CN103432901B - 基于低温等离子技术的隧道空气净化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置及方法，装置包括壳体、电极板、放电管、高压电极和接地电极，所述壳体包括上壳体、主壳体和下壳体，所述主壳体内错列布设有4～200排放电管，每排包括6～20根放电管；所述放电管与主壳体两端通过多孔板固定；所述高压电极设置放电管中并位于放电管中心，上壳体下端部与下壳体上端部各固定设有一电极板，高压电极通过两端电极板分别并联固定；所述放电管外包设有接地电极；所述放电管内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂。本发明实现了低温等离子体、催化剂、吸附剂三者的协同工作，实现多种污染性气体协同处理，净化彻底，二次污染少，可以达到最佳处理与最经济运行效果。

Description

基于低温等离子技术的隧道空气净化装置及方法

技术领域

本发明涉及道路隧道空气中污染性气体的一种净化处理装置及方法，特别是涉及一种基于协同催化吸附的多管并联式低温等离子技术的隧道空气净化装置及方法。

背景技术

由于隧道是个半封闭空间，其内的空气污染物不易扩散，隧道内污染物会逐渐积累。隧道内空气污染物的主要来源是机动车的尾气排放，机动车尾气成分非常复杂，所含空气污染物达数百种之多，主要包括：一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx，主要指NO、NO₂）、挥发性有机物（VOCs，主要是烯烃和芳香烃）、碳氢化合物（HC）和颗粒物等。当隧道内空气污染物浓度过大时，会对长期接触隧道的工作人员的身体健康造成危害，乘客也会感到不适，同时危及行车安全。

现有隧道空气污染治理常利用通风换气法将隧道内污染空气直接排出洞外。此法工程造价高，长隧道需借助竖井、斜井分隔通风区段，其土建成本和井内大功率风机运营成本明显增加；此外，其净化效率低（仅15%左右），风机数量多，工作时间长，年运行费用高；同时，通风法的本质是转移污染物到大气，加重了局部大气污染，对周边环境和居民健康造成持续性危害。

目前，国内外对道路隧道气态空气污染物的净化方法主要有以下4种：（1）NOx净化设备，此法忽略了CO、VOCs、HC等污染物的处理，设备本体成本高，催化剂和负载物的使用周期短、更换频繁。（2）CO常温催化氧化-NOx吸附/催化的分步净化法，此法将CO、NOx分开处理，系统庞杂、成本较高。（3）纳米材料催化/吸附有害物质，此法净化效率较高，对不同污染物都有一定处理效果，但成本很高，所用整体式催化剂的制备与维护技术难度大。（4）能净化废气的土壤净化系统，此法利用土壤中的微生物空气进行过滤，节省环保，但不易检测和控制，处理周期较长。

低温等离子体技术具有常温下即可直接分解污染物、净化较彻底、使用范围广、二次污染少等优点。等离子体技术净化污染物的原理为：在外加电场的作用下，放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒无毒物质，从而使污染物得以降解去除。因其电离后产生的电子平均能量在1～10eV，适当控制反应条件，可使一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变快。

现有等离子体处理气态污染物的方法要么只能处理小流量污染物，要么放电条件难以达到，使其在隧道中难以得到应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，针对隧道中空气污染物浓度低、流量大、组分多的特点，本发明提供了一种协同催化吸附的多管并联式低温等离子技术的隧道空气净化装置及方法。

一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，所述装置包括壳体、电极板、放电管、高压电极和接地电极，所述壳体包括上壳体、主壳体和下壳体，所述主壳体内错列设有4～200排放电管，每排包括6～20根放电管；所述放电管与主壳体两端通过多孔板固定，所述高压电极设置在放电管中并位于放电管中心；上壳体下端部与下壳体上端部各固定设有一电极板，高压电极通过两端电极板分别并联固定；所述放电管外包设有接地电极；所述放电管内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体上端设有进气口，下壳体下端设有出气口，主壳体左侧上端部设有冷却介质出口，主壳体右侧下端部设有冷却介质进口。

优选的，所述放电管与多孔板之间通过密封件密封。密封件可以采用密封环、密封圈等。

优选的，所述高压电极与高压电极线相连，接地电极与接地电极线相连，上壳体上部开设有用于引出高压电极线的第一孔体，主壳体上部开设有用于引出接地电极线的第二孔体。

优选的，所述放电管的长度为600～3000mm，所述放电管内形成放电区域，所述放电区域总长为500～2000mm。

优选的，所述上壳体、下壳体的形状分别为锥形或筒形，上壳体、下壳体与主壳体之间分别采用法兰连接，连接处设有绝缘密封圈。方便拆卸，密封性能好。

优选的，所述高压电极采用直径为3～20mm，长度为690～2400mm的长直电极棒，高压电极由上下两个电极板固定，达到并联的效果；所述接地电极由宽度为1～10mm，厚度0.8～2.5mm的金属带在放电管上缠绕而成。

优选的，所述放电管长度为630～2000mm，外径为30～200mm，壁厚为5～10mm。作为介质阻挡放电的放电介质。

优选的，所述催化剂、吸附剂的填充长度为放电管长度的1/6～1/5。

优选的，所述高压电极、接地电极及电极板的材质为不锈钢、铜或铝中的一种；放电管材质为石英玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯或刚玉等中的一种；多孔板及壳体材质为有机玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯中的一种；所述吸附剂采用沸石或氧化铝，催化剂采用钒、钨、铂中的一种。

吸附剂形状可为蜂窝状，吸附剂可增加污染物停留时间，加强低温等离子体对污染物的处理作用；且在合理能量密度下，低温等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性，实现再生循环。所述催化剂可用钒、钨、铂等活性组分附着在吸附剂载体上，等离子体可在催化剂表面形成羟基自由基，达到低温等离子体与催化剂协同工作的效果，实现了污染物无害化处理，提高脱除效率。

本发明冷却介质可以采用冷却水或冷空气。

一种基于低温等离子技术的隧道空气净化方法，包括下述步骤：

（1）将带有污染性气体的隧道空气进行除尘；

（2）经步骤（1）后的气体经进气口进入隧道空气净化装置，在放电管的放电区域发生反应；其中，所述装置包括壳体、电极板、放电管、高压电极和接地电极，所述壳体包括上壳体、主壳体和下壳体，所述主壳体内错列设有4～200排放电管，每排包括6～20根放电管；所述放电管与主壳体两端通过多孔板固定，所述高压电极设置在放电管中并位于放电管中心；上壳体下端部与下壳体上端部各固定设有一电极板，高压电极通过两端电极板分别并联固定；所述放电管外包设有接地电极；所述放电管内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体上端设有进气口，下壳体下端设有出气口，主壳体左侧上端部设有冷却介质出口，主壳体右侧下端部设有冷却介质进口；

（3）反应后的气体通过出气口排出隧道空气净化装置。

将带有污染性气体的隧道空气经除尘后通过进气管道从进气口进入装置，在放电管内的放电区域发生反应，气体放电过程中产生大量高能电子、自由基等活性因子作用，污染物在短时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到脱除污染物的目的。活性离子和自由基气体放电时，一些高能激发粒子向下跃迁产生紫光。当光子或电子的能量大于半导体禁带宽度时，会形成具有很强活性的电子空穴对，光生空穴具有很强的捕获电子能力，可在催化剂表面形成羟基自由基，从而进一步除去污染物。吸附剂可延长污染物停留时间。吸附剂将污染物吸附后，低温等离子体与污染物作用将其除去。从而使吸附剂脱附，即使其再生，实现吸附剂吸附—脱附的循环过程。其中，催化剂可激发等离子体内产生新的活性物质，等离子体可以扩大催化剂活性组分分布，吸附剂延长污染物停留时间，加强低温等离子体作用，且等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性。同时，催化剂负载到吸附剂上，吸附剂的吸附作用加强了催化剂对污染物的催化效果。三者实现了协同作用的效果。

本发明的有益效果在于：

（1）本装置实现了低温等离子体、催化剂、吸附剂三者的协同工作，在常温常压下就可以快速处理污染物；净化彻底，当能量密度超过60J/L时各污染物脱除效率均接近100%；二次污染少，产物为CO₂、H₂O、N₂等安全产物；相同输入能量密度下，采用多管并联结构相比于单管增加了低温等离子体中各种活性因子与空气污染物的接触面积，使二者的有效碰撞机会增多，能量利用效率提高，污染物脱除效率也相应提高10%左右；

（2）本装置与普通套管式相比，系统风阻大大降低，能处理大流量污染物；且多管并联结构可根据污染空气流量、浓度，调整阻挡介质管的排数、每排阻挡介质管根数及阻挡介质管间距，使低温等离子体产生的强度与待处理的污染空气相匹配，达到最佳处理与最经济运行效果；

（3）本装置克服传统技术处理污染物单一化缺陷，实现多种污染性气体（CO、NOx、VOCs、HC等）协同处理，通过调整放电条件、输入能量、催化剂、吸附剂种类及比例适应多种环境；

（4）将等离子技术应用于隧道中，取得良好效果；由于隧道内空气污染物浓度低及MNTP对低浓度污染物有独特处理效果的特点，使MNTP保持在较低能耗水平；经本装置处理后的空气重新排入隧道，在化学处理的同时物理稀释，起到良好的处理效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明壳体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

参照图1，图2，一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，所述装置包括壳体、电极板8、放电管4、高压电极5和接地电极6，所述壳体包括上壳体2、主壳体1和下壳体3，所述主壳体1内错列布设有4～200排放电管4，每排包括6～20根放电管；所述放电管4与主壳体1两端通过多孔板7固定；所述多孔板7与放电管4之间通过密封件11密封，采用的密封件为密封环。

上壳体2下端部与下壳体3上端部各固定设有一电极板8，放电管4的中心位置精确布置高压电极5，并由两端各一块电极板8分别并联固定。所述放电管4外包设有接地电极6；所述放电管4内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体2上端设有进气口9，下壳体3下端设有出气口10，所述上、下壳体的形状为锥形或筒形，上、下壳体与主壳体之间分别采用法兰12连接，方便拆卸，连接处设有绝缘密封圈。主壳体1左侧上端部设有冷却介质出口14，主壳体1右侧下端部设有冷却介质进口13。

所述高压电极4与高压电极线相连，接地电极6与接地电极线相连，上壳体2上部开设有用于引出高压电极线的第一孔体15，主壳体1上部开设有用于引出接地电极线的第二孔体16。

所述放电管的长度为600～2000mm，外径为30～200mm，壁厚为5～10mm；所述放电管内形成放电区域，所述放电区域总长为500～2000mm。所述高压电极采用直径为3～20mm，长度为690～2400mm的长直电极棒。高压电极由上下两个电极板固定，达到多管并联的效果。所述接地电极由宽度为1～10mm，厚度0.8～2.5mm的金属带在放电管上缠绕而成。所述催化剂、吸附剂填充满放电管的1/6～1/5长度。

电极及电极板可由不锈钢、铜、铝等材料制成；放电管可由石英玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯或刚玉等材料制成；多孔板及壳体材料可由有机玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯等材料制成。所述吸附剂可用沸石、氧化铝等，形状可为蜂窝状。吸附剂可增加污染物停留时间，加强低温等离子体对污染物的处理作用；且在合理能量密度下，低温等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性，实现再生循环。所述催化剂可用钒、钨、铂等活性组分附着在吸附剂载体上。等离子体可在催化剂表面形成羟基自由基，达到低温等离子体与催化剂协同工作的效果，实现了污染物无害化处理，提高脱除效率。

实施例2

参照图1，图2，一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，所述装置包括壳体、电极板8、放电管4、高压电极5和接地电极6，所述壳体包括上壳体2、主壳体1和下壳体3，所述主壳体1内错列布设有5排放电管4，每排包括12根放电管；所述放电管4与主壳体1两端通过多孔板7固定；所述多孔板7与放电管4之间通过密封件11密封，采用的密封件为密封环。

上壳体2下端部与下壳体3上端部各固定设有一电极板8，放电管4的中心位置精确布置高压电极5，并由两端各一块电极板8分别并联固定。所述放电管4外包设有接地电极6；所述放电管4内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体2上端设有进气口9，下壳体3下端设有出气口10，所述上、下壳体的形状为锥形，上、下壳体与主壳体之间分别采用法兰12连接，方便拆卸，连接处设有绝缘密封圈。主壳体1左侧上端部设有冷却介质出口14，主壳体1右侧下端部设有冷却介质进口13。

所述高压电极4与高压电极线相连，接地电极6与接地电极线相连，上壳体2上部开设有用于引出高压电极线的第一孔体15，第一孔体15位于上壳体纵向中心线上，主壳体1上部开设有用于引出接地电极线的第二孔体16，第二孔体16位于主壳体纵向中心线上。

所述放电管的长度为710mm，外径为50mm，壁厚为7mm；所述放电管内形成放电区域，所述放电区域总长为610mm。所述高压电极采用直径为5mm，长度为790mm的长直电极棒。高压电极由上下两个电极板固定，达到多管并联的效果。所述接地电极由宽度为3mm，厚度1.2mm的金属带在放电管上缠绕而成。所述催化剂、吸附剂的填充长度为放电管长度的1/5。

电极及电极板采用不锈钢材料制成；放电管由石英玻璃制成；多孔板及壳体材料由有机玻璃制成。所述吸附剂采用形状为蜂窝状的沸石，所述催化剂的活性组分为钒，并将其附载在沸石上。吸附剂可增加污染物停留时间，加强低温等离子体对污染物的处理作用；且在合理能量密度下，低温等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性，实现再生循环；等离子体可在催化剂表面形成羟基自由基，达到低温等离子体与催化剂协同工作的效果，实现了污染物无害化处理，提高脱除效率。

实施例3

参照图1，图2，一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，所述装置包括壳体、电极板8、放电管4、高压电极5和接地电极6，所述壳体包括上壳体2、主壳体1和下壳体3，所述主壳体1内错列布设有192排放电管4，每排包括6根放电管；所述放电管4与主壳体1两端通过多孔板7固定；所述多孔板7与放电管4之间通过密封件11密封，采用的密封件为密封环。

上壳体2下端部与下壳体3上端部各固定设有一电极板8，放电管4的中心位置精确布置高压电极5，并由两端各一块电极板8分别并联固定。所述放电管4外包设有接地电极6；所述放电管4内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体2上端设有进气口9，下壳体3下端设有出气口10，所述上、下壳体的形状为锥形或筒形，上、下壳体与主壳体之间分别采用法兰12连接，方便拆卸，连接处设有绝缘密封圈。主壳体1左侧上端部设有冷却介质出口14，主壳体1右侧下端部设有冷却介质进口13。

所述高压电极4与高压电极线相连，接地电极6与接地电极线相连，上壳体2上部开设有用于引出高压电极线的第一孔体15，主壳体1上部开设有用于引出接地电极线的第二孔体16。

所述放电管的长度为1910mm，外径为190mm，壁厚为9mm；所述放电管内形成放电区域，所述放电区域总长为1900mm。所述高压电极采用直径为17mm，长度为2000mm的长直电极棒。高压电极由上下两个电极板固定，达到多管并联的效果。所述接地电极由宽度为7mm，厚度2.1mm的金属带在放电管上缠绕而成。所述催化剂、吸附剂填充满放电管的1/6长度。

电极及电极板选用的材料为铜；放电管选用的材料为刚玉；多孔板及壳体选用的材料为聚四氟乙烯。所述吸附剂采用氧化铝，所述催化剂的活性组分为铂，并将其附载在氧化铝上。吸附剂可增加污染物停留时间，加强低温等离子体对污染物的处理作用；且在合理能量密度下，低温等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性，实现再生循环；等离子体可在催化剂表面形成羟基自由基，达到低温等离子体与催化剂协同工作的效果，实现了污染物无害化处理，提高脱除效率。

实施例4

一种协同催化吸附的多管并联式低温等离子技术的隧道空气净化方法，包括下述步骤：

（1）将带有污染性气体的隧道空气进行除尘；

（2）经步骤（1）后的气体经进气口进入隧道空气净化装置，在放电管的放电区域发生反应；

（3）反应后的气体通过出气口排出隧道空气净化装置。

将带有污染性气体的隧道空气经除尘后通过进气管道从进气口进入装置，在阻挡介质管内的放电区发生反应，气体放电过程中产生大量高能电子、自由基等活性因子作用，污染物在短时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到脱除污染物的目的。活性离子和自由基气体放电时，一些高能激发粒子向下跃迁产生紫光。当光子或电子的能量大于半导体禁带宽度时，会形成具有很强活性的电子空穴对，光生空穴具有很强的捕获电子能力，可在催化剂表面形成羟基自由基，从而进一步除去污染物。吸附剂可延长污染物停留时间。吸附剂将污染物吸附后，低温等离子体与污染物作用将其除去。从而使吸附剂脱附，使其再生，实现吸附剂吸附-脱附的循环过程。其中，催化剂可激发等离子体内产生新的活性物质，等离子体可以扩大催化剂活性组分分布，吸附剂延长污染物停留时间，加强低温等离子体作用，且等离子体会改变吸附剂表面性质，使其长时间保持活性。同时，催化剂负载到吸附剂上，吸附剂的吸附作用加强了催化剂对污染物的催化效果。三者实现了协同作用的效果。

实施例5

现有公路隧道通风方式主要有三种：纵向通风、横向通风和半横向通风。对现有隧道，可以针对不同通风系统把本发明装置置于送排风道或通风井中，与已有风机配合使用；采取抽风法，在风机的抽力下将隧道内污染空气经本发明装置处理后排出清洁空气，有效控制隧道空气污染物的危害。

对于单孔隧道，可以在行车主道旁建造独立的专用侧线通道，以减少新风的需求量和风机、风井数量，达到减小污染物对隧道外部环境影响的目的。把本发明装置布置在隧道侧线内，将隧道行车主道内60%～70%的风量引入侧线可减少总需风量，风机数量减少50%～70%。在除尘装置和后置风机的配合下，布置于侧线内的净化装置把空气污染物除去后，基本达到空气质量标准，进而排入行车主道起到物理稀释的作用。

实施例6

对于双孔隧道，由于双孔隧道是两路并行的单向隧道，隧道内新风从进洞到出洞过程中，与车辆排出的污染物不断混合积累。在一个单向隧道内污染物浓度顺着行车方向升高，到隧道末端达到最大值。我们利用双孔隧道两路并行的特点，在隧道两个三等分点处设置横向通道，内置除尘装置、本发明装置、风机。以左线为例，在接近出口三等分处，带有气态污染物的空气在风机作用下先后经过除尘装置、本发明装置净化后通入右线接近入口三等分处。右线同理进行相同过程。在风机及隧道中间多组射流风机作用下，隧道中间最少1/3长度部分形成一个大循环，有效利用净化后空气，稀释了中间段的污染物，减少了出口段的污染物积累。此外，在出口1/3段可设辅助风道，每50～100米设置一组横向通风的轴流风机（辅风机），当检测系统测出污染气体浓度超标时，辅风机启动，配合主风机工作，将辅助风道污染空气传送到横向通道中，处理后汇入大循环。辅风机解决了大循环不能处理出口段污染空气的问题，隧道整段除污效果显著。对特长隧道，可以每隔1000米设置一个横向通道，有效解决长隧道通风量大、污染物积累严重、风井数量多、通风成本高等问题。

Claims (6)

1.一种基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，其特征在于：所述装置包括壳体、电极板、放电管、高压电极和接地电极，所述壳体包括上壳体、主壳体和下壳体，所述主壳体内错列设有4～200排放电管，每排包括6～20根放电管；所述放电管与主壳体两端通过多孔板固定，所述高压电极设置在放电管中并位于放电管中心；上壳体下端部与下壳体上端部各固定设有一电极板，高压电极通过两端电极板分别并联固定；所述放电管外包设有接地电极；所述放电管内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体上端设有进气口，下壳体下端设有出气口，主壳体左侧上端部设有冷却介质出口，主壳体右侧下端部设有冷却介质进口；

所述放电管的长度为600～3000mm，外径为30～200mm，壁厚为5～10mm，所述放电管内形成放电区域，所述放电区域总长为500～2000mm；

所述高压电极采用直径为3～20mm，长度为690～2400mm的长直电极棒；所述接地电极由宽度为1～10mm，厚度0.8～2.5mm的金属带在放电管上缠绕而成；

所述催化剂、吸附剂的填充长度为放电管长度的1/6～1/5。

2.根据权利要求1所述的基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，其特征在于：所述放电管与多孔板之间通过密封件密封。

3.根据权利要求1所述的基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，其特征在于：所述高压电极与高压电极线相连，接地电极与接地电极线相连，上壳体上部开设有用于引出高压电极线的第一孔体，主壳体上部开设有用于引出接地电极线的第二孔体。

4.根据权利要求1所述的基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，其特征在于：所述上壳体、下壳体的形状分别为锥形或筒形，上壳体、下壳体与主壳体之间分别采用法兰连接，连接处设有绝缘密封圈。

5.根据权利要求1所述的基于低温等离子技术的隧道空气净化装置，其特征在于：所述高压电极、接地电极及电极板的材质为不锈钢、铜或铝中的一种；放电管材质为石英玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯或刚玉中的一种；多孔板及壳体材质为有机玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯中的一种；所述吸附剂采用沸石或氧化铝，催化剂采用钒、钨、铂中的一种。

6.一种基于低温等离子技术的隧道空气净化方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）将带有污染性气体的隧道空气进行除尘；

（2）经步骤（1）后的气体进入隧道空气净化装置，在放电管的放电区域发生反应；

其中，所述装置包括壳体、电极板、放电管、高压电极和接地电极，所述壳体包括上壳体、主壳体和下壳体，所述主壳体内错列设有4～200排放电管，每排包括6～20根放电管；所述放电管与主壳体两端通过多孔板固定，所述高压电极设置在放电管中并位于放电管中心；上壳体下端部与下壳体上端部各固定设有一电极板，高压电极通过两端电极板分别并联固定；所述放电管外包设有接地电极；所述放电管内布设有蜂窝状吸附剂，吸附剂上负载有催化剂；所述上壳体上端设有进气口，下壳体下端设有出气口，主壳体左侧上端部设有冷却介质出口，主壳体右侧下端部设有冷却介质进口；

（3）反应后的气体通过出气口排出隧道空气净化装置。