе обезвреживания газообразных отходов и выбросов, содержащих бензпирен, путем окисления высокотемпературным факелом, окисление производят непрерывно в футерованной трубе с использованием катализатора, при этом подают воздух в избытке при соотношении бензпирен : воздух 1:(28-30).

В предлагаемом процессе происходит непрерывное окисление бензпирена в футерованной трубе, за счет подачи воздуха, по следующей реакции:
C₂₀H₁₂ + 23O₂ = 20CO₂ + 6H₂O
Для этого воздух подают в избытке при соотношении бензпирен : воздух 1: (28-30). Не требуется специальных технических средств для подачи кислорода, что делает процесс более безопасным и простым. Благодаря избытку воздуха и наличию катализатора происходит более полное обезвреживание бензпирена.

Способ осуществляют следующим образом. Газообразные отходы и выбросы при плавке черных и цветных сплавов подают в футерованную трубу. Окисление отходов, например бензпирена, производят непрерывно высокотемпературным факелом при температуре 800-1200^oC. На этой стадии бензпирен, смешиваясь с воздухом, сгорает до оксида углерода и воды. Катализатор, например MnO₂ - пирролюзит, может входить в состав футеровки трубы.

Определяют концентрацию бензпирена в выбросах спектрально-люминесцентным способом с предварительной экстракцией и тонкослойной хроматографией (Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 5204.18889). Скорость выбросов определяют из экспериментальных замеров в футерованной трубе.

Рассчитывают количество бензпирена, находящееся в газообразных отходах, умножением концентрации бензпирена на скорость выброса.

Количество воздуха для полного окисления бензпирена определяют умножением массы бензпирена на коэффициент 28. Этот коэффициент определен расчетным путем.

Реакция окисления бензпирена:
C₂₀H₁₂ + 23O₂ = 20CO₂ + 6H₂0

Из уравнения реакции следует, что для окисления 252 г/моль бензпирена потребуется 736 г/моль кислорода. Поскольку в воздухе содержится 21% кислорода, то для полного окисления бензпирена потребуется: г/моль воздуха. Находим отношение воздуха к бензпирену Учитывая коэффициент использования кислорода воздуха 50%, потребность воздуха на окисление бензпирена будет в два раза больше, 14•2 = 28.

Таким образом, воздуха нужно подавать в соотношении бензпирен : воздух 1: 28. При меньшем соотношении не произойдет полного сгорания бензпирена, а большее соотношение технологически не целесообразно.

Пример.

Газообразные отходы при сушке алюминиевой стружки перед выплавкой вторичного алюминия, содержащие бензпирен, подвергают процессу окисления в футерованной трубе при температуре 800-1200^oC. В футеровку трубы были встроены кирпичи и MnO₂ с чередованием их. Наличие катализатора ускоряет процесс.

Бензпирен в выбросах определили спектрально-люминесцентным способом с предварительной экстракцией и тонкослойной хроматографией. Концентрация бензпирена - 116•10^-5 мг/м³. Скорость выброса - 10 м³/с определена экспериментальным замером, таким образом масса бензпирена в газообразных отходах составила: 116•10^-5•10•3600 = 41,8 мг/ч.

Количество воздуха для полного окисления бензпирена определили умножением массы бензпирена на коэффициент 28.

41,8•28 = 1170 мг/ч.

Для полного сгорания бензпирена подают воздух, взятых в соотношении 1: (28-30).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить бензпирен из выбросов непрерывным путем при более низкой температуре и более безопасном процессе.

Образующийся при плавке черных и цветных металлов бензпирен окисляют непрерывно в футерованной трубе высокотемпературным факелом с использованием катализатора. Воздух подают в избытке при соотношении бензпирен : воздух 1: (28-30). Процесс обезвреживания проходит при более низких температурах, непрерывно, безопасно.

Способ обезвреживания газообразных отходов и выбросов, содержащих бензпирен, путем окисления высокотемпературным факелом, отличающийся тем, что окисление производят непрерывно в футерованной трубе с использованием катализатора, при этом подают воздух в избытке при соотношении бензпирен : воздух 1 : (28 - 30).