Способ и устройство для очистки воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ, УФ-лампа и блок сорбционно-каталитической засыпки для их осуществления
METHOD AND DEVICE FOR CLEANING AIR OF HARMFUL AND ODOROUS SUBSTANCES, UV-LAMP AND UNIT OF SORPTION-CATALYTIC BACKFILL FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к области каталитической и фотокаталитической очистки газов, преимущественно воздуха, от вредных и/или дурнопахнущих веществ (ДПВ) и может использоваться для очистки вентиляционных выбросов в коммунальном хозяйстве, на предприятиях химической и пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, а также в других сферах промышленности.
В связи с тем, что промышленные объекты, в результате деятельности которых образуются вредные и дурнопахнущие вещества (ДПВ), часто расположены вблизи населенных пунктов, создаваемые ими выбросы значительно ухудшают комфортность среды обитания человека и негативно влияют на его здоровье. С целью обеспечения надлежащего качества атмосферного воздуха на предприятиях используют специальные технологии, процессы или устройства для очистки газа от вредных и дурнопахнущих веществ, таких как сероводород, аммиак, формальдегид, фенол, органические кислоты, смеси природных меркаптанов и другие летучие органические соединения (ЛОС). В частности, в вентиляционных выбросах очистных сооружений и объектов канализации основными загрязняющими веществами являются сероводород, аммиак, смесь природных меркаптанов и другие летучие органические соединения.
Одним из наиболее эффективных и экологически чистых способов удаления дурнопахнущих и вредных веществ является фотосорбционно-каталитический способ, который включает в себя фотоокисление ультрафиолетовым (УФ) излучением, каталитическое окисление и адсорбцию. При фотоокислении очищаемый газ облучается ультрафиолетовым излучением с длиной волны 100-280 нм, под действием которого в газе происходит фотолитическое разложение загрязняющих веществ, а также наработка активных химических частиц (ОН-радикалов, свободных радикалов кислорода, озона и других), которые реагируют с загрязняющими веществами непосредственно в газовой фазе. Далее частично очищенный газ подается на каталитически-сорбционную ступень, где происходит каталитическое доокисление загрязняющих веществ и перевод их в твердую фазу. Нелетучие продукты реакции адсорбируются в объеме сорбционно-каталитической засыпки. Указанный способ позволяет обеспечить высокую степень очистки для широкого спектра ДПВ (сероводород, меркаптаны, аммиак, летучие органические соединения и др.).
Типовое устройство для осуществления фотосорбционно-каталитического способа, как правило, содержит блок механической очистки воздуха, фотореактор, внутри которого установлены озонообразующие УФ лампы, блок с сорбционно-каталитической засыпкой и вентиляционный блок. Озонообразующие УФ лампы генерируют излучение в области УФ-С (длины волн 100-280 нм) с обязательным наличием вакуумного ультрафиолетового излучения (длины волн 100-200 нм) с целью образования озона и активных радикалов. В качестве источников излучения используются газоразрядные ртутные лампы низкого давления с длинами волн 184,9 нм и 253,7 нм.
Предшествующий уровень техники
Известен реактор для фотоокисления, предназначенный для удаления загрязняющих воздух веществ с помощью актинического излучения, например УФ, в котором с помощью УФ излучения происходит окисление содержащихся в воздухе загрязнений. Для увеличения эффективности работы УФ излучения используется отражающее покрытие, расположенное на внутренних стенках реактора, выполненное, например, из политетрафторэтилена. Внутри реактора также могут использоваться практически прозрачные перегородки с нанесенным на них слоем фотокатализатора. Подобное устройство позволяет удалять сероводород из воздуха с концентрацией между 60 и 70 ppm при времени пребывания около 2 секунд.
К недостаткам аналога можно отнести отсутствие каталитической ступени, что не позволяет удалить образуемый в процессе фотоокисления озон и предотвратить его выброс в атмосферу. Кроме того, использование отражающего покрытия увеличивает стоимость устройства и требует регулярной очистки поверхности от продуктов реакции, а отсутствие фильтрации воздуха перед УФ лампами приводит к их ускоренному загрязнению, что снижает эффективность очистки и сокращает ресурс работы устройства (Патент США №9415131, B01J 19/12, 2015 г.).
Известно устройство ColdOx фирмы Centriar предназначенное для осуществления способа очистки воздуха фотосорбционно-каталитическим методом от дурнопахнущих веществ, образующихся в пищевой промышленности, при обработке сточной воды, твердого мусора и биогаза. Устройство используется для удаления сероводорода, летучих органических соединений (углеводороды, альдегиды, спирты, кетоны), аммиака, органического азота и меркаптанов («ColdOx»™ Energy efficient removal of VOC and odour», рекламные материалы фирмы CENTRIAIR (Швеция), www.centriair.com., 2018 г.).
3
3
Устройство состоит из УФ реактора, в котором установлены озоногенерирующие УФ лампы, каталитического модуля и блока рекуперации с механической фильтрацией. В качестве катализатора используется активированный уголь. Замена угля производится каждые 3-4 месяца, при этом объем засыпки составляет 5,56 м активного угля на 10000 м/ч.
3
3
УФ реактор представляет собой камеру, внутри которой установлены 3 рамы по 10 ртутных озоногенерирующих УФ ламп с излучением в диапазонах длин волн 100-200 нм и 200-280 нм. Мощность потока излучения каждой лампы на длине волны 184,9 нм составляет 7 Вт, электрическая мощность 160 Вт. Лампы изготовлены из минерального кварца и установлены в кварцевых чехлах, выполненных также из минерального кварца. На расход воздуха 10000 м/ч используется 3 модуля по 10 ламп. Удельная мощность УФ излучения на длине волны 184,9 нм составляет 21 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха. Лампы размещены параллельными рядами и ориентированы перпендикулярно потоку подаваемого в камеру воздуха. Количество УФ ламп в реакторе определяется исходя из производительности устройства. Устройство имеет систему промывки ламп капельного типа, подключаемую к магистральному водопроводу, которая позволяет удалять загрязнения с поверхности чехлов ламп.
Способ, реализуемый при использовании устройства, заключается в совместной обработке воздуха озоном и УФ-С излучением, при котором, в процессе фотолитического озонирования, нарабатываются кислородные радикалы, являющиеся сильнодействующим окислителем, который вступает в реакцию с молекулами токсичных примесей, разлагая их на экологически безопасные вещества, что позволяет удалить низкие концентрации загрязнений (70-90% для удаления меркаптанов, 40-60% удаления для летучих органических соединений). После обработки УФ-излучением, очищаемый воздух пропускают через камеру с катализатором, в качестве которого используют импрегнированный активированный уголь, на поверхности которого под действием ультрафиолетового излучения происходит доокисление и распад продуктов реакции окисления и нейтрализация озона. Активный уголь удаляет до 99,6% по запаху и до 98% по ДОС.
3
Известное устройство позволяет снизить запах более чем на 90% с минимальным энергопотреблением при концентрациях сероводорода в загрязненном воздухе около 5 ppm (7 мг/м). При больших концентрациях на входе рекомендуется использовать дополнительный каталитический фильтр с засыпкой на основе гидроксида железа (III).
К основным недостаткам аналога относится:
- раздельное расположение УФ реактора и камеры с катализатором, что требует дополнительных затрат на утепление при эксплуатации вне помещений;
- применение ртутных УФ ламп с малой мощностью УФ излучения и большим спадом УФ излучения в процессе работы, что требует увеличения их количества для обеспечения необходимой для реакции фотоокисления концентрации активных радикалов и озона;
- необходимость подключения системы промывки ламп к магистральному водопроводу, что затрудняет эксплуатацию устройства вне помещения в зимний период времени.
- небольшой рабочий ресурс катализатора, требующий периодической замены активированного угля, а также трудоемкость его выгрузки и засыпки;
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату решению является устройство NOX фирмы "Neutralox Umwelttechnik GmbH", предназначенная для очистки и удаления из воздуха ДПВ (сероводорода, аммиака, метана) фотосорбционно-каталитическим способом, выбранная в качестве прототипа заявленного изобретения, (https://www.neutralox.com/en/procedure/photoionisation, 2019 г.; Самаркин B.C. «Пожарная безопасность в технологии очистных сооружений ООО «Оренбург Водоканал» при использовании фотоионизирующей установки удаления запахов фирмы NEUTRALOX Umwelttechnik Gmbh»; Сборник материалов XXVII международной научно-практической конференции «Предупреждение. Спасение. Помощь», 2017 г., с. 95-99.).
Устройство состоит из блока удаления запаха, снабженного воздуховодами для соединения с вентиляционной системой и вытяжной трубой. Корпус блока удаления запаха изготовлен из нержавеющей стали. На корпусе имеются входной и выходной патрубки, которые, в зависимости от исполнения, могут быть на верхней или на боковых гранях корпуса, а также панель управления, герметично отделенная от корпуса. На входном патрубке установлен сетчатый фильтр. Внутренне пространство блока удаления запаха разделено перегородками на секции, в которых расположены воздушные фильтры карманного типа для механической очистки воздуха от мелкодисперсных примесей, камера УФ облучения, камера катализатора, камеры сбора катализатора (конденсации), камера конденсата.
В камере УФ облучения установлены газоразрядные ртутные УФ лампы с длиной волны излучения 100-200 нм и 200-280 нм; Мощность излучения каждой лампы на длине волны 184,9 нм составляет 1,6 Вт, электрическая мощность 40 Вт. Лампы установлены в кассетах и расположены вертикально, поперек потока воздуха, в шахматном порядке, с расстоянием 10 см между ними. В каждой кассете установлено по 24 лампы длиной 500 или 1000 мм. Каждая лампа имеет чехол для поддержания оптимальной температуры работы ртутной лампы и расширения температурного диапазона очищаемого воздуха.
3
3
На расход воздуха 4000 м/ч используют 9 модулей по 24 лампы в каждом. Удельная мощность потока УФ излучения на длине волны 184,9 нм составляет 86 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха.
Устройство оснащено приборами для анализа и контроля: датчиком для непрерывного контроля взрывоопасных газов и паров; датчиком расхода конденсата; дифференциальными реле давления для оценки уровня загрязнения фильтра; системой контроля наличия взрывоопасной концентрации метана в вентиляционных выбросах; анализаторами контроля содержания метана с системой автоматического отключения устройства без выключения вентилятора.
Способ очистки воздуха от ДПВ, реализуемы при помощи указанного устройства, заключается в том, что подаваемая на вход устройства по входной трубе газовоздушная смесь проходит предварительную механическую очистку от мелкодисперсных примесей в карманном фильтре для предотвращения загрязнения твердыми частицами УФ ламп и катализатора. Фильтр тонкой очистки оборудован дифференциальными реле давления для оценки уровня его загрязнения. Далее содержащая загрязняющие вещества газовоздушная смесь подвергается воздействию излучения УФ ламп с длинами волн 184,9 и 253,7 нм, одновременно нарабатывающих озон, соединения кислорода и активные радикалы, которые окисляют вредные соединения, разлагая их. Затем продукты реакции окисления, включая озон, поступают в камеру с катализатором, где происходит их доокисление, распад продуктов и нейтрализация озона. В качестве катализатора используется импрегнированный активированный уголь. Внизу устройства расположены камеры сбора катализатора (конденсации) и камера конденсата. Очищенный воздух удаляют через выхлопную трубу.
К недостаткам прототипа изобретения можно отнести:
- ограничение ДПВ, подлежащих удалению и узкий диапазон концентраций загрязняющих веществ;
- применение ртутных УФ ламп с малой мощностью УФ излучения и большим спадом УФ излучения в процессе работы. Малая мощность УФ ламп требует увеличения их количества для обеспечения необходимой для реакции фотоокисления концентрации активных радикалов и озона;
- сложная система прохождения воздуха в блоке удаления запахов, имеющая множество поворотов воздушного потока внутри корпуса и приводящая к существенным потерям напора;
- неравномерность прохождения потока, способствующая образованию застойных зон;
- недостаточные габариты реактора и протяженность рабочей ламповой зоны, что приводит к неэффективности использования свободных радикалов, имеющим малое время жизни и, возникая в ограниченном пространстве непосредственно около лампы, реагируют между собой, в связи с чем их концентрация существенно уменьшается;
- близкое расположение рядов ламп не позволяет в полной мере использовать окислительные способности озона, обладающего большим временем жизни и небольшой скоростью реакции с ДПВ;
- отсутствие системы промывки УФ ламп или сложность организации процесса промывки;
- быстрое загрязнение угольного катализатора, которое может приводить к «проскоку» необработанного воздуха;
- отсутствие возможности промывки угольного катализатора с целью восстановления его сорбционных свойств и необходимость в периодической замене угля, являющейся трудоемкой и дорогостоящей операцией;
- затрудненная эксплуатация устройства при температурах окружающего воздуха ниже 10°С из-за снижения температуры холодной точки УФ ламп даже при использовании кварцевых чехлов;
- сложность и неудобство технического обслуживания УФ ламп, промывки и замены каталитической засыпки;
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке высокопроизводительного фотосорбционно-каталитического способа очистки воздуха, позволяющего осуществлять эффективную очистку воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ с наименьшими затратами энергии и материалов.
Технический результат от реализации предложенного способа состоит в повышении эффективности и производительности очистки воздуха, а также в увеличении типов подлежащих удалению загрязняющих веществ и расширении диапазона их концентраций.
3
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе очистки воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ, включающем в себя предварительную механическую очистку воздуха от мелкодисперсных частиц, воздействие на очищаемый воздуха УФ излучением в диапазоне длин волн 100-200 нм и 200-280 нм, последующее окисление на слое сорбционно-каталитической засыпки и удаление очищенного воздуха, согласно изобретению перед механической очисткой производят очистку воздуха от водяного аэрозоля, мощность удельного потока УФ излучения в диапазоне длин волн 100-200 составляет не менее 100 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха при времени воздействия на очищаемый воздух от 0,5 до 10 секунд и при времени
пребывания очищаемого воздуха на слое сорбционно-каталитической засыпки от 0,25 до 10 сек.
Введение операции по дополнительному удалению водяного аэрозоля совместно с крупнодисперсионными частицами, производимое при помощи механических фильтров, предотвращает загрязнение ламп и повышение влажности сорбционно-каталитической засыпки, ухудшающей ее свойства.
3
3
3
2
2
Для увеличения эффективности очистки воздуха удельная мощность потока УФ излучения на длине волны 184,9 нм должна составлять не менее 100 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха, при времени воздействия от 0,5 до 10 секунд. При использовании УФ излучения в диапазоне длин волн 100-200 нм с мощностью потока более 100 Вт/м на 1000 м/ч очищаемого воздуха концентрация активных частиц (особенно ОН-радикалов, НО-радикалов и озона) в очищаемом воздухе возрастает. Повышение концентрации активных частиц приводит к тому, что химические реакции окисления начинают идти по каналам имеющим цепной характер. Например, для сероводорода основным становится канал окисления с участием ОН-радикала и НО-радикала. При окислении молекулы сероводорода по данному каналу в качестве продукта реакции образуется еще два ОН-радикала, которые также участвуют в дальнейшем окислении примесей. Цепной характер реакции окисления позволяет значительно увеличить эффективность удаления вредных и дурнопахнущих веществ. Дальнейшее увеличение мощности потока УФ излучения в диапазоне длин волн 100-200 нм позволяет увеличить эффективность очистки воздуха, однако при этом возрастает доля каналов реакции активных частиц с продуктами окисления вредных и дурнопахнущих веществ (в частности, с диоксидом серы, образуемым при окислении сероводорода) и энергозатраты на очистку воздуха. Указанная выше мощность потока УФ излучения также обеспечивает генерацию достаточно количества активных частиц (особенно озона) для окисления примесей адсорбированных на сорбционно-каталитической засыпке, что обеспечивает возможность восстановления ее ресурса с помощью промывки и увеличивает ресурс ее работы.
1
Обеспечение времени воздействия УФ излучения на очищаемый воздух более 0,5 секунды при сохранении указанной мощности удельного потока позволяет эффективно использовать озон, нарабатываемый при облучении очищаемого воздуха УФ излучением в диапазоне длин волн 100-200 нм. При таких временах воздействия УФ излучение с длинами волн в диапазоне 200-280 нм позволяет разлагать озон с получением О (D) радикала, который активно окисляет содержащиеся в воздухе вредные и/или дурнопахнущие вещества, особенно летучие органические соединения (ЛОС). Дальнейшее увеличение времени воздействия позволяет увеличить эффективность очистки, но приводит к увеличению габаритных размеров устройства. Обеспечение времени пребывания свыше 10 секунд не целесообразно с практической точки зрения, поскольку небольшое увеличение эффективности при этом не компенсирует роста габаритных размеров устройства.
Прохождение очищаемого воздуха через слой сорбционно-каталитической засыпки позволяет каталитически доокислить продукты реакции, и перевести их в твердую фазу. При этом находящийся в очищаемом воздухе озон также адсорбируется и реагирует с частично окисленными вредными и дурнопахнущими веществами или продуктами их распада на поверхности сорбента-катализатора. Обеспечение времени пребывания очищаемого воздуха на слое сорбционно-каталитической засыпки не менее 0,25 с позволяет адсорбировать весь имеющийся в очищаемом воздухе озон и не допустить его попадания в окружающую среду. Дальнейшее увеличение времени пребывания на слое сорбционно-каталитической засыпки позволяет уменьшить частоту обслуживания устройства. Увеличение времени пребывания очищаемого воздуха свыше 10 секунд практически нецелесообразно из-за возрастания аэродинамического сопротивления сорбционно-каталитического слоя и/или увеличения габаритных размеров устройства.
Предпочтительно, чтобы в качестве сорбционно-каталитической засыпки использовались пиролюзит и/или алюмосиликаты и/или активированный уголь и/или цеолиты как в чистом виде, так и в смеси друг с другом;
Дополнительно в состав сорбционно-каталитической засыпки возможно добавление йодида калия (KI), перманганата калия (KMnO4) и др. Выбор сорбционно-каталитической засыпки и добавок к ней, определяется составом загрязняющих веществ и диапазоном его концентраций в воздухе.
Также, с целью удаления загрязнений и восстановления свойств сорбционно-каталитической засыпки, периодически осуществляют промывку сорбционно-каталитической засыпки, что существенно продлевает ее ресурс и снижает расходы на материалы. Промывку осуществляют по показаниям датчиков, контролирующих степень ее загрязнения.
Промывку сорбционно-каталитической засыпки осуществляют непосредственно в блоке сорбционно-каталитической засыпки.
В зависимости от вида загрязнения и эффективности его удаления, промывку сорбционно-каталитической засыпки осуществляют водой и/или водным раствором щелочи и/или водным раствором карбонатов и/или их смесью.
Кроме того, целесообразно периодически осуществлять промывку УФ ламп, что необходимо для обеспечения требуемой мощности потока УФ излучения ламп в фотохимическом реакторе. Промывка производится от автономной системы установки и не требует подключения к магистральному водопроводу.
При необходимости очистки воздуха с повышенным содержанием вредных и/или дурнопахнущих веществ производится предварительное разбавление очищаемого воздуха атмосферным воздухом в пропорциях в диапазоне от 1:5 до 5:1. до достижения оптимальных для очистки в фотохимическом реакторе значений концентраций загрязняющих веществ. При низких температурах подаваемого воздуха атмосферный воздух подогревают до температуры свыше 2 С для предотвращения обмерзания системы каплеотделения блока механической очистки воздуха.
В случае высоких концентраций вредных и дурнопахнущих веществ, непосредственно перед воздействием на очищаемый воздух УФ облучением производят предварительную очистку воздуха биологическим, каталитическим или сорбционном способом. Для этой операции используются водяные и химические скрубберы, орошаемые биофильтры, сорбенты, катализаторы.
В качестве сорбционно-каталитической засыпки для предварительной очистки воздуха рекомендуется использовать алюмосиликаты и/или цеолиты и/или пиролюзит и/или оксид железа(III) и/или гидроксида железа(III) и/или активированный уголь как в чистом виде или в смеси друг с другом, или нанесенными на инертные носители. Выбор способа предварительной очистки и используемые для этого материалы определяют исходя из типа и состава удаляемого загрязняющего вещества.
Также изобретение решает задачу по созданию устройства для осуществления предложенного способа очистки воздуха от вредных веществ и ДПВ, а также УФ лампы и блока сорбционно-каталитической засыпки, как элементов конструкции устройства.
Технический результат, достигаемый в результате реализации устройства, заключается в увеличении допустимых входных концентраций вредных и дурнопахнущих веществ в очищаемом воздухе, увеличении ресурса работы, снижении эксплуатационных затрат, улучшении удобства монтажа и обслуживания, повышении надежности и безопасности конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ, включающем блок очистки воздуха, снабженный воздуховодами для входа и выхода воздуха, внутри корпуса которого расположены блок механической очистки воздуха, содержащий фильтр механической очистки от мелкодисперсных примесей, фотохимический реактор, в котором в качестве источника излучения установлены газоразрядные УФ лампы с излучением в диапазонах длин волны 100-200 нм и 200-280 нм; блок сорбционно-каталитической засыпки, датчики контроля, электрически связанные с блоком управления. Согласно изобретению блок механической очистки воздуха дополнительно содержит фильтр механического удаления водяного аэрозоля, на входе потока воздуха в фотохимический реактор установлена выравнивающая воздушный поток решетка, в качестве источника УФ излучения используются амальгамные газоразрядные УФ лампы с током разряда не менее 1А, а фотохимический реактор оснащен автономной автоматической системой промывки УФ ламп.
Устройство включает блок механической очистки, в котором после фильтра механической очистки для удаления крупнодисперсионных частиц дополнительно установлен фильтр механического удаления водяного аэрозоля, что предотвращает загрязнение ламп и повышение влажности сорбционно-каталитической засыпки, ухудшающей ее свойства.
Выравнивающая решетка предназначена для равномерного распределения потока обрабатываемого воздуха по поперечному сечению корпуса блока удаления запаха и предотвращения образования застойных зон;
Использование амальгамных УФ ламп позволяет увеличить удельную мощность УФ излучения и эффективность фотохимического реактора при снижении их количества. Достижение требуемого удельного потока мощности УФ излучения с использованием ртутных УФ ламп низкого давления с практической точки зрения затруднительно в связи с необходимость использовать большое количество таких ламп, что приведет к росту аэродинамического сопротивления фотохимического реактора, значительным потерям УФ излучения из-за затенения ламп друг друга, а также необходимости использования большого количества ламповых кабелей. Использование специальных амальгам и тока разряда не менее 1А позволяет обеспечить оптимальное давление ртути в разряде при обдуве воздухом в диапазоне температур от +2°С до +40°С даже при отсутствии защитного кварцевого чехла. Отказ от защитного кварцевого чехла позволяет снизить потери УФ излучения при прохождении через чехол.
Система автоматической промывки УФ ламп предназначена для периодической промывки УФ ламп, установленных внутри фотохимического реактора, с целью поддержания требуемой удельной мощности УФ излучения.
Система промывки УФ ламп выполнена автономной и не требует подключения к магистральному водоснабжению.
Кроме того, система промывки УФ ламп включает устройство для подогрева промывочной жидкости, что обеспечивает возможность проведения промывки при отрицательных температурах окружающего воздуха.
Дополнительно система промывки УФ ламп оснащена датчиком контроля температуры воды и датчиком уровня воды. Датчик уровня воды, установленный в верхней части емкости для промывки УФ ламп, предназначен для формирования аварийного сигнала при низком уровне воды в емкости, сигнализирующем о необходимости срочного долива воды в емкость.
Устройство также имеет общую систему дренажа, предназначенную для отвода конденсата из блока механической очистки воздуха, фотохимического реактора и блока сорбционно-каталитической засыпки.
Для обеспечения работы устройства при отрицательных температурах окружающего воздуха система дренажа может быть выполнена с подогревом, в том числе с автоматическим.
На случай очистки воздуха с повышенным содержанием вредных веществ и ДПВ в состав устройства может быть включен блок предварительной очистки воздуха, осуществляемой химическим, биологическим, каталитическим и/или сорбционным способом.
В других случаях очистки воздуха с повышенным содержанием вредных веществ и ДПВ, перед фотохимическим реактором устанавливается система разбавления очищаемого воздуха атмосферным воздухом. При необходимости система разбавления оснащается подогревом атмосферного воздуха для предотвращения обмерзания системы каплеотделения.
Для более эффективной очистки воздуха устройство может включать иметь несколько дополнительных ступеней очистки, в качестве которых могут использоваться, по крайней мере, один или несколько фотохимических реакторов, и/или блоков сорбционно-каталитической засыпки, и/или сорбционных блоков.
С целью энергосбережения мощность УФ ламп может регулироваться автоматически в зависимости от показаний датчиков концентрации вредных и дурнопахнущих веществ, на входе в блок очистки воздуха.
Для упрощения технического обслуживания устройства, установленные в фотохимическом реакторе УФ лампы, могут быть снабжены индивидуальными датчиками неисправности.
Для контроля степени загрязнения механических фильтров блока предварительной очистки воздуха и сорбционно-каталитической засыпки используют дифференциальные манометры.
Устройство имеет систему аварийного отключения.
В блоке механической очистки воздуха установлены датчики концентрации метана и/или сероводорода и/или других загрязняющих веществ, электрически связанные с системой аварийного отключения устройства.
В блоке сорбционно-каталитической засыпки установлены датчики температуры, предназначенные для контроля состояния засыпки, и электрически связанные с системой аварийного отключения.
Кроме того, после блока предварительной очистки и/или блока сорбционно-каталитической засыпки установлены датчики и/или других вредных веществ и ДПВ.
В корпусе блока удаления запаха выполнены технологические люки и двери для удобства технического обслуживания и электрических подключений ламп, промывки и замены каталитической засыпки.
Технологические люки и двери снабжены аварийными датчиками, сигнализирующими об открытии и электрически связанными с системой аварийного отключения устройства.
Для снижения уровня шума вентилятор установлен в корпусе блока очистки воздуха.
При необходимости корпус блока очистки воздуха может быть выполнен во взрывобезопасном исполнении. В качестве источника УФ излучения в диапазонах длин волн 100-200 нм и 200-280 нм в устройстве, предназначенной для осуществления фотосорбционно-каталитического способа очистки воздуха, используется амальгамная газоразрядная УФ лампа, состоящая из цилиндрической герметичной газоразрядной колбы, выполненной из кварца, на концах которой, установлены герметично уплотненные электроды. Согласно изобретению, концы лампы длиной до 500 мм выполнены из кварца, имеющего пропускание менее 1% на длине волны 184,9 нм на толщину стенки колбы.
Предпочтительно, чтобы зона излучения колбы лампы была выполнена из синтетического кварца.
На концы лампы длиной до 500 мм может быть нанесен слой краски, устойчивой к УФ излучению, которая позволяет дополнительно защитить от вредного воздействия УФ излучения резиновые уплотнения и провода лампы.
Кроме того концы ламп длиной до 500 мм могут быть выполнены из кварца, имеющего пропускание менее 15% на длине волны 253,7 нм на толщину стенки колбы без нанесения слоя краски.
Изготовление концов ламп из допированного кварца, не пропускающего излучения на длине волны 184,9 нм и использование стойкой к УФ краски для их покрытия, или же из допированного кварца с коэффициентом пропускания на длине волны 253,7 нм менее 15% без покраски, обеспечивает защиту герметичных ламповых уплотнений от фотохимического разрушения и предотвращает выход УФ излучения из вентиляционных решеток люков обслуживания. Герметичная конструкция ламповых уплотнений, отделяющих зону подключения электрических контактов от фотохимического реактора, позволяет отказаться от использования кварцевого чехла, что увеличивает выход УФ излучения, уменьшает его спад в процессе работы и уменьшает стоимость устройства.
Конструктивным элементом устройства является блок сорбционно-каталитической засыпки, представляющий собой емкость с перфорированными стенками. Согласно изобретению блок выполнен в виде каркаса со съемными бортами, внутри которого друг над другом установлены лотки для размещения засыпки, имеющие сетчатое дно. Предложенная конструкция блока обеспечивает легкую и удобную загрузку и выгрузку сорбционно-каталитической засыпки, а также осуществление промывки засыпки непосредственно по месту, что существенно облегчает эксплуатацию и техническое обслуживание устройства, а также продлевает ресурс засыпки и экономит затраты на осуществление способа.
Описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид сверху блока очистки воздуха; на фиг.2 - блок механической очистки воздуха; на фиг.3 - фотохимический реактор; на фиг.4 - УФ лампа; на фиг.5 - система промывки ламп; на фиг.6 - блок сорбционно-каталитической засыпки.
Устройство состоит из блока 1 очистки воздуха, в который подлежащий очистке воздух поступает и удаляется через входной и выходной воздуховоды 2,3 соответственно.
Внутри корпуса 4 блока очистки воздуха расположены блок 5 механической очистки воздуха, датчик 6 концентрации метана, датчики 7 вредных и/или дурнопахнущих веществ, выравнивающая решетка 8, фотохимический реактор 9; блок 10 сорбционно-каталитической засыпки, машинное отделение 11, в котором установлена автономная автоматическая система 12 промывки УФ ламп; блок управления 13, дифференциальные манометры 14 для контроля степени загрязненности засыпки и вытяжной вентилятор 15. На корпусе блока очистки воздуха установлен пульт 16 управления. В корпусе блока очистки воздуха выполняются технологические люки 17 и двери 18, оснащенные датчиками открывания и общая система дренажа 19, предназначенная для отвода конденсата и промывочной жидкости и может быть оснащена подогревом.
При необходимости очистки входящего воздуха с повышенным содержанием вредных веществ и/или ДПВ может использоваться блок 20 предварительной очистки воздуха, который может устанавливаться как внутри блока очистки воздуха, так отдельно. В других случаях перед блоком механической очистки устанавливается блок 21 разбавления очищаемого воздуха атмосферным воздухом и при необходимости оснащается подогревом атмосферного воздуха.
Для более эффективной доочистки воздуха в блок очистки воздуха после блока сорбционно-каталитической засыпки может быть установлен дополнительный фотохимический реактор 22 и/или дополнительный блок 23 сорбционно-каталитической и/или сорбционной засыпки.
Блок механической очистки воздуха (фиг.2) представляет собой каркас 24, на котором последовательно установлены фильтр 25 механического удаления водяного аэрозоля, а затем фильтр 26 механической очистки от мелкодисперсных частиц.
В фотохимическом реакторе (фиг.3) установлены амальгамные газоразрядные УФ лампы 27 с излучением в диапазонах длин волн 100-200 нм и 200-280 нм, над которыми расположены лейки 28 для промывки ламп. В амальгамной газоразрядной УФ лампе, показанной на фиг.4, зона излучения 29 может быть выполнена из минерального или синтетического кварца, а концы 30 лампы, в которых установлены герметично уплотненные электроды 31, выполнены из кварца, имеющего пропускание менее 1% на длине волны 184,9 нм на толщину стенки колбы и покрыты слоем 32 краски, устойчивой к УФ излучению.
Система промывки ламп (фиг.5) представляет собой емкость 33 для промывочной жидкости с установленным внутри насосом, выход которого подключен к патрубку 34. К патрубку подключается соединительный шлаг, другой конец которого подключается к лейкам промывки ламп. В емкость устанавливается устройство 35 для подогрева промывочной жидкости, датчик 36 контроля температуры воды и датчик 37 уровня воды. Блок сорбционно-каталитической засыпки (согласно фиг.6) представляет собой каркас 38 со съемными бортами 39, внутри которого друг над другом установлены лотки 40 для размещения засыпки, имеющие сетчатое дно. Над лотками установлены датчики 41 температуры засыпки. Засыпка может размещаться как непосредственно в лотки, так и с использованием перемещаемых ящиков или кассет, вставляемых внутрь лотка.
В блоке управления размещаются индивидуальные датчики неисправности ламп, система автоматической регулировки ламп, электрически связанная с датчиками концентрации вредных и/или дурнопахнущих веществ и система аварийного отключения устройства электрически связанная с датчиком 6 концентрации метана, датчиками 7 вредных и/или дурнопахнущих веществ, датчиками 41 температуры сорбционно-каталитической засыпки и датчиками открывания технологических люков и дверей.
3
Способ осуществляется следующим образом. Загрязненный воздух подают в блок 1 очистки воздуха через входной воздуховод 2, а затем в блок 5 механической очистки воздуха, где воздух очищается от водяного аэрозоля и от мелкодисперсных частиц. Далее воздух подают в фотохимический реактор 9, где на него воздействуют УФ излучением в диапазоне длин волн 100-200 нм и 200-280 нм с мощностью удельного потока УФ излучения не менее 100 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха в течение от 0,5 до 10 секунд в зависимости от удаляемых веществ, степени загрязнения и требуемой степени очистки. Под воздействием УФ излучения происходит фотолитическое разложение загрязняющих веществ, а также наработка активных химических частиц (ОН-радикалов, свободных радикалов кислорода, озона и других), которые окисляют с загрязняющие вещества. Далее воздух подают в блок 10 сорбционно-каталитической засыпки, где на поверхности катализатора происходит каталитическое доокисление загрязняющих веществ и перевод их в твердую фазу. Нелетучие продукты реакции адсорбируются в объеме сорбционно-каталитической засыпки. Далее очищенный воздух с помощью вытяжного вентилятора 15 удаляют из блока очистки воздуха через выходной воздуховод 3.
По мере загрязнения сорбционно-каталитической засыпки производят ее промывку непосредственно в лотках 40 блока 10 сорбционно-каталитической засыпки. Промывочная жидкость при этом удаляется через сетчатое дно лотка и попадает в систему 19 дренажа. Промывка УФ ламп осуществляется автоматически по мере их загрязнения и согласно заданному расписанию. Для этого промывочная жидкость из емкости 33 с помощью насоса подается по соединительным шлангам на лейки 28, после чего стекает в систему 19 дренажа блока очистки воздуха.
При повышенном содержании вредных и/или дурнопахнущих веществ очищаемый воздух сначала разбавляют атмосферным воздухом в пропорциях в диапазоне от 1:5 до 5:1 в блоке 21 разбавления очищаемого воздуха для достижения концентрации вредных и дурнопахнущих веществ, допустимой для дальнейшего окисления. При необходимости атмосферный воздух подогревают до температуры свыше +2°С для предотвращения обмерзания блока 5 механической очистки воздуха.
В случае высоких концентраций вредных и дурнопахнущих веществ, перед подачей воздуха в блок механической очистки осуществляют предварительную очистку воздуха химическим, биологическим, каталитическим или сорбционным способом в блоке 20 предварительной очистки воздуха.
Примеры реализации изобретения
Пример 1:
Устройство по очистке воздуха предназначено для очистки вентиляционных выбросов очистных сооружений канализации от мелкодисперсных примесей и для снижения в воздухе концентраций дурнопахнущих веществ (сероводород, аммиак, фенол, ЛОС).
3
3
3
3
3
Средняя концентрация сероводорода в поступающем на очистку воздухе составляет до 50 мг/м, аммиак - 1 мг/м, фенол - до 0,5 мг/м, летучие органические соединения - до 100 мг/м. Расход очищаемого воздуха, проходящего через устройство, составляет 12000 м/ч.
Температура очищаемого воздуха изменяется в диапазоне от +5°С до +40°С.
Блок 1 очистки воздуха включает в себя блок 5 механической очистки воздуха, фотохимический реактор 9, блок 10 сорбционно-каталитической засыпки, а также машинное отделение 11. По причине высоких концентраций дурнопахнущих веществ в очищаемом воздухе и с целью увеличения эффективность очистки устройство снабжено дополнительными фотохимическим реактором 22 и блоком 23 сорбционно-каталитической засыпки. Габаритные размеры блока очистки составляют 12100×2450×2890 мм. Корпус выполнен из нержавеющей стали. Степень пыле - и влагозащищенности частей комплекса, не контактирующих с обрабатываемым воздухом IP 54/ IP 55. Степень пыле - и влагозащищенности частей комплекса, контактирующих с обрабатываемым воздухом IP 65.
Очищаемый воздух поступает в блок механической очистки воздуха, проходит фильтр механического удаления водяного аэрозоля (каплеотделитель) и далее подается на фильтр грубой очистки (плоский фильтр G4). В блоке механической очистки установлены датчики 6,7 метана и сероводорода, подключенные к системе аварийного отключения. Перепад давления на фильтрах и сорбционно-каталитической засыпке контролируется двумя дифференциальными манометрами 14.
Каждый фотохимический реактор имеет габаритные размеры 1100×2200×2100 мм, которые позволяют обеспечить время пребывания очищаемого воздуха 1,5 секунд. В качестве источников УФ излучения в каждом фотохимическом реакторе установлены газоразрядные амальгамные озоногенерирующие УФ лампы 27 низкого давления, зоны излучения которых изготовлены из синтетического кварца длиной 1900 мм, а концы длиной 50 мм - из допированного минерального кварца и покрыты алюминиевой краской. Диаметр лампы 28 мм. Расстояние между осями ламп составляет 200 мм. Электрическая мощность каждой лампы 620 Вт, мощность потока излучения на длине волны 184,9 нм 60 Вт, на длине волны 253,7 нм - 200 Вт. Промывка ламп с помощью автоматической автономной системы 12 промывки осуществляется ежедневно. Время автономной работы системы промывки без долива воды составляет 1 месяц.
В качестве сорбционно-каталитической засыпки используется активированный уголь импрегнированный иодидом калия. Масс засыпки в каждом блоке составляет 1200 кг. Сорбционно-каталитическая засыпка расположена на четырех лотках с высотой слоя засыпки 150 мм в каждом. Время пребывания воздуха на слое сорбционно-каталитической засыпки составляет 0,65 секунды.
3
В каждом фотохимическом реакторе устройства используются 20 газоразрядных амальгамных озоногенерирующих УФ лампы с указанными выше параметрами. Мощность потока УФ излучения на длине волны 184,9 нм составляет 100 Вт на 1000 м/ч очищаемого воздуха в каждом фотохимическом реакторе. При таких параметрах в каждом фотохимическом реакторе происходит очистка воздуха с эффективностью не менее 65% по сероводороду, не менее 55% по аммиаку и фенолу, и не менее 60% по ЛОС. Дальнейшее доокисление происходит в блоках сорбционно-каталитической засыпки и суммарная эффективность очистки воздуха устройством составляет не менее 99%, от аммиака - не менее 99%, от фенола - не менее 98%, от ЛОС - не менее 97%.
3
При использовании в том же устройстве 16 газоразрядных амальгамных озоногенерирующих УФ ламп мощность потока УФ излучения на длине волны 184,9 нм в каждом фотохимическом реакторе составляет 80 Вт на 1000 м/ч и эффективность очистки воздуха существенно снижается и лежит в диапазоне 35-40% по указанным выше вредным и дурнопахнущим веществам. Таким образом, снижение мощности УФ излучения на 20% снижает эффективность очистки воздуха в фотохимическом реакторе более чем в 1,5 раза.
При снижении эффективности очистки до 95% по любому из ДПВ осуществлялась промывка сорбционно-каталитической засыпки 1% раствором кальцинированной соды, после чего эффективность очистки воздуха восстанавливалась до первоначального уровня.
Промывка осуществлялась непосредственно в блоке, без выгрузки самой сорбционно-каталитической засыпки.
Пример 2:
Устройство по очистке воздуха предназначено для очистки вентиляционных выбросов приемной камеры очистных сооружений канализации от мелкодисперсных примесей и для снижения в воздухе концентраций дурнопахнущих веществ (сероводород, ЛОС).
3
3
Среднесуточная концентрация сероводорода в поступающем на очистку воздухе составляет до 150 мг/м, летучие органические соединения - до 300 мг/м. Расход очищаемого воздуха, проходящего через устройство, составляет 5000 м /ч. Температура очищаемого воздуха изменяется в диапазоне от +5°С до +40°С.
Блок 1 очистки воздуха включает в себя блок 20 предварительной очистки воздуха, блок 5 механической очистки воздуха, фотохимический реактор 9, блок 10 сорбционно-каталитической засыпки, а также машинное отделение 11. Габаритные размеры блока очистки составляют 12100×2450×2890 мм. Корпус выполнен из нержавеющей стали. Степень пыле- и влагозащищенности частей комплекса, не контактирующих с обрабатываемым воздухом IP 54/ IP 55. Степень пыле - и влагозащищенности частей комплекса, контактирующих с обрабатываемым воздухом IP 65.
Очищаемый воздух поступает в блок предварительной очистки воздуха, далее в блок механической очистки воздуха, проходит фильтр механического удаления водяного аэрозоля (каплеотделитель) и далее подается на фильтр грубой очистки (плоский фильтр G4). В блоке механической очистки установлены датчики 6,7 метана и сероводорода, подключенные к системе аварийного отключения. Перепад давления на фильтрах и сорбционно-каталитической засыпке контролируется двумя дифференциальными манометрами 14.
3
Фотохимический реактор имеет габаритные размеры 1100×2200×2100 мм, которые позволяют обеспечить время пребывания очищаемого воздуха 3,7 секунд. В качестве источников УФ излучения в каждом фотохимическом реакторе установлены 12 газоразрядных амальгамных озоногенерирующих УФ ламп низкого давления, зоны излучения которых изготовлены из синтетического кварца длиной 1900 мм, а концы длиной 50 мм - из допированного минерального кварца и покрыты алюминиевой краской. Диаметр лампы 28 мм. Электрическая мощность каждой лампы 620 Вт, мощность потока излучения на длине волны 184,9 нм 60 Вт, на длине волны 253,7 нм - 200 Вт.Удельная мощность потока УФ излучения на длине волны 184,9 нм в фотохимическом реакторе составляет 144 Вт на 1000 м/ч. Промывка ламп с помощью автоматической автономной системы промывки осуществляется раз в три дня. Время автономной работы системы промывки без долива воды составляет 2 месяца.
В качестве сорбционно-каталитической засыпки используется активированный уголь импрегнированный йодидом калия. Масса засыпки составляет 1000 кг. Сорбционно-каталитическая засыпка расположена на четырех лотках с высотой слоя засыпки 300 мм в каждом. Время пребывания воздуха на слое сорбционно-каталитической засыпки составляет 1,3 с.
В качестве сорбционно-каталитической засыпки для предварительной очистки воздуха используется засыпка на основе гидроксида железа (III) или нанесенного на пористый носитель на основе гипса. Масса засыпки 800 кг. Засыпка расположена на четырех лотках, высота лотка 300 мм.
Устройство обеспечивает эффективность очистки воздуха от сероводорода не менее 97%, от ЛОС - не менее 95%.
Таким образом, применение указанного способа и устройства для его реализации, а также предложенных УФ ламп позволяет повысить производительность и эффективность очистки, расширить диапазон типов и концентраций загрязняющих веществ, увеличить ресурс сорбционно-каталитической засыпки и снизить материальные затраты, а также упростить эксплуатацию и техническое обслуживание оборудования.