Создание высокоэффективных аппаратов и процессов для получения и использования озона в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ АППАРАТОВ И ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЗОНА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Пригожин Виктор Иванович

Тамбов 2007



Работа выполнена в Испытательном комплексе ОАО Конструкторского бюро химавтоматики, г. Воронеж.

Научный руководитель кандидат технических наук Бударин Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шувалов Анатолий Михайлович

доктор химических наук, доцент Ткаченко Сергей Николаевич

Ведущая организация: Институт водородной энергетики и плазменной технологии «Курчатовский институт» г.Москва.

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 ГОУ ВПО Тамбовского государственного технического университета по адресу: г.Тамбов, ул. Ленинградская 1, ауд.60

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М.Нечаев

Заказ № Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Подписано в печать 2007г.

Отпечатано в типографии ОАО КБХА



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с постоянно ухудшающейся экологической обстановкой в России и в мире, растет интерес к использованию озона для обработки питьевой воды, очистки жидких и газовых токсичных выбросов, в целлюлозно-бумажной промышленности и во многих других технологических процессах различных отраслей промышленности. Озон является более сильным окислителем по сравнению с хлором и не оказывает отрицательного влияния на экологию окружающей среды. Проведенные многочисленные исследования по очистке питьевой воды в водоисточниках многих регионов России, имеющих высокий уровень загрязнения органическими и неорганическими веществами, показали, что без включения озона в технологический процесс очистки воды невозможно получить воду требуемого качества.

Эффективным методом получения озона в промышленности является его электросинтез в тихом (барьерном) разряде. Для высокопроизводительных озонаторов (генераторов озона) оптимальной является конструкция высокочастотных озонаторов с диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением электродов, позволяющих снизить удельное энергопотребление на электросинтез озона и значительно увеличить выход озона с единицы поверхности электрода. В связи с этим представляются актуальными разработка конструкций высокочастотных озонаторов с металлическими эмалированными и охлаждаемыми электродами и исследование зависимости их производительности от конструктивных решений и параметров рабочих газов, а также процесса охлаждения электродов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Воронежской областной Программой № 1188 от 21.12.98г. «Обеспечение населения питьевой водой на 1999 - 2001годы».

Цель работы.

Исследование процесса охлаждения электродов и его влияние на производительность озонатора. Разработка методики расчета концентрации озона и производительности озонатора в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси.

Исследование влияния конструктивных и рабочих параметров озонаторов на характеристики барьерного разряда и выход озона.

Создание высокоэффективных озонаторов с охлаждаемыми эмалированными электродами, имеющих низкое удельное энергопотребление и высокий удельный выход озона с единицы поверхности электрода. охлаждение электрод озонатор мощность

Научная новизна работы заключается в следующем.

Проведены экспериментальные исследования процесса охлаждения электродов озонатора, позволившие разработать методику расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора. Получены оптимальные расходы хладагента в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси.

Исследованы зависимости производительности от конструктивных и рабочих параметров озонаторов с охлаждаемыми стеклоэмалевыми электродами, работающие на электрическом токе высокой частоты, что позволило повысить удельный выход озона с единицы поверхности электрода и понизить удельные энергозатраты.

Определены оптимальные конструктивные и рабочие параметры озонаторов со стеклоэмалевыми охлаждаемыми электродами (длина разрядной зоны, давление в озонаторе, напряжение и частота питания), послужившие основой для разработки озонаторов нового поколения.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

Проведенные экспериментальные исследования электросинтеза озона, процесса охлаждения электродов позволили разработать оптимальную базовую конструкцию озонатора с охлаждаемым эмалированным электродом.

Впервые созданы высокоэффективные озонаторы различной производительности (от 0,015 до 5 кг/час) с охлаждаемыми эмалированными электродами, которые нашли применение для обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, нейтрализации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука в ОАО «Воронежсинтезкаучук», в процессе отбелки целлюлозы на Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате. Озонаторные установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС RU. АЯ04. В14881. Созданные озонаторные установки по сравнению с зарубежными и отечественными, имеют:

- низкие удельные энергозатраты 10ч12 кВт•ч/кг при работе на воздухе и 8ч10 кВт·ч /кг при работе на кислороде (озонаторы со стеклянными электродами имеют удельные энергозатраты 16-18 кВт•ч/кг);

- высокий удельный выход озона с поверхности электрода до 17 г/дм2·ч (стеклянные электроды имеют удельный выход озона 0,5-0,9 г/дм2•ч), что позволяет уменьшить в 2,5 раза массу и габариты озонаторов;

- меньшую стоимость (? в 2 раза) и невысокие эксплуатационные затраты;

- более высокий ресурс работы и надежность установок (срок службы эмалированных электродов более 10 000 часов);

Созданы источники питания для озонаторов мощностью от 0,6 до 100 кВт, работающие на частоте тока до 10 кГц.

Разработаны и внедрены в 18 городах Российской Федерации технологические процессы обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3 методом озонирования. Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН 2.1.2.1188-03 «Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов». Озонаторные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13.10.94г.

Разработан и внедрен на ОАО «Воронежсинтезкаучук» технологический процесс очистки газовоздушных выбросов озонокаталитическим способом полного разрушения стирола, образующегося на стадии выделения каучука. В состав установки входят 3 озонатора производительностью 5 кг/ч озона каждый. Нейтрализация стирольных выбросов происходит в реакторе при температуре 60ч80оС, степень очистки от стирола и других органических соединений составляет 95-98%. Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет ~ 21,5 млн. руб.

На Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате создана опытно-промышленная установка и отработан технологический процесс отбелки озоном 25 тонн целлюлозы в сутки. Отбелка озоном целлюлозы высокой концентрации 30-40 % в трубчатом реакторе позволила снизить расход озона на 20-30 % и уменьшить время обработки на 30-50 %.

Автор защищает: экспериментальные и расчетные исследования процесса охлаждения электродов и его влияние на производительность озонатора; методику расчета концентрации озона и производительности озонатора, учитывающую изменение константы разложения озона за счет изменения температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора; результаты экспериментальных исследований зависимости производительности озонаторных установок от параметров рабочих газов; технологические процессы применения озона для очистки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки стирольных газовых выбросов при производстве синтетического каучука и отбелки целлюлозы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийском совещании «Пути перевода предприятий целлюлозно-бумажной промышленности на бесхлорные системы отбелки целлюлозы» (г. Москва, 1997г.), на конференции Всекитайской ассоциации по водоочистке (г. Гуанчжоу, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах, включая 54 рисунка , 7 таблиц и 14 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна и практическая значимость, основные положения которых выносятся на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы, проведен анализ отечественных и зарубежных озонаторов, приведены преимущества и недостатки выпускаемого озонаторного оборудования. Современные отечественные и зарубежные озонаторы имеют следующие недостатки:

- высокое удельное энергопотребление на синтез озона (16-20 кВт·ч/кг озона);

- низкая частота питающего напряжения (50-1000 Гц);

- внутренние электроды выполнены из стекла, которое имеет недостаточные диэлектрические свойства и невысокую устойчивость к высокому напряжению, вследствие чего они требуют частой замены;

- конструктивное решение системы охлаждения разрядного промежутка с внешней или с внутренней стороны не позволяет обеспечить отвод тепла из разрядного промежутка, что приводит к частичному разложению озона;

- низкий выход озона с единицы поверхности электрода (0,5 ч 0,9 г/ч·дм2), что приводит к увеличению массы и габаритов озонаторных установок.

Приведены примеры использования озона в различных отраслях народного хозяйства. Показано, что озон успешно используется для очистки питьевой воды, бытовых и промышленных стоков, различных газовых выбросов, в целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском хозяйстве и в медицине.

На основании анализа литературы сделаны следующие выводы:

- для создания высокоэффективных озонаторов необходимо использовать электроды со стеклоэмалевым покрытием, имеющими высокие диэлектрические свойства и двухстороннее охлаждение, а также применять электрический ток высокой частоты.

- для широкого внедрения озона в системах очистки, наряду с созданием высокоэффективного озонаторного оборудования необходимо создание технологий применения озона.

Вторая глава посвящена теоретическим основам создания высокопроизводительного озонаторного оборудования. Показано, что основным методом получения озона является его электросинтез в барьерном разряде. Барьерный разряд представляет собой совокупность быстропротекающих микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности электродов и возникающих в разрядном промежутке при напряжении пробоя газа. Диэлектрический барьер исключает образование разрядов искровой или дуговой формы и обуславливает равномерную структуру плазмы. Затраты энергии на реакцию образования озона равны 7,05 эВ, О + О2 + > О3 + . Энергия разложения озона О3 > О2 + О составляет 1,0эВ.

Электрические свойства разряда в газах описываются с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) озонатора. Показано, что ВАХ при барьерном разряде имеют разные наклоны, зависящие от емкости диэлектрических барьеров. Для различных разрядных промежутков вольтамперные характеристики проходят параллельно друг другу. Так как давление и состав газа практически не влияют на емкостные характеристики озонаторов, то по характеру ВАХ можно контролировать состояние диэлектрических барьеров.

Основным электрическим параметром является активная мощность Wa, которая определяется по формуле:

, (1)

где Um- внешнее приложенное напряжение, Сп и Сб - емкость газового промежутка и диэлектриков.

Приведенная формула свидетельствует о возможности линейно увеличивать активную мощность электрического разряда, меняя частоту и напряжение.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования производительности от конструктивных и рабочих параметров озонатора. Экспериментальные исследования проводились на озонаторах 9.26.0038.020 и 9.26.0038.120, в которых величина разрядного промежутка между электродами составляла 1мм, длина разрядной зоны составляла 400 и 800 мм. В озонаторах использовался внутренний электрод с различными стеклоэмалевыми покрытиями разработки НИИЭМАЛЬХИММАШ, г.Полтава. Стеклоэмалевое покрытие электродов должно иметь высокую диэлектрическую проницаемость (е), малые диэлектрические потери (tg д), должно быть равной толщины и сплошным по всей поверхности электродов. С целью увеличения диэлектрической проницаемости эмалевого покрытия, в состав его вводился метатитанат стронция, диэлектрическая проницаемость которого достигает значения е = 250. Результаты исследований опытных эмалей 13Д1, 13ДЗ, 13Д5, 13Д7 показали, что наибольшую эффективность синтеза озона достигали при использовании эмали 13Д5 (выход озона достигал 16,5 г/ч·дм2, а затраты энергии на синтез озона - 10ч12 кВт·ч/кг озона при работе на воздухе). Зависимость производительности озонаторов от длины разрядной зоны приведена на рисунке 1. Энергетический выход озона возрастает с увеличением длины разрядной зоны до 700 мм. Увеличение длины разрядной зоны более 700 мм приводит к снижению выхода озона. Это связано с повышением температуры озоновоздушной смеси, что приводит к частичному разложению озона.

Рисунок 1 - Зависимость производительности озонаторов от длины разрядной зоны

На эффективность синтеза озона в барьерном разряде влияют электрические параметры плазмы - частота тока, напряжение, активная мощность. Зависимость активной мощности от напряжения и частоты тока на озонаторе представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, пропорциональную напряжению разряда, емкости диэлектрического барьера и частоте тока. Увеличение частоты питающего озонатор электрического тока позволяет увеличить мощность озонатора, не меняя его геометрических размеров. Проведенные исследования эффективности синтеза озона в озонаторе от величины разрядного промежутка показали, что с уменьшением величины разрядного промежутка концентрация озона и производительность увеличиваются. Экспериментальные исследования зависимости концентрации озона от частоты питающего тока при расходе воздуха 6 м3/час приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость концентрации озона от напряжения при различных частотах.

№ п/п	Частота тока, Гц	3000	4000	5000	6000	7000	8000
	Напряжение питания, кВ	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3	Сила тока в ГО, (I ГО), А	Концентрация озона, (Со3), г/м3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	2	0,04	0	0,09	0	0,15	0	0,18	0	0,16	0	0,18	0
2	2,2	0,05	0	0,10	0	0,17	0	0,2	0	0,17	0	0,18	0
3	2,4	0,055	0	0,11	0	0,18	0	0,21	0	0,19	0	0,19	0
4	2,6	0,06	0	0,12	0	0,195	0	0,22	0,5	0,2	0	0,21	0
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
5	2,8	0,065	0	0,125	0	0,21	0	0,23	2,0	0,22	2,6	0,24	1,9
6	3,0	0,07	0	0,135	0	0,23	1,4	0,245	4,1	0,25	3,6	0,27	2,9
7	3,2	0,075	0	0,17	1,5	0,26	3,5	0,29	6,3	0,3	5,5	0,31	4,0
8	3,4	0,08	0	0,20	3,0	0,32	10	0,34	8,6	0,34	7,8	0,35	7,1
9	3,6	0,08	0	0,24	5,6	0,41	14,5	0,4	12,0	0,39	10,5	0,41	9,1
10	3,8	0,085	0	0,35	11,1	0,5	18,9	0,46	15,0	0,44	13,0	0,46	12,0
11	4,0	0,09	0			0,60	22,5	0,54	19,0	0,52	15,5	0,54	14,5
12	4,2	0,39	15,1					0,67	22,2	0,62	19,7	0,57	19

Как видно из таблицы 1, с увеличением частоты электрического разрядного тока концентрация озона в озоновоздушной среде, а, следовательно, и производительность озонатора растет. Однако с увеличением мощности повышается температура газа и увеличивается скорость разложения озона. В результате снижается выход озона и растут удельные энергозатраты. Зависимость концентрации озона от напряжения питания озонатора при работе на воздухе приведена на рисунке 2, которая показывает, что максимальная концентрация озона достигается при напряжении 6 кВ. При более высоких напряжениях концентрация озона уменьшается, что связано с ростом температуры озоновоздушной смеси и частичным разложением озона. На рисунке 3 приведена зависимость удельных энергозатрат на синтез озона от напряжения питания. Как видно из рисунка 3, минимальные энергозатраты соответствуют напряжению питания 5кВ.

Рисунок 2 - Зависимость концентрации озона от Рисунок 3 - Зависимость энергозатрат на синтез напряжения питания озона от напряжения питания

Производительность озонатора зависит от содержания кислорода, расхода, влажности и давления рабочего газа в разрядной зоне. Зависимость производительности озонатора от расхода рабочего газа с различной концентрацией кислорода приведена на рисунке 4. Из рисунка видно, что с увеличением расхода рабочего газа и процентного содержания кислорода в нем производительность увеличивается. Изучение синтеза озона из воздуха показало, что одновременно в озонаторе из N2 и О2 происходит образование окислов азота NO, NO2, которые при наличии озона окисляются до пятиокиси азота (N2O5). Одновременно в озонаторе происходит реакция взаимодействия окислов азота с парами воды, оставшимися в рабочем газе, и образуется азотная кислота. Образовавшиеся в озонаторе пятиокись азота и азотная кислота отрицательно влияют на электросинтез озона, появляется эффект «отравления» разряда, при котором происходит полное разложение образовавшегося озона. Количество образовывающейся азотной кислоты в озонаторе зависит от содержания влаги в рабочем газе. Поэтому подаваемый в озонатор рабочий газ должен быть осушенным до точки росы не выше минус 50 °С.

Давление газа в разрядном промежутке оказывает влияние на напряжение электрического разряда. С ростом давления газа напряжение разряда увеличивается. На генераторе озона 9.29.6030.000.00 определялась зависимость производительности от давления в разрядной зоне. При этом расход воздуха составлял 6 м3/час, напряжение питания - 5,5 кВ, частота - 2,5 кГц, длина разрядной зоны - 720 мм, величина разрядного промежутка - 1мм. На рисунке 5 приведена зависимость производительности озонатора от давления рабочего газа в его разрядной зоне.

Рисунок 4 - Зависимость производительности Рисунок 5 - Зависимость производительности озонатора от расхода рабочего газа озонатора от давления рабочего при концентрации О2: газа 1 -СО2=20%; 2 - СО2=50%; 3- СО2=57%



При изменении давления газа в области от 0,2 до 0,6 кгс/см2 выход озона увеличивается. При увеличении давления выше 0,6 кгс/см2 выход озона уменьшается.

Анализ экспериментальных данных приведенных на рисунках 1, 2, 3, 4, 5 показал, что с достаточной степенью точности они описываются аналитической зависимостью вида:

Эмпирические коэффициенты: определялись методом наименьших квадратов, их значения приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения эмпирических коэффициентов

№ рисунка	у	Размерность у	а	b	c	d	х	Размерность х
1		кг/ч	-4,59·10-10	2,546·10-4	3,232·10-4	1,874·10-3		мм
2	СО3	г/м3	-5,121	77,92	-379,55	601,077	U	кВ
3 (2,5кГц)	е	кВт·ч/кг	-0,3151	6,277	-37,67	81,412	U	кВ
3 (3,0кГц)	е	кВт·ч/кг	-0,3897	8,853	-57,006	123,309	U	кВ
4 (20%Со2)		кг/ч	3,77·10-4	7,49·10-3	5,327·10-2	7,48·10-4	Q	м3/ч
4 (50%СО2)		кг/ч	0	-2,335·10-3	5,143·10-2	-10-3	Q	м3/ч
4 (57%СО2)		кг/ч	0	-4,021·10-3	7,735·10-2	-7,168·10-4	Q	м3/ч
5		кг/ч	-0,359	-0,3645	0,8547	-0,106	РО3	кгс/см2

С помощью данных таблицы 2 на рисунках 1 - 5 построены расчетные кривые, описывающие изменение параметров процессов в заданных диапазонах.

Представлена методика расчета концентрации и производительности озона, учитывающая изменение температуры рабочего газа по длине разрядной зоны.

Известно, что в разрядной зоне озонатора одновременно происходят процессы, как образования, так и разложения озона. По данным некоторых работ при увеличении активной мощности электрического разряда концентрация озона асимптотически приближается к максимуму. Дальнейшее увеличение активной мощности на концентрацию озона не влияет, она остается постоянной. Этот результат возможен, если предположить, что константы химических реакций образования и разложения озона не зависят от внешних факторов и являются строго постоянными величинами. Проведенные экспериментальные работы не подтвердили этот вывод. Согласно полученным данным при определенном значении активной мощности концентрация озона достигает максимума, а при дальнейшем увеличении мощности уменьшается. Этот результат получается, если предположить, что константа разложения озона зависит от температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора. На основании этого вывода и используя известное кинетическое уравнение синтеза озона, автором было получено уравнение для расчета концентрации озона в виде:

(2)

Из формулы видно, что концентрация озона зависит от температуры рабочего газа на выходе из озонатора (Твг). Поскольку заранее эта температура неизвестна, следовательно ее необходимо определить расчетным путем. Формулу для определения температуры рабочего газа выводим, анализируя систему охлаждения электродов озонатора. Система охлаждения озонатора должна предусматривать охлаждение внутреннего и наружного электродов. Схема такой системы охлаждения показана на рисунке 6.



Рисунок 6 - Схема системы охлаждения электродов

На схеме показаны направления движения жидкости ,газа и тепловые потоки . Как видно из схемы охлаждающая жидкость подается последовательно, сначала на охлаждение внутреннего электрода, а затем наружного. Рабочий газ подается с двух сторон равными расходами, а выводится через середину электрода. Система состоит из трех зон: охлаждение внутреннего электрода, охлаждение наружного электрода, охлаждение газа в разрядной зоне. Для каждой зоны, на основании теории теплопередачи, были составлены уравнения, определяющие величины тепловых потоков. Путем исключения промежуточных параметров была определена формула для расчета температуры рабочего газа на выходе из озонатора в виде:

(3)

В формуле (3) коэффициенты А, В, Д, Е зависят от теплофизических свойств рабочего газа, воды и конструкции озонатора. На модельной установке были проведены экспериментальные работы, в ходе которых в широком диапазоне изменялись значения активной мощности (от 0 до 1300Вт) и расход воды охлаждения (от до кг/с). Полученные экспериментальные данные приведены на рисунках 7-11, здесь же приведены расчетные данные, полученные по формулам (2) и (3). Расчет производился методом последовательных приближений.

Сравнительный анализ показал хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных. Отсюда можно сделать вывод, что разработанную методику можно использовать для практических расчетов в широком диапазоне изменения значений активной мощности, расходов газа и воды охлаждения. При настройке озонаторной установки на заданный режим работы, в частности для получения заданных значений концентрации и расхода озона необходимо рассчитать требуемые значения активной мощности и расхода воды охлаждения электродов.



Разработанная методика дает такую возможность. Пример расчета для заданной концентрации озона Со3=19 г/м3 приведен на рисунке 12. Из рисунка видно, что при подаче активной мощности 1100Вт необходимо подавать расход воды охлаждения 23 г/с, при подаче активной мощности - 1000Вт необходимо подавать расход воды охлаждения 78 г/с. Наиболее экономически выгодным является режим работы: Wa = 1100Вт, = 23 г/с. Разработанная методика расчета концентрации озона и производительности озонатора позволяет решать широкий круг вопросов, касающихся работы озонаторной установки и анализа процессов, происходящих в нем.



Рисунок 12 - Кривые изменения концентрации озона и температуры в зависимости от расхода воды охлаждения

В четвертой главе приведены результаты создания высокоэффективных озонаторных установок производительностью 0,25; 2; 5 кг/час, а также источников питания озонаторов мощностью до 100 кВт.

В первом разделе дано описание озонаторной установки производительностью 0,25 кг/час, предназначенной для обработки питьевой воды с расходом до 70 м3/час, а также воды плавательных бассейнов объемом до 2000 м3. Озонаторная установка обеспечивает обеззараживание, дезодорацию и осветление воды. Вода соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения». Озонаторные установки производительностью 0,25 кг/час для обеззараживания воды плавательных бассейнов внедрены в 18 городах Российской Федерации, имеют гигиенический сертификат РФ № 52 от 13.10.94г.

В разделе 2 приведено описание и технические характеристики озонаторных установок производительностью 2 и 5 кг/час. Основой их создания послужил базовый генератор озона 9.29.6030.000.00 с металлическим эмалированным электродом, работающий на высокочастотном питании. Конструкция его представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Генератор озона 4-х секционный 9.29.6030.000.00

Принципиальные пневмогидравлические схемы этих установок идентичны и отличаются между собой количеством генераторов озона, расходами рабочих сред, потребляемой электроэнергией. В состав каждой озонаторной установки входят:

- озонаторный модуль;

- источник силового электрического питания с тиристорным преобразователем

частоты и высоковольтным трансформатором;

- пульт управления.

Внешний вид модуля ОУ-5 производительностью 5 кг/ч представлен на рисунке 14.



Рисунок 14 - Внешний вид озонаторного модуля ОУ-5

Результаты испытаний озонаторной установки производительностью 5 кг/час приведены на рисунке 15. Приведенные зависимости позволяют выбрать параметры работы озонатора. Энергозатраты на электросинтез озона при работе озонаторной установки на воздухе составляют 10 кВт ·ч/кг озона.

Рисунок 15 - Зависимость концентрации озона и производительности озонаторной установки ОУ-5 от расхода воздуха



В разделе 3 приведены электрические схемы и дано описание силовых электрических источников питания озонаторов различной мощности.

Основные технические характеристики озонаторов с высоким энергетическим выходом озона в значительной степени зависят от характеристик источников питания. Использование высокой частоты питающего напряжения озонатора позволяет создать источник с малыми массой и габаритами. Показано, что наиболее эффективными являются преобразователи частоты, выполненные на основе инвертора, обеспечивающего преобразование постоянного напряжения в переменное. Источники питания имеют широкий диапазон регулирования выходных электрических параметров, хорошо согласуются с нагрузкой, имеют простую силовую схему и малую установленную мощность элементов. Для электропитания озонаторов различной производительности разработаны и изготавливаются преобразователи повышенной частоты мощностью 0,6 кВт, 5 кВт, 30 кВт, 100 кВт.

В пятой главе представлены технологические процессы обработки питьевой воды, нейтрализации стирольных выбросов при производстве каучука, а также отбелки целлюлозы с применением озона вместо хлора. Необходимость применения озона в технологии обработки питьевой воды доказана многочисленными исследованиями при очистке воды водоисточников многих регионов России. Озонирование питьевой воды позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание, устранение привкусов и запахов, и ее обеззараживание. Приведена технологическая схема и дано описание метода обработки воды плавбассейнов озонированием. Доза озона является важнейшим технологическим параметром для очистки питьевой воды, зависит от времени контакта и степени загрязнения воды. Для обезвреживания поверхностных вод требуемой степени очистки она составляет от 3 до 4,5 г/м3 при времени контакта от 8 до 12 минут. Применение озона в качестве окислителя органических соединений дает возможность разложить углеводороды, особенно непредельного ряда, в обрабатываемой газовой среде до углекислого газа и воды при низкой температуре.

Нейтрализация стирольных выбросов в цехе №28 ОАО «Воронежсинтезкаучук» позволила сократить эксплуатационные затраты на очистку отработанного воздуха, а также обеспечить уровень санитарных требований к очистке воздуха (концентрация стирола не более 10мг/м3 ).

Актуальным для целлюлозно-бумажных предприятий России является переход на отбелку целлюлозы без молекулярного хлора и его соединений. На Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате создана опытно-промышленная установка для отбелки озоном 25 тонн целлюлозы в сутки с концентрацией 30ч40 %. Продолжительность обработки целлюлозы снижается на 30-50 %. Одновременно снижается расход озона на 20-30 % за счет более полного и эффективного его использования. Разработанный технологический процесс позволяет сократить объем капитальных затрат на очистку промышленных стоков на 10-20 %, а эксплуатационные затраты - на 15-25 %. Применение озона позволит решить экономические и экологические проблемы повышения конкурентоспособности отечественной отбеленной целлюлозы на внутреннем и международном рынках.



ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Исследованы зависимости производительности созданных озонаторов от конструктивных характеристик генераторов озона (состава эмали, длины разрядной зоны и величины разрядного промежутка, параметров рабочего газа). Доказано, что стеклоэмалевое покрытие обеспечивает высокий энергетический выход озона при более низких значениях напряжения. Удельная производительность озонатора при работе на воздухе составляет 17 г/ч•дм2 с единицы поверхности электрода. При этом удельные затраты энергии на электросинтез озона составляют 10-12 кВт•ч/кг озона.

Проведены экспериментальные исследования и расчеты процесса охлаждения электродов озонатора. Разработана методика расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой при расчете учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора. На модельной установке проведены экспериментальные исследования и произведены расчеты по разработанной методике. Произведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных, показавший хорошую сходимость. Произведен расчет параметров для заданного значения концентрации озона. Определены оптимальные расходы воды охлаждения электродов озонатора.

Разработана базовая конструкция озонатора со стальным стеклоэмалевым охлаждаемым электродом, работающего на частоте тока до 10 кГц и пониженном напряжении до 4 ч 5 кВ. Конструкция базового озонатора разработана в 2-х вариантах: однокорпусном и 4-х секционном. Конструкция 4-х секционного озонатора позволяет более равномерно выдержать зазор между внутренним и наружным электродом. Базовая конструкция озонатора послужила основой для создания озонаторных установок производительностью от 0, 015 до 5 кг/ч.

Созданы озонаторные установки различной производительности (0,015; 0,15; 0,3; 2; 5 кг/ч). Они позволяют обеспечить оптимальный режим обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, промышленных стоков, нейтрализации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука, отбелке целлюлозы. Эти установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС RU. АЯ О4. В 14881.

Разработаны источники питания для озонаторных установок мощностью 0,6; 3; 5; 30; 100 кВт, работающие на частоте до 10 кГц. Коэффициент мощности силовых установок составляет более 0,9.

Разработана и внедрена в 18 городах Российской Федерации технология обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3. Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН 2.1.2.1188-03. Озонаторные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13.10.94 г. Создана энергосберегающая технология очистки вентиляционного воздуха от стирольных соединений при производстве синтетических каучуков в цехе № 28 ОАО «Воронежсинтезкаучук». Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет ~ 21,5 млн. руб.

Доказана возможность отбелки озоном целлюлозы высокой концентрации

30ч40 %. Сокращаются продолжительность обработки целлюлозы на 30-50 %, объем капитальных затрат на промстоки - на 10-20 % и эксплуатационные затраты - на 15-25 % . Такой переход обеспечит повышение конкурентоспособности отечественной целлюлозы на международном и внутреннем рынках.



ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

е - абсолютная диэлектрическая проницаемость материала барьера, Ф/м; S - площадь разрядной зоны, мм2; d - суммарная толщина диэлектрического барьера, мм; dвв - внутренний диаметр внутреннего электрода, мм; dнв - наружный диаметр внутреннего электрода, мм; dвн - внутренний диаметр наружного электрода, мм; dнн - наружный диаметр наружного электрода, мм; dэ - наружный диаметр эмали, мм; е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость газа, применяемого в разрядной зоне, Ф/м; dn - ширина газового промежутка, мм; Екр - критическая напряженность электрического поля в разрядном промежутке, кВ/м; U - напряжение питания озонатора, В; щ - круговая частота питающего напряжения, рад/с; u (t), i (t) - мгновенные значения напряжения и тока, В, А; Um, Im - амплитудные значения напряжения и тока, В, А; U, I - действующие значения (эффективные) напряжения и тока, В, А; Uг - напряжение горения, В; Uкр - критическое напряжение, В; f - частота питающего напряжения, Гц; Iкр.ср. - среднее значение критического тока, А; Qв - расход воды охлаждения, м3/ч; Qг - расход рабочего газа, м3/ч; Ср - удельная теплоемкость воды, кДж/кг·град.; Твхг, Твхв - температуры газа и воды на входе в озонатор, оС; Св, Сг - теплоемкости воды и газа, кДж/кг•гр; Со3 - концентрация озона, г/м3; tg д - диэлектрические потери; W - полная мощность, ВА; Wа - активная мощность, Вт; Wо - удельная мощность, расходуемая на образование 1 кг озона, кВт•ч/кг; л - коэффициент мощности озонатора; лс, лэ - коэффициенты теплопроводности стали и эмали, Дж/м·К; е - удельные энергозатраты, кВт• ч /кг; Ао- энергетический выход сухого рабочего газа, Дж/моль; Р - давление, МПа (кгс/см2); - производительность по озону, кг/ч; - массовый расход воды охлаждения, кг/с; t - время изменения питающего напряжения, с; ф - время пребывания рабочего газа в разрядной зоне, с; - длина разрядной зоны, мм.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Пригожин В.И. Теоретические экспериментальные исследования создания высокоэффективного озонаторного оборудования. / Пригожин В. И., Бударин М.В. // «Альтернативная энергетика и экология» международный научный журнал. -2004, №10, -С. 16-20.

2. Пригожин В.И. Опыт использования стеклоэмалей в барьерных озонаторах КБХА. /Пригожин В.И., Бударин М.В., Литвинов В.В. //Информационный центр «Озон», №7, М., -1997. -С.7-10.

3. Пригожин В.И. Оптимизация конструкторских узлов и агрегатов озонаторных станций для обеззараживания воды в плавательных бассейнах. /Пригожин В.И., Бударин М.В., Литвинов В.В., Поликарпов А.И. //Научнотехнический юбилейный сборник КБХА. Воронеж, -2001.-С.593-598.

4. Пригожин В.И. Создание высокоэффективных озонаторных установок производительностью до 5кг/ч. /Пригожин В.И., Бударин М.В. // «Альтернативная энергетика и экология» международный научный журнал. №11, -2004. -С.38-41.

5. Пригожин В.И. Создание энергосберегающей технологии очистки воздуха от органических соединений методом озонирования при производстве синтетических каучуков./ Пригожин В.И., Бударин М.В., Литвинов В.В. // Научно-технический юбилейный сборник КБХА. Воронеж. - 2001. -С.599-603.

6. Пригожин В.И. Создание новой энергосберегающей технологии очистки отработанного воздуха от органических соединений озонокаталитическим окислением. /Пригожин В.И., Бударин М.В., Полуэктов П.Т., Власова Л.А. и др. //Производство и использование эластомеров. №5, -1998. - С.3-6.

Размещено на Allbest.ru