7.1.2.4. Новые разработки в технике защиты атмосферы

В последние десятилетия широко проводятся исследования по совершенствованию существующих ГОУ, созданию принципиально новых установок, а также комплексных систем очистки, обезвреживания и обеззараживания газовоздушных выбросов с использованием фотокатализаторов, активированных углей, озона, ультрафиолетового излучения, низкотемпературной плазмы, ионитов и других современных средств. Ниже приводятся некоторые перспективные разработки в области защиты атмосферного воздуха.

Технология фотокаталитической обработки воздуха основана на сложных физико-химических реакциях разложения молекул вредных веществ до безвредных компонентов чистого воздуха. Реакция разложения происходит на фотокаталитическом слое при облучении его источником ультрафиолетового излучения в биологически безопасном диапазоне частот (320-400 нм). При этом материал фотокаталитического слоя не расходуется и не требует замены.

Фотокаталитический способ позволяет очищать воздух от пыли и копоти, а также от различных токсических веществ, например, таких, как оксиды углерода, азота, фенол, формальдегид, хлор- и кислородосодержащие углеводороды, соединения метана, аммиак, сероводород и др., очистка воздуха от которых затруднена. Кроме очистки, новый метод позволяет обеззараживать воздух в закрытых помещениях, уничтожая различные болезнетворные микроорганизмы и разлагая молекулы загрязняющих веществ. Эффективность фотокаталитического обеззараживания воздуха в 10-1100 раз превышает этот показатель для ультрафиолетовой обработки. При совмещении первичной адсорбционной фильтрации и тонкой фотокаталитической очистки воздуха в одном аппарате позволяют обеспечить чистоту воздуха производственных, жилых, общественных помещений, а также мест массового скопления людей.

Например, фотокаталитический фильтр воздуха «АЭРОЛАЙФ КФУ 2-450» позволяет очистить и обезвредить ГВВ от оксидов углерода, азота на 60, ароматических углеводородов, бензопирена – 90, пыли с размерами 3-4 мкм – 90; пыли с размерами более 4 мкм, а также бактерий, вирусов и спор – на 99%.

Определенный интерес представляет технология очистки воздуха в коронном высоковольтном электрическом разряде, т.е. используя природное явление, когда при определенных погодных и геомагнитных условиях возникают грозовые облака и разряды молний (электрический разряд в газах), что вызывает образование озона. Подобный естественный, немеханический принцип работы реализован в малогабаритных аппаратах «PlazmaiR» российского производства, которые позволяют не только очищать воздух от различных загрязняющих примесей размерами от 0,01 до 100 микрон, но и непрерывно обогащать воздух отрицательными ионами. В газоразрядных блоках аппарата «PlazmaiR» в результате газового разряда образуются электроны, которые бомбардируют молекулы загрязнителей, разрывая межмолекулярные связи. При этом в большом количестве выделяется озон, который окисляет все вредные примеси и превращает их в воду и углекислый газ. Кроме того, он уничтожает бактерии, вирусы, грибки, плесень. Через некоторое время избыточный озон разлагается и превращается в кислород.

Аппараты для промышленной очистки воздуха «PlazmaiR Standart» уникальны тем, что в них используется трехступенчатая технология очистки воздуха. На начальном этапе происходит механическая очистка, затем воздух попадает в камеру с низкотемпературной плазмой, а на конечном этапе – в каталитический фильтр, который доводит степень очистки воздуха до 90-95%. В качестве катализаторов используют блоки из пенометаллов.

В модельном ряду «PlazmaiR» есть устройства для обработки производственных, бытовых помещений, помещений заведений общественного питания и др. Предлагаются стандартные плазменные установки для очистки воздуха от вредных веществ на производственных объектах с концентрациями от 350 до 1000 мг/м³; модели, предназначенные для очистки воздуха на производственных объектах от вредных веществ с концентрациями свыше 1000 мг/м³; для очистки приточного и рециркуляционного воздуха в бытовых и общественных помещениях с содержанием вредных веществ до 200 мг/м³. Для каждого конкретного случая подбираются состав катализатора и комплектация установки.

В Российской Федерации разработано комплектное оборудование для очистки воздуха с применением газоразрядно-каталитической технологии. Принцип действия промышленной системы очистки газов «Газоконвертор «Ятаган» основан на комбинированном воздействии объёмного барьерно-стриммерного разряда мультирезонансной частоты, озона, атмосферного кислорода и каталитического воздействия на молекулы газообразных загрязнений. При пропускании загрязненного воздуха очистка, как и при работе аппарата «PlazmaiR», производится в несколько стадий:

 Предварительная фильтрация   от взвешенных пылевых и аэрозольных частиц.

 Газоразрядная очистка. Очищаемый воздух, проходя через ячейки газоразрядного блока, подвергается воздействию объёмного барьерно-стриммерного разряда высокой частоты и напряжения. Конструкция газоразрядных ячеек разработана таким образом, чтобы загрязняющие вещества проходили через зону разряда не менее 5 раз. Вследствие воздействия этого и других физико-химических факторов происходит деструкция молекул, возбуждение образовавшихся атомов и радикалов. Одновременно происходит образование озона из кислорода воздуха. В результате физико-химических реакций происходит окисление образовавшихся атомов и радикалов озоном и кислородом воздуха до безвредных СО₂ и Н₂О. Особенностью этой стадии является низкая чувствительность к концентрации загрязнений в очищаемом воздухе и крайне малое энергопотребление (не более 0,12 Вт/м³). Параметры питания  газоразрядных ячеек  и их конструкция обеспечивают полную деструкцию молекул органических загрязнений без разложения молекул азота  с образованием его оксидов.  

      Каталитическая очистка необходима для полной очистки воздуха от загрязнений и окончательного удаления из него ядовитых и неприятнопахнущих веществ.

Газоразрядно-каталитическая очистка воздуха является более совершенным методом, чем плазмокаталитическая, из-за того, что в ней используется более широкий спектр разрядов в газах (табл. 7.7).

Таблица 7.7. Степень очистки в газоконверторах «Ятаган»

Обезвреживание газовоздушной смеси, содержащей в основном фракции углеводородов С6-С10 (с концентрацией до 20000 мг/м³), фенол – до 10 мг/м³ может производиться путем каталитического дожига органических веществ по технологии датской компании «Хальдор Топсе» на компактной установке каталитического обезвреживания газовых выбросов «Катокс». Эффективность обезвреживания составляет более 99%.

Очистители воздуха «BioZone» (США), использующие современные достижения нанотехнологии, уничтожают загрязнения и запахи в месте их возникновения. Очистка воздуха протекает в два этапа: в самом приборе – фотокаталитическим способом – и вне прибора – очищающей фотоплазмой, поступающей в помещение и циркулирующей в нем. Очищающую фотоплазму в приборах «BioZone» вырабатывает уникальная полихроматическая лампа, при этом отсутствуют требующие замены фильтры и картриджи.

Фотоплазма безопасна для человека, растений и животных, инактивирует бактерии, вирусы и споры плесени; уничтожает неприятные запахи, пылевых клещей и продукты их жизнедеятельности; расщепляет на углекислый газ и воду любые летучие органические молекулы.

Сочетание фотокаталитического и фотоплазменного методов борьбы с загрязнениями воздуха является самым действенным способом очистки воздуха на молекулярном уровне от всевозможных запахов, позволяет уничтожить практически все бактерии и вирусы и дезинфицировать само помещение. Прибор «BioZone», установленный на входе приточной вентиляционной системы, препятствует росту грибков и плесени в каналах системы. Производительность устройства по воздуху составляет до 1000 м³/час (в зависимости от модели). Применяется на предприятиях пищевой промышленности для очистки воздуха в производственных помещениях, в частности на молочных комбинатах для стерилизации воздуха, нагнетаемого в зону розлива молока на фасовочном оборудовании. Таким образом, создаются «чистые помещения» и обеспечивается микробиологическая чистота продуктов.

Абсорбционно-биохимическая установка (АБХУ), разработанная в Белорусском национальном техническом университете, предназначена для мокрой очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных, покрасочных, деревообрабатывающих, мебельных, химических и других производствах (рис. 7.2). Эффективность очистки воздуха от триэтиламина, фенола, формальдегида, фурилового спирта, фурфурола составляет 96-99,9%; изоцианатов, метанола, цианидов, уайт-спирита, ксилола, толуола, бутилацетата, этилацетата, акролеина, аммиака – 70-96%; смолистых включений окрасочной аэрозоли и взвешенных веществ – 99,9%.

Рис. 7.2 Принципиальная схема абсорбционно-биохимической установки очистки

вентиляционного воздуха: 1 – вентилятор; 2 – абсорбер; 3 – массообменная решетка;

4 – биореактор; 5 – насос; А – абсорбент; В – вентиляционный воздух; АД – абсорбционные добавки; БД – биогенные добавки; СВ – сжатый воздух

Преимуществами установки являются низкие эксплуатационные затраты, простота и надежность эксплуатации, отсутствие сточных вод.

АБХУ для очистки вентиляционного воздуха находятся в постоянной эксплуатации в течение более 10 лет на ПО «МТЗ», РУП «МАЗ», ОАО «ФанДОК», ОАО «БКК», АО «АВТОВАЗ», АО «ЧАЗ» и т.д.

Институт радиационных физико-химических проблем НАН Беларуси предлагает установку по улавливанию и нейтрализации органических примесей из промышленных газовых выбросов (рис.7.3).

Рис. 7.3 Принципиальная схема установки по очистке промышленных выбросов

от органических примесей

Принцип работы установки основан на поглощении водным раствором органических включений с их последующей микробиологической нейтрализацией в биореакторах.

В лаборатории адсорбционно-каталитических систем очистки и сжигания Академического Научного Комплекса ИТМО НАН РБ разработана термокаталитическая установка УТК-2,5 с глубокой регенерацией теплоты для очистки газов от ПГУ (рис.7.4). Установка отличается от аналогов рядом новых технических решений, которые основаны на выполненных в лаборатории исследованиях по каталитическому горению, теплообмену и численному моделированию процессов в установках подобного типа.

Установка состоит из двух теплоаккумулирующих блоков, блока катализатора, электронагревателей, газовых клапанов, вентилятора, системы автоматического управления. Характеристики установки и ряда аналогов приведены в табл. 7.8.

Рис. 7.4 Принципиальная схема термокаталитической установки очистки газов

с глубокой регенерацией теплоты: 1 – корпус установки; 2 – теплоаккумулирующая

насадка; 3 – катализатор; 4 – электронагреватель; 5 – переключающий клапан; 6 – вентилятор

Таблица 7.8. Технические характеристики установок очистки ГВВ

Показатели	CHEMADEX (Польша)	УНК (Институт катализа АН РФ)	REGENOX (Дания)	ADTEC (Швеция)	УТК-2,5 (ИТМО НАН РБ)
Производительность, м3/ч	1000-12000	25000	-	5000	2500
Степень очистки газов, %	92-95	99	96-98	98	95-98
Температура в зоне конверсии газов, °С	420-600	400-450	250-350	850-950	400-450
Время между переключениями, с	60-300	-	180-300	30-40	20-40
Общий расход электроэнергии при содержании толуола 0,3 г/м3, кВт/1000 м3	6,9	4,4	-	6,9	3,6

Коагуляционный центробежный сепаратор разработан в научно-исследовательской лаборатории очистки и утилизации выбросов промышленных предприятий НИЛ «Экопром» БНТУ и предназначен для мокрой очистки запыленных технологических воздушных потоков, абсорбции газовых примесей, а также охлаждения, увлажнения и осушки воздуха (рис. 7.5). Может применяться в различных отраслях промышленности, в частности, для улавливания микроорганизмов из дрожжерастительных аппаратов. Коагуляционный центробежный сепаратор внедрен на Бобруйском гидролизном заводе на дрожжерастительном аппарате ДРА-600.

Рис. 7.5. Принципиальная схема коагуляционного центробежного сепаратора:

1 – диспергирующее устройство; 2 – коагулятор-конфузор;

3 – центробежный сепаратор

Интересная установка предложена для очистки, обезвреживания, обеззараживания и дезодорации ГВВ очистных сооружений (рис. 7.6).

Воздух вентилятором направляется в насадочную часть установки 1, где осуществляется его контакт с раствором гипохлорита натрия для дезинфекции, дегазации и дезодорации. Далее воздух через трубы прямой подачи 2 продавливается в барботажную часть установки для осуществления вторич­ного контакта пузырьков воздуха с раствором и через каплеотделитель выбрасывается в атмосферу. Циркуля­ция раствора производится с помощью насоса 5. При сливе жид­кости по сборному поддону в трубы водоструйной эжекции 4 происходит засасывание части воздуха. Последующее всплывание пузырьков воздуха обеспечивает перемешивание содержимого барботажной части 3 и обновление поверхности контакта фаз «газ – жидкость». Подпитка новым раствором произ­водится через камеру смешения 6. Эксплуатация установки мокрой обработки ГВВ показала высокую эффективность.

Рис. 7.6. Схема аппарата мокрой обработки ГВВ

Эффективную работу с минимальными затратами электроэнер­гии обеспечивает установка для каталитической очистки газовоздуш­ных выбросов промышленных предприятий от токсичных и горючих загрязнений. Установка содержит теплообменник, нагреватель и ка­талитический нейтрализатор, которые соединены последовательно по ходу движения очищаемых ГВВ и помеще­ны внутрь теплонакопительного устройства. Выход нейтрализатора подсоединен к теплообменнику. Теплообменник служит для пред­варительного подогрева вновь поступающих в него очи­щаемых ГВВ уже очищенными выбросами. Теплонакопительное устройство снабжено датчиками температуры теп­лонакопительного материала и температуры очищенного воздуха и системой нагрева, связанными с системой регулирования.

На этой основе Российская фирма «ЭКОсервис-НЕФТЕГАЗ» серийно выпуска­ет установки «Форсаж-1», которые позволяют утилизировать горю­чие органические отходы в газовоздушных выбросах методом сжи­гания. В установке «Форсаж-1», работающей от переменного тока на­пряжением 220 В и частотой 50 Гц, сжигаются нефтесодержащие от­ходы, бумажные и древесные частицы и другие горючие материалы.