Установка обработки пылегазовой смеси инфразвуковым излучением

(51) 02 1/02 (2012.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(76) Намазбаев Тлеухан Серикбаевич Намазбаева Зулкия Игеновна(54) УСТАНОВКА ОБРАБОТКИ ПЫЛЕГАЗОВОЙ СМЕСИ ИНФРАЗВУКОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ(57) Изобретение относится к области экологии,охраны воздушного бассейна, и может быть использовано для снижения загрязнения атмосферного воздуха от мелкодисперсной пыли путем инфразвукового воздействия на взвешенные вещества, недифференцированную по составу пыли и аэрозоли в атмосферном воздухе. В основу изобретения поставлена задача разработать установку обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением на основе автоматического регулирования по частоте и длительности инфразвукового воздействия на каждой частоте. Технический результат,достигаемый изобретением повышение эффективности акустической агломерации мелкодисперсной пыли,содержащейся в атмосферном воздухе. Поставленная задача решается тем, что в известной установке обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением, содержащей последовательно соединенные регулятор мощности,усилитель мощности и инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока инфразвукового излучения, дополнительно введены клавиатура, энкодер, цифровой -индикатор,микроконтроллер,цифроаналоговый преобразователь, фильтр, поворотное устройство,при этом к первому, второму и третьему входам микроконтроллера подключены соответственно выходы клавиатуры, энкодера и усилителя мощности, первый, второй и третий выходы микроконтроллера подключены соответственно ко входу цифрового -индикатора, ко второму входу цифроаналогового преобразователя, выход которого через фильтр подключен к первому входу регулятора мощности, выход усилителя мощности подключен к входу инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения, установленного на поворотном устройстве. Изобретение относится к области экологии,охраны воздушного бассейна, и может быть использовано для снижения загрязнения атмосферного воздуха от мелкодисперсной пыли путем инфразвукового воздействия на взвешенные вещества, недифференцированную по составу пыль и аэрозоли в атмосферном воздухе. Результаты санитарно-гигиенических и экологических исследований свидетельствуют о том, что загрязнение атмосферного воздуха является самым мощным и постоянно действующим фактором на здоровье человека, пищевую цепь и окружающую среду. Загрязнение атмосферного воздуха является одной из основных причин нарушения экологического равновесия и, как следствиевозникновение кризисных экологических ситуаций в промышленных регионах, оказывает наибольшее влияние на состояние здоровья большинства населения. По данным Всемирной организации Здравоохранения воздействие загрязненного атмосферного воздуха ежегодно приводит к смерти от 200 до 570 тысяч человек и на долю этого фактора приходится около 0,4 1,1 от всех случаев смерти в год. Действительно, взвешенные частицы при проникновении в органы дыхания человека приводят к нарушению работы систем дыхания и кровообращения. Вдыхаемые из атмосферы твердые частицы влияют как непосредственно на респираторный тракт, так и на другие органы за счет токсичного воздействия частиц различных компонентов, входящих в состав воздуха. Люди с хроническими нарушениями в легких, с сердечно сосудистыми заболеваниями,с астмой,подверженные частым простудным заболеваниям,пожилые и дети особенно чувствительны к влиянию мелких взвешенных частиц диаметром менее 10 микрон. Воздушный бассейн крупных населенных пунктов - это особое состояние атмосферы. Непрерывно в него поступают десятки и даже сотни различных веществ,выбрасываемых промышленными объектами,автомобилями,многочисленными котельными,агропромышленными комплексами и другими производствами. В создаваемых выбросами атмосферных загрязнениях содержится смесь твердых и жидких взвешенных частиц, а также много газообразных веществ, причем многие из них находятся в атмосферном воздухе в больших концентрациях, поэтому проблема очищения атмосферного воздуха в крупных населенных пунктах, весьма актуальна. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород,образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности. Источником пыли и ядовитых газов служат также участки массовых взрывных работ. Так, в результате одного, среднего по массе,2 взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб.м. условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов,всегда сопровождаются выбросами в атмосферу пыли и других вредных веществ. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях,когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует движению воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования, ранее неизвестного в природе,фотохимического тумана. Также немаловажными загрязнителями атмосферы являются углеводороды. Они подвергаются многочисленным химическим превращениям,соединяются с оксидами азота и серы, образуя аэрозоли. Особенно часто это явление происходит,когда такие примеси оказываются в теплом слое воздуха, над которым расположен холодный слой. В таком случае,воздушные массы не перемешиваются, и частицы надолго остаются на своем месте. Так рождается смог. Смог, или как его называют, фотохимический туман, представляет собой смесь газов и аэрозольных частиц (в основном углеводородов), озона, окислов азота и серы,органических перекисных соединений фтороксидантов. При стечении определенных климатических обстоятельств - яркого солнечного освещения, безветрия, и наличии большого количества загрязняющих частиц, происходит довольно сложный процесс образования смога. Солнце вызывает расщепление молекул диоксида азота на оксид азота и атомарный кислород. Кислород соединяется с молекулярным кислородом,образуя озон. Оксид азота взаимодействует с выхлопными газами, в результате чего образуется еще большее количество озона. Озон постепенно накапливается, тоже взаимодействуя с выхлопными газами. Эта реакция приводит к нарастанию концентрации разнообразных перекисей. Исключительно вредны для здоровья человека,содержащиеся в пыли и атмосфере оксиды свинца,соединения мышьяка кадмия, бериллия, оксиды углерода. Так, пыль вызывает раковые заболевания,аллергию, дерматозы, силикоз наличие в среде оксида углерода разрушает гемоглобин крови диоксид углерода раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей диоксид серы вызывает хронический гастрит, атеросклероз, расстройства нервной и сердечно - сосудистой систем, бронхит, 27456 ларингит, рак легких свинец изменяет состав крови и костного мозга, поражает печень и почки и др. мышьяк, ртуть, селен приводят к отравлениям,могут вызвать импотенцию, ослабить умственные способности (ртуть) сероводород - причина расстройств центральной нервной и сердечно сосудистой систем и т.п. Известны и широко применяются методы и устройства очистки вредных выбросов в атмосферу,а именно, очистка от аэрозолей (методы абсорбции,хемосорбции,адсорбции,термической нейтрализации), физико - химическая очистка,устройства очистки гравитационного типа,устройства центробежного типа, механические фильтры, электрофильтры, аппараты мокрой очистки газов. Известна установка обработки пылегазовой смеси внешним ультразвуковым воздействием(Страус В. Промышленная очистка газов // Пер. с англ. М.Химия, 1981, 616 с.), содержащая последовательно соединенные блок питания,ультразвуковой генератор и ультразвуковой излучатель. Установка обработки пылегазовой смеси внешним ультразвуковым воздействием работает следующим образом. При включении ультразвуковой излучатель испускает ультразвуковые волны высокой частоты,которые воздействуют на пылегазовую смесь, что приводит в колебание частицы пылегазовой смеси,при котором значительно увеличивается столкновение частиц друг с другом, в результате чего частицы слипаются, образуя крупные фракции,что значительно облегчает последующую очистку этой смеси газов в газоочистных аппаратах. Принцип действия установки обработки пылегазовой смеси внешним ультразвуковым воздействием основан на способе ультразвуковой коагуляции мелкой фракции частиц пыли в составе пылегазовой смеси. Недостатком известной установки обработки пылегазовой смеси внешним ультразвуковым воздействием является низкая эффективность очистки атмосферного воздуха от пылегазовой смеси из-за ограниченного объема обрабатываемого воздуха. Следующим недостатком установки обработки пылегазовой смеси является требование очень большой акустической мощности ультразвукового облучения. Пороговое значение, для заметной флокуляции, составляет 10,0-10,8 Вт/м 2, что затрудняет практическое использование известной установки. Известно устройство наиболее близкое к предлагаемой установке обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием(Предварительный патент РК 15270, кл. 01 49/00, опубл. в бюл. 1 от 17.01.2005 г.),содержащее генератор и излучатель, соединенные в электрическую цепь - ИФС-1. Согласно - техническим характеристикам устройство ИФС-1 излучает направленные инфразвуковые волны, одной определенной частоты инфразвукового диапазона. Установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием работает следующим образом. Инфразвуковые колебания волны на одной экспериментально определенной частоте инфразвукового диапазона,направляют в пылегазовый поток, содержащий до 20 воды. Под воздействием инфразвука из воды,находящейся в пылегазовом потоке, удаляются растворенные в ней газы, в первую очередь углекислый газ, образующий с водой нестойкую угольную кислоту, и при этом нарушается равновесие С 2 Н 2 Н 2 СО 3 ННСО 3(1) Под воздействием инфразвуковых волн, согласно уравнению (1), из воды, находящейся в пылегазовом потоке, выделяется ион водорода Н, который в свободном состоянии находится лишь доли секунды затем в результате химических реакций ион водорода Н, соединяясь в пылегазовой смеси с газами 2 и С 2, образует кислоты 22 Н-222224(4) В результате разложения угольной кислоты,уравнение (4), наблюдается повторное выделение иона водорода Н, т.е. наблюдается эффект двойного образования иона водорода. Образовавшиеся кислоты,оседая на мелкодисперсных частицах пыли, способствуют ее коагуляции, тем самым, снижая количество газообразных выбросов вредных веществ. Недостатком известной установки обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием является низкая эффективность очистки атмосферного воздуха от пылегазовой смеси, обусловленная воздействием инфразвука на отдельно выбранной частоте в инфразвуковом диапазоне, т.к. применяемое устройство ИФС-1 может излучать направленные инфразвуковые волны только на одной частоте инфразвукового диапазона. Использование инфразвуковых волновых колебаний на одной частоте позволяет коагулировать мелкодисперсную пыль только определенной фракции, а остальная часть пыли остается в атмосферном воздухе. Таким образом,основным недостатком известной установки обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием является низкая эффективность очистки атмосферного воздуха от пылегазовой смеси, обусловленная отсутствием возможности регулирования частоты и длительности инфразвукового воздействия на каждой частоте. Для повышения эффективности акустической агломерации мелкодисперсной пыли необходимо расширить инфразвуковое воздействие в определенной закономерности по частоте и длительности на каждой частоте. В основу изобретения поставлена задача разработать установку обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением на основе автоматического регулирования по частоте и длительности инфразвукового воздействия. Технический результат,достигаемый изобретением повышение эффективности акустической агломерации мелкодисперсной пыли,содержащейся в атмосферном воздухе. Поставленная задача решается тем, что в известной установке обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием,содержащей последовательно соединенные регулятор мощности, усилитель мощности и инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока инфразвукового излучения,дополнительно введены клавиатура, энкодер,цифровой-индикатор,микроконтроллер,цифроаналоговый преобразователь,фильтр,поворотное устройство, при этом к первому,второму и третьему входам микроконтроллера подключены соответственно выходы клавиатуры,энкодера и усилителя мощности, первый, второй и третий выходы микроконтроллера подключены соответственно ко входу цифрового индикатора, ко второму входу цифроаналогового преобразователя, выход которого через фильтр подключен к первому входу регулятора мощности,выход усилителя мощности подключен к входу инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения,установленный на поворотном устройстве. Поворотное устройство содержит маятниковое устройство, соединенное с механизмом кругового вращения маятникового устройства, на маятнике которого закреплены инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока инфразвукового излучения. На фиг.1 изображена блок-схема установки обработки пылегазовой смеси инфразвуковым излучением. На фиг.2 изображена блок-схема поворотного устройства. На фиг.3 изображена диаграмма автоматического изменения частоты и длительности инфразвукового сигнала на выходе усилителя мощности. Установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением состоит из клавиатуры 1, энкодера 2, микроконтроллера 3,цифрового -индикатора 4, цифроаналогового преобразователя 5, фильтра 6, регулятора мощности 7, усилителя мощности 8, инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения 9,поворотного устройства 10, маятникового устройства 11, механизма кругового вращения маятникового устройства 12. Клавиатура 1 может быть представлена,например, в виде клавиатуры 44 типа АК 1607-, обеспечивающей стабильный съем команд. Энкодер 2 для оперативной регулировки мощности инфразвукового сигнала может быть представлен в виде цифрового регулятора типа- С 24-АС 00224. Микроконтроллер 4 может быть представлен,например, в виде высокопроизводительного,маломощного 8-ми разрядного микроконтроллера с развитой -архитектурой,энергозависимой памятью программ и данных,КМОП микроконтроллера- 64. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл контроллера достигается производительность 1 млн. операций в секунду, что позволяет оптимизировать соотношения энергопотребления и быстродействия. Алфавитно-цифровой -индикатор 4 может быть представлен, например, в виде промышленного дисплея с технологиейсо схемой драйвера и генератором кодасо светодиодной подставкой фирмы. Цифроаналоговый преобразователь 5 может быть представлен, например, в виде микросхемы типа 320 . Фильтр 6 низких частот предназначен для подавления высокочастотных помех, возникающих при работе цифроаналогового преобразователя, и может быть представлен, например, в виде фильтра. Регулятор мощности 7 предназначен для регулирования мощности инфразвукового сигнала и может быть представлен, например, в виде цифрового потенциометра типа 520010. Инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока 9 представляет собой,например,электромагнит,состоящий из ферромагнитного сердечника и обмотки индуктора,питаемой переменным электрическим током с выхода усилителя мощности 8. Сердечник инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока 9 жестко соединен с торцом излучателя цилиндрической обечайкой, внешний излучающий кольцевой торец которой закрыт круговой эластичной мембраной, придающей инфразвуковому излучателю направленные свойства. Поворотное устройство 10 (см. фиг.2), с помощью микродвигателя маятникового устройства 11, обеспечивает раскачивание инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения 9 на 180 . Механизм кругового вращения маятникового устройства 12 обеспечивает круговое вращение по вертикальной оси инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения 9. Предложенная конструкция поворотного устройства 10 обеспечивает инфразвуковое воздействие на пылегазовую смесь, содержащуюся в атмосферном воздухе в радиусе до 50 м и позволяет коагулировать мелкодисперсную пыль, которая оседает на поверхность земли, т.е. в радиусе воздействия инфразвукового излучения происходит очищение атмосферного воздуха от пылегазовой смеси. Установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием работает следующим образом. После включения установки обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым воздействием оператор с помощью энкодера 2 устанавливает заданное значение выходной мощности инфразвукового облучения пылегазовой смеси. В микроконтроллере 3 осуществляется генерация инфразвукового сигнала, частота и длительность которого автоматически изменяется согласно диаграммы приведенной на фиг. 3. Далее инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока инфразвукового излучения, с помощью поворотного устройства, оказывает инфразвуковое воздействие на пылегазовую смесь,содержащуюся в атмосферном воздухе в радиусе до 50 м и осуществляя коагуляцию мелкодисперсной пыли,которая оседает на поверхность земли или асфальта в радиусе воздействия инфразвукового излучения,осуществляя очищение атмосферного воздуха от пылегазовой смеси. Проблема очистки атмосферного воздуха от мелкодисперсной пыли особенно актуальна в крупных населенных пунктах, где только на долю автомобильного транспорта, одного из главных источников загрязнения атмосферы, приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду. Необходимо отметить, что на мелкодисперсной пыли атмосферного воздуха адсорбируются наиболее опасные для здоровья человека химические соединения диоксида, бензапирена,фенола, формальдегида, сероуглерода. Например,бензапирен относится к веществам 1 класса опасности и обладает повышенной степенью канцерогенности, и при попадании в организм человека приводит к возникновению злокачественных опухолей. Инфразвуковое воздействие на пылегазовую смесь приводит к коагуляции мелкодисперсной пыли с адсорбированием вредных для здоровья человека химических соединений. Коагуляция мелкодисперсной пыли с помощью заявляемой установки основана на следующих теоретических предпосылках. При инфразвуковом воздействии используется свойство пыли коагулировать в звуковом поле. Коагуляция - это слипание взвешенных в газовой среде частиц при их соприкосновении, которое может происходить либо в результате столкновений при броуновском движении частиц, либо в результате различий в скоростях этих частиц. Эти различия могут вызываться как локальными изменениями скорости окружающей частицу среды,так и внешними силами, действующими на частицы. В результате воздействия звуковой волны усиливается колебания среды с пылевыми частицами и увеличивается вероятность их столкновения и возникающего при этом их взаимного сцепления. Укрупненные частицы,обладающие значительной массой, уже не участвуют в движении под действием звуковых волн, а осаждаются под действием гравитационных сил. Большая роль в осаждении пыли в звуковом поле принадлежит частоте волны. Для каждого вида пыли, при данной дисперсности, существует оптимальное значение частоты колебаний частиц пыли от 9 до 20 Гц,причем эта частота соответствует для тонкодисперсной пыли. Интенсивно коагулируют частицы малых размеров, шарообразной формы,сильно слипающиеся, при больших концентрациях их в воздухе. Коагуляция происходит при условии превышения сил сближения между частицами (силы аэродинамического дрейфа,молекулярного взаимодействия, кулоновские, электростатические) над разъединяющими силами(инерции,электростатических одного знака). Поскольку пыль полидисперсна, т.е. состоит из частиц разного размера,экспериментально определен диапазон инфразвуковой частоты от 9 до 20 Гц, для эффективного воздействия с целью коагуляции на все фракции пыли. Наиболее реагируют на воздействие пылевые частицы с радиусом 0,7 - 4 мкм. Малое поглощение инфразвука рабочей средой и возможность ее согласования с излучателем колебаний (подбор соответствующих параметров источника) и размерами аппаратов (для обработки заданных объемов газа, жидкости) позволяют распространить возникающие при воздействии инфразвука так называемые нелинейные волновые эффекты на большие объемы, в частотности для очистки атмосферного воздуха от смога. Благодаря этому инфразвуковые аппараты принципиально отличаются от ультразвуковых, в которых газы обрабатываются в небольшом объеме. В инфразвуковых аппаратах реализуются следующие физические эффекты (один или несколько одновременно) кавитация,высокоамплитудное знакопеременное и радиационное (звукового излучения) давление,знакопеременные потоки жидкости, акустические течения (звуковой ветер), дегазация жидкости и образование в ней множества газовых пузырьков и их равновесных слоев, сдвиг фаз колебаний между взвешенными частицами и жидкостью. Достоинство акустического, инфразвукового метода состоит в том, что с его помощью можно осаждать очень мелкие частицы, чего нельзя сделать другими способами. Инфразвуковой метод воздействия на мелкодисперсную пыль, является одним их эффективных средств в борьбе со смогом в крупных населенных пунктах. Заявляемая установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением по сравнению с известными установками за счет автоматического регулирования по частоте и длительности инфразвукового воздействия на каждой частоте при обработке позволяет существенно снизить содержание пылегазовой смеси в обрабатываемом атмосферном воздухе. Экспериментальные исследования показали, что инфразвуковое воздействие на загрязненный атмосферный воздух в течение 1 часа приводит к снижению мелкодисперсной пыли почти в два раза. Заявляемая установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением позволяет эффективно коагулировать мелкодисперсную пыль, содержащуюся в смоге. Оснащение оживленных транспортных перекрестков крупных населенных пунктов заявляемой установкой обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением позволит существенно снизить содержание стойких органических загрязнителей в атмосферном воздухе. Необходимо отметить,что даже малые концентрации некоторых стойких органических загрязнителей могут приносить существенный вред здорового населения, приводя к развитию болезней иммунной и репродуктивных систем, врожденным дефектам у детей, раковым заболеваниям. Решение проблемы по очищению атмосферного воздуха от смога в крупных населенных пунктах имеет большую социальную значимость, т.к. путем очищения атмосферного воздуха от мелкодисперсной пыли могут, решены проблемы по профилактике ряда заболеваний. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением, содержащая последовательно соединенные регулятор мощности,усилитель мощности и инфразвуковой излучатель с формирователем направленности потока инфразвукового излучения, отличающаяся тем, что дополнительно введены клавиатура, энкодер,цифровой-индикатор,микроконтроллер,цифроаналоговый преобразователь,фильтр,поворотное устройство, при этом к первому,второму и третьему входам микроконтроллера подключены соответственно выходы клавиатуры,энкодера и усилителя мощности, первый, второй и третий выходы микроконтроллера подключены соответственно ко входу цифровогоиндикатора, ко второму входу регулятора мощности и к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого через фильтр подключен к первому входу регулятора мощности, выход усилителя мощности подключен к входу инфразвукового излучателя с формирователем направленности потока инфразвукового излучения, установленных в поворотном устройстве. 2. Установка обработки пылегазовой смеси внешним инфразвуковым излучением по п.1,отличающаяся тем, что поворотное устройство содержит маятниковое устройство, соединенное с механизмом кругового вращения маятникового устройства, с закрепленным на нем инфразвуковым излучателем с формирователем направленности потока инфразвукового излучения.