способ очистки промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных примесей и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ очистки промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных примесей, имеющих парциальное давление ниже давления насыщения, включающий непрерывную прокачку газа через зону воздействия ионизаторов с образованием в газе заряженных частиц под действием ионизаторов, отличающийся тем, что скорость прокачки и интенсивность ионизации газа регулируют так, чтобы общее число ионов, созданных в зоне ионизации, находилось в соотношении 1 ион на 2 - 6 молекул примесей, образующийся аэрозоль, состоящий из сконденсированных примесей, затем удаляют из газа в зоне, где размер и масса частиц указанного аэрозоля максимальные.

2. Устройство для очистки промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных веществ, имеющих парциальное давление ниже давления насыщения, содержащее генератор для образования заряженных частиц в очищаемом газе, систему прокачки газа и ионизационную камеру, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит коагуляционную камеру и систему непрерывного удаления аэрозоля из очищаемого газа, соединенные последовательно с камерой ионизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области защиты окружающей среды и может быть использовано на промышленных предприятиях для очистки газовых выбросов от паров токсичных жидкостей. Известны различные химические способы очистки воздуха от паров токсичных жидкостей, в частности окисление органических примесей на гетерогенных катализаторах, адсорбционные и абсорбционные методы (Матрос Ю.Ш., Носков А.С., Чумаченко В.А. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств. Новосибирск: Наука, 1991. 224 с). К числу физико-химических следует отнести конденсационные методы очистки ("Способ и устройство для удаления загрязнений из дымовых газов" - патент США 5346674, B 01 D 53/02; "Способ удаления парообразных веществ из воздуха и технических газов" - заявка ФРГ 4303670, F 25 J 3/08, F 25 B 9/06).

Согласно способам, предложенным в указанных источниках, очистка газа осуществляется посредством конденсации паров удаляемых органических и неорганических веществ с последующим удалением капель или увлажненного сорбента. Конденсация паров осуществляется при охлаждении потока очищаемого газа до температуры конденсации удаляемых веществ. В качестве хладагента используется, например, жидкий азот (патент США 5346674). Глубина процесса очистки будет определяться величиной давления насыщенных паров при температуре, до которой охлаждается очищаемый газ. При очистке газа от легколетучих веществ требуется значительное снижение температуры. Кроме того, эти методы трудно реализуемы и экономически невыгодны при больших объемах выбросов.

Существуют также процессы плазмохимической очистки воздуха с использованием различных видов электрических разрядов, например дугового ("Узел очистки потока воздуха от химических загрязнений" - патент США 5380355, B 03 C 3/10). Удаление загрязнений из воздуха согласно патенту основано на реакциях окисления примеси, инициируемых радикалами, озоном и возбужденными молекулами в газовой фазе. Применение плазмохимических методов позволяет добиться высокой степени очистки, однако "энергетическая стоимость" удаления одной молекулы оказывается высокой, что ограничивает широкое применение этих методов.

Примером совместного использования электрофизических методов и явления конденсации является патент США 3564457, B 03 C 3/16 - "Аппарат для электростатической очистки газа". Согласно предложенному здесь способу, отходящие газы подвергаются быстрому охлаждению водой или разбавленной серной кислотой, для концентрации примесей и насыщения газа водой. При охлаждении газа происходит образование перенасыщенных паров удаляемых веществ и воды, которые конденсируются и поступают в конденсатор, где частицам и каплям сообщается электростатический заряд. Частицы осаждаются на стенках конденсатора и смываются жидкостью. Конденсация пара будет продолжаться до тех пор, пока его давление не станет равным давлению насыщения при данной температуре, этим и будет определяться эффективность очистки. Эффективность очистки будет повышаться при охлаждении газа до более низких температур, однако это ограничивается техническими и экономическими факторами, особенно для очистки больших объемов очищаемого газа.

Наиболее близким к заявляемому способу может являться способ очистки промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных примесей, имеющих парциальное давление ниже давления насыщения, описанный в материалах семинара (Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. -М.: ИВТАН, 1991, с.37-41), в котором осуществляется очистка промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных примесей, имеющих парциальное давление ниже давления насыщения, включающий непрерывную прокачку газа через зону воздействия ионизаторов с образованием в газе заряженных частиц под действием ионизаторов.

Задачей настоящего изобретения является снижение энергоемкости процесса очистки газа от паров, содержащих, например, токсичные вещества, имеющие парциальное давление ниже насыщения при данной температуре.

Поставленная задача может быть решена путем создания в очищаемом потоке газа заряженных частиц (ионов), причем скоростью прокачки и интенсивностью ионизации, общее их количество регулируется в пределах 1 ион на 2-6 молекул примеси. Ионы служат центрами конденсации молекул примеси в микрокапли. После выхода газа из зоны воздействия ионизаторов при рекомбинации ионов происходит коагуляционный рост микрокапель, а образующийся аэрозоль непрерывно удаляется из газа.

Физическую суть процесса конденсации ненасыщенного пара можно описать следующим образом. Известно, что ионизация газа приводит не только к образованию радикалов и протеканию химических реакций окисления, но и вызывает конденсацию паров. Центрами конденсации служат ионы, причем образование микрокапель на зарядах происходит даже в условиях ненасыщенного газа. Размеры этих капель составляют единицы нанометров, а количество молекул в капле - около 30 (см., например, Н.Дас Гупта, С.Гош. Камера Вильсона и ее применение в физике. Изд. Иностр. литературы, 1947, с.25 и далее).

Известно также, что "энергетическая стоимость" создания одного иона составляет 12-15 эВ для случая ионизации газа электронными пучками и 20 - 30 эВ для случая ионизации газа разрядами (см., например, Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Радиолиз жидкостей и газов. -М.: Наука, 1986, с.8; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. -М.: Наука, 1987, с.125). Таким образом "энергетическая емкость" конденсации одной молекулы пара составит 0,5 - 1 эВ, что на 1,5 - 2 порядка ниже, чем "энергетическая стоимость" окисления.

В наших экспериментах показано также, что при рекомбинации ионов происходит коагуляционный рост капель и они могут достигать размеров от 1 до 10 мкм, что достоверно регистрируется с помощью оптических методов зондирования аэрозоля. Такие капли могут быть удалены из газа с помощью хорошо известных методов очистки газа от частиц (в частности аэрозольных). Процессом, противодействующим конденсации пара, является испарение с поверхности капель, поскольку окружающий пар является ненасыщенным, поэтому реальная "энергетическая стоимость" конденсации превышает теоретические оценки, однако, при подборе условий ионизации, для различных температур газа и видов удаляемых паров, она может составлять 5 - 15 эВ на удаляемую молекулу, при этом необходимо создавать в газе 1 ион на 2-6 удаляемых молекул. Эти цифры получены нами экспериментально, часть соответствующих опытов описана ниже.

Для создания необходимой концентрации заряженных частиц в очищаемом газе нами был использован импульсный коронно-стримерный разряд, могут быть также использованы другие виды электрических разрядов, создающих неравновесную низкотемпературную плазму, такие как барьерный, коронный, тлеющий и др.; может использоваться также инжекция в газ электронных пучков.

Для удаления образованного аэрозоля из газа нами использован метод абсорбции на водяных каплях (скруббер). Разработанность этого метода позволяет нам не решать в рамках поставленной задачи проблему выделения абсорбированной примеси из воды. В качестве других способов удаления аэрозоля из газа можно применить метод электрофильтрации, очистку с помощью циклонных аппаратов.

Таким образом, существенным признаком данного изобретения является использование ионизации газа, а отличительным признаком является то, что очистка газа осуществляется путем конденсации ненасыщенных паров примеси на ионах с последующим удалением образующихся капель из газа в определенной зоне.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для очистки промышленных газов от низкоконцентрированных токсичных парообразных веществ, имеющих парциальное давление ниже давления насыщения, описанное в заявке Японии 5817819, B 01 D 53/14, 1983, которое содержит генератор для образования заряженных частиц в очищаемом газе, систему прокачки газа и ионизационную камеру.

Устройство, с помощью которого реализуется предложенный способ (см. чертеж), представляет собой последовательно соединенные камеру ионизации (1) с входным трубопроводом (2) для подачи загрязненного газа, камеру коагуляции (3), камеру удаления аэрозоля (4), вывод очищенного газа осуществляется из камеры удаления аэрозоля через выходной трубопровод (5).

Образование заряженных частиц в очищаемом газе производится с помощью импульсного коронного разряда. Возбуждение разряда осуществляется с помощью генератора высоковольтных импульсов (6) при подаче импульса напряжения через изолятор (7) на высоковольтный электрод (8). Для удаления образующегося аэрозоля нами использован метод абсорбции на водных каплях, которые образуются в системе диспергирования (9). Вода с абсорбированной примесью удаляется из устройства через трубопровод (10). Генератор высоковольтных импульсов (6) представляет из себя источник импульсного напряжения с амплитудой 50 кВ и частотой 10 Гц. Длительность импульса составляет 5 нс.

Очистка газа от низкоконцентрированных токсичных парообразных примесей происходит в предлагаемом устройстве следующим образом. Через входной трубопровод (2) в камеру ионизации (1) подается газ, содержащий токсичные пары. При подаче импульсов напряжения от генератора высоковольтных импульсов в камере ионизации (1) между высоковольтным электродом (8) и заземленными стенками камеры ионизации (1) возбуждается импульсный коронно-стримерный разряд. Ионы, имеющиеся в плазме разряда, становятся центрами конденсации пара. Поток газа из камеры ионизации (1) поступает в коагуляционную камеру (3), где одновременно с рекомбинацией плазмы импульсного разряда происходит коагуляционное укрупнение капель. В результате в очищаемом газе образуется аэрозоль, состоящий из конденсированных токсичных паров. Образованный аэрозоль является нестабильным и постепенно испаряется, поскольку парциальное давление токсичного вещества, из которого состоит аэрозоль, ниже давления насыщения. Поэтому размер камеры конденсации (3) выбран таким, чтобы на выходе из нее размер аэрозоля был максимальным. Этот размер определяется экспериментально, при конструировании устройства, например, визуально или инструментальными методами по светорассеянию. Последовательно с камерой конденсации (3) соединена камера удаления аэрозоля (4), где капли аэрозоля абсорбируются на поверхности водяных капель и удаляются из газового потока. Водяные капли (душ) создаются, в свою очередь, системой диспергирования воды (9). Очищенный газ выходит из камеры удаления аэрозоля через выходной трубопровод (5), а вода с абсорбированной примесью удаляется через трубопровод (10).

В проведенных экспериментах в качестве газа-носителя использовался воздух, а в качестве загрязнителя - пары стирола при парциальном давлении 1 - 10% от давления насыщения. Основной целью проведения экспериментов было сравнение энергозатрат на удаление одной молекулы примеси ("Энергетической цены") методом окисления в разряде (согласно патенту - прототипу) и методом конденсационной очистки. Поскольку известны также и абсорбционные методы очистки, то для сравнения эффективности были проведены три вида экспериментов с описанным устройством.

1. Удаление стирола при возбуждении разряда и абсорбционном удалении аэрозоля.

2. Удаление стирола при возбуждении коронного разряда и выключенной системе диспергирования воды, т.е. без удаления аэрозоля.

3. Удаление паров стирола только путем абсорбции паров на водяных каплях, при включенной системе диспергирования, но без возбуждения коронного разряда.

Пример 1.

Способ удаления паров стирола из воздуха. Процесс проводят в описанном устройстве (см. чертеж) при атмосферном давлении. Содержание стирола в воздухе до и после очистки измеряется хроматографически. Параметры аэрозоля в зоне коагуляции определяются оптическими методами.

Условия и результаты процесса:

1. Объемный расход воздуха - 600 л/ч.

2. Температура воздуха - 20^oC.

3. Содержание стирола в исходном воздухе - 2,16 г/м³.

4. Электрическая мощность, поглощаемая разрядом - 7,5 Вт.

5. Частота повторения импульсов - 100 Гц.

6. Расход воды в системе диспергирования - 30 л/ч.

7. Параметры аэрозоля в зоне коагуляции

концентрация - 10⁶ см^-3

размер капель - 1 мкм.

8. Содержание стирола в обработанном воздухе - 0,09 г/м³.

9. Снижение концентрации стирола - 2,07 г/м³.

10. Эффективность очистки воздуха - 96%.

11. "Энергетическая стоимость очистки" - 13 эВ/молекулу, или 1 ион на 2-3 удаленных молекулы.

Пример 2.

Удаление паров стирола в импульсном коронном разряде. Эксперимент проводился для доказательства преимущества конденсационной очистки над окислительной. Процесс проводился в описанном устройстве (см. чертеж) при инициировании коронного разряда в зоне (3), но без удаления аэрозоля из газа, т.е. без использования системы диспергирования воды (11). При этом основным механизмом удаления стирола являлось его окисление. Имелось также незначительное количество продуктов полимеризации. Неудаляемый аэрозоль испарялся. Прочие условия процесса идентичны примеру 1.

Условия процесса и результаты:

1. Объемный расход воздуха - 600 л/ч.

2. Температура воздуха - 20^oC.

3. Содержание стирола в исходном воздухе - 2,16 г/м³.

4. Электрическая мощность, поглощаемая разрядом - 7,5 Вт.

5. Частота повторения импульсов - 100 Гц.

6. Параметры аэрозоля в зоне коагуляции

концентрация - 10⁶ см^-3

размер капель - 1 мкм.

7. Содержание стирола в обработанном воздухе - 0,98 г/м³.

8. Снижение концентрации стирола - 1,18 г/м³.

9. Эффективность очистки воздуха - 54,6%.

10. "Энергетическая стоимость" - 23 эВ/молекулу, или 1 ион на 1-1,3 удаленных молекулы.

Сравнение эффективностей очистки воздуха в примерах 1 и 2 свидетельствует о том, что использование только коронного разряда дает значительно меньшую эффективность очистки при прочих равных условиях и подтверждает важную роль системы удаления аэрозоля. "Энергетическая стоимость" конденсационной очистки (13 эВ/молек.) в 1,8 раза ниже, чем окислительной очистки (23 эВ/молек.). Снижение концентрации стирола под воздействием коронного разряда происходит как вследствие его окисления, так и самопроизвольного оседания аэрозоля на стенки камеры с последующей полимеризацией. Из измерений концентрации и размеров аэрозольных частиц следует, что значительная часть остающегося в воздухе после зоны ионизации стирола находится в конденсированном виде, однако, если аэрозоль не удаляется из воздуха в зоне (5), то образовавшиеся капли вновь испаряются и стирол переходит в газовую фазу.

Пример 3.

Для доказательства положительного влияния аэрозоля на процесс удаления стирола путем абсорбции на водных каплях в описанном устройстве (см. чертеж) проведен эксперимент при включенной системе диспергирования воды (10) и выключенном генераторе высоковольтных импульсов (7). Для создания идентичных условий начальная концентрация стирола в воздухе была выбрана примерно равной конечной концентрации стирола, полученной в примере 2 - (1 г/м³). Эта величина совпадает с концентрацией стирола в зоне конденсации для примера 1. Таким образом, отличительной чертой примера 3 является тот факт, что стирол содержится в воздухе в паровой фазе, при прокачке воздуха через зону абсорбции (зону удаления аэрозоля), в то время как в примере 1 стирол содержался в конденсированной фазе. Самопроизвольная конденсация стирола, без воздействия разряда, исключена, так как его содержание составляет всего 3% от давления насыщенных паров при данной температуре. Отсутствие аэрозоля подтверждается также результатами оптических измерений.

Условия процесса и результаты:

1. Объемный расход воздуха - 600 л/ч.

2. Температура воздуха - 20^oC.

3. Содержание стирола в исходном воздухе - 1 г/м³.

4. Расход воды - 30 л/ч.

5. Содержание стирола в обработанном воздухе - 0,5 г/м³

6. Снижение концентрации стирола - 0,5 г/м³.

7. Степень очистки воздуха - 50%.

Анализ вышеприведенных примеров позволяет сделать следующие выводы. Эффективность очистки воздуха от паров стирола достигает 96% при использовании конденсации, в то время как при аналогичной начальной концентрации стирола, без его предварительной конденсации, эффективность очистки составляет 50%, а эффективность удаления стирола при использовании только коронного разряда в условиях эксперимента составила 54,6%. В примере 1 потребовалось создание 1 иона на 2-3 удаляемых молекулы.

Эта величина в значительной мере зависит от температуры очищаемого газа, вида удаляемой примеси. Минимальная величина "энергетической стоимости" была получена нами при очистке воздуха, имеющего комнатную температуру, от паров этанола и составила 4-5 эВ/молекулу. Это соответствует общему количеству созданных ионов примерно 1 ион на 5-6 удаленных молекул и эта величина близка к предельной. Поэтому нужно заключить, что общее число ионов, созданных в зоне ионизации, должно находиться в пределах 1 ион на 2-6 молекул примеси и выбираться при реализации конкретного процесса очистки. При создании концентрации ионов более 1 иона на 2 молекулы примеси предложенный метод приблизится к уже известным методам окислительной очистки (см. пример 2). Добиться снижения "энергетической цены" очистки существенно ниже 4 эВ/молекулу (что соответствует одному иону на 5-6 удаленных молекул) также невозможно из-за описанных выше физических ограничений. Таким образом, указанный диапазон 1 ион на 2-6 удаляемых молекул определяется достаточно жестко.

Результаты экспериментов подтверждают возможность использования явления конденсации пара на ионах для повышения эффективности очистки газа от конденсирующихся примесей и снижения энергоемкости процесса.