CN104437019A - 一种大流量低温等离子体工业废气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，包括设置于底座上的处理装置箱体和设置于处理装置箱体两侧的进气口和出气口，所述处理装置箱体包括处理装置电路控制部分和处理装置气体处理部分，所述处理装置电路控制部分包括相互连接的高压穿墙接线瓷瓶、高压脉冲电源、升压变压器和匹配电感、调制脉冲电源以及电源开关控制面板；待处理的工业废气经由所述设置于处理装置气体处理部分的进气口进入，依次经过进气匀流板和DBD电极组后，由出气口排出。本发明可用单一电源驱动多组同轴式DBD电极，驱动数量可以几十至几百组同轴DBD电极，并使每一个电极都可以产生均匀的放电，并且可以在比较小的驱动功率下产生均匀放电。

Description

一种大流量低温等离子体工业废气处理装置

技术领域

本发明公开了一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，涉及环保废气处理技术领域。

背景技术

随着全球经济的发展，环境污染问题日益突出，各种类型的环境污染层出不穷，严重危及了人类的健康与生存。为了人类自身的安危，治理环境问题迫在眉睫。近年，全球涌现出许多治理环境问题的高新技术，如超声波、光催化氧化、低温等离子体、反渗透等，其中低温等离子体作为一种高效、低能耗、处理量大、操作简单的环保新技术来处理有毒废气及难降解物质，是近来研究的热点。

低温等离子体技术处理污染物的原理为：在外加电场的作用下，介质阻挡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安全物质，或使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，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5～10ev，适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速。作为环境污染处理领域中的一项具有极强潜在优势的高新技术，等离子体受到了国内外相关学科界的高度关注。

降解挥发性有机污染物(VOCs) 传统的处理方法如吸收、吸附、冷凝和燃烧等，对于低浓度的VOCs 很难实现，而光催化降解VOCs又存在催化剂容易失活的问题，利用低温等离子体处理VOCs可以不受上述条件的限制，具有潜在的优势。

但由于等离子体是一门包含放电物理学、放电化学、化学反应工程学及催化技术等基础学科之上的交叉学科。因此，目前该技术主要还是处于研究阶段，到目前仍未开发出具有商业化的产品。例如：复旦大学的于勇等人用介质阻挡放电降解CF3Br，降解率达到55%，浙江大学的郑雷等人利用正脉冲电晕放电处理含二氯甲烷浓度为42. 8umol的空气，在反应器中加入BaTiO3为催化剂，在试验气体流速为28mL/min条件下，二氯甲烷的降解率达到90%以上。浙江大学黄立维等人利用脉冲电晕处理低浓度甲苯废气，在线—管式反应器中，甲苯的降解率达到81% ，能量利用率为8.4g/（kW/h）。北京工业大学的谢成屏通过测定臭氧的浓度来反应等离子体处理VOCs的机理，试验结果表明，在放电反应产生的活性粒子（如高能电子、臭氧、自由基等）的作用下，高能电子经过与目标分子发生非弹性碰撞，将能量全部或部分传递给分子，使其裂解、激化等，接着，被高能电子裂解、激化的分子在臭氧和氧等离子体的作用下，被氧化成CO₂、CO和H₂O。

等离子体技术处理环境污染问题是一种高新技术，是目前国内外研究的热点问题。在20世纪60年代，西方发达国家就开始研究等离子体化学，到80年代，开始利用等离子体技术处理环境污染物的问题。但是，大多数发达国家对该项技术也还只是处于理论研究或者是中试阶段，真正进入商业化的非常少。到目前为止，国内还没有真正意义上的工业化等离子体处理设备。低温等离子体对环境污染的治理，其应用领域包括：(1) 臭气的消除，如食品工业、污水处理厂、堆肥厂、污泥处理、烟草工业、塑料工业等地方产生的臭气；(2) 空气净化，如空调或其他场合的应用；(3) 废气中低浓度溶剂（含卤化剂）的去除，如油漆、印刷等工业；(4) 净化有毒物质。经过低温等离子体处理的空气纯度虽然不能达到人居室内空气纯度的要求，但可以达到工厂周围的空气质量要求，降解率达到90%。

目前国内对低温等离子体技术处理环境污染问题的许多研究还是停留在高校的理论研究或是实验室的小型试验上，虽然有些已经发展成中试设备，但是能够直接应用于工业的商业化产品目前在国内仍然是空白。以低温等离子体技术处理有机废气为例，这些试验研究处理的气体一般都是气流量较小、气流较稳定，而工业上产生并需要治理的废气气流量大、气流不稳定。因此，需要开发出适用于工业有机废气，香气及恶臭气体的商业化的低温等离子体技术产品，达到真正治理环境污染问题的目的。

制约大流量的低温等离子体工业废气处理技术的发展原因有以下几个方面：

1）在DBD低温等离子体放电系统中只能一路电源驱动一个DBD电极，不能一路电源驱动多组DBD电极：在传统的DBD低温等离子体放电系统中，一般只能一路电源驱动一个DBD电极。这主要是DBD放电特性是负阻抗（或负电抗）特性，即DBD电极开始放电后，随着放电功率的增加，其阻抗（或电抗）则降低，在多组DBD电极并联时，如果用一路电源驱动，则多组DBD电极中只有部分电极可以产生放电，而大部分电极是不能同时产生“均匀”放电，即在并联的多组电极中只有少数的电极可以产生低温等离子体。如果采用一个电源驱动一个DBD电极，则处理系统就非常的复杂和庞大。例如，一个DBD电极的气体处理量每小时一般为几个立方到十几个立方，如果要处理几万立方的气体，则电源需要几百个至几千个，这在实际的应用中实现起来是非常困难的，在非常恶劣和复杂的工业环境中，庞大而复杂的系统其可靠性也是难于保证的。应此，多DBD电极并联单电源驱动产生低温等离子体技术是目前制约低温等离子体大流量工业废气治理应用的技术瓶颈。

2）在DBD低温等离子体放电系统中很难产生低驱动功率大面积的“均匀”放电：由于DBD放电特性是负阻抗（或负电抗）特性，在大面积的DBD放电中只能产生局部的放电，要产生大面积的“均匀”放电，则驱动功率需要很大，以至于DBD的介质不能承受其功率而很快损坏。

3）用微妙或纳秒脉冲电源难以获得DBD驱动放电的高效率和低成本：用微妙或纳秒脉冲电源驱动DBD负载，可以改善上述问题，但驱动电源的成本高昂，市场难以接受。驱动效率也非常的低。因为DBD负载是容性负载，在大面积或多电极并联时，其等效电容非常大，可以达到几千～几十万皮法，这和微妙或纳秒脉冲电源的输出波形的边缘陡峭和高频是矛盾的，用微妙或纳秒脉冲电源驱动大的DBD负载其电源的匹配非常困难，驱动效率也既很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，针对现有的DBD大流量的低温等离子体工业废气处理装置中不能用单电源驱动多DBD电极的不足，提出一种采用“脉冲调制驱动技术”和“种子电子引发放电技术”，与现有的DBD低温等离子体工业废气处理装置比较，本发明可用单一电源驱动多组同轴式DBD电极，驱动数量可以几十至几百组同轴DBD电极，并使每一个电极都可以产生均匀的放电。也可以驱动大面积的平板DBD电极，使大面积的平板电极产生均匀的放电，并且可以在比较小的驱动功率下产生均匀放电。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，包括设置于底座上的处理装置箱体和设置于处理装置箱体两侧的进气口和出气口，所述处理装置箱体包括处理装置电路控制部分和处理装置气体处理部分，其中，所述处理装置电路控制部分包括相互连接的高压穿墙接线瓷瓶、高压脉冲电源、升压变压器和匹配电感、驱动电源以及电源开关控制面板；待处理的工业废气经由所述设置于处理装置气体处理部分的进气口进入，依次经过进气匀流板和DBD电极组后，由出气口排出；所述DBD电极组为复数个并联的同轴式双介质阻挡DBD电极，每个DBD电极的具体结构为：DBD电极包括内电极和外电极，内电极通过引出和固定螺丝经由DBD内外电极固定法兰固定在两侧的DBD电极固定墙板上，外电极也固定在DBD电极固定墙板上，内、外电极相向的表面上设置有稀土元素氧化物并构成 DBD放电区域，所述外电极包括外介质管，所述内电极包括内介质管， 在所述内介质管中填充有低熔点的金属粉。

作为本发明的进一步优选方案，所述金属粉为铝粉或者镁粉。

作为本发明的进一步优选方案，所述DBD电极组中，DBD电极的数量为1至500个。

作为本发明的进一步优选方案，所述驱动电源为脉冲调制谐振电源，电源的基波为正弦波，调制波形为矩形波。

作为本发明的进一步优选方案，所述脉冲调制谐振电源中，正弦波的频率为2000～200000Hz，矩形波的频率为20～500Hz，占空比为1%～99%；通过调节矩形波的输出宽度或占空比，即可调节输送到DBD电极组的激励时间，进而调节其平均功率。

作为本发明的进一步优选方案，所述内电极为石英或陶瓷管。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）同轴式双介质阻挡DBD电极数量可以为1~500组并联工作，使并联的DBD电极组形成一个电极模块，在处理大流量气体时DBD电极组模块便于设计，安装和维护。

2）在两电极的相向面的玻璃或陶瓷表面都镀有一层稀土元素氧化物，可以使并联的双介质阻挡DBD电极即使在比较小的驱动功率下也能全部产生均匀的放电。

3）驱动电源采用脉冲调制谐振电源，可以获得高效能量转换和高效驱动DBD电极组。并能使DBD电极组在不同的功率驱动下都能产生均匀的放电，达到了高效和功率调节的效果。

4）驱动电源采用脉冲调制方式，可以通过调整调制脉冲的宽度，控制气体的反应时间，减少处理有机气体时由于反应时间过长而产生聚合物。如处理二甲苯时，如果处理时间过长，则会产生联苯而形成二次污染。

5）采用脉冲调制谐振电源驱动多DBD电极并联模式，设备成本比较低廉。

附图说明

图1为本发明设计的废气处理装置图，

其中：1为装置的进气口，2为装置的出气口，3为进气匀流板，4为蜂窝分布的DBD电极组，5为高压集电器，6为高压穿墙接线瓷瓶，7为高压脉冲电源升压变压器和匹配电感，8为调制脉冲电源，9为电源开关控制面板，10为设备底座。

图2为本发明设计的废气处理DBD单元电极图，

其中：11为DBD电极的外介质管，12为DBD电极的内介质管，13为DBD电极的外电极，14为DBD电极的内电极，15为DBD内电极填充的金属粉，16，17为DBD放电区域相向面表面镀的稀土元素氧化物，18为DBD电极的内电极引出和固定螺丝，19为DBD电极固定墙板，20为DBD内外电极固定法兰。

图3为本发明设计的废气处理DBD电极的激励波形图，

其中：F1为驱动电源激励基波，F2为矩形调制波，F3为调制后加载在DBD电极上的脉冲谐振激励波形。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了实现用单一电源驱动多同轴式DBD电极，并使每一个电极都可以产生均匀的放电，本发明采用的技术方案是：

1）大流量低温等离子体工业废气处理装置，包括脉冲调制谐振电源、蜂窝状同轴式双介质阻挡DBD电极组。

2）蜂窝状同轴式双介质阻挡DBD电极组，采用相同结构的同轴式双介质阻挡DBD电极多组并联。其中的同轴式双介质阻挡DBD电极数量可以为1~500组，按照蜂窝状排列，介质采用石英玻璃，陶瓷等绝缘材料。

3）DBD电极在两电极的相向面的玻璃或陶瓷表面都镀有一层稀土元素氧化物。在常规的多电极并联的介质阻挡放电中，只有部分电极可以放电，特别是大的放电间距（4毫米以上）很难使并联的DBD电极全部产生放电。如果在两电极的相向面的玻璃或陶瓷的表面镀有一层稀土元素氧化物（如氧化镧，氧化铷，氧化镨）或将稀土元素氧化物直接烧结在玻璃里面，则可以使并联的DBD电极都产生放电。稀土元素的原子结构可以用4fx5d16s2 表示，x从0→14，稀土元素从金属变成离子后，4f轨道的外侧仍包围着5s25p6的电子云，失去6s2 电子及5d1或4f失去一个电子，形成4fx5s25p6的电子结构。在稀土金属中，6s电子和5d 电子形成导带，4f电子则在原子中定域，这种4f电子的定域化和不完全填充都将反映在它们的种种物性之中4f电子位于原子内层轨道，5s25p6 电子云对其有屏蔽作用，4f轨道伸展的空间很小，所以受结晶场、配位体场等的影响很小；与此相反，其自旋（MS）与轨道（ML）的相互作用都很大，使得f-f电子轨道L与自旋S相互耦合作用，E4f分裂成许多能级有微小差别的能级亚层，在交流高压电场作用下，稀土元素的外围的微量电子就比较容易溢出而在放电电极中形成种子电子而引发放电。

4）驱动电源采用脉冲调制谐振电源，如图3所示，电源的基波为正弦波F1，频率在2000～200000Hz，调制波形F2为矩形波，频率在20～500Hz，占空比为1%～99%，F3为调制后加载在DBD电极上的激励波形。虽然在两电极的相向面的玻璃或陶瓷表面都镀有一层稀土元素氧化物可以使并联的DBD电极组都可以产生放电，但DBD电极的驱动功率需要达到一定的驱动功率，否则部分DBD电极还是有不放电。为了解决多DBD电极并联的功率调整问题，本发明采用了脉冲调制谐振电源驱动方案。即基波的驱动功率比较大，并将DBD的电抗做为电源谐振回路的一部分使电源的能量转换效率比较高，其效率可以达到90%以上，并使并联的DBD电极中每一个电极都产生放电。电源的基波再和一个宽度可以调节的矩形波相乘，使送到DBD电极上的基波宽度或激励时间受到这个矩形波输出宽度的控制，只要调节矩形波的输出宽度或占空比，即可以调节输送到DBD电极组的激励时间，其平均功率即可以调节。

5）同轴式双介质阻挡DBD电极的内电极为石英或陶瓷管，管内填充低熔点的金属粉，如铝粉，镁粉等。由于同轴式双介质阻挡DBD电极的内电极表面积远小于外电极，内电极的功率密度也大于外电极，内电极的散热条件比外电极差，在一些偶然的条件下，内电极的介质容易产生热击穿而损坏DBD电极。在本发明中，内电极管内填充了低熔点的金属粉，如铝粉，镁粉等，在产生热击穿前由于其热点的温度会很高，高温将会将击穿点的金属粉体融化和气化，很快的将热点温度降下，阻止了温度的进一步的升高，防止了DBD内电极的热击穿。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的低温等离子体DBD放电单元电极结构如图2所示。电极的内电极为石英或陶瓷管，管内填充低熔点的金属粉，如铝粉，镁粉等。由于同轴式双介质阻挡DBD电极的内电极表面积远小于外电极，内电极的功率密度也大于外电极，内电极的散热条件比外电极差，在一些偶然的条件下，内电极的介质容易产生热击穿而损坏DBD电极。在本发明中，内电极管内填充了低熔点的金属粉，如铝粉，镁粉等，在产生热击穿前由于其热点的温度会很高，高温将会将击穿点的金属粉体融化和气化，很快的将热点温度降下，阻止了温度的进一步的升高，防止了DBD内电极的热击穿，提高了DBD电极的可靠性。DBD电极在两电极的相向面的玻璃或陶瓷表面都镀有一层稀土元素氧化物。在常规的多电极并联的介质阻挡放电中，只有部分电极可以放电，特别是大的放电间距（4毫米以上）很难使并联的DBD电极全部产生放电。如果在两电极的相向面的玻璃或陶瓷的表面镀有一层稀土元素氧化物（如氧化镧，氧化铷，氧化镨）或将稀土元素氧化物直接烧结在玻璃里面，则可以使并联的DBD电极都产生放电。稀土元素的原子结构可以用4fx5d16s2 表示，x从0→14，稀土元素从金属变成离子后，4f轨道的外侧仍包围着5s25p6的电子云，失去6s2 电子及5d1或4f失去一个电子，形成4fx5s25p6的电子结构。在稀土金属中，6s电子和5d 电子形成导带，4f电子则在原子中定域，这种4f电子的定域化和不完全填充都将反映在它们的种种物性之中4f电子位于原子内层轨道，5s25p6 电子云对其有屏蔽作用，4f轨道伸展的空间很小，所以受结晶场、配位体场等的影响很小；与此相反，其自旋（MS）与轨道（ML）的相互作用都很大，使得f-f电子轨道L与自旋S相互耦合作用，E4f分裂成许多能级有微小差别的能级亚层，在高压电场下，稀土元素的外围的微量电子就比较容易溢出而在放电电极中形成种子电子而引发放电。

将图2中的单元DBD电极安装在图1的设备中，按照蜂窝状排列，采用相同结构的同轴式双介质阻挡DBD电极多组并联，DBD电极数量可以为1~500组。每一个DBD单元的外电极的高压端通过集电器都连接在一起，通过高压穿墙瓷瓶和高压变压器连接。高压脉冲变压器将调制脉冲电源送过来的中压升压到DBD电极所需要的放电电压25000～35000伏特用以激励DBD反应器放电。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，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，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。  

Claims (6)

1.一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，包括设置于底座上的处理装置箱体和设置于处理装置箱体两侧的进气口和出气口，其特征在于：所述处理装置箱体包括处理装置电路控制部分和处理装置气体处理部分，其中，

所述处理装置电路控制部分包括相互连接的高压穿墙接线瓷瓶、高压脉冲电源、升压变压器和匹配电感、驱动电源以及电源开关控制面板；

待处理的工业废气经由所述设置于处理装置气体处理部分的进气口进入，依次经过进气匀流板和DBD电极组后，由出气口排出；

所述DBD电极组为复数个并联的同轴式双介质阻挡DBD电极，每个DBD电极的具体结构为：

DBD电极包括内电极和外电极，内电极通过引出和固定螺丝经由DBD内外电极固定法兰固定在两侧的DBD电极固定墙板上，外电极也固定在DBD电极固定墙板上，内、外电极相向的表面上设置有稀土元素氧化物并构成 DBD放电区域，所述外电极包括外介质管，所述内电极包括内介质管， 在所述内介质管中填充有低熔点的金属粉。

2.如权利要求1所述的一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于：所述金属粉为铝粉或者镁粉。

3.如权利要求1或2所述的一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于：所述DBD电极组中，DBD电极的数量为1至500个。

4.如权利要求1所述一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于：所述驱动电源为脉冲调制谐振电源，电源的基波为正弦波，调制波形为矩形波。

5.如权利要求4所述一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于：所述脉冲调制谐振电源中，正弦波的频率为2000～200000Hz，矩形波的频率为20～500Hz，占空比为1%～99%；通过调节矩形波的输出宽度或占空比，即可调节输送到DBD电极组的激励时间，进而调节其平均功率。

6.如权利要求1或2所述的一种大流量低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于：所述内电极为石英或陶瓷管。