CN104941401A - 双介质阻挡放电低温等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，从外到内包括外保护层、外电极、绝缘介质外管、绝缘介质内管、内电极及内保护结构；该绝缘介质外管套设在该绝缘介质内管外并与该绝缘介质内管间隔设置，该绝缘介质外管包括一进气口及一出气口；该外电极设置在该绝缘介质外管的外壁上；该外保护层为耐热的绝缘层，设置在该外电极的外表面，使该外电极与空气隔绝；该内电极设置在该绝缘介质内管的内壁上；该内保护结构为耐热的绝缘结构，设置在该绝缘介质内管中并覆盖该内电极，使该内电极与空气隔绝。

Description

双介质阻挡放电低温等离子体处理装置

技术领域

本发明属于污染物控制领域，特别涉及一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置。

背景技术

化石燃料和金属冶炼产生的烟气中含有多种形态的汞。随着世界各国对大气中汞污染问题的日益关注，烟气中排放的汞已成为目前我国迫切需要解决的一个重大环境问题。同时我国面临着严重霾污染问题，捕集烟气颗粒物并实现从源头降低颗粒物排放是解决霾污染的重要途径。

低温等离子体法是一种前景广阔的烟气汞和颗粒物处理方法。它能在大气压下将烟气中气态的单质汞（Hg⁰）转化成氧化态汞（Hg²⁺）和颗粒态汞（Hg_p），使其能被传统的空气污染控制系统有效去除。低温等离子体中，大部分电能被用来产生紫外线和化学性质活跃的O₃、H₂O₂等分子，以及OH、HO₂和O等基团。这些化学性质活跃的物质和紫外线可以高效氧化烟气中的汞单质（Hg⁰），并能对颗粒物进行荷电。

双介质阻挡放电（Double Dielectric Barrier Discharge，DDBD）是介质阻挡放电（DBD）的一种。介质阻挡放电是一种有绝缘介质插入放电空间的非平衡态气体放电现象，又称介质阻挡电晕放电或无声放电。双介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作。其电极结构的设计形式多种多样，在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生等离子体放电，即产生了双介质阻挡放电。

中国专利CN203507790提供了一种基于陡前沿纳秒脉冲电源的双介质低温等离子反应器，其包括机壳、瓷介质棒、接地电极和阳电极，机壳两端分别设有进气端和出气端，瓷介质棒通过两个安装支架轴向安装在机壳内的中部，接地电极以螺旋方式绕装在圆筒状机壳的表面上，阳电极安装在瓷介质棒上，接地电极与阳电极连接到陡前沿纳秒脉冲电源的输出端上，该陡前沿纳秒脉冲电源由高压交流电源、高压直流电源和交直流耦合电路连接构成。该装置实现了燃烧炉大气污染物的协同与集成治理功能，但阳电极设置在瓷介质棒上实际上未能实现双介质阻挡放电。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双介质阻挡放电的低温等离子体处理装置。

一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，从外到内包括外保护层、外电极、绝缘介质外管、绝缘介质内管、内电极及内保护结构；该绝缘介质外管套设在该绝缘介质内管外并与该绝缘介质内管间隔设置，该绝缘介质外管包括一进气口及一出气口；该外电极设置在该绝缘介质外管的外壁上；该外保护层为耐热的绝缘层，设置在该外电极的外表面，使该外电极与空气隔绝；该内电极设置在该绝缘介质内管的内壁上；该内保护结构为耐热的绝缘结构，设置在该绝缘介质内管中并覆盖该内电极，使该内电极与空气隔绝。

本发明的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置中，该绝缘介质外管与绝缘介质内管形成双阻挡介质，实现双介质阻挡低温等离子体放电。待处理的气体，如含有汞和气溶胶颗粒物的烟气从进气口进入等离子体反应区域，被等离子体氧化后的烟气从出气口离开，捕集效率可以达到95%以上。此外，该外电极与内电极之间可形成电场，使气溶胶微粒带电并被有效捕集，从而具有静电除尘器的作用，对无机颗粒物的去除特别有效。另外，外电极及内电极与通入的气体及外部空气均形成隔绝，既保护电极结构，又可以降低处理过程消耗的电能，保证等离子体放电仅发生在绝缘介质外管与绝缘介质内管之间的区域中，从而使得反应可以长时间稳定连续进行。

附图说明

图1为本发明实施例双介质阻挡放电低温等离子体处理装置的结构示意图。

主要元件符号说明

双介质阻挡放电低温等离子体处理装置	100
		外保护层	110
外电极	120
		绝缘介质外管	130
进气口	132
		出气口	134
绝缘介质内管	140
		内电极	150
内保护结构	160
		散热装置	170
收集装置	180
		固定连接装置	190

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置做进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100，从外到内包括外保护层110、外电极120、绝缘介质外管130、绝缘介质内管140、内电极150及内保护结构160。

该绝缘介质外管130的直径大于绝缘介质内管140的直径，套设在该绝缘介质内管140外并与该绝缘介质内管140间隔设置。该绝缘介质外管130与该绝缘介质内管140间的空隙是等离子体反应发生的场所。优选地，该绝缘介质外管130与该绝缘介质内管140同轴设置。该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140之间的距离优选为3 mm~10 mm，本实施例中为5mm。该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140的管壁厚度优选为2 mm~4 mm，本实施例中为2 mm。该绝缘介质内管140的直径优选为20 mm~100 mm，本实施例中为42 mm。该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140优选为圆柱管。该绝缘介质外管130进一步包括一进气口132及一出气口134，分别靠近该绝缘介质外管130的两端设置，优选为设置在该绝缘介质外管130的侧壁上。该进气口132及出气口134用于向该绝缘介质外管130与该绝缘介质内管140之间通入需要处理的气体，如通入含有烟气汞和颗粒物的废气。该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140优选为竖直设置，该进气口132优选设置在靠近该绝缘介质外管130的底端，该出气口134优选设置在靠近该绝缘介质外管130的顶端。该进气口132优选设置在该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140具有耐热性能，材料可以为石英、陶瓷或耐热玻璃。

该外电极120设置在该绝缘介质外管130的外壁上，优选为具有筒状结构，环绕该绝缘介质外管130的外壁设置。举例来说，该外电极120可以是围绕在该绝缘介质外管130的外壁上的金属膜、金属丝或金属带。该外电极120的材料优选为导电性好的金属材料，如铜、金或银。例如该外电极120为螺旋围绕在该绝缘介质外管130外壁上的铜带。该外电极120为等离子体发生器的低压电极或接地电极。

该外保护层110为耐热的绝缘层，设置在该外电极120的外表面，使该外电极120与空气隔绝，从而工作时不会使绝缘介质外管130外的空气发生等离子体放电，提高该外电极120的耐用性。该外保护层110可以仅设置在该外电极120表面或整体包裹该绝缘介质外管130，优选为完全覆盖该外电极120。具体地，该外保护层110可以为贴附在该外电极120表面的耐热绝缘胶带或涂附在该外电极120表面的真空硅脂。

该内电极150设置在该绝缘介质内管140的内壁上，具有筒状结构，环绕该绝缘介质内管140的内壁设置。举例来说，该内电极150可以是套设在该绝缘介质内管140中的金属管或围绕在该绝缘介质内管140的内壁上的金属膜、金属丝或金属带。该内电极150的材料优选为导电性好的金属材料，如铜、金或银。例如该内电极150为套设在该绝缘介质内管140中的铜管。该外电极120为等离子体发生器的高压电极或供电电极。

该内保护结构160为耐热的绝缘结构，设置在该绝缘介质内管140中并覆盖该内电极150，使该内电极150与空气隔绝，从而工作时不会使绝缘介质内管140内的空气发生等离子体放电，提高该内电极150的耐用性。在一实施例中，该内保护结构160可以为内保护层，仅设置在该内电极150表面或整体覆盖该绝缘介质内管140的内壁，优选为完全覆盖该内电极150。具体地，该内保护层可以为贴附在该内电极150表面的耐热绝缘胶带或涂附在该内电极150表面的真空硅脂。在另一实施例中，该内保护结构160为一芯柱，填充在该绝缘介质内管140中，从而排除绝缘介质内管140中的空气。该芯柱的材料可以与该绝缘介质内管140材料相同，与该绝缘介质内管140同轴设置。

该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100中，该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140为双阻挡介质，工作时内电极150连接高压电源，外电极120接地，在双介质间的区域内产生低温等离子体放电。待处理的气体，如含有汞和气溶胶颗粒物的烟气从进气口132进入等离子体反应区域，被等离子体氧化后的烟气从出气口134离开。烟气中气溶胶颗粒物的存在可以提高等离子体对烟气中的汞的去除效率。在颗粒物存在的条件下，该处理装置100可以使烟气中汞的捕集效率达到95%以上。此外，该外电极与内电极之间可形成电场，使气溶胶微粒带电并被有效捕集，从而具有静电除尘器的作用，对无机颗粒物的去除特别有效。另外，外电极120及内电极150均与通入的气体隔绝，避免产生的等离子体与外电极120及内电极150发生反应，损坏电极结构。该外保护层110及内保护结构160使外电极120及内电极150均与外部空气隔绝，避免引起不必要的等离子体放电。因此，该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100既保护电极结构，又可以降低处理过程消耗的电能，保证等离子体放电仅发生在绝缘介质外管130与绝缘介质内管140之间的区域中，从而使得反应可以长时间稳定连续进行。该筒状结构的内电极150与外电极120平行，与内电极150为线状相比，放电面积大，产生的等离子体密度高。

该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100的内电极150由于设置在两个绝缘介质管中，在工作中会产生大量热而不易散出，热量堆积在绝缘介质管中可能引起绝缘介质管的过热甚至炸裂，因此，该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100还可以进一步包括一散热装置170，套设在该绝缘介质内管140中的筒状结构的内电极150中，将绝缘介质内管140中的热量导出至该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100外。该筒状结构的内电极150提供了设置该散热装置170的内部空间，从而达到高效散热的效果。该散热装置170与该筒状结构的内电极150、绝缘介质内管140、绝缘介质外管130、外电极120可以同轴设置。该散热装置170可以为散热片或热管，从该绝缘介质内管140的一端延伸至另一端。

当该内保护结构160为层状结构，即内保护层时，该内保护层设置在该散热装置170与该内电极150之间。当该内保护结构160为芯柱时，该散热装置170设置在该芯柱中。

在一优选的实施例中，该内保护结构160同时具有导热的作用，同时与该内电极150及该散热装置170接触，将热量从内电极150传导至该散热装置170。

在一更为优选的实施例中，该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140竖直设置，该绝缘介质内管140底端封闭，该内保护结构160为填充在该绝缘介质内管140中的绝缘导热液体介质，如硅油。该散热装置170设置在该绝缘导热液体介质中。

设置在该内电极150内部的散热装置170可以有效的传导内部热量，使双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100可以长时间安全稳定的运行。

该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100还可以进一步包括一收集装置180。当该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140竖直设置，该收集装置180与该绝缘介质外管130的底部连接，用于收集颗粒物和冷凝水。在等离子体放电过程中产生的汞颗粒、无机颗粒物和冷凝水通过重力作用沿管壁滑落至该收集装置180，实现在同一装置中对废气进行处理和副产物收集。该收集装置180可以为一灰斗，灰斗上端与该绝缘介质外管130的底端连接，底部具有旋钮开关，打开灰斗底部即可放出收集到的汞和颗粒物，无需进行拆卸和更换，方便实用。

该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100还可以进一步包括一固定连接装置190，固定连接该绝缘介质外管130与绝缘介质内管140，以及该绝缘介质外管130及收集装置180。

实施例1

配置烟气，使烟气中单质汞浓度为45μg/m³，NaCl气溶胶微粒浓度为0.4×10¹¹ nm²/cm³。使用1kV直流高压电源为该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100供电以产生等离子体反应，调节输入的能量密度，使之约为16.3J/L。将烟气从进气口132通入等离子体反应区域并从出气口134离开。

处理后烟气中的单质汞和气溶胶颗粒物浓度显著降低，单质汞的去除率约为86%，同时大于90%的气溶胶颗粒物被捕集。

实施例2

配置烟气，使烟气中单质汞浓度为210 μg/m³，NaCl气溶胶微粒浓度为0.4×10¹¹ nm²/cm³。使用1kV直流高压电源为该双介质阻挡放电低温等离子体处理装置100供电以产生等离子体反应，调节输入的能量密度，使之约为16.3J/L。将烟气从进气口132通入等离子体反应区域并从出气口134离开。

处理后烟气中的单质汞和气溶胶颗粒物浓度显著降低，单质汞的去除率约为96%，同时大于90%的气溶胶颗粒物被捕集。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，从外到内包括外保护层、外电极、绝缘介质外管、绝缘介质内管、内电极及内保护结构；该绝缘介质外管套设在该绝缘介质内管外并与该绝缘介质内管间隔设置，该绝缘介质外管包括一进气口及一出气口；该外电极设置在该绝缘介质外管的外壁上；该外保护层为耐热的绝缘层，设置在该外电极的外表面，使该外电极与空气隔绝；该内电极设置在该绝缘介质内管的内壁上；该内保护结构为耐热的绝缘结构，设置在该绝缘介质内管中并覆盖该内电极，使该内电极与空气隔绝。

2.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该绝缘介质外管与绝缘介质内管竖直设置，该进气口设置在靠近该绝缘介质外管的底端，该出气口设置在靠近该绝缘介质外管的顶端。

3.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该外电极及内电极均为筒状结构，该外电极环绕该绝缘介质外管的外壁设置，该内电极环绕该绝缘介质内管的内壁设置。

4.如权利要求3所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该外电极是围绕在该绝缘介质外管外壁上的金属膜、金属丝或金属带，该内电极是套设在该绝缘介质内管中的金属管或围绕在该绝缘介质内管的内壁上的金属膜、金属丝或金属带。

5.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该外保护层为贴附在该外电极表面的耐热绝缘胶带或涂附在该外电极表面的真空硅脂。

6.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该内保护结构为内保护层或芯柱，该内保护层设置在该内电极表面，该芯柱填充在该绝缘介质内管中。

7.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，进一步包括一散热装置，套设在该绝缘介质内管中。

8.如权利要求7所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该散热装置、内电极、绝缘介质内管、绝缘介质外管及外电极为同轴设置。

9.如权利要求7所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，该绝缘介质外管与绝缘介质内管竖直设置，该绝缘介质内管底端封闭，该内保护结构为填充在该绝缘介质内管中的绝缘导热液体介质，该散热装置设置在该绝缘导热液体介质中。

10.如权利要求1所述的双介质阻挡放电低温等离子体处理装置，其特征在于，进一步包括收集装置，该绝缘介质外管与绝缘介质内管竖直设置，该收集装置与该绝缘介质外管的底部连接，用于收集颗粒物和冷凝水。