Технічні рішення зі зниження викидів монооксиду вуглецю з димовими газами печей для випалювання електродів

Abstract

Показано, що потрапляння близько 1,7611 млн тон в рік отруйного монооксиду вуглецю в атмосферу України становить серйозну проблему, що повинна вирішуватися на рівні промислових виробництв. Обгрунтовано необхідність розробки технічних рішень щодо зниження викидів монооксиду вуглецю димових газів виробництва електродів, що утворюються головним чином у печах для випалювання. Визначено, що необхідними умовами для вибору каталізатора окислення монооксиду вуглецю є дешевизна, доступність, розповсюдженість в Україні, високі експлуатаційні характеристики та поліфункціональність з точки зору екологічного каталізу, забезпечуючи принципово безвідходну екологічну чисту технологію. При цьому вимогою до розміщення контейнерів з каталізатором є їх розташування безпосередньо в камерах печі для випалювання електродів, що забезпечує незначні матеріальні витрати на проведення процесу каталітичного окислення СО. Доведено, що при врахуванні адсорбційних властивостей цеолітів-клиноптилолітів Сокирницького родовища Закарпатській області України та можливості їх практичного застосування в промислових масштабах, використання даних природних матеріалів з метою вирішення екологічних проблем є актуальним і не викликає сумніву. В результаті проведення дослідження процесу окислення СО в створеній лабораторній установці було визначено, що для досягнення 100 %-вої конверсії монооксиду вуглецю за температури 390 ºС необхідно застосовувати оксидно-мідно-марганцевий каталізатор 30:70 (30 % CuO+70 % MnO2) на основі цеоліту. Разом з тим, більшість переваг для використання має оксидно-марганцевий каталізатор на основі цеоліту, при застосуванні якого ступінь перетворення СО складає 92,8 %. Даний висновок обґрунтовано не лише можливістю отримання каталізатора без попередньої обробки цеоліту, навіть з відпрацьованих сорбентів очищення марганцевмісної природної води, що притаманно Україні, але і нетоксичністю у випадку захоронення або зберігання на звалищах, так як компоненти каталізатора мають природне походження. Мікрорентгеноспектральним аналізом шліфа зразка визначено вміст основних елементів оксидно-марганцевого каталізатора на основі цеоліту. Розраховано його питому поверхню, загальний об'єм пор і розподіл пор за розміром за допомогою адсорбційних даних, отриманих низькотемпературними методами адсорбції/десорбції азоту, з використанням методів Брунера-Еммета-Теллера, Барретта-Джойнера-Халенди та теорії функціональної щільності. Шляхом якісного рентгенофазового аналізу, визначено фазовий склад зразку порошку поверхні каталізатора. Розроблено технічне рішення зі зниження викидів монооксиду вуглецю з димовими газами печей для випалювання електродів, яке включає розміщення контейнерів прямокутного перерізу з оксидно-марганцевим каталізатором на основі цеоліту у вогневих каналах цих печей у камерах, що підігріваються димовими газами.

It is shown that the entry of about 1.7611 million tons per year of toxic carbon monoxide into the atmosphere of Ukraine is a serious problem that must be addressed at the level of industrial enterprises. The necessity of developing technical solutions to reduce emissions of carbon monoxide from flue gases from the production of electrodes, which are formed mainly in kilns, is substantiated. It has been determined that the necessary conditions for choosing a catalyst for the oxidation of carbon monoxide are cheapness, availability, prevalence in Ukraine, high performance and multifunctionality in terms of environmental catalysis, providing a fundamentally waste-free environmentally friendly technology. In this case, the requirement for the placement of containers with a catalyst is their location directly in the chambers of the furnace furnaces for baking electrode blanks, which provides insignificant material costs for the catalytic oxidation of CO. It is proved that taking into account the adsorption properties of zeolites-clinoptilolites of the Sokirnitsky deposit of the Transcarpathian region of Ukraine and the possibility of their practical application on an industrial scale, the use of these natural materials in order to solve environmental problems is relevant and beyond doubt. As a result of the study of the CO oxidation process in the created laboratory setup, it was determined that to achieve 100 % conversion of carbon monoxide at a temperature of 390 °C, it is necessary to use an oxide-copper-manganese catalyst 30:70 (30 % CuO+70 % MnO2) on based on zeolite. At the same time, most of the advantages for use have a manganese oxide catalyst based on zeolite, when using which the CO conversion is 92.8 %. This conclusion is justified not only by the possibility of obtaining a catalyst without preliminary treatment of zeolite, even from spent sorbents for purification of manganese-containing natural water, which is inherent in Ukraine, but also by non-toxicity in the case of burial or storage in landfills, since the catalyst components are of natural origin. The content of the main elements of an oxide-manganese catalyst based on zeolite was determined by X-ray microprobe analysis of the sample section. The content of the main elements of an oxide-manganese catalyst based on zeolite was determined by X-ray microprobe analysis of the sample section. Its specific surface area, total pore volume and pore size distribution were calculated using adsorption data obtained by low-temperature nitrogen adsorption/desorption methods, using Brunner-Emmett-Teller, Barrett-Joyner-Halenda, and functional density theory. The phase composition of the catalyst surface powder sample was determined by qualitative X-ray phase analysis. A technical solution has been developed to reduce emissions of carbon monoxide with flue gases of furnaces for baking electrodes, which includes the placement of rectangular containers with a manganese oxide catalyst based on zeolite in the firing channels of these furnaces in chambers heated by flue gases.