CN104689692A

CN104689692A - 空气等离子体处理废气的装置及方法

Info

Publication number: CN104689692A
Application number: CN201510144834.4A
Authority: CN
Inventors: 金成刚; 吴磊; 王心韵; �田润; 杨东谨; 胡一波; 诸葛兰剑; 吴雪梅
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN104689692B

Abstract

本发明涉及一种空气等离子体处理废气的装置，包括高压交流电源、壳体、安装在所述壳体上的两个第一介质板以及设置在所述壳体内的接地电极，所述壳体的两端分别设置有废气进口和废气出口，每个所述第一介质板上均安装有高压电极，所述高压电极包括导电管、一端伸入所述导电管内的毛细管，所述导电管的至少一端设置有空气进口，所述导电管与所述高压交流电源的高压端相连接，所述接地电极与所述高压交流电源的接地端相连接，所述毛细管的另一端与所述壳体相通。本发明还涉及一种空气等离子体处理废气的方法。使用本发明的装置及方法，具有高效分解且处理能耗低的特点，为工业废气的处理开辟了一条新的思路。

Description

空气等离子体处理废气的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种空气等离子体处理废气的装置及方法。

背景技术

随着经济的快速发展，石油、制药、油漆、印刷和涂料等行业产生的挥发性有机废气（VOCs）日渐增多，这些废气进入大气会给环境带来严重的污染，对人体健康产生极大的危害，给国民经济造成巨大的损失。近年来，国家颁布了《节能减排综合性工作方案》、《国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划》，采取了“脱硫优惠电价”、“上大压小”、“限期淘汰”、“区域限批”等一系列政策措施，加大环境保护投入，实施工程减排、结构减排、管理减排。环保部在“十二五”规划明确指出：“加强挥发性有机污染物和有毒废气控制。加强石化行业生产、输送和存储过程挥发性有机污染物排放控制。鼓励使用水性、低毒或低挥发性的有机溶剂，推进精细化工行业有机废气污染治理，加强有机废气回收利用”。根据中国环保产业协会的统计数据，至2012年底有机废气治理市场总量约为60亿元。随着这些工业企业的不断发展和环境保护要求的提高，预计到2017年这一市场总量会达到200亿元,市场前景广阔。

传统VOCs处理主要集中在五个方面：（1）热氧化法；（2）吸附法；（3）吸收法；（4）生物净化法；（5）光催化氧化法。（1）热氧化法：主要是直接燃烧法，是利用VOCs易燃烧的性质把废气中可燃的有害组分当作燃料直接燃烧，燃烧的最终产物是CO₂、H₂O等，该方法适用于高温下可分解且浓度高的有害物质或者净化有害组分燃烧时热值较高的废气，但若废气含有Cl、S、N等元素,采用焚烧法会产生HCl、SOx、NOx等二次污染物。（2）对于中、低浓度的VOCs，吸附法虽然比较有效且简便，但是，与活性炭能发生反应的VOCs不宜采用该法回收处理；此外，吸附剂多次再生后吸附效果降低，需定期更换；吸附法也会产生二次固体或液体污染物。（3）吸收法是利用物质溶解度的不同来分离气态污染物的方法，常用的洗涤吸收器是填料洗涤吸收塔，洗涤吸收剂可以是水、矿物油和碳氢化合物。影响系统处理效果的因素包括操作温度，气、液接触面积，液气比等，降低操作温度、增加液气接触面、提高液气比都会提高吸收效率，但是系统阻力和能耗也会相应增加。（4）VOCs气体的生物处理技术包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法、活性污泥法以及膜生物法等，此方法适用于低浓度、大流量气体，但其生物降解速率有限，承受负荷不能过高，对有生物毒性的物质处理效果较差。（5）光催化氧化法：当光照射到半导体催化剂上时，产生的空穴具有很强的得电子能力, 可与表面的OH、H₂O等发生反应生成氧化能力极强的羟基自由基(OH·)，OH·几乎可以氧化所有有机物，使之矿化，但其仍存在一些缺陷，如反应受紫外光源限制；能量产率低；较难处理高浓度、大风量的气体等。

在全球，选择一种经济、可行性强的处理方法成为焦点，而DBD等离子体技术（大气压介质阻挡放电等离子体技术），由于其特殊的优势而备受关注。DBD等离子体，是将绝缘介质插入放电空间（介质可以覆盖在电极上，也可悬挂在放电空间里），通过施加足够高的交流电压，产生等离子体的一种气体放电技术。在DBD等离子体反应区，富含大量的活性物质，如高能电子、离子、自由基和激发态分子等，废气中的污染物质可与这些具有较高能量的物质发生反应，使污染物质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的目的。但是现有的DBD等离子体废气处理系统存在如下一系列不足之处：（1）其放电主要采用管式介质结构，电极处于管腔之中，废气处理中管式介质阻挡层内壁易于污染，且清洗更换困难；（2）等离子体处理区体积相对较小；（3）管式介质阻挡材料被污染后，会因为散热不均匀造成热膨胀不均衡，进而产生介质管炸裂等不安全因素；（4）与现有其他废气处理系统兼容性差。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种处理效率高的空气等离子体处理废气的装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空气等离子体处理废气的装置，包括高压交流电源、壳体、安装在所述壳体上的两个第一介质板以及设置在所述壳体内的接地电极，所述壳体的两端分别设置有废气进口和废气出口，每个所述第一介质板上均安装有高压电极，所述高压电极包括导电管、一端伸入所述导电管内的毛细管，所述导电管的至少一端设置有空气进口，所述导电管与所述高压交流电源的高压端相连接，所述接地电极与所述高压交流电源的接地端相连接，所述毛细管的另一端与所述壳体相通。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的装置进一步包括所述毛细管呈阵列排布在所述导电管上。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的装置进一步包括所述接地电极的上下端均设置有第二介质板。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的装置进一步包括所述导电管的两端均设置有所述空气进口。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的装置进一步包括所述壳体的下端固定有支撑脚。

一种空气等离子体处理废气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过废气进口将待处理废气接入壳体内；

（2）将空气接入导电管，然后经由毛细管进入壳体内；

（3）开启高压交流电源，空气放电产生等离子体与废气作用，净化后的废气经由废气出口排出；

（4）关闭高压交流电源。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的方法进一步包括所述步骤（2）中，空气流量≤100slm。

本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理废气的方法进一步包括所述步骤（3）中，输出功率≤500W。

本发明具有以下有益效果：

1. 采用毛细管管状电极结构，可以获得较大的等离子体射流，从而获得较大的等离子体处理空间，且第一介质板、第二介质板易于拆卸清洗。

2. 采用微等离子体阵列，产生的DBD微等离子体空间尺寸大，可提高处理有机物的能力。

3. 采用空气等离子体放电产生活性粒子、高能粒子与废气相互作用，达到废气处理的目的。

4. 有效排列微等离子体阵列，获得最佳参数，合理利用聚集在第二介质板表面的电荷能量，放电效率高。

5. 采用对称平板式、交流驱动DBD阵列微等离子体废气处理装置，废气处理效率高。

6. 结构简单，操作方便，安全稳定。

7. 高效分解且处理能耗低，为工业废气的处理开辟了一条新的思路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的废气处理装置的结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的电子能量分布函数图；

图中：4、壳体，6、第一介质板，8、接地电极，10、废气进口，12、废气出口，14、导电管，16、毛细管，18、空气进口，20、第二介质板，22、支撑脚。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种空气等离子体处理废气的装置，包括高压交流电源（图中未示出）、壳体4、安装在壳体4上的两个第一介质板6以及设置在壳体4内的接地电极8，壳体4的两端分别设置有废气进口10和废气出口12，优选两个第一介质板6对称设置，第一介质板6与壳体4密封连接，每个第一介质板6上均安装有高压电极，高压电极包括导电管14、一端伸入导电管14内的毛细管16，毛细管16与导电管14焊接固定，毛细管16的一端与导电管14相通，导电管14的两端呈封闭状，导电管14的至少一端设置有空气进口18，导电管14与高压交流电源2的高压端相连接，接地电极8与高压交流电源2的接地端相连接，毛细管16的另一端通过第一介质板6与壳体4相通，空气经空气进口18进入导电管14内，再沿毛细管16进入壳体4内。

本发明优选毛细管16呈阵列排布在导电管14上，可以获得较大的等离子体射流，从而获得较大的等离子体处理空间。

为了抑制弧光放电，本发明优选接地电极8的上下端均设置有第二介质板20。

本发明优选导电管14的两端均设置有空气进口18，空气进入均匀。

为了便于壳体4的放置，本发明优选壳体4的下端固定有支撑脚22。

本发明优选导电管14为铜管，但并不局限于铜管，也可以为铝管、铁管等。本发明优选毛细管16采用不锈钢材质制成，但并不局限于不锈钢，也可以为铜、铁等。第一介质板6和第二介质板20均为绝缘介质板，本发明优选第一介质板6、第二介质板20均采用聚四氟乙烯材质制成，但并不局限于聚四氟乙烯，也可以为聚乙烯、聚丙烯等。

实施例1：空气流量1slm、输出功率5W。

实施例2：空气流量25slm、输出功率100W。

实施例3：空气流量50slm、输出功率200W。

实施例4：空气流量100slm、输出功率500W。

上述的slm是standard litre per minute 的缩写,表示的是标准状态下每分钟1升的流量。

其中，实施例1中的一种空气等离子体处理废气的方法，其使用上述装置，包括以下步骤：

（1）通过废气进口10将待处理废气接入壳体4内；

（2）空气进口18与流量计连接，流量计与空气压缩机连接，调整流量计，确保空气流量为1slm，空气沿空气进口18接入导电管14，然后经由毛细管16进入壳体4内；

（3）开启高压交流电源，旋转调压器旋钮和频率旋钮，使得输出功率为5W，空气放电产生等离子体与废气作用，净化后的废气经由废气出口排放；

（4）停止废气的接入，过两分钟后，将调压器旋钮旋到“0”处，关闭高压交流电源，关闭空气压缩机，关闭流量计。

其中，步骤（3）中提到的等离子体与废气作用是指VOCs受到等离子体中大量的带电粒子（电子、正负离子）、自由基、离解原子、激发态分子等活性粒子的碰撞激发或离解，致使其被氧化，发生降解。这主要是包括以下两个过程：一是高能电子的作用，决定有机物分子被降解的难易程度是分子内化学键的键能，也即键能最薄弱的地方最易发生断裂。常见的有机物分子中化学键能的最大值为12.07eV [聂勇.脉冲放电等离子体治理有机废气放大试验研究[D].杭州:浙江大学.2003.]，是在2-15eV最大概率能量分布区间内的。本发明的电子能量概率分布函数如图2所示，放电过程中电子的能量在2-20 eV 之间，本发明产生的等离子体中的高能电子有足够的能量轰击VOCs分子使其激发、电离、离解等，化学键发生断裂，形成小碎片基团或原子，破坏VOCs分子的结构。另一方面，自由基、臭氧等活性粒子的作用，空气中的水和氧气在高能电子的轰击下会产生大量氧化性极强的·O、·OH、·H₂O自由基和臭氧，这些活性离子与VOCs分子、破碎的分子基团等发生一系列反应，使VOCs分解，生成无毒无害的CO₂、H₂O。

实施例2-4中的一种空气等离子体处理废气的方法与实施例1的方法步骤相同，不同在于，空气流量和输出功率的大小。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims

1.一种空气等离子体处理废气的装置，其特征在于，包括高压交流电源、壳体、安装在所述壳体上的两个第一介质板以及设置在所述壳体内的接地电极，所述壳体的两端分别设置有废气进口和废气出口，每个所述第一介质板上均安装有高压电极，所述高压电极包括导电管、一端伸入所述导电管内的毛细管，所述导电管的至少一端设置有空气进口，所述导电管与所述高压交流电源的高压端相连接，所述接地电极与所述高压交流电源的接地端相连接，所述毛细管的另一端与所述壳体相通。

2.根据权利要求1所述的空气等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述毛细管呈阵列排布在所述导电管上。

3.根据权利要求1所述的空气等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述接地电极的上下端均设置有第二介质板。

4.根据权利要求1所述的空气等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述导电管的两端均设置有所述空气进口。

5.根据权利要求1所述的空气等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述壳体的下端固定有支撑脚。

6.一种使用如权利要求1-5中任一项所述装置处理废气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过废气进口将待处理废气接入壳体内；

（2）将空气接入导电管，然后经由毛细管进入壳体内；

（4）关闭高压交流电源。

7.根据权利要求6所述处理废气的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，空气流量≤100slm。

8.根据权利要求6所述处理废气的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，输出功率≤500W。