СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
METHOD AND DEVICE FOR PLASMACHEMICAL TREATMENT OF GASES FOR REMOVAL OF ORGANIC IMPURITIES

Область использования
Изобретение относится к пищевой и биоэнергетической промышленностям и может быть использовано для очистки газообразных отходов производства соответствующих продуктов с целью обеспечения экологической безопасности газовых выбросов в атмосферу.
Одним из следствий техногенного влияния на окружающую среду является заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. Эти обстоятельства обусловливают жесткие требования, предъявляемые к производственным выбросам в атмосферу и содержанию загрязнений в атмосферном воздухе. Отсутствие эффективных способов очистки часто сдерживает развитие производства, так как проекты не могут пройти современную жесткую экологическую экспертизу. Газ и легкие органические вещества во многих производственных процессах должны быть обработаны до их выброса в атмосферу или вторичного использования. Для обезвреживания отходящих газов от газообразных загрязняющих веществ обычно применяют термические, термокаталитические, абсорбционные и адсорбционные методы очистки. Выбор метода зависит от концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания в нем примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки и других факторов.
Несмотря на значительное количество известных методов очистки газов, все они обладают определенными недостатками. Кроме того, существует ряд технологических процессов, проводимых при давлении ниже атмосферного и в присутствии паров воды. Например, при дезодорации масел производится откачка рабочего объема дезодоратора до давлений 2-10 мм. рт.ст.(Торр). В условиях пониженных давлений проблематично применение термических и термокаталитических методов, так как теплопроводность газа в рассматриваемом диапазоне давлений практически постоянна, в то время как скорость бинарных химических реакций падает пропорционально квадрату плотности молекул среды. Поэтому получающуюся при таких технологических процессах загрязненную газопаровую смесь переводят в повышенное давление с использованием разного типа эжекторов и охлаждают. В процессе повышения давления и охлаждения, как правило, загрязненный пар конденсируется, разбавляется водой, и общее его количество увеличивается иногда в десятки раз при уменьшении концентрации загрязнителя, что существенно усложняет и удорожает очистку от него.
Известен принятый в качестве прототипа настоящего изобретения способ плазмохимической очистки газов от органических загрязнений путем пропускания указанных газов через область объемного высоковольтного электрического разряда и соответствующая установка, содержащая газоразрядную камеру с входным патрубком для ввода очищаемого газа и выходным патрубком для вывода очищенного газа (RU 18569, B03C 3/00, 27.07.2012). Использование плазмохимической очистки газов в принципе позволяет устранить перечисленные недостатки традиционных способов. Вместе с тем, принятое согласно указанному прототипу высокое напряжение питания газоразрядного устройства (5…30 кВ) предполагает его работу при атмосферном давлении. На это же указывает и снабжение электродов газоразрядного устройства шипами, так как вблизи острых концов шипов увеличивается напряженность электрического поля, что при высоком давлении обрабатываемого газа позволяет облегчить условия возникновения в нем электрического пробоя. Однако высокая энергетическая нагрузка на шипы определяет их низкий ресурс, а высокая неоднородность электрического поля затрудняет создание оптимальных условий для организации в разряде необходимых электрохимических процессов.
Раскрытие изобретения
Достигаемым техническим результатом изобретения является уменьшение энергозатрат и повышение эффективности плазмохимической очистки газов от органических загрязнений в присутствии водяных паров с возможностью изменения режимов процесса для его оптимизации.
Указанный техническим результат обеспечивается тем, что в способе плазмохимической очистки газов от органических загрязнений путем пропускания указанных газов через область объемного высоковольтного электрического разряда согласно изобретению плазменную обработку газа производят при давлении ниже атмосферного, а в область электрического разряда дополнительно вводят окислитель и гранулированный катализатор. При этом оптимальный диапазон произведения давления газа на величину разрядного промежутка при их плазмохимической обработке составляет 2…10 см·Торр. Высоковольтный электрический разряд по одному из возможных вариантов реализации способа можно осуществлять при постоянном напряжении 0,5…5 кВ в непрерывном режиме. По другому варианту высоковольтный электрический разряд можно осуществлять в частотно-импульсном режиме с импульсами, имеющими форму, близкую к прямоугольной, при частоте их следования 30…1000 кГц и напряжении в импульсе 2…5 кВ. Еще по одному из вариантов при осуществлении электрического разряда в непрерывном режиме на высоковольтное постоянное напряжение дополнительно можно наложить инициирующие импульсы длительностью 0,01…1 мкс при частоте их следования 30…1000 кГц.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками способа согласно изобретению и его указанным техническим результатом заключается в следующем. Во-первых, как уже отмечалось выше, в ряде пищевых и биологических производств используются технологии, применяемые при пониженном давлении. Например, при дезодорации масел производится откачка рабочего объема дезодоратора до давлений 2-10 Торр. При таких низких давлениях нет необходимости производить плазмохимическую очистку отходящих газов при высоких напряжениях на электродах газоразрядного устройства, что существенно упрощает возможность создание однородного объемного разряда с высокой эффективностью организации протекающих процессов. Во-вторых, подача окислителя в зону образуемой при указанном разряде низкотемпературной плазмы и размещение в ней гранулированного катализатора обеспечивает высокую степень активности протекания процесса окисления органических примесей в обрабатываемых газах при оптимальных для работы катализатора условиях (подробнее - см. ниже). В-третьих, возможностью изменения режимов процесса для его оптимизации, что обеспечивается за счет подбора оптимального режима подачи высоковольтного напряжения на электроды разрядного устройства (непрерывный, частотно-импульсный, комбинированный с наложением инициирующих импульсов на постоянное напряжение непрерывного режима), а также за счет регулирования подачи окислителя в зону разряда.
Следует отметить, что согласно указанному прототипу тоже предусматривается использование катализатора, но за пределами газоразрядной камеры на пути очищенного газового потока для нейтрализации образующегося под действием электрического разряда озона, в чем нет практической необходимости, так как озона при ионизации воздуха образуется сравнительно немного тем более, что речь идет не о специально подаваемом окислителе (чего прототип не предусматривает), а об присутствующем в отходящих газах атмосферном воздухе. Окислитель же, подаваемый согласно изобретению в плазменную реакционную зону электрического разряда, нейтрализовать на выходе тоже нет необходимости, так как его потребное количество определяется стехиометрическим соотношением реакции окисления органических примесей и в каждом конкретном случае может быть рассчитано с достаточной точностью.
Конструктивно достигаемый изобретением указанный выше технический результат обеспечивается тем, что установка для плазмохимической очистки газа от органических загрязнений, содержащая газоразрядную камеру с входным патрубком для ввода очищаемого газа и выходным патрубком для вывода очищенного газа согласно изобретению дополнительно содержит подключенный к указанной камере вакуумный насос, помещенный внутри газоразрядной камеры в области разряда катализатор и устройство для распределенного подвода к нему окислителя. При этом катализатор может представлять собой установленные последовательно в области разряда по меньшей мере одну диэлектрическую сетчатую коробку с засыпанными в нее каталитическими элементами в виде гранул носителя с каталитическим покрытием, а указанная сетчатая коробка одновременно выполняет роль распределителя подачи окислителя к каталитическим элементам.
Причинно-следственная связь между указанным техническим результатом и отличительными признаками установки согласно изобретению состоит в том, что подключенный к газоразрядной камере вакуумный насос обеспечивает за счет создания в плазменной зоне давления ниже атмосферного, что упрощает возможность создание однородного объемного разряда с высокой эффективностью организации протекающих процессов, устройство для распределенного ввода в указанную камеру окислителя за счет его равномерного распределения в реакционной зоне дополнительно повышает эффективность процесса окисления органических примесей, а помещенный внутри газоразрядной камеры в области разряда катализатор способствует интенсификации этого процесса.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг.1 приведены экспериментально полученные зависимости напряжения зажигания электрического разряда для различных газов от давления и от величины разрядного промежутка (кривые Пашена); на фиг.2 - рассчитанные на основе решения кинетического уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергии балансы энергии в плазме электрического разряда в парах воды; на фиг.3 схематично показано усиление электрического поля помещенными в него конденсированными частицами; на фиг.4 - график максимального перенапряжения, возникающего возле шарообразной частицы в электрическом поле в зависимости от ее диэлектрической проницаемости; на фиг.5 - схема установки для плазмохимической очистки газов согласно изобретению.
Подробное описание способа
Процесс очистки (нейтрализации) органических примесей в газах осуществляется посредством неравновесного (при температуре электронов, существенно превышающей температуру газа) окисления органических веществ до двуокиси углерода и воды, в связи с чем практически пары воды в обрабатываемом газе всегда присутствуют.
Основополагающим условием выбора способа создания объемной плазмы в рабочей среде является состав и плотность ее молекул. При значении давления рабочей среды 2…10 Торр реализуются оптимальные условия для организации объемного горения электрического разряда, что следует из экспериментально полученных кривых Пашена (фиг.1). Эти кривые характеризуют зависимость напряжения (V) зажигания электрического разряда для различных газов от проиведения (pd) давления (р, Торр) и величины (d, см) разрядного промежутка. Для паров воды опубликованные данные по кривым Пашена, к сожалению, отсутствуют и на фиг.1 не приведены. Однако по полученным заявителями изобретения данным, на основе расчета характеристик плазмы электрического разряда в парах воды можно сделать заключение, что минимум кривой Пашена в этом случае будет лежать в районе 1…3 см·Торр.
-16
2
-16
2
-16
2
-16
2
Из приведенных на фиг.2 балансов энергии в плазме электрического разряда в парах воды видно, что при значениях параметра E/N (Е - напряженность электрического поля, создаваемого в среде обрабатываемых примесей, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме) меньших примерно 4·10 В·см (что характерно для дуговых разрядов) основная доля вкладываемой энергии идет на возбуждение вращательных степеней свободы молекул воды и на процессы их упругого столкновения. Эта энергия быстро преобразуется в энергию хаотического теплового движения молекул. Эффективность ввода энергии с образованием радикалов через процессы диссоциации молекул воды наибольшая в районе значений параметра E/N от 6·10В·см до 10·10 В·см. Эта область приведенных напряженностей электрического поля наиболее интересна для осуществления плазмо-химических превращений в парах воды. Наличие органических загрязнителей может исказить представленную картину, однако, при соответствующем действительности содержании этих загрязнителей менее 10% сделанные выше выводы могут быть применены при выборе параметров для организации плазменного разрушения органических загрязнителей в парах воды. Исходя из рассчитанного баланса энергии электронов в плазме в парах воды, можно сделать заключение о необходимости работы при значениях приведенной напряженности электрического поля E/N=(6…10)·10 В·см. Названные условия являются ключевыми для выбора в способе согласно изобретению параметров и режимов газового разряда.
Весьма перспективным представляется помещение гранул катализатора в область низкотемпературной плазмы. Условия для возникновения предионизационной микродужки реализуются только в узкой окрестности гранулы катализатора, так как перенапряженность поля резко (пропорционально третьей степени) уменьшается при увеличении расстояния от нее. На фиг.3 схематично показано усиление электрического поля между катодом К и анодом А конденсированными частицами, помещенными в поле. Это явление связано с искажением внешнего электрического поля наведенным в конденсированной диэлектрической частице дипольным моментом, обуславливающим возникновение пробивного электрического поля в окрестности частицы. В отдельных областях пространства вблизи такой частицы локальная напряженность электрического поля может достигнуть величин, существенно превышающих напряженность исходного поля (фиг.4). Возникновение локального электрического разряда в непосредственной близости от поверхности гранулы катализатора активизирует процесс образования радикалов, приводящих к зарождению цепных реакций и способствующих интенсификации плазмо-химических процессов на поверхности катализатора. Как видно из фиг.4, максимальное перенапряжение возле шарообразной частицы в электрическом поле зависит от ее диэлектрической проницаемости. Даже при рядовых значениях диэлектрической проницаемости порядка 2…3, которой обладает абсолютное большинство диэлектриков, возникает перенапряженность поля, превышающая 1,5, что достаточно для создания условий возникновения локализованной вблизи катализатора плазмы. В качестве модели обычно рассматривают сферические частицы. В то же время для частиц, обладающих острыми выступами или же для сростков крупной частицы с мелкой такая перенапряженность может быть значительно больше. Из этого следует, что, введение в плазму катализатора в гранулированном виде позволяет значительно повысить эффективность плазмохимической нейтрализации органических примесей в обрабатываемом газе.
Таким образом, наличие свободных низкоэнергетических электронов с энергией в несколько эВ в низкотемпературной плазме является источником эффективных каналов преобразования электрической энергии, вложенной в электроразрядную плазму от источника питания, в энергию разрыва химических связей. Образующиеся радикалы позволяют осуществлять реакции окисления органических загрязнителей в условиях недоступных для обычных термических и термокаталитических процессов.
Подробное описание установки Установка для плазмохимической очистки газа от органических загрязнений согласно изобретению содержит (фиг.5) газоразрядную камеру 1 с входным патрубком 2 для ввода очищаемого газа и выходным патрубком 3 для вывода очищенного газа. К камере 1 подключен вакуумный насос 4, а внутри нее установлены в данном примере две последовательно расположенные пары разнополярных электродов 5, 6, выполненых в виде стержней, собранных в плоскости. Стержни электродов противоположной полярности расположены перпендикулярно друг другу и подключены к соответствующим полюсам высоковольтного блока 7 питания. В области электрического разряда между каждой парой разнополярных электродов 5, 6 помещен катализатор, представляющий собой диэлектрическую сетчатую коробку 8 с засыпанными в нее каталитическими элементами 9 в виде гранул носителя с каталитическим покрытием, в качестве которого могут быть использованы, например, металлы платиновой группы или их соединения. В зону расположения каждого катализатора предусмотрена подача от баллона 10 распределенного потока окислителя, преимущественно кислорода или озона. При этом роль распределителя может выполнять сетчатая коробка 8 катализатора. В выходной части газоразрядной камеры 1 может быть установлен блок 11 дополнительной очистки обрабатываемого газа, например, электроразрядный или сорбционный фильтр.
Работа установки Работа установки по способу согласно изобретению осуществляется следующим образом. Очищаемый газ подается в предварительно вакуумированную с помощью вакуумного насоса 4 газоразрядную камеру 1 через входной патрубок 2, проходит в ее плазмообразующее разрядное пространство, пересекая подключенные к высоковольтному блоку 7 питания электроды 5, 6 и слои гранул каталитических элементов 9, помещщенных в диэлектрических сетчатых коробках 8, где осуществляется основная реакция окисления органических загрязнителей. В каждом каталитическом слое организован распределенный подвод из баллона 10 газообразного окислителя. Высоковольтный блок 7 питания подает на электроды 5, 6 газоразрядной камеры 1 управляемое постоянное и/или импульсно-периодическое напряжение с частотой следования импульсов 30…1000 кГц. Управление режимом горения электрического разряда осуществляется посредством изменения длительности прямоугольных импульсов в диапазоне (10…90) % заполнения периода их следования и величины инициирующего короткого импульса длительностью в диапазоне 0,1…1 мкс, подаваемого на фронте основного силового импульса или постоянного напряжения. Амплитуда предимпульса меняется до двух раз по отношению к амплитуде основного импульса. Амплитуда силового импульса может быть в диапазоне 2…5 кВ. Параметры импульсов меняются системой управления, исходя из анализа импульса тока, характеризующего процессы, протекающие в плазме, имеющей высокую неравновесность. Температура ее нейтральной компоненты, например, не превышает несколько сотен градусов Цельсия, в то время как температура электронов достигает (10000…50000)°C. Высокая плотность радикалов приводит к интенсивному протеканию неравновесных реакций.
Поток очищаемого газа на последней стадии может проходить через блок 11 дополнительной очистки, после чего выводится из установки через выходной патрубок 3.
Промышленная применимость Изобретение может быть использовано, в частности, при дезодорации пищевых продуктов, являющейся завершающей стадией рафинации любого жира. Особое значение этот процесс имеет при производстве маргариновой продукции и в консервной промышленности. Дезодорация имеет целью получение обезличенных по вкусу и запаху жиров, а также полное удаление из них пестицидов и других токсичных органических примесей. Замена существующей технологии дезодорации, требующей большого расхода оборотной воды и применения многоступенчатой очистки разбавленного большим количеством воды выпара, плазмохимической очисткой согласно настоящему изобретению позволяет существенно уменьшить себестоимость производства пищевых продуктов.