УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ЗАГАЗОВАННОСТИ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для очистки воздуха и может быть использовано в дизельных и газовых электростанциях, в туннелях метрополитенов и автобанах, а также для очистки приземной атмосферы в мегаполисах и городах с высокой промышленной интеграцией.
Известно устройство очистки воздуха от загазованности английской фирмы «Cummins», включающее корпус, диффузор, камеру катализа, конфузор и трубу для выброса очищенного воздуха в атмосферу, фильтры грубой и тонкой очистки. Однако это устройство имеет малый срок службы, недостаточную эффективность и высокую стоимость в сравнении с предлагаемой системой очистки газообразных соединений.
Предложенное по заявке устройство позволяет значительно увеличить срок службы, существенно повысить качество очистки воздуха, при сравнительно низких материальных затратах.
Это достигается тем, что в камере очистки воздуха, имеющей двойное дно с наклоном для стока избыточной влаги и снабженной форсунками для распыления подаваемой воды на мелкодисперсные аэрозоли, установлен фильтр тонкой очистки, выполненный в виде фильтрующих картриджей для очистки воздуха от инородных частиц, ряда картриджей с набором углеродных тканей с различной геометрией вязки, различной проницаемостью и различной каталитической активностью с увлажнением углеродных тканей и хемосорбционных материалов, выполняющих роль ионно-обменных смол для доочистки и химической сорбции остаточных продуктов катализа, установленных в определенном последовательном порядке с расстоянием между ними от 35 до 50 мм в зависимости от вида фильтрующего материала и имеющие зазоры между собой, относящиеся к толщине каждого последующего картриджа не менее, чем 2:1 для уменьшения температуры очистки.
Технология очистки требует от конструкции оборудования соблюдения оптимальных для интенсивного окисления режимов:
- скорость воздушного потока не должно превышать 0,85 м/с;
- температура загазованного воздуха в камере очистки не должна превышать 200 градусов Цельсия;
- аэродинамическое сопротивление фильтр-системы не должно быть выше 3500 Pa или 350 мм в.c. водяного столба.
Предлагаемое устройство удовлетворяет этим требованиям.
На чертеже фиг.1 показан состав устройства.
1 - камера очистки;
2 - диффузор;
3 - конфузор;
4 - емкость для воды;
5 - картридж;
6 - коллекторные трубки;
7 - подставка;
8 - зазор.
Камера очистки воздуха имеет двойное дно с наклоном для возможною стока избыточной влаги и обеспечивает увлажнение воздуха в камере, протекающего через фильтрующие картриджи со скоростью от 0,3 до 0,85 м/с, различным давлением в объеме воздуха между картриджами и температурой проходящего загазованного воздуха до 200°С. Подаваемая вода для увлажнения разбивается воздушным потоком на мелкодисперсные аэрозоли, что способствует увеличению каталитических свойств углеродных фильтровальных тканей.
Оптимальная температура для процессов активного качественного катализа, хемосорбции и др. желательна 50÷250 градусов Цельсия.
В прототипе функция фильтров тонкой очистки выполняет - покрытая слоем платины внутренняя поверхность камеры очистки воздуха.
Установленные в предлагаемом устройстве фильтровальные картриджи применяют набор углеродных тканей с различной геометрией вязки, различной проницаемостью и высокой каталитической активностью с увлажнением углеродных тканей.
Фильтрующие углеродные тканые материалы (углеродно-волокнистый материал) имеют очень развитую рабочую поверхность, на которой присутствует огромное количество химически связанного кислорода. Этот связанный в различные функциональные группы кислород при созданных условиях (температура до 230°С, скорость протока воздуха от 0,3 до 0,85 м/с, при разном давлении между слоями фильтрующей ткани), вступает в химические реакции с органическими и неорганическими соединениями, окисляя их до максимальных степеней окисления, а увлажнение углеродных тканых материалов создает еще более благоприятные условия для процесса каталитического окисления газовых выбросов, так как водяной пар является активным окисляющим реагентом в технологических процессах активации углеродных тканых материалов.
Хемосорбционные материалы, применяемые в данной фильтр-системе, отличаются тем, что окисленные органические и неорганические соединения, находящиеся в увлажненном газовом потоке, обеспечивают интенсивную химическую сорбцию неорганических соединений, способствующую значительному снижению остаточной концентрации в газовом потоке.
Расположение и зазоры между картриджами с фильтрующими материалами создают благоприятные оптимальные условия каталитического окисления и сорбции неорганических и органических соединений, что позволяет значительно расширить функциональное применение фильтр-систем для процессов очистки загазованного воздуха. Окисленные органические и неорганические соединения, находящиеся в увлажненном газовом потоке, обеспечивают интенсивную химическую сорбцию неорганических соединений, способствующую значительному снижению концентрации в газовом потоке. Углеродная Фильтрующая ткань, расположенная между слоями хемосорбционного материала, активно сорбирует органические соединения, большинство из которых находится в окисленной форме.
Совокупность высокой каталитической активности и увлажнение материала с обеспечением оптимального давления между картриджами создает благоприятные условия для процесса каталитического окисления газовых выбросов.
Окисленные органические и неорганические соединения, находящиеся в увлажненном газовом потоке, подаются на хемосорбционный материал. Здесь происходит химическая сорбция неорганических соединений, способствующая значительному снижению концентрации в газовом потоке.
2
5
2
2
1
19
Следующий слой углеродного волокнистого материала активно сорбирует органические соединения, большинство из которых находится в окисленной форме. В конечном газовом потоке, прошедшем три каскада очистки содержит минимум NO, монооксиды углерода CO, не более 5% SO, углеводородов С-С, акролеина не более 3% от первоначальных концентраций газового потока. Это достигнуто за счет создания оптимальных условий каталитического окисления и сорбции неорганических и органических веществ. В процессе эксплуатации оборудования активность углеродных тканых материалов постоянно восстанавливается избыточным количеством кислорода, находящихся в паровой фазе.
Общее количество устанавливаемых картриджей в камере очистки воздуха может колебаться от 6 до 12, в зависимости от степени загазованности газовыхлопов и требуемой эффективности очистки:
- первые картриджи оснащены материалами для средней очистки газовыхлопов от твердых частиц;
- последующие картриджи оснащены углеродными фильтровальными материалами с высокими каталитическими свойствами (в 100 раз активней активированных углей) и хемосорбционными фильтровальными материалами, обладающими высокой химической активностью и сорбционной емкостью.
Расположение картриджей с фильтрующими материалами с установленными между картриджами фильтрующими материалами зазорами создают благоприятные условия для каталитического окисления и сорбции органических и неорганических соединений, что позволяет значительно расширить функциональное применение технологических процессов очистки загазованного воздуха. Этим процессам значительно способствует то обстоятельство, что при дросселировании газового потока между картриджами с фильтрующими материалами (с различной проницаемостью) создаются зоны с различной температурой, влажностью и давлением, наиболее способствующие максимальной активности фильтрующих материалов. Наиболее благоприятное положение с этими факторами получено при соотношении двойного зазора между картриджами, т.е. при рабочей толщине (N), зазор должен составлять не менее, чем с (2N). Этот технологический прием получил название «метод интегрального дросселирования газового потока». Расстояние между картриджами должно быть от 35 мм до 50 мм в зависимости от вида фильтрующего материала.
Устройство работает следующим образом.
Газовый поток при температуре 450÷550 градусов Цельсия содержит механические примеси, органические и неорганические вещества.
Наиболее благоприятные условия очистки проходят при скорости воздуха от 0,3 до 0,85 м/с, в связи с чем оборудование для очистки газовыхлопов должно предусматривать дросселирование газовыхлопных потоков, с целью обеспечения вышеуказанных скоростей и снижения температуры.
На механическом фильтре грубой очистки (специальный диффузор с мелкоячеистой сеткой) происходит значительное снижение температуры, удаляются механические примеси размером до 1 мм и значительно способствует созданию равномерного давления загазованного воздуха по всему рабочему полю фильтра грубой очистки.
2
3
Газовый поток с более низкой температурой и извлеченными механическими частицами попадает на углеродный волокнистый материал, который увлажняется оборотной водой. При данных условиях газовый поток еще охлаждается (от 300°С до 270°С), и в углеродном волокнистом материале раскрываются те микропоры, которые активно взаимодействуют с органическими и неорганическими веществами, находящимися в газовом потоке. Углеродный волокнистый материал имеет очень развитую поверхность (реакционная поверхность составляет около 500 см/см), на которой присутствует огромное количество химически связанного кислорода в виде гидрооксидных, лактоновых и других функциональных групп. Определение содержания связанного кислорода в поверхностном слое показывает, что в слое поверхности до 100А присутствует химически связанный кислород в количестве до 75%. Этот связанный в различные функциональные группы кислород при данных благоприятных условиях вступает в химические реакции с органическими и неорганическими соединениями. окисляя их до максимальных степеней окисления. Этому способствует увлажнение углеродного волокнистого материала. Углеродные тканевые материалы в процессе изготовления активируются, их каталитическая активность (способность) выше каталитической активности активированного угля (в 100÷150) раз, а проведение дополнительной обработки углеродных тканей глубоким азоном или СВЧ позволяет еще более повысить каталитическую активность.
Окисленные органические и неорганические соединения, находящиеся в увлажненном газовом потоке, подаются на картриджи финишной очистки с хемосорбционными материалами. В них происходит химическая сорбция неорганических соединений, способствующая значительному содержанию концентрации в газовом потоке.
Следующий слой углеродного волокнистого материала активно сорбирует органические соединения, большинство из которых в окисленной форме.
В камере очистки воздуха загазованный воздух, проходя через фильтровальные картриджи, создает эффект «интегрального дросселирования потока воздуха», что позволяет управлять процессом окисления и, следовательно, другими процессами очистки воздуха, в частности, снижением температуры процесса до 150 градусов Цельсия. В процессе очистки газовыхлопов фильтр системы значительно снижает уровень звукового давления, выполняя дополнительные функции глушителя.
В своем конструктиве картриджи системы не применяют драгоценных покрытий (в прототипе применяется платина), к тому же импортные аналоги с платинированными покрытиями не предназначены для систем очистки газовыхлопов мощностью выше 800кВт.
2
5
2
1
19
2
4
Созданный опытный образец устройства подтвердил правильность произведенных расчетов и показал хорошие результаты. Устройство обеспечило очистку от твердых частиц, запахов, NO, составляющих более 82% финишного содержания окислов азота, а также СО, углеводородов, C-C, SO, NO, CO, CH, акролеина и высокоэффективную (не менее 95%) степень очистки воздуха.