УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИСПЕРСНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к оборудованию, используемому в области неорганической химии и может быть использована для очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей и его стерилизации от патогенной микрофлоры.
Известно устройство для очистки воздуха от дисперсных примесей, содержащее заземленный цилиндр вдоль оси которого натянута коронирующая проволока. Улавливание дисперсных примесей осуществляют путем униполярной зарядки аэрозольных частиц газовыми ионами в зоне коронного разряда и последующего их осаждения под действием внешнего электрического поля в цилиндрическом конденсаторе (В. Страус, Промышленная очистка газов, Москва, Химия, 1981, глава Х, стр.616.).
Недостатком устройства является неэффективная очистка воздуха от молекулярных и субмикронных (размер <1 мкм) дисперсных примесей.
Известно так же устройство для очистки воздуха от запахов и других следовых примесей (окислы азота, фенол, толуол, озон и т.п.), включающее сорбционные фильтры с гранулированным активированным углем (В. Страус, Промышленная очистка газов, Москва, Химия, 1981, глава Ш, с.616).
Недостатком устройства является неэффективная очистка воздуха от дисперсных примесей, забивка пор гранулированного угольного адсорбента фильтратом дисперсных частиц и сложный процесс его реактивации при температуре до 500°C.
Известно устройство для очистки газовых выбросов от органических соединений, содержащее ионизатор газа с цилиндрическим конденсатором и коронирующим электродом для окисления молекулярных примесей в зоне коронного разряда (Патент РФ, №2174042, кл. B01D 53/32, опубл. 2001.09.27).
Недостатком устройства является неэффективная очистка воздуха от дисперсных примесей.
Известно также устройство для уменьшения вредных примесей компонентов и загрязняющих примесей в выхлопных двигателях, включающий источник ультрафиолетового излучения с длиной волны 185 нм для образование озона, канал для его введения в поток рабочего газа и каталитический преобразователь для разложения загрязняющих примесей (Патент РФ №2168053, кл. F02M 27/06, опублик. 2001).
Недостатком устройства является неэффективная очистка газов от дисперсных примесей.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является Устройство для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающее механический фильтр грубой очистки, установленный на входе воздушного потока, заземленный цилиндр, вдоль оси которого натянут коронирующий проволочный электрод, электростатический фильтр, размещенный в центральной части и состоящий из высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру и к коронирующему проволочному электроду, и сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей, установленный на выходе воздушного потока (Патент РФ, №2352382, кл. B01B 53/32, опублик. 2009).
Недостатком описанного устройства является неэффективная очистка воздуха при повышенной температуре (>100°C), поскольку в электростатическом фильтре пористый диэлектрический материал из органических волокон
полипропилена, натуральной шерсти, полиэстера, полиэтилентерефталата и/или целлюлозы разрушается при температуре более 100°C, а также его недостаточная надежность при очистки существенно загрязненного воздуха, так как по мере быстрого накопления фильтрата твердых и жидких частиц может возникать искровой пробой и термическое разрушение органических волокон. Кроме того, использование сорбционного фильтра с активированным углем не позволяет эффективно улавливать оксид углерода (СО), содержание которого в городском воздухе больше, чем любого другого загрязнителя (оксиды азота и серы, сажа. хлор, аммиак).
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей и в повышении надежности непрерывной работы устройства путем одновременного расширения диапазона температур очищаемого воздуха до 400-450°C и осуществления эффективной непрерывной терморегенерации сорбционного фильтра от уловленных примесей при повышенных температурах.
3
4
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающем механический фильтр грубой очистки, установленный на входе воздушного потока, заземленный цилиндр, вдоль оси которого натянут коронирующий проволочный электрод, электростатический фильтр, размещенный в центральной части и состоящий из высоковольтной и заземленной сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал, источник высокого напряжения, подключенный к электростатическому фильтру и к коронирующему проволочному электроду, и сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей, установленный на выходе воздушного потока, согласно полезной модели в качестве диэлектрического волокнистого материала электростатического фильтра использованы силикатных стеклянные, кварцевые или керамические волокона, а сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей выполнен из каталитических гранул гопталюма, следующего массового состава %: MnO (7-20); CuO (3-10); NiO (30-50) и талюм (30-40).
2
3
2
И тем, что керамические волокна электростатического фильтра содержат оксид алюминия AlO 40-80% масс. и оксид кремния SiO 20-60% масс.
2
Использование электростатического фильтра с волокнистым диэлектрическим материалом, изготовленным из силикатных стеклянных. кварцевых или керамических волокон, поляризованных внешним электрическим полем, позволяет осуществлять высокоэффективное осаждение аэрозольных частиц, предварительно заряженных положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда при существенно более высоких температурах (T=400-450°C) по сравнению с прототипом (T<100°C). Волокна из силикатного стекла длительно выдерживают температуру воздушного потока более 500°C, из кварца - до 1000°C, а из керамики в зависимости от ее состава - от 850 до 2000°C. В прототипе используются материал из волокон полипропилена, полиэстера, натуральной шерсти, полиэтилентерефталата или целлюлозы, которые термически разрушаются при температуре воздуха более 100°C. Захват аэрозольных частиц происходит на поверхности и по объему минерального волокнистого фильтра за счет кулон-дипольного взаимодействия униполярно заряженных частиц и минеральных волокон, поляризованных внешним электрическим полем. Пылемаслоемкость минерального волокнистого материала составляет от 0,1 до 0,5 г/см, размер волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет менее 10%.
2
3
2
В случае использования керамических волокон оптимальным вариантом по диэлектрической проницаемости, температурной стойкости (>850°C), газодинамическому сопротивлению и пылеемкости является использование волокон из оксидной керамики следующего состава, % масс: оксид алюминия AlO 40-80 и оксид кремния SiO 20-60.
3
При фильтрации атмосферного воздуха с большой массовой нагрузкой дисперсных примесей (>50-100 мг/м) вследствие быстрого накопления фильтрата на волокнах возможно возникновение локальных искровых пробоев электростатического фильтра. Используемый минеральный волокнистый материал на основе силикатного стекла, кварца или керамики более устойчив к локальным электрическим пробоям по сравнению с материалом из полипропилена, шерсти и т.п.для которого периодические искровые пробои приводят к существенному термическому разрушению его волокнистой структуры. В результате повышается надежность эксплуатации заявленного устройства по сравнению с прототипом.
Высокоэффективная очистка воздуха путем униполярной зарядки частиц и их последующего осаждения на минеральных волокнах электростатического фильтра, поляризованных внешним электрическим полем, существенно снижает массовую нагрузку и скорость забивки сорбционного фильтра из гранул гопталюма. Это обуславливает непрерывность процесса очистки воздуха и повышает эффективности улавливания дисперсных и молекулярных примесей.
2
Сорбционный фильтр молекулярных примесей из каталитических гранул гопталюма выполнен в виде цилиндрической кольцеобразной кассеты с пористым носителем катализатора, содержащего оксиды марганца, меди и никеля. Соотношение компонент гопталюма % масс: закись-окись марганца 7-20; оксид никеля 30-50; оксид меди 3-10; талюм 30-40 (моно и диалюминат кальция согласно ТУ 113-00-00203815-77-93). Удельная площадь поверхности пор составляет не менее 80 м/г. Выдерживает в окислительной воздушной атмосфере температуру до 550°C. При 600°C - начинает спекаться, а при 900°C превращается в твердое стекло. Высокоэффективная регенерация гопталюма от уловленных примесей осуществляется при 300-400°C.
В зоне коронного разряда имеет место не только униполярная зарядка дисперсных микрозагрязнений, но и предварительная очистка воздуха от молекулярных примесей за счет их озонирования. Заключительная очистка воздуха от молекулярных примесей осуществляется на развитой поверхности пор катализатора. Процессы улавливания и разложения различных молекулярных примесей на поверхности пор гранулированного гопталюма происходят с поглощением озона. Высокая температура в присутствии озона обуславливает разложение молекулярных примесей и непрерывную реактивацию катализатора, что необходимо для обеспечения надежности работы и непрерывности процесса очистки воздуха, а также для повышения эффективности улавливания дисперсных и молекулярных примесей по сравнению с прототипом.
Использование гопталюма в сорбционном фильтре позволяет увеличить эффективность улавливания озона, образующегося в коронном разряде, по сравнению с эффективностью его улавливания в порах активированного угля в известных устройствах. В результате, за счет его эффективной сорбции в порах гопталюма содержание озона в очищенном воздухе не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК)
2
2
2
В городском воздухе оксид углерода содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель (оксиды азота и серы, сажа, хлор, аммиак и т.п.). Самым крупным источником СО в атмосфере городов (свыше 90%) является автотранспорт. Другой источник угарного газа - табачный дым. В среднем 0,5 объемных % СО содержит табачный дым и 3% выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Термокаталитическое окисление наиболее распространенный и безопасный способ очистки воздуха от СО. Дорогие катализаторы платиновой группы используются при повышенной температуре Т=300-350°C. Существенно более дешевый гопталюм проявляет значительную активность при более низкой температуре Т>50°C. Его действие сводится к каталитическому ускорению реакции окисления СО до СО кислородом воздуха согласно экзотермической реакции 2СО+О=2СО+564 кДж.
Установка сорбционного фильтра на выходе воздушного потока с пористыми носителем марганцемедноникелевого катализатора обеспечивает эффективное удаление газообразных примесей ядовитого оксида углерода за счет термокаталитического окисления молекул СО кислородом воздуха до диоксида углерода. Кроме того, при повышенной температуре имеет место непрерывная терморегенерация катализатора от адсорбированных молекул воды, которые существенно влияют на его каталитическую активность.
Полезная модель поясняется чертежом, где на Фиг. 1. приведена схема устройства для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей. Описанная ниже схема устройства содержит вход воздушного потока 1, механический фильтр грубой очистки 2, цилиндрический конденсатор, состоящий из заземленного цилиндра 3 вдоль оси которого натянут проволочный электрод 4, электростатический фильтр 5, состоящий из высоковольтной 6 и заземленной 7 сеток, между которыми расположен диэлектрический волокнистый материал 8, сорбционный гранулированный фильтр молекулярных примесей из каталитических гранул гопталюма 9, микроамперметр 10, цилиндрический заземленный корпус 11, выход воздушного потока 12, источник высокого напряжения 13, подключенный к электростатическому фильтру 5 и к коронирующему проволочному электроду 4.
На схеме приняты также следующие обозначения: I - микроамперметр 10 для измерения проводимости воздуха в зоне коронного разряда, D - диаметр заземленного цилиндра 3, d - диаметр коронирующего проволочного электрода 4, U≤10 кВ - положительное напряжение коронного разряда.
Диэлектрический волокнистый материал 8 изготовлен из силикатных стеклянных, кварцевых или керамических волокон. Сорбционный фильтр 9 выполнен в виде кольцеобразного цилиндрического слоя гранул гопталюма.
Логарифм отношения диаметров заземленного цилиндра 3 и коронирующего проволочного электрода 4 составляет ln (D/d)=6-7, где ln - натуральный логарифм.
Диаметр коронирующего проволочного электрод 4 варьируется от 100 до 250 мкм.
Электростатический фильтр 5, выполнен цилиндрическим из слоя диэлектрического материала непроводящих минеральных волокон 8 диаметром от 10 до 200 микрон, установленного между цилиндрическими сетками 6 и 7. Фильтр 5 поляризован внешним электрическим полем за счет создания разности потенциалов U между цилиндрическими сетками 6 и 7 с помощью источника 13. Вектор напряженности внешнего электрического поля коллинеарен вектору скорости воздушного потока через электростатический фильтр 5.
2
2
3
2
2
3
Соотношение компонент гранул гопталюма составляет % масс.: закись-окись марганца 7-20; оксид никеля 30-50; оксид меди 3-10; талюм 30-40 (моно и диалюминат кальция). Удельная площадь поверхности пор составляет не менее 80 м/г. Талюм изготовлен согласно ТУ 113-00-00203815-77-93 и содержит следующие основные компонеты, % масс.: оксид кальция СаО 20; оксид алюминия AlO 70; оксид кремния SiO 2; оксид железа FeO 1 и другие незначительные добавки.
Катализатор выдерживает длительное воздействие окислительной воздушной атмосферы при температуры до 550°C. При 600°C гранулы начинают спекаться, а при 900°C - превращаются в твердое стекло. Высокоэффективная регенерация гопталюма от уловленных молекулярных примесей и паров воды осуществляется при температуре от 300 до 400°C.
Устройство работает следующим образом.
-10
-1
2
Поток фильтруемого воздуха пропускают последовательно через механический фильтр грубой очистки 2 и заземленный цилиндр 3 вдоль его центрального коронирующего проволочного электрода 4, в котором частицы униполярно заряжают положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки Ct>2×10 (Ом.м.)×с. Величину электрической проводимости воздуха C, практически постоянную во внешней области коронного разряда цилиндрического конденсатора (D>>d), рассчитывают по формуле C=I×ln(D/d)/2πLU, где I - ток коронного разряда, измеряемый с помощью микроамперметра 10, L - длина заземленного цилиндра 3. Время униполярной зарядки дисперсных частиц определяют по формуле t=L/V, где V=Q/S - линейная скорость течения воздуха с объемным расходом Q через цилиндр 3 с площадью поперечного сечения S=πD/4.
Положительные ионы создают в зоне коронного разряда при подачи высокого напряжения U от высоковольтного источника напряжения 13 на коронирующий проволочный электрод 4.
Униполярно заряженные частицы улавливаются на поверхности и в объеме электростатического фильтра 5, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока Напряженность поляризующего электростатический фильтр 5 внешнего электрического поля определяют по формуле плоского конденсатора.
-5
-4
3
В зоне цилиндрического конденсатора с заземленным цилиндром 3 и центральным коронирующим проволочным электродом 4 воздушный поток насыщают озоном, который образуется при коронировании проволочного электрода 4 и является сильным окислителем. Кинетика процесса разложения молекулярных примесей существенно зависит от концентрации озона. Его содержание в воздушном потоке составляет от 10 до 10 % по объему и около 10-100 мг/м в зависимости от расхода воздуха и величины напряжения коронирующего проволочного электрода 4. В результате имеет место непрерывная стерилизация электростатического фильтра 5 от уловленных патогенных микропримесей (микроорганизмы, бактерии и вирусы) и непрерывная очистка волокон от фильтрата органических дисперсных частиц в процессе их озонирования.
На выходе из устройства воздушный поток пропускают через сорбционный фильтр из гранул гопталюма 9 марки ГТТ-Т для высокоэффективного улавливания молекулярных примесей и адсорбции озона, а также для реактивации гопталюма от фильтрата примесей за счет их озонирования и термодесорбции молекул воды. Очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной микрофлоры существенно уменьшает массовую нагрузку дисперсной фазы на катализатор сорбционного фильтра 9, что поддерживает непрерывность процесса очистки.
3
В результате при температуре до 400-450°C эффективность очистки воздуха составляет 99-99,99% для дисперсных частиц размером более 0,01 мкм при малом сопротивлении (<450 Па), эффективность удаления молекулярных примесей превышает 90-95%, имеет место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной микрофлоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) озоном, его содержание на выходе ниже ПДК (<0,1 мг/м), а также обеспечивается надежность непрерывности процесса очистки воздушного потока за счет непрерывного удаления фильтрата примесей с поверхности фильтров и реактивации гопкалита от фильтрата дисперсных и молекулярных примесей, а также от адсорбированных молекул воды. Конкретное значение эффективности и сопротивления устройства зависит от типа минерального волокнистого материала, объемного расхода и температуры воздуха.
Устройство эффективно работает при температуре воздушного потока до 400-450°C. При T>500°C существенно возрастает скорость коррозии коронирующего проволочного электрода 4, что не позволяет обеспечить надежную эксплуатацию заявленного устройства при столь высокой температуре. По прототипу максимальная допустимая температура воздушного потока не превышает 100°C.
Пример работы устройства при температуре воздушного потока 350°C.
2
Механический фильтр грубой очистки 1 изготовлен из пористого никеля. Его газодинамическое сопротивление составляло менее 1 Па при скорости течения воздуха 10 см/с через 1 см.
Диаметр центрального коронирующего проволочного электрода 4 из вольфрама составлял 200 микрон. Положительное напряжение коронного разряда варьировали от 7 до 9 кВ.
2
2
3
2
2
Цилиндрический электростатический фильтр 5, толщиной 11-12 мм, был выполнен из кварцевых (SiO 99% масс.) или керамических (% масс. AlO 40 и SiO 60) волокон диаметром 15-100 мкм. Его начальное газодинамическое сопротивление составляло около 35-40 Па при скорости течения воздуха 1 см/с через 1 см.
3
4
2
Сорбционный фильтр 9 в виде цилиндрического кольца шириной 14-15 мм состоял из гранул гопталюма с катализатором следующего массового состава %: MnO (7-20); CuO (3-10); NiO (30-50) и талюм (30-40) с удельной площадь поверхности пор около 85 м/г.
3
3
3
Объемный расход фильтруемого воздуха составлял 24-25 м/час при нормальных условиях. Испытания проводились на модельных аэрозольных частицах иодида калия (KI) диаметром 0,1-0,2 мкм с массовой концентрацией около 0,1 г/м. Частицы выбранного диапазона размеров являются наиболее проникающими через волокнистый электростатический фильтр 5. Наряду с улавливанием дисперсной фазы воздух очищался от газообразных примесей оксида углерода с концентрацией около 15-20 мг/м.
-10
-1
Параметр униполярной зарядки дисперсных частиц Ct=3×10 (Ом.м.)×с. Напряженность внешнего электрического поля, поляризующего волокна электростатического фильтра 5, составляла E=6-6,5 кВ/см.
3
В результате было установлено, что при температуре 350°C и скорости течения воздуха 10 см/с через электростатический фильтр 5 эффективность очистки воздуха составляла около 99,9% от наиболее проникающих дисперсных частиц KI размером 0,1-0,2 мкм при сопротивлении 450 Па, а эффективность удаления газообразного оксида углерода из воздушного потока превышала 95%. Кроме того, в процессе озонирования имела место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы). Содержание озона и оксида углерода на выходе было ниже ПДК (<0,1 и <1 мг/м, соответственно).
Процесс очистки забивки фильтра из гранул гопталюма 9 контролировался по величине его газодинамического сопротивления и путем периодического измерения эффективности очистки воздуха от газообразных примесей оксида углерода. В результате сопротивления увеличилось менее чем, на (7-8)%, а эффективность очистки от CO практически не уменьшалась в течение трех месяцев периодической по 8 часов в сутки работы устройства. В случае отключения высокого напряжения от источника положительного напряжения 11 для прекращения процесса электризации дисперсных частиц и образования озона, наблюдалась существенное возрастание сопротивления (почти на 150%) и значительное уменьшение эффективности улавливания примесей CO (в 5 раз) после эксплуатации устройства в течение трех месяцев по 8 часов в сутки.
Известные устройства при температуре 350°C не обеспечивают очистку воздуха, вследствие термического разрушения органических волокон полипропилена, шерсти, полиэстера и т.п. при существенно более низких температурах.
Таким образом, в разработанном устройстве имеет место высокоэффективная фильтрация дисперсных частиц и стерилизация воздуха от патогенных микроорганизмов и бактерий при существенно более высоких температурах по сравнению с известными устройствами, а также последовательное предварительное удаление молекулярных примесей в зоне коронного разряда, далее их очистка в порах активированного гопталюма с непрерывной его реактивацией от органических дисперсных частиц и молекул воды. Содержание озона, примесей окислов азота и оксида углерода в очищенном воздухе не превышает ПДК.
Достигнутые в устройстве для высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей фильтрационные параметры существенно превышают аналогичные характеристики аналогов и прототипа. Газодинамическое сопротивление устройства существенно меньше сопротивления волокнистых НЕРА фильтров. Это позволяет использовать данное устройство для высокоэффективной очистки и обеззараживания воздуха в системах локальной и общеобменной вентиляции, а также для очистки высокотемпературных газов и горячего воздуха с температурой до 400-450°C.