Изготовитель профессионального пылегазоочистного оборудования – завод «ПЗГО» – предлагает в деталях рассмотреть преимущества и особенности такого метода фильтрации примесей как плазмокаталитическая очистка воздуха / газоразрядная нейтрализация ЛОС и других примесей низкотемпературной плазмой).

Работаем более 30 лет. Множество собственных, передовых разработок в области промышленной очистки воздуха, включая плазмокаталитические фильтры газоразрядного, барьерно-стриммерного типа для фильтрации производственных загрязнителей. Полностью собственное производство, более 300 выполненных проектов для предприятий России, СНГ, Евразии. КПД нейтрализации примесей до 99.99%. Обращайтесь по любому вопросу.

Газоконвертор: определение и базовый принцип работы

Газоконвертор – это комбинированный промышленный газоочистной фильтр, который осуществляет конвертацию (конверсию), т.е. превращение, (путем холодно-плазменной деструкции), органических примесей в реакционные компоненты с последующим их каталитическим окислением до безопасных продуктов – воды и углекислого газа.

1. Перед подачей среды непосредственно в газоразрядную камеру должно быть произведено ее тонкое обеспыливание, а также, если необходимо, химическая предочистка, (подробнее ниже на странице).
2. Затем газовоздушная смесь поступает в газоразрядную секцию, где под действием низкотемпературной неравновесной плазмы среда подвергается плотной бомбардировке высокоэнергетическими электронами, образующимися в результате барьерного разряда в высоковольтных ячейках. Помимо разбиения молекул загрязнителей электронами, активно образуется атомарный кислород, озон, гидроксильные и другие радикалы, которые инициируют цепные реакции окисления, превращая ЛОС в промежуточные активные продукты.
3. Далее газовоздушная смесь поступает в секцию с катализатором, где происходит фиксация (адсорбция) радикалов и завершение их реакции с недоокисленными ЛОС – стабилизация до CO₂ и H₂O – а также низкотемпературная каталитическая нейтрализация озона и разложение остаточных примесей на безопасные соединения.

Описываемая на данной странице установка относится к классу оборудования PPC (англ. post-plasma catalysis, рус. пост-плазменный катализ). Не следует путать ее с фильтрами IPC (англ. in-plasma catalysis, рус. интегрированный плазмокатализ), где катализатор располагается непосредственно в зоне образования плазмы.

Секция обеспыливания может быть как встроена непосредственно в установку, так и быть независимой, состоящей, например, из рукавного / картриджного фильтра или скруббера, (если требуется предварительное улавливание нежелательных для газоконвертора примесей – кремнийорганики, серы, галогенов, жиров / смол).

Генерация холодной плазмы: барьерно-стримерный разряд

Основным рабочим элементом плазмокаталитического газоконвертора является реактор нетермической (холодной) плазмы, состоящий их высоковольтных ячеек с электродами, где инициируется барьерно-стримерный разряд, (диэлектрический барьерный разряд, ДБР, англ. dielectric barrier discharge, DBD) – особый вид разряда в газе, возникающий между электродами, разделенными диэлектриком, (керамикой, стеклом, слюдой / мусковитом и др). В активной зоне этого разряда электроны высоких энергий диссоциируют и ионизируют компоненты газовоздушной среды, формируя мощный пул реакционноспособных частиц и свободных радикалов.

Работу плазменного блока в фильтре плазмокаталитической очистки воздуха от ЛОС можно описать нижеследующими пунктами:

• Накопление заряда: на электроды импульсно или синусоидально подается высокое напряжение – до десятков киловольт, с частотой от десятков килогерц (кГц) до нескольких мегагерц (МГц), (микросекундный и субмикросекундный период).
• Формирование стримеров: при достижении критического уровня пробивного значения (E_кр для данного газа или смеси газов) между электродами проскакивают короткие, мощные и очень быстрые стримеры – канальные разряды плазмы, напоминающие тонкие молнии. Именно в стримерах электроны приобретают требуемую энергию.
• Гашение разряда: после достижения фронтом стримера поверхности диэлектрического барьера происходит осаждение заряда на поверхности диэлектрика. Поверхностный заряд создает локальное электрическое поле с вектором, направленным противоположно приложенному полю, (т.н. антипараллельный вектор), что приводит к мгновенному гашению стримера.
• Импульсная периодика: каждый стример непрерывно гасится диэлектриком, поэтому разряд не переходит в мощную, высокотемпературную дугу – вместо этого он представляет собой миллионы коротких импульсных микроразрядов, (холодную, неравновесную плазму, существующую при обычных условиях).

Неравновесной холодная плазма называется, поскольку термодинамическая система находится далеко от равновесия, (где все частицы имеют одинаковую температуру): тяжелые частицы – ионы и молекулы – не успевают нагреться выше температуры ≈ 50…80°C, легкая же фракция – горячие электроны – «разгоняются» до t до 10 000° K и более, поэтому и соблюдается условие неравновесной системы: T_{электронов} >> T_газа.

Значение озона в плазмокаталитической очистке воздуха

Несмотря на разнообразие каскадных реакций, протекающих в плазменно-каталитическом фильтре (ПКТ), основную роль в создании условий для эффективного разложения примесей в газоконверторе играет атомарный кислород O• и озон O₃.

Образующийся в результате распада молекул кислорода атомарный кислород O• присоединяется к «полным» молекулам кислорода O₂, (с параллельной отдачей тепла соседним, нейтральным молекулам). Как короткоживущий атомарный кислород, так и более долгоживущий озон инициируют активное окисление ЛОС уже в газоразрядной зоне.

Следует заметить, что за атомарный кислород «конкурируют» и другие вещества в газовоздушной смеси, включая азот, который, диссоциируя, окисляется кислородом до токсичных NO_X, но правильный выбор энергии плазмы, (т.н. удельной вводимой энергии, англ. specific input energy / SIE), позволяет не допустить разложения азота, (которое начинается при энергии электронов 9.8 эВ), оставляя энергетическое окно для диссоциации кислорода и воды, распадающихся в результате «атаки» электронов меньшей энергии – 5.1 эВ.

Ощутимый вклад в нейтрализацию примесей в установках НТП вносят и гидроксильные радикалы OH•, рождающиеся в результате диссоциации молекул воды. Являясь сильнейшими (после фтора) окислителями в химии, они наносят быстрый (микросекунды), но мощный удар по самым реакционноспособным примесям, превращая их в более простые, (с точки зрения нейтрализации), но все еще активные вещества, например, органические кислоты, спирты. До секции с катализатором короткоживущие радикалы OH• не долетают.

В газоконвертере с неравновесной, низкотемпературной плазмой (НТП) энергия электронов строго контролируются, что позволяет, с одной стороны, обеспечить требуемую эффективность декомпозиции ЛОС, а с другой – не допустить образования вредных оксидов азота, избыточного озона и других, более токсичных, чем изначально вводимые в фильтр, примесей.

Вдобавок, регулируется и спектр электронов, (т.н. ФРЭЭ – функция распределения электронов по энергиям), определяющий, какое количество электронов имеет низкую (≈ 1-3 эВ), среднюю (≈ 3-7 эВ) и высокую (≈ 7-10 эВ) энергию. Настройка этого параметра позволяет обеспечивать высокую селективность очистки, то есть, нацеливать газоконвертор, если то необходимо, на высокоэффективное обезвреживание строго определенных загрязнителей или групп веществ.

Работа каталитического блока

В газоразрядной секции происходят многочисленные трансформации поступающих на очистку веществ, образуются активные недоокисленные соединения, которые необходимо в обязательном порядке нейтрализовать. Высочайшую активность проявляет в том числе и озон, который, пусть и живет около 16 минут, но выпуск его из газоконвертера крайне нежелателен – в силу экстремальной реакционной способности и токсичности.

Для решения этих проблем конструкцией газоконвертера предусмотрен, (второй ступенью), каталитический блок, в котором происходит доокисление активных примесей с параллельной дезактивацией озона.

На поверхности катализатора происходит обратный (плазменной декомпозиции) процесс – захват и разложение озона на молекулярный и атомарный кислород; последний активно доокисляет, стабилизирует на поверхности катализатора недоокисленные, не успевшие полностью прореагировать с плазмой продукты – фенолы, органические кислоты, альдегиды и другие «осколки» сложных соединений.

Поскольку основной задачей катализатора является обезвреживание озона, для этих целей выбираются соединения, показывающие максимальную активность в отношении O₃.

Среди наиболее эффективных в отношении озона катализаторов – оксиды марганца (MnO_X), кобальта (Co₃O₄) и церия (CeO₂).

Для удержания катализатора в неподвижности, (насыпного, гранулированного) или исключения выдувания (порошкового), а также для сглаживания турбулентности и предотвращения каналообразования, (т.е. следования среды по пути меньшего сопротивления), в каталитической секции могут использоваться прокладки / вставки из кварцевой ваты – инертного, термически стойкого материала, обеспечивающего целостность и равномерность работы каталитического слоя. В зависимости от конструкции каталитической секции, массив наполнителя может удерживаться и мелкой сеткой.

Особенно востребованы для нейтрализации озона недорогие, стойкие к влаге марганцевые катализаторы, (где реакция идет по механизму Ленгмюра-Хиншелвуда – озон адсорбируется на активном центре марганца и быстро распадается).

В некоторых случаях рационально применение для финишной доочистки драгоценных металлов – платины, палладия, родия, золота: о тонкостях работы катализаторов на базе драгоценных металлов мы рассказывали на странице «Каталитическое термическое окисление».

Заметим, что несмотря на отсутствие ощутимого нагрева среды в зоне газового разряда, катализаторы на базе основных металлов, (включая марганец), показывают максимальную результативность обезвреживания озона при t = 40…100 °C: при температуре 40…80 °C идет максимальная конверсия озона; для глубокого разложения сложных примесей температура может быть увеличена вплоть до 80…120 °C. Для достижения такой температуры требуется контролируемый подогрев входящего потока и / или катализатора – нагреватели могут быть как внешними, независимыми, так и предусмотренными конструкцией газоконвертора, (его впускной или каталитической секции).

При окислении ЛОС также вырабатывается тепло, но в разрезе плазмокаталитической очистки воздуха оно незначительно. Так, например, смесь ЛОС в концентрации 1000-1500 мг. / м³ может повышать температуру среды внутри фильтра (и также температуру катализатора) на 5…20 градусов Цельсия.

Нужно также не упускать из виду, что катализатор, даже несмотря на расположение вне камеры разряда, подвержен воздействию каталитических ядов – галогенов, соединений серы, фосфора и других. Для достижения максимальной эффективности плазмокаталитической фильтрации следует уделять особое внимание механической и химической подготовке вводимой в газоконвертор среды.

В плазмокаталитических фильтрах нашего производства катализатор располагается в удобном формате сменных модулей, которые можно быстро сменить при перенастройке режимов работы, (например, для обезвреживания загрязнителей с другими свойствами).

Основные преимущества газоразрядно-каталитической очистки воздуха перед РТО и КТО

Плазмокаталитические установки очистки воздуха имеют несколько важных преимуществ перед каталитическо-термическими и регенеративно-термическими установками нейтрализации ЛОС.

1. Мгновенная готовность газоконвертора. Не требуется часами прогревать значительную массу керамики или термически инертного катализатора – выход на режим полноценной очистки занимает минуты. ПКТ – наиболее рациональный вариант для участков, где фильтрация примесей требуется от случая к случаю, периодически, посменно. Отсутствие массивных секций с пористым наполнителем также обеспечивает меньшее сопротивление плазменно-каталитических установок.
2. Высокая универсальность и эффективность в отношении средних и умеренных концентраций загрязнителей. Не требуется каких-то определенных, (за исключением критически высоких), объемов ЛОС для выхода фильтра на энергоэффективный режим: даже незначительные объемы вредных и / или дурнопахнущих веществ, (а также бактерий и других микроорганизмов) обезвреживаются с идеальной результативностью.
3. Отсутствие необходимости в каком бы то ни было топливе – агрегаты требуют только наличие электросети.
4. Компактность и легкость. Газоконверторы отличаются компактностью и малой массой, не требуется возведение отдельных фундаментов или применение массивных опорных конструкций.
5. Безопасность и отсутствие вторичных загрязнителей. Нет высоких температур, горячих поверхностей, открытого пламени, нет образования «топливных» CO, NO_X, SO_X.

Максимальную отраслевую рациональность газоконверторы EcoSorb® показывают в разрезе очистки воздуха от ЛОС, имеющих умеренные концентрации, (≈ 50…1500 мг / м³), но высокий порог восприятия: медицина и фармацевтика (стерилизация и удаление паров реагентов), участки производства и нанесения ЛКМ, (покрасочные камеры, сушильные печи и др.), пищевая промышленность, цеха компостирования, КНС, химия, изготовление композитных материалов, печатное дело, ЦБК и др.

НКПРП и ВКПРП: нижний и верхний предел взрываемости

Говоря о газоконверторах в разрезе очистки воздуха от ЛОС важно учитывать такие факторы как LEL (lower explosion limit) и UEL (upper explosion limit) – нижний и верхний пределы взрываемости соответственно, (рус. НКПРП и ВКПРП – нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени). Эти параметры определяют границы концентрации примесей в воздухе, между которыми может, (в результате искр стримеров), произойти возгорание среды, (часто детонационное), с повреждением установки или ее частей.

Таблица: нижние и верхние пределы воспламеняемости некоторых веществ, (процентное содержание в воздухе при нормальных условиях).

Речь здесь идет не столько о безопасности, сколько о рациональности использования газоконвертеров: учитывать границы НКПРП и ВКПРП необходимо не только для того, чтобы исключить риск воспламенения в зоне разряда, но и чтобы убедиться, что концентрация примесей не настолько высока, что выгоднее и безопаснее использовать термическую или термокаталитическую установку – РТО или КТО. Пожалуйста, не стесняйтесь обратиться за консультацией.

Изготовление и внедрение плазмокаталитических фильтров (газоконверторов) для очистки воздуха

По любым вопросам, касающимся проектирования, изготовления и внедрения оборудования плазмокаталитической очистки воздуха от ЛОС на Вашем предприятии, а также любого другого пылегазоочистного оборудования, пожалуйста, обращайтесь к нам удобным способом или заполняйте Анкету Заказчика.

Быстро и бережно доставим аппаратуру по РФ, СНГ, Евразии. По требованию проведем профессиональный монтаж, пропатронируем шефмонтаж, обучим штат. Полный комплект документов. Гарантия.

«ПЗГО» – дышите легко!