CN107281913A

CN107281913A - 一种有机废气的处理系统及处理方法

Info

Publication number: CN107281913A
Application number: CN201710699171.1A
Authority: CN
Inventors: 李树然; 邓官垒; 黄逸凡; 郑钦臻; 闫克平
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2017-10-24

Abstract

本发明公开了一种有机废气的处理方法，包括：将有机废气通入干式等离子体装置进行降解和成粒，形成荷电的气溶胶固相副产物，得到初步净化的气体和荷电气溶胶固相副产物；初步净化的气体和荷电气溶胶固相副产物进入吸收装置，初步吸收和捕集气体和气溶胶固相副产物，得到进一步净化的气体和气溶胶固相副产物；进一步净化的气体和气溶胶固相副产物进入湿式等离子体装置，进一步降解和强化吸收有机废气，捕集气溶胶固相副产物，得到净化气体。本发明还公开了一种有机废气的处理系统及该系统的应用。本发明的处理方法利用低温等离子体联用吸收设备和除雾设备对有机废气进行处理，降低了有机废气收集条件、提高收集效率，并且降低了处理成本。

Description

一种有机废气的处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及废气处理领域，尤其涉及一种有机废气的处理系统及处理方法。

背景技术

可挥发性有机气体(VOCs)是指在常压下，沸点50～260℃的各种有机化合物。按其化学结构主要可分为：芳香烃类、卤代烃类、醛类、醇类、硫醇类、胺类、酮类、醚类等。这些VOCs排放到空气中不仅直接危害着人类的神经及免疫系统，同时极易产生如气溶胶等二次污染物，造成更严重的环境问题。我国VOCs排放总量很大，典型行业的VOCs污染非常严重，且有持续增长的趋势，VOCs的排放控制具有非常的紧迫性。

对于传统技术，如燃烧法和冷凝法对高浓度VOCs的去除是比较经济可行的。因此，应根据污染物性质、污染物浓度、生产的具体情况、安全性、净化要求、经济性等条件，对各种控制技术进行工艺优化，采用新的组合或耦合技术，如冷凝-吸附、吸收-冷凝、吸附-催化燃烧、吸附-光催化氧化等组合工艺，进一步提高VOCs的去除率，降低成本和减少二次污染。其中，低温等离子体具有适应性强，耗材滤料需求少等优点，受到了广泛的关注。

在空气污染控制领域，低温等离子体主要是通过气体放电产生的。气体放电方式有多种，一般分为介质阻挡放电(DBD)、辉光放电、电晕放电、射频放电及微波放电。低温等离子体的产生是耗能过程，对于DBD、直流电晕放电、脉冲电晕放电这3种常见的放电等离子体发生方法，DBD注入功率大，但能量效率较低；直流电晕放电能量效率较高，但注入功率小，且容易发生火花放电或电弧放电；脉冲电晕放电注入功率大，能量效率最高。因此，单纯采用低温等离子体技术降解有机物，能耗高，难于实际应用。

基于低温等离子体的特性，公开号为CN101700462A的中国专利文献公开了一种两段式低温等离子体废气净化装置及方法，第一段为干式等离子体氧化器，第二段为气溶胶生长器和低俗湿式等离子体收集处理器。该申请期望能够利用等离子体的降解和气溶胶生成能力，对有机废气进行处理。但由于实际应用中，有机废气量较大，利用该工艺流程实现高效处理所需要的能耗较高。一般处理10000m³/h的废气就需要约90kW的电源功率，能耗水平较高。

发明内容

本发明提供一种有机废气的处理方法，利用低温等离子体联用吸收设备和除雾设备对有机废气进行处理，降低了有机废气收集条件、提高收集效率，降低了有机废气的处理成本。

一种有机废气的处理方法，包括以下步骤：

(1)将有机废气通入干式等离子体装置进行降解和成粒，形成荷电的气溶胶固相副产物，得到初步净化的气体和荷电气溶胶固相副产物；

(2)初步净化的气体和荷电气溶胶固相副产物进入吸收装置，初步吸收和捕集气体和气溶胶固相副产物，得到进一步净化的气体和气溶胶固相副产物；

(3)进一步净化的气体和气溶胶固相副产物进入湿式等离子体装置，进一步降解和强化吸收有机废气，捕集气溶胶固相副产物，得到净化气体。

本发明的处理方法中各部分的作用原理是：1)干式等离子体装置的降解和成粒作用；2)吸收装置的吸收和除尘除雾作用；3)湿式等离子体的降解、强化吸收和除尘除雾作用。

干式等离子体装置的降解作用原理如下：在干式等离子体装置中发生的放电，会产生大面积的低温等离子体。低温等离子体中具有大量活性基团和高能粒子，其与有机物能够发生复杂的物理化学反应，主要以离子反应过程为主。等离子体处理有机物的过程可以简化为自由基生成和消耗的过程：(1)自由基产生；(2)自由基对污染物的去除反应；(3)自由基的线性消耗；(4)自由基的非线性消耗。

以有机废气中的典型污染物甲苯为例。甲苯在等离子体中的反应主要为自由基消耗反应。空气放电条件下，甲苯主要和氧自由基反应。高能电子作用下，氧自由基的生成：e+O₂→e+O+O；氧自由基作用下，甲苯的去除反应：O+C₆H₅·CH₃→C₆H₅·CH₂O+H。

在等离子体中，高能电子在高速运动过程中，也可以和污染物进行反应。电子在运动过程中，和甲苯碰撞，可使甲苯激发、分解和电离。考虑甲苯分子中化学键的能量，电子最容易在键能最低的化学键处发生作用，因此，甲苯分子键中，甲基上的C-H键最容易发生断裂。

干式等离子体装置的成粒作用原理如下：VOCs在等离子体化学反应过程中，受到自由基的氧化、电子的碰撞，发生一系列反应，部分分解为H₂O和CO₂，还有部分发生聚合，形成气溶胶。气溶胶的生成主要是链增长过程，受到反应物性质、等离子体能量、反应气氛等因素的影响。

吸收装置的吸收作用主要基于吸收剂与有机物的物理或化学吸收过程，如采用柠檬酸钠作为吸收剂时，其在溶液中水解后，其电离的亲油基能够与甲苯等有机物发生化学吸收，并通过自身的亲水基将吸收下来的有机物固定在液相，从而实现有机废气的化学吸收过程。

吸收装置的除尘除雾作用主要是通过吸收装置内喷洒的吸收剂液滴或喷淋的液相与有机气溶胶发生碰撞，并将其夹带出气相体系实现的。

湿式等离子体装置的降解作用与干式等离子体装置相同，其吸收作用则与吸收装置相同，但其除尘除雾作用则不仅通过液相吸收剂的喷淋实现，还通过静电除尘的原理实现。即在湿式等离子体装置中，由于高压放电而产生大量离子和电子，离子和电子与有机气溶胶碰撞使之带电。荷电后的有机气溶胶在电场作用下向接地极迁移，并被接地极表面的液膜冲洗带下，实现有机气溶胶从气相脱离的过程。

除了上述各装置具有的功能外，本发明中各装置串联还具有协同作用。这些协同作用对于降低系统整体能耗和提高废气中有机物的去除率有极大作用。各装置的协同作用如下：

1)干式等离子体装置与吸收装置的协同作用：强化有机气溶胶生成过程。

纯粹利用干式或湿式等离子体降解有机废气的能耗较高，以常见的油漆溶剂甲苯为例，欲将其浓度降低100mg/m³，所需介质阻挡放电的能耗至少为30J/L。因此，为了降低能耗，应当强化有机气溶胶的生成效率。如前所述，气态有机废气进入干式等离子体部分发生聚合，形成有机气溶胶。在较低能耗下，这种有机气溶胶的生成效率不高。仍以甲苯为例，在13J/L的能耗水平下，气溶胶的生成量约2～5mg/m³。

在干式等离子体生成有机气溶胶的过程中，还有大量气态有机物还能够被活化。即自由电子和离子使得气态的有机物处于高能态或携带一定的电荷。这些处于高能态或荷电的气态有机物进入吸收装置后，更容易吸附在其中小液滴的表面，从而进一步形成有机气溶胶。在1000m³/h的小试试验中，通过协同作用形成的有机气溶胶可以达到100mg/m³以上。而在前端没有放电的条件下，气溶胶生成量仅为20mg/m³左右。因此，干式等离子体和吸收装置串联协同作用对于有机气溶胶的形成极为重要。

2)吸收装置与湿式等离子体装置的协同作用：

a、强化气态有机物的吸收过程。

现有的有机废气吸收装置的吸收液多采用碱液或吸收剂，并添加一定的发泡剂和絮凝剂。在实际运行中，由于吸收液循环次数和pH调节等问题，常出现吸收液有机物浓度偏高的现象。此时，气态有机物的传质系数大幅度降低，吸收效率明显减少。

当吸收装置和湿式等离子体装置串联工作时，由于湿式等离子体装置中发生喷雾或降膜，放电作用会使其中的吸收液液滴形成细雾，提高了吸收液的比表面积，从而提高气态有机物的传质效果。在1000m³/h的小试试验中，粒径低于0.1μm的细雾个数明显增加，从1×10⁵个/cm³提高到1×10⁷个/cm³左右。因此，吸收效率也提高30％～50％左右。

b、尾气除雾。

一般现有吸收装置的排气端一般仅添加几道机械除雾器，用以尾气除雾。当有机废气粘性较高时，机械除雾器容易发生堵塞粘接。因此采用湿式等离子体装置时，由于极板始终处于被吸收液冲刷的状态，能够避免或减少粘接问题，同时避免尾气水雾的出现。

作为优选，步骤(1)中，干式等离子体装置内的有效能量密度不低于0.5J/L。

保证干式等离子体装置内的有效能量密度不低于0.5J/L时，有机废气能进行充分的降解或转化成气溶胶，提供后续的处理效率。

作为优选，步骤(2)中，吸收装置内喷雾的平均液滴粒径低于200μm，最小液滴粒径低于1μm。

吸收装置中主要对废气进行吸收，喷雾液滴较小时提高了吸收液的比表面积，从而提高气态有机物的传质效果，增强吸收效果。

作为优选，步骤(2)中，吸收装置内的气液比不低于1L/m³。

干式等离子体装置与吸收装置通过连接管道连通，有机废气在连接管道内的停留时间低于40s。

作为优选，步骤(3)中，湿式等离子体装置内的有效放电面积与气体流量的比(比收尘面积)不低于4m²/(m³/s)。

作为优选，吸收装置和湿式等离子体装置内的吸收液为氢氧化钠水溶液。

本发明还公开了一种有机废气的处理系统，包括：顺次连通的干式等离子体装置、吸收装置以及湿式等离子体装置；

所述干式等离子体装置包括第一反应器和第一电源；

所述湿式等离子体装置包括第二反应器、第二电源和供液装置。

作为优选，所述的干式等离子体装置采取电晕放电或介质阻挡放电形式。

作为优选，所述的湿式等离子体装置为线板或线筒式放电结构，采取电晕放电或介质阻挡放电形式；

所述的湿式等离子体装置通过喷淋或挂膜进行供液。

所述的吸收装置为喷淋塔、旋流塔或填料塔。

作为优选，有机废气的处理系统还包括吸收液回收处理装置和清液池，吸收液回收处理装置的入口分别与吸收装置及湿式等离子体装置的吸收液出口连通，吸收液回收处理装置的出口与清液池的入口连通，清液池的出口分别与吸收装置及湿式等离子体装置的吸收液入口连通。

通过吸收液回收处理装置和清液池可以实现对吸收液的循环利用。长期使用的吸收液的COD浓度会有所升高，还需要对回收的吸收液进行相应的处理。

本发明还公开了一种上述有机废气的处理系统在处理含苯类有机废气中的应用，

所述的干式等离子体装置采用介质阻挡放电方式，干式等离子体装置内的能量密度为0.5～300J/L；

所述的吸收装置为旋流塔，旋流塔内的气液比为500～1000L/m³；

所述的湿式等离子体装置为线板式结构，湿式等离子体装置内的有效放电面积与气体流量的比为10～200m²/(m³/s)。

作为优选，所述的含苯类有机废气来自调漆间、喷漆或喷漆后烘干工序，以质量百分比计，含有UV漆挥发性物质20％、溶剂型油漆挥发性物质40％。

作为优选，以质量百分比计，所述的含苯类有机废气含有甲苯和二甲苯共25％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明的处理方法通过干式等离子体过程使气态有机污染物降解和成粒，提高后续装置的处理效率；

2)有机废气成粒后，使有机废气处理的异相吸收过程部分转变为除尘除雾过程，避免了吸收过程容易饱和、效率偏低等问题；

3)通过将湿式等离子体装置联用于吸收装置之后，解决了现有技术中尾气含湿度高、机械除雾器容易堵塞等问题，还增加了强化吸收过程，进一步提高了有机废气的处理效率。

附图说明

图1为实施例中处理系统的结构示意图；

图2为实施例中处理方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，有机废气的处理系统包括顺次连通的干式等离子体装置2、吸收装置3以及湿式等离子体装置4，还包括吸收液回收处理装置6和清液池7，吸收液回收处理装置6的入口分别与吸收装置3及湿式等离子体装置4的吸收液出口连通，吸收液回收处理装置6的出口与清液池7的入口连通，清液池7的出口分别与吸收装置3及湿式等离子体装置4的吸收液入口连通。

有机废气自系统入口1流入干式等离子体装置2，经过降解和成粒后，流入吸收装置3，在其中吸收和除尘除雾后，流入湿式等离子体装置4，由于湿式等离子体装置4具有电除雾的效果，在其收集极板表面还可以形成液膜5，净化处理后的有机废气自系统出口10排出，直接排空或进入后续装置。

由于吸收装置3和湿式等离子体装置4都会产生吸收废液，因此在装置下部均需设置集液槽来收集废液。废液汇集流入吸收液回收处理装置6，通过沉淀和起泡作用，将吸收液分离成为浮渣8、清液和沉渣9，浮渣8和沉渣9可以通过人工和机械捞渣作用清除，中间清液进一步汇入清液池7后，循环汇入吸收装置3或湿式等离子体装置4进行回用。长期使用的清液中COD浓度会有所升高，还需进行相应的生化处理等。

有机废气的处理方法的原理示意图如图2所示，整个工艺流程可以分为三个处理区：即干式等离子体装置为降解成粒区，吸收装置为吸收除尘除雾区，湿式等离子体装置为吸收电除尘除雾区。

有机废气首先流入干式等离子体装置，在本装置中实现两个过程：1)气态有机物直接降解；2)气态有机物聚合形成颗粒态气溶胶。由于干式等离子体可以产生大量活性基团，如·O、·OH、自由电子和臭氧，能够打断有机物键，使之形成易吸收的短链有机物，短链有机物可以进一步被矿化形成二氧化碳。在降解有机物的同时，干式等离子体更重要的作用在于，通过注入能量使得气态有机物聚合形成颗粒态气溶胶，这种气溶胶以液滴或固态颗粒的形式出现，这种气溶胶容易被后续的吸收和湿式等离子体装置吸收去除。

降解成粒后的有机废气流入吸收装置，在本装置中实现两个过程：1)气态有机物的吸收过程；2)颗粒态有机气溶胶水洗过程。由于吸收装置中的吸收液多采取碱液或其他吸收剂，对有机物的亨利系数或吸收系数提高，能够有效吸收有机物，因此具有吸收气态有机物的功能。此外，由于吸收装置多采取喷淋或塔板水洗的方式，通过吸收液与气溶胶的碰撞等可以实现除尘除雾的功能。

吸收除尘除雾后的有机废气流入湿式等离子体装置，进行强化吸收除尘，在本装置中起到净化作用的有二：吸收剂和电场。一般湿式等离子体装置所采取的吸收剂与前端吸收装置相同，其起到的作用也与吸收装置相同，即气态有机物的吸收和颗粒态有机气溶胶的水洗。此外，电场能够起到强化有机气溶胶去除的作用。颗粒态有机气溶胶进入湿式等离子体装置后，由于电晕放电等能够产生大量电子和离子，从而使得颗粒态有机气溶胶能够荷电，荷电后的气溶胶在电场作用下向收集极板驱进，从而实现颗粒态有机气溶胶的电除尘过程。

应用例

上述处理系统可以处理有机废气量达180000Nm³/h。

该有机废气主要来自通讯设备的塑料手机壳、五金外观件、防爆膜的喷油和喷油后烘干工序，同时包括调漆间废气，总风量为180000m³/h。其中，UV漆挥发性物质占20％，溶剂型油漆挥发性物质占40％，VOCs生产量为31552.2kg/a(公斤每年)，其中甲苯、二甲苯占25％。

采用上述的处理工艺，对每个生产线(60000Nm³/h，共3条)进行处理。即每条生产线废气顺次进入干式等离子体装置、吸收装置(3层旋流塔)和湿式等离子体装置(线板式结构)。

其中干式等离子体为介质阻挡放电，共20根陶瓷管，功率为17kW，其能量密度为1J/L；吸收装置为3层旋流塔，其气液比为833L/m³，吸收液为清水添加氢氧化钠、絮凝剂和发泡剂；湿式等离子体为线板式结构，比收尘面积为30m²/(m³/s)。

处理系统入口处，有机物废气中非甲烷总烃浓度约150mg/m³，二甲苯、甲苯浓度约90mg/m³。经过本处理系统处理后，系统出口处的气体中非甲烷总烃浓度可以低于50mg/m³，颗粒物低于10mg/m³。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种有机废气的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的有机废气的处理方法，其特征在于，步骤(1)中，干式等离子体装置内的有效能量密度不低于0.5J/L。

3.根据权利要求1所述的有机废气的处理方法，其特征在于，步骤(2)中，吸收装置内喷雾的平均液滴粒径低于200μm，最小液滴粒径低于1μm。

4.根据权利要求1或3所述的有机废气的处理方法，其特征在于，步骤(2)中，吸收装置内的气液比不低于1L/m³。

5.根据权利要求1所述的有机废气的处理方法，其特征在于，步骤(3)中，湿式等离子体装置内的有效放电面积与气体流量的比不低于4m²/(m³/s)。

6.一种有机废气的处理系统，其特征在于，包括：顺次连通的干式等离子体装置、吸收装置以及湿式等离子体装置；

所述干式等离子体装置包括第一反应器和第一电源；

7.根据权利要求6所述的有机废气的处理系统，其特征在于，还包括吸收液回收处理装置和清液池，吸收液回收处理装置的入口分别与吸收装置及湿式等离子体装置的吸收液出口连通，吸收液回收处理装置的出口与清液池的入口连通，清液池的出口分别与吸收装置及湿式等离子体装置的吸收液入口连通。

8.一种根据权利要求6或7所述有机废气的处理系统在处理含苯类有机废气中的应用，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的含苯类有机废气来自调漆间、喷漆或喷漆后烘干工序，以质量百分比计，含有UV漆挥发性物质20％、溶剂型油漆挥发性物质40％。

10.根据根据权利要求9所述的应用，其特征在于，以质量百分比计，所述的含苯类有机废气含有甲苯和二甲苯共25％。