УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗА

Полезная модель относится к области фотокатализа, основанного на способности катализаторов активироваться под действием ультрафиолетового излучения и ускорять различные реакции, в частности окисление органических веществ до воды и углекислого газа. Устройство может использоваться для очистки технологических, выхлопных и промышленных вентиляционных газов не только от газообразных органических веществ, но и от вредоносных микроорганизмов, для удаления нежелательных запахов и т.п.
2
Наиболее часто в качестве катализатора используют диоксид титана TiO в суспендированном состоянии, или закрепленном на инертном носителе. В первом случае обеспечивается большая площадь освещаемой поверхности частиц катализатора, но требуется дополнительная стадия отделения частиц, например, на мембранных фильтрационных установках для возвращения частиц в процесс катализа. Обычно такой процесс реализуется при очистке жидкости (патенты РФ №182587, №2685300 и др.), а при очистке газа используются фотокаталитические элементы с закрепленными частицами на нейтральном носителе в виде плоскостей, сеток, пористых материалов и т.п. По такому принципу работают многие серийно выпускаемые бытовые очистители воздуха: Yamaguchi Oxygen, Амбилайф L-5524M, АТМОС Вент-1103 и другие.
Примером таких устройств также может служить фотокаталитический воздухоочиститель по патенту РФ №2497584, в котором воздух, предварительно пропущенный через пылевой фильтр с органическим или неорганическим адсорбентом, пропускается через закрученную в спираль постоянную по площади поперечного сечения трубку, образующую фотокаталитический блок, внутренняя поверхность которого покрыта слоем фотокатализатора, а на стороне поверхности, расположенной ближе к центру фотокаталитического блока, на всем его протяжении прикреплена светодиодная лента с ультрафиолетовыми светодиодами.
К недостаткам такого технического решения можно отнести сложность осуществления надежного приклеивания частиц катализатора на стенку спиральной трубки и при этом уменьшение активной поверхности частиц, контактирующих с очищаемой средой, не менее чем в два раза. Очевидно, что неподвижно закрепленные на стенке трубки частицы, создают «шершавую» поверхность, склонную к удержанию мелких пылинок в очищаемом воздухе. Периодическая очистка такой поверхности является весьма проблематичной, что сокращает срок службы таких устройств.
Во многих патентах (РФ №104866, №2352382, №2494794 и др.) предлагается исходную газовую смесь, содержащую разлагаемые вещества, непосредственно перед подачей в секцию фотокаталитической очистки прогонять через коронный разряд, в котором происходит ее насыщение ионами, что увеличивает скорость окисления.
Основным недостатком устройств, реализующих такую очистку, является использование фотокаталитических элементов, в которых частицы катализатора тем или иным способом неподвижно закреплены на нейтральных носителях со всеми вытекающими из этого нежелательными последствиями, указанными выше.
Очистка газа, и в частности воздуха, от молекулярных примесей за счет организации фотокаталитического процесса при использовании незакрепленных частиц катализатора является более эффективной. В этом случае необходимо в процессе очистки газа обеспечивать удержание частиц катализатора в фотокаталитическом реакторе во взвешенном состоянии и не допускать вынос частиц потоком очищаемого газа.
Известен (патент RU №33332 U1) электростатический затвор, содержащий систему коаксиально расположенных электродов, один из которых - коронирующий, является внутренним и выполнен в виде стержня, имеющего возможность перемещаться вдоль оси, а внешний электрод выполнен в виде тела вращения с диффузором со стороны входа пылегазового потока.
Сдвигая коронирующий электрод вверх по отношению к внешнему электроду, и подбирая напряжение электрического поля, можно достичь состояния, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы в направлении внешнего электрода, не позволят им подниматься, т.е. выходить вместе с потоком газа из реактора.
Очевидно, что при возможных пульсациях по расходу и давлению потока очищаемого газа и существенной разницы в размерах частиц такое устройство будет работать ненадежно.
Для улавливания частиц катализатора с возможностью их периодического возврата в фотокаталитический процесс могут быть использованы электрофильтры аэрозолей, принцип работы которых раскрыт во многих патентах РФ: №2399427, №2344881, №2337759, №2309004, и других.
С учетом положительных качеств рассмотренных аналогов предлагается полезная модель, техническими задачами которой является разработка устройства для очистки газа, и в частности воздуха, от молекулярных примесей за счет организации фотокаталитического процесса при использовании незакрепленных частиц катализатора. Устройство должно в основном содержать типовые элементы конструкции и быть технологичным в изготовлении и эксплуатации.
Полезная модель может найти применение в химической, машиностроительной, металлургической, горноперерабатывающей промышленности, в теплоэнергетике, строительной индустрии и других отраслях хозяйственной деятельности, связанных с экологией воздушного бассейна
Совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, позволяет достичь желаемого технического результата.
Конструкция предлагаемого устройство для фотокаталитической очистки газа поясняется тремя рисунками:
- Фиг. 1. Общий вид устройства.
- Фиг. 2. Разрез корпуса с видом на цевочное зацепление.
- Фиг. 3. Выпускной коллектор с перекидной заслонкой.
Корпус 1 выполнен в виде неподвижного цилиндрического барабана с горизонтальной осью, торцы которого прикреплены к удерживающим стойкам. Один торец с впускным патрубком 2 через три радиально расположенных стержня, прикрепленных к центральной втулке 3 удерживается на короткой стойке 4. Другой торец с двумя окнами 5 прикреплен таким же образом к длинной стойке 6. Внутри корпуса соосно ему расположен подвижный барабан 7, вращающийся с опорой на ролики 8, по три штуки с каждого торца подвижного барабана. Ролики попарно связаны валами 9, проходящими через закрепленные на торцах корпуса втулки 10. Вал верхней пары роликов связан с мотор-редуктором M1.
Вывод очищенного газа из корпуса осуществляется поочередно через пропущенные в окна 5 наклонные лотки 11 и две вертикальные трубы 12. Зазор между стенками лотка и стенкой торца корпуса герметизируется резиновым кожухом 13, кромки которого приклеиваются к стенкам. Каждая труба в нижней ее части связана хомутом 14 через упругие проставки с поперечиной, прикрепленной к длинной стойке. В трубах по всей их длине соосно расположены электрически изолированные от трубы электроды в виде струны 15. Каждая струна подключена к клемме «минус» высоковольтного блока питания БП, а клемма «плюс» заземлена, т.е. подключена к трубе. Высокое напряжение обеспечивает создание коронного разряда между струной и стенкой трубы, к которой прикреплен электромеханический вибратор 16.
Три находящихся со стороны впускного патрубка в общей плоскости ролика имеют закрепленные по диаметральной поверхности радиально с постоянным шагом пальцы 17, образующие зубчатую шестерню цевочной передачи. Эти ролики-шестерни установлены внутри цевочного колеса 18, образованного двумя плоскими кольцами и связывающими их расположенными по окружности с тем же шагом штифтами, являющимися цевками 19. Цевочное колесо прикреплено к торцу подвижного барабана, и такое же колесо, имеется на другом торце барабана, позволяя ему внутренней поверхностью опираться на три ролика без пальцев.
К верхнему валу по всей длине от ролика до ролика прикреплены четыре плоские лопасти 20, оканчивающиеся щеткой 21 из синтетических волокон, соприкасающихся с внутренней поверхностью барабана в положении, когда лопасть располагается радиально к оси барабана. Щетки двух валов других роликов короче и на этих валах дополнительно закреплены крыльчатки в виде пропеллеров 22.
Второе цевочное колесо 23 меньшего диаметра находится в зацеплении со всеми тремя зубчатыми шестернями и связанно четырьмя стержнями 24 как спицами с валом 25, вращающимся соосно с подвижным барабаном во втулке 3, закрепленной на торце корпуса и стойке 4. На стержнях установлены горизонтально четыре защищенные колбами из кварцевого стекла 26 ультрафиолетовые лампы, к которым через токосъемник ТК кольцевого типа подается напряжение питания ламп по проводам, пропущенным через осевое отверстие в вале и пустотелые стержни.
Две трубы 12, используемые для поочередного выпуска очищенного газа, в верхней части закреплены на удерживаемой стойкой 6 горизонтальной пластине 27 с двумя отверстиями диаметром равным диаметру трубы, и накрыты общим коллектором 28 с патрубком 29 для выпуска вверх очищенного газа. Внутри коллектора располагается перекидная заслонка 30 с герметизирующими прокладками 31, наклеенными с двух ее сторон. Поводками 32, соединенными с валом 33, при его повороте червячным мотор-редуктором М2 на 180° заслонка может переноситься с отверстия одной трубы на отверстие другой трубы. В приводе вала имеется приспособление, обеспечивающее своевременное отключение мотор-редуктора и поджим заслонки, что гарантирует достаточную герметичность закрывания труб. Приспособление состоит из двух полумуфт 34 с прямоугольными прорезями, в которые вложена пружина 35, удерживаемая от выпадения накладками 36 и замыкающая полумуфты между собой. К полумуфтам прикреплены полозковые контакты 37, замкнутые в исходном состоянии и размыкающиеся при повороте полумуфт относительно друг друга. Контакты включены в цепь «стоп» управления магнитного пускателя двигателя М2. Сжатая в момент остановки червячного редуктора пружина обеспечивает поджим заслонки, закрывающей отверстие трубы 12.
Цилиндрический корпус по его длине условно разбит на две части, жестко соединенные кольцевым П-образным каналом 38, который имеет штуцер 39 для подвода в зазор между корпусом и подвижным барабаном воздуха. Давление воздуха задается предусмотренным для этого регулятором 40.
Второй штуцер для подвода воздуха 41 установлен в верхней части подсоединенного к нижнему фланцу каждой выпускной трубы наклонного лотка 11, используемого для прохода очищенного газа в выпускную трубу 12 и ссыпания порошка фотокатализатора из трубы на внутреннюю поверхность подвижного барабана. При этом напротив штуцера расположена внутренняя перегородка 42, приваренная к верхней горизонтальной пластине фланца лотка и его боковым стенкам, образует с наклонной плоскостью днища лотка щель высотой Н для создания струи воздуха, направленной вдоль днища. Для управления подачей воздуха к штуцеру предусмотрен кран 43.
Люк 44 может быть использован для визуального контроля работы ламп, засыпания и удаления порошка катализатора.
Функционирование устройства осуществляется на основе следующих принципов.
При включении привода M1 и вращении зубчатой шестерни цевочной передачи цевочное колесо начинает вращать подвижный барабан. Лежащий на внутренней поверхности барабана порошок катализатора увлекается во вращение и поднимается до момента падения вниз под действием гравитации. Вращающиеся три крыльчатки своими плоскими лопастями увлекают находящийся в корпусе газ во вращательное движение, возникают потоки под действием центробежных сил, вращающиеся пропеллеры создают продольные потоки навстречу газу, поступающему по впускному патрубку в корпус устройства. При этом щетки в момент касания стенки подвижного барабана сбрасывают мелкие частицы, удерживаемые на поверхности барабана силами адгезии. Находящиеся в турбулентных потоках газа мелкие частицы катализатора будут длительное время оставаться во взвешенном состоянии и под действием излучения ультрафиолетовых ламп активно участвовать в фотокаталитическом процессе.
Вращение блока из четырех ультрафиолетовых ламп способствует ссыпанию оседающих на кварцевые колбы частиц, исключая снижение энергии ультрафиолетовых излучений.
Под действием потока поступающего на очистку газа находящийся в корпусе аэрозоль направляется в выходную трубу с открытой заслонкой и попадает в зону коронирующего разряда. Частицы катализатора заряжаются отрицательными ионами и притягиваются к положительно заряженной стенке трубы.
С некоторой опытным путем подобранной периодичностью включается в работу коронирующий электрод второй трубы, перекидная заслонка переносится на выходное отверстие первой трубы и отключается напряжение на ее электроде. После этого производится серия кратковременных включений электромеханического вибратора, установленного на выключенной из очистки газа трубе. Такой режим работы вибратора позволяет всем элементам трубы и лотка проходить режим колебаний с собственными частотами, что способствует созданию хороших условий стряхивания вниз осевших на них частиц. Соединенный с трубой наклонный лоток, при креплении нижней части трубы к поперечине удерживающей стойки через упругие вставки, также будет совершать колебательные движения.
Далее открывается кран подачи воздуха в полость в верхней части лотка. Воздух, проходя через щель высотой Я между перегородкой и днищем лотка, создает направленную вдоль днища струю, сдувающую частицы катализатора в корпус на поверхность вращающегося барабана. После этого кран закрывается.
Подаваемый через регулятор давления, штуцер и П-образный канал воздух поступает в зазор между корпусом и подвижным барабаном и создает на торцах подвижного барабана воздушную завесу, исключающую нежелательное попадание частиц катализатора в зазор. Кроме того, при очистке дымовых газов, содержащих малое количество кислорода, подаваемый в корпус воздух играет положительную роль в образовании отрицательных ионов в коронном разряде. При малой электропроводности частицы катализатора, они осаждаются на стенках трубы для выхода очищенного газа именно за счет зарядки частиц ионами.
Используется устройство следующим образом. Через люк 44 на подвижный барабан 7 засыпается порошок катализатора, люк закрывается и подается напряжение на электрод 15 выходной трубы 12 с открытой заслонкой 30, включается пневмосеть и воздух с установленным регулятором 40 давлением подается через штуцер 39 в зазор между барабаном корпуса 1 и подвижным барабаном. Далее включаются ультрафиолетовые лампы 26 и привод Ml вращения крыльчаток 20 с щетками 21, подвижного барабана 7 и блока ламп 26. Далее через впускной патрубок 2 в корпус подается очищаемый газ, предварительно прошедший очистку от механических частиц, и производится его фотокаталитическая очистка от молекулярных и бактериологических загрязнителей.
После осаждения на внутренней поверхности работающей выпускной трубы 10-20% используемого катализатора подается напряжение на электрод неработающей трубы и приводом М2 заслонка 30 переносится на отверстие ранее работавшей трубы, затем выключается напряжение на электроде этой трубы.
Через 10-15 минут, времени достаточного для стекания электрических зарядов с частиц прилипших к поверхности заземленной ранее работавшей трубы производится серия из 10-15 кратковременных включений электромеханического вибратора 16, закрепленного на отключенной трубе. После этого открывают кран 43 и сдувают частицы катализатора, задержавшиеся на наклонном днище лотка 11 в корпус 1, после чего кран закрывается.
Далее циклы работ между перекладываниями заслонки повторяются, и процесс очистки газа осуществляется непрерывно. Управление приводом перекладывания заслонки, включения и отключения электродов, электромеханических вибраторов и кранов подачи воздуха на очистку лотков может быть автоматизировано.
Предлагаемое устройство имеет легко технологически реализуемую конструкцию, обеспечивающую осуществление фотокаталитического процесса при использовании незакрепленных частиц катализатора и активном их освещении ультрафиолетовыми лампами, что дает существенные преимущества в сравнении с использованием частиц, закрепленных на нейтральных носителях. Таким образом, предлагаемая полезная модель решает поставленные технические задачи.