способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов

Формула изобретения

1. Способ очистки воздуха от токсичных компонентов, включающий его пропускание через слой сорбента, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, отличающийся тем, что перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей и затем нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину T, равную 5-30^oC, а в качестве сорбента используют сорбент, поглощающий углеводороды и другие органические соединения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют активированный уголь.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гопкалит.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что слой сорбента и слой катализатора помещают в фильтрующий модуль.

5. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, включающий цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента, отличающийся тем, что он содержит дополнительный слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом.

6. Фильтрующий модуль по п.5, отличающийся тем, что слои сорбента и катализатора отделены друг от друга инертным слоем.

7. Фильтрующий модуль по п.5 или 6, отличающийся тем, что слой сорбента выполнен из активированного угля.

8. Фильтрующий модуль по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что слой катализатора изготовлен из гопкалита.

9. Фильтрующий модуль по любому из пп.5-8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок принудительного нагревания очищаемого воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов выхлопных газов выбрасываемой в атмосферу вентиляционной вытяжки из многоэтажных, наземных и подземных гаражей-стоянок закрытого типа, станций техобслуживания, автодорожных тоннелей, складских помещений и терминалов с заездом внутрь автомобильного транспорта, а также для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения выхлопными газами бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Главными загрязняющими веществами воздуха для рассматриваемых объектов с концентрациями, существенно превышающими ПДК, являются окись углерода СО, оксиды азота NO и NO₂, углеводороды и другие органические соединения, двуокись серы SO₂, а также аэрозоли и частицы сажи и пыли.

Известны установки и способы для очистки (регенерации) воздуха в закрытых помещениях для очистки воздуха, подаваемого в помещения, от загрязняющих веществ, присутствующих в повышенных концентрациях в атмосфере в местах его забора, и для очистки воздушно-газовых смесей, являющихся отходящими газами различных производств и ТЭЦ и автомобильного выхлопа.

Например, известны способы очистки отходящих газов различных производств, в частности, образующихся при плазменной обработке материалов, содержащих оксиды азота, углерода и пр. (RU, патент 2035976, кл. B 01 D 53/02, 1995), или для очистки воздуха от свинца, олова, канифоли и других соединений, выделяющихся при электротехнических работах (RU, патент 2112587, кл. B 01 D 53/02, 1998).

Способы предусматривают адсорбцию загрязняющих веществ специальными сорбентами. Способы непригодны для очистки воздуха от окиси углерода, так как она не адсорбируется на используемых в этих способах сорбентах.

Широко известен способ очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем глубокого каталитического окисления окиси углерода и углеводородов с их превращением в углекислый газ и воду, а также способ каталитического восстановления окислов азота до азота на базе проведения реакций на поверхности катализаторов.

2 Аналогичный способ применяется для очистки отходящих газов различных производств и ТЭЦ. Разработанные на основе этого способа нейтрализаторы выхлопных газов устанавливаются в настоящее время практически на всех зарубежных автомобилях и на автомобилях некоторых отечественных марок. Соответствующие устройства очистки отходящих газов широко используются для оборудования промышленных установок. Все эти способы и устройства предполагают протекание каталитических реакций при высоких температурах (200-400^oC) и, как правило, с использованием дорогостоящих катализаторов на основе благородных металлов (платина, родий, палладий). Однако необходимость проведения реакций при высоких температурах делает невозможным применение указанных каталитических систем для очистки огромных воздушных вентиляционных потоков по соображениям экономии энергии.

Наиболее близким к предлагаемому способу очистки воздуха от токсичных компонентов по технической сущности является способ очистки воздуха, описанный в патенте (ЕР 0438282 B1, кл. B 01 D 53/04, 1991), посвященном производству особо чистого азота из воздуха для нужд электронной промышленности. Описанный в данном изобретении способ очистки воздуха заключается в последовательной очистке исходного воздуха: (1) от паров воды и CO₂; (2) от окиси углерода; (3) от водорода и (4) повторно от паров воды и CO₂.

Удаление паров воды из воздуха на 1-й стадии очистки осуществляют сначала путем его сжатия до 10 атм с разогревом с последующим охлаждением и отделением жидкой воды, затем путем пропускания воздуха через слой сорбента, поглощающего воду и CO₂ (окись алюминия, силикагель, цеолиты и их комбинация). Очистку воздуха от СО (вторая стадия) осуществляют пропусканием воздуха (после обезвоживания) через слой окислительно-восстановительного катализатора типа гопкалита на основе окислов переходных металлов (никель, марганец и медь), работающих при низких температурах (-20 - +50^oC) (по прототипу при 5 - 20^oС), при этом СО превращается в CO₂. Для очистки от водорода воздух пропускают через слой катализатора на основе нанесенного палладия (для превращения H₂ в H₂O). Затем воздух повторно пропускают через новый слой сорбента, поглощающего воду и CO₂. Из очищенного таким образом воздуха затем выделяют чистый азот. Производительность способа очистки воздуха 8,4 м³/час.

Существенными недостатками способа-прототипа являются его сложность, высокая энергоемкость и очень низкая производительность, что делает его неприемлемым для очистки больших объемов воздуха. Важно отметить, что при очистке воздуха от токсичных компонентов не требуется удаления из воздуха паров воды, CO₂ и водорода, так как вода и CO₂ нетоксичны, а водород присутствует в воздухе в чрезвычайно малых концентрациях (510^-5 об.%). В способе-прототипе удаление воды на первой стадии очистки помимо решения задачи получения высокочистого воздуха позволило избежать отравления парами воды окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов переходных металлов, так как известно, что такие катализаторы (в том числе гопкалит) резко снижают каталитическую активность под воздействием адсорбируемой на его поверхности воды (см., например, Беркман С., Моррелл Д. и Эглофф Г., Катализ в неорганической и органической химии, пер. с англ., кн. 1-2, М.-Л., 1949).

Для высокообъемных газовых потоков (порядка 500-600 м³/час - в прототипе 8,4 м³/час) путь, выбранный в прототипе, неприемлем. Например, объемная емкость окиси алюминия составляет от 0,07 до 0,1 мг-экв/г, а установка компрессора и другого необходимого оборудования дополнительно усложняет и удорожает процесс. Окислительно-восстановительный катализатор отравляется также и органическими соединениями, в частности углеводородами. В способе-прототипе не предусмотрена очистка воздуха от органических соединений, так как их концентрация в воздухе невелика, тем не менее это привело к необходимости периодической регенерации или замены катализатора, что также усложняет и удорожает процесс, а при очистке воздуха, содержащего углеводороды и другие органические соединения в больших количествах, катализатор будет отравляться очень быстро и необратимо.

Наиболее близким к предлагаемому фильтрующему модулю для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов является фильтрующий модуль (фильтр-поглотитель см. Установка ФП-300; Техническое описание и инструкция по эксплуатации; ВД 250.503.000 ТО, К-6583), предназначенный для очистки воздуха, подаваемого в закрытые помещения, в которых находятся люди, от загрязняющих и отравляющих веществ различного происхождения.

Известный фильтрующий модуль (фильтр-поглотитель ФП-300) представляет собой цилиндрический корпус с размещенными в нем по ходу воздушного потока противоаэрозольным фильтром (для очистки воздуха от пыли, дыма и т.п.) и слоем сорбента, выполненного в виде полого цилиндра и расположенного вдоль боковых стенок корпуса модуля. Сорбирующий слой в фильтрующем модуле выполнен из активного хемосорбента, который во время прохождения через него загрязненного воздуха способен адсорбировать токсичные компоненты и удерживать их. Активный хемосорбент имеет специфические свойства, обеспечивающие удержание на его поверхности ряда отравляющих веществ за счет протекания химических реакций с веществом хемосорбента. Известный фильтрующий модуль отличается высокой производительностью вследствие высокой химической активности и газопроницаемости хемосорбента: объемный расход воздуха через установку в рабочем режиме очистки - 600 м³/час, при объединении 2 и 3 фильтрующих модулей в одну установку - 1200 и 1800 м³/час, соответственно. Однако данный фильтрующий модуль не рассчитан на очистку воздуха, содержащего большие количества окиси углерода, окислов азота и углеводородов, поскольку был предназначен для извлечения высокотоксичных веществ иной природы при их малых исходных концентрациях.

Задачей изобретения является создание более простого и дешевого способа очистки воздуха от токсичных компонентов, который позволит существенно повысить производительность процесса при высокой эффективности очистки воздуха, содержащего большие концентрации окиси углерода, окислов азота, углеводородов и других органических соединений, уменьшить энергозатраты и избежать необходимости периодической регенерации катализатора.

Задачей изобретения является также разработка фильтрующего модуля для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, в частности вентиляционных выбросов из закрытых помещений от токсичных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, обладающего высокой производительностью и высокой эффективностью очистки воздуха.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- способом очистки воздуха от токсичных компонентов, включающим его пропускание через слой сорбента, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, в котором перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей, а затем нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину T, равную 5-30^oC, а в качестве сорбента используют сорбент, поглощающий углеводороды и другие органические соединения.

В качестве сорбента можно использовать активированный уголь.

В качестве катализатора можно использовать гопкалит.

Слой сорбента и слой катализатора можно поместить в фильтрующий модуль.

- Фильтрующим модулем для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, включающим цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента, причем в фильтрующем модуле содержится дополнительный слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом.

Слои сорбента и катализатора могут быть отделены друг от друга инертным разделительным слоем.

Слой сорбента может быть выполнен из активированного угля.

Слой катализатора может быть изготовлен из гопкалита.

Фильтрующий модуль может дополнительно содержать блок принудительного нагревания очищаемого воздуха.

Главным отличием предлагаемого способа от известного (прототипа) является принципиально иной путь решения проблемы предотвращения отравления катализатора на основе окислов переходных металлов парами воды. В прототипе воду из воздуха удаляют перед пропусканием через катализатор. В предлагаемом способе отравление катализатора водяными парами предотвращается небольшим повышением температуры очищаемого воздуха относительно температуры воздуха окружающей среды, что приводит к относительному смещению адсорбционно-десорбционного равновесия на поверхности катализатора и существенно предотвращает конденсацию на нем водяных паров. Специально проведенные нами экспериментальные исследования, направленные на изучение адсорбционно-десорбционных процессов на поверхности катализатора и влияния на них температуры и влажности очищаемого воздуха, показали, что при нагревании воздуха, поступающего на катализатор, адсорбционно-десобционное равновесие на поверхности катализатора смещается в сторону десорбции с нее молекул воды, что позволяет беспрепятственно протекать на поверхности катализатора окислительно-восстановительным процессам. Важным результатом наших исследований было установление того факта, что при нагревании очищаемого воздуха наиболее важной характеристикой является не сама температура нагретого воздуха, а разность температур T между температурой нагретого воздуха и температурой воздуха, поступающего в систему очистки из внешней среды. Хотя очевидно, что чем выше T, тем больше смещение равновесия в сторону десорбции воды с поверхности катализатора, и тем больше его устойчивость к воздействию влаги воздуха, однако степень нагрева не может быть сколь угодно большой из соображений экономии энергии, расходуемой на нагрев. Минимальная допустимая величина нагрева T зависит от температуры и влажности воздуха, поступающего в систему очистки, и от свойств катализатора. При использовании в качестве катализатора окислов меди, марганца, их смеси или готового катализатора гопкалита воздух, подаваемый на катализатор, должен иметь температуру на 5-30^oC выше, чем температура воздуха окружающей среды.

Гопкалиты - общее название нескольких марок катализаторов, содержащих окислы марганца, меди и др.

Разработанный нами принципиально новый путь предотвращения отравления катализатора парами воды в предлагаемом способе позволил существенно упростить процесс и снизить его энергоемкость.

Другим отличием предлагаемого способа от прототипа является наличие операции предочистки (до пропускания воздуха через слой катализатора) от углеводородов и других органических соединений пропусканием очищаемого воздуха через слой сорбента, поглощающего эти соединения. Пропускание очищаемого воздуха через слой сорбента позволяет не только осуществлять очистку воздуха от углеводородов и других органических соединений, являющихся токсичными компонентами, но и предотвращать протекание в каталитическом слое реакций превращения этих органических соединений, предохраняя тем самым катализатор от отравления, то есть введение этой операции в предлагаемый способ позволило повысить эффективность очистки воздуха и избежать стадии регенерирования катализатора.

Слой сорбента и слой катализатора удобно поместить в фильтрующий модуль.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: поступающий в систему очистки воздух предварительно очищают на фильтре, улавливающем твердые частицы и аэрозоли, затем нагревают в блоке принудительного нагревания до температуры, которая превышает температуру окружающего воздуха на величину T = 5-30C, и затем подогретый воздух последовательно пропускают через сорбционный и каталитический слои, после чего очищенный воздух поступает на выход.

Предлагаемый способ позволяет, по сравнению с прототипом, существенно повысить производительность очистки (не менее 600 м³/час), упростить процесс, снизить энергозатраты и избежать необходимости периодической регенерации катализатора. Способ обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха - достигается десятикратное снижение концентрации вредных компонентов в вентиляционных выбросах гаражей.

Отличием предлагаемого фильтрующего модуля от известного (прототипа) является наличие в нем дополнительного каталитического слоя, выполненного из окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди. Снабжение фильтрующего модуля дополнительным каталитическим слоем, в котором протекают реакции окисления СО до CO₂ и восстановления окислов азота до молекулярного азота при низких температурах (-20 - +50^oC), позволило эффективно очищать воздух от указанных токсичных веществ при сохранении высокой производительности модуля.

Отличием является также то, что содержащийся в предлагаемом фильтрующем модуле слой сорбента выполняет двойную функцию: благодаря адсорбции на нем углеводородов и других органических соединений, во-первых, осуществляется очистка воздуха от органических токсичных веществ, и во-вторых, предотвращается попадание этих органических веществ на катализатор и протекание на нем реакций их превращений, что предохраняет каталитический слой от отравления.

Как уже отмечалось, катализаторы на основе окислов переходных металлов легко адсорбируют на своей поверхности пары воды, что резко снижает каталитическую активность. При эксплуатации предлагаемого фильтрующего модуля возможны следующие пути решения проблемы сохранения активности катализатора.

Первый путь - наиболее распространенный - замена каталитического слоя после определенного срока работы фильтрующего модуля. Продолжительность срока сохранения катализатором высокой активности будет зависеть от влажности воздуха, его температуры и природы катализатора.

Второй путь, использованный в способе очистки воздуха, описанном в ЕР 0438282 B1, - удаление воды из воздуха перед пропусканием его через фильтрующий модуль. На сегодняшний день для больших объемов воздуха такой путь практически непригоден.

Третий путь - наиболее эффективный - снабжение предлагаемого фильтрующего модуля дополнительным элементом - блоком принудительного нагревания очищаемого воздуха, что позволяет избежать периодической замены каталитического слоя и, в то же время, не требует операции удаления воды из очищаемого воздуха.

Предлагаемый фильтрующий модуль предназначен для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов. Если очищаемый воздух загрязнен твердыми частицами и аэрозолями, его перед подачей в фильтрующий модуль пропускают через фильтр, улавливающий такие примеси.

Предлагаемый фильтрующий модуль состоит (см. фиг.) из цилиндрического металлического корпуса (1) с крышкой (2) и дном (3). Корпус имеет три отверстия диаметром условного прохода 150 мм: два торцевых (4), для входа, и одно боковое (5), для выхода воздуха. Одно из торцевых отверстий может либо закрываться заглушкой (6), либо, при необходимости, подсоединяться к соседнему модулю. В корпусе (1) помещаются сорбент (7), катализатор (8), разделительные перфорированные перегородки (9). Выходное отверстие (5) соединяется с патрубком для выхода воздуха (10). С помощью эластичных муфт (11) несколько модулей при необходимости соединяются между собой.

Адсорбционный (7) и каталитический (8) слои выполнены в виде полых цилиндров, при этом слой сорбента размещен внутри каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом.

Предлагаемый фильтрующий модуль работает следующим образом. Через входное отверстие (4) воздух поступает в полое пространство модуля и последовательно проходит сначала через сорбционный слой (7) и затем через каталитический слой (8), после чего через боковое отверстие (5) поступает на выход. При наличии в фильтрующем модуле блока принудительного нагревания (не показан) очищаемый воздух перед подачей на вход (4) подогревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на T = 5-30C.

Предлагаемый фильтрующий модуль обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха (достигается десятикратное снижение концентрации газообразных токсичных компонентов в вентиляционных выбросах гаражей) при производительности 600 ³/час на один модуль.