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»

Вещество	Степень очистки, %	Вещество	Степень очистки, %
Озон	95	Толуол	90
Масляная кислота	98	Формальдегид	99
Акролеин	97	Фенол	99
Аммиак	99	Нефтепродукты	90
Ацетон	99,9	Угарный газ	99,9
Бензол	92	Этанол	99,9
Бутанол	96	Ароматические углеводы	95
Гексан	99	Стирол	99

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, м^3/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/м^3, кВт/1000 м^3	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.