CN101462021B - 一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置 - Google Patents

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本发明为一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，属于工业废气和机动车有害排放物控制技术领域。本发明的低温等离子体反应器(7)为同轴管式介质阻挡放电低温等离子体反应器，由中心低压电极(17)、与之同轴的石英介质(15)、包裹在介质外壁的高压电极(16)、聚四氟乙烯连接杆(14)、前端盖(11)、后端盖(18)组成，前端盖进气接口(10)，后端盖出气接口(19)及可选进、排气接口(20)，中心低压电极(17)外壁与石英介质(15)内壁之间的间隙形成低温等离子体反应区构成。本发明处理效率高，无二次污染，无需进行后续处理，设备简单，易操作，适用于NO、CO、HC、H 2S、PM等有害物质的处理。

Description

一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及低温等离子体装置转化工业废气和机动车有害排放物技术领域。
背景技术
随着社会工业化的发展，环境问题日渐突出。在整个大气污染中，有害气体主要来自工业废气和机动车尾气排放，后者的“污染贡献分担率”高达60％～70％。
目前的发动机净化技术还不能有效的降低稀燃汽油机和柴油机有害排放物。柴油机因在富氧状态下工作，传统的三效催化转化器TWC(Three way catalyst)失效，不能有效地降低柴油机的排放污染物。
目前国内外对有机废气治理采用的处理方法主要有吸收、吸附、催化燃烧等，这些方法所用设备多、工艺繁、能耗大，而且有二次污染。
目前，降低柴油机PM排放的后处理装置主要是微粒捕集器，这也是目前国际上最接近商品化的柴油机PM后处理技术。柴油机微粒捕集器要达到高的净化率已不再是技术难题，但现在再生问题仍是需要攻破的难点。氧化催化转化技术就是使排气流过载有氧化催化剂(铂、镉等)的表面积较大的载体(氧化铝、二氧化硅等)，使柴油机排气中30％～80％的气态HC和40％～70％的CO被氧化；同时氧化吸附在颗粒表面的SOF，从而降低PM排放，但是该装置对催化剂要求太高。
选择性催化还原(SCR)转化器的催化作用具有很强的选择性：NOx的还原反应被加速，还原剂的氧化反应则受到抑制。对于轿车柴油机来说，从使用方便性出发，希望可以用燃油中的HC作为还原剂，但研究表明，只有烯烃对NOx有较好的选择还原活性。所以总的说来，用HC作为还原剂的SCR系统，NOx的转化效率还不很高，有待于进一步开发。最新的研究表明，许多NOx的SCR转化器会加速N2O的形成，而N2O属强温室气体。因此在使用SCR技术时，应综合考虑CO2和N2O的温室效应，以免失去柴油机低CO2排放的优点。
近几十年国内外大量的科学工作者研究了利用等离子体技术来治理各种有害气体，并取得了一定成果。例如日本人Koichi Takaki等人利用多针电极进行低温等离子体净化NO的研究，在5.6kV激励电压作用下将初始浓度为200ppm的NO完全去除。复旦大学利用无声放电反应器降解挥发性有机化合物(VOC)，对低浓度苯、甲苯的降解率均达到了80％以上。但是目前这项技术尚未达到工业应用阶段，主要是由于①需要真空条件，这使得设备的制造和维护费用大大增加，也限制了对有害气体处理的连续性，从而极大地限制了其应用范围；②处理高流速有害气体时效率低；③机械强度达不到在振动条件下长时间连续工作的要求；④温度承受能力差，不能处理高温有害气体；⑤能量消耗量大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，对工业废气及机动车有害排放物进行连续有效的转化，从而降低大气污染。本装置处理效率高，无二次污染，无需进行后续处理，设备简单，易操作，机械强度高，可在高温和振动条件下长时间连续工作。
本发明的目的是提供一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，该装置可能对工业废气或者同时对发动机多种有害排放物(NO、PM、HC、CO)进行转化。
本发明所采用的技术方案是，由中心低压电极、与之同轴的石英介质、包裹在石英介质外壁面的高压电极、前端盖、后端盖、调压器、变压变频低温等离子体电源、测量电容组成。调压器与变压变频低温等离子体电源连接组成高压电源，变压变频低温等离子体电源与低温等离子体反应器连接，电容一、电容二、测量电容与低温等离子体反应器及数字示波器连接组成测量电路。
本发明所述的装置特征之一在于，石英介质厚度为1～4mm，中心低压电极外壁与石英介质内壁之间的放电间隙为1～3mm，形成均匀稳定的放电空间，且放电产生的低温等离子体能够达到处理有害气体的要求。
本发明所述的装置特征之二在于，中心低压电极材料为不锈钢管，该管内部有两块对称堵板，并在其两端周圈打孔，使从前端盖进气接口进入的有害气体能够通过孔稳定的流入放电空间。利用定位法兰保证中心低压电极与石英介质的同轴度。
本发明所述的装置特征之三在于，高压电极材料为铜皮，其宽度可在25～100mm范围内调节，从而调节放电空间的大小，可满足不同流量有害气体的去除要求。
本发明所述的装置特征之四在于，所述装置在处理有害气体过程中，被处理的气体可全部由前端盖进气接口流入低温等离子体反应器进行处理，也可将有害气体从后端盖可选进、排气接口导入，与低温等离子体反应器产生的臭氧及其他活性物质汇合，实现有害气体的有效净化。
本发明的有害气体低温等离子体转化装置的工作原理是：通过介质阻挡放电在放电间隙产生低温等离子体，其中含有大量活性电子、离子、激发态粒子、自由基和光子等，这些活性物质促使在大气压常温条件下很难发生或不能发生的反应进行的十分迅速，从而达到净化有害气体的目的。
本发明的有益效果是：①对低气压没有要求，可以在很宽的电压和频率范围内工作，可以通过改变放电电压、频率和电极结构方便地控制低温等离子体反应器7的工作参数，从而达到用最低的能量消耗去除最多的有害气体。②在两电极间安插绝缘介质可以阻止在放电空间形成局部火花或弧光放电，在大气压下形成均匀稳定的放电。③可以同步处理发动机的有害排放物(NO、PM、HC、CO等)。④能用于采用天然气(CNG)、液化石油气((LPG)、甲醇、乙醇、煤制柴油、二甲醚、生物柴油及沼气等代用燃料的发动机排气净化。⑤可以治理H2S、CS2及含氮、含硫等有机废气。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置的电源电路图。
图2是介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置的结构示意图。
图3是中心低压电极的结构示意图。
图中：1调压器，2电流表，3电压表，4变压变频低温等离子体电源，5电容一，6电容二，7低温等离子体反应器，8测量电容，9数字示波器，10前端盖进气接口，11前端盖，12垫片，13定位法兰，14聚四氟乙烯连接杆，15石英介质，16高压电极，17中心低压电极，18后端盖，19后端盖出气接口，20可选进、排气接口，21堵板。
具体实施方式
本发明为一种介质阻挡放电产生低温等离子体处理有害气体的装置，除可在大气环境中利用该装置产生臭氧外，还可利用该装置处理NO、HC、CO、有机废气等有毒气体以及PM。结合图1～图3，本发明低温等离子体有害气体处理装置采用同轴式结构，主体部分由中心低压电极17、与之同轴的石英介质15以及紧密包裹在介质外侧的高压电极16构成，放电通道在中心低压电极17与石英介质15内侧的放电间隙(1～3mm)中产生。由不锈钢管构成的中心低压电极17结构如图2所示，两端侧壁打孔，中间由堵板21密封。高压电极16由铜皮制成，其宽度可在25～100mm范围内调节，从而可调节放电面积，以适应处理不同流速有害气体的要求。中心低压电极17和石英介质15利用两端的定位法兰13实现同轴定位，并利用四根聚四氟乙烯连接杆14和前端盖11、后端盖18连接。前端盖11留有三个进气接口10，后端盖18留有四个出气接口19以及一个可选进、排气接口20，所述可选进、排气接口20的主要目的是检测低温等离子体反应器7产生的活性物质对此接口中进入的有害气体的处理效果。
在石英介质15和定位法兰13间引出一条中心低压电极17导线，中心低压电极17导线与测量电容8串联后接变压变频低温等离子体电源4的后端低压极，高压电极16接变压变频低温等离子体电源4的后端高压极。在变压变频低温等离子体电源4前端接调压器1，调节调压器1可以控制电源的输入电压，低温等离子体反应器7工作电压在0～30KV之间。开启变压变频低温等离子体电源4，调节调压器1至放电电压，使气体放电产生低温等离子体。

Claims (6)

1.一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，该装置主要由高压电源、低温等离子体反应器(7)及测量电路构成，其特征在于：所述低温等离子体反应器(7)为同轴管式介质阻挡放电低温等离子体反应器，由中心低压电极(17)、与之同轴的石英介质(15)、定位法兰(13)、包裹在石英介质(15)外壁的高压电极(16)、聚四氟乙烯连接杆(14)、垫片(12)、前端盖(11)、后端盖(18)组成，前端盖进气接口(10)，后端盖出气接口(19)及可选进、排气接口，中心低压电极(17)外壁与石英介质(15)内壁之间的间隙形成低温等离子体反应区构成；所述高压电源由调压器(1)调节输入电压，利用电流表(2)、电压表(3)监测输入电流、电压值，通过变压变频低温等离子体电源(4)调节低温等离子体反应器(7)的工作电压及频率，电压范围0～25kV，频率范围为8～20kHz。
2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，其特征在于，所述中心低压电极(17)材料为不锈钢管，该管内部对称焊接两块堵板(21)，并在其两端周圈打孔，利用定位法兰(13)保证中心低压电极(17)与石英介质(15)的同轴度，高压电极(16)材料为铜皮，包裹在石英介质(15)外壁；中心低压电极(17)、高压电极(16)分别与变压变频低温等离子体电源(4)两极相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，其特征在于，所述石英介质(15)厚度为1～4mm，高压电极(16)紧密包裹在石英介质(15)外壁上，所述高压电极(16)宽度可在25～100mm范围内调节。
4.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，其特征在于，所述中心低压电极(17)外壁与石英介质(15)内壁之间的放电间隙为1～3mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，其特征在于，所述测量电路由两条支路及数字示波器(9)构成：第一路由电容串联组成；第二路由测量电容(8)与低温等离子体反应器(7)串联组成，两支路分压引线与数字示波器(9)连接，利用电荷-电压李萨如图形法进行低温等离子体反应器(7)电学参量测量。
6.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电低温等离子体有害气体转化装置，其特征在于，所述前端盖(11)设有进气接口(10)，所述后端盖(18)设有出气接口(19)和可选进、排气接口。
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