CN103752412B - 一种等离子体催化反应器用突刺电极及包含该突刺电极的等离子体催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体催化反应器用突刺电极及由该突刺电极组成的等离子体吸附催化反应器，催化反应器包括反应器壳体，该反应器壳体的一端为进气口，另一端为出气口，还包括位于反应器壳体内的放电电极，放电电极包括若干组叠置的突刺电极，每组突刺电极包括：上下两层不锈钢板外电极；紧贴不锈钢板外电极内表面设置的上下两块陶瓷板介质；位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板，该突刺内电极板的两面带有若干个突刺；突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道，该废气通道的两端分别对应进气口和出气口。本发明不仅减少了二次污染的风险，还在一定程度上延长了催化剂的使用寿命，节约了运行成本。

Description

一种等离子体催化反应器用突刺电极及包含该突刺电极的等离子体催化 反应器

技术领域

本发明涉及等离子体催化治理气态污染物领域，具体涉及一种等离子体催化反应器用突刺电极及由该突刺电极组成的等离子体催化反应器。

背景技术

对于室外大气而言，有机类PM2.5颗粒是大气PM2.5的重要组成部分，其主要来源为工业燃煤排放以及机动车尾气排放。有机类PM2.5颗粒不仅可以在大气反应中提供氧化剂，是造成光化学污染的重要污染源之一；而且对红外线还具有较强的吸收特性，是导致地球变暖的主要物质之一。此外，有机类PM2.5颗粒物对城市大气环境和区域气候产生明显的影响。室内空气中，有机类PM2.5颗粒物主要来源为厨房油烟、香烟以及室外空气污染等，对人体健康有重大危害。

等离子体法捕集降解大气中的有机类PM2.5颗粒是近年来科研的热点，主要原理是等离子体放电产生大量电子，电子附着在颗粒物上使其带电，然后由静电的吸引作用沉降在电极板上。同时，等离子体电场中产生大量的强氧化性的基团（活性氧、羟基等）与颗粒物反应，通过电极板表面涂覆的催化剂进行快速地催化降解。等离子体法捕集降解有机类PM2.5颗粒物的优点在于其处理效率高、能耗低、运行成本低，无需定期清灰。

等离子体降解气体中有机物的反应器一般分为平板式和圆筒式，例如，申请号为201220269277的实用新型专利申请公开一种板式等离子体处理臭气的装置，包括进气口、排气口和至少两组以上的处理装置，其特征在于：所述处理装置包括长方形支撑框架，支撑框架内交错安装有若干个高压电极板和低压电极板，两相邻低压电极板在其中一端头连接有封闭绝缘板，低压电极板上开设有若干个气流方孔。其具有处理臭气效果好，结构可靠，制作简单，生产成本低，设备气流阻力小，电场强度均匀等优点。

公开号为CN102179145A的中国发明专利申请公开了一种圆筒式等离子体催化协同治理VOCs的反应器，包括筒体，筒体为石英玻璃管，石英玻璃管的外壁面包裹金属导电物，金属导电物接交流高压电源作为介质阻挡放电的外电极；筒体内部正中间设置不锈钢管，不锈钢管接地作为介质阻挡放电的内电极；不锈钢管管壁开孔，并连接外部气源；石英玻璃管和不锈钢管之间形成放电气隙，放电气隙内填充吸附剂和催化剂；筒体的一端为进气口端，另一端为出气口端，进气口端和出气口端分别设有气流均布板。

然而，无论是上述的平板式反应器，还是圆筒式反应器，均是采用光滑的金属板（筒）作为放电电极，他们拥有两个共同的缺点，即烟气在反应器中的停留时间短和烟气在反应器中的浓度分布不均匀。在等离子体有机类PM2.5颗粒捕集碳化反应器中，烟气的停留时间过短，会使得烟气在反应室中没有充足的时间降解，导致处理效率不高。如果为了延长烟气的停留时间而增加反应器的长度或提高放电功率，就会大大提高设备的投资成本和运行成本。同时，烟气在反应器中的浓度分布不均匀，将会增加反应器的局部负荷，导致电极板上涂覆的催化剂容易出现局部失活，产生二次污染。

发明内容

本发明提供了一种等离子体催化反应器用突刺电极及由该突刺电极组成的等离子体催化反应器，突刺电极的突刺分布均匀，加工方便，放电效果好；突刺的交错分布，有助于烟气在反应器内的紊流流动，在不改变反应器大小的情况下，延长了烟气的停留时间；突刺的分布有助于改善烟气污染在反应器内混合状况，使得烟气在反应器中的浓度分布更加均匀；同时突刺有助于颗粒态的污染物在内电极表面的沉积，提高反应器内污染物的浓度，从而提高等离子体催化反应过程的能量效率。

一种等离子体催化反应器用突刺电极，包括：

上下两层不锈钢板外电极；

紧贴不锈钢板外电极内表面设置的上下两块陶瓷板介质；

位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板，该突刺内电极板的两面带有若干个突刺；

突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道。

内外电极接正负脉冲高压电源，本发明的突刺电极，内电极表面带有若干个突刺，突刺可以强化电极放电，增强气流扰动，废气中的有机类PM2.5颗粒易于沉淀，增强对有机类PM2.5颗粒的捕集效果。突刺内电极位于两块陶瓷板介质的正中间处。

作为优选，所述的突刺内电极由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外。在不锈钢板表面冲击半圆形或锥型突刺，冲压加工方便，冲压成型的突刺分布和高度均匀性好。

突刺高度过低，对烟气的扰动不够；突刺的高度过高，反应器容易堵塞，并且放电时容易出现电火花，使电路短路，造成损失。因此，作为优选，所述突刺的高度为1～2mm，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上。更优选，所述突刺高度为1m，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上。

进一步优选，所有突刺与不锈钢板衔接处的直径为2～4mm，相邻两个突刺之间的间隔为5mm，突刺按照该优选方式分布时对烟气扰流的效果最佳。

作为优选，所述突刺在不锈钢铁皮上交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²。按照突刺直径2～4mm，间隔5mm，经计算可得出突刺的分布范围大约在1×10⁴～2×10⁴个/m²。更优选，分布密度为1.2×10⁴个/m²。

作为优选，所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。放电间隙过小，放电电压容易击穿，影响能量注入和最终的污染物降解效果；而放电间隙过大，突刺电极起不到扰流和颗粒沉积作用。所以本发明优选放电间隙设置在1～2mm，更优选为1mm。

最优选地，所述的突刺内电极由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外；所述突刺的高度为1～2mm且所有突刺的刺尖位于同一水平面上；所述突刺在不锈钢铁皮上交错分布，所有突刺与不锈钢板衔接处的直径为2～4mm，相邻两个突刺之间的间隔为5mm；所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。

本发明还提供了一种等离子体催化反应器，包括反应器壳体，该反应器壳体的一端为进气口，另一端为出气口，还包括位于所述反应器壳体内的放电电极，所述放电电极包括若干组叠置的突刺电极，每组突刺电极包括：

上下两层不锈钢板外电极；

紧贴不锈钢板外电极内表面设置的上下两块陶瓷板介质；

位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板，该突刺内电极板的两面带有若干个突刺；

突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道，该废气通道的两端分别对应进气口和出气口。

作为优选，所述的突刺内电极由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外。

作为优选，所述突刺的高度为1～2mm，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上。更优选，所述突刺高度为1m，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上。

作为优选，所述突刺在不锈钢板上交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²。更优选，分布密度为1.2×10⁴个/m²。

作为优选，所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。更优选为1mm。

作为优选，所述反应器壳体的进气口和出气口处均设置多孔板。

进一步优选地，所述的突刺内电极由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外；所述突刺的高度为1～2mm且所有突刺的刺尖位于同一水平面上；所述突刺在不锈钢板上交错分布，所有突刺与不锈钢板衔接处的直径为2～4mm，相邻两个突刺之间的间隔为5mm；所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。

更进一步优选，突刺高度为1mm，放电间隙为1mm，突刺分布密度为1.2*10⁴个/m²。在该优选反应器下，对柴油车尾气中的黑烟进行处理，在20W以上的功率下，发现对柴油车尾气中黑烟的净化效率达到90%以上。

与现有技术相比，本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1、通过突刺状电极对烟气的扰流，一定程度上延长了烟气在反应器中的停留时间，也使得烟气在反应器中的浓度分布更加均匀，有充分的时间被反应降解；

2、突刺状电极中突刺的个数与突刺的分布的最优化，在保证介质阻挡放电均匀性的基础上，复合尖端放电效果，使介质阻挡放电的能量注入水平更高，有助于氧化性自由基的产生，促进污染物的氧化转化。

3、内电极突刺电极的布置有助于PM2.5颗粒在内电极上的沉积，对于柴油车尾气等颗粒态污染物的处理，能够延长污染物在反应器内的停留时间和反应浓度，有助于难降解废气的深度氧化。

附图说明

图1是本发明突刺电极的结构示意图。

图2是本发明等离子体催化反应器内放电电极的结构示意图。

图3是本发明内电极的突刺分布图。

其中，图中所示附图标记如下：

1-不锈钢板外电极 2-陶瓷板介质 3-突刺内电极板

4-内电极支撑垫片 5-突刺

具体实施方式

如图1和图3所示，一种突刺电极，包括上下布置的两层不锈钢板外电极1，紧贴两块不锈钢板外电极1内表面设置的两块陶瓷板介质2和位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板3。

突刺内电极板3由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板上冲击若干个半圆形或圆锥形的突刺5，两块不锈钢板叠置时，突刺朝外，突刺的高度为1～2mm，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上，所有突刺在不锈钢铁皮上按一定规则交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²；突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm，突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道，突刺内电极板3两端设置绝缘材料制成的内电极支撑垫片4，以保证突刺电极尖端和陶瓷板2之间的间隙和突刺内电极板3处于陶瓷板2的正中间。

应用于等离子体反应器中时，内外电极连接正负脉冲高压电源。

如图1～图3所示，一种等离子体催化反应器，包括反应器壳体，该反应器壳体为矩形壳体，壳体的一端为进气口，另一端为出气口，反应器壳体内设置若干组叠置的突刺电极，每组突刺电极包括：上下布置的两层不锈钢板外电极1，紧贴两块不锈钢板外电极1内表面设置的两块陶瓷板介质2和位于两块陶瓷板介质正中心的突刺内电极板3。

突刺内电极板3由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板上冲击若干个半圆形或圆锥形的突刺5，两块不锈钢板叠置时，突刺朝外，突刺的高度为1～2mm，且所有突刺的刺尖位于同一水平面上，所有突刺在不锈钢铁皮上按一定规则交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²；突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm，突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道，废气通道的两端分别对应进气口和出气口。

为了气体流动更加均匀，进气口和出气口位置可设置多孔板。突刺内电极板3两端设置绝缘材料制成的内电极支撑垫片4，以保证突刺电极尖端和陶瓷板2之间的间隙和突刺内电极板3处于陶瓷板2的正中间。反应器壳体内的内外电极分别连接正负脉冲高压电源。

应用例1采用平滑内电极的等离子体催化反应器，对柴油机尾气中的黑烟进行处理，反应器放电间隙为2mm，处理的柴油机尾气中黑烟的颗粒浓度为2*10⁸个/cm³，尾气流量1.5L/min。当反应器器中注入的功率为20W时，黑烟的净化效率达到81%。

应用例2采用带有突刺内电极的等离子体催化反应器（即本发明的等离子体反应器），对柴油机尾气中的黑烟进行处理。反应器突刺高度为1mm，放电间隙为1mm，突刺分布密度为1.2*10⁴个/m²。

处理的柴油机尾气中黑烟的颗粒浓度为2*10⁸个/cm³,尾气流量1.5L/min。当反应器器中注入的功率为20W时，黑烟的净化效率达到93%。突刺电极和平滑电极对柴油机的处理效果比较图如图4所示，很明显，当平滑内电极改造成突刺电极时，黑烟的净化效率显著提升。

Claims (2)

1.一种等离子体催化反应器用突刺电极，其特征在于，包括：

上下两层不锈钢板外电极；

紧贴不锈钢板外电极内表面设置的上下两块陶瓷板介质；

位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板，该突刺内电极板的两面带有若干个突刺；所述的突刺内电极板由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外；所述突刺在不锈钢板上交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²；

突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道；

所述突刺的高度为1～2mm，且每块不锈钢板上所有突刺的刺尖位于同一水平面上；

所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。

2.一种等离子体催化反应器，包括反应器壳体，该反应器壳体的一端为进气口，另一端为出气口，其特征在于，还包括位于所述反应器壳体内的放电电极，所述放电电极包括若干组叠置的突刺电极，每组突刺电极包括：

上下两层不锈钢板外电极；

紧贴不锈钢板外电极内表面设置的上下两块陶瓷板介质；

位于两块陶瓷板介质中心的突刺内电极板，该突刺内电极板的两面带有若干个突刺；所述的突刺内电极板由两块不锈钢板叠置而成，每块不锈钢板表面冲击出半圆形或锥形突刺，不锈钢板叠置时突刺朝外；所述突刺在不锈钢板上交错分布，分布密度为1×10⁴～2×10⁴个/m²；

突刺内电极板与陶瓷板介质之间的间隙为废气通道，该废气通道的两端分别对应进气口和出气口；

所述突刺的高度为1～2mm，且每块不锈钢板上所有突刺的刺尖位于同一水平面上；

所述突刺的尖端与陶瓷板介质之间的放电间隙为1～2mm。