ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к устройствам для получения низкотемпературной неравновесной газоразрядной плазмы и может быть использована в установках очистки воздуха и газов для плазмохимической конверсии вредных, токсичных и дурно пахнущих газов в безвредные и нетоксичные химические соединения в различных отраслях промышленности.
Наряду с существующими методами очистки воздуха (газов) от загрязняющих веществ - электростатическими, биологическими, сорбционными, каталитическими, химическими, в последние годы распространение получили плазмокаталитические технологии (ПКТ) очистки воздуха (газов).
Плазма представляет собой газ, молекулы которого ионизированы. Плазма состоит из многих компонентов: электроны различных энергий, положительные и отрицательные ионы, нейтральные частицы. К нейтральным частицам относятся как молекулы и атомы в основном состоянии, так и молекулы, атомы, радикалы в возбужденном состоянии. Различают высокотемпературную и низкотемпературную плазмы. В условиях низкотемпературной плазмы физико-химические процессы и реакции протекают в существенно неравновесных условиях, что проявляется по-разному: в значительном превышении средней энергии электронов над средней энергией тяжелых частиц; в неравновесной функции распределения электронов; в разнице поступательной (300К) и колебательной (10 К) температур; в значительно превышающей равновесную степень ионизации газа и т.д. Эти и другие факторы приводят к большим концентрациям частиц в различных квантовых состояниях, что сближает характерные времена физических и химических процессов. В такой ситуации становится невозможным их разделить, а значит описать законами химической кинетики. Поэтому модели плазмохимических процессов носят эмпирический характер и основываются, в основном, на результатах практического применения газоразрядных установок.
Процесс конверсии вредных веществ происходит по следующему механизму: загрязненный воздух проходит через газоразрядный реактор, в котором происходит разрушение вредных веществ под действием низкотемпературной плазмы и других физико-химических факторов воздействия. А также, в результате этих воздействий происходит возбуждение молекул, атомов и радикалов, что качественно влияет на работу каталитической ступени очистки.
Применение плазменно-каталитической технологии очистки воздуха от вредных газообразных веществ осуществляется оборудованием, основанном на трехступенчатой обработке газо-воздушной смеси (ГВС). Первая ступень - противопылевая, вторая - плазмохимическая, где происходит разрушение, окисление молекул газов, бомбардировка быстрыми электронами, энергетический разрыв молекулярных связей, образование нестабильных комплексов и радикалов. Третья - каталитическая, где происходит глубокое окисление, разрушение и стабилизация простых молекулярных форм. Конструкции плазменно-каталитических газоочистных установок (ПКГОУ) различны, несмотря на одинаковость технологического процесса.
Известна установка для плазмокаталитической стерилизации и очистки воздуха, включающая корпус, имеющий входной и выходной каналы, последовательно расположенные между ними блок питания, газоразрядный узел, выполненный в виде плазмогенератора, каталитическую секцию, перед газоразрядным узлом установлен вентилятор с блоком управления, причем газоразрядный узел имеет изолирующую кассету с набором пластин из высокопористого ячеистого материала, диэлектрика и электропроводящей пластины, при этом каталитическая секция содержит теплогазоизолирующую перегородку, тепловые нагревательные элементы, закрепленные на каталитических блоках секции, выполненных из высокопористого ячеистого металла, и каталитические блоки из высокопористых ячеистых материалов. (Установка для плазмокаталитической очистки воздуха «Плазкат-АЭРО» Интернет: URL:http//_batai.php) и Патент РФ №2297874, опубликованный, 27.04.2007 г).
К недостаткам известного технического решения следует отнести то, что поступающие в газоразрядный узел газы, пройдя слой высокопористого ячеистого материала, после плазмохимической реакции в зоне плазменного разряда отражаются от диэлектрической пластины и смешиваются с вновь поступающим газом, а значительная часть газового потока вообще не достигает зоны плазменного разряда, обтекая газоразрядный узел, что снижает эффективность плазмохимической обработки газа и производительность установки.
Известен плазмохимический реактор щелевого типа для технологической очистки воздуха, разработанный ЗАО «МЭЛП». Он может быть использован также в качестве одной из ступеней установок очистки воздуха от органических загрязнений. Газоразрядный узел представляет собой решетку из параллельно расположенных трубчатых электродов. Газоразрядные элементы выполнены из кварцевых трубок с внешнем диаметром 3,2 мм и внутренним диаметром 1,3 мм, в которые плотно вставлены токоподводы из нержавеющей проволоки.
Конструктивно решетка из электродов может быть плоской или зигзагообразный, однорядной или двухрядной, тогда электроды располагаются в шахматном порядке. Электроды разной полярности (высоковольтный и низковольтный чередуются в реакторе с шагом 4,5 мм. Токоподводы высоковольтных и низковольных электродов направлены в разные стороны и подключены к соответствующему общему коллектору. (Варгаузин А.А., Кручинин А.А. и др. «Плазмохимический реактор щелевого типа и его применение в технологиях очистки воздуха», ЗАО «МПЭЛ», Санкт-Петербург, 2009 г.).
В результате химических реакций, протекающих в газовом разряде, воздушный поток, пропускаемый через реактор в направлении перпендикулярном газоразрядным элементам, обогащается активными частицами (озоном, атомарным кислородом, ОН - радикалами), обладающими очень высокой окислительной способностью. Молекулы органических соединений, присутствующие в воздушном потоке, подвергаются деструкции и окислению как непосредственно в зоне разряда, где помимо взаимодействия с активными частицами они могут быть разрушены электронным ударом, так и на выходе реактора.
Недостатком этого реактора является ограниченность его применения, т.к. фиксированная величина шага между газоразрядными элементами не позволяет использовать их для широкого спектра производительности по воздуху и электрической энергии выделяющейся в объеме воздуха.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является установка сорбционно-плазмо-каталитической очистки газов "СТОПКР", которая предназначена для очистки воздуха от органических веществ: предельных, непредельных, ароматических углеводородов и др., а также неорганических веществ: NH3, H2S, SO2, NOx, СО и др. (ТУ 3646-004-83782690-2009, ООО «Воздухоочистка», С-Петербург, 2009 г).
Установка включает три основных блоков: предварительный блок грубой очистки, плазмохимический реактор и каталитический реактор.
Плазмохимический реактор представляет собой металлический воздуховод, внутрь которого устанавливаются кассеты с высоковольтными газоразрядными элементами, кассеты электрически соединены с высоковольтными трансформаторами, которые расположены в специальных электрических шкафах, находящихся в нижней части корпуса или в верхней, либо вынесены. Газоразрядные элементы расположены в кассете в один ряд или в шахматном порядке перпендикулярно движущемуся загрязненному воздуху.
Высоковольтные газоразрядные элементы могут быть выполнены аналогично описанным в патентах РФ №2066292 (опубл. 10.09.1996 г) на изобретение «Озонатор» или в полезной модели №72475 (опубл. 20.04.2008 г.) «Плазмообразующий элемент и плазмохимический реактор», причем первое техническое решение является прототипом второго.
Предлагаемый газоразрядный элемент (плазмообразующий элемент) выполнен в виде цилиндрического диэлектрического баллона (трубки), заполненного электропроводящим газом, и двух электродов, один из которых пропущен через стенку баллона для контакта с электропроводящим газом, а другой электрод выполнен в виде токопроводящей ленты V-образного поперечного сечения с зубчатыми краями, намотанной по спирали на внешней поверхности баллона и прижатой к ней токопроводящей спиральной шиной. Зубчатые края ленты могут быть наклонены к поверхности баллона под углом 3-60°. Расстояние между остриями зубцов и поверхностью баллона может составлять 0,5-10,0 мм. Спирали электродов, выполняющие роль основы электродов, могут быть выполнены из различных материалов: алюминий, медь, хром, никель. Образованные таким образом из поперечных краевых проволочных нитей многочисленные тонкие иглы поднимаются над поверхностью диэлектрической трубки на высоту до 3 мм.
Газоразрядные элементы, закрепляются в металлическом корпусе, образуя кассету, причем в торцевой части корпус заземлен. Количество кассет в плазмохимическом реакторе зависит от мощности установки, а количество газоразрядных элементов в кассете может быть до 42.
2
2
Работа установки осуществляется следующим образом. Загрязненный воздух, отбираемый вытяжной вентсистемой, содержащий газообразные загрязнители органической и неорганической природы, проходит предварительную очистку от пыли и взвешенных частиц и поступает на очистку в кассеты плазмохимического реактора. Газоразрядные элементы кассет вырабатывает низкотемпературную плазму барьерного и стриммерного разрядов. Продукты высоковольтного электрического разряда (озон, атомарный кислород, возбужденный молекулярный кислород, гидроксильные группы и ионы) имеют большую окислительную способность, что обеспечивает высокую эффективность газоочистки. Газообразные загрязнители, проходя зону высоковольтного разряда и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в менее вредные и безвредные соединения, вплоть до СО и НО по схеме (согласно уравнениям химических реакций):
СО+О• →СO<sub>2</sub>
C<sub>x</sub>H<sub>y</sub>+(2x+y)•ОН →xСO<sub>2</sub>+yН<sub>2</sub>O+2хН•
3СО+O<sub>3</sub>→3СO<sub>2</sub>
C<sub>x</sub>H<sub>y</sub>+(2x/3+y/6)03→xСO<sub>2</sub>+y/2Н<sub>2</sub>O
Глубина конверсии (очистки) зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции, а также аэродинамических и физических параметров проходящего очистку газа. После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе. Синтезируемый в газовом разряде плазмохимического реактора озон попадает на катализатор, где сразу разрушается на активный атомарный и молекулярный кислород. Остатки загрязняющих веществ, не уничтоженных в плазмохимическом реакторе, разрушаются на катализаторе благодаря интенсивной реакции с кислородом. После реактора очищенный воздух выбрасывается в атмосферу вентиляционными установками.
Недостатки плазмохимического реактора-прототипа обусловлены следующим. В устройстве прототипе используется в качестве внутреннего электрода газоразрядного элемента электропроводящий газ, давление которого в колбе со временем падает и этот элемент требует замены. Кроме того, на ионизацию электропроводящего газа требуется дополнительная энергия. Контроль за работоспособностью газоразрядных элементов отсутствует, однако при пробое более 10% газоразрядных элементов, входящих в кассету ее необходимо заменять, т.к. снижается эффективность очистки воздуха от вредных примесей, поэтому плазмохимический реактор необходимо разбирать для удаления вышедшего из строя элемента. В результате снижается производительность плазмохимического реактора.
Задачей заявляемого в качестве полезной модели технического решения является устранение указанных недостатков плазмохимического реактора для очистки воздуха от вредных примесей путем создания более надежной конструкции газоразрядного элемента, снабженного средствами контроля его работоспособности и обеспечивающего получение неравновесной низкотемпературной плазмы в приповерхностном слое диэлектрика в скользящем барьерном разряде.
Технический результат достигается за счет того, что в плазмохимический реактор для очистки воздуха, содержащий корпус, внутри которого установлены кассеты с высоковольтными газоразрядными элементами, включающими диэлектрическую трубку с закрепленными на ее внутренней и наружной стенках электродами, подключенными к высоковольтному источнику переменного тока и расположенными перпендикулярно потоку очищаемого воздуха, причем наружный электрод выполнен в виде токопроводящей ленты, имеющий V-образную поперечное сечение с зубчатыми краями, намотанной по спирали на внешней поверхности диэлектрика и прижатой к ней токопроводящей спиральной шиной, внесены изменения и дополнения, а именно:
- торцы газоразрядных элементов залиты специальным герметиком, снабженным предохранителем для контроля пробоя диэлектрика;
- внутренний электрод газоразрядного элемента выполнен в виде сетчатого цилиндра с сечением ячеек, исключающим электрический разряд внутри диэлектрика.
Кроме того, при рабочем напряжении высоковольтного источника 5-12 KB, размеры ячейки внутреннего электрода газоразрядного элемента равны или менее 0,5∗0,5 мм.
Для исключения попадания электрического заряда на корпус кассеты верхняя и нижняя диэлектирические трубки выполнены без электродов.
При закрытых герметиком торцах диэлектрика газоразрядного элемента исключается электрический разряд внутри него и позволяется промывка газоразрядного элемента водой с последующей сушкой в самом плазмохимическом реакторе, а наличие вставленного в него предохранителя, выполненного в виде проволочки, позволяет зафиксировать пробой, в случае неисправности материала диэлектрика, т.к. предохранитель при пробое сгорает, что позволяет легко определить неисправный газоразрядный элемент и осуществить его замену.
Выполнение внутреннего электрода в виде проволочного сетчатого цилиндра, обладающего хорошей упругостью позволяет обеспечить надежный контакт его с внутренней поверхностью диэлектрика и обеспечить оптимальное растекание электрического разряда на внешней поверхности диэлектрика. На этот параметр влияет также размер ячеек сетки внутреннего электрода.
На основании исследований было установлено, что при рабочем напряжении высоковольтного трансформатора 5-12 KB, которое наиболее часто используется, оптимальный размер ячейки сетки составляет не более 0,5∗0,5 мм. В этом случае достигается растекание электрического заряда на внешней поверхности диэлектрика равным примерно 5 мм, поэтому оптимальный шаг спиральной намотки наружного электрода выбирают равным удвоенному значению, т.е. 10 мм.
Для лучшего понимания сущности полезной модели, она иллюстрируется следующими рисунками: на фиг.1 показан общий вид установки «СТОПКР»; на фиг.2 представлена конструкция кассеты с газоразрядными элементами; на фиг.3 приведен газоразрядный элемент.
Из фиг.1 видно, что установка состоит из блока 1 предварительной очистки - пылевой фильтр, блока 2 - плазмохимического реактора, блока 3 - каталитический реактор и блока 4, в котором размещены источники питания и система управления работой установки. На этой фигуре для лучшего понимания конструкции плазмохимического реактора выполнен вырыв и видны кассеты 5.
На фиг.2. показана конструкция кассеты 5 с газоразрядными элементами, которые расположены в один ряд, при большем количестве рядов они располагаются в шахматном порядке. Корпус 5 кассеты выполнен из металлического профиля П-образного вида, газоразрядный (плазмообразующий) элемент 6, диэлетрическая трубка 7 (без электродов), герметик 8, выполняющий роль пробки, высоковольтные кабели 9 и 10, муфты их ввода 11, шины высовольтных вводов 12 и 13, защитный предохранитель 14, соединенный с одной из высоковольтных шин, между газоразрядными элементами установлены диэлектрические вставки 15, ручка корпуса кассеты 16.
На фиг.3 показана конструкция газоразрядного элемента 6, который содержит диэлектрическую трубку 7, внутренний электрод 17 выполненный в виде цилиндрической сетки с размерами ячеек не более 0,5∗0,5 и диаметром, равным внутреннему диаметру диэлектрической трубки 7, внешний электрод 18, выполненный из токопроводящей ленты, имеющий V-образное поперечное сечение с зубчатыми краями, намотанной по спирали и прижатой к ней токопроводящей шиной.
Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух, содержащий органические и неорганические компоненты под действием вентилятора сначала проходит обеспыливание в пылевом фильтре, затем поступает в плазмохимический реактор, где контактирует с поверхностью газоразрядных элементов. На диэлектрической поверхности газоразрядного элемента происходят высоковольтные разряды, продукты которых взаимодействуют с вредными газообразными веществами. Газообразные загрязнители, проходя зону высоковольтного разряда и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в менее вредные и безвредные соединения. Конструктивное выполнение газоразрядного разрядного элемента позволяет обеспечить растекание заряда по внешней поверхности диэлектрической трубки, а оптимальный выбор шага намотки ленты обеспечивает эффективную очистку газа по всему объему кассеты. Степень очистки зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции. После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе.
Преимущества предлагаемого устройства заключаются в том, что повышена конструктивная надежность газоразрядного элемента, облегчение обслуживания установки, т.к. позволяет визуально выявить неработоспособные газоразрядные элементы, а также осуществить их промывку не вынимая из кассет. Обеспечение растекания заряда по поверхности диэлектрика позволяет повысить эффективность очистки газа. В настоящее время установка «СТОПКР», оснащенная новыми газоразрядными элементами проходит опытно-промышленные испытания, после которых будет осуществляться замена старых газоразрядных элементов.