DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.01.07

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

Olena Ivanenko, Nikolai Gomelya, Yevgen Panov, Tetyana Overchenko

Анотація


Показано, що потрапляння близько 1,7611 млн тон в рік отруйного монооксиду вуглецю в атмосферу України становить серйозну проблему, котра 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 обґрунтовувано не тільки можливістю отримання каталізатора без попередньої обробки цеоліту, навіть з відпрацьованих сорбентів очищення марганцевмісної природної води, яка притаманна Україні, але і нетоксичністю в випадку захоронення або зберігання на звалищах, так як компоненти каталізатора мають природне походження. Визначено мікрорентгеноспектральним аналізом шліфа зразка 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 по зниженню 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.


Ключові слова


монооксид вуглецю; димові гази; викиди; каталізатор; окислення; конверсія; багатокамерні печі

Повний текст:

PDF

Посилання


Кursov S. V. Monooksid ugleroda: fiziologicheskoe znachenie i toksikologiyа [Carbon monoxide: physiological significance and toxicology]. Mediczina neotlozhny`kh sostoyanij [Emergency medicine], 2015, 6, no. 69, pp. 9–16.

Patel D. M., Kodgire P., Dwivedi A. H. Low temperature oxidation of carbon monoxide for heat recuperation: A green approach for energy production and a catalytic review. Journal of Cleaner Production, 2015, 97 р. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118838.

Statistical Yearbook «Environment Of Ukraine 2018» [Statistical collection "Environment of Ukraine for 2018"]. State Statistics Service of Ukraine. Kyiv, 2019, 214 р.

Ivanenko O. Implementation of risk assessment for critical infrastructure protection with the use of risk matrix. ScienceRise, 2020, no. 2, рр. 26–38, doi: 10.21303/2313-8416.2020.001340.

Environmental passport of Zaporizhzhia region for 2018 [Ecological passport of Zaporizhia region for 2018]. Official portal of the Ministry of Energy and Environmental Protection of Ukraine, 2019, 173 р. Available at: https://menr.gov.ua/news/33529.html (accessed 30.07.2020).

Belokon K. V., Belokon Y. A., Kozhemyakin G. B., Matukhno E. V. Еnvironmental assessment of the intermetallic catalysts utilization efficiency for deactivation of the pollutants emitted by electrode production enterprises. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2016, no. 3, рр. 87–94.

Inglezakis V. J., Zorpas A. A. Handbook of natural zeolites. Bentham Science Publishers, 2012, 705 р.

Korablev V. V., Chechevichkin A.V., Boricheva I. B., Samonin V. V. Тhe structure аnd morphological properties of clinoptilolite modified by manganese dioxide [Struktura i morfologicheskie svojstva klinoptilolita, modificzirovannogo dioksidom margancza]. SPbPU Journal – Physics and Mathematics, 2017, no. 10(1), рр. 100–111, doi: 10.18721/JPM.10110

Panov Ye., Gomelia N., Ivanenko O., Vahin A., Leleka S. Estimation of the еffect of temperature, the concentration of oxygen and catalysts on the oxidation of the thermoanthracite carbon material. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2019, no. 2/6 (98), рр. 43–50, doi: 10.15587/1729-4061.2019.162474.

Choi K.-H., Lee D.-H., Kim H.-S., Yoon Y.-C., Park C.-S., Kim Y. H. Reaction Characteristics of Precious-Metal-Free Ternary Mn–Cu–M (M = Ce, Co, Cr, and Fe) Oxide Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, no. 55 (16), рр. 4443–4450, doi: 10.1021/acs.iecr.5b04985.

Golodets G. I. Heterogeneous Catalytic Reactions Involving Molecular Oxygen. Studies in Surface Science and Catalysis. Elsevier Science Publishers, 1983, no. 15, 878 р.

Rakitskaya T. L., Kiose T. A., Vasylechko V. O., Volkova V. Ya., Gryshchouk G. V. Adsorption-desorption properties of clinoptilolites and the catalytic activity of surface Cu(II)–Pd(II) complexes in the reaction of carbon monoxide oxidation with oxygen. Chemistry of metals and alloys, 2011, no. 4 (3–4), рр. 213–218.

Grechanovskaya E. E. Metrika elementarnoy yacheyki i Si/Al-otnosheniye v tseolitakh ryada geylandit — klinoptilolit Sokirnitskogo mestorozhdeniya (Zakarpat'ye, Ukraina) [Unit cell metric and Si / Al-ratio in zeolites of the heulandite – clinoptilolite series of the Sokirnytsya deposit (Transcarpathia, Ukraine)]. Mineralogical Journal, 2010, no. 32(4), рр. 12–22.

Tarasevich Yu. I., Goncharuk V. V., Polyakov V. E., Krysenko D. A., Ivanova Z. G., Aksenenko E. V., Tryfonova M. Yu. Efficient technology for the removal of iron and manganese ions from artesian water using clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2012, no 18 (4), pp. 1438–1440.

Malovanyy M., Yarema O., Sakalova G., Vasylinych T. Leather wastewater treatment from chromium ions by adsorption on natural zeolites. Bulletin of the Kyiv National University of Technologies and Design, 2010, no 6, pp. 81–85.

Doebelin N., Armbruster Т. Stepwise dehydration and change of framework topology in Cd-exchanged heulandite. Microporous and Mesoporous Materials, 2003, no. 61, pp. 85–103.

Merkle A. B., Slaughter M. Determination and refinement of the structure of heulandite. The Аmerican mineralogist, 1968, no. 53, pp. 1120–1138.

Karvackiі A. Ya., Leleka S. V., Pulinec I. V., Lazarіev T. V. Sovershenstvovanie reglamentov obzhiga s uchetom dinamiki gazovy`deleniya obzhigaemy`kh zagotovok [Development of burning regulations take into account the dynamics of gas emission of burning blanks]. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2011, no. 6/5 (54), pp. 42–45.

Riedhammer. Ring Pit Furnaces for Baking of high quality Anodes – an Overview, 15. Available at: http://www.riedhammer.de/system/00/01/42/14219/633776329561250000_1.pdf (accessed 30.07.2020).


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Курсов С. В. Монооксид углерода: физиологическое значение и токсикология. Медицина неотложных состояний. 2015. № 6 (69). С. 9–16.
  2. Patel D. M., Kodgire P., Dwivedi A. H. Low temperature oxidation of carbon monoxide for heat recuperation: A green approach for energy production and a catalytic review. Journal of Cleaner Production. 2019. P. 97. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118838.
  3. Статистичний збірник «Довкілля України за 2018 рік». Державна служба статистики України. Київ, 214 с.
  4. Ivanenko O. Implementation of risk assessment for critical infrastructure protection with the use of risk matrix. ScienceRise. 2020. № 2. Р. 26–38. doi: 10.21303/2313-8416.2020.001340
  5. Екологічний паспорт Запорізької області за 2018 р. Офіційний портал Міністерства енергетики та захисту довкілля України. 173 с. URL: https://menr.gov.ua/news/33529.html (дата звернення: 30.07.2020).
  6. Belokon K. V., Belokon Y. A., Kozhemyakin G. B., Matukhno E. V.  Еnvironmental assessment of the intermetallic catalysts utilization efficiency for deactivation of the pollutants emitted by electrode production enterprises. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2016. 3. Р. 87–94.
  7. Inglezakis V. J., Zorpas A. A. Handbook of natural zeolites. Bentham Science Publishers. 2012. 705 р.
  8. Кораблев В. В., Чечевичкин А. В., Боричева И. К., Самонин В. В. Структура и морфологические свойства клиноптилолита, модифицированного диоксидом марганца. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2017. № 10 (1). С. 100–111. doi: 10.18721/JPM.10110.
  9. Panov Ye., Gomelia N., Ivanenko O., Vahin A., Leleka S. Estimation of the еffect of temperature, the concentration of oxygen and catalysts on the oxidation of the thermoanthracite carbon material. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. № 2/6 (98). Р. 43–50. doi: 10.15587/1729-4061.2019.162474.
  10. Choi K.-H., Lee D.-H., Kim H.-S., Yoon Y.-C., Park C.-S., Kim Y. H. Reaction Characteristics of Precious-Metal-Free Ternary Mn–Cu–M (M = Ce, Co, Cr, and Fe) Oxide Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2016. № 55(16). Р. 4443–4450. doi: 10.1021/acs.iecr.5b04985.
  11. Golodets G. I. Heterogeneous Catalytic Reactions Involving Molecular Oxygen. Studies in Surface Science and Catalysis. Elsevier Science Publishers. 1983. № 15. 878 р.
  12. Rakitskaya T. L., Kiose T. A., Vasylechko V. O., Volkova V. Ya., Gryshchouk G. V. Adsorption-desorption properties of clinoptilolites and the catalytic activity of surface Cu(II)–Pd(II) complexes in the reaction of carbon monoxide oxidation with oxygen. Chemistry of metals and alloys. 2011. 4 (3–4). Р. 213–218.
  13. Гречановская Е. Е. Метрика элементарной ячейки и Si/Al-отношение в цеолитах ряда гейландит– клиноптилолит Сокирницкого месторождения (Закарпатье, Украина). Mineralogical Journal. 2010. № 32 (4). Р. 12–22.
  14. Tarasevich Yu. I., Goncharuk V. V., Polyakov V. E., Krysenko D. A., Ivanova Z. G., Aksenenko E. V., Tryfonova M. Yu. Efficient technology for the removal of iron and manganese ions from artesian water using clinoptilolite. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2012. № 18 (4). Р. 1438–1440.
  15. Мальований М. С., Ярема О. Р., Сакалова Г. В., Василінич Т. М. Очищення стічних вод шкіряного виробництва від іонів хрому адсорбцією на природних цеолітах. Вісник КНУТД. 2010. № 6. С. 81–85.
  16. Doebelin N., Armbruster Т. Stepwise dehydration and change of framework topology in Cd-exchanged heulandite. Microporous and Mesoporous Materials. 2003. № 61. Р. 85–103.
  17. Merkle A. B., Slaughter M. Determination and refinement of the structure of heulandite. The Аmerican mineralogist. 1968. № 53. Р. 1120–1138.
  18. Карвацкий А. Я., Лелека С. В., Пулинец И. В., Лазарев Т. В. Совершенствование регламентов обжига с учетом динамики газовыделения обжигаемых заготовок. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. № 6/5 (54). С. 42–45.
  19. Riedhammer. Ring Pit Furnaces for Baking of high quality Anodes – an Overview, 15. URL: http://www.riedhammer.de/system/00/01/42/14219/633776329561250000_1.pdf (дата звернення: 30.07.2020).