CN104128077A - 一种双层套筒式电晕等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，包括气体缓冲腔、外层处理腔和内层处理腔，气体缓冲腔外侧开设气体入口，缓冲腔内侧为一绝缘挡板，挡板上开有气道通孔，待处理气体由气道通孔依次进入外层处理腔和内层处理腔，经完全处理后，由内层处理腔末端连接的气体出口排出。本发明利用缓冲腔使得待处理气体能够均匀稳定地进入处理腔体；腔体采用同轴多针-板结构，电场不均匀系数大，放电电压低从而降低了运行能耗，同时电压可调范围大，适用范围广；采用内外双层结构，将低温等离子体除尘和废气降解分开，避免了废气中粉尘等对废气分子降解的影响，提高了能量利用率，且反应器结构紧凑；本发明适用于废气治理、消毒灭菌以及臭氧合成等领域。

Description

一种双层套筒式电晕等离子体发生装置

技术领域

本发明属于低温等离子体环境应用技术领域，具体涉及一种双层套筒式电晕等离子体发生装置。

背景技术

随着人类生产活动和生活活动的不断扩大，“三废”废物量和种类呈急剧增加的趋势。污染不仅给生态环境造成了严重的破坏，也给人类自身带来不可估量的危害。尤其值得提出的是，随着近年来全国范围内雾霾天气的频繁出现，人们的日常生活以及身心健康受到严重影响，雾霾的主要源头之一——工业废气的治理也被提高到了国家发展战略的高度。而传统的物理、化学处理以及燃烧等废物处理技术已远远不能适应需要，费用低、处理彻底、无二次污染的新型废物处理技术成为环保领域里一个急待解决的研究开发课题。其中，低温等离子体技术在环境保护领域的应用前景被广泛看好。

大气压低温等离子体是指在大气压下，利用高压放电的方法，在正负电极之间或附近区域产生大量带电粒子、活性基团、紫外线等具有高度化学活性的物质，这些活性粒子与工业废气中的气溶胶、废气分子等发生物理、化学反应过程，从而将其荷电沉降或者氧化分解。在几种常见的大气压放电中，电晕放电由于发生结构简单、放电电压低、持续运行无发热、消耗电能少等优点，是目前应用于工业废气治理最理想的放电手段。

目前制约电晕等离子体大规模应用于工业废气治理的瓶颈问题是：工业废气成分复杂，除了含有有毒有害的各类无机或有机废气分子外，往往还含有大量的气溶胶、液滴、粉尘等脏污粒子，单级反应器处理能耗太高，并且长时间的剧烈放电对反应器损伤严重，而多级反应器在大规模工业应用中同样存在能耗高、设备占地面积宽、投资大等缺点。因此，设计出性能优良、结构紧凑的新型反应器，既能够满足不同工业现场废气成分大不相同的情况，集除尘与废气降解于一体，同时又能够降低反应器的能耗，使得大部分的工厂能够承受得起等离子体装置的投资费用与运行费用，具有重大的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，该装置集工业废气处理的除尘除湿和废气分子降解于一体，并使得上述两个过程分离进行，提高了能量利用效率以及处理效果。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：包括金属底座和设置在金属底座上的外层金属套筒，外层金属套筒的顶部依次设置有绝缘挡板和外层绝缘壳体，该绝缘挡板的中心开设有通孔，且在绝缘挡板上周向均匀开设有若干气道通孔；内层金属套筒穿过绝缘挡板的中心通孔并固定在绝缘挡板上，在内层金属套筒的侧壁上设置有若干针电极，在内层金属套筒内设置有内接地电极，且内接地电极的底部固定在金属底座上，在内层金属套筒的顶部设置有绝缘盖板以及在内层金属套筒的顶部边缘设置有高压接线柱，在该绝缘盖板的中心设置有出气通道，出气通道的出气口从外层绝缘壳体的顶部引出，且在外层绝缘壳体的顶部还设置有进气口，外层绝缘壳体的侧壁上设置有高压引线通孔，外层绝缘壳体、绝缘盖板以及绝缘挡板之间形成的腔体为气体缓冲腔，内层金属套筒、绝缘挡板以及外层金属套筒之间形成的腔体为外层处理腔，内层金属套筒与绝缘盖板之间形成的腔体为内层处理腔，在外层处理腔与内层处理腔的底部为废液腔，且在外层金属套筒底部的侧壁上安装有废液阀。

本发明进一步改进在于：若干针电极垂直于内层金属套筒的侧壁。

本发明进一步改进在于：在绝缘挡板上的气道通孔的数量为4、8或16个。

本发明进一步改进在于：在绝缘挡板的下表面均匀开设有若干道锯齿形沟壑。

本发明进一步改进在于：外层金属套筒的材质为不锈钢，其直径为120mm，厚度为2mm，长为500mm。

本发明进一步改进在于：内层金属套筒的材质为不锈钢，其直径为60mm，厚度为2mm，长为500mm。

本发明进一步改进在于：内接地电极的直径为10mm。

本发明进一步改进在于：针电极的材质为钛合金或钨合金，其直径为0.7mm，针尖夹角为60°，针尖半径为0.05mm。

本发明进一步改进在于：绝缘挡板和绝缘盖板采用聚四氟乙烯或玻璃钢板制成。

与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其利用缓冲腔降低气体进入等离子体区的速度，避免了工厂废气对处理腔的直接冲击，使得待处理气体能够均匀稳定地进入处理腔体，以达到在处理腔中充分与等离子体反应，并延长了装置的使用寿命。

腔体采用同轴多针-板结构，废气通过阻力小，电场不均匀系数大，放电电压低，运行能耗小，同时电压可调范围大，功率密度调节范围大可适应不同场合的需要。

腔体采用内外双层结构，外层处理腔中等离子体能量密度较低，主要作用是对工业废气中的粉尘、液滴等脏污粒子进行荷电，然后在外层套筒内表面进行收集、脱除，其次，能够对有害废气分子进行初步降解作用，部分较长寿命活性产物(O₃、H₂O₂等)可扩散注入到内层处理腔中，辅助进行下一步废气分子降解。内层处理腔中等离子体能量密度较高，电极由载入了催化剂的钛合金丝制成，主要作用是对有害气体分子进行化学降解并最终彻底氧化成CO₂和H₂O。内外层处理腔的分离，可避免脏污粒子对高能粒子和自由基的消耗，使其能够更多的应用于废气分子降解，并且，还能够使催化剂不受脏污粒子的不利影响，从而延长其使用寿命，同时，由于内外层处理腔的紧密连接，外层处理腔中的长寿命活性产物可以扩散注入到内层中，协同进行废气分子降解，进一步提高能量利用效率

本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其处理过程在常温常压下进行，不需要成本昂贵的低压设备；有效处理区域大，等离子体完全覆盖处理腔体，不会发生待处理气体从电极缝隙“侧漏”现象；采用内外双层结构，可一站式完成工业废气除尘及降解，能量效率高；该套装置结构紧凑，与传统单级同轴针阵列结构相比，大大节约了电极材料，对于大规模的工业应用，极大的节约了投资成本；该套装置设有固定的气体入口、出口，可方便的进行不等数量的并联，以适应不同规模废气治理的需要。

本发明不仅适用于废气治理领域，同时适用于消毒灭菌以及臭氧合成等领域。

附图说明

图1为本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置的整体结构图；

图2为本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置的针电极分布俯视图；

图3为本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置的绝缘挡板气道通孔分布以及锯齿形下沿示意图；

图4为本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置的绝缘挡板局部视图；

图5为本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置的电路接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，包括金属底座18和设置在金属底座18上的外层金属套筒9，外层金属套筒9的顶部依次设置有绝缘挡板10和外层绝缘壳体19，该绝缘挡板10的中心开设有通孔，且在绝缘挡板10上周向均匀开设有若干气道通孔11；内层金属套筒8穿过绝缘挡板10的中心通孔并固定在绝缘挡板10上，在内层金属套筒8的侧壁上设置有若干针电极7，且若干针电极7垂直于内层金属套筒8的侧壁，在内层金属套筒8内设置有内接地电极6，且内接地电极6的底部固定在金属底座18上，在内层金属套筒8的顶部设置有绝缘盖板15以及在内层金属套筒8的顶部边缘设置有高压接线柱12，在该绝缘盖板15的中心设置有出气通道，出气通道的出气口2从外层绝缘壳体19的顶部引出，且在外层绝缘壳体19的顶部还设置有进气口1，外层绝缘壳体19的侧壁上设置有高压引线通孔14，外层绝缘壳体19、绝缘盖板15以及绝缘挡板10之间形成的腔体为气体缓冲腔3，内层金属套筒8、绝缘挡板10以及外层金属套筒9之间形成的腔体为外层处理腔4，内层金属套筒8与绝缘盖板15之间形成的腔体为内层处理腔5，在外层处理腔4与内层处理腔5的底部为废液腔，且在外层金属套筒9底部的侧壁上安装有废液阀17。

其中，在绝缘挡板10上的气道通孔11的数量为4、8或16个，且气道通孔11的开设遵循均匀对称为宜。

参见图3和图4，进一步地，在绝缘挡板10的下表面均匀开设有若干道锯齿形沟壑。当外层处理腔4中的水分蒸发到绝缘挡板10上会凝聚成小液滴从锯齿形尖端处掉下，从而水珠不会沿着绝缘挡板10流动，这样的绝缘设计可防止正负高压在绝缘挡板10表面形成闪络。

外层金属套筒9和内层金属套筒8的材质均为不锈钢，因为不锈钢具有良好导电性、抗氧化性和抗腐蚀性能，外层金属套筒9的直径为120mm，厚度为2mm，长为500mm，内层金属套筒8的直径为60mm，厚度为2mm，长为500mm。内接地电极6的直径为10mm。

针电极7的材质为钛合金或钨合金，因为钛合金或钨合金具有优越导电性、抗氧化性、抗腐蚀性的优点，针电极7的直径为0.7mm，针尖夹角为60°，针尖半径为0.05mm。

绝缘挡板10和绝缘盖板15采用聚四氟乙烯或玻璃钢板制成，因为聚四氟乙烯或玻璃钢板具有良好的电绝缘性和机械韧性，但不仅限于以上绝缘介质材料。

具体来说，绝缘挡板10的内侧接触高压电极，而绝缘挡板10的外侧接触地电极，并且工厂废气中的水分含量往往很大，采用普通的平板材料做绝缘挡板，水滴容易在绝缘挡板10的下表面贯穿流动而形成沿面闪络。而采用本发明的绝缘结构，当外层处理腔中的水分凝集在绝缘挡板的下表面并形成水滴时，水滴会沿着各个锯齿形的尖端落下，而不会在绝缘挡板10的下表面形成贯穿通道，从而能够避免该处沿面闪络的出现。

废气处理腔及其电极设计是本发明的核心内容。外层处理腔4由内层金属套筒8与外层金属套筒9所隔区域构成，在内层金属套筒9的外表面装有大量垂直于圆筒表面的针电极7；内层处理腔5由内接地电极6与内层金属套筒8所隔区域构成，在内层金属套筒8的内表面装有大量垂直与筒表面的针电极内层处理腔的顶部为密封绝缘盖板15，在绝缘盖板15上开设有气体出口2。在内层金属套筒5的内外表面铺设上述针电极16根/排(同排针间距10.8mm)，每排间隔10mm。基于该设计的电场仿真结果显示外层处理腔4和内层处理腔5全部区域都有可观电场，避免出现等离子体漏区而使部分待处理气体没能被处理到，另外，外层处理腔4和内层处理腔5电场相对较低(其等离子体能量低)，而内层处理腔5电场相对较强(其等离子体能量高)，这样做的目的是使低能量密度的等离子体主要用于除尘除湿等，而高能量密度的等离子体主要用于废气分子降解，如此安排，能够大大提高该装置的废气处理效率，并极大的提高能效，降低运行中的电能消耗。

外层处理腔4和内层处理腔5采用同轴多针-板结构，电场不均匀系数大，放电电压低从而降低了运行能耗，同时电压可调范围大，适用范围广；采用内外双层结构，将低温等离子体除尘和废气降解分开，避免了废气中粉尘等对废气分子降解的影响，大大提高了能量利用率，并使得反应器结构更加紧凑；内层处理腔5的针电极7表面载入了金属氧化物催化剂，可显著提高废气分子降解效率并抑制副产物的生成。

外层处理腔4和内层处理腔5中收集的水分、颗粒物等物质将聚集到废液腔16中，通过废液阀17排出，从而防止废液腔16腔体内积液过多，从而使得该套装置能够在工业现场长时间连续运行。

参见图5，在高压接线端14和接地端13接入高压电源，高压电极与接地电极之间施加直流或者是脉冲电压，电压幅值为7kV～12kV，内外层处理腔的有效处理体积为5.65L处理废气气量为1-40L/min，根据实际需求，可通过调节气流速度，调节电源电压大小以及废气的温度湿度等来改变等离子体的能量密度以及其中的活性粒子成份，以达到预期的处理效果。

以上所述，仅为本发明的实施案例，但本发明的保护不仅仅局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以移植或者改变，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：包括金属底座(18)和设置在金属底座(18)上的外层金属套筒(9)，外层金属套筒(9)的顶部依次设置有绝缘挡板(10)和外层绝缘壳体(19)，该绝缘挡板(10)的中心开设有通孔，且在绝缘挡板(10)上周向均匀开设有若干气道通孔(11)；内层金属套筒(8)穿过绝缘挡板(10)的中心通孔并固定在绝缘挡板(10)上，在内层金属套筒(8)的侧壁上设置有若干针电极(7)，在内层金属套筒(8)内设置有内接地电极(6)，且内接地电极(6)的底部固定在金属底座(18)上，在内层金属套筒(8)的顶部设置有绝缘盖板(15)以及在内层金属套筒(8)的顶部边缘设置有高压接线柱(12)，在该绝缘盖板(15)的中心设置有出气通道，出气通道的出气口(2)从外层绝缘壳体(19)的顶部引出，且在外层绝缘壳体(19)的顶部还设置有进气口(1)，外层绝缘壳体(19)的侧壁上设置有高压引线通孔(14)，外层绝缘壳体(19)、绝缘盖板(15)以及绝缘挡板(10)之间形成的腔体为气体缓冲腔(3)，内层金属套筒(8)、绝缘挡板(10)以及外层金属套筒(9)之间形成的腔体为外层处理腔(4)，内层金属套筒(8)与绝缘盖板(15)之间形成的腔体为内层处理腔(5)，在外层处理腔(4)与内层处理腔(5)的底部为废液腔，且在外层金属套筒(9)底部的侧壁上安装有废液阀(17)。

2.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：若干针电极(7)垂直于内层金属套筒(8)的侧壁。

3.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：在绝缘挡板(10)上的气道通孔(11)的数量为4、8或16个。

4.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：在绝缘挡板(10)的下表面均匀开设有若干道锯齿形沟壑。

5.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：外层金属套筒(9)的材质为不锈钢，其直径为120mm，厚度为2mm，长为500mm。

6.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：内层金属套筒(8)的材质为不锈钢，其直径为60mm，厚度为2mm，长为500mm。

7.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：内接地电极(6)的直径为10mm。

8.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：针电极(7)的材质为钛合金或钨合金，其直径为0.7mm，针尖夹角为60°，针尖半径为0.05mm。

9.根据权利要求1所述的一种双层套筒式电晕等离子体发生装置，其特征在于：绝缘挡板(10)和绝缘盖板(15)采用聚四氟乙烯或玻璃钢板制成。