CN101143294A - 一种从工业有机废气中回收微细碳粉的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法是：利用微波激励工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流，该射流经高频感应加热后与冷却罩接触后，使射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性而形成微细碳粉，同时有机废气被分解成无害气体。本发明提供的装置设有常压微波等离子体射流源，其包括微波源(1)、微波调配与监控系统(3)，以及波导等离子体射流反应腔(5)和装在其上的喷嘴(12)、微波场压缩增强螺杆(13)、耦合天线(15)及微波抗流结构(19)；还设有高频感应加热线圈(20)和由冷却罩(8)和冷却腔(10)构成的收集器(6)。本发明可以完成对工业有机废气的分解分离处理和回收微细碳粉。
Description
技术领域
本发明涉及常压等离子体应用技术及工业有机废气处理领域，特别是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的方法和装置。
背景技术
等离子体是一种电离了的气体，由电子、离子和中性粒子组成，宏观呈电中性，被称为区别于固体、液体和气体的物质第四态。从人类认识等离子体之初开始，便被广泛应用于材料的处理、制备及环境保护领域。目前应用于环保领域的一般为常压等离子体，包括射频、电弧、电晕、介质阻挡放电等形式，其中以等离子体高温热解炉的处理效果最为突出，能将所有固体污染物彻底分解而无有害残留。
在工业废气的处理中，常用的等离子体有电晕等离子体和介质阻挡放电等离子体，但存在着效率低、稳定性差的缺点。同时由于工业有机废气在经等离子体离解之后往往含有大量的氟、氯、氧等高氧化性的活性自由基，现有的等离子体处理技术很难从工业有机废气中高效率回收单质产物。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种从工业有机废气中回收微细碳粉的方法和装置，以克服现有技术存在的不足。该方法能够将工业有机废气产生的等离子体中的活性粒子迅速失去活性，得到固态产物，同时利用该方法的原理设计的装置可以很好地对所述的工业有机废气进行处理并得到副产品微细碳粉。
本发明为解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，即：首先利用微波激励工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流，该常压微波等离子体射流经高频感应加热后与收集器的冷却罩接触作用后，常压微波等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉，同时有机废气被分解处理成无害气体。
本发明提供的从工业有机废气中回收微细碳粉的装置是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，包括常压等离子体射流源、高频感应加热和带冷却罩的收集器，其中：常压微波等离子体射流源包括微波源、微波调配与监控系统、波导等离子体射流反应腔，波导等离子体射流反应腔上装有喷嘴、微波场压缩增强螺杆、耦合天线和微波抗流结构；高频感应加热包括高频感应加热线圈；收集器由冷却罩和冷却腔构成，冷却罩和冷却腔由对微波具有屏蔽作用的金属加工而成，其内通有循环冷却介质。
上述部件中：微波源产生的微波经微波调配与监控系统和石英微波窗口后输入到波导等离子体射流反应腔内，微波在与耦合天线相连的喷嘴处建立强电场，击穿从喷嘴处喷出的工业有机废气放电产生的常压微波等离子体射流，常压微波等离子体射流经高频感应加热后与冷却罩作用，使所述等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉。
本发明与现有技术相比，其有益效果主要是：本发明提供的方法可以完成对工业有机废气的分解分离处理，并且能够从工业有机废气中制备微细碳粉，微细碳粉的粒径为50nm—2μm。本发明提供的装置可以很好地按照工艺要求对所述的工业有机废气进行处理，工业有机废气中碳的回收率可达80％。
附图说明
图1是本发明从工业有机废气中回收微细碳粉的装置的结构示意图。
图2是图1中波导等离子体射流反应腔5的结构放大图。
图3是图1中收集器的俯视放大图。
图中：1.微波源；2.波导连接法兰；3.微波调配与监控系统；4.石英微波窗口；5.波导等离子体射流反应腔；6.收集器；7.循环冷却剂入口；8.冷却罩；9.循环冷却剂出口；10.冷却腔；11.常压微波等离子体射流；12.喷嘴；13.微波场压缩增强螺杆；14.微波场压缩增强螺杆伸缩调节旋钮；15.耦合天线；16.耦合天线伸缩调节旋钮；17.工业有机废气入口；18.常压微波等离子体射流出口；19.微波抗流结构；20.高频感应加热线圈。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，具体是：首先在大气压下利用微波激励工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流，该常压微波等离子体射流经高频感应加热后与收集器的冷却罩接触作用后，该射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成50nm～2μm微细碳粉，同时有机废气被分解处理成无害气体。
上述工业有机废气可以是含有苯、甲苯、氯苯、低级脂肪烃、醛、醇或酮等工业废气。
上述常压微波等离子体射流工作在大气压下。微波的频率可以是2.45GHz或0.915GHz。高频感应加热所用的高频功率的频率范围为50kHz-30MHz。
本发明提供的上述方法包括常压微波等离子体射流的产生、等离子体射流的高频感应加热、等离子体射流与收集器的冷却罩的接触作用，具体步骤如下(参见图1)：
a.将工业有机废气压缩后通入到常压微波等离子体射流装置中，利用微波能激励工业有机废气放电，产生常压等离子体射流。
具体是：将工业有机废气压缩后通入到中空的耦合天线中，从喷嘴12处喷出，调节微波场压缩增强螺杆13伸入波导等离子体射流反应腔5的长度和耦合天线15的位置，调节微波调配和监控系统3，从而激励工业有机废气放电，产生常压微波等离子体射流11；
b.高频感应加热对常压微波等离子体射流进行加热，提高工业有机废气的电离度。
具体是：利用高频感应线圈20对常压微波等离子体射流11进行加热。
c.含有大量碳离子和碳原子的常压微波等离子体射流与收集器的冷却罩接触后，碳离子和碳原子迅速失去活性，从等离子体中析出，形成微细碳粉。
具体是：常压微波等离子体射流11与收集器的冷却罩8接触后，等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉，同时工业废气被分解处理成无害气体。
本发明提供的是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，该装置的结构如图1和图2所示：包括常压微波等离子体射流源、高频感应加热和带冷却罩的收集器，其中：常压微波等离子体射流源包括微波源1、微波调配与监控系统3、波导等离子体射流反应腔5，波导等离子体射流反应腔5上装有喷嘴12、微波场压缩增强螺杆13、耦合天线15和微波抗流结构19；高频感应加热包括高频感应加热线圈20；收集器6由冷却罩8和冷却腔10构成，冷却罩和冷却腔由微波具有屏蔽作用的铜或不锈钢等金属加工而成，其内通有循环冷却介质。收集器的侧部设有循环冷却剂入口7和循环冷却剂出口9。
上述部件的连接关系是：微波源1通过一个波导连接法兰2和微波调控与监控系统3的右端相连；微波调控与监控系统3的左端通过另一个波导连接法兰2和波导等离子体射流反应腔5的右端相连。波导等离子体射流反应腔5可由矩形波导管构成，例如：在微波频率为2.45GHz时，用BJ22矩形波导管或BJ26矩形波导管；在微波频率为0.915GHz时，用BJ9矩形波导管。
波导等离子体射流反应腔5与微波调控与监控系统3之间用石英微波窗口4分隔，以保证微波微波调控与监控系统3和微波源1不受工业废气的污染，波导等离子体射流反应腔5上装有微波抗流结构19，微波场压缩增强螺杆13通过微波场压缩增强螺杆伸缩调节旋钮14与微波抗流结构19相连，耦合天线15通过耦合天线伸缩调节旋钮16与微波抗流结构19相连。与喷嘴12相对的波导等离子体射流反应腔5壁上开有圆形的射流出口18。
上述部件的工作关系是：微波源1产生的微波经微波调配与监控系统3和石英微波窗口4后输入到波导等离子体射流反应腔5内，微波场压缩增强螺杆13伸入到波导等离子体射流反应腔5中的长度可由微波场压缩增强螺杆伸缩调节旋钮14来调节；耦合天线15伸入到波导等离子体射流反应腔5中的位置可由耦合天线伸缩调节旋钮16来调节，微波在与耦合天线相连的喷嘴12处建立强电场，击穿从喷嘴处喷出的工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流11，常压微波等离子体射流经高频感应加热线圈20加热后与收集器上的冷却罩8作用，常压微波等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉。
循环冷却介质可采用冷却水或冷气设备专用冷媒，采用冷却水时，冷却水的温度范围为5-15℃，采用冷气设备专用冷媒时，冷媒的温度范围为-20-0℃。
冷却罩8的罩面上设有均匀分布的通气小孔(见图3)。冷却罩8和常压微波等离子体射流11的距离可以调节，这样利于得到不同粒径的碳粉。
本发明的工作过程是：经压缩后工业有机废气由工业有机废气入口17进入，调节微波场压缩增强螺杆13伸入到波导等离子体射流反应腔5中的长度和耦合天线15伸入到波导等离子体射流反应腔5中的位置，调节微波调配与监控系统3，使工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流11，利用高频感应加热线圈20对常压微波等离子体射流进行加热，调节收集器的高度使冷却罩8与常压微波等离子体射流充分作用，从而在收集器中得到微细碳粉。
Claims (10)
1.一种从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，其特征是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，该方法是：首先利用微波激励工业有机废气放电产生常压微波等离子体射流，该常压微波等离子体射流经高频感应加热后与收集器的冷却罩接触作用后，常压微波等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉，同时有机废气被分解处理成无害气体。
2.根据权利要求1所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，其特征在于：工业有机废气是指含有苯、甲苯、氯苯、低级脂肪烃、醛、醇或酮的工业废气。
3.根据权利要求1所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，其特征在于常压微波等离子体射流工作在大气压下。
4.根据权利要求1所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，其特征在于微波的频率是2.45GHz或0.915GHz。
5.根据权利要求1所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的方法，其特征在于高频感应加热所用的高频功率的频率范围为50kHz-30MHz。
6.一种从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，其特征是一种利用常压微波等离子体射流从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，该装置包括常压微波等离子体射流源、高频感应加热和带冷却罩的收集器，其中：常压微波等离子体射流源包括微波源(1)、微波调配与监控系统(3)、波导等离子体射流反应腔(5)，波导等离子体射流反应腔(5)上装有喷嘴(12)、微波场压缩增强螺杆(13)、耦合天线(15)和微波抗流结构(19)；高频感应加热包括高频感应加热线圈(20)；收集器(6)由冷却罩(8)和冷却腔(10)构成，冷却罩和冷却腔由对微波具有屏蔽作用的金属加工而成，其内通有循环冷却介质，
上述部件中：微波源(1)产生的微波经微波调配与监控系统(3)和石英微波窗口(4)后输入到波导等离子体射流反应腔(5)内，微波在与耦合天线(15)相连的喷嘴(12)处建立强电场，击穿从喷嘴处喷出的工业有机废气放电产生的常压微波等离子体射流(11)，常压微波等离子体射流经高频感应加热线圈(20)加热后与冷却罩(8)作用，常压微波等离子体射流中含有的处于活性状态的碳离子或碳原子迅速失去活性，从而形成微细碳粉。
7.根据权利要求6所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，其特征是波导等离子体射流反应腔由矩形波导管构成，微波频率为2.45GHz时，用BJ22矩形波导管或BJ26矩形波导管；微波频率为0.915GHz，用BJ9矩形波导管。
8.根据权利要求6所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，其特征是高频感应加热所用的高频功率的频率范围为50kHz-30MHz。
9.根据权利要求6所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，其特征是循环冷却介质采用冷却水或冷气设备专用冷媒，采用冷却水时，冷却水的温度范围为5-15℃，采用冷气设备专用冷媒时，冷媒的温度范围为-20-0℃。
10.根据权利要求6所述的从工业有机废气中回收微细碳粉的装置，其特征是冷却罩(8)和常压微波等离子体射流(11)间的距离可调；该冷却罩的罩面上设有均匀分布的通气小孔。
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