臭氧尾氣處理器分類
臭氧發生器臭氧分解系統
一、概述
臭氧水處理投加是用臭氧化氣來完成的，根據不同混合方式的混合效率及臭氧與水混合的溶解度，從反應池或反應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準為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，在臭氧工程設計中很重要的一點就是采用安全措施進行廢氣處理，避免任何副作用的產生。
目前，可用來消除或分解接觸器尾氣中臭氧的方法有：
（1）預臭氧化；
（2）尾氣循環到臭氧發生器；
（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；
（7）淋洗和（或）化學捕獲；
（8）兼有分解和（或）隨后分解的吸收。
由于臭氧是一種不穩定氣體，可還原成氧氣。這種還原作用在常溫下進行很慢，但在350℃溫度下瞬間內即可完成。因此，傳統的尾氣臭氧分解裝置大都采用加熱分解的方式。
隨著催化技術的發展以及能源的緊張，還有逐漸降低運行費用的要求也成為產品的發展趨勢，催化分解的技術及產品開始逐漸用于尾氣臭氧分解。
1．預臭氧化法
預臭氧化處理的前提條件是，系統工藝中臭氧的投加必須是多點的。后臭氧處理的尾氣采用預臭氧化法消除，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處理的某個環節的水里。由于進行預臭氧化處理的原水含有快速反應或溶解臭氧的物質，尾氣里的臭氧能被大量消耗，預臭氧化階段的臭氧吸收率可再一次達到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量級，即降低了9/10，例如從7g/m3降到了0.7g /m3。
預臭氧化系統需要一臺自吸設備，如環流渦輪混合器；或者一套噴射裝置，如文氏射流器；或者擴散裝置，如曝氣盤或穿孔管。
2．循環法
當用純氧或富氧氣體發生臭氧時，可以實行尾氣循環回到臭氧發生器。這種技術是以氧的經濟回用為基礎的，尾氣必須經過提純和干燥的工藝后，加壓到臭氧發生器或者是氣源處理裝置中。
表面上看使用循環法消除了尾氣臭氧對環境的影響，而且又達到了氣源回收利用，但循環法造成了氣體內氨氣和二氧化碳氣含量的逐步富集，為防止臭氧產量下降，一般也要往系統中補充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行分解處理。另外，循環系統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，避免微量有機物逐步積累在干燥塔內吸附劑上。
接觸器尾氣中的臭氧并不能使臭氧發生器出口的臭氧濃度有提高，這點符合臭氧發生器是在平衡狀態下運行的化學反應器原理。
3．稀釋法
稀釋法是用空氣稀釋含臭氧的尾氣，達到排放要求的一種方法。不過，直接達到排放尾氣0.1ppm臭氧安全目標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一步利用（例如通過預臭氧化）或適當的大氣稀釋比（如8~10）之后，再配接排氣煙筒用機械通風100~120的稀釋比才能切實可行的。
盡管運行成本低，只需很少控制設備，但由于巨型離心通風機所產生的噪音太大，而且不同生產條件下氣體流量或臭氧產量的變化會造成尾氣中臭氧濃度的變化，此項技術還是很少應用。
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℃下一分鐘內臭氧分解大約是70%，230℃時92%~95%。在300℃或以上時，1~2s反應時間內達到100%分解。熱分解法是當前用于消除臭氧處理廠尾氣所含臭氧使用最廣泛的技術，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、簡單，易實現自動化，排出的氣體溫度達到250~300℃的高溫，廢氣煙道需要用耐火材料建造，運行費用高；可以使用熱交換器回收部分熱能對尾氣進行預熱。
用于尾氣排出的離心風機最好是裝在破壞裝置之后（如置于整個破壞裝置的出口），靠抽吸和吹風來排氣；熱交換器必須用抗腐蝕材料制造。如臭氧發生器采用氧氣源或富氧源，上述設備應符合相應的安全要求。
5．吸附法
吸附法是通過吸附在可燃載體上破壞臭氧，實際上使用的是裝有活性炭濾層的過濾器。
通常的基本設計參數是：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。它所產生的壓力損失大約為0.02~0.03MPa。為獲得完全反應，過濾器炭層最好加熱到60~80℃。
由于不穩定的臭氧化反應產物（如過氧化氫類的積累所造成），也能形成CO基，導致氧化碳的高能釋放轉換，這項方法有可能發生嚴重爆炸的危險情況。
通過往炭層上適量灑水可防止這些危險，從運行安全考慮，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。目前大多數可用催化劑都是同鈀有關的，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加熱。
目前，有關用催化劑作臭氧破壞用的費用和運行特性都需要進一步研究。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技術，也就是在氣體循環過程中。硅膠剛活化時，具有從不穩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。
關于吸附-分解技術操作的嚴格條件，包括再生期間所吸附臭氧的熱分解，需要進一步研究。有關吸附材料反復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的相對運行費見下表：
|
裝 置
|
運行費W·h/m3
|
主要優點
|
主要缺點
|
|
預臭氧化
循環
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
|
80~150
80~100
8~10
130~170
85
約150
10~15
5
2
1~2
|
利用了臭氧
無排放
易操作
易監測
高產量
全部破壞
穩定運行
設備小
部分生產
循環周期長
|
僅部分破壞
腐蝕危險
噪音問題
熱尾氣
難自動化
設備大
爆炸危險
催化劑中毒
再生不可逆
仍在試驗
|
二、尾氣分解設備簡介
基于各種尾氣處理設備的優缺點及使用范圍，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臭氧化法、循環法、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。設備帶有一套完備的儀表系統（測量、報警、故障檢測），易于實現全自動運行。
加熱分解型尾氣臭氧分解器采用一體化設計，加熱溫度高于350℃，反應時間2.5秒，可將余臭氧的濃度降低至0.1ppm以下。
1.2 運行方式
設備全自動運行，運行中充分考慮節能的觀點，被分解的氣體在離開系統前首先通過一個高效熱交換器與進入的氣體進行熱交換，然后含有臭氧的氣體通過一列電加熱器達到被破壞所需的溫度，廢氣通過管道壓力或由離心風機排出破壞器。
1.3 主要組成元件
加熱分解型尾氣臭氧分解器為整體設計，主要包括以下原件：
1.3.1 一臺控制柜，使設備實現恒溫控制，并實現對設備的現場/遠程操作。
控制柜含有一套顯示調節儀表，并可在終端安裝報警器用于遠程指示。
1.3.2 熱交換器
熱交換器由焊接板制成，采用逆流運行方式。構造：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作用。設計溫度：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 備選風機：離心風機安裝在外部框架上。
1.4 主要特點
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：由于使用電氣設備，易于實現自動化。
1.4.3 設備體積大：由于使用加熱設備，而且使用多級熱交換器，設備體積較大。
1.4.4 設備能耗高：由于使用加熱設備，將氣體加熱到350℃左右，盡管使用多級熱交換器，設備能耗仍然很高。
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。設備帶有一套完備的儀表系統（測量、報警等），將尾氣預加熱到一定溫度，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，易于實現全自動運行。
設備采用緊湊型一體化設計，臭氧破壞設備（主要是加熱器和催化槽）、現場控制盤及離心風機（根據運行工況可選）均安裝在一個焊接鋼架上，設備內部已經按要求填充好催化劑，產品發貨前已經過測試運行及性能檢驗。
2.2 運行方式
加熱-催化混合型尾氣分解器全自動運行，能耗低。
尾氣在破壞器入口處通過預加熱來防止其在催化器中發生冷凝。加熱溫度通過溫控器調節，溫控器的安全開關可在溫度過高時切斷電源。進入反應室后，臭氧分子在通過催化器時得以分解。隨后，尾氣被離心風機從催化床排出。
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 催化反應槽，包括不銹鋼催化槽、不銹鋼網狀格板及支承柵板、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 離心風機：離心式，鋁質渦輪和葉片，單/三相電機；
2.3.4 除霧器，包括外殼、支撐架、專用除霧篩網、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計，大型設備和分解器設計為分體式，使尾氣分解器全自動安全運行。柜體為薄鋼板制成，保護等級IP45，也可按用戶要求將保護等級提高至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，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：除現場手動控制外，還可由PLC實現遠程自動。
2.4 主要特點
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到危險濃度。
2.4.2 低溫運行：運行溫度大約為40-60℃，這樣可以降低運行成本，相對于加熱分解型尾氣分解裝置，大約90%的運行費用是可以省去的。
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
催化床主要由二氧化錳、一氧化錳、氧化銅等構成，因此存在著由于催化劑中毒帶來的風險。在水廠的臭氧消毒過程中，氣態氯的分解以及氯引起的催化床中毒基本不會發生，但潮氣的存在極易造成催化劑中毒。
正確使用催化分解，在尾氣進入催化床之前必須經過除霧裝置用來去除液態的水霧；然后再經過預加熱，防止尾氣經設備冷凝后再次出現液滴。
三、尾氣臭氧分解器的安裝及注意事項
1．安裝
1.1 將尾氣臭氧分解器安裝在室內或室外頂棚下的一個水平的基礎上，一般加熱分解型必須安裝在室內，其他型的可根據實際需要來安排。
1.2 為尾氣臭氧分解器配備進口開關閥以及一個旁通閥（如有需要）以便于維修和啟動。
1.3 如有用電設備，選用適當的斷路器將電源接到設備上。
1.4 電源連接：根據給出的電氣要求進行線路連接，所有元件遵循電路連接規范及國家標準或符合NEC、NEMA、CSA和UL的標準。
1.5 電器連線可能因運輸過程而松動，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如催化劑因運輸的原因未裝入干燥塔內，應置于室內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過檢漏測試，但泄漏現象在運輸或安裝過程中可能會發生，在安裝后和試運行前應對系統檢查有可能出現的泄漏現象。
2．注意事項
2.1 安全規程
在使用離心風機（氣泵）空氣處理設備及電加熱器等用電設備時，請遵守基本的安全規程，并注意以下內容：
2.1.1 通讀所有的規程
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準。在任何情況下，如本設備被摔壞或損壞，請不要操作本設備。注意許可的調試、修理或調節設備的權限。
2.2 警示：安裝或操作本設備時，應符合國家標準及地方政府標準的要求。
2.2.1 設備維護時，確信電源已經切斷。
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 離心風機（如果有）：應有必要的安全防護裝置，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備，必須保證設備接地良好。
2.3 警示：
經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警儀，確認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，但是放空口應加裝必要的裝置，以免雨水濺入設備內部造成設備損壞。
3．尾氣分解器技術參數
尾氣分解器技術參數一般如下：
3.1 額定進氣臭氧濃度：0.5wt%，約合6-8g/m3
3.2 出氣臭氧濃度：穩定狀態下為0.1ppm，約合0.2mg/m3
3.3 進氣口條件要求：含臭氧的空氣或氧氣
3.4 額定進氣流量：XX Nm3/h，最大進氣流量：XX Nm3/h
3.5 最高進氣壓力： XX MPa
3.6 電源：XX V/Xph/XX Hz
3.7 裝機容量：XXX kVA，其中加熱器 XXX kVA；風機 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或多點投加的。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濟為基礎：當用純氧或富氧氣體發生臭氧時，雖然可以實行尾氣循環回到臭氧發生器作為氣源，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過提純和干燥處理的工藝后才能使用。
由于氧氣回用系統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物逐步積累在干燥塔內吸附劑上，尾氣還要經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氣含量的逐步富集而造成的臭氧產量下降，還要往系統中補充新鮮氧氣，氧氣回用系統設備及工藝復雜性大大提高。
目前由于水源的原因，水廠的臭氧的投加一般是兩點或多點投加的。筆者粗淺認為，使用空氣源的臭氧系統，某些產量級的后臭氧處理尾氣的消除完全可以采用預臭氧化的方式，預臭氧化可以通過在預臭氧池中預設穿孔管的的方式或射流的方式，預臭氧尾氣的消除可以使用離心風機和射流器噴射稀釋的方式。
至于使用氧氣源的臭氧系統，某些產量級的后臭氧處理尾氣的消除也采用預臭氧化的方式，預臭氧化可以通過在預臭氧池中預設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，可以將預臭氧尾氣控制在極小的數值之內，或最多再通過以及催化分解，將尾氣導入水處理系統的生化曝氣的處理工藝，達到綜合利用程度，而不采用復雜的循環的方式。
