Процесс и аппаратурное оформление озонной обработки воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Корса-Вавилова Елена Викторовна

• Корса-Вавилова Елена Викторовна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Корса-Вавилова Елена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

1. ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Анализ основных технологических процессов очистки питьевой воды

1.1.1. Недостатки традиционных технологий водоподготовки

1.1.2. Преимущества применения процесса озонирования в процессе водоподготовки

1.1.2.1. Озон как реагент с комплексным характером воздействия

1.1.2.2. Воздействие озона на некоторые химические и биологические загрязнители

1.1.2.3. Существующее положение и тенденции в использовании озона в водоподготовке

1.2. Особенности разработки генераторов озона высокой производительности

1.2.1. Синтез озона в барьерном разряде

1.2.2. Кинетика синтеза озона в кислороде и в воздухе

1.3. Проблемы автоматизации процесса озонирования воды на станциях водоподготовки

1.4. Выводы по главе

2. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ ВОДЫ

2.1. Методика проведения экспериментальных работ

2.2. Результаты экспериментальных работ

2.2.1. Анализ исходных данных и предварительные выводы

2.2.2. Результаты экспериментов озоносорбционной обработки воды в летний период

2.2.2.1. Определение дозы озона на этапе первичного озонирования речной воды

2.2.2.2. Подбор оптимальной дозы озона для улучшения процесса коагуляции при рабочих дозах реагентов

2.2.2.3. Подбор оптимальной дозы озона для улучшения коагуляции с дефицитными дозами реагентов

2.2.2.4. Определение оптимальной дозы озона для обработки воды, очищенной на сооружениях

2.2.2.5. Оценка эффективности озоносорбционной очистки воды

2.2.2.6. Выводы по результатам экспериментов в летний период

2.2.3. Результаты обработки воды озоном в зимний период

2.2.3.1. Определение оптимальной дозы озона на первичном озонировании речной воды

2.2.3.2. Определение возможности окисления железа и марганца с использованием высоких доз озона на этапе первичного озонирования при исходных показателях рН речной воды

2.2.3.3. Определение оптимальной дозы озона на этапе первичного озонирования при повышенных показателях рН речной воды

2.2.3.4. Определение влияния первичного озонирования с временем контакта 10 минут при повышенных показателях рН речной воды на последующий процесс коагуляции, отстаивания и фильтрации

2.2.3.5. Определение влияния первичного озонирования с временем контакта 20 минут

при повышенных показателях рН речной воды на последующий процесс коагуляции, отстаивания и фильтрации

2.2.3.6. Определение оптимальной дозы озона на этапе озонирования фильтрата МВОС

2.2.3.7. Определение оптимальной дозы озона на этапе озонирования фильтрата МВОС с увеличенным значением рН в диапазоне 8-9 и временем контакта озона с водой 20 минут

2.2.3.8. Определение эффективности озоносорбции с временем контакта 10 минут при исходных значениях рН фильтрата МВОС

2.2.3.9. Определение эффективности озоносорбции с временем контакта 10 минут при значениях рН фильтрата МВОС выше 7,5

2.2.3.10. Выводы по результатам экспериментов в зимний период

2.2.4. Распространение результатов экспериментов на прогнозируемые показатели качества воды в различные периоды года

2.3. Моделирование кинетики обработки воды озоном для определения требуемой дозы

2.4. Обобщение результатов экспериментов, проведенных на различных водоисточников

2.5. Выводы по главе

3. ГЛАВА 3. Результаты экспериментов по определению конструкции генератора озона высокой производительности

3.1. Модельный генератор озона. Озонатор-1

3.1.1. Описание конструкции и методики определения активной мощности генератора озона - «Озонатор-1»

3.1.2. Синтез озона в генераторе озона «Озонатора-1»

3.1.3. Влияние давления и перенапряжения на кинетику синтеза озона

3.1.4. Удельные энергозатраты на синтез озона

3.1.5. Выводы по результатам экспериментов с Озонатором-1

3.2. Блок из 15 эмалированных электродов пластинчатого типа. Озонатор-2

3.2.1. Описание конструкции и методики проведения экспериментов

3.2.2. Кинетика синтеза озона из воздуха. Озонатора-2

3.2.3. Выводы по результатам работы с Озонатором

3.3. Генератор озона ГО25МС

3.3.1. Кинетика синтеза озона в генераторе ГО25МС и выводы по результатам экспериментов

3.4. Выводы по главе

4. ГЛАВА 4. Разработка структуры озонаторного комплекса и системы управления процессом озонирования

4.1. Определение состава оборудования озонаторного комплекса

4.1.1. Система подготовки воздуха (СПВ)

4.1.2. Система синтеза озона (ССО)

4.1.3. Система подачи и диспергирования ОВС (СПД)

4.1.4. Система отвода и деструкции (СОД)

4.2. Разработка системы управления для обеспечения дозы озонирования воды на станциях водоподготовки

4.2.1 Нечеткий алгоритм управления дозой озона в контактных бассейнах

4.2.1.1 Формулирование задачи управления расходом воздуха в контактных бассейнах

4.2.1.2 Математическая модель управления расходом воздуха в контактных бассейнах

4.2.1.3 Нечеткий алгоритм управления расходом воздуха в контактных бассейнах

4.2.1.4 Реализация системы управления СПД

4.2.2 Разработка нечеткого алгоритма управления концентрацией озона в тракте ОВС

4.2.2.1 Формулирование задачи управления концентрацией озона в ОВС

4.2.2.2 Математическая модель управления концентрацией озона в ОВС

4.2.2.3 Нечеткий алгоритм поддержания концентрации озона в потоке ОВС

4.2.2.4 Реализация системы управления ССО

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процесс и аппаратурное оформление озонной обработки воды»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки новых технологических решений, направленных на повышение качества питьевой воды, как важного стратегического ресурса, обеспечивающего социальную стабильность общества, в частности в послании Президента РФ Федеральному Собранию в 2018 году было отмечено, что необходимо существенно повысить качество питьевой воды.

Питьевая вода - является одним из важнейших факторов, необходимых для жизнеобеспечения населения. От ее качества зависит здоровье людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень комфортности и социальная стабильность общества. При этом питьевая вода должна соответствовать следующим требованиям:

- безопасность по санитарно-эпидемиологическим показателям;

- безвредность химического состава;

- благоприятные органолептические свойства.

Проблемы, связанные с качеством питьевой воды в России, стали приобретать свою значимость относительно недавно. Отчасти это обусловлено резким ростом антропогенного воздействия на источники водоснабжения. Большинство станций водоподготовки России построены десятилетия назад и «традиционные» технологии обработки воды не справляются с возросшей нагрузкой. Одновременно, произошло расширение перечня контролируемых показателей качества воды со стороны регулирующих органов с ужесточением существующих нормативов подготовки питьевой воды. Наличие следующих факторов:

- введение в действие СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" и СанПиН 1.2.4.10749-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды», [1-2];

- низкая эффективность применяемых («традиционных») технологий для очистки воды в современных экологических условиях;

- тенденция повышения антропогенной нагрузки на источники водоснабжения;

- физический износ существующих сооружений

привели к необходимости поиска и разработки новых технологических решений в области водоподготовки, к которым относится метод озонной обработки воды, что и определяет актуальность данной работы.

Степень разработанности темы: существующие публикации по технологическим аспектам озонирования воды носят, в основном, частный характер и не дают методологической базы для широкого внедрения процесса озонной очистки воды в практику станций

водоподготовки. Описанные в литературе теоретические модели процессов озонирования обладают рядом существенных недостатков: кинетические уравнения образования озона определены только лишь на небольшом участке значений удельных энергий; модели не учитывают возможной температурной динамики в озонаторе. Опубликованные данные не отражают зависимость качества исходной воды от различных вариантов аппаратурно-технологической реализации процесса озонирования. В вопросах управления процессами озонирования не рассматривается, как приоритетное, использование нечеткой логики.

Объекты исследования: источники водоснабжения, технологический процесс очистки станций водоподготовки.

Предмет исследования: процесс озонирования воды и его аппаратурное оформление для станций водоподготовки централизованного водоснабжения.

Озонирование воды является экологичной технологией, которая имеет очевидные перспективы для очистки воды от антропогенных загрязнений, в том числе, органических соединений, марганца, поверхностно-активных веществ (ПАВ), нефтепродуктов, азотных и фенольных соединений, продуктов фармацевтики.

Количественное применение озона в обработке воды (доза) зависит от химического состава воды и определяется в каждом конкретном случае. Кроме того, для каждой стации водоподготовки использование озона требует определения его места в технологической схеме. Аппаратурное наполнение озонаторных комплексов и производительность генератора озона выбирается по результатам определения эффективной дозы озона.

Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей процесса озонной обработки воды, разработка его аппаратурного оформления для совершенствования и повышения эффективности очистки воды.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние процесса озонирования на изменение концентрации вредных химических веществ, разработать математическую модель кинетики процесса озонирования;

- разработать методику определения эффективных доз озона при протекании окислительных реакций в процессе обработки воды и обосновать места ввода озона в технологическую схему;

- исследовать кинетику синтеза озона из воздуха и её влияние на выбор конструктивных решений аппаратных средств, в том числе электродной системы генератора озона, и рабочих режимов;

- разработать электродную систему и конструкцию генератора озона высокой производительности, работающего на воздухе, для централизованных систем водоснабжения;

- создать математическую модель нестационарного, нелинейного процесса озонирования и на её основе разработать архитектуру и принципы построения системы управления.

Методология и методы диссертационного исследования.

Методология исследования диссертационной работы включает системный подход к аналитическому обобщению сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе, разработку и создание математических моделей исследуемых процессов, использование методов химического анализа и планирования экспериментов для оценки действия озона на загрязнители воды, автоматизированную обработку полученных экспериментальных данных с применением компьютерных программ. В диссертации проводились теоретические и экспериментальные исследования процесса озонной обработки воды и его аппаратурного оформления, включающие в том числе моделирование кинетики процесса озонирования воды, разработку и создание стендового оборудования, проведение экспериментов в лабораторных и промышленных условиях.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается значимым объемом и воспроизводимостью данных, полученных в результате экспериментов, проведенных с применением разработанной для этих целей экспериментально-лабораторной установки УЛ-2 и лабораторно-экспериментальной базы ООО «Московские озонаторы»; использованием поверенного метрологического оборудования, экспериментальным подтверждением результатов применения созданных математических моделей, успешным внедрением и промышленной эксплуатацией разработанных аппаратных решений.

Научная новизна работы:

- Выработан унифицированный подход к определению необходимости применения процесса озонирования;

- Установлено влияние кинетики синтеза озона из воздуха на выбор конструктивных решений и рабочих режимов электродной системы; на основании полученных результатов предложены и реализованы новые конструкции электрода, электродного блока и генератора озона высокой производительности;

- Установлены закономерности влияния параметров процесса озонирования на изменение концентрации вредных химических веществ;

- Построена и успешно реализована математическая модель управления дозой озона с использованием нечеткой логики;

- Разработаны рекомендации по определению места ввода озона в технологическую схему станции водоподготовки в процессе озоносорбции;

- Разработана и успешно внедрена аппаратурно-технологическая система озонирования воды в реакторе с двухсторонним охлаждением электродов;

- Разработана и успешно внедрена система управления дозой озона, основанная на нечеткой логике.

Практическая значимость:

1. Предложенная методика определения применимости процесса озонирования воды в условиях станций водоподготовки, установления доз озона и режимов его использования применялась при проектировании ряда станций водоподготовки РФ. Выполненные с ее использованием проекты получили положительные заключения Государственной экспертизы;

2. Конструкция генератора озона производительностью до 25 кг/час, озонаторные комплексы, созданные на его основе, защищены патентами, внедрены и успешно эксплуатируются;

3. Созданная система управления процессом дозирования озона доказала свою эффективность в процессе эксплуатации на Западной и Рублевской станциях водоподготовки АО «Мосводоканал»;

4. Сконструированный озонаторный комплекс КО50С был удостоен почетного диплома Программы Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии «100 лучших товаров России».

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения места ввода озона в технологическую схему станции водоподготовки;

2. Методика определения дозы озона для качественной очистки воды;

3. Математическая модель для определения дозы озона, которая отличается высокой степенью адекватности;

4. Результаты исследования кинетики синтеза озона из воздуха, в том числе в электродной системе с двухсторонним охлаждением;

5. Результаты влияния режимных параметров на производительность промышленных озонаторов;

6. Математические модели, алгоритмы управления нестационарным процессом озонирования воды;

7. Результаты реализации нечеткой логики в системе управления озонаторным комплексом поддержания заданной дозы озона.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на 33-ем Всероссийском

научно-практическом семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители: наука и

технологии» 2014 г., Москва, 34-ой Всероссийской конференции с международным участием

«Озон и другие экологически чистые окислители: наука и технологии» 2016 г., Москва.

Разработанные технические решения, в том числе, созданные генераторы озона ГО25МС, успешно внедрены при реализации процесса озонирования воды на двух станциях водоподготовки г. Москвы - Западной и Рублевской, запущенных в эксплуатацию, соответственно, в 2010 и 2017 годах.

Личный вклад. Личное участие автора состоит в комплексном решении проблемы применения процесса озонирования для очистки воды на станциях водоподготовки, в том числе в разработке методических рекомендаций по использованию озона и методики определения необходимой дозы, разработке и реализации конструкции генераторов озона большой производительности и системы управления, получении научных результатов, применяемых при практической реализации проектов и опубликованных в научных изданиях.

В диссертации представлены результаты исследования, полученные автором. Автору принадлежит анализ литературных источников, постановка задачи исследования, разработка методики проведение экспериментов, обработка результатов и выработка рекомендаций на основе обобщения и анализа полученных данных.

За личный вклад в разработку и создание отечественных озонаторных установок для систем централизованного водоснабжения города Москвы автор награжден в 2018 г. Почетной грамотой Правительства Москвы (Распоряжение Правительства Москвы № 169-РП от 29.03.2018 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 в журналах из списка ВАК, получено 2 патента на изобретение: RU 2446093 С1 от 27.03.2012 и №2773284 С1 от 01.08.2021.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключением, содержит 190 страниц, 60 рисунков и графиков, 42 таблицы; список литературы включает 202 ссылки.

1. ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. Анализ основных технологических процессов очистки питьевой воды 1.1.1. Недостатки традиционных технологий водоподготовки

Преобладающая доля источников питьевого водоснабжения в России приходится на поверхностные водоисточники, для которых характерно наличие обширной площади водосбора. Следствием этого является воздействие на водоисточники различных природных, техногенных и социальных факторов, ухудшающих качество воды. Сброс неочищенных или недостаточно очищенных бытовых и промышленных сточных вод, загрязнение ливневых стоков тяжёлыми металлами и нефтепродуктами, смыв с сельскохозяйственных территорий пестицидов и иных ядохимикатов - всё это приводит к ухудшению качества воды в источниках водоснабжения.

Заслоном на пути загрязнений разнообразной этиологии призваны становиться станции водоподготовки, которые должны приводить показатели качества воды к нормативным требованиям [1-4]. Однако, на сегодняшний день большая часть сооружений водоподготовки на территории РФ морально и физически устарела. Запроектированные и построенные десятилетия назад по типовым проектам с применением «традиционной» технологии подготовки питьевой воды (реагентная обработка с последующим отстаиванием, фильтрованием и хлорированием) эти сооружения были рассчитаны на извлечение из воды лишь загрязнений природного характера и в современных условиях не в состоянии обеспечивать ужесточившиеся требования к качеству питьевой воды.

Барьерная роль таких «традиционных» сооружений водоподготовки по отношению к антропогенным загрязнениям крайне низка, а в целом ряде случаев они способны усугубить загрязнение питьевой воды за счёт появления в процессе взаимодействия с вводимыми реагентами более токсичных соединений, чем те, которые присутствуют в исходной воде источников водоснабжения.

Фенолы, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), хлорорганические соединения (полихлорированные диоксины, фураны и т.п.), пестициды, антибиотики, гормоны и другие продукты фармацевтических производств - это далеко не исчерпывающий перечень загрязнителей, в той или иной степени свойственных в наши дни водам поверхностных источников водоснабжения, которые не могут быть устранены «традиционными» методами.

Огромное число разнообразных органических веществ как биогенного, так и антропогенного происхождения часто находятся в воде в концентрациях ниже порога

обнаружения. В процессе обработки воды хлорсодержащими реагентами происходит окисление, приводящее к галогенированию и трансформации этих ингредиентов, что неизбежно ведёт к образованию новых, более токсичных соединений.

Природные органические вещества, признанные основным источником образования хлорорганических соединений, сами по себе токсичными не являются. Однако при обработке воды хлором и его производными происходит трансформация гуминовых и фульвокислот с образованием побочных продуктов хлорирования - тригалогенметанов (ТГМ): хлороформа, хлордибромметана, дихлорбромметана, бромоформа [5-34]. Эти продукты реакций являются токсичными и представляют значительную опасность для здоровья человека. При этом концентрация хлороформа на 1 -3 порядка превышает содержание других соединений. Ввиду того, что ТГМ обладают мутагенной и канцерогенной активностью [5-7], их суммарное содержание в воде во многих странах регламентируется требованиями к качеству питьевой воды. Например, в ФРГ эта величина составляет 50 мкг/дм3, в Швеции - 25 мкг/дм3 [8], а в США -80 мкг/дм3 [9]. По данным [10-12], в ближайшем будущем национальный норматив США будет снижен до 40мкг/дм3. В России установлены предельно-допустимые концентрации (ПДК) для каждого из четырех вышеуказанных ТГМ, но их уровни являются менее жёсткими, чем в западных странах: так, ПДК только для хлороформа до начала 2008 г. находилась на уровне 100 мкг/дм3 (в настоящее время этот норматив снижен и составляет не более 60 мкг/дм3) [12].

В работах [13-35] показано, что неорганические составляющие, имеющиеся в обрабатываемой воде, могут влиять на процесс образования ТГМ. Так, хлорирование воды в присутствии ионов меди, марганца, цинка, алюминия и трехвалентного железа ведёт к росту образования хлороформа в 2-3 раза, а катионов свинца - в 5-6 раз [13, 14]. При избытке хлора все атомы водорода в а-положении могут быть заменены на атомы хлора. Продуктами реакции могут быть хлористый метилен, хлороформ и хлоруксусные кислоты, а при загрязнении воды бромидами - бромсодержащие ТГМ и тригалогенуксусные кислоты (ТГУК).

Глубокий научный обзор вопросов образования побочных продуктов хлорирования приведен в работах [15-26], где проанализировано несколько сотен исследований, проведённых в различных регионах нашей страны, в Европе, Северной Америке, странах Азиатско-Тихоокеанского региона. Отмечено, что перечень химических веществ, образующихся в ходе обработки природных вод хлором, весьма обширен и включает не только тригалогенметаны (хлороформ, бромдихлорметан, дибромхлорметан и бромоформ), но и другие летучие галогенпроизводные углеводородов (четыреххлористый углерод, дихлорэтан, ди-, три- и тетрахлорэтилен и др.), а также широкий спектр нелетучих и ограниченно-летучих соединений: галогенуксусные кислоты, галогенацетонитрилы, галогенированные кетоны, альдегиды,

галогенфенолы, галогенхиноны, галогенированные ароматические углеводороды, хлорпроизводные полиароматических углеводородов (ПАУ), галогенбифинилы, диоксины и другие опасные вещества [30-41]. Упоминается о том, что современными аналитическими методами идентифицировано более 500 соединений, образующихся при хлорировании природной воды [37]. Большинство из них обнаруживается в «следовых» концентрациях, однако в связи с мутагенной и канцерогенной активностью их постоянное присутствие в воде даже в ничтожно малых концентрациях способно нанести вред здоровью человека. Разнообразие галогенорганических соединений, образующихся в результате обработки воды хлором, связано с различием физико-химических характеристик воды и параметров процесса водоподготовки на водопроводных сооружениях. Определяющую роль в этом процессе играют природные факторы и уровни содержания органических загрязнителей в источнике водоснабжения.

Сохраняющиеся тенденции ухудшения качества воды водоисточников из-за антропогенного воздействия и ужесточение нормативов качества питьевой воды диктуют необходимость повышения степени очистки и применение новых методов.

Отечественными исследователями разработаны рекомендации по технологическим решениям, использование которых предотвращает образование хлорорганических соединений (ХОС) [38]. К основным из них относятся:

- отказ от первичного хлорирования или уменьшение доз хлора;

- проведение процесса хлораммонизации;

- замена хлорирования другими методами обеззараживания воды, в том числе первичным озонированием;

- применение вторичного озонирования с последующей сорбцией на активированном угле.

При наличии повышенной концентрации органических соединений в водоисточниках

трудно обеспечить требуемый их уровень в питьевой воде, так как в процессе водоподготовки концентрация ХОС, как правило, возрастает. Поэтому в таких случаях следует применять методы сорбции хлорорганических соединений с использованием активных углей.

Исследования процесса сорбционной очистки воды на активных углях показали, что хуже всего из хлорорганических соединений удаляется хлороформ, [18, 19, 42 - 50]. Средняя эффективность его удаления составляет 20-25%. По отношению к четыреххлористому углероду активный уголь обладает большей сорбционной способностью. Средняя эффективность удаления четыреххлористого углерода из воды составляет около 50%. В процессе фильтрования через активный уголь из воды удаляются: трихлорэтилен - на 30-70%, трихлорэтан - на 50-70%, тетрахлорэтилен - на 60-80%.

В работе [51] отмечено, что, по данным Госсанэпиднадзора России, примерно 50% населения страны вынуждено использовать для питья и хозяйственно-бытовых целей воду ненадлежащего качества. Проведенные [51] в начале 90-х гг. исследования показали, что 12- 13% проб воды из городских водопроводов не отвечало требованиям по бактериологическим показателям, из них половина представляла опасность в эпидемиологическом отношении. Примерно 20% отобранных проб не соответствовала требованиям по химическому составу, из них в 10% проб содержались вещества, опасные для здоровья.

Особенно авторами [51] подчеркивается тот факт, что в некоторых регионах вода систем централизованного водоснабжения не отвечает нормативным требованиям постоянно. В результате, по данным медицинских организаций, население вынуждено пользоваться водой, оказывающей отрицательное воздействие на систему кровообращения, иммунную систему, органы желудочно-кишечного тракта, что приводит в ряде случаев к возникновению онкологических заболеваний.

Кроме этого, стоит отметить, что дезинфицирующие свойства хлора также не являются безусловными. Хорошо известен, например, следующий факт, который явился в полном смысле слова трагедией для столь высокоразвитой страны, как США. В 1993 году в Милуоки (штат Висконсин) более 403 тысяч человек были поражены кишечной инфекцией; было зафиксировано, по данным [53] 111 летальных исходов. Расследование показало, что причиной эпидемии, получившей название «Милуокская трагедия», явилось наличие в водопроводной воде простейшего организма criptosporidia parvum, в отношении которого инактивация хлором не достигается - как, впрочем, и в отношении многих других опасных микробиологических загрязнений, в том числе вирусов.

Таким образом, поиск и применение методов очистки, позволяющих в современных условиях обеспечивать требуемые нормативы к качеству питьевой воды и при этом не наносить экологический ущерб окружающей среде, является актуальной и важной задачей для решения социальных вопросов населения, особенно связанных со здоровьем.

1.1.2. Преимущества применения процесса озонирования в процессе водоподготовки

1.1.2.1. Озон как реагент с комплексным характером воздействия

Озон является сильным окислителем и по этой причине широко используется в обработке воды [16, 51 - 63]. Впервые мысль о возможности использования озона для дезинфекции воды (или, как в то время говорили, стерилизации воды) была высказана в 1886 году. Первые лабораторные опыты относятся к 1891 году - они были проведены в лаборатории «Сименса и

Гальске» в Берлине. Уже в 1895 году на Парижской промышленной выставке демонстрируется устройство для озонирования больших объемов воды. В том же году в голландском Удсгорне, близ Лейдена, это устройство прошло успешные промышленные испытания на весьма загрязненных водах реки Рейн.

В монографиях [56, 57] приведены сведения, что первыми городами, перешедшими от экспериментов к промышленному внедрению озонирования воды, стали Висбаден и Падерборн (Германия). Станции озонирования в них начали свою работу в 1901 году. В те годы в Европе свирепствовали эпидемии брюшного тифа и холеры - и только благодаря озонированию воды в этих городах им был положен конец. Затем последовали другие города Западной Европы, с 1906 по 1910 гг.: Ницца, Коттевилль де Руан, Брест, Геранд, Ле Пулиньон, Круазик, Шартр, Динар, Кон-Кур-сюр-Луара, Германштадт (Австро-Венгрия) - 1911. К 1915 г. в Европе насчитывалось примерно 50 крупных станций озоновой очистки воды. Россия также не осталась в стороне от прогресса: в 1911 г. самая крупная станция озонирования воды на 44,5 тыс.м3 воды в сутки начала работать в России, в г. Санкт-Петербург [64].

Однако практически одновременно с озоном в практику водоподготовки начал внедряться хлор, и вскоре озон был вытеснен из этой ниши - в связи с тем, что, в отличие от хлора, он не обладает эффектом пролонгированного действия [18, 52, 65 - 69].

Увеличение антропогенной нагрузки на поверхностные источники водоснабжения и введение новых нормативов качества питьевой воды требует, необходимость совершенствования технологий обработки воды, подняли вопрос применения озона в процессе подготовки питьевой воды на новый уровень. Так как подготовка питьевой воды в соответствии с современными требованиями может быть осуществлена только за счет перехода к более эффективным реагентам и технологиям на основе методов глубокой очистки воды, к которым, в том числе, относится технология озонирования.

С конца 80-х до конца 90-х гг. прошлого столетия специалистами профильной лаборатории Научно-Исследовательского института коммунального водоснабжения и очистки воды (НИИ КВОВ) были проведены масштабные исследования по определению эффективности озоносорбции для подготовки питьевой воды в различных регионах России. По результатам этих исследований были сделаны выводы о том, что без применения озоносорбционного метода получить питьевую воду с качеством, удовлетворяющим современным нормативным требованиям, в ряде регионов РФ невозможно [70, 71].

Озонирование является универсальным методом обработки, позволяющим эффективно воздействовать на большое число различных загрязнителей искусственного и естественного происхождения с одновременным обеззараживанием. При этом физиологическая полноценность

воды (а именно солевой состав), обработанной озоном, сохраняется (что не всегда можно сказать о воде, обработанной при помощи осмотических, обратноосмотических, ионообменных и мембранных технологий).

Озон - это универсальный реагент, не имеющий аналогов в связи с комплексным характером его воздействия на загрязнения:

- основной эффект - окисление;

- вторичные эффекты - дезинфекция, дезодорация, детоксикация;

- фунгицидное, альгицидное, бактерицидное, вирулицидное действия. Озоносорбционная технология очистки воды, включающая в себя озонирование с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Корса-Вавилова Елена Викторовна, 2024 год

источников

Наименование объекта Источник водоснабжения Характеристика

ВОС г. Вологды р. Вологда По показателям цветность, перманганатная окисляемость и микробиология соответствует 3 классу качества по ГОСТ 2761-84, концентрации марганца и нефтепродукты, длительные периоды низких температур, антропогенное воздействие на источник от с/х предприятий, появление хлорорганики при первичном хлорировании.

ВОС г. Волхова р. Волхов Цветность до 263 град, перманганатам окисляемость выше 15 г/м3 периодические превышения значений ПДК по железу, марганцу, СПАВ. Антропогенное воздействие на источник от хим. предприятий ФОСАГРО и НПЗ. Длительные периоды низких температур

ВОС г. Выборг оз. Краснохолмское По перманганатной окисляемости не соответствует даже 3-му классу качества, преобладают органические вещества гуминового происхождения, по цветности - 3-й класс, по железу и марганцу - 2-й класс качества, длительные периоды низких температур, антропогенное воздействие на источник от с/х предприятий. Резкое изменение качества.

ВОС г. Ладейное поле р. Свирь Высокая цветность, перманганатная окисляемость более 15 г/м3, периодически превышения по железу и нефтепродуктам в летний период, антропогенное

Наименование объекта Источник водоснабжения Характеристика

воздействие - судоходная река, длительные периоды низких температур

ВОС с. Колчаново р. Сясь Высокая цветность, перманганатная окисляемость более 15 г/м3, периодически превышения по железу в комплексе с органическими соединениями, длительные периоды низких температур

ВОС с. Паша р. Паша Высокая цветность, перманганатная окисляемость более 15 г/м3, периодически превышения по железу и нефтепродуктам

Таблица 2.24-2 - Обобщенные результаты исследований по озонированию воды разных источников

Наименование объекта Источник водоснабжен ия Место в технологической схеме Дозы озона, г/м3 Примечание

ВОС г.Вологды р. Вологда Первичное и вторичное озонирование (озоносорбция) до 3 и до 2

ВОС г.Волхова р. Волхов Первичное озонирование до 7,5

ВОС г. Выборг оз. Краснохолмс кое Первичное озонирование — Отрицательный эффект озонирования

ВОС г.Ладейное поле р. Свирь Первичное озонирование до 8

ВОС с.Колчаново р. Сясь Первичное озонирование до 7

ВОС с. Паша р. Паша Первичное озонирование до 7

2.5. Выводы по главе 2

В результате анализа результатов проведенных исследований разработана методика определения дозы озона и места применения озонирования в технологической схеме станции водоподготовки, сформулированы рекомендации по применению процесса озонирования в водоподготовке:

1. Предварительное определение целесообразности применения озонирования - на основании изучения протоколов химических и бактериологических анализов исходной воды, с учетом факторов антропогенного воздействия и динамики изменения качества воды за 3 -х летний период. Применение процесса озонной обработки целесообразно для:

- снижения цветности при её показателях в исходной воде свыше 150 град;

- снижения перманганатной окисляемости при её показателях в исходной воде свыше 15 г/м3;

- окисления железа и марганца, в том числе ингибированного органикой;

- удаления запахов;

- исключения и/или снижения образования хлорорганических соединений и растворенного органического углерода;

- глубокой дезинфекции;

- окисления нефтепродуктов, фенольных соединений, азотных соединений;

- улучшения процесса коагулирования при низких температурах воды;

- повышения барьерной функции сооружений водоподготовки при рисках залповых антропогенных выбросов.

2. Изучение технологической схемы и регламентов работы существующих сооружений, для определения места применения озонирования и предварительного анализа влияния озонирования на последующие процессы водоподготовки.

3. Проведение расчетов по определению предварительных значений требуемых доз озона с использованием разработанной математической модели кинетики озона.

4. Проведение пилотных испытаний с применением экспериментальной установки для подтверждения (уточнения) расчетных данных по эффективности метода озонирования и требуемых доз озона.

5. Подготовка рекомендаций по аппаратурной реализации процесса озонирования воды и оценка её технико-экономических показателей.

При формировании окончательных выводов и предложений о технологическом процессе очистки воды необходимо учитывать, что озонирование (озоносорбция) являются лишь отдельными ступенями водоподготовки и должны рассматриваться в совокупности с другими

технологическими этапами. Этот факт должен обязательно учитываться при проведении пилотных испытаний и оценке влияние озонирования на последующие процессы водоподготовки.

С учетом индивидуальных характеристик источников водоснабжения и их загрязнителей определение дозы озона и место его применения в технологической схеме водоподготовки должно приниматься по каждому источнику водоснабжения индивидуально.

Результативность разработанной методики подтверждается полученными положительными заключениями Государственной экспертизы на выполненные с ее использованием проекты станций водоподготовки с применением процесса озонирования.

3. ГЛАВА 3. Результаты экспериментов по определению конструкции генератора

озона высокой производительности

Проектирование блока озонирования для Западной и Рублевской водопроводных станций АО «Мосводоканал» предполагало разработку и создание озонаторов высокой производительности, которые бы обеспечили необходимое количество озона. Сформулированные требования к производительности источников озона для Рублевской и Западной станций необходимо было превратить в проектные решения, при этом Заказчиком было установлено требование о максимальном использовании российских приборов и аппаратов. По требованию заказчика - АО «Мосводоканал» в качестве источника газа должен быть использован воздух. В России на тот момент не существовало производства генераторов озона большой производительности. По этой причине требовалось проведение научных изысканий по определению конструктивных параметров создаваемых генераторов озона и установлению рабочих режимов эксплуатации этих генераторов. Результаты этих работ представлены в данной главе.

Качественные характеристики озонаторов (прежде всего форма кинетической кривой), работающих на воздухе, известны. В тоже время, актуальные характеристики генераторов озона, работающих на воздухе, такие как концентрация озона, удельные энергетические затраты могут отличаться в разы в зависимости от выбранного конструктивного решения. По этой причине перед проектированием озонаторов нужной производительности были проведены научные исследования и экспериментальные работы, целью которых было:

- получение реальных кинетических характеристик электродных систем и генераторов озона при синтезе озона из воздуха;

- определение рабочего режима созданных электродных систем в условиях, близких к проектируемым.

Экспериментальные работы были проведены с тремя типами генераторов озона:

- модельным озонатором с одним эмалированным электродом трубчатого типа;

- «сборкой» из 15 эмалированных электродов пластинчатого типа;

- генератором озона ГО 25 МС, в котором устанавливались 16 указанных сборок.

3.1. Модельный генератор озона. Озонатор-1

Целью экспериментов с Озонатором-1 было определение кинетических возможностей генератора озона при синтезе озона из воздуха.

3.1.1. Описание конструкции и методики определения активной мощности генератора озона - «Озонатор-1»

Создание генераторов озона высокой производительности предполагает установление номинального режима(ов) работы, необходимого для определения оптимальных характеристик генератора. Номинальный рабочий режим определяется давлением газа в рабочей зоне и удельной энергией, вложенной в поток воздуха. Кроме того, на производительность генератора озона влияет значение средней температуры газа в разрядной зоне генератора.

Для изучения особенностей кинетики синтеза озона из воздуха в различных условиях была выполнена серия экспериментов, при проведении которых использовался модельный озонатор, который далее будет называться «Озонатор-1».

Модельный озонатор представлял собой коаксиальную конструкцию, в которой трубчатый, эмалированный электрод вставлялся в трубу из нержавеющей стали - Рисунок 3.1 [196]. Вокруг трубы наваривался кожух водяного охлаждения; эмалированный электрод не охлаждался. Кожух охлаждения с нержавеющей трубой заземлялся и был «земляным» электродом; центральный (эмалированный) электрод - высоковольтным. На Рисунке 3.1 виден один из 2-х штуцеров подключения к водяной магистрали охлаждения генератора озона (правый нижный угол).

Рисунок 3.1 - Фотография модельного озонатора

Общий вид эмалированного электрода представлен на Рисунке 3.2. Величина разрядного промежутка в «Озонаторе-1» определялась геометрическими параметрами конструкции и была близка к 0.4 мм.

Рисунок 3.2 - Фотография центрального, высоковольтного электрода «Озонатора-1»

Основные параметры модельного генератора озона приведены в Таблице 3.1. Значения конструктивных емкостей «Озонатора-1» (емкость диэлектрического барьера и разрядного промежутка), приведенные в Таблице, определялись расчетным методом по формуле:

Г ¡1 14

С= , где (31)

S - площадь обкладки; d - расстояние между обкладками;

8 - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками; 8o - электрическая постоянная 8,85-10 12 Ф/м.

Таблица 3.1 - Параметры модельного генератора озона «Озонатор-1»

Наименование параметра Значение

Длина разрядной части озонатора, см 31.5

Диаметр электрода, мм 55.6

Внутренний диаметр земляного электрода, мм 56,4

Средняя величина разрядного промежутка, мм 0,4

Площадь разрядной зоны электрода, см2 550

Толщина напыление диэлектрика, мм 0,7

Расчетная диэлектрическая постоянная эмали, е 5,5

Расчетная емкость разрядного промежутка, нФ 1,21

Расчетная емкость диэлектрика, Сд, нФ 3,47

Общая емкость озонатора, нФ 0,90

Ожидаемая максимальная активная мощность, Вт 300

Ожидаемая максимальная плотность активной мощности, Вт/см2 0,54

Для электрического питания «Озонатора-1» был создан источник питания (ИП), который обеспечивал подачу на электроды озонатора знакопеременное напряжение амплитудой до 1012 кВ, частота которого могла изменяться в пределах 2-10 кГц [196].

Первичное питание ИП, которое подавалось на источник через лабораторный автотрансформатор - ЛАТР, осуществлялось от сети 220 Вольт, 50 Гц. Использование ЛАТРа позволяло управлять амплитудой напряжения на генераторе озона [197, 198].

Основным параметром генератора озона, который определяет производительность по озону, является удельная энергия, под которой понимается электрическая энергия, вложенная в единицу объема газа. Значение удельной энергии численно совпадает с параметром, который уже больше ста лет используется при изучении синтеза озона, удельной мощности: отношение активной мощности, выделенной в генераторе озона, к расходу газа. Определение активной мощности генератора озона не является простой задачей: генератор озона - это нелинейная реактивная нагрузка и коммерческие измерители электрической мощности, предназначенные для измерения этого параметра в промышленных и бытовых сетях частотой 50 Гц и практически синусоидальной формой напряжения, не подходят.

Типичные осциллограммы тока и напряжения на генераторе озона приведены на Рисунке 3.3: формы этих кривых далеки от синусоидальных.

Рисунок 3.3 - Типичные кривые тока в первичной цепи (красная кривая), напряжение - во вторичной (желтая кривая) и произведение этих кривых - мгновенная мощность (зеленая кривая). Частота - 6.4 кГц, амплитуда напряжения на озонаторе- 7.15 кВ, давление в озонаторе - 0,15 МПа

Для измерения тока применялся промышленный датчик тока; напряжения - емкостной делитель напряжения. Нахождение активной мощности генератора озона потребовало отладки соответствующей методики:

- снятые кривые тока и напряжения перемножались и определялась мгновенная мощность -зеленая кривая на Рисунке 3.3;

- кривая мгновенной мощности интегрировалась на временном отрезке, равном периоду приложенного напряжения. Результат интегрирования - значение энергии разряда, выделенной за период;

- активная мощность разряда находилась как произведение энергии разряда, выделенной за период на частоту приложенного напряжения.

В конечном счете, активная мощность генератора озона пропорциональна произведению амплитуды напряжения на частоту. Для того, чтобы определить специфику влияния каждого из этих параметров на синтез озона в источнике питания «Озонатора-1» была предусмотрена возможность модуляции несущей частоты - Рисунок 3.4 [196, 197].

Рисунок 3.4 - Напряжение на озонаторе; глубина модуляции - 40%, несущая частота - 4.6 кГц

Такое управление электропитанием генератора озона позволяло управлять мощностью озонатора как с помощью амплитуды напряжения на нем, так и глубиной модуляции при постоянном напряжении на электродах.

Важным параметром любого генератора озона является минимальное значение напряжения, при котором появляется разряд в разрядном промежутке - напряжение зажигания. Это напряжение определяется как геометрией самого генератора озона, так и давлением в разрядном промежутке. Для нахождения этого параметра измеряется зависимость мощности от амплитуды напряжения, соответствующий график для «Озонатора-1» представлен на Рисунке 3.5

[197], стрелкой показано напряжение зажигания разряда в разрядном промежутке: при нулевом избыточном давлении воздуха разряд зажигался при амплитуде напряжения 2.4 кВ.

Напряжение, пик-то-пик, кВ

Рисунок 3.5 - Зависимость активной мощности в «Озонаторе-1» от амплитуды напряжения при давлении 0.0 МПа

Созданный источник питания позволял менять величину электрической мощности, вводимой в генератор озона как изменением частоты, так и изменением амплитуды напряжения. Кроме того, диапазон амплитуд напряжения на генераторе озона, которые обеспечивал созданный источник питания, позволял организовывать синтез озона с напряжением между электродами «Озонатора-1» кратно превышающим напряжение зажигания.

Разработанная методика позволила определять удельную энергию, вложенную при проведении экспериментов в генератор озона, значение которой необходимо для получения кинетических кривых озонатора - зависимости концентрации озона на выходе из озонатора от величины удельной энергии.

3.1.2. Синтез озона в генераторе озона «Озонатора-1»

Выделение энергии в разрядном промежутке озонатора приводит к синтезу озона. Основным параметром, который определяет кинетику синтеза озона, является удельная энергия или величина выделенной энергии деленая на единицу объема газа и численно совпадающая с традиционно используемым при изучении синтеза озона параметром удельной мощности,

определяемым как мощность разряда, деленная на величину расхода газа. Методика определения мощности разряда изложена в предыдущем разделе.

В качестве рабочего газа генератора озона использовался воздух. Источником воздуха был промышленный компрессор с максимальной производительностью до 12 м3/час и максимальным давлением до 0,6 МПа. Кроме компрессора в газовом тракте генератора озона было установлено следующее оборудование (перечисляются последовательно: от источника воздуха до выброса в атмосферу):

- осушитель воздуха адсорбционного типа HLR012 производительностью до 7 м3/час, обеспечивающий точку росы не выше -50оС;

- редуктор давления фирмы «ПНЕВМАКС» типа 17002А.АL с манометром, с помощью которого осуществлялась установка рабочего давления в газовом тракте;

- клапан игольчатого типа №1, установленный перед генератором озона, который обеспечивал регулировку расхода воздуха;

- ротаметр РМС-А 0.063, измеряющий расход воздуха;

- генератор озона с источником питания;

- клапан игольчатого типа №2, обеспечивающий вместе с клапаном №1 регулировку величины расхода воздуха и падение давление воздуха до атмосферного;

- фотометрический анализатор концентрации озона «Медозон-254/5»;

- емкость с катализатором, разлагающим концентрацию озона до ПДК.

Приборы, размещенные в газовом тракте, позволяли измерить параметры давления, расхода и концентрации озона на выходе из генератора. Вместе с измерением электрической мощности (раздел 3.1.1) перечисленное оснащение было достаточным для проведения «кинетических» измерений - экспериментов по определению концентрации и общего количества озона на выходе из генератора озона в зависимости от условий экспериментов.

Рассмотрение результатов проведенных экспериментов показало, что на малых концентрация озона, ниже 10 г/м3, концентрация озона линейно связана с параметром удельной энергии - Рисунок 3.6 [196-198], на котором указанные величины практически находятся на одной прямой во всем экспериментальном диапазоне изменений амплитуды напряжения и давления газа.

й К

о со

о «

к я

«

о к а <и с

Й Й а со

н К <и я

К

о

90

80

70

60

50

40

30

« о 20

10

0

• энергия за период

• концентрация озона

3

т

12

~Г

15

Напряжение, пик-то-пик, кВ

Рисунок 3.6 - Зависимость энерговыделения за полупериод и концентрации озона (при постоянном расходе) от напряжения на Озонатор-1, частоты - от 6,5 до 15 кГц

Данные многочисленных экспериментов показали, что линейная зависимость концентрации озона от удельной энергии сохраняется только при малых значениях этого параметра, ниже 3 МДж/м3. При дальнейшем росте удельной энергии пропорциональная зависимость концентрации озона от удельной энергии исчезает. На Рисунке 3.7 [197] представлены «кинетические кривые» озонатора: зависимость концентрации озона на срезе генератора озона от удельной энергии разряда.

Значения концентрации озона находятся на разных кривых при изменении давления -Рисунок 3.7, но, наиболее важно, что зависимость концентрации от удельной энергии становится многозначной функцией:

- с ростом параметра удельной энергии концентрация озона достигает максимальной величины;

- дальнейший рост удельной энергии приводит к падению концентрации вплоть до нулевой величины.

и

«г11

X О

810

«

к

5а 9. а н X <и

а х о и

87654-

давление, МПа

• 0.00 • 0.06

т 2

~г 3

т 4

~г 5

п 6

0

удельная энергия, Мдж/м

Рисунок 3.7 - Кинетические кривые синтеза озона из воздуха при различных давлениях, мощность фиксированная - 250 Вт, расход варьировался в пределах 1-10 дм3/мин

1

Удельная эффективность синтеза озона на воздухе представлена на Рисунке 3.8.

400-

Ь 350-

нЬ

300

н

250-

Й

эт О

& 200-

о

X

эт

§ 150.

X

л

Ц

о

к

100-

50

давление, МПа

-•- 0,1 —•— 0,2

удельная знергия, МДж/м

0

2

4

6

8

Рисунок 3.8 - Зависимость удельных энергозатрат от удельной энергии

Удельная эффективность синтеза озона минимальна на линейной части кинетической кривой и непрерывно растет с увеличением вложенной энергии, следовательно, режим работы генератора озона должен определяться в зависимости от поставленной задачи:

- получение максимального количества озона с минимальными затратами. Рабочий участок - линейная часть кинетической кривой;

- получение максимальной концентрации озона в озоновоздушной смеси. Рабочий участок - часть кинетической кривой, близкая к максимальному значению концентрации озона в ОВС.

Таким образом, проведенные эксперименты позволили определить положение максимума концентрации озона, которое в т.ч. зависит от значения давления в разрядной зоне и, например, при давлении 0,06 МПа находится при значении удельной энергии порядка 4 МДж/м3.

3.1.3. Влияние давления и перенапряжения на кинетику синтеза озона

Целью дальнейших экспериментов было установление влияний давления и перенапряжения на кинетику синтеза озона, необходимых для определения условий наибольшей эффективности синтеза озона.

Последующие исследования кинетики синтеза озона из воздуха проводились при повышенном давлении, вплоть до 0,2 МПа. Напряжение зажигания увеличивалось с 2,4 до 4,0 кВ при изменении избыточного давления в межразрядном промежутке от 0,0 до 0,1 МПа.

Важным результатом экспериментов с повышенным давлением следует считать установление зависимости роста концентрации озона при увеличении давления - Рисунок 3.9 [ 197]: рост абсолютного давления в 2 раза значительно увеличил значение концентрации на срезе озонатора. Протяженность линейной части кинетической кривой также увеличилась: если при работе генератора озона при атмосферном давлении линейная часть кинетической кривой заканчивается при значениях удельной энергии в 1-1,2 МДж/м3 и концентрации озона в 5 г/м3, то при давлении в 0.1 МПа эти цифры смещаются, соответственно, к показаниям в 3 МДж/м3 и 12 - 13 г/м3, причем наклон линейной части кривой, характеризующей эффективность синтеза озона, остался практически без изменений.

Максимум концентрации озона достигается на больших значениях удельной энергии. Полученные при повышенных давлениях кинетические кривые при росте величины удельной энергии демонстрируют появление стационарной концентрации, а не локального максимума концентрации.

25

й § 20

со О

а 15

га

¡Г

<и

£ 10

о и

—•—•— •—•—•—»

9_•—•—•—•—•—•—•

давление, МПа —•— 0.10 —•— 0.15 —•— 0.20

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0 2 4 6 8 10

удельная энергия, МДж/м

Рисунок 3.9 - Влияние давления на кинетику синтеза озона «Озонатор-1»

Результаты экспериментов выявили влияние перенапряжения - отношения амплитуды напряжения к напряжению зажигания - на форму кинетической кривой синтеза озона - Рисунок 3.10 [196].

22 -20 -18 -

т

2 ■

^ 16-

ев И

О 144

со О

§ 12-1

я й

са 104

к

а 8 4

к о

« 64 -2 -

перенапряжение 1 • 1.68 2 —•— 1.57

0

т-4

Т"

6

-г-

10

-Г-

12

-Г-

14

-Г-

16

-Г-

18

Удельная энергия, МДж/м Рисунок 3.10 - Влияние перенапряжения на синтез озона. «Озонатор-1», давление 0,1 МПа

5

2

8

С ростом перенапряжения увеличивается эффективность синтеза озона: при одном и том же значении удельной энергии концентрация озона на срезе генератора озона выше.

В реальных озонаторах разрядный промежуток неоднороден: технологический разброс конструкции и сборки электродной системы приводит к непостоянству разрядного промежутка по площади электрода. При низких перенапряжениях разряд загорается на малых зазорах, то есть там, где разрядный промежуток меньше средней величины. С ростом амплитуды напряжения разряд распространяется по все большей площади электрода и занимает больший объем разрядного промежутка, такое распространение разряда по всему объему положительно влияет на выход озона - концентрация озона растет с ростом перенапряжения.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов выявлено, что повышение давления в разрядном промежутке генератора озона, также, как и рост перенапряжения приводят к росту концентрации озона и эффективности его синтеза.

3.1.4. Удельные энергозатраты на синтез озона

Концентрация озона на срезе озонатора и энергозатраты на синтез весовой единицы озона - удельные энергозатраты, являются принципиальными характеристиками генераторов озона. Величина удельных энергозатрат на синтез озона определяется из кинетической кривой генератора озона как отношение значения удельной энергии к концентрации озона. Это отношение минимально на линейной части кинетической кривой и растет с увеличением удельного энерговклада в поток воздуха, то есть, значением удельной энергии. Для кривых, представленных на Рисунке 3.9, при значениях удельной энергии от 3 МДж/м и выше 3 концентрация озона достигает стационарной величины и дальнейший рост активной энергии в генераторе озона не изменяет концентрацию, но приводит к кратному росту удельных энергозатрат.

На Рисунке 3.9 максимальная эффективность синтеза озона достигается на линейных участках кривых, полученных при давлении 0,15 и 0,20 МПа. Удельные энергозатраты, рассчитанные для некоторых точек этих участков кривых, приведены в Таблице 3.2 [196].

По мере роста удельной мощности концентрация озона растет, но растут и удельные энергозатраты. Таким образом, минимальные энергозатраты на синтез озона достигаются на линейных участках кинетических кривых генераторов озона. С ростом значений удельной энергии концентрация, в зависимости от давления газа, достигает стационарного или максимального значения, при этом удельные энергозатраты на синтез озона неограниченно растут и становятся выше уровня в 70 МДж/кг.

Таблица 3.2. - Удельные энергозатраты на синтез озона на линейном участке кинетических кривых

Наименование параметра Удельная энергия, МДж/м3

0,76 0,91 1,52 1,76

Концентрация озона, г/м3 13,0 14,7 19,8 21,6

Производительность, г/час 13,6 13,2 10,5 9,8

Удельные затраты, МДж/кг 59.0 60,1 76.0 81.0

Величина перенапряжения, то есть, отношение амплитуды напряжения на электродах генератора озона к напряжению зажигания разряда, сказывается на значении удельных энергозатрат: при больших перенапряжениях удельные энергозатраты уменьшаются. 3.1.5. Выводы по результатам экспериментов с Озонатором-1 В результате проведенных экспериментов с модельным Озонатором-1 установлено:

- режим работы генератора озона должен определяется в зависимости от поставленной задачи:

1. получение максимального количества озона с минимальными затратами. Рабочий участок - линейная часть кинетической кривой при значениях удельной мощности ниже 2 МДж/м3;

2. получение максимальной концентрации озона в озоновоздушной смеси. Рабочий участок - часть кинетической кривой, близкая к максимальному значению концентрации озона в ОВС, при этом концентрация озона находится в пределах 1520 г/м3. При большей концентрации озона удельные энергозатраты растут и становятся неприемлемыми.

- рабочее давление необходимо выбирать по возможности высокое, вплоть до допустимого в соответствии с конструктивными особенностями ГО;

- перенапряжение, т.е. отношение амплитуды рабочего напряжения на озонаторе к напряжению разряда, должно выбираться максимально высоким, исходя из возможностей источника питания;

- система управления работой генератора озона должна учитывать нелинейный характер кинетики синтеза озона. Особенно важно принимать во внимание правую часть кинетической кривой, на которой меняется знак зависимости концентрации озона от удельной мощности: с ростом последней на этой части кривой концентрация падает.

3.2. Блок из 15 эмалированных электродов пластинчатого типа. Озонатор-2

3.2.1. Описание конструкции и методики проведения экспериментов

Проведенные эксперименты по исследованию кинетики синтеза озона из воздуха с модельным озонатором позволили определить требования к рабочим условия, при которых синтез озона наиболее эффективен.

При проектировании генераторов озона высокой производительностью принципиальным моментом является выбор электродной системы. Данные, полученные в экспериментах с «Озонатором-1», свидетельствуют о том, что с квадратного дециметра площади электрода удается получить несколько грамм озона в час при синтезе его из воздуха. При требуемой производительности генератора озона в 25 кг озона в час общая площадь электродов должна быть около сотни квадратных метров. Такая большая площадь электродов не может быть реализована единым конструктивным элементом, в результате в мировой практике конструктивным решением является использование электродов сравнительно небольших размеров, а общая разрядная площадь генератора озона набирается количеством этих электродов.

Количество электродов в коммерческих генераторах озона доходит до 1000 штук и определяется, помимо достижения требуемой общей площади разрядной зоны, принятой максимальной допустимой плотности мощности на поверхности электродов, которая определяется на этапе создания конструкции генератора озона. Это связано, с тем, что с ростом плотности мощности увеличивается средняя температура в разрядном промежутке и, соответственно, падает концентрация озона.

В большинстве коммерческих генераторов озона используется коаксиальная схема электродной системы: труба теплообменника является заземленным электродом, в которую вставлен эмалированный, высоковольтный электрод. Коаксиальные конструкции с множественным набором отдельных электродов не позволяют просто реализовать двухстороннее охлаждение, в такой конструкции обычно реализуется одностороннее охлаждение - охлаждается только заземленный электрод.

При двухстороннем охлаждении, когда конструкция электродной системы позволяет осуществлять охлаждение как заземленного, так и высоковольтного электрода, плотность электрической мощности на единицу площади электрода можно кратно увеличить и, соответственно, уменьшить площадь электродов.

При проектировании перспективного генератора озона принципиальным решением был выбор плоского электрода с двухсторонним охлаждением. Такая форма электрода позволяла собирать отдельные электроды в стопку - пакет/блок, что позволило, с одной стороны,

увеличивать площадь разрядной поверхности при сравнительно компактных габаритах всего пакета. С другой стороны, сравнительно простой доступ к каждому электроду в пакете позволял организовать двухстороннее охлаждение. Поверхность каждого электрода была волнистой -такая форма уменьшала термические деформации при нанесении эмали на поверхность электрода.

Перед проведением эксперимента была проведены расчеты по основным параметрам электродной сборки, в том числе ожидаемой производительности.

Диаметр одного электрода составляет 0,5 м, общая площадь одной стороны электрода, с учетом центрального отверстия и волнистой поверхности электрода приблизительно равна 0,2 м2.

Электроды собираются в сборку по 15 штук, т.е. в сборке из 15 электродов таких поверхностей 14, следовательно, общая разрядная площадь стопки из 15 электродов будет равна 2,8 м2.

При двухстороннем охлаждении эмпирически установленная [166,167] плотность мощности на поверхности электрода может достигать 10 кВт/м2. При такой плотности мощности предельная электрическая мощность сборки электродов будет равна:

10 кВт/м2*2,8 м2 = 28 кВт (3.1)

Минимальные удельные энергозатраты на синтез озона из воздуха на линейной части кривой составляют примерно 50 МДж/кг (Рисунок 3.9), тогда ожидаемая производительность стопки электродов при максимальной мощности будет равна:

28 кВт/50 МДж/кг = 0,56*10-3 кг/сек = 0,56*3,6 кг/час = 2,0 кг/час (3.2)

С учетом разброса реальных параметров (величина зазор, индивидуальные характеристики ИП и т.д.) можно предположить, что для электродного блока из 15 электродов ожидаемая производительность по озону составит примерно 1,5-1,7 кг/час при максимальной мощности ИП 25,0 кВт.

В результате, конечным решением для электродной системы была принята сборка электродов из 15 штук, общий вид которой приведен на Рисунке 3.11 [199].

Электроды в сборке располагались между фланцами, с двух противоположных сторон устанавливались коллекторы водяного охлаждения. В сборке электроды чередовались: один электрод был заземлен, следующий подключался к высоковольтной шине и т.д. И заземленный, и высоковольтный электроды были покрыты стеклоэмалью. При сборке пластинчатых

электродов в блок между ними вставлялись плоские, тефлоновые ленты для формирования регулярного разрядного промежутка, величина которого была примерно равна 0,5 мм.

Рисунок 3.11 - Общий вид блока из 15-и пластинчатых электродов

Основные параметры электродного блока приведены в Таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Параметры электродного блока.

Наименование параметра Значение

Диаметр отдельного электрода, мм 475

Разрядная площадь отдельного электрода, (сумма двух сторон) м2 0,14

Разрядная площадь блока электродов с учетом волнистости электродов, м2 2,02

Средняя величина разрядного промежутка, мм 0,5

Толщина стеклоэмали, мм 0,5

Диэлектрическая постоянная стеклоэмали, е 8

Расчетная емкость разрядного промежутка блока из 15 электродов, Сг, нФ 35,8

Расчетная емкость диэлектрика блока из 15 электродов, Сд, нФ 143

Общая емкость блока из 15 электродов, нФ 28,6

Максимальная активная мощность, кВт 40

Максимальная плотность активной мощности, Вт/см2 площади электрода 1,0

Для определения «кинетических» возможностей созданной электродной системы, а именно: производительности системы по озону, удельных энергозатрат на синтез озона и концентрации озона на выходе из сборки, были проведены соответствующие исследования.

Для поведения экспериментов был изготовлен корпус генератора озона, который вмещал одну сборку из 15 электродов, далее этот генератор озона будем называть «Озонатор-2».

Для проведения указанных испытаний был собран испытательный стенд, который включал:

- генератор озона с электродной сборкой из 15 электродов - «Озонатор-2»;

- источник питания генератора озона;

- систему охлаждения;

- систему деструкции озона.

Для электроснабжения блока из 15 электродов использовался источник питания (ИП), который обеспечивал подачу на электроды озонатора знакопеременное напряжение амплитудой до 7-8 кВ и управляемой частотой в пределах 2-10 кГц, мощность источника до 25 кВт. Первичное питание ИП осуществлялось от сети 3х380 Вольт, 50 Гц. Электрическая мощность регулировалась как амплитудой напряжения на озонаторе, так и изменением несущей частоты. Оба метода регулирования позволяли изменять активную мощность разряда в разрядном промежутке блока из 15 электродов в широких пределах: от единиц кВт до максимальной, 25 кВт [197].

Электрические параметры источника: ток и напряжение на выходе ИП, активная мощность, измерялись средствами, встроенными в систему управления источника питания. Типичная осциллограмма тока и напряжения на электродах сборки качественно совпадает с осциллограммой, приведенной на Рисунке 3.3 для «Озонатора-1», но количественные значения отличаются. На индикационную панель ИП выводились действующие значения тока, напряжения и мощности, потребляемые генератором озона. Управление работой источника осуществлялось в ручном режиме, с помощью средств, размещенных на передней панели источника.

Система охлаждения «Озонатора-2» была замкнутой и включала: холодильную машину, насос циркуляции, блок деионизации воды, расширительный бак, запорную арматуру - заслонки, клапана и т.д., индикаторы КИП: манометры, термометры.

Наличие холодильной машины в системе охлаждения позволяло поддерживать температуру воды на уровне 5-8оС. Для организации двухстороннего охлаждения этого

генератора использовалась дистиллированная вода, которая циркулировала через блок ионнообменной смолы для поддержания низкой проводимости воды.

Газовый тракт испытательного стенда включал: безмасленный компрессор, систему адсорбционной осушки воздуха, газоанализатор концентрации озона «Медозон 254/5», деструктор озона, запорно-регулирующую арматуру и КИП (манометры давления, термометры, расходомер).

Вольт-амперные характеристики генератора озона «Озонатор-2» качественно не отличаются от приведенных на Рисунке 3.3. Номинальное значение тока в сборке было выше приведенного на указанном рисунке почти на порядок в связи с заметно большей мощностью ИП.

Одной из задач экспериментов было измерение потерь мощности в источнике питания в зависимости от условий его работы. Для этого измерялись 2 мощности: мощность, «отпускаемая» ИП от распределительного щита, и мощность, измеренная средствами ИП на клеммах питания генератора озона. Оценить эффективность работы ИП можно из анализа результатов измерений, представленных на Рисунке 3.12 [199], - потери источника падают при приближении потребляемой мощности к максимальной; полученное максимальное значение к.п.д. - 94%. Данные, полученные в этих измерениях, позволили оценить тепловую нагрузку на элементы источника питания.

1,0-|

0,9-

0,8-

0,7-

0,6-

0,5 ■

0

10

15

20

-Г-

25

мощность ИПГО, кВт

Рисунок 3.12 - К.П.Д. источника питания генератора озона (ИПГО) при работе с различными величинами активной мощности

После проведенных экспериментов с электродным блоком были выбраны следующие

параметры источника питания:

- частота работы ИП 6-8 кГц;

- амплитуда напряжения, до 7 кВ;

- номинальная мощность, до 25 кВт;

- степень регулирования мощности 30-100%. 3.2.2. Кинетика синтеза озона из воздуха. Озонатора-2

Задачами экспериментов с генератором озона «Озонатор-2» было подтверждение как его кинетических способностей генерировать озон в нужных количествах, так и принятых конструктивных решений по источнику питания такого генератора. По этой причине исследование работы источника питания в разных режимах проводилось одновременно с измерением кинетики синтеза озона. График зависимости концентрации озона от удельной энергии, вложенной в газ источником питания («кинетическая кривая»), представлен на Рисунке 3.13 [199].

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Удельная энергия, МДж/м

Рисунок 3.13 - Кинетическая кривая синтеза озона. (Мощность и измерена, и пересчитана к

расходу 88 нм3/час)

Важно отметить, что данные по концентрации озона были получены в разных условиях по частоте и давлению, но значения практически находятся на одно кривой. Мощность ИП выбрана

в качестве переменной, так как во всех экспериментах расход воздуха был постоянен и в приведенных к нормальному давлению единицах равен 88 м3/час. Максимальная концентрация озона, достигнутая в этих экспериментах, была около 20 г/Нм3. Так как давление в генераторе озона было ограничено величиной 0,07 МПа по требованию заказчика, то эта концентрация близка к максимально достижимой данной сборкой. Линейная часть кинетической кривой для данной электродной системы заканчивается при концентрации озона в 12-14 г/м3.

Важным параметром генератора озона является величина удельных энергозатрат, то есть затраты энергии на производство единицы весового количества озона. Зависимость значений удельных энергозатрат от амплитуды напряжения на электродах генератора озона приведены на Рисунке 3.14 [199]: как показали результаты экспериментов влияния напряжения и давления на величину удельных энергозатрат незначительны.

75-,

и

70

л £

а

£

со О и а <и X (П

3

X л

4

<и >>

65-

60-

55-

50-

45

давление, МПа • 0,10 • 0,17

• •

• •

5 6 7 8

Амплитуда напряжения, кВ

Рисунок 3.14 - Удельные затраты на синтез озона при различных давлениях

2

3

4

9

Таким образом, в опытах, проведенных со сборкой из 15 электродов, которая была сконструирована как электродная единица высокопроизводительного генератора озона из воздуха, было экспериментально подтверждено, что максимальная концентрация озона достигает уровня в 20 г/Нм3.

Удельные энергозатраты на синтез озона при давлении 0,07МПа и напряжении от 6 до 9 кВ находились в пределах от 52до 65 МДж/кг (14,5-18 кВт*час/кг). Полученные значения удельных

энергозатрат при синтезе озона из воздуха сопоставимы с лучшими показателями, демонстрируемыми коммерческими озонаторами производства фирм «Ozonia» и «Wedeco».

3.2.3. Выводы по результатам работы с Озонатором -2

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Полученные характеристики сборки из 15 плоских электродов с двойным охлаждением подтвердили принятые конструктивные решения:

- Производительность сборки при синтезе озона из воздуха подтвердила предварительные расчеты и была равна - 1,5 кг озона в час;

- Двухсторонее охлаждение электродов доказало свою эффективность;

- Концентрация озона на выходе «Озонатора-2» также оказалась в пределах ожидаемой -20 г/м3;

- Удельные энергозатраты электродной сборки при синтезе озона из воздуха находились в пределах 52-65 МДж/кг (14,5-18 кВт*час/кг).

3.3. Генератор озона ГО25МС

Электродный блок, результаты исследования которого представлены в предыдущем разделе, стал основой созданного генератора озона ГО25МС производительностью 25 килограмм озона в час из воздуха [200]. Генератор озона ГО25МС включает в себя 16 электродных блоков по 15 электродов, которые разбиты на группы по 4 таких сборки, составляющих модуль генератора озона - Рисунок 3.15.

Рисунок 3.15 - Общий вид 3-х генераторов озона ГО25МС в цехе генераторов Западной станции водоподготовки г. Москвы

Каждый модуль подключен к газовым и водяным коллекторам независимо и представляет собой отдельный генератор озона, работа которого осуществляется независимо от других модулей. Запорно-регулирующая арматура позволяет автономно вводить в работу каждый из 4-х модулей, тем самым обеспечивая необходимую производительность генератора по озону.

Испытания генератора озона ГО25МС для подтверждения заявленных параметров проводились в озонаторной на Западной станции водоподготовки (ЗСВ) АО «Мосводоканал», где было установлено следующее оборудование:

- генератор озона ГО25МС;

- источники питания генератора озона;

- система охлаждения;

- газовая и водяная арматура и КИП.

Каждый из 16-ти электродных блоков генератора озона ГО25МС имел собственный источник питания, который обеспечивали подачу на блок электродов озонатора знакопеременное напряжение амплитудой до 7-8 кВ и мощностью до 25 кВт. Общий вид источников питания приведен на Рисунке 3.16 [197, 200].

Рисунок 3.16 - Общий вид цеха с источниками питания генераторов озона ИПГО 400/25

Первичное питание ИП осуществлялось от сети 3х380 Вольт, 50 Гц. Электрическая мощность каждого блока регулировалась изменением амплитуды напряжения на электродах, что

приводило к изменению электрической мощности в пределах 30-100%; максимальная мощность одного источника питания достигала 25 кВт. Управление мощностью источников могло осуществляться как вручную, с помощью средств управления, расположенных на панели источника, так и дистанционно системой управления генератора озона.

Контур охлаждения - замкнутый и включал в себя циркуляционный насос, холодильную машину, установку деионизации. Помимо указанного оборудования в контуре охлаждения была смонтирована трубопроводная арматура и датчики КИП. Контур заполнялся дистиллированной водой; для достижения низкой проводимости воды использовались ионообменные смолы, а уровень элетропроводимости контролировалась аппаратно. Холодильная машина поддерживала температуру воды на входе в генератор озона на уровне 7±2О С.

Газовый тракт включал: компрессоры, осушители воздуха, регулируемые задвижки, арматуру и датчики КИП. Адсорбционные осушители воздуха поддерживали температуру насыщенного водяного пара на уровне не выше -50ОС. Регулируемые задвижки поддерживали рабочее давление в разрядной зоне генератора озона на уровне 0,07 МПа. Расход воздуха через генератор был переменным и определялся расходом воды в контактных бассейнах. Максимальный расход воздуха через 4 работающих модуля ГО достигал 1800 м3/час в нормальных условиях.