臭氧尾氣處理器分類
臭氧發(fā)生器臭氧分解系統(tǒng)
一、概述
臭氧水處理投加是用臭氧化氣來完成的，根據(jù)不同混合方式的混合效率及臭氧與水混合的溶解度，從反應(yīng)池或反應(yīng)塔排出的氣體中也會含有較多的臭氧，這種含有一定量臭氧的空氣是不適于呼吸的。空氣中臭氧濃度超過0.1ppm，將會刺激喉嚨引起咳嗽。國際上臭氧最大濃度標(biāo)準(zhǔn)為0.1ppm，這個值是基于8小時工作時間下工作場所允許的最大臭氧濃度。因此，在臭氧工程設(shè)計(jì)中很重要的一點(diǎn)就是采用安全措施進(jìn)行廢氣處理，避免任何副作用的產(chǎn)生。
目前，可用來消除或分解接觸器尾氣中臭氧的方法有：
（1）預(yù)臭氧化；
（2）尾氣循環(huán)到臭氧發(fā)生器；
（3）稀釋后排放；
（4）催化分解；
（5）熱分解；
（6）在可燃載體上吸附和反應(yīng)；
（7）淋洗和（或）化學(xué)捕獲；
（8）兼有分解和（或）隨后分解的吸收。
由于臭氧是一種不穩(wěn)定氣體，可還原成氧氣。這種還原作用在常溫下進(jìn)行很慢，但在350℃溫度下瞬間內(nèi)即可完成。因此，傳統(tǒng)的尾氣臭氧分解裝置大都采用加熱分解的方式。
隨著催化技術(shù)的發(fā)展以及能源的緊張，還有逐漸降低運(yùn)行費(fèi)用的要求也成為產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，催化分解的技術(shù)及產(chǎn)品開始逐漸用于尾氣臭氧分解。
1．預(yù)臭氧化法
預(yù)臭氧化處理的前提條件是，系統(tǒng)工藝中臭氧的投加必須是多點(diǎn)的。后臭氧處理的尾氣采用預(yù)臭氧化法消除，就是將從后臭氧接觸室排出的氣體通過某種方法投加到預(yù)處理的某個環(huán)節(jié)的水里。由于進(jìn)行預(yù)臭氧化處理的原水含有快速反應(yīng)或溶解臭氧的物質(zhì)，尾氣里的臭氧能被大量消耗，預(yù)臭氧化階段的臭氧吸收率可再一次達(dá)到90%左右，但是尾氣臭氧分解問題理論上依然存在，不過此刻尾氣臭氧濃度又降低了一個數(shù)量級，即降低了9/10，例如從7g/m3降到了0.7g /m3。
預(yù)臭氧化系統(tǒng)需要一臺自吸設(shè)備，如環(huán)流渦輪混合器；或者一套噴射裝置，如文氏射流器；或者擴(kuò)散裝置，如曝氣盤或穿孔管。
2．循環(huán)法
當(dāng)用純氧或富氧氣體發(fā)生臭氧時，可以實(shí)行尾氣循環(huán)回到臭氧發(fā)生器。這種技術(shù)是以氧的經(jīng)濟(jì)回用為基礎(chǔ)的，尾氣必須經(jīng)過提純和干燥的工藝后，加壓到臭氧發(fā)生器或者是氣源處理裝置中。
表面上看使用循環(huán)法消除了尾氣臭氧對環(huán)境的影響，而且又達(dá)到了氣源回收利用，但循環(huán)法造成了氣體內(nèi)氨氣和二氧化碳?xì)夂康闹鸩礁患?，為防止臭氧產(chǎn)量下降，一般也要往系統(tǒng)中補(bǔ)充5-10%左右的新鮮氣體，因而仍然會有5-10%左右的尾氣排放，還是需要對一小部分尾氣臭氧進(jìn)行分解處理。另外，循環(huán)系統(tǒng)中的某些部位還需要耐潮濕臭氧腐蝕材料，而且尾氣的提純非常重要，避免微量有機(jī)物逐步積累在干燥塔內(nèi)吸附劑上。
接觸器尾氣中的臭氧并不能使臭氧發(fā)生器出口的臭氧濃度有提高，這點(diǎn)符合臭氧發(fā)生器是在平衡狀態(tài)下運(yùn)行的化學(xué)反應(yīng)器原理。
3．稀釋法
稀釋法是用空氣稀釋含臭氧的尾氣，達(dá)到排放要求的一種方法。不過，直接達(dá)到排放尾氣0.1ppm臭氧安全目標(biāo)所需的稀釋比是很高的，例如在5000~10000之間，所以此法只有在剩余臭氧進(jìn)一步利用（例如通過預(yù)臭氧化）或適當(dāng)?shù)拇髿庀♂尡?/span>（如8~10）之后，再配接排氣煙筒用機(jī)械通風(fēng)100~120的稀釋比才能切實(shí)可行的。
盡管運(yùn)行成本低，只需很少控制設(shè)備，但由于巨型離心通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪音太大，而且不同生產(chǎn)條件下氣體流量或臭氧產(chǎn)量的變化會造成尾氣中臭氧濃度的變化，此項(xiàng)技術(shù)還是很少應(yīng)用。
4．熱分解法
熱分解法是將尾氣加熱到一定溫度，促使臭氧快速分解的一種方法。臭氧的熱分解早在30℃即已開始，在40~50℃時顯著。在200℃下一分鐘內(nèi)臭氧分解大約是70%，230℃時92%~95%。在300℃或以上時，1~2s反應(yīng)時間內(nèi)達(dá)到100%分解。熱分解法是當(dāng)前用于消除臭氧處理廠尾氣所含臭氧使用最廣泛的技術(shù)，可采用的主要工藝有三種：
（1）單通道電阻加熱；
（2）通過熱交換加熱；
（3）加熱并過熱燃燒。
單通道電阻加熱工藝連續(xù)、簡單，易實(shí)現(xiàn)自動化，排出的氣體溫度達(dá)到250~300℃的高溫，廢氣煙道需要用耐火材料建造，運(yùn)行費(fèi)用高；可以使用熱交換器回收部分熱能對尾氣進(jìn)行預(yù)熱。
用于尾氣排出的離心風(fēng)機(jī)最好是裝在破壞裝置之后（如置于整個破壞裝置的出口），靠抽吸和吹風(fēng)來排氣；熱交換器必須用抗腐蝕材料制造。如臭氧發(fā)生器采用氧氣源或富氧源，上述設(shè)備應(yīng)符合相應(yīng)的安全要求。
5．吸附法
吸附法是通過吸附在可燃載體上破壞臭氧，實(shí)際上使用的是裝有活性炭濾層的過濾器。
通常的基本設(shè)計(jì)參數(shù)是：用2L（約1kg）活性炭處理1 m3/h尾氣，且過濾器炭層裝成1.2m的厚度。它所產(chǎn)生的壓力損失大約為0.02~0.03MPa。為獲得完全反應(yīng)，過濾器炭層最好加熱到60~80℃。
由于不穩(wěn)定的臭氧化反應(yīng)產(chǎn)物（如過氧化氫類的積累所造成），也能形成CO基，導(dǎo)致氧化碳的高能釋放轉(zhuǎn)換，這項(xiàng)方法有可能發(fā)生嚴(yán)重爆炸的危險(xiǎn)情況。
通過往炭層上適量灑水可防止這些危險(xiǎn)，從運(yùn)行安全考慮，該方法一般禁止用于使用純氧或富氧氣體的臭氧發(fā)生器。
6．催化分解法
催化分解法是尾氣中的臭氧分解更多采用催化分解的方式，能使臭氧比用活性炭時更快的分解。目前大多數(shù)可用催化劑都是同鈀有關(guān)的，不過其它金屬氧化物諸如氧化錳和氧化鎳也是常用的。有時把活性炭催化劑包在某一支撐體上以便于操作，如在鋁顆粒上包上鈀基催化劑。
當(dāng)尾氣潮濕時，催化劑的效率很低，而且會很快失效。因此，工作時必須對催化劑持續(xù)加熱。
目前，有關(guān)用催化劑作臭氧破壞用的費(fèi)用和運(yùn)行特性都需要進(jìn)一步研究。中毒頻率和催化劑價格是重要問題。
7．吸附-分解法
吸附-分解是輔助臭氧破壞可能采用的另一項(xiàng)技術(shù)，也就是在氣體循環(huán)過程中。硅膠剛活化時，具有從不穩(wěn)定氣體中固著臭氧的特性，理論接觸時間等于8~10s，同時硅膠逐漸失效。經(jīng)若干次熱再生之后，硅膠的臭氧分解性能被降低。分子篩含有類似硅膠性能的萬分，不過失效比硅膠慢一些。
關(guān)于吸附-分解技術(shù)操作的嚴(yán)格條件，包括再生期間所吸附臭氧的熱分解，需要進(jìn)一步研究。有關(guān)吸附材料反復(fù)熱再生的磨耗和退化方面更要特別注意研究。
各種臭氧尾氣處理系統(tǒng)的相對運(yùn)行費(fèi)見下表：
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裝 置
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運(yùn)行費(fèi)W·h/m3
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主要優(yōu)點(diǎn)
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主要缺點(diǎn)
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預(yù)臭氧化
循環(huán)
稀釋
加熱
單加熱
熱交換
燃燒
活性炭吸附
催化
硅膠吸附
分子篩吸附
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80~150
80~100
8~10
130~170
85
約150
10~15
5
2
1~2
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利用了臭氧
無排放
易操作
易監(jiān)測
高產(chǎn)量
全部破壞
穩(wěn)定運(yùn)行
設(shè)備小
部分生產(chǎn)
循環(huán)周期長
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僅部分破壞
腐蝕危險(xiǎn)
噪音問題
熱尾氣
難自動化
設(shè)備大
爆炸危險(xiǎn)
催化劑中毒
再生不可逆
仍在試驗(yàn)
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二、尾氣分解設(shè)備簡介
基于各種尾氣處理設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，水廠用的尾氣分解裝置主要有加熱分解型尾氣臭氧分解器、催化或加熱-催化混合型尾氣臭氧分解器兩大類，目前還沒有水廠使用預(yù)臭氧化法、循環(huán)法、稀釋或其他方法來消除臭氧，以下簡要介紹常用的兩種設(shè)備。
1．加熱分解型尾氣臭氧分解器
1.1 工作原理
尾氣臭氧被加熱到350℃而被徹底分解。設(shè)備帶有一套完備的儀表系統(tǒng)（測量、報(bào)警、故障檢測），易于實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行。
加熱分解型尾氣臭氧分解器采用一體化設(shè)計(jì)，加熱溫度高于350℃，反應(yīng)時間2.5秒，可將余臭氧的濃度降低至0.1ppm以下。
1.2 運(yùn)行方式
設(shè)備全自動運(yùn)行，運(yùn)行中充分考慮節(jié)能的觀點(diǎn)，被分解的氣體在離開系統(tǒng)前首先通過一個高效熱交換器與進(jìn)入的氣體進(jìn)行熱交換，然后含有臭氧的氣體通過一列電加熱器達(dá)到被破壞所需的溫度，廢氣通過管道壓力或由離心風(fēng)機(jī)排出破壞器。
1.3 主要組成元件
加熱分解型尾氣臭氧分解器為整體設(shè)計(jì)，主要包括以下原件：
1.3.1 一臺控制柜，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)恒溫控制，并實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的現(xiàn)場/遠(yuǎn)程操作。
控制柜含有一套顯示調(diào)節(jié)儀表，并可在終端安裝報(bào)警器用于遠(yuǎn)程指示。
1.3.2 熱交換器
熱交換器由焊接板制成，采用逆流運(yùn)行方式。構(gòu)造：304/316L不銹鋼。
1.3.3 加熱器
加熱器由304/316L不銹鋼制成，通過150mm石棉隔熱，最外面用鍍鋅薄板起保護(hù)作用。設(shè)計(jì)溫度：420℃
1.3.4 框架：外部框架由304不銹鋼或碳鋼焊接制成。
1.3.5 備選風(fēng)機(jī)：離心風(fēng)機(jī)安裝在外部框架上。
1.4 主要特點(diǎn)
1.4.1 徹底滅除臭氧：由于使用高溫來分解臭氧，臭氧被100%分解。
1.4.2 自動化程度高：由于使用電氣設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)自動化。
1.4.3 設(shè)備體積大：由于使用加熱設(shè)備，而且使用多級熱交換器，設(shè)備體積較大。
1.4.4 設(shè)備能耗高：由于使用加熱設(shè)備，將氣體加熱到350℃左右，盡管使用多級熱交換器，設(shè)備能耗仍然很高。
2．加熱-催化混合型尾氣臭氧分解器
2.1 工作原理
加熱-催化混合型尾氣分解器主要通過催化分解作用去除尾氣中的多余臭氧。設(shè)備帶有一套完備的儀表系統(tǒng)（測量、報(bào)警等），將尾氣預(yù)加熱到一定溫度，與催化床接觸一定時間，可將余臭氧的濃度降低至0.1ppm以下，易于實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行。
設(shè)備采用緊湊型一體化設(shè)計(jì)，臭氧破壞設(shè)備（主要是加熱器和催化槽）、現(xiàn)場控制盤及離心風(fēng)機(jī)（根據(jù)運(yùn)行工況可選）均安裝在一個焊接鋼架上，設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)按要求填充好催化劑，產(chǎn)品發(fā)貨前已經(jīng)過測試運(yùn)行及性能檢驗(yàn)。
2.2 運(yùn)行方式
加熱-催化混合型尾氣分解器全自動運(yùn)行，能耗低。
尾氣在破壞器入口處通過預(yù)加熱來防止其在催化器中發(fā)生冷凝。加熱溫度通過溫控器調(diào)節(jié)，溫控器的安全開關(guān)可在溫度過高時切斷電源。進(jìn)入反應(yīng)室后，臭氧分子在通過催化器時得以分解。隨后，尾氣被離心風(fēng)機(jī)從催化床排出。
2.3 主要組成元件
加熱-催化混合型尾氣分解器由以下元件組成：
2.3.1 催化反應(yīng)槽，包括不銹鋼催化槽、不銹鋼網(wǎng)狀格板及支承柵板、催化劑等；
2.3.2 加熱器，包括：溫控器、不銹鋼外殼、加熱元件等；
2.3.3 離心風(fēng)機(jī)：離心式，鋁質(zhì)渦輪和葉片，單/三相電機(jī)；
2.3.4 除霧器，包括外殼、支撐架、專用除霧篩網(wǎng)、排水裝置等；
2.3.5控制柜：小型控制柜一般與分解器為一體化設(shè)計(jì)，大型設(shè)備和分解器設(shè)計(jì)為分體式，使尾氣分解器全自動安全運(yùn)行。柜體為薄鋼板制成，保護(hù)等級IP45，也可按用戶要求將保護(hù)等級提高至IP55，一般包括以下元件：
2.3.5.1專用操作面板：包含1個開關(guān)，1個急停按鈕，1個電源接通指示燈，1個工作指示燈，1個故障指示燈，1套溫度儀表；
2.3.5.2 控制系統(tǒng)：除現(xiàn)場手動控制外，還可由PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動。
2.4 主要特點(diǎn)
2.4.1安全：尾氣分解器使用目前最理想的觸媒劑，它不消耗臭氧，不會吸收臭氧，并且完全可以保證臭氧不會達(dá)到危險(xiǎn)濃度。
2.4.2 低溫運(yùn)行：運(yùn)行溫度大約為40-60℃，這樣可以降低運(yùn)行成本，相對于加熱分解型尾氣分解裝置，大約90%的運(yùn)行費(fèi)用是可以省去的。
2.4.3 較低的壓降：最大壓降僅為O.02MPa。
2.4.4 分解不完全：仍有部分臭氧殘留在尾氣中。
注意：催化劑中毒危險(xiǎn)
催化床主要由二氧化錳、一氧化錳、氧化銅等構(gòu)成，因此存在著由于催化劑中毒帶來的風(fēng)險(xiǎn)。在水廠的臭氧消毒過程中，氣態(tài)氯的分解以及氯引起的催化床中毒基本不會發(fā)生，但潮氣的存在極易造成催化劑中毒。
正確使用催化分解，在尾氣進(jìn)入催化床之前必須經(jīng)過除霧裝置用來去除液態(tài)的水霧；然后再經(jīng)過預(yù)加熱，防止尾氣經(jīng)設(shè)備冷凝后再次出現(xiàn)液滴。
三、尾氣臭氧分解器的安裝及注意事項(xiàng)
1．安裝
1.1 將尾氣臭氧分解器安裝在室內(nèi)或室外頂棚下的一個水平的基礎(chǔ)上，一般加熱分解型必須安裝在室內(nèi)，其他型的可根據(jù)實(shí)際需要來安排。
1.2 為尾氣臭氧分解器配備進(jìn)口開關(guān)閥以及一個旁通閥（如有需要）以便于維修和啟動。
1.3 如有用電設(shè)備，選用適當(dāng)?shù)臄嗦菲鲗㈦娫唇拥皆O(shè)備上。
1.4 電源連接：根據(jù)給出的電氣要求進(jìn)行線路連接，所有元件遵循電路連接規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)或符合NEC、NEMA、CSA和UL的標(biāo)準(zhǔn)。
1.5 電器連線可能因運(yùn)輸過程而松動，請用螺絲刀旋緊。
1.6 保存：如果在安裝之前保存一段時間，請遵從以下簡單程序：
1.6.1 密封或包裹所有的部件
1.6.2 包裹電器箱
1.6.3如催化劑因運(yùn)輸?shù)脑蛭囱b入干燥塔內(nèi)，應(yīng)置于室內(nèi)保存以防雨或水的侵蝕。
1.7 檢漏：所用尾氣臭氧分解器在出廠之前均經(jīng)過檢漏測試，但泄漏現(xiàn)象在運(yùn)輸或安裝過程中可能會發(fā)生，在安裝后和試運(yùn)行前應(yīng)對系統(tǒng)檢查有可能出現(xiàn)的泄漏現(xiàn)象。
2．注意事項(xiàng)
2.1 安全規(guī)程
在使用離心風(fēng)機(jī)（氣泵）空氣處理設(shè)備及電加熱器等用電設(shè)備時，請遵守基本的安全規(guī)程，并注意以下內(nèi)容：
2.1.1 通讀所有的規(guī)程
2.1.2 電器接線及斷路器：電器接線、斷路器和其他電器元件必須符合地方政府及國家標(biāo)準(zhǔn)。在任何情況下，如本設(shè)備被摔壞或損壞，請不要操作本設(shè)備。注意許可的調(diào)試、修理或調(diào)節(jié)設(shè)備的權(quán)限。
2.2 警示：安裝或操作本設(shè)備時，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)及地方政府標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.2.1 設(shè)備維護(hù)時，確信電源已經(jīng)切斷。
2.2.2采用合適的部件和附件：在管路流程中，請勿采用不能承受一定濃度的臭氧腐蝕的部件和附件。
2.2.3 離心風(fēng)機(jī)（如果有）：應(yīng)有必要的安全防護(hù)裝置，以免對人體造成意外傷害。
2.2.4 可靠的接地：如使用加熱等用電設(shè)備，必須保證設(shè)備接地良好。
2.3 警示：
經(jīng)過尾氣臭氧分解器處理過的尾氣仍然會含有一定濃度的殘留臭氧，在一些公共場所使用時必須安裝濃度檢測報(bào)警儀，確認(rèn)臭氧濃度在安全許可濃度0.1ppm以下。
2.4 注意：
處理后的尾氣可以直接排放在大氣中，但是放空口應(yīng)加裝必要的裝置，以免雨水濺入設(shè)備內(nèi)部造成設(shè)備損壞。
3．尾氣分解器技術(shù)參數(shù)
尾氣分解器技術(shù)參數(shù)一般如下：
3.1 額定進(jìn)氣臭氧濃度：0.5wt%，約合6-8g/m3
3.2 出氣臭氧濃度：穩(wěn)定狀態(tài)下為0.1ppm，約合0.2mg/m3
3.3 進(jìn)氣口條件要求：含臭氧的空氣或氧氣
3.4 額定進(jìn)氣流量：XX Nm3/h，最大進(jìn)氣流量：XX Nm3/h
3.5 最高進(jìn)氣壓力： XX MPa
3.6 電源：XX V/Xph/XX Hz
3.7 裝機(jī)容量：XXX kVA，其中加熱器 XXX kVA；風(fēng)機(jī) XXX kVA
3.7 工作溫度：最高 XX ℃
四、選型建議淺析
目前由于水源的原因，水廠的臭氧的投加一般是兩點(diǎn)或多點(diǎn)投加的。使用氧氣源（包含液氧和富氧）時，氧氣綜合利用或者說尾氣的回收利用顯得非常必要，但是氧氣的綜合利用或者說尾氣的回用為必須以經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)：當(dāng)用純氧或富氧氣體發(fā)生臭氧時，雖然可以實(shí)行尾氣循環(huán)回到臭氧發(fā)生器作為氣源，但作為臭氧氣源的回用尾氣，必須要滿足作為臭氧氣源的幾個條件，也就是說尾氣必須經(jīng)過提純和干燥處理的工藝后才能使用。
由于氧氣回用系統(tǒng)中的某些部位還需要耐潮濕臭氧腐蝕材料；而且為了避免微量有機(jī)物逐步積累在干燥塔內(nèi)吸附劑上，尾氣還要經(jīng)過噴淋或洗滌的提純工藝；回用的氣體為防止氨氣和二氧化碳?xì)夂康闹鸩礁患?/span>而造成的臭氧產(chǎn)量下降，還要往系統(tǒng)中補(bǔ)充新鮮氧氣，氧氣回用系統(tǒng)設(shè)備及工藝復(fù)雜性大大提高。
目前由于水源的原因，水廠的臭氧的投加一般是兩點(diǎn)或多點(diǎn)投加的。筆者粗淺認(rèn)為，使用空氣源的臭氧系統(tǒng)，某些產(chǎn)量級的后臭氧處理尾氣的消除完全可以采用預(yù)臭氧化的方式，預(yù)臭氧化可以通過在預(yù)臭氧池中預(yù)設(shè)穿孔管的的方式或射流的方式，預(yù)臭氧尾氣的消除可以使用離心風(fēng)機(jī)和射流器噴射稀釋的方式。
至于使用氧氣源的臭氧系統(tǒng)，某些產(chǎn)量級的后臭氧處理尾氣的消除也采用預(yù)臭氧化的方式，預(yù)臭氧化可以通過在預(yù)臭氧池中預(yù)設(shè)穿孔管的的方式或射流的方式，通過控制后臭氧尾氣的濃度，可以將預(yù)臭氧尾氣控制在極小的數(shù)值之內(nèi)，或最多再通過以及催化分解，將尾氣導(dǎo)入水處理系統(tǒng)的生化曝氣的處理工藝，達(dá)到綜合利用程度，而不采用復(fù)雜的循環(huán)的方式。
