CN103611395A - 线管式低温等离子体单元反应器及其组合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种治理工业废气的线管式低温等离子体单元反应器及其组合系统，其单元反应器由反应器正电极、圆管外电极及密封圈组成，其反应器正电极由不同类型的中心电极和绝缘组件构成，绝缘组件上的绝缘支架卡撑在圆管外电极的滚筋槽内形成单元反应器；后根据废气处理工程的实际需要，配用N个单元反应器以串、并联方式组合形成反应器矩阵，反应器矩阵通过反应器支撑板和压紧螺杆组装构成单箱反应器；后通过箱体封头和箱体法兰对单箱反应器进行串联以及电连接形成反应器组合系统，使其适用于不同数量级别的各种异味气体、高湿气体以及烟带处理。其有益效果是：该产品安全，节能，环保；系统布局灵活性强，适应工况范围广，使用寿命长。

Description

线管式低温等离子体单元反应器及其组合系统

技术领域

本发明涉及一种治理工业废气的线管式低温等离子体单元反应器及其组合系统，尤其涉及一种通过反应器悬挂系统构成的反应器矩阵，和根据废气处理工程的实际需要，配用N个单元反应器以合理的串、并联方式连接形成的反应器组合系统。

背景技术

所谓低温等离子体的废气治理技术是一门集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术，是目前国内外废气污染治理中最具前景，有效的技术方法之一。该技术显著特点是对污染物兼具物理和化学处理作用。所述等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四形态。当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。而低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物目的。低温等离子体的产生途径很多，本专利低温等离子体废气处理技术采用的放电方式为电晕放电。

所述低温等离子体单元反应器组合系统，是利用高频高压电场电晕放电加速荷电粒子导致电离，其净化作用机理包含三个方面：

一是反应器组合系统在产生等离子体的过程中，高频电场产生的能量能够在瞬间打开某些有害气体分子的化学键，使之分解为单质原子或无害分子；

二是等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分废气分子碰撞结合，在电场作用下，废气分子处于激发态，当废气分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，废气分子的分子键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成的无害气体分子。同时产生大量OH、H、O₂、O等活性自由基和氧化性极强的O₃，能与有害气体分子发生化学反应，最终生成无害产物；

三是等离子体中的正负粒子使微生物表面产生的电能剪切力大于其细胞膜表面张力，致使细胞膜遭到破坏而导致微生物死亡。

因此，等离子体中存在很多电子、离子、活性基和激发态分子等有极高化学活性的粒子，使得很多需要更高活化能的化学反应能够发生。等离子体中大量活性粒子能使难降解的污染物转化。臭气分子通过单箱反应器在强电场作用下，生成离子和激发态分子，离子中和也产生激发态分子。激发态分子发生化学反应离解，生成活性粒子。大量激发态，亚稳态游离粒子和各种粒子、电子、光子等都是促进化学反应的高活性粒子。常态下不能发生的化学反应，在等离子体状态下也能够发生。

综合上述，等离子体净化技术的主要机理可概括为：在外加电场的作用下，电子获得能量后，开始加速运动，以每秒钟300万次至3000万次的速度去撞击异味气体分子，当电子的能量与异味气体分子的某一化学键键能相同或略大时，发生非弹性碰撞，电子将大部分动能转化为污染物分子的内能，从而引发使其发生电离、裂解或激发等一系列复杂的物理、化学反应，使得产生臭味的基团化学键断裂，从而达到净化有毒有害气体及除臭目的。

目前，在废气处理设备中常用的低温等离子体反应器或发生器中，其采用的是：外接支撑悬挂装置来固定安装单管电场或由其组成的电场矩阵。此结构中的放电电极一端悬挂，其电极完全依靠支撑横担固定，内外电极轴线偏离度无法控制，N个单体线管式电场组成的单元反应器，只能按垂直方向安装，才能正常工作。又由于内外电极必须保持一定的安全距离，需要在反应器身设置放电避让口，避让口的存在使反应器变成敞开式系统，当负压吸风时，大量的空气进入系统，导致反应器处理效率低下，运行成本费用加大；当正压送风时，系统有毒有害气体容易释放到空气中，达不到治理气体净化目的。

使用如上所述的支撑悬挂装置结构的缺点是：

支撑悬挂装置采用敞开式结构设计，其精度低，密封性差，其性能不稳定；由于不能适应多角度调整及安装，所以会发生单元电场在运行中产生位移现象，致使其净化处理不能达到理想效果；其支撑悬挂装置产品一致性差，结构复杂，且设备在运行中的能耗大，安全性差，甚至还存在安全隐患问题。如果设定的正极单管电场数量越多，外接负极支撑悬挂装置需要的绝缘材料也越多，使得整个悬挂装置承受的压力加大，材料消耗随之增加，提高了设备生产成本。

中国专利CN2586526Y提供了一种无介质低温等离子体工业废气净化装置，该装置采用金属丝与平板结构生成低温等离子体，气体流通方向与金属板平行。该装置安装方式单一，同时不能保证气体全部经由金属丝与平板构成的电磁场。

中国专利CN101279101A提供了一种常压低温等离子除臭器，该除臭器采用锯齿与平板结构，锯齿与平板上均附有绝缘材料，实现介质阻挡放电产生低温等离子体。该除臭器在自由空间不能实现任意角度摆放，绝缘装置复杂笨重，同时不能保证气体完全经由锯齿板与平板构成的电磁场，且塑料外套保护存在安全隐患。

以上所述的现有专利技术中，到目前为止，还没有一种可以科学解决电极悬挂的外接支撑悬挂装置上的技术难题。因此，一种可避免上述技术缺陷的、创新的，密封性好、爬电距离长的、性能稳定、安全性高的能实现线管式电场电极支撑悬挂的单元反应器及其组合系统的专利发明势必诞生在急。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，如：外接框架结构采用敞开式设计，其结构复杂，密封性差，精度低，安全性差，能耗大等，不能适应多角度调整及安装，也不能解决由此引起的单元反应器运行中产生位移现象，以及由外接支撑悬挂装置带来的安全隐患问题。

所述本发明一种线管式低温等离子体单元反应器，由反应器正电极、圆管外电极及密封圈组成，其特征在于：

其中，所述反应器正电极由不同类型的中心电极和绝缘组件构成，其中心电极由中心杆和规则装配在中心杆上的放电电极构成，所述中心电极可以采用齿状、针状、线状、锥状放电电极组装构成反应器正电极；

所述圆管外电极由两端内壁开设滚筋槽的耐腐不锈钢圆管构成，其滚筋槽用于支撑悬挂绝缘组件之用；

所述密封圈是放置在圆管外电极两端滚筋槽外的起密封作用的硅胶圈。

上述绝缘组件由绝缘支架和配套使用的长短绝缘套管组成，其用于支撑悬挂反应器正电极。

上述绝缘支架是使反应器正电极与圆管外电极的放电距离始终保持一致的卡撑在圆管外电极的滚筋槽内的三角支架的绝缘件。

本发明所述的线管式低温等离子体单元反应器，适用对各种酸、碱性气体处理，抗氧化性能高，单元反应器在圆管外电极内产生均匀发散的辐射电场，在增加输入电压或功率时，不会发生击穿现象，在废气处理过程中运行稳定；可以在自由空间内任意角度安装，且无需调整；待处理废气经由反应器正电极和圆管外电极构成的线管式电磁场空间，从而对工业废气进行净化处理。

所述本发明一种线管式低温等离子体单元反应器组合系统，由单箱反应器、反应器箱体、箱体法兰及箱体封头组成，其特征在于：

所述单箱反应器由N个单元反应器通过合理的串、并联组合构成，其可以是N个单元反应器并联形成，也可以是N个单元反应器串联形成，还可以依据具体需要配置先串联后并联形成单箱反应器，所述N为1、2、3...的自然数，其中，以1≤N≤100为最佳配置范围；

所述反应器箱体由反应器支撑板和压紧螺杆组成，其是反应器支撑板外部进行满焊密封的不锈钢铁皮制作的金属箱；

所述箱体法兰是用于连接反应器箱体与箱体封头的中间连接件，箱体封头是用于连接反应器箱体的变径风管接头。

其中，上述反应器支撑板是由两块一定厚度的防腐不锈钢板，按照单元反应器的排阵方式进行规则镂空切割形成，其是用于悬挂支撑在单元反应器圆管夕电极密封圈夕的固定板。

上述压紧螺杆是用于压紧固定反应器矩阵两端支撑板的金属螺杆。

上述反应器组合系统通过单箱反应器内跨接线连接的引出线，与外接高频高压电源的正极连接，反应器箱体金属外壁上的负极线与电源负极连接，形成单箱反应器组合系统与低温等离子体的高压电源电连接的工作回路。

上述跨接线是将单箱反应器内放电电极相互连接起来的用于连接高压电源正极的正极线。

上述反应器箱体一并安装在平台支架上，其反应器箱体前端通过箱体封头与引风管连接，其后端通过箱体封头与引风机连接，引风机上端装设排放烟囱，从而构成单箱反应器组合系统设备的工艺回路。若干个反应器箱体通过箱体法兰串联连接形成反应器组合系统，通过串联组合形成的反应器箱体，可适用于对设备外形、尺寸有特殊要求的废气气体处理项目。

当系统设备接通电源后反应器产生低温等离子体，在阴暗环境下可以直观的观察到反应器工作时产生的淡蓝色等离子体电晕，以及闻到其产生的臭氧气味。低温等离子废气净化系统运行时，待处理废气二氧化硫(SO₂)，氨(NH₃)，甲醛(CH₂O)，丙酮(C₃H₆O)，硫化氢(H₂S)，甲醇(CH₃OH)等，在强电磁场的作用下，处于离子激发状态并发生化学反应，改变气体的化学结构，从而消除异味。本专利发明的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，是对有害、异味气体集中在等离子体反应器电场内进行净化处理。从废气源处通过收集罩连接除尘箱，除尘箱后连接均流箱，后与低温等离子体反应器组合系统设备连接，其系统设备后端直接与引风机连接，构成系统设备废气处理工艺回路。

所述低温等离子反应器组合系统消除废气异味的净化过程是：

a、低温等离子反应器中，高频电场产生的能量在瞬间打开水(H₂O)，氧气(O₂)的化学键，形成具有强氧化性的自由基O、·OH、·OH₂，并使待处理废气二氧化硫(SO₂)，氧气(O₂)，氨(NH₃)，甲醛(CH₂O)，丙酮(C₃H₆O)，硫化氢(H₂S)，甲醇(CH₃OH)等气体分子处于激发状态；

b、具有强氧化性的自由基O、·OH、·OH₂与处于激发状态的废气分子二氧化硫(SO₂)，氧气(O₂)，氨(NH₃)，甲醛(CH₂O)，丙酮(C₃H₆O)，硫化氢(H₂S)，甲醇(CH₃OH)发生化学反应，最终生成无害产物。

其化学反应过程如下：

SO₂+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→SO₃

H₂S+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→H₂O+SO₃

NH₃+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→NO₃+H₂O

CH₂O+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→CO₂+H₂O

C₃H₆O+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→CO₂+H₂O

CH₃OH+O₂、O₂ ^-、O₂ ^＋→CO₂+H₂O

通过上述化学反应，处理废气生成水蒸气(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、三氧化硫(SO₃)、三氧化氮(NO₃)、硝酸(HNO₃)、硫酸(H₂SO₄)排出。

本发明为解决技术问题所采用的技术原理是：

通过长爬电距离绝缘支架，来隔离单元反应器内正电极与圆管外电极，使反应器内产生性能稳定的低温等离子体电磁场，当废气中的各种气体分子，包括有害气体分子及氧气分子等在强电磁场的作用下，处于离子激发状态，击穿气体分子链，并产生一定的氧化基，分别氧化分子链，并且相互间发生综合化学反应，改变有害气体的化学分子结构，从而消除异味、净化废气；后按照试验型科学配置，用若干个单元反应器通过合适的串、并联方式连接形成单箱反应器，使其适合处理不同数量级别的工业废气，且适用于各种异味气体、高湿气体及烟带处理。其组合系统以非标环境废气处理工程的气量需要，通过箱体法兰将若干个单箱反应器串联起来，后通过箱体封头与引风管前端的废气源出口连接，系统后端连接到引风机上，从而形成单箱反应器构成的处理工业废气的反应器组合系统设备的工艺回路。

本发明的优点是：

1、该反应器系统避免了常规反应器矩阵外接悬挂系统，因重力引起的电极相对位移，正负电极间距无法保证，以及无法适应大气量处理及连续长期运行调试困难等缺陷问题。

2、单元反应器在有振动的场合能够保证装置长期稳定运行，与常规敞开式悬挂系统比较，该单元反应器配以抽屉式反应器矩阵设计结构，可以针对单元反应器，单箱反应器进行单独检修及维护。

3、该系统设备电场精度高，产品一致性好，且正负电极间的放电距离始终保持一致，若干个单元反应器组成的反应器系统，运行中性能稳定、能耗低，净化效率高。

本发明的有益效果：

(1)、安全：该反应器净化系统两端悬挂固定，系统由N个单元反应器组成的反应器矩阵可以适应在任意角度安装，系统完全封闭，杜绝了有毒有害气体与外部空气的交换，完全可靠。

(2)、节能：装置本身处理异味气体按1000m³/h进行一级处理计算，耗电量≈1.5kW/h，运行成本低。由于系统结构科学，布局合理，风阻系数小，从而较大地降低了气体收集系统的引风机能耗，又减少了运行成本。

(3)、环保：净化处理后气体，无二次污染。

(4)、系统布局灵活性强：其长短、宽窄、高低，均可以根据项目现场环境灵活设计。

(5)、适应工况范围广：在高温100℃，低温-50℃的环境内，设备均可正常运转并保持良好性能，特别在高湿环境，甚至100％饱和水蒸气环境下仍可正常运行；能够适应数百立方米/小时至数百万立方米/小时的气量处理。

(6)、使用寿命长：本设备无传动装置，故障率低，操作简单方便，其设备采用不锈钢材料制作，抗氧化性强，耐腐蚀性能好，使用寿命可达10年以上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

图1是本发明单元反应器并联的结构示意图；

图2是本发明单元反应器的结构示意图；

图3是本发明图1的俯视图；

图4是本发明反应器支撑板的结构示意图；

图5是现有敞开式反应器的结构示意图；

图6是本发明单箱反应器组合结构状态示意图；

图7是本发明组合系统设备的工艺结构示意图；

图8是本发明组合系统处理废气的工艺流程图；

图中标号说明：

1-反应器正电极；2-圆管外电极；3-中心电极；4-绝缘组件；5-滚筋槽；

6-绝缘支架；7-密封圈；8-单箱反应器；9-反应器箱体；10-箱体法兰；

11-反应器支撑板；12-压紧螺杆；13-跨接线；14-负极线；15-引风管；

16-箱体封头；17-引风机；18-排放烟囱；19-平台支架。

具体实施方式

下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要按比例画出。

本发明提供一种线管式低温等离子体单元反应器及其组合系统，其线管式低温等离子体单元反应器，如图1、2所示，由反应器正电极(1)、圆管外电极(2)及密封圈(7)组成。

其中，所述反应器正电极(1)由不同类型的中心电极(3)和绝缘组件(4)组成，其中心电极(3)可以采用齿状、针状、线状、锥状结构组装构成反应器正电极。

所述圆管外电极(2)由两端内壁带滚筋槽(5)的耐腐不锈钢圆管构成，其滚筋槽(5)用于悬挂支撑绝缘组件(4)之用；所述密封圈(7)是放置在圆管外电极两端滚筋槽(5)外的起密封作用的硅胶圈。

通过上述圆管外电极(2)、中心电极(3)和绝缘组件(4)组装构成单元反应器，圆管外电极(2)上的滚筋槽(5)内卡撑绝缘组件(4)上的绝缘支架(6)，悬挂支撑中心电极(3)在圆管外电极(2)圆周上的放电距离始终保持一致且无需调整。本发明所述的单元反应器直径在50mm～1000mm之间，电压在2KV～150KV之间能够保证系统正常运行。

本发明所述的线管式低温等离子体单元反应器的组合系统，由单箱反应器(8)、反应器箱体(9)、箱体法兰(10)及箱体封头(16)组成，其中，所述单箱反应器(8)由N个单元反应器通过合理的串、并联组合形成，其可以由N个单元反应器并联形成单箱反应器，还可以由N个单元反应器通过合理的串联或者并联形成单箱反应器。

所述反应器箱体(9)是对反应器支撑板(11)外部进行满焊密封的不锈钢铁皮制作的金属箱，其由反应器支撑板(11)及压紧螺杆(12)组成，其中，反应器支撑板(11)由两块一定厚度的防腐钢板，其按照单元反应器排阵方式进行规则镂空切割形成，其用于固定支撑由数个圆管外电极(2)构成的反应器矩阵的支撑板；所述箱体法兰(10)是用于连接箱体封头或串联反应器箱体中间的连接件，其箱体封头是用于连接反应器箱体的变径风管接头。

其中，N个单元反应器进行规则组合形成反应器矩阵，将反应器矩阵安装在反应器支撑板之间，将反应器箱体(9)和反应器支撑板(11)之间进行满焊密封处理，形成由反应器箱体(9)组装构成的单箱废气处理系统，即单箱反应器，后通过单箱反应器进行串、并联以及电连接，配以箱体封头等集气密封装置进行系统安装连接，形成反应器组合系统。

附图3所示，以单箱反应器中的N为12管单元反应器为例，其通过反应器支撑板(11)将并联的12管单元反应器安装在反应器箱体(9)内，通过压紧螺杆(12)对箱体内单元反应器进行密封固定，反应器箱体(9)周边采用满焊密封，组装形成的单元反应器构成的单箱反应器；将单元反应器的正电极通过跨接线(13)并联联接，引出到箱体之外，即构成了完整的适合具体废气处理工程使用的外接低温等离子体高压电源的反应器系统设备。

根据处理气体的风量和浓度的处理要求，配用N个单元反应器通过合理的串、并联组合形成反应器系统设备。当启动系统设备工作时，通过在设备前端从废气源处通过收集罩连接除尘箱，除尘箱后连接均流箱，在设备后端直接与引风机连接，构成系统设备废气处理工艺回路。废气经过反应器箱体内的高压电场时，各种气体呈离子状态并彼此间发生化学反应，从而得到净化。

由上述绝缘组件悬挂中心电极构成的单元反应器和反应器支撑板与反应器箱体悬挂框架结构构成的反应器矩阵的箱式反应器及其组合系统，其结构密封性好，精度高，系统可以适用于不同数量级别的各种异味气体、高湿气体以及烟带处理。在所述的系统结构中，放电电极两端通过绝缘组件悬挂在圆管外电极内固定，通过N个单元反应器电场组成的反应器系统可以在任意角度安装；系统采用全封闭式结构，杜绝了有毒有害气体与外部空气的交换，安全可靠能耗低。

上述优选实施例的描述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明并不限于上述示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。因此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (9)

1.一种线管式低温等离子体单元反应器，由反应器正电极、圆管外电极及密封圈组成，其特征在于：

其中，所述反应器正电极由不同类型的中心电极和绝缘组件构成，其中心电极由中心杆和规则装配在中心杆上的放电电极构成，所述中心电极可以采用齿状、针状、线状、锥状放电电极组装构成反应器正电极；

所述圆管外电极由两端内壁开设滚筋槽的耐腐不锈钢圆筒构成，其滚筋槽用于支撑悬挂绝缘组件之用；

所述密封圈是放置在圆管外电极两端滚筋槽外的起密封作用的硅胶圈。

2.根据权利要求1所述的线管式低温等离子体单元反应器，其特征在于：上述绝缘组件由绝缘支架和配套使用的长短绝缘套管组成，其用于支撑悬挂反应器正电极。

3.根据权利要求1或2所述的线管式低温等离子体单元反应器，其特征在于：上述绝缘支架是使反应器正电极与圆管外电极的放电距离始终保持一致的卡撑在圆管外电极的滚筋槽内的三角支架的绝缘件。

4.一种线管式低温等离子体单元反应器组合系统，由单箱反应器、反应器箱体、箱体封头及箱体法兰组成，其特征在于：

所述单箱反应器由N个单元反应器通过合理的串、并联组合构成，其可以是N个单元反应器并联形成，也可以是N个单元反应器串联形成，还可以依据具体需要配置先串联后并联形成单箱反应器，所述N为1、2、3...的自然数，其中，以1≤N≤100为最佳配置范围；

所述反应器箱体由反应器支撑板和压紧螺杆组成，其是反应器支撑板外部进行满焊密封的不锈钢铁皮制作的金属箱；

所述箱体法兰是用于连接反应器箱体与箱体封头的中间连接件，箱体封头是用于连接反应器箱体的变径风管接头。

5.根据权利要求4所述的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，其特征在于：上述反应器支撑板是由两块一定厚度的防腐不锈钢板，按照单元反应器的排阵方式进行规则镂空切割形成，其是用于悬挂支撑在单元反应器圆管外电极密封圈外的固定板。

6.根据权利要求4所述的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，其特征在于：上述压紧螺杆是用于压紧固定反应器矩阵两端支撑板的金属螺杆。

7.根据权利要求4所述的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，其特征在于：上述反应器组合系统通过单箱反应器内跨接线连接的引出线，与外接高频高压电源的正极连接，反应器箱体金属外壁上的负极线与电源负极连接，形成单箱反应器组合系统与低温等离子体的高压电源电连接的工作回路。

8.根据权利要求7所述的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，其特征在于：上述跨接线是将单箱反应器内放电电极相互连接起来的用于连接高压电源正极的正极线。

9.根据权利要求4或7所述的线管式低温等离子体单元反应器组合系统，其特征在于，所述组合系统消除废气异味的净化过程是：

a、低温等离子反应器中，高频电场产生的能量在瞬间打开水(H₂O)，氧气(O₂)的化学键，形成具有强氧化性的自由基O、·OH、·OH₂，并使待处理废气二氧化硫(SO₂)，氧气(O₂)，氨(NH₃)，甲醛(CH₂O)，丙酮(C₃H₆O)，硫化氢(H₂S)，甲醇(CH₃OH)等气体分子处于激发状态；

b、具有强氧化性的自由基O、·OH、·OH₂与处于激发状态的废气分子二氧化硫(SO₂)，氧气(O₂)，氨(NH₃)，甲醛(CH₂O)，丙酮(C₃H₆O)，硫化氢(H₂S)，甲醇(CH₃OH)发生化学反应，最终生成无害产物。

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