CN110227338B - 一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统，包括湿式低温等离子体氧化塔和吸收液再生反应器。本发明所述系统将污泥干化废气引入湿式低温等离子体氧化塔中，经等离子体氧化及喷淋吸收液喷淋后，污泥干化废气中的有机物和无机物大部分被彻底氧化，未被彻底氧化的中间产物被喷淋吸收液捕获，喷淋液经收集后同步进入吸收液再生反应器中，经再生后再次回到湿式低温等离子体氧化塔中再次对污泥干化废气进行吸收，本发明可实现喷淋吸收液的长期重复使用、极低或无二次污染的产生，处理后的尾气各项排放指标均达标。
Description
技术领域
本发明涉及一种废气处理系统，具体涉及一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统。
背景技术
截至2017年6月底，我国城镇累计建成运行污水处理厂4063座，其中每年排放湿污泥约(3.8～5.5)×106吨。由于湿污泥含水率高达80％以上，已有部分城市要求新改建污水厂在厂区内将污泥处理至含水率30％～40％后才能出厂。大量实践表明，干化是污泥实现减容的最高效的方法。然而，其最大的问题在于，污泥中含有大量有机物和有毒物质，在干化过程中释放的恶臭废气带有氨气(NH3)、硫化氢(H2S)及挥发性有机物(VOCs)等多种污染物，其中典型恶臭污染物质为NH3、H2S、VOCs(如甲硫醇、乙硫醇、甲苯、二甲苯)等。恶臭废气如果不加处理直接排放，必然对环境造成污染，引起周边的居民的逆反心理，导致厂群矛盾。因此，污泥干化恶臭废气治理已经成为城市环境管理的新难题。
目前对恶臭废气治理常规方法主要有焚烧法、吸收法、吸附法、生物法。焚烧法除臭效率高，但燃料消耗大，投资和运行费用相对较高；吸附法是物理方法，只是污染物的转移；生物法，处理复杂组分的混合气体时的去除率比处理单一成分气体时的去除率要低；吸收法净化污泥干化废气较为有效，但需要通过多级湿式吸收塔除尘除气才能去除废气中毒害气体(如NH3和H2S)，形成两方面技术障碍：(1)多级吸收塔“羊肉串”方式的串联，吸收塔数量多，吸收塔内多种污染物的协同深度氧化缺乏先进的理论和方法；(2)水使用量极大，二次污染风险增加，吸收液水质恢复缺乏先进的再生技术手段。从上述各种恶臭废气治理方法看出，协同销毁废气中的多种污染物是污泥干化废气净化的重点和难点。
低温等离子体是一种可以销毁恶臭污染物排放的新兴技术，主要是利用气体放电产生的活性自由基氧化、还原或分解污染物分子，并不需要加热全部气流来销毁污染物。低温等离子体净化恶臭气体的关键是采用何种放电方式产生低温等离子体。直至目前，常用的气体放电方式包括电晕放电、介质阻挡放电、滑动弧放电等，其主要研究进展及存在问题如下：
电晕放电：Helfritch DJ等人利用脉冲电晕放电处理H2S/H2的混合气体，在气压和H2S浓度相同的条件下，脉冲电晕放电的静态处理效果为37％，动态的去除效率为75％；施耀等人研究了脉冲电晕等离子体对单一乙硫醇(C2H5SH)、H2S、NH3、两组混合物(C2H5SH+H2S，C2H5SH+NH3)的去除效果，初始浓度都为200mg/m3的C2H5SH和H2S在混合前后，最佳去除效果变化不大，H2S的最大去除率都为100％，混合后C2H5SH的去除率从96.5％下降到95.6％，能耗降低了31.5～45.2％。C2H5SH和NH3混合后，C2H5SH的去除率从97.4下降到93.1％，而NH3的去除率从88.9％上升到100％，能耗降低了55.6％。存在主要问题：电源昂贵及气溶胶等副产物需要控制，易产生火花放电，在高峰值电压下，反应器易产生火花放电，火花放电不仅增大电能消耗，而且破坏放电的正常进行，净化效率低，还存在危险性。
介质阻挡放电：Chang MB等人利用介质阻挡放电处理浓度分别为100ppm和50ppm的NH3和H2S混合气体，当电压达到18.5kV时，NH3和H2S的降解效率分别为88％和100％。XiaLY等利用介质阻挡放电降解NH3，浓度为30mg/m3，最大降解效率为90％。存在主要问题：处理规模偏小及臭氧等副产物需要控制，有些化合物在低温等离子体环境中发生聚合反应，在电极或器壁沉积结焦，积累到一定程度也会引起设备着火。
滑动弧放电：Czernichowski A等人利用滑动弧放电等离子体处理H2S和CH3SH，当H2S在空气中的质量分数为0.7％时，滑动弧放电对H2S去除率可达到100％，且能耗较低。存在主要问题：能耗高及副产物如氮氧化物需要控制，废气本身或处理系统积累的有机物浓度高，达到了被净化物质(或混合物)的爆炸极限值，电极放电时造成设备爆炸。
综上所述，低温等离子体反应器具有较多优势，其设备简单，降解效率较高，在处理恶臭废气方面具有广阔的应用空间。但目前的低温等离子体反应器仍普遍存在着一些关键的问题有待解决：1)反应器规模偏小，放大反应规模的反应器几乎没有；2)反应后的产物中仍带有污染物气体，特别是副产物；3)低温等离子降解复杂成分气体的研究不深入，缺少多种无机、有机气体的复杂组分的废气净化装置；4)采用气相低温等离子体净化装置时，若进气组分携带有机物，浓度过高，或气体放电长期运行且没有清洗电极，会导致火灾爆炸风险极大提高。
发明内容
本发明的目的在于针对污泥干化废气的特点，以降低设备投资、能耗和运行操作成本为目标，本发明提出一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统。该系统实现了气液下的等离子体净化，把气体污染物中的极性分子捕获到液相中利用液相等离子体氧化分解，非极性分子则在高湿度环境下经低温等离子体分解，实现了多组分复杂废气的净化，基本消除了二次污染，消除了火灾爆炸风险，尾气达标排放。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统，包括湿式低温等离子体氧化塔；所述湿式低温等离子体氧化塔下部设有污泥干化废气进气口和吸收液出水口，所述湿式低温等离子体氧化塔内设有除雾层和废气处理区，所述废气处理区设于污泥干化废气进气口和除雾层之间；所述废气处理区包括至少一个喷淋器、至少一个布水器和至少一组低温等离子体放电电极组，所述低温等离子体放电电极组包括至少一个低温等离子体放电电极；所述布水器设于喷淋器下方，所述低温等离子体放电电极组设于布水器下方。
本发明湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统可以处理污泥干化废气中多种污染物，将污泥干化废气引入湿式低温等离子体氧化塔中，经等离子体氧化及喷淋吸收液喷淋后，污泥干化废气中的有机物和无机物大部分被彻底氧化，未被彻底氧化的中间产物被喷淋吸收液捕获，喷淋液经收集后经再生后可再次回到湿式低温等离子体氧化塔中再次对污泥干化废气进行吸收，本发明可实现喷淋吸收液的长期重复使用、极低或无二次污染的产生，处理后的尾气各项排放指标均达标。
所述湿式低温等离子体氧化塔至少包含一级废气处理区，可以根据实际的进气条件设置多级串联废气处理区，每个区域中可包含一组喷淋面积覆盖整个喷淋截面的喷淋器、至少一个用于均匀分布喷淋液的布水器、一组低温等离子体放电电极组。每级废气处理区优选设置至少两个布水器，使吸收液与待处理废气更充分地接触。
优选地，所述低温等离子体放电电极组包括至少两个低温等离子体放电电极，同一低温等离子体放电电极组的电极在同一水平面上，相邻低温等离子体放电电极之间的水平间距不为零且小于所述电极的直径长度；优选地，相邻低温等离子体放电电极之间的水平间距为3～20mm。
优选地，所述系统还包括吸收液再生反应器，所述吸收液出水口与吸收液再生反应器相连，所述吸收液再生反应器包括至少一个吸收液再生反应单元，所述吸收液再生反应单元内设有至少一个上电极组和至少一个下电极组，每个上电极组或下电极组均包括至少一个上电极或下电极，所述上电极设于吸收液液面以上，所述下电极设于吸收液液面以下。
污泥干化废气从所述湿式低温等离子体氧化塔进气口进入，污泥干化废气中的非极性污染物在氧化塔等离子体系统中部分被氧化分解为无害成分，未被彻底氧化的中间产物和极性污染物被喷淋吸收液所吸收并在吸收液再生反应器放电系统被氧化分解成无害成分。
在吸收液再生反应器中，对上电极组和下电极组施加高压电后，在上电极组与再生液液面之间的间隙形成等离子体放电区域，所述上电极组置于液面上方、下电极置于液面以下，形成气-液两相等离子体放电现象。
优选地，所述每个上电极组或下电极组均包括至少两个上电极或至少两个下电极，同一上电极组或同一下电极组的电极位于同一水平面上，相邻上电极或下电极之间的水平间距不为零且小于所述电极的直径长度。电极数量可根据实际情况增加，多个电极之间的连接方式为并联连接。
优选地，相邻上电极或下电极之间的水平间距为3～20mm。
优选地，所述上电极组与吸收液液面的距离为3～10mm，所述下电极组与吸收液液面的距离大于等于3mm。上电极组和下电极组采用上述间距设置时，对再生液处理效果较好。
优选地，每个低温等离子体放电电极、上电极和下电极均包括金属电极，所述金属电极外设有绝缘介质套管；所述绝缘介质套管用于隔离金属电极与待处理的气体或液体。优选地，所述绝缘介质套管的材料为石英玻璃、陶瓷或聚合物。
为了形成介质阻挡放电现象，所述低温等离子体放电电极每个电极外部均设置电介质绝缘介质套管，在所述湿式低温等离子体氧化塔内部，套有绝缘介质套管的金属电极不会与吸收液或气流直接接触，在吸收液再生反应器内部，上电极和下电极被绝缘介质套管完全包裹，金属电极均不会与吸收液直接接触而造成电极腐蚀。
优选地，所述金属电极为导电金属材料，所述金属电极为棒状结构，所述绝缘介质套管的厚度小于等于金属电极的直径。
优选地，所述金属电极的直径为3～25mm，所述绝缘介质套管的厚度为0.5～5mm。
优选地，所述低温等离子体放电电极、上电极和下电极的电源为高压电且放电形式为交流或直流脉冲。
优选地，所述湿式低温等离子体氧化塔和吸收液再生反应器的外壳材料为玻璃钢、聚丙烯或玻纤增强聚丙烯。
优选地，所述布水器的材料为聚丙烯、玻纤增强聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯和聚偏氟乙烯中的至少一种。
优选地，所述湿式低温等离子体氧化塔顶部设有出气口，用于排出处理后的废气。
优选地，所述吸收液再生反应单元之间通过溢流管连接，最后一级吸收液再生反应单元与收集槽相连，所述收集槽通过增压泵与喷淋器相连。所述吸收液再生反应器中吸收液的在吸收液再生单元中的流动方式采取溢流的方式，来自湿式低温等离子体氧化塔的吸收液经氧化塔水泵抽取后在吸收液再生单元的前端进入，浸没下电极后液面高度继续上升并达到溢流的高度，随后进入下一级，直到溢流进入最后一级，再生液经收集泵入湿式低温等离子体氧化塔中。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统，本发明所述系统将污泥干化废气引入湿式低温等离子体氧化塔中，经等离子体氧化及喷淋吸收液喷淋后，污泥干化废气中的有机物和无机物大部分被彻底氧化，未被彻底氧化的中间产物被喷淋吸收液捕获，喷淋液经收集后同步进入吸收液再生反应器中，经再生后再次回到湿式低温等离子体氧化塔中再次对污泥干化废气进行吸收，本发明可实现喷淋吸收液的长期重复使用、极低或无二次污染的产生，处理后的尾气各项排放指标均达标。
附图说明
图1为实施例所述湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统的结构示意图；
图2为一级低温等离子体放电电极的结构示意图；
其中，1、湿式低温等离子体氧化塔；11、塔体；12、除雾层；13、一级喷淋区；14、氧化塔一级低温等离子体放电电极；15、氧化塔等离子体电源；16、二级喷淋区；17、氧化塔二级低温等离子体放电电极；18、吸收液收集区；19、氧化塔水泵；111、出气口；112、进气口；131、一级喷淋器；132、一级上布水器；133、一级下布水器；141、石英玻璃管；142、电极棒；161、二级喷淋器；162、二级上布水器；163、二级下布水器；181、吸收液收集槽；2、吸收液再生反应器；21、吸收液再生反应器外壳；22、吸收液再生反应器放电系统；23、循环水泵；24、循环吸收液收集槽；211、再生液溢流槽；212、再生液溢流管；221、吸收液再生系统电源；222、上电极组；223、下电极组。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统的实施例，本实施例所述系统的结构示意图见图1，
所述湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统包括湿式低温等离子体氧化塔1和吸收液再生反应器2，湿式低温等离子体氧化塔1制作材料为聚丙烯，为空心圆筒形柱状体，直径1500mm，高2900mm。
所述湿式低温等离子体氧化塔1下部设有污泥干化废气进气口112和吸收液出水口，塔体11顶端设置一个出气口111，逆着废气流动方向，所述湿式低温等离子体氧化塔1依次设置除雾层12、一级喷淋区13、一级上布水器132、氧化塔一级低温等离子体放电电极组14、一级下布水器133、二级喷淋区16、二级上布水器162、氧化塔二级低温等离子体放电电极组17、二级下布水器163，一级喷淋区13和二级喷淋区16均设有多个喷淋器(一级喷淋器131和二级喷淋器161)，一级喷淋器131设于一级上布水器132上方20cm处，二级喷淋器161设于二级上布水器162上方20cm处；湿式低温等离子体氧化塔1底部设有用于收集喷淋吸收液的吸收液收集槽182，所述吸收液收集槽182通过氧化塔水泵19与吸收液再生反应器2相连。
如图2所示，氧化塔一级低温等离子体放电电极组14和氧化塔二级低温等离子体放电电极组17包括电极棒142，电极棒142的制作材料均为铜，其直径为5mm，外部套有厚度为1mm的石英玻璃管141，氧化塔一级低温等离子体放电电极组14和氧化塔二级低温等离子体放电电极组17均分别包括70个低温等离子体放电电极，可覆盖整个塔截面的电极组。同一低温等离子体放电电极组的电极在同一水平面上，氧化塔一级低温等离子体放电电极组14和氧化塔二级低温等离子体放电电极组17由氧化塔等离子体电源15驱动放电。
吸收液再生反应器外壳21由聚丙烯制成，长800mm，宽600mm，高800mm，吸收液再生反应器2设置了一个吸收液再生反应单元，包括一个上电极组222和一个下电极组223，上电极组222包括15个上电极，下电极组223包括15个下电极，同一上电极组或同一下电极组的电极位于同一水平面上，上电极组222的下端面距吸收液液面3mm，下电极223组设于吸收液液面下方5mm处。上电极和下电极制作材料为铜，直径为4mm，其外部套有厚度为1mm的石英玻璃管，上电极组222和下电极组223均平行布置，间距相同，相邻间距为25mm，吸收液再生反应器放电系统22分别与上电极组222和下电极组223连接。吸收液再生反应器1上设有再生液溢流槽211，再生液溢流槽211通过再生液溢流管212与循环吸收液收集槽24相连通，循环吸收液收集槽24通过循环水泵23与一级喷淋区13和二级喷淋区16相连通。
本实施例所述湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统工作时，湿式低温等离子体氧化塔1采用二级喷淋方式处理模拟干化废气，模拟污泥干化废气从进气口112进入湿式低温等离子体氧化塔1，塔体11顶端设置一个出气口111，污泥干化废气自下而上流动，依次经过二级下布水器163、氧化塔二级低温等离子体放电电极组17、二级上布水器162、二级喷淋器161、一级下布水器133、氧化塔一级低温等离子体放电电极组14、一级上布水器132、一级喷淋器131、除雾层12，从出气口111排出，废气自下而上的流动过程中，与自上而下的喷淋液充分接触，极性污染物分子被吸收到喷淋吸收液中，非极性污染物分子通过氧化塔二级低温等离子体放电电极组17和氧化塔一级低温等离子体放电电极组14的过程中，放电电极之间形成大量的活性粒子，与低温等离子体产生的活性物质接触并被氧化，分解为无害的非极性物质经出气口111排出，极性物质被吸收到喷淋吸收液中。经吸收后的喷淋吸收液收集到吸收液收集槽181中，经氧化塔水泵19抽取吸收液后进入吸收液再生反应器2。
对吸收液再生反应器放电系统22施加8kV、50Hz的交流高压电后，在上电极组222与液面之间形成3mm的空气间隙中产生等离子体放电现象，生成大量的O自由基、OH自由基等活性粒子，溶于吸收液181的极性污染物质经过该放电区域后被彻底降解，转化为无害物质、CO2、H2O，吸收液得以再生，再生液经再生液溢流槽211溢流，经再生液溢流管212流入循环吸收液收集槽24，随后经循环水泵23抽取后重新返回湿式低温等离子体氧化塔1再次作吸收液使用。
污泥干化废气根据地区和来源的不同产生的有机污染物也会有所不同，但污染物的主要成分仍是NH3、H2S、VOCs以及即使浓度很低但也有很高阀值的硫醚类、硫醇类等干化臭气。采用本实施例所述系统对模拟污泥干化废气进行处理，模拟污泥干化废气成分及其降解效率见表1，处理废气流量5000m3/h，VOCs浓度为300mg/m3以下，该系统可实现混合废气中的NH3、H2S、VOCs及干化臭气等多种污染物的彻底氧化降解，符合排放标准。
表1模拟污泥干化废气中的气体成分及其降解效率
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (2)
1.一种湿式低温等离子体处理污泥干化废气的系统，其特征在于，包括湿式低温等离子体氧化塔；所述湿式低温等离子体氧化塔下部设有污泥干化废气进气口和吸收液出水口，所述湿式低温等离子体氧化塔内设有除雾层和废气处理区，所述废气处理区设于污泥干化废气进气口和除雾层之间；所述废气处理区包括至少一个喷淋器、至少一个布水器和至少一组低温等离子体放电电极组，所述低温等离子体放电电极组包括至少一个低温等离子体放电电极；所述布水器设于喷淋器下方，所述低温等离子体放电电极组设于布水器下方；
所述低温等离子体放电电极组包括至少两个低温等离子体放电电极，同一低温等离子体放电电极组的电极在同一水平面上，相邻低温等离子体放电电极之间的水平间距为25mm；
所述系统还包括吸收液再生反应器，所述吸收液出水口与吸收液再生反应器相连，所述吸收液再生反应器包括至少一个吸收液再生反应单元，所述吸收液再生反应单元内设有至少一个上电极组和至少一个下电极组，每个上电极组或下电极组均包括至少一个上电极或下电极，所述上电极组设于吸收液液面以上，所述下电极组设于吸收液液面以下；
所述每个上电极组或下电极组均包括至少两个上电极或至少两个下电极，同一上电极组或同一下电极组的电极位于同一水平面上，相邻上电极或下电极之间的水平间距为3~20mm；
所述上电极组与吸收液液面的距离为3mm，所述下电极组与吸收液液面的距离为5mm；
每个低温等离子体放电电极、上电极和下电极均包括金属电极，所述金属电极外设有绝缘介质套管；所述绝缘介质套管用于隔离金属电极与待处理的气体或液体；所述绝缘介质套管的材料为石英玻璃、陶瓷或聚合物；
所述金属电极为导电金属材料，所述金属电极为棒状结构，所述金属电极的直径为3~25mm，所述绝缘介质套管的厚度为0.5~5mm；
所述低温等离子体放电电极、上电极和下电极的电源为高压电且放电形式为交流或直流脉冲；
所述湿式低温等离子体氧化塔和吸收液再生反应器的外壳材料为玻璃钢、聚丙烯或玻纤增强聚丙烯；所述布水器的材料为聚丙烯、玻纤增强聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯和聚偏氟乙烯中的至少一种；所述湿式低温等离子体氧化塔顶部设有出气口，用于排出处理后的废气。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述吸收液再生反应单元之间通过溢流管连接，最后一级吸收液再生反应单元与收集槽相连，所述收集槽通过增压泵与喷淋器相连。
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