CN107042039A - 一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及处理方法，属于有机废气处理技术领域。有机废气通过进气装置，经过滤床层过滤后进入反应腔，与此同时，低温等离子体发生装置通过风机吸入外界空气，经介质阻挡放电激发产生高能活性粒子和臭氧进入反应腔，将有机废气氧化分解，反应腔内的气流经过装置上部的吸附催化床层，在催化剂的作用下可进一步强化分解，生成CO₂、H₂O等无害化气体达标排放。本发明的优点在于将低温等离子体发生装置与废气分离，避免直接接触造成放电装置的腐蚀等问题，并有效地将低温等离子体与催化结合强化了有机废气的处理。

Description

一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装 置及处理方法

技术领域

本发明属于有机废气治理技术领域，更具体地说，涉及一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及处理方法。

背景技术

在石油化工、印刷、涂料、电镀和纺织等行业的生产过程中常伴随着挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)的排放，VOCs可以与氮氧化合物发生光化学反应，形成光化学烟雾；也能与大气中的·OH、NO₃ ^-、O₃等氧化剂发生多途径反应，生成二次有机气溶胶(SOA)，对人们的身体健康和空气环境造成极大的危害。

近年来，低温等离子体技术作为有机废气处理的一种有效技术方法得到了广泛的应用，具有效率高、启动速度快、对VOCs无选择性、装置简单等优点。同时，低温等离子体技术存在能量利用率低、低矿化率、产生有害副产物等缺点，以及存在燃烧爆炸的风险，这些问题都制约着其进一步地工业化应用。

低温等离子体技术与催化技术相结合，能够有效地解决单纯等离子体技术存在的问题，得到了广泛研究。例如，公开日为2008年6月25日的中国专利200610167759.4公开了一种集成空气净化方法，该发明提出了一种具有广谱性和高效性的集成空气净化方法，该方法是由吸附再生、低温等离子催化剂耦合净化和尾气吸收组成。首先，采用再生吸附装置对风量为50～1000m³/h、浓度为1ppm～100ppm的低浓度有害气体进行浓缩、富集，得到的洁净空气可以直接排放，然后对吸附床层进行电加热原位再生，释放出浓度为10ppm～2000ppm、风量为2.5～50m³/h的气态污染物进入到低温等离子体反应器中，并通过催化剂床层，有害气体被分解、矿化，有害的微生物、细菌被杀灭，尾气中的副产物被吸收，得到洁净空气。

公开日为2013年1月16日的中国专利201220112056.2公开了一种复合空气净化装置，所述的空气净化装置分为三级过滤，第一级为初效过滤器，第二级为低温等离子、纳米二氧化钛和双波段紫外光催化触酶协同作用过滤，第三级为高效过滤器；所述的第二级过滤分别为低温等离子体结构、聚合高分子复合膜及纳米二氧化钛催化膜、双波段紫外光灯；其中，低温等离子体电极结构、聚合高分子复合膜及纳米二氧化钛催化膜的结构为针板式电极之间夹具有强氧化性的纳米二氧化钛催化膜，两个电极板接3kV-5kV的高压电源和地，低温等离子体电极结构、聚合高分子膜及纳米二氧化钛催化膜通过固定框架安装在风道四壁上；双波段紫外光灯安装在风道中间，其镇流器和变压器安置在装置的外壁上。此装置主要是针对焊接厂房的焊接烟尘的处理，通过多级过滤使装置的过滤效率得到了明显提高，并且可以使空气循环使用。

目前工业中应用较多的低温等离子体技术主要是利用介质阻挡放电的方式产生等离子体，具有稳定、可靠、电子密度和能量高等特点；介质阻挡放电可以分为电极对称结构和电极不对称结构两种，工业实际应用中主要采用电极不对称结构—线筒式同轴电极结构，但是，这种放电管在使用过程中常存在过风阻力大，通风量受限，易形成结焦物损坏放电管和造成安全问题，从而限制了推广和应用。为了解决低温等离子体技术存在的一些问题，研究人员做了大量的工作，例如，Zhang等人(Zhang H,Li K,Shu C,et al.Enhancementof styrene removal using a novel double-tube dielectric barrier discharge(DDBD)reactor[J].Chemical Engineering Journal,2014,256(8):107-118.)利用双介质阻挡放电产生等离子体去除苯乙烯，CO₂选择性和去除效率均有提高，但与单介质阻挡放电相比仍存在能耗高，能效低的缺点。蒋建平等(中国专利；申请号：201410745374.6；公开日：2015年3月25日)设计了一种快速拆卸电极模块的等离子体废气处理装置，包括一个废气处理箱体，该箱体具有一个废气入口和一个废气出口，所述废气处理箱体内水平设置有滑轨，所述滑轨上并列设置有多个电极模块，所述电极模块可拆卸滑动于所述滑轨上，所述滑轨的两端分别设置有电极模块入口和电极模块出口。该发明的电极模块结构，能方便电极的清理与维护，但操作较为复杂，没有从根本上解决电极结焦、污染等问题。综上所述，在低温等离子体技术处理有机废气的领域需要一种新的方法来解决现有的问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有低温等离子体催化处理有机废气存在的介质阻挡放电管易结焦、电极腐蚀、能耗高、安全性低的问题，本发明提供一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及处理方法，将低温等离子体发生器与反应腔分离，适量空气进入低温等离子体发生器产生氧自由基等活性组分，与被处理废气在反应腔及催化剂床层内发生降解反应，避免了低温等离子体发生装置与有机废气的直接接触，降低了能耗、提高装置运行的安全性和稳定性，同时将低温等离子体与催化技术相结合，提高了有机废气的降解效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，包括主体装置和低温等离子体发生装置，所述的主体装置由下至上依次分为过滤床层、反应腔、和吸附催化床层，所述低温等离子体发生装置位于反应腔外部，与所述反应腔无缝连接，低温等离子发生装置的数量可以根据实际需要而定。

更进一步地，所述低温等离子体发生装置内部设有电动风机和低温等离子体发生模块，所述电动风机可抽取空气，所述低温等离子体发生模块与反应腔内部相连，所述低温等离子体发生模块由20～50个低温等离子体发生器等间距并联排列而成。

更进一步地，所述低温等离子体发生器包括内电极、筒形介质材料和外电极，所述内电极位于所述筒形介质材料中心位置，所述外电极紧套于所述筒形介质材料外部；所述内电极为带不锈钢螺纹的棒状结构，所述棒状结构的长度为15～35cm，直径为2～5cm，螺纹间距为0.5～1.5mm；所述筒形介质材料可以为石英玻璃、陶瓷中的一种，所述筒形介质材料的壁厚为1～3mm，长度为10～30cm，略短于内电极；所述外电极为不锈钢网状结构；所述内电极接外部高压电源或脉冲电源，所述外电极接地。

更进一步地，所述过滤床层为层板结构，便于拆卸和组装，所述层板结构有1～3层，每层厚度为5～15cm，层板间距为3～5cm。

更进一步地，所述过滤床层的填料为玻璃纤维、活性炭纤维、多孔金属材料、多孔陶瓷材料中的一种。

更进一步地，所述吸附催化床层为层板结构，所述层板结构有2～5层，每层厚度为5～15cm，层板间距为3～5cm。

更进一步地，所述吸附催化床层的填料选用负载有二氧化钛或锰、钴、铈等金属氧化物催化剂的粒径为5～10mm的氧化铝、分子筛或颗粒活性炭。

一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的方法，其步骤为：

1)启动上述介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，有机废气经过过滤床层去除细小颗粒物，使颗粒物含量低于1mg/m³，然后进入反应腔；

2)该步骤与步骤1)同时进行，低温等离子体发生装置中的电动风机吸入空气，空气在低温等离子体发生模块中，在高压放电的条件下形成氧自由基、羟基自由基、臭氧等活性组分，随后带有活性组分的空气在电动风机的吹动下进入反应腔；

3)带有活性组分的空气与步骤1)进入反应腔的有机废气发生混合，活性组分使有机废气发生氧化反应；

4)混合气体上升进入吸附催化床层，进一步进行催化氧化作用，将有机废气氧化成CO₂和H₂O，然后排出净化后的气体。

更进一步地，所述步骤3)中的混合气体在反应腔内的停留时间为0.1～2s。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明避免了低温等离子体发生装置与有机废气的直接接触，克服了一体式低温等离子体催化反应器结焦、电极腐蚀以及由其引发的安全问题，更加适合低温等离子体催化有机废气处理的工程应用；

(2)本发明将低温等离子体发生装置与有机废气分离，防止高压放电条件下发生爆炸，可根据实际废气浓度，控制低温等离子体发生装置吸入空气速度，进而控制产生高能活性粒子的数量和速度；一部分活性组分与有机废气直接接触发生反应，另外一部分活性组分进入催化床层，在催化剂的作用下与有机废气发生反应，提高了降解效率；

(3)本发明将低温等离子体氧化和催化氧化有效的结合，提高了矿化率，降低了能耗以及副产物的产生；采用可拆卸床层的形式，可根据实际废气的浓度确定吸附填料和催化填料的使用量，提高吸附剂和催化剂的利用率。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的低温等离子体发生模块5的结构示意图；

图3为本发明的低温等离子体发生器8的结构示意图；

图中：1-过滤床层；2-反应腔；3-低温等离子体发生装置；4-吸附催化床层；5-低温等离子体发生模块；6-电动风机；7-支架；8-低温等离子体发生器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种用于处理工业含甲苯废气的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，如图1所示，包括主体装置和低温等离子体发生装置3，所述的主体装置由下至上依次分为过滤床层1、反应腔2和吸附催化床层4，所述低温等离子体发生装置3位于反应腔2外部，与所述反应腔2无缝连接。

低温等离子体发生装置3内部设有低温等离子体发生模块5和电动风机6，低温等离子体发生模块5与反应腔2内部相连，如图2所示，低温等离子体发生模块5由50个低温等离子体发生器8等间距并联排列而成。

如图3所示，低温等离子体发生器8包括内电极、筒形介质材料和外电极，内电极位于筒形介质材料中心位置，外电极紧套于所述筒形介质材料外部；内电极为带不锈钢螺纹的棒状结构，螺纹间距为0.5mm，棒状结构的长度为15cm，直径为2cm；筒形介质材料为石英玻璃，筒形介质材料的壁厚为1mm，长度为10cm；外电极为不锈钢网状结构；内电极接高压交流电源，外电极接地。

过滤床层1为层板结构，层板结构有3层，每层厚度为15cm，层板间距为5cm，过滤床层1的填料为玻璃纤维。

吸附催化床层4为层板结构，层板结构有5层，每层厚度为15cm，层板间距为5cm，吸附催化床层4的填料选用负载锰氧化物的颗粒活性炭，粒径为5mm。

装置的操作方法：接通本实施例的装置的电源，含甲苯有机废气进入主体装置中，经过过滤床层1去除细小颗粒物，使颗粒物含量低于1mg/m³(这里只是说明过滤床层的作用，废气经过过滤均可达到此标准，若达不到标准应及时更换过滤介质)，然后进入反应腔2；与此同时，低温等离子体发生装置3中的电动风机6吸入空气，空气在低温等离子体发生模块5中，在高压放电的条件下形成活性组分，随后带有活性组分的空气在电动风机6的吹动下进入反应腔2；带有活性组分的空气与进入反应腔2的有机废气发生混合，活性组分使含甲苯有机废气发生氧化反应；然后混合气体上升进入吸附催化床层4，进一步进行催化氧化作用，将有机废气氧化成CO₂和H₂O，净化后的气体达标排出。

在本实施例1中，处理前废气的流量为50m³/h，甲苯的浓度为2000ppm左右。含甲苯有机废气经过上述低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，气体在反应腔内的停留时间为0.5s，高压交流电源的放电电压为25kV，频率为10kHz，有机废气的净化效率达到95％以上。

实施例2

为了处理与实施例1相同的废气，本实施例2所采用的装置的大体结构与实施例1基本一致，不同之处仅在于：

低温等离子体发生模块是由20个低温等离子体发生器等间距并联排列而成的；低温等离子体发生器中的内电极长度为35cm，直径为5cm，螺纹间距为1.5mm；筒形介质材料的壁厚为3mm，长度为30cm；过滤床层为1层；吸附催化床层为2层，层板间距为3cm，催化剂为负载铈氧化物的氧化铝，氧化铝的粒径为10mm；装置的其它结构及参数不变。

采用实施例1同样的操作方法，利用本实施例2所述装置对处理前废气流量为50m³/h、甲苯浓度为2000ppm左右的废气进行处理，反应器出口的甲苯浓度是150ppm左右，净化效率为92.5％。

实施例3

为了处理与实施例1相同的废气，本实施例3所采用的装置的大体结构与实施例1基本一致，不同之处仅在于：

低温等离子体发生模块是由40个低温等离子体发生器等间距并联排列而成的；低温等离子体发生器中的内电极长度为25cm，直径为3.5cm，螺纹间距为1mm；筒形介质材料为陶瓷，壁厚为2mm，长度为20cm；过滤床层为2层，床层厚度为10cm，层板间距为3cm，过滤床层的填料为石英砂；吸附催化床层为3层，床层厚度为10cm，层板间距为4cm，催化剂为负载钴氧化物的分子筛，氧化铝的粒径为8mm；装置的其它结构及参数不变。

采用实施例1同样的操作方法，利用本实施例3所述装置对处理前废气流量为50m³/h、甲苯浓度为2000ppm左右的废气进行处理，反应器出口的甲苯浓度是80ppm左右，净化效率为96％。

实施例4

氯丙烯是工业生产中一种比较典型的有机挥发性气体，作为一种重要的有机合成原料，广泛应用于有机合成及制药工业中。利用本发明所提供的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及方法处理某工厂的氯丙烯废气，废气流量40m³/h，氯丙烯的初始浓度1500ppm左右。本实施例4所采用的装置的大体结构与实施例1基本一致，不同之处在于：

低温等离子体发生模块是由40个低温等离子体发生器等间距并联排列而成的；低温等离子体发生器中的内电极长度为35cm，直径为2mm，螺纹间距为1.5mm，放电间隙为1.5mm；筒形介质材料为陶瓷；过滤床层为3层，床层厚度为5cm，层板间距为4cm，过滤床层的填料为活性炭纤维；吸附催化床层为3层，床层厚度为5cm，层板间距为3cm，催化剂为负载二氧化钛的分子筛，分子筛的粒径为6～8mm；装置的其它结构及参数不变。

采用实施例1同样的操作方法，其中高压交流电源的放电电压为28kV，频率为10kHz。含氯丙烯有机废气经过本实施例4的低温等离子体协同催化处理装置，气体在反应腔内的停留时间为2s，有机废气的净化效率达到90％以上。

实施例5

含硫有机恶臭气体因其嗅觉阈值低，涉及行业广泛，毒性大而备受关注。利用本发明的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及方法对某化工企业污水站厌氧池产生的含硫有机恶臭气体进行处理，废气流量约为200m³/h，含硫有机气体的初始浓度300ppm左右。本实施例5所采用的装置的大体结构与实施例1基本一致，不同之处在于：

低温等离子体发生模块是由50个低温等离子体发生器等间距并联排列而成的；低温等离子体发生器中的内电极长度为18cm，直径为3mm，螺纹间距为0.5mm，放电间隙为1.5mm；筒形介质材料为石英玻璃；过滤床层为3层，床层厚度为10cm，层板间距为5cm，过滤材料采用多孔陶瓷材料；吸附催化床层为2层，床层厚度为10cm，层板间距为5cm，催化剂为负载锰氧化物的颗粒活性炭，颗粒活性炭的粒径为10mm；装置的其它结构及参数不变。

采用实施例1同样的操作方法，其中高压交流电源的放电电压为22kV，频率为10.6kHz。含硫有机恶臭气体经过本实施例5的低温等离子体协同催化处理装置，气体在反应腔内的停留时间为0.1s，净化效率达到97％以上。

Claims (10)

1.一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，包括主体装置和低温等离子体发生装置(3)；所述的主体装置由下至上依次分为过滤床层(1)、反应腔(2)和吸附催化床层(4)，所述低温等离子体发生装置(3)位于反应腔(2)外部，与所述反应腔(2)无缝连接。

2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述低温等离子体发生装置(3)内部设有低温等离子体发生模块(5)和电动风机(6)，所述低温等离子体发生模块(5)与反应腔(2)内部相连。

3.根据权利要求2所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述低温等离子体发生模块(5)由20～50个低温等离子体发生器(8)等间距并联排列而成。

4.根据权利要求3所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述低温等离子体发生器(8)包括内电极、筒形介质材料和外电极，所述内电极位于所述筒形介质材料中心位置，所述外电极紧套于所述筒形介质材料外部；所述内电极为带不锈钢螺纹的棒状结构，螺纹间距为0.5～1.5mm，所述棒状结构的长度为15～35cm，直径为2～5mm；所述筒形介质材料为石英玻璃、陶瓷中的一种，所述筒形介质材料的壁厚为1～3mm，长度为10～30cm，略短于内电极；所述外电极为不锈钢网状结构；所述内电极接高压交流电源或脉冲电源，所述外电极接地。

5.根据权利要求1所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述过滤床层(1)为层板结构，所述层板结构有1～3层，每层厚度为5～15cm，层板间距为3～5cm。

6.根据权利要求1或5所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述过滤床层(1)的填料为玻璃纤维、活性炭纤维、石英砂、多孔陶瓷材料中的一种。

7.根据权利要求1所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述吸附催化床层(4)为层板结构，所述层板结构有2～5层，每层厚度为5～15cm，层板间距为3～5cm。

8.根据权利要求1或7所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，其特征在于，所述吸附催化床层(4)的填料选用负载有二氧化钛或锰、钴、铈金属氧化物催化剂的粒径为5～10mm的氧化铝、分子筛或颗粒活性炭。

9.一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用权利要求1～8中任意一项所述的介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置，接通电源，有机废气经过过滤床层(1)去除细小颗粒物，然后进入反应腔(2)；

2)该步骤与步骤1)同时进行，低温等离子体发生装置(3)中的电动风机(6)吸入空气，空气在低温等离子体发生模块(5)中，在高压放电的条件下形成活性组分，随后带有活性组分的空气在电动风机(6)的吹动下进入反应腔(2)；

3)带有活性组分的空气与步骤1)进入反应腔(2)的有机废气发生混合，活性组分使有机废气发生氧化反应；

4)混合气体上升进入吸附催化床层(4)，进一步进行催化氧化作用，然后排出净化后的气体。

10.根据权利要求9所述的一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的方法，其特征在于，所述步骤3)中的混合气体在反应腔(2)内的停留时间为0.1～2s。