CN105833674B - 热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，包括：反应筒体；切向旋流进口，与筒壁相切地开设在反应筒体的一端；切向旋流出口，与筒壁相切地开设在反应筒体的另一端；放电电极管，安装在所述反应筒体的中心轴上；螺旋加热管电极，安装在所述反应筒体内，沿着所述反应筒体的内筒壁轴向螺旋延伸，用于高温裂解喷涂废气；高压直流电源；加热管控温器；本发明还提供了一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的方法；本发明的装置和方法具有除去颗粒物效率高、降解VOCs的效果好以及高温热力降解VOCs的效率高等优点，从而实现高效节能、避免二次污染物产生的目的，其投资与处理成本低，操作简单方便，具有十分广阔的应用前景。

Description

热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置与方法
技术领域
本发明涉及喷涂废气的处理技术，特别涉及热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置与方法。
背景技术
喷涂装行业(如木质品表面喷涂)的喷涂废气中含有大量的颗粒物与挥发性有机污染物或有机废气(VOCs)，其中颗粒物主要成分是一些有机颜料，VOCs主要包括脂肪族和芳香族的各种烷烃、烯烃、含氧烃和卤代烃等，如苯、甲苯、二甲苯、甲醛和乙酸乙酯等。这些喷涂废气一般具有较强的刺激性和毒性，具有致畸、致癌、致突变作用，对人体健康具有重大影响。此外，VOCs作为大气关键污染物O3和PM2.5的重要前体物，易造成臭氧污染和细粒子污染，严重影响环境空气质量。因此，开展喷涂废气的污染防治对于建设“生态文明”和“美丽中国”具有重要意义。
针对VOCs的性质以及浓度分布的不同，目前广泛应用于VOCs治理的措施基本分为两大类：一类是以改进工艺技术、更换设备、防止泄漏乃至杜绝VOCs排放为主的预防性措施；另一类是以末端治理为主的控制性技术。末端处理技术又具体分为两种：一种是通过物理方法回收VOCs，即回收法；另一种是通过生化方法将VOCs氧化分解为无毒或是低毒产物的破坏性方法，即消除法。回收法主要有吸附法、冷凝法、吸收法及膜分离法。吸附法是利用某些具有吸附能力吸附质诸如活性炭、分子筛等吸附有机污染物而达到污染控制的目的。该方法去除率高，无二次污染，净化效率高，操作方便，且能实现自动控制；不足之处是由于吸附容量受限，不适于处理高浓度有机气体，当废气中有胶粒物质或其它杂质时，吸附剂易失效，同时吸附剂需要再生。冷凝法的原理是利用气态污染物不同的蒸气压，通过调节温度和压力使目标污染物过饱和而发生凝结作用，从而实现净化和回收。该法需要较高的压力和较低的温度才能保证较高的回收效率，因此，运行费用高，适用于高沸点和高浓度VOCs的回收。吸收法是以液体溶剂作为吸收剂，使废气中的有害成分被液体吸收，从而达到净化的目的。吸收法治理气态污染物技术成熟，设计及操作经验丰富，适用性强，而且能将污染物转化为有用的产品；不足在于吸收剂后处理投资大，对有机成分选择性大，易出现二次污染。膜分离法的原理是利用VOCs废气各组分在压力推动下通过选择性膜的不同速率，使目标污染物得到分离。膜分离法的优点是对不同挥发性有机物的普适性好，几乎适用于各种VOCs，故吸附法、冷凝法等难处理的低沸点VOCs都可用膜分离法处理，并且回收效率高(可达90％)无二次污染等；缺点是对设备的要求高，一些分离膜等材料非常昂贵，成本较高。消除法主要包含燃烧法、生物法、光催化法、低温等离子体法。燃烧法是利用VOCs容易燃烧这一性质，VOCs经过充分燃烧后，最终产物为二氧化碳和水，从而达到污染物消除的目的。生物法处理VOCs是通过控制适宜的环境条件，培养并驯化出特定的微生物，利用废气中的污染物作为碳源和能源，维持其生命活动，同时将污染物转化为CO2、H2O等无机物，从而达到净化的目的。生物法的优点在于常温、常压下进行，操作条件要求低，能耗、投资和操作费用相对较少，而且无二次污染；但是生物法也存在一定的局限性，其生物降解速率有限，废气中所含的有机物需能溶于水，对具有生物毒性的物质处理效果较差。光催化法是利用催化剂的光催化活性，使吸附在其表面的VOCs发生氧化还原反应，最终转化为CO2、H2O及无机小分子物质。光催化法能将VOCs较为彻底脱除，副产物少，但存在着催化剂易失活、催化剂难以固定或催化剂固定后活性低的缺点。低温等离子体法又称非平衡等离子体法，是在外加电场的作用下，通过介质放电产生大量的高能粒子，高能粒子与有机污染物分子发生一系列复杂的等离子体物理—化学反应，从而将有机污染物降解为无毒无害物质。低温等离子体法具有工艺简单、适用性强、易于操作、能耗低等优点，但其存在脱除效率和能量利用率不高的缺点。
这些方法的使用条件不同，均有实际应用。由于喷涂等行业产生的VOCs废气量大、波动大，浓度低、成分复杂，常间歇运行，传统处理方法都不同程度地存在着降解效率低和二次污染等问题。低温等离子体净化技术是近年来发展起来的废气治理新技术，它可通过高压电晕放电在常温常压下获得，具有化学活性高，反应速度快,对多种VOCs均有较好的去除效果，比传统处理方法更显示出较好的技术优势。
但采用的反应器主要是冷电极放电结构，由于放电结构、极间距与气体介质击穿等条件限制，普遍存在着放电空间单位体积能量密度不足、能量效率低等问题而影响实际应用。为此，开发新型高效的喷涂废气协同控制方法已成为当下的研究热点与难点。
发明内容
本发明提供了一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，将放电等离子体氧化及高温热解的有效结合起来，充分发挥它们之间的相互协同作用，具有能量效率高与降解效果好等特点。
一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，包括：
反应筒体；
切向旋流进口，与筒壁相切地开设在反应筒体的一端；
切向旋流出口，与筒壁相切地开设在反应筒体的另一端；
放电电极管，安装在所述反应筒体的中心轴上；
螺旋加热管电极，安装在所述反应筒体内，沿着所述反应筒体的内筒壁轴向螺旋延伸，用于高温裂解喷涂废气；
高压直流电源，加载在放电电极管的一端使放电电极管电晕放电产生高能电子；
加热管控温器，加载在螺旋加热管电极的两端。
优选的，所述反应筒体的内径为0.5～1.0m，且其内径与长度之比为0.1～0.25。
针对喷涂废气提高净化效果，优选的，所述高压直流电源的额定输出电压120kV～140kV。可以是市售高压直流电源或自制高压直流电源。
针对喷涂废气提高净化效果，优选的，所述螺旋加热管电极的直径为30～50mm，功率为10～20kW。
为了兼顾装置体积以及净化效果，优选的，所述螺旋加热管电极的螺旋外径比反应筒体的内径小50～60mm，螺距为80～150mm。
放电电极管表面只要有尖端电极即可电晕放电，为了提高效率，优选的，所述放电电极管包括金属管体以及固定在金属管体上的多根针状电极。
进一步优选的，所述金属管体采用不锈钢管，直径为40～60mm；
所述针状电极在所述金属管体的轴向上间隔100～120mm设有一组，每组5～7根周向均匀固定在所述金属管体表面；
所述针状电极的直径为2～4mm，长度为30～120mm。
本发明还提供了一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的方法，使用上述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，包括以下步骤：
(1)将待处理的喷涂颗粒物与有机废气混合废气从切向旋流进口切向进入反应筒体中；
(2)所述螺旋加热管高温裂解沉降其表面的喷涂颗粒物；
(3)所述放电电极管电晕放电产生的高能电子电解和激发有机废气；
(4)在高压静电场的作用下步骤(3)中电解和激发有机废气产生的自由基氧化VOCs与步骤(2)中未完全降解的喷涂颗粒物一起在电迁移作用下，向螺旋加热管电极表面聚集被进一步高温裂解。
(5)反应后的净化气体从切向旋流出口排出。
针对喷涂废气提高净化效果，优选的，所述的混合废气在反应筒体中反应时间4～5s。
针对喷涂废气提高净化效果，优选的，所述螺旋加热管的表面温度为420～650℃。
本发明装置在使用时，首先将待处理的喷涂颗粒物与有机废气混合废气从切向旋流进口切向进入反应筒体中并在反应筒体中旋流，喷涂颗粒物与有机废气混合废气在离心力与电场力的作用下，喷涂颗粒物向反应筒体周边靠近筒壁的螺旋加热管电极迁移而沉降其表面，在螺旋电热管的高温作用下，沉降的涂料有机颗粒物被高温裂解而得到净化；同时，由电晕放电产生的高能电子部分与VOCs分子与气体(O2、N2等)发生直接碰撞，使其电离、解离和激发，产生自由基氧化VOCs，并且在高压静电场中，荷电的VOCs分子与未完全降解产物在电场力的电迁移作用下，向螺旋加热管电极表面聚集，在高温热力的作用下被进一步发生热力裂解，从而达到净化喷漆有机废气的目的。
本发明装置和方法一方面利用螺旋加热管电极和放电电极管的热电晕放电产生的更多高能等离子体氧化VOCs；另一方面，在高压放电电场中，颗粒物、VOCs分子与未完全降解产物被带上电荷，然后在电场力的聚焦作用下将被快速持续地电迁移聚集至螺旋加热管电极的表面，在高温热力的作用下被进一步完全催化降解。本发明利用热电晕放电与高温裂解联合同时处理木玩喷涂颗粒物与有机废气，它充分利用高压电晕放电除去颗粒物效率高、降解VOCs的效果好以及高温热力降解VOCs的效率高等优点，从而实现高效节能、避免二次污染物产生的目的，其投资与处理成本低，操作简单方便，具有十分广阔的应用前景。本发明针对喷涂等所产生的VOCs废气量大、波动大、浓度低和多组分等特点，提出的热电晕放电与高温裂解联合同时处理木玩喷涂颗粒物与有机废气的方法与装置，拟采用热电晕放电与高温裂解联合同时处理木玩喷涂颗粒物与有机废气。
本发明的有益效果：
本发明的装置和方法针对喷涂等所产生的VOCs废气量大、波动大、浓度低和多组分等特点，结合热电晕放电与高温裂解处理木玩喷涂颗粒物与有机废气，充分利用高压电晕放电除去颗粒物效率高、降解VOCs的效果好以及高温热力降解VOCs的效率高等优点，从而实现高效节能、避免二次污染物产生的目的，其投资与处理成本低，操作简单方便，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为图1在A-A方向上的剖视示意图。
图3为本发明装置的放电电极管横截面的放大示意图。
具体实施方式
如图1～3所示，本实施例的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置包括：切向旋流进口1、反应筒体2、高压直流电源3、温度控制器4、螺旋电热管电极5、放电电极管6和切向旋流出口7。
本实施例中切向旋流进口1位于反应筒体2的下端部分，其截面为长方形，长度与宽度比为3：4，截面积按照通过气流的平均风速范围8～15m/s进行设计。
本实施例中反应筒体2是由圆筒体、上下盖及气体进出口组成，圆筒体直径由处理VOCs的气量和放电电压所决定，上、下盖由聚四氟乙烯材料制成，但不仅限于此材料。处理VOCs的放电电压120kV，处理气体在筒体中停留时间4～5s。
本实施例中高压直流电源3为市售高压直流电源或自制高压直流电源，其额定输出电压为120kV。
本实施例中螺旋电热管电极5为定制螺旋型电热管，电热管直径为40mm，功率15kW，螺旋电热管电极5的螺旋外径比反应筒体的内径少55mm，螺距为120mm。工作时，螺旋电热管电极5的表面温度控制在420～550℃，螺旋电热管电极5的表面接地。
本实施例中，放电电极管6为特制的带针状电极的金属导线制作而成，骨架为不锈钢管61，不锈钢管61的直径50mm，水平截面方向均匀布置6根针状电极62，针状电极62的直径3mm，长度7mm；在筒体轴线方向，在不锈钢管芒刺骨架上每隔110mm设置一组针状电极62，放电电极管6接高压直流电源的负极。
使用本实施例的装置进行热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的方法包括以下步骤：
首先将待处理喷涂颗粒物与有机废气混合废气从切向旋流进口1处引入反应筒体2中；
在离心力与电场力的作用下，喷涂颗粒物向反应筒体2周边的螺旋电热管电极5迁移而沉降其表面，在螺旋电热管电极5的高温作用下，沉降的涂料有机颗粒物被高温裂解而得到净化；
由放电电极管6电晕放电产生的高能电子中，一部分与VOCs分子发生直接碰撞，使其电离、解离和激发，另一部分与背景气体(O2、N2等)产生自由基间接与VOCs发生反应；
在高压静电场中，荷电的VOCs分子与未完全降解产物在电场力的电迁移作用下，向反应筒体2周边的螺旋电热管电极5表面聚集，在高温热力的作用下被进一步发生热力裂解，从而达到净化喷漆有机废气的目的。

Claims (9)

1.一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，包括：
反应筒体；
切向旋流进口，与筒壁相切地开设在反应筒体的一端；
切向旋流出口，与筒壁相切地开设在反应筒体的另一端；
放电电极管，安装在所述反应筒体的中心轴上；
螺旋加热管电极，安装在所述反应筒体内，沿着所述反应筒体的内筒壁轴向螺旋延伸，用于高温裂解喷涂废气；
高压直流电源，加载在放电电极管的一端使放电电极管电晕放电产生高能电子；
加热管控温器，加载在螺旋加热管电极的两端。
2.如权利要求1所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述反应筒体的内径为0.5～1.0m，且其内径与长度之比为0.1～0.25。
3.如权利要求1所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述高压直流电源的额定输出电压120kV～140kV。
4.如权利要求1所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述螺旋加热管电极的直径为30～50mm，功率为10～20kW。
5.如权利要求1或4所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述螺旋加热管电极的螺旋外径比反应筒体的内径小50～60mm，螺距为80～150mm。
6.如权利要求1所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述放电电极管包括金属管体以及固定在金属管体上的多根针状电极。
7.如权利要求6所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，其特征在于，所述金属管体采用不锈钢管，直径为40～60mm；
所述针状电极在所述金属管体的轴向上间隔100～120mm设有一组，每组5～7根周向均匀固定在所述金属管体表面；
所述针状电极的直径为2～4mm，长度为30～120mm。
8.一种热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的方法，其特征在于，使用如权利要求1～7任一权利要求所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的装置，包括以下步骤：
(1)将待处理的喷涂颗粒物与有机废气混合废气从切向旋流进口切向进入反应筒体中；
(2)所述螺旋加热管高温裂解沉降其表面的喷涂颗粒物；
(3)所述放电电极管电晕放电产生的高能电子电解和激发有机废气；
(4)在高压静电场的作用下步骤(3)中电解和激发有机废气产生的自由基氧化VOCs与步骤(2)中未完全降解的喷涂颗粒物一起在电迁移作用下，向螺旋加热管电极表面聚集被进一步高温裂解;
(5)反应后的净化气体从切向旋流出口排出，所述的混合废气在反应筒体中反应时间4～5s。
9.如权利要求8所述的热电晕放电与高温裂解联合处理喷涂废气的方法，其特征在于，所述螺旋加热管的表面温度为420～650℃。
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