CN104383812B - VOCs低温等离子复合处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VOCs低温等离子复合处理系统，包括预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置，所述预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置内均分别设有密封的气室，所述预处理器的气室依次连通负离子净化器的气室、双介质等离子处理器的气室、高能离子处理器的气室和复合催化装置的气室，所述预处理器的气室还连通有工业废气VOCs的进气口，所述复合催化装置的气室连接有引风机，所述复合催化装置的气室连通有排气筒，本发明的目的在于提供一种VOCs低温等离子复合处理系统，以解决现有企业在对VOCs处理过程中，采用单一处理方式去除率不高，且存在二次污染的问题。

Description

VOCs低温等离子复合处理系统

技术领域

本发明涉及化工吸附分离和污染物控制技术领域领域，尤其涉及一种VOCs低温等离子复合处理系统。

背景技术

VOCs(Volatile organic compounds)即挥发性有机化合物，是一类常见的大气污染物,主要来源于工厂排放的废气，常见于油漆生产、化纤行业、金属涂装、化学涂料、制鞋制革、电镀、胶合板制造、轮胎制造、废水处理厂等行业。有害的挥发性有机化合物主要包括丙酮、甲苯、苯酚、二甲基苯胺、甲醛、正己烷、乙酸乙酯、乙醇等。

根据国家工业废气的排放标准，工业废气在排放时须符合其排放标准，这就要求在排放过程中，需对工业废气中的VOCs进行相应的处理，传统的对VOCs的处理方法主要包括：活性炭吸附法、催化燃烧法、吸收法和生物过滤法，但这几种常用的方法都有各自的缺点。活性炭吸附法实际运行费用较高，活性炭更换，脱附及二次处理麻烦，治理效果难于长期保证和随时监控，还可能有多种不能共存因子混合，在活性炭床中造成放热反应及氧化、聚合反应，随着浓度的不断增高，存在一定不安全因素；催化燃烧法所使用的设备易腐蚀，对于浓度低的气体需要消耗燃料处理成本高，催化剂易中毒，同时易形成如二恶英等的二次污染；而采用吸收法所产生的副产品需要后续处理，对不溶或微溶于水的气体，没有实际的降解效果，吸收剂价格高不易再生，运行成本高；生物过滤处理对所降解的有机因子具有选择性，生物降解一般需要较长的停留时间，对废气中的收集和建设场地有一定的要求，降解的稳定性还有待考察，综合费用方面也存在一定的问题。

因此，近年来对低温等离子的废气处理研究逐渐引起了人们的关注，等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。低温等离子体技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术。等离子体是目前国内外大气污染治理中最富有前景最行之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作用、化学作用和生物作用。其净化作用机理包含两个方面：

(1)在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能量能够打开某些有害气体分子的化学能，如：氨、三甲胺、硫化氢、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯，硫化物H2S、VOC类，苯、甲苯、二甲苯类的分子链结构，使有机或无机高分子恶臭化合物分子链分解为单质原子或无害分子。

(2)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得无害气体分子。同时产生的大量—OH、—H2O、—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，最后生成无害产物。

等离子体是一门包含放电物理学、放电化学、化学反应工程学及真空技术等基础学科之上的交叉学科，由于空气净化环境不同，工业有机废气治理各类很多，为了应对不同的环境及不同的废气须采用不同的处理方法。目前国内已有多家生产“低温等离子”有机废气处理设备的企业，产品市场涵盖了工业、商业、民用，但产品结构比较单一。基本上都采用的是电晕放电等离子电场处理有机废气，由于电晕放电的结构比较简单，电场功率较弱，处理范围有限。在特定的分子结构面前，“电晕放电”即使用上N多级都不行。这样情形大概就象冰溶成水一样只需＞0℃的温度，铁溶成液体需1535℃，而铪合金则要4215℃道理一样，你不能用溶冰的热能去溶铁，溶铁的热能去溶铪合金，反之如果用4215℃的温度去溶冰就造成能耗和设备投资的浪费。

因此，由于不同行业、不同企业的废气成分、废气浓度是不同的，导致单一低温等离子体技术去除率不高，且等离子体处理后的尾气中含有大量臭氧，仍然会存在二次污染的问题。而针对各种不同环境，不同企业的性质、气隙、废气成分和浓度，如何精确的计算、设计、控制，目前还没有一个成熟的方式，由此设计一种VOCs低温等离子复合处理系统成为现阶段噩待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种VOCs低温等离子复合处理系统，以解决现有企业在对VOCs处理过程中，采用单一低温等离子体技术去除率不高，且存在二次污染的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:VOCs低温等离子复合处理系统，包括预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置，所述预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置内均分别设有密封的气室，所述预处理器的气室依次连通负离子净化器的气室、双介质等离子处理器的气室、高能离子处理器的气室和复合催化装置的气室，所述预处理器的气室还连通有工业废气VOCs的进气口，所述复合催化装置的气室连接有引风机，所述复合催化装置的气室连通有排气筒。

本方案的原理是这样的：工业VOCs废气或恶臭气体经收集后进入预处理器，预处理器主要去除废气中的颗粒物(如粉尘)，预处理后，进入废气处理电分解模块当中，VOCs废气或恶臭气体依次经过负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器，负离子净化器主要用于废气的静电消烟除尘，双介质等离子处理器产生高能量电子、自由基，对废气中的气态污染物(如甲苯、甲醛、二甲苯、乙酸乙酯等)进行分解，使其迅速形成小分子碎片，降解生成CO2、H2O等，对于浓度过大的VOCs废气或恶臭气体，在双介质等离子处理器中未处理完全，残余废气会进入高能离子处理器，高能离子处理器是用交流高压电源在管线式的电极结构中形成高压电晕电场。当高压达到一定程度之后残余的废气被击穿，空气中的分子被电离，发射出高能正、负离子，与残余的VOCs废气或恶臭气体的分子接触，打开VOC中多重有机废气中的各种分子化学键，再次将其分解成二氧化碳和水，提高了废气的去除率，同高能离子处理器在处理有机废气的同时,废气中的氧气分子被电离后产生由三个氧原子(O3)结合而成的臭氧分子，从而制造臭氧，臭氧作为一种强氧化剂，能用于VOCs废气或恶臭气体的异味消除处理，若废气中仍然还存在少量未反应的顽固性恶臭气体或VOCs时，在经过高能离子处理器后，混合后的顽固性恶臭气体或VOCs的分子或粒子(包括O3、·O和·OH等活性粒子)温度高，活跃性强，很容易被复合催化装置所吸附并继续发生反应，吸附在复合催化装置上的恶臭气体或VOCs分子被催化、裂化、进一步分解，从而进一步提高了废气的去除率，而在此过程中O3被作为强氧化剂来进行异味消除，而且残余O3也被复合催化装置所吸附并进一步反应消除，不存在二次污染的问题，在整个反应过程中，由引风机为VOCs废气提供引风的流通动力，并在清除完毕后将已经清理干净的气体通过排气筒排出。

本发明的优点在于：结合空气净化环境不同，针对不同企业的VOCs废气或恶臭气体的浓度来考虑，为了应对不同的环境及不同的废气，采用以“负离子+双介质等离子+高能离子+复合催化氧化”的复合式处理技术，整合了双脉冲电晕放电、静电除尘技术、低温等离子双介质阻挡放电技术、臭氧技术和光触媒技术，解决传统企业在对VOCs废气或恶臭气体的处理过程中，采用单一低温等离子体技术去除率不高的问题，同时，在处理过程中，O3被作为强氧化剂来进行异味消除，而且残余O3也能被复合催化装置所吸附并进一步反应消除，不存在二次污染的问题。

优选的，所述双介质等离子处理器包括左右设置的绝缘板、电场骨架、电场负极板、电场正极棒和高压绝缘电线，所述绝缘板的顶部和底部分别设有面板，所述面板均连接有面板矩形管，所述绝缘板和面板围城双介质等离子处理器的气室，所述双介质等离子处理器的气室内设有若干层高能离子电场单元，所述高能离子电场单元包括从上往下依次设置的电场正极棒、电场负极板和电场骨架，所述电场骨架卡接在绝缘板上，所述电场正极棒的两端通过螺栓固定在绝缘板上，所述电场正极棒与电场负极板间通过高压绝缘电线连接。由于双介质等离子(DBD)在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH氧化氢、O氧、NO一氧化氮等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子，利用这些自由基的特性来处理VOC效果非常明显。

优选的，所述面板矩形管和电场骨架均采用矩形不锈钢管，所述面板和电场负极板采用双面复合铝塑板，所述电场正极棒采用石英玻璃管，所述导电采用高压绝缘电线。

优选的，所述高能离子处理器包括箱体和设于箱体上的高压电源，所述箱体包括箱体板和分别设于箱体板上、下两端的箱体面板，所述箱体内设有线筒式介质发生器，所述介质发生器与箱体面板间设有绝缘端板，所述箱体的中部设有绝缘中隔板，所述介质发生器的线筒贯穿绝缘中隔板，所述箱体的内壁上设有安全网，所述箱体板的内壁通过螺钉连接有定位条。高能离子处理器是用交流高压电源在管线式的电极结构中形成高压电晕电场，当高压达到一定程度之后残余的废气被击穿，空气中的分子被电离，发射出高能正、负离子，与残余的VOCs废气或恶臭气体的分子接触，打开VOC分子化学键，再次将其分解成二氧化碳和水，并在此过程中制造臭氧用于VOCs废气或恶臭气体的异味消除处理，绝缘中隔板主要在介质发生器的线筒长度过长时，起到中部支撑的作用。

优选的，所述安全网采用钢丝网，所述箱体和定位条采用双面复合铝塑板，安全网既能起到过滤粉尘的作用，又能起到结构加强的作用。

优选的，所述负离子净化器包括外箱体，外箱体内设有蜂窝机芯，所述蜂窝机芯为包括多个六棱形片的双面复合铝塑板，所述蜂窝机芯焊接在外箱体上，所述外箱体的内壁上设有槽形加强筋。利用介电破坏理论，高压电场作用下利用库仑力使空气中的污染物形成分子团或单分子，使细菌的细胞膜破裂，然后利用高压直流电脉冲形成高能粒子，击断污染物分子键；再经过阻止还原区使游离的C、H原子与空气中的O原子形成微量的H2O和CO2，主要用于废气的静电消烟除尘。

优选的，所述预处理器采用喷淋塔或布袋除尘器，针对不同企业的VOCs废气或恶臭气体的成分不同，喷淋塔采用清水(或碱液)去除废气中的颗粒物或酸性气体(也可起到废气降温或吸收部分气态污染物作用)，布袋除尘器用于去除废气中的固体悬浮颗粒物。

优选的，所述复合催化装置内采用钙钛矿型的催化材料，该催化材料的催化氧化温度较低(为350度以下)，使得该复合催化装置内的残余VOCs废气在350度以下就能发生氧化分解，实现低温处理。

优选的，所述负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器通过机箱连接为密封的一体式结构，所述机箱上设有气压检测与报警装置，在引风机对整个机组进行引风时，机箱内的空气需形成循环流通，否则易发生安全事故，在机箱上设有气压检测与报警装置，对机箱内气压进行实时监控和报警，确保工作的安全。

附图说明

图1是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例的结构示意图；

图2是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中机箱内部的示意图；

图3是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中负离子净化器的主视图；

图4是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中负离子净化器的左视图；

图5是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中双介质等离子处理器的主视图；

图6是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中双介质等离子处理器的左视图；

图7是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中高能离子处理器的主视图；

图8是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中高能离子处理器的左视图；

图9是本发明VOCs低温等离子复合处理系统实施例中复合催化装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：喷淋塔1，负离子净化器2，双介质等离子处理器3，高能离子处理器4，复合催化装置5，进风口6，引风机7，排气筒8，机箱9，气压检测与报警装置10，外箱体21，蜂窝机芯22，六棱形片23，槽形加强筋24，绝缘板31，电场骨架32，电场负极板33，电场正极棒34，高压绝缘电线35，面板36，面板矩形管37，螺栓38，箱体41，高压电源42，箱体板43，箱体面板44，介质发生器45，绝缘端板46，绝缘中隔板47，钢丝网48，定位条49。

如图1、图2所示，VOCs低温等离子复合处理系统，包括依次连通的喷淋塔1、负离子净化器2、双介质等离子处理器3、高能离子处理器4和复合催化装置5，喷淋塔1连通有进风口6，复合催化装置5的出口连接有引风机7，连接处设置有排气筒8，负离子净化器2、双介质等离子处理器3、高能离子处理器4通过机箱9连接为密封的一体式结构，机箱9上设有气压检测与报警装置10。

如图5、图6所示，双介质等离子处理器3包括左右设置的绝缘板31、电场骨架32、电场负极板33、电场正极棒34和高压绝缘电线35，绝缘板31的顶部和底部分别设有面板36，面板36均连接有面板矩形管37，绝缘板31和面板36围城双介质等离子处理器的气室，双介质等离子处理器的气室内设有八层高能离子电场单元，高能离子电场单元包括从上往下依次设置的电场正极棒34、电场负极板33和电场骨架32，电场骨架32卡接在绝缘板31上，电场正极棒34的两端通过螺栓38固定在绝缘板31上，电场正极棒34与电场负极板33间通过高压绝缘电线35连接，面板矩形管37和电场骨架32均采用矩形不锈钢管，面板36和电场负极板33采用双面复合铝塑板，电场正极棒34采用石英玻璃管，高压绝缘电线35采用铜条。

如图7、图8所示，高能离子处理器4包括箱体41和设于箱体41上的高压电源42，箱体41包括箱体板43和设于箱体板43上、下两端的箱体面板44，箱体41内设有线筒式介质发生器45，介质发生器45与箱体面板44间设有绝缘端板46，箱体41的中部设有绝缘中隔板47，介质发生器45的线筒贯穿绝缘中隔板47，箱体41的内壁上设有钢丝网48，箱体板43的内壁通过螺钉连接有定位条49，箱体41和定位条49采用双面复合铝塑板。

如图3、图4所示，负离子净化器2包括外箱体21，外箱体21内设有蜂窝机芯22，蜂窝机芯22为包括84个六棱形片23的双面复合铝塑板，蜂窝机芯22焊接在外箱体21上，外箱体21的内壁上设有槽形加强筋24。

如图9所示，复合催化装置5内采用钙钛矿型的催化材料。

本实施例的预处理器可以根据企业排放的废气浓度或成分进行合理配置，可以设置为喷淋塔1或布袋除尘器，本实施例主要以喷淋塔1来作详细的说明；本实施例中的以“负离子+双介质等离子+高能离子+复合催化氧化”的复合式处理系统，该复合式处理系统可根据工厂不同的处理对象进行选择性安装或使用,采用最简单的结构、最少的投资及最低的能耗达到最佳的效果。

本实施例中，工业VOCs废气或恶臭气体经收集后进入喷淋塔1，喷淋塔1采用清水(或碱液)去除废气中的颗粒物或酸性气体(也可起到废气降温或吸收部分气态污染物作用)，预处理后，进入废气处理电分解模块当中，VOCs废气或恶臭气体依次经过负离子净化器2、双介质等离子处理器3、高能离子处理器，负离子净化器2主要用于废气的静电消烟除尘，双介质等离子处理器3产生高能量电子、自由基，对废气中的气态污染物(如甲苯、甲醛、二甲苯、乙酸乙酯等)进行分解，使其迅速形成小分子碎片，降解生成CO2、H2O等，对于浓度过大的VOCs废气或恶臭气体，在双介质等离子处理器3中未处理完全，残余废气会进入高能离子处理器，高能离子处理器是用交流高压电源42在管线式的电极结构中形成高压电晕电场。当高压达到一定程度之后残余的废气被击穿，空气中的分子被电离，发射出高能正、负离子，与残余的VOCs废气或恶臭气体的分子接触，打开VOC分子化学键，再次将其分解成二氧化碳和水，提高了废气的去除率，同时废气中的氧气分子被电离后产生由三个氧原子(O3)结合而成的臭氧分子，从而制造臭氧，臭氧作为一种强氧化剂，能用于VOCs废气或恶臭气体的异味消除处理，若废气中仍然还存在少量未反应的顽固性恶臭气体或VOCs时，在经过高能离子处理器后，混合后的顽固性恶臭气体或VOCs的分子或粒子(包括O3、·O和·OH等活性粒子)温度高，活跃性强，很容易被复合催化装置5所吸附并继续发生反应，吸附在复合催化装置5上的恶臭气体或VOCs分子被氧化分解，进一步提高了废气的去除率，而在此过程中O3被作为强氧化剂来进行异味消除，而且残余O3也被复合催化装置5所吸附并进一步反应消除，不存在二次污染的问题，在整个反应过程中，由引风机7为VOCs废气提供引风的流通动力，并在清除完毕后将已经清理干净的气体通过排气筒8排出。

高能离子处理器是用交流高压电源42在管线式的电极结构中形成高压电晕电场。当高压达到一定程度之后残余的废气被击穿，空气中的分子被电离，发射出高能正、负离子，与残余的VOCs废气或恶臭气体的分子接触，打开VOCs分子化学键，再次将其分解成二氧化碳和水，并在此过程中制造臭氧用于VOCs废气或恶臭气体的异味消除处理，绝缘中隔板47主要在介质发生器45的线筒长度过长时，起到中部支撑的作用。

由于双介质等离子处理器3(DBD)在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH氧化氢、O氧、NO一氧化氮等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子，利用这些自由基的特性来处理VOC效果非常明显。

利用介电破坏理论，高压电场作用下利用库仑力使空气中的污染物形成分子团或单分子，使细菌的细胞膜破裂，然后利用高压直流电脉冲形成高能粒子，击断污染物分子键；再经过阻止还原区使游离的C、H原子与空气中的O原子形成微量的H2O和CO2，主要用于废气的静电消烟除尘。

复合催化装置5内采用钙钛矿型的催化材料，该催化材料的催化氧化温度较低(为350度以下)，使得该复合催化装置5内的残余VOCs废气在350度以下就能发生氧化分解，实现低温处理。负离子净化器2、双介质等离子处理器3、高能离子处理器通过机箱9连接为密封的一体式结构，机箱9上设有气压检测与报警装置10，在引风机7对整个机组进行引风时，机箱9内的空气需形成循环流通，否则易发生安全事故，在机箱9上设有气压检测与报警装置10，对机箱9内气压进行实时监控和报警，确保工作的安全。

此外，本实施例中的VOCs低温等离子复合处理系统的整个过程是采用干法直接降解，在常温常压下实现对高流速、大流量有机废气的治理，且具有很高的降解效率；除输入普通市电外，不需要任何吸附剂和助燃材料，真正实现无二次污染和降解产物的无害排放；整个机组从材料、工艺及结构设计上充分考虑设备实际运行环境对燃、爆等安全性能要求；整个设备实现模块化组合，自动化程度高，工艺简洁，操作十分方便。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，包括预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置，所述预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置内均分别设有密封的气室，所述预处理器的气室依次连通负离子净化器的气室、双介质等离子处理器的气室、高能离子处理器的气室和复合催化装置的气室，所述预处理器的气室还连通有工业废气VOCs的进气口，所述复合催化装置的气室连接有引风机，所述复合催化装置的气室连通有排气筒，所述双介质等离子处理器包括左右设置的绝缘板、电场骨架、电场负极板、电场正极棒和高压绝缘电线，所述绝缘板的顶部和底部分别设有面板，所述面板均连接有面板矩形管，所述绝缘板和面板围城双介质等离子处理器的气室，所述双介质等离子处理器的气室内设有若干层高能离子电场单元，所述高能离子电场单元包括从上往下依次设置的电场正极棒、电场负极板和电场骨架，所述电场骨架卡接在绝缘板上，所述电场正极棒的两端通过螺栓固定在绝缘板上，所述电场正极棒与电场负极板间通过高压绝缘电线分别串线连接。

2.如权利要求1所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述面板矩形管和电场骨架均采用矩形不锈钢管，所述面板和电场负极板采用双面复合铝塑板，所述电场正极棒采用石英玻璃管，并采用高压绝缘电线进行导电。

3.如权利要求2所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述高能离子处理器包括箱体和设于箱体上的高压电源，所述箱体包括箱体板和分别设于箱体板上、下两端的箱体面板，所述箱体内设有线筒式介质发生器，所述介质发生器与箱体面板间设有绝缘端板，所述箱体的中部设有绝缘中隔板，所述介质发生器的线筒贯穿绝缘中隔板，所述箱体的内壁上设有安全网，所述箱体板的内壁通过螺钉连接有定位条。

4.如权利要求3所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述安全网采用钢丝网，所述箱体和定位条采用双面复合铝塑板。

5.如权利要求4所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述负离子净化器包括外箱体，外箱体内设有蜂窝机芯，所述蜂窝机芯为包括多个六棱形片的双面复合铝塑板，所述蜂窝机芯焊接在外箱体上，所述外箱体的内壁上设有槽形加强筋。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述预处理器采用喷淋塔或布袋除尘器。

7.如权利要求1-5任一权利要求所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述复合催化装置内采用钙钛矿型的催化材料。

8.如权利要求1-5任一权利要求所述的VOCs低温等离子复合处理系统，其特征在于，所述负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器通过机箱连接为密封的一体式结构，所述机箱上设有气压检测与报警装置。