CN101664626A - 一种用于工业有机废气处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属废气处理技术领域，涉及一种工业有机废气处理方法，本方法采用丝网除水、介质阻挡放电等离子体和活性碳纤维吸附相结合的方法治理工业有机废气，通过丝网除水器去除废气中的液滴，确保后续介质阻挡放电等离子体正常运行；采用双介质阻挡放电等离子体反应管，使被处理气体从内外管之间通过，解决电极腐蚀问题；通过活性碳纤维的吸附作用及媒介作用，将反应产生的高活性基团，未分解的有机物及气体中的氧气吸附积聚在活性碳纤维微孔结构内，使活性碳纤维始终处于活性状态。本发明处理系统结构紧凑，能效高，处理效果好，其应用前景广阔。

Description

一种用于工业有机废气处理的方法

技术领域

本发明属废气处理技术领域，涉及工业有机废气处理方法，具体涉及一种把介质阻挡放电等离子体技术和活性炭纤维吸附氧化床有机结合的新型有机废气处理工艺技术。

背景技术

工业有机废气一般含有“三苯”(苯、甲苯、二甲苯)、醛、卤代烃、多环芳烃、有机硫化物等挥发性有机污染物。除了化工、油漆生产和机械产品喷涂、出版印刷、污水泵站及污水处理过程等排放外，还有日常生活中随处可见的小污染源，如室内装潢涂料、汽车尾气也排放此类污染物。研究表明，有机污染物基本上可分为易生物降解和难生物降解两大类，其中对人体健康和环境质量危害最为严重的往往是难降解污染物。这些污染物主要通过呼吸、皮肤接触和消化道进入人体，导致内分泌功能紊乱，对人体的免疫功能、呼吸道、心血管和中枢神经系统等产生影响，而且这类物质往往具有生物累积性和“三致”(致癌、致畸形、致突变)作用。另外，这类物质在环境中的寿命较长，并可通过空气、水和迁徙物种作跨区域或长距离迁移，在环境中得到累积或转化为毒性更大的二次污染物，对生态环境和人体健康造成了更大威胁。因此，难降解有机废气的处理和控制问题越来越受到世界各国的重视和关注。

有机废气的排放随生产行业和工业条件的不同，其成分和浓度也各不相同，且多为难降解物质，这给其治理带来一定难度。目前，常规的处理方法有吸附法、液体吸收法、冷凝法、热解法等，近年来形成的新控制技术中有生物法、催化燃烧法、纳米光催化、低温等离子体法等。生物法虽然在净化低浓度有机污染物时效果明显，具有能耗低的优点，但存在气阻大、降解速率慢、设备体积庞大、易受污染物浓度及温度的影响，而且该法仅适用于亲水性及易生物降解物质的处理，对疏水性和难生物降解物质的处理还存在一定难度。此外，在含硫醇、硫醚和苯乙烯等恶臭物质的气体中，由于这些物质的嗅觉阈值极低(一般10^-4~10^-5ppm)，经生物法处理处理后，废气中的臭味仍然存在，达不到彻底解决臭味问题。催化燃烧法较适合于高浓度、小风量废气的净化，在处理低浓度的废气时，由于要维持300～400℃的催化燃烧温度，需借助于活性炭吸附浓缩工艺来提高废气的燃烧热值，但废气中的水气、油污及颗粒物易引起活性炭吸附容量下降及催化剂中毒失活等问题，使得该方法的推广和使用在一定程度上受到了限制。光技术应用于环境污染物治理的研究是当前的热点之一，但大多局限于水体污染物的净化。在光降解气体污染物方面，有研究采用253.7nm波长的光直接用于废气治理，由于相当多的气体污染物(如CHCl₃等)不吸收253.7nm光，而且其光子能量仅为5eV，因此253.7nm大多用于杀菌和消毒。也有研究采用O₃/UV和H₂O₂/UV技术用于有机废气处理，但由于O₃制备成本高、H₂O₂蒸气压太低而难以推广使用。光敏半导体催化氧化或纳米金属氧化物光催化也是近年来的研究热点，但该技术的降解效率受控于污染物质与催化剂表面界面扩散速率，因此很难用于大规模工业化应用，目前多局限于实验研究及小风量应用阶段。因此开发一种经济有效的有机废气治理技术，特别是针对低浓度、大风量有机废气的净化研究十分必要，也符合当前气体污染控制的发展趋势。利用低温等离子体技术处理有机废气是一种全新的思路和方法，该技术在处理难降解、低浓度有机污染物方面，具有简单、成本低廉、效率高等优点，其应用前景广阔。其处理污染物的原理为：在外加电场的作用下，气体放电产生大量携能电子(电子平均能量在1～10eV)，废气中的污染物质在高能电子的轰击下发生电离、解离或激发，并在O₂参与反应下发生一系列复杂的物理、化学反应，最终使废气中的污染物分解达到净化目的。

根据气体放电的方式，等离子体的产生主要有辉光放电(Glow discharge)、电晕放电(Corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，简称DBD)、射频放电(Radio frequency discharge)和微波放电(Microwave discharge)等。其中介质阻挡放电具有电子密度高和可在常压下运行的特点，因而使其具有工业应用前景，特别适用于恶臭气体的治理，因而备受关注。

但直接利用介质阻挡放电等离子体技术处理有机气体时，主要存在如下问题：

1.有些废气中含有过量的水气，其存在对介质阻挡放电过程产生不利影响。

2.经介质阻挡放电等离子体处理后的尾气中含有大量臭氧，未能充分利用，造成二次污染；

3.放电区较小，气体反应时间短，污染物质未能充分反应即随尾气排出。

发明内容

本发明的目的是针对介质阻挡放电等离子体处理方法的不足，提供一种用于工业有机废气处理的新的方法。具体涉及一种把介质阻挡放电等离子体技术和活性炭纤维吸附氧化床有机结合的新型有机废气处理工艺技术。

本发明方法采用丝网除水、介质阻挡放电等离子体和活性炭纤维吸附相结合的方法治理有机废气，包括下述步骤：

1)丝网除水

通过丝网除水器去除废气中的液滴，确保后续介质阻挡放电等离子体的正常运行；

2)介质阻挡放电等离子体

采用双介质阻挡放电等离子体反应管，使被处理气体从内外管之间通过，由于气体不直接接触气体，从而解决了电极腐蚀问题；

3)活性炭纤维吸附，

通过活性炭纤维吸附氧化床中活性炭纤维的吸附作用，将反应产生的臭氧、HO·和O等高活性基团，未分解完的有机物及气体中的氧气吸附积聚在活性炭纤维微孔结构内，利用活性炭纤维床的媒介作用，将有机物进一步氧化分解，并通过“反应物扩散到活性炭纤维表面→吸附→氧化→解吸→生成物进入气相”这一再生过程，使活性炭纤维始终处于活性状态，无需定期更换活性炭纤维。

所述的丝网除水器采用丝径0.08～0.30mm的316L不锈钢圆丝，相互编织成目数为5～10目的丝网，堆积密度150～180kg/m³，比表面积500～600m²/m³，孔隙率95％～98％。装填高度150mm。本丝网除水器结构简单，重量轻，压降小，接触表面积大，除水效果好，安装操作维护方便，是常用的除水材料之一。

所述的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)，

介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质阻挡放电可以在0.1～10×10⁵Pa的气压下进行，具有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。整个放电是由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns量级。介质层对此类放电有两个主要作用：一是限制微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间，防止火花放电。介质阻挡放电由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。

介质阻挡放电等离子体化学反应过程中能量的传递大致如下：

(1).电场+电子→高能电子

(3).活性基团+分子(或原子)→生成物+热

(4).活性基团+活性基团→生成物+热

从以上过程可以看出，电子先从电场获得能量，通过激发或电离将能量转移到分子或原子中去，那些获得能量的分子或原子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团。然后这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。另外，高能电子也能被卤素和氧气等电子亲和力较强的物质俘获，成为负离子。这类负离子具有很好的化学活性，在化学反应中起着重要的作用。

本发明的介质阻挡放电的反应管(图1)采用内外两石英管作为介质，内管外径为33mm，厚度1.5mm，长350mm，内填充100目316L不锈钢粉作为内电极；外管内径55mm，厚度1.5mm，长400mm，由长×宽＝1100mm×4mm的细长不锈钢片(厚度δ＝0.4mm)缠绕外管壁6圈作为外电极，圈与圈间的距离为5mm。反应管工作时，在内外电极之间施加6000~9000V脉冲电压，脉冲频率10~30kHz。被处理气体由下往上自内外管之间的空间通过，气体流速控制在7~8m/s。

经介质阻挡放电等离子体处理后的废气中，含有少量未分解完全的有机物及其碎片粒子，一部分氧气也在高能电子的轰击下产生高活性基团O₃、氧原子、HO·等。由于气体在反应管中停留时间极短(小于0.1秒)，因此，少量的有机物及其碎片粒子和O₃等来不及反应，因此，本发明在上述等离子体反应管后面设计活性炭纤维吸附氧化床单元，使气体流经活性炭纤维吸附氧化床层时，通过活性炭纤维良好的吸附性能，将这些物质吸附在活性炭纤维的微孔结构中，使这些反应物在活性炭纤维微孔结构内富集，使有机物质与氧气、臭氧、O原子等活性基团之间的充分接触，并发生进一步的氧化反应将有机污染物质分解，分解产物通过自动解吸作用从活性炭纤维微孔结构中脱附，回复活性炭纤维的高效吸附能力，使活性炭纤维循环使用。由于活性炭纤维床仅起到反应界面(或媒介)和催化氧化的作用，不存在吸附饱和问题，无需定期更换，可长期使用。在相同处理量条件下，活性碳纤维的吸附层仅为活性碳的1/5，且体密度小和导热系数大，可避免因吸附热而引起蓄热、过热现象，操作安全性大。

本发明所述的活性炭纤维吸附氧化床所用的活性炭纤维为长度30～50mm活性炭纤维丝，使用前经5％二氧化锰悬浊液中浸泡2小时，晾干后在150℃时烘烤2小时。填充床层高0.6米，气体流速0.8m/s，阻力损失小于1000Pa，能保证足够停留时间，使活性炭纤维对气体中的有机物质、活性基团充分吸附。本发明利用活性炭纤维床的媒介和催化氧化作用，通过“反应物扩散到活性炭纤维表面→吸附→氧化→解吸→生成物进入气相”这一再生过程，使活性炭纤维始终处于活性状态，无需定期更换活性炭纤维。

在上述反应装置的后面设置风机，形成负压状态，能避免反应装置的泄漏引起的有机物的污染问题。

本发明方法对工业有机废气进行了试处理，以含二甲胺的废气为例，处理后，尾气排放的二甲胺的浓度小于5mg/m³，达到国家职业卫生标准(GBZ 2-2002)中对二甲胺的控制要求。

附图说明

图1是本发明介质阻挡放电示意图。

图2是本发明工艺技术路线示意图。

具体实施方式

处理废气实验

以含二甲胺的废气为例，气量4000m³/h、浓度1000mg/m³，气体温度在30℃～70℃，水气过饱和。含二甲胺的有机气体收集后先经过丝网除水器(没有水气的场合可以省去该单元)除去水气，然后进入介质阻挡放电等离子体反应器，在此利用高能电子的轰击作用，使污染物质发生一系列反应，使其分解和转化为二氧化碳和水或无害物质，少量未分解的有机物质、反应过程中产生的O₃、O和HO·及O₂在经过活性炭纤维床时，被活性炭纤维吸附并继续发生反应。通过活性炭纤维的吸附积聚和催化氧化作用，使污染物质被进一步氧化分解，最终达到消除有机污染的目的。风机放在反应装置后面，能保证反应装置处于负压状态，避免恶臭气体泄漏。

通过以上工艺处理后，尾气排放的二甲胺的浓度小于5mg/m³，达到国家职业卫生标准(GBZ 2-2002)中对二甲胺的控制要求。整套工艺配套介质阻挡放电反应管数量64组，总装机功率17kW。合计处理每立方米废气功耗为4.25W。

Claims (9)

1、一种用于工业有机废气处理的方法，其特征是采用丝网除水、介质阻挡放电等离子体和活性炭纤维吸附相结合的方法治理工业有机废气，包括下述步骤：

1)丝网除水

通过丝网除水器去除废气中的液滴，确保后续介质阻挡放电等离子体正常运行；

2)介质阻挡放电等离子体

采用双介质阻挡放电等离子体反应管，使被处理气体从内外管之间通过，解决电极腐蚀问题；

3)活性炭纤维吸附

通过活性炭纤维吸附氧化床中活性炭纤维的吸附作用，将反应产生的高活性基团，未分解的有机物及气体中的氧气吸附积聚在活性炭纤维微孔结构内，利用活性炭纤维床的媒介作用，将有机物氧化分解，并通过“反应物扩散到活性炭纤维表面-吸附-氧化-解吸-生成物进入气相”的再生过程，使活性炭纤维始终处于活性状态。

2、按权利要求1所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述步骤1的丝网除水器的丝网采用316L不锈钢圆丝编织而成，目数5～10目，丝径0.08～0.30mm，堆积密度150～180kg/m³，比表面积500～600m²/m³，孔隙率95％～98％，在除水器中的装填高度150mm。

3、按权利要求1所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述步骤2的介质阻挡放电等离子体反应管的结构形式为：内外两石英管作为介质，空心圆柱形，内电极置于内管内部，外电极置于外管外部；被处理气体从内外管之间通过。

4、按权利要求1或3所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述的介质阻挡放电等离子体反应管的内管外径为33mm，厚度1.5mm，长350mm；外管内径55mm，厚度1.5mm，长400mm。

5、按权利要求1或3所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述的介质阻挡放电等离子体反应管采用100目316L不锈钢粉作为内电极，填充在内管中。

6、按权利要求1或3所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述的介质阻挡放电等离子体反应管的外电极采用长×宽＝1100mm×4mm的细长不锈钢片，缠绕外管壁6圈，圈与圈间的距离为5mm，所述不锈钢片的厚度δ＝0.4mm。

7、按权利要求1所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述步骤2的介质阻挡放电等离子体的操作条件为：气体流速7～8m/s，内外电极之间施加6000～9000V脉冲电压，脉冲频率10～30kHz。

8、按权利要求1所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述步骤3的活性炭纤维为活性炭纤维丝，长度30~50mm；所述的活性炭纤维使用前经5％二氧化锰悬浊液中浸泡2小时，晾干后在150℃时烘烤2小时。

9、按权利要求1所述的用于工业有机废气处理的方法，其特征是所述步骤3的活性炭纤维填充床层高0.6米，气体流速0.8m/s。

Images