Раздел 6. Перспективные технологии

Раздел 6. Перспективные технологии

В соответствии с ПНСТ 21-2014 к перспективным "относят технологии, которые находятся на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ или опытно-промышленного внедрения, позволяющие повысить эффективность производства и сократить эмиссии в окружающую среду. Следует приводить сроки, в течение которых перспективные технологии могут стать коммерчески доступными". Вместе с тем, в соответствии с требованиями Федерального закона от 21 июля 2014 г. N 219-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации" критерием доступности наилучшей технологии служит "промышленное внедрение этой технологии на двух и более объектах, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду". Таким образом, для целей справочников НДТ во избежание исключения из рассмотрения технологий, уже применяемых в промышленности в ограниченном масштабе, следует отнести и те технологии, рассмотрение которых невозможно в разделе наилучших доступных технологий вследствие недостаточно широкого применения в России.

Наряду с принципиально новыми подходами к перспективным технологиям (ПТ) в области очистки выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, следует отнести использование новых комбинаций (интеграций) существующих и активно применяемых технологических подходов, а также исследование новых сфер применения существующих технологических подходов, которые специально не описываются в настоящем разделе, поскольку их затруднительно выявить для всех или большинства отраслей применения настоящего справочника НДТ.

Рассматривать такие технологии в качестве НДТ в данном настоящем справочнике НДТ методологического характера недопустимо, поскольку отсутствует опыт их внедрения в значительной части областей применения настоящего справочника НДТ. В то же время рассматривать их в качестве перспективных технологий не представляется возможным, поскольку они не подпадают под формальные критерии, установленные законодательством, будучи, как правило, внедрены более чем на двух промышленных предприятиях.

Таким образом, поскольку отбор технологий при разработке настоящего справочника НДТ осуществлялся на основе анализа анкет, во избежание неопределенности, ведущей к рассмотрению в качестве перспективных уже применяемых в промышленности технологий, в настоящем разделе рассмотрены только технологии, находящиеся (по данным авторов настоящего справочника НДТ) в Российской Федерации и за рубежом на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ или опытно-промышленного внедрения, либо не внедренные в Российской Федерации.

В настоящее время в стадии НИР и НИОКР находятся следующие технологии очистки выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух при производстве продукции (товаров), а также при проведении работ и оказании услуг на крупных предприятиях.

ПТ-1. Мультивихревой гидрофильтр МВГ

Мультивихревые гидрофильтры МВГ (аббревиатура от "МультиВихревой Гидрофильтр") предназначены для очистки загрязненного воздуха от механических примесей, пыли, аэрозолей, паров и газовых примесей в составе локальных фильтровентиляционных систем, оснащенных дополнительно вентилятором, устройствами отбора загрязненного воздуха, подводящей и отводящей вентиляционной магистралями, системой подачи и отвода орошающей жидкости.

Очистка загрязненного воздуха от примесей происходит в результате его глубокого смешивания с орошающей жидкостью (промывкой), с последующим полным отделением капельной влаги из очищенного воздуха.

Основой МВГ является диспергирующая решетка особой конструкции. Загрязненный воздух проходит сквозь диспергирующую решетку снизу вверх, а орошающая жидкость свободным истечением подается на нее сверху. В результате их смешивания формируется турбулентный дисперсный газожидкостный ("кипящий") слой, обеспечивающий высокоэффективную промывку воздуха за счет интенсивного смачивания пылевых частиц и/или растворения в орошающей жидкости газовых примесей.

Очищенный воздух перед выходом из МВГ проходит через сепараторы, где освобождается от остаточных мелких капель жидкости.

Диспергирующая решетка набирается из множества одинаковых элементов. Струи очищаемого газа, формируемые отверстиями каждого такого элемента, имеют наклон в разные стороны. Над решеткой такие струи образуют взаимно перекрещенную структуру. В процессе взаимного проникновения струй друг в друга, скачкообразно растут относительные скорости между газовой средой и каплями жидкости в этих струях. Также такая газодинамическая структура течения струй обеспечивает равномерное распределение жидкости над всей поверхностью и взаимное перемешивание газа и жидкости над решеткой по всему сечению корпуса МВГ без предварительного распыления орошающей жидкости форсунками. В результате образуется сильно турбулентный дисперсный газожидкостный слой (пена), отличающийся чрезвычайно большой удельной поверхностью контакта, высокой скоростью ее обновления и однородностью структуры. За счет этого значительно увеличивается эффективность тепломассообмена между очищаемым газом и орошающей жидкостью.

МВГ обеспечивают высокую эффективность очистки загрязненного воздуха при минимальных требованиях к качеству орошающей жидкости. Для таких задач, как аспирация узлов пересыпки руды и угля, газоочистка дымовых газов от золы уноса, степень очистки достигает более 99%.

В МВГ отсутствуют форсунки и, соответственно, подача орошающей жидкости происходит без избыточного давления разорванной струей. Основной процесс перемешивания взаимно-перекрещивающихся струй газа, прошедших через отверстия диспергирующей решетки, и орошающей жидкости, происходит над решеткой, а не на ее поверхности, что позволяет уменьшить изнашиваемость материала решетки и, соответственно, увеличить ее срок службы.

ПТ-2. Технология очистки газов контактным охлаждением

Технология очистки газов контактным охлаждением газовых потоков от парообразных и твердых примесей позволяет совместить процессы очистки, тепло- и массо-обмена газожидкостных потоков.

Принципиальным отличием технологии, разработанной специалистами НПО "Пылеочистка", является использование в качестве охлаждающей жидкости собственного конденсата, который образуется в процессе охлаждения, что исключает использование расходных жидкостей. Конденсат, образующийся в процессе охлаждения влажных газов, накапливается, охлаждается и вновь возвращается в процесс.

Капли жидкости в процессе своего взаимодействия с газовым потоком выступают в роли центра конденсации для улавливаемых парообразных примесей, что способствует ускорению процесса очистки. При взаимодействии жидкого конденсата с очищаемым газовым потоком твердые примеси осаждаются на поверхности жидкости за счет сил инерции частиц и турбулентной диффузии и отдельно являются центрами конденсации для улавливаемых паров. К тому же в процессе взаимодействия поверхность исходной жидкости после захвата твердых частиц за счет конденсириующихся паров хорошо обновляется, что способствует интенсификации процесса очистки. При очистке газов от твердых частиц, жидкость, с уловленными твердыми примесями при отделении от газового потока, также сепарируется и от них.

Примерами применения перспективной технологии очистки газов могут быть следующие области:

- системы очистки отходящих, технологических газов, воздушных выбросов от различных аэрозолей и парообразных примесей.

- системы очистки, осушка и охлаждение воздуха, совместно с системами поддержания климата в бытовых и производственных помещениях (климатические системы, системы рециркуляции вентвыбросов и др.);

- подготовка технологического воздуха (цеха покраски, печати и др.);

- очистка и подготовка углеводородных газов (осушка попутного нефтяного газа и др.);

- очистка инертных газов от парообразных примесей (установки улова легких фракций нефти, установки рекуперации паров бензина (2704), выделение инертного газа в ректификационных установках);

- системы рекуперации тепла отходящих газов промышленных выбросов (ТЭЦ, котельные).

ПТ-3. Компактный гибридный коллектор твердых частиц

Компактный гибридный коллектор твердых частиц известен при реализации технологий и , разработанных в США, представляющих собой технические решения для регулирования выбросов нескольких загрязняющих веществ (ртути (183), диоксинов (3620) и др.). При использовании тканевый фильтр устанавливают после существующего электрофильтра. предусматривает ввод сухого сорбента (активированного угля) между электрофильтром и тканевым фильтром.

В Российской Федерации технологии и не применяются.

ПТ-4. Агломерация частиц

Известные технологии агломерации (для объединения небольших частиц в более крупные, которые затем могут легче или эффективнее удаляться) включают введение химикатов в потоки воздуха для усиления агломерации мелких частиц, использование фильтров с ламинарным течением для стимулирования поверхностной агломерации мелких частиц, акустическое возбуждение пылевых частиц, взвешенных в газе, для увеличения скоростей столкновения и, следовательно, скоростей агломерации, возбуждение заряженных пылевых частиц, взвешенных в газе, электрическим полем, создаваемым постоянным или переменным током, для усиления перемешивания и, следовательно, агломерации и создание у частиц, содержащихся в потоке газа, зарядов противоположной полярности для электростатического притяжения.

Наиболее широко распространенной технологией агломерации является поверхностная агломерация. При использовании технологий поверхностной агломерации для удаления из потока газа частицы должны приводиться в контакт с собирающей поверхностью или телом. Крупные частицы диаметром более 10 мкм относительно легко улавливаются при помощи инерционных механизмов, таких как соударение, удержание и центробежные силы.

Агломератор Indigo ("Индиго Текнолоджиз Груп Пти Лтд") образует крупные агломерированные частицы за счет присоединения мелких частиц к более крупным (патент РФ N 2262386).

Устройство для агломерации частиц в потоке газа содержит генератор ионов, предназначенный для создания у частиц в потоке газа электрических зарядов противоположной полярности, и конструкцию, размещенную по направлению потока ниже генератора ионов и предназначенную для изменения физических характеристик потока газа для перемешивания противоположно заряженных частиц, содействуя таким образом агломерации частиц. Данная технология также позволяет сократить выбросы ртути. Агломерированные частицы легко удаляют с помощью традиционных технологических подходов, например электрофильтров.

В Российской Федерации технология находится на стадии ОКР, целью которых является использование в случаях значительной концентрации сажевых аэрозолей, связанного с субмикронными частицами.

ПТ-5. Плазмокаталитическая технология воздухоочистки ПКТ

Для предприятий, на которых уровень загрязнения воздуха газообразными веществами не превышает 3000 , перспективным является применение плазмакаталитической установки, разработанной специалистами ООО "ГринПлэнет".

Технология основана на высокой окислительной способности продуктов высоковольтного барьерного электрического разряда - плазмы, а также последующем глубоком окислении продуктов конверсии, образовавшихся в результате прохождения воздуха через плазменный реактор первой ступени, в каталитическом реакторе второй ступени. Доочистка газо-воздушной смеси происходит за счет финишного расщепления остатков загрязняющих веществ и озона (326), синтезированного в плазменном реакторе, до , , , и т.д. В установках ПКТ применяется низкотемпературный катализатор, который благодаря наличию ступени плазменного реактора эффективно работает в диапазоне температур 30°С - 70°C.

Параллельно с очисткой воздуха от газообразных загрязняющих веществ, происходит глубокая дезинфекция и стерилизация воздуха.

Краткий перечень вредных (загрязняющих) веществ, нейтрализуемых установкой ПКТ, приведен в таблице 12.

Таблица 12 - Краткий перечень вредных (загрязняющих) веществ, нейтрализуемых установкой ПКТ

Вещество	Степень очистки, %	ПДК,	Класс опасности
Оксиды: оксид азота (II) (304), диоксид азота (301), оксид углерода (337)	До 97% - 99%	0,04 - 0,06	2 - 4
Ароматические углеводороды: гидроксибензол (фенол) (1071), бензол (602), диметилбензол (ксилол) (смесь изомеров о-, м-, п-) (616), метилбензол (толуол) (621), этенилбензол (винилбензол; стирол) (620) и др.	До 87% - 97%	0,003 - 50	2 - 4
Альдегиды, кетоны их производные: пропан-2-он (ацетон) (1401), формальдегид (1325), бензальдегид (бензойный альдегид) (1302), метилацетат (1224), этилацетат (1240), ацетальдегид (уксусный альдегид) (1317) и др.	До 85% - 96%	0,003 - 200	2 - 4
Монокарбоновые кислоты: метановая кислота (муравьиная кислота) (1537), этановая кислота (уксусная кислота) (1555) и др.	До 90% - 92%	1 - 5	2 - 3
Спирты: этанол (этиловый спирт) (1061), пропан-2-ол (изопропиловый спирт) (1051) и др.	До 92% - 95%	5 - 10	3 -4
Дурнопахнущие вещества: дигидросульфид (сероводород) (333), аммиак (303), диметилсульфид (1707), смесь природных меркаптанов (в пересчете на этилмеркаптан) (одорант СПМ) (1716)	До 85% - 98%	0,00005 - 50	2 - 4
Прочие вещества: озон (326), антрацен (711), дибутилбензол-1,2-дикарбонат (дибутилфталат; дибутиловый эфир фталевой кислоты) (1215), проп-2-ен-1-аль (акролеин) (1301), тетрагидрофуран (2419), 2-метилпропионовая кислота (изомасляная кислота) (1528), смесь предельных углеводородов С1 - С5 (по метану) (415), смесь предельных углеводородов С6 - С10 (по гексану) (416)	До 85% - 99%	0,03 - 200	1 - 4

ПТ-6. Компактные электрофильтры

Компактная конструкция электрофильтра представляет собой конструкцию с уменьшенной неактивной областью (на 900 - 1100 мм по длине фильтра на каждое поле), посредством исключения из межпольного промежутка механизмов встряхивания и технологических проходов обслуживания валов встряхивания.

Встряхивание осуществляется с помощью магнито-импульсных молотков расположенных на крыше электрофильтра. Два электромагнитных молотка встряхивают от одного до трех осадительных электродов и 5 - 10 сборок коронирующих электродов.

Среди положительных аспектов использования магнито-импульсных молотков выявлены следующие:

- увеличение активного объема на 25% в тех же габаритах;

- возможность производить замену молотка без остановки основного оборудования и электрофильтра;

- механическая часть молотка расположена в чистой зоне;

- возможность гибкого управления алгоритмами встряхивания;

- возможность регулировки силы удара; отсутствие проблемы децентровки молоток-наковальня;

- возможность автоматического отслеживания поломки молотка.

ПТ-7. Трехступенчатый пылеуловитель

Трехступенчатый пылеуловитель представляет собой комплекс пыле- и золоулавливания (КПЗУ), включающий в себя вихревую камеру, пылеконцентратор, выносные циклоны.

КПЗУ предназначен для очистки дымовых газов котлов малой энергетики, воздуха аспирационных сетей, а также во всех отраслях промышленности, связанных с транспортированием, складированием и переработкой дисперсных материалов и остальных процессов, приводящих к выделению большого количества пыли в атмосферный воздух.

Эффективность пылеулавливания приближается к эффективности скрубберов и электрофильтров.

Пылеуловитель КПЗУ позволит снизить выбросы пыли в атмосферный воздух по сравнению с батарейным циклоном в 4 - 6 раз.

Первая ступень пылеуловителя КПЗУ представляет собой вихревую камеру. Часть пыли из вихревой камеры с газом отводится в выносной циклон, представляющий собой вторую ступень очистки. Затем дымовые газы из вихревой камеры поступают в третью ступень очистки, представленную пылеконцентратором, также снабженным выносным циклоном. Очищенные газы поступают в общий раскручиватель дымовых газов или сразу же в дымосос. Уловленные в пылеуловителе частицы поступают в стандартный гидрозатвор или специальный пылевой затвор.

ПТ-8. Фотокаталитическое окисление с диоксидом титана

Фотокаталитическое окисление, также называемое фотокатализом, представляет собой подход, используемый для разложения путем окисления многих загрязняющих веществ (например, летучих органических соединений, соединений серы, соединений азота, запахов и бактерий), содержащихся в отходящих газах.

Технология реализует методы очистки воздушных потоков с использованием фотохимических реакций. Устройства содержат последовательно расположенные секции электростатической очистки, фотоокисления, фотокатализа и увлажнения.

Фотокатализ основан на двухэтапной реакции с катализатором (обычно используется Ti) и системой облучения для активации катализатора (может использоваться ультрафиолетовое излучение искусственных ламп или солнечный свет). Фотокатализ полностью минерализует загрязняющие органические вещества.

Комбинированное воздействие ультрафиолетового излучения и Ti) превращает часть содержащегося в воздухе водяного пара в два высокореактивных сильных окислителя: гидроксильные радикалы (ОН) и супероксидные ионы (). Гидроксильные радикалы ОН обладают вдвое большей окислительной способностью, чем хлор, и преобразовывают органические вещества (например, летучие органические соединения, запахи) и бактерии в диоксид углерода (380).

Данный подход может использоваться при очистке/дезодорировании газообразных утечек, содержащих загрязняющие вещества в следовых количествах, а также для обработки утечек в атмосферу из зданий, где хранятся жидкие стоки или шлам. Подход особенно полезен для соединений с обонятельным порогом порядка 1 части на миллиард по объему или ниже и в тех случаях, когда концентрация достаточно низка.

Известен фотокаталитический воздухоочиститель, включающий корпус, насос-вентилятор, фотокаталитический блок, пылевой фильтр с органическим или неорганическим адсорбентом, отличающийся тем, что корпус воздухоочистителя выполнен в виде закрученной в спираль постоянной по площади поперечного сечения трубки, образующей фотокаталитический блок, внутренняя поверхность которого покрыта слоем фотокатализатора, а на стороне поверхности, расположенной ближе к центру фотокаталитического блока, на всем его протяжении прикреплена светодиодная лента с ультрафиолетовыми светодиодами (патент РФ 2497584). В указанном фотокаталитическом воздухоочистителе в качестве фотокатализатора используется диоксид титана.

До настоящего времени задача очистки газов от вредных примесей, а также веществ, обладающих неприятным запахом, в частности сероводорода (333), решалась в основном химическими абсорбционными и каталитическими способами, использующими введение в очищаемый газ различных активных веществ с целью создания процессов восстановления, окисления и др., способствующих выводу вредных веществ из газа. Например, способ каталитической очистки газа от сероводорода (333) путем его окисления в элементарную серу в присутствии гранулированного титанооксидного катализатора, содержащего добавку кремния (патент РФ 2057577), или способ очистки газов от меркаптанов, в котором для повышения степени конверсии меркаптанов до сероводорода в качестве катализатора используют цеолит, содержащий 1,5% - 1,86% водорода по массе при температуре 280°С - 300°С и объемной скорости газового потока 800-2000  (патент РФ 2057577).

Однако указанные способы являются технологически сложными, сопряжены с повышенными энерго- и материалозатратами и не обеспечивают достаточно высокой степени очистки (90% - 97% удаляемого сероводорода). Кроме того, при применении таких способов существует проблема регенерации катализатора.

Одним из наиболее современных методов в данной области является способ очистки воздуха и газов от различных примесей с использованием фотокаталитического эффекта.

Процесс фотокатализа состоит в окислении молекул удаляемых веществ на поверхности катализатора под действием светового излучения до диоксида углерода, воды и диоксида азота (301). В современной технике в качестве наиболее активного фотокатализатора чаще всего используется диоксид титана в кристаллической модификации - анатаз, нанесенный в виде слоя на носитель. Под действием поглощаемого светового излучения на поверхности катализатора образуются активные центры, которые окисляют органические и неорганические компоненты.

Известен способ дезодорации и очистки газов, включающий подачу очищаемого газа, пропускание его через слой фотокатализатора в виде регулярного носителя, покрытого слоем на основе диоксида титана в форме анатаза, на который воздействуют световым излучением (патент РФ 2339438).

При этом слой фотокатализатора непрерывно орошают водой или паром, а процесс осуществляют в присутствии озона (326), концентрация которого составляет от 0,01 до 0,5 части удаляемых примесей (патент РФ 2339438).

Выбор материала носителя для фотокаталитического слоя и диапазон толщин слоя на основе диоксида титана определяется необходимостью обеспечения более полного контакта активирующего излучения с фотокатализатором, его прохождения вглубь реактора, протекания фотокаталитической реакции не только на поверхности, но и в глубине слоя катализатора.

Несмотря на выполненные научные работы и опытно-промышленное использование в ряде проектов, широкого практического распространения технология не получила.

ПТ-9. Использование керамических фильтров для удаления нескольких загрязняющих веществ

Суть технологического подхода состоит в обработке отходящих газов при температуре до 400°С путем прогонки их через керамические фильтрующие элементы (т.н. свечи), содержащие катализатор. Содержание загрязняющих веществ (пыль, кислоты, оксиды азота (301, 304), тяжелые металлы и полихлоридный дибензопарадиоксин/полихлоридный дибензофуран (3620)) сокращается в одном интегрированном блоке обработки, где происходят следующие процессы:

- кислые загрязняющие вещества (например, гидрохлорид (316), диоксид серы (330), фтороводород (342)) нейтрализуются (путем введения бикарбоната натрия, извести и др.) до керамического и каталитического фильтра;

- оксиды азота (301, 304) преобразуются в и , проходя через керамический и каталитический фильтр (аммиак или мочевина вносятся в отходящие газы до фильтра);

- пыль подвергается фильтрации с использованием керамических "свечей". Импульсная подача воздуха используется для очистки "свечей" без их съема;

- полихлоридный дибензопарадиоксин/полихлоридный дибензофуран (3620) сокращается с помощью каталитической системы или они адсорбируются на фильтр;

- тяжелые металлы адсорбируются на адсорбирующий фильтр.

Для каждого конкретного случая применения подхода выполняется специальное исследование для определения типа реагента, подлежащего использованию в зависимости от температуры отходящих газов, состава загрязняющих веществ и требований к обработке.

Данный подход представляет собой альтернативу обычным сочетаниям электростатических пылеуловителей и селективного каталитического восстановления или рукавных фильтров и селективного восстановления.

Эффективность борьбы с выбросами и уровни выбросов при использовании данного подхода, рассматривается в таблице 13.

Таблица 13 - Эффективность борьбы с выбросами и уровни выбросов при использовании подхода, предусматривающего удаление нескольких загрязняющих веществ

Удаляемые загрязняющие вещества	Уровни содержания загрязняющих веществ (мг/норм. ) при 8% в сухом веществе	Степень удаления (%)
Диоксид азота (оксид азота (IV)) (301), оксид азота (II) (оксид азота) (304)	< 80	98
Пыль	< 5	99,9
Диоксид серы (сернистый ангидрид) (330)	< 50	97
Гидрохлорид (хлористый водород, соляная кислота) (по молекуле HCl) (316)	< 10	97
Фтористые газообразные соединения: гидрофторид, кремний тетрафторид (в пересчете на фтор) (342)	< 5	97
Диоксины (в пересчете на 2,3,7,8-тетрахлордибензо-1,4-диоксин) (3620)	< 0,0001	Информация отсутствует

Преимуществами технологического подхода являются:

- компактность установки: установка в два-три раза меньше альтернативных установок (электростатический пылеуловитель + избирательное каталитическое восстановление или рукавный фильтр + избирательное каталитическое восстановление);

- высокая эффективность фильтрации: выбросы пыли составляют обычно <5 мг/норм. независимо от концентрации на входе;

- оптимизация потребления реагента: реакция через фильтр-прессную лепешку и высокая химическая активность реагента при высокой температуре;

- улучшенное удаление селена: Пробы показывают, что система позволяет достичь допустимых концентраций селена в выбросах меньшими усилиями;

- сокращение образования остатков при фильтрации: оптимизация потребления реагента приводит к сокращению образования остатков при фильтрации и, следовательно, к сокращению объема, подлежащего обработке (использованию в качестве вторичных материальных ресурсов или удалению);

- оптимизация сокращения выбросов оксидов азота (301, 304): интеграция си стемы катализатора позволяет обеспечить гибкость сокращения выбросов оксидов азота (301, 304) вследствие большой поверхности обработки;

- сокращение затрат на техническое обслуживание: размер оборудования уменьшается из-за степени интеграции, предполагаемой подходом, тем самым сокращая расходы на техническое обслуживание;

- повышение эффективности печи/котла на 10%: для оборудования с системой рекуперации энергии этот подход позволяет, с одной стороны, увеличить доступность теплообменника, расположенног