CN112691520B - 基于低温等离子体的废气处理方法与系统 - Google Patents

基于低温等离子体的废气处理方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于低温等离子体的废气处理方法与系统，涉及低温等离子体废气处理技术领域，包括以下步骤：标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；根据降解率调整输入功率；废气经过低温等离子体反应器处理后，送入尾气处理单元进行处理，以对废气处理过程中产生的副产物进行降解；实时监测废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度；若当前废气排放浓度小于废气排放指标，逐步降低输入功率；若当前废气排放浓度不小于废气排放指标，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。本发明解决如何平衡副产物排放浓度与废气排放浓度的技术问题。

Description

基于低温等离子体的废气处理方法与系统
技术领域
本发明涉及低温等离子体废气处理技术领域。
背景技术
低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术，其工作原理为采用高压电极对气体进行放电击穿，产生等离子体，而等离子体是继气、液、固后人类发现的第四种物质形态，是由大量高能带电粒子和中性粒子组成，总体呈现电中性，但其具有较强的化学活性。这些具有活性的物质使污染物分子在极短的时间内发生分解，以达到降解污染物的目的。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整体呈现低温状态，所以称为低温等离子体。
虽然低温等离子体对废气具有良好的净化效果，但是常常被忽略的问题在于：由于低温等离子体处理废气时会产生副产物，副产物中含有较多的活性物质，那么经过低温等离子体处理后的废气中含有浓度较高的活性物质，尤其是臭氧的含量比较高，如果将低温等离子体处理后的废气直接排放，即使废气中的有害物质含量达标，但是活性物质往往难以符合排放标准，同样会造成环境损害。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于低温等离子体的废气处理方法，解决如何平衡副产物排放浓度与废气排放浓度的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案一种基于低温等离子体的废气处理方法，包括以下步骤：
废气经过低温等离子体反应器处理后，再送入尾气处理单元进行处理以对废气处理过程中产生的副产物进行降解并形成尾气；所述低温等离子体反应器为集成有尾气处理功能的复合型低温等离子体反应器或者单纯的低温等离子体反应器；
实时监测废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度；所述废气进行浓度是指废气中的有害物质的浓度，所述废气排放浓度是指尾气中有害物质的浓度，所述副产物排放浓度是指尾气中副产物的浓度；
若当前废气排放浓度小于废气排放指标，表明具备降功率运行的潜能，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
若当前废气排放浓度不小于废气排放指标，表明不具备降功率运行的潜能，若当前输入功率为最大输入功率，则进行告警；若当前输入功率小于最大输入功率，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
进一步的，标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；根据输入功率与降解率之间的关系来调整输入功率。
进一步的，按如下方式逐步降低输入功率：
S1：设置变量
Figure GDA0003852760130000021
为期望废气排放浓度，
Figure GDA0003852760130000022
B为废气排放指标；
S2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入S3：若否，则告警或停机；
S3：令
Figure GDA0003852760130000031
B1表示当前废气排放浓度，Δb表示增加梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure GDA0003852760130000032
式中，A表示当前废气进气浓度(恒定)；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
S4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入S5；
S5：更新当前废气排放浓度B1，并判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，则回到S2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行。
进一步的，按如下方式逐步增加输入功率：
A1：设置变量
Figure GDA0003852760130000033
为期望废气排放浓度，
Figure GDA0003852760130000034
B为废气排放指标；
A2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入A3：若否，则告警或停机；
A3：令
Figure GDA0003852760130000035
B1表示当前废气排放浓度，Δb′表示下降梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure GDA0003852760130000036
式中，A表示当前废气进气浓度；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
A4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入A5；
A5：更新当前废气排放浓度B1，判断当前废气排放浓度B1是否大于废气排放指标，若是，则回到A2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行。
进一步的，按如下方式以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率：将当前输入功率调整到D·λ对应的输入功率，λ表示剩余波动系数，λ＞1。
进一步的，以低温等离子体反应器的最大输入功率作为初始输入功率。
本发明还提供一种用于实现上述废气处理方法的一种基于低温等离子体的废气处理系统，包括低温等离子体反应器，所述低温等离子体反应器为集成有尾气处理功能的复合型低温等离子体反应器或者单纯的低温等离子体反应器；采用编程电源为所述低温等离子体反应器进行供电，所述编程电源的输出功率通过功率控制器进行控制；所述功率控制器中配置有预先标定的低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；所述功率控制器通过气体浓度监测系统实时获取废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度，并能配置有根据废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度调控编程电源的输出功率的功率控制程序；
所述功率控制程序按如下方式运行：
T1：判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，进入T2；若否，则进入T3；
T2：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
T3：判断当前输入功率为最大输入功率，若是，则进行告警；若否，进入T4；
T4：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、现有技术为了防止废气排放浓度超标，需要低温等离子体反应器恒定运行在高功率状态下，造成能耗浪费，尤其是对于大型设备将造成极大的能耗损失。并且在废气进行浓度较低的情况下，仍然以高功率运行的话，副产物消纳不足，导致尾气处理单元的处理压力增大，尾气中残留大量副产物，极容易造成副产物排放浓度超标。本发明不依赖复杂的数学模型，而是通过逐步增加或降低输入功率来寻找到一个功率平衡点，使得输入功率既满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
2、本发明并非直接根据废气进气浓度来调节输入功率，而是通过降解率来调整输入功率，降解率与当前废气进气浓度与当前废气排放浓度相关，而输入功率又影响到副产物排放浓度，因此通过降解率来调节输入功率能够快速有效的寻找到功率平衡点。
3、本发明在期望输入功率的基础上通过剩余波动系数能够适当增大输入功率，以应对废气进气浓度的波动，尤其是预防废气进气浓度突然增大而导致废气排放浓度超标。
4、以低温等离子体反应器的最大输入功率作为初始输入功率，为降功率运行留下较大余地，安全性更高。
5、尾气处理单元同步降解副产物废气中的氧化性有害物质，有利于减轻低温等离子体反应器的处理压力，使其可以运行在更低的功率。
附图说明
图1是降解率与输入功率之间的拟合关系示意图；
图2是副产物浓度与输入功率之间的关系示意图；
图3是基于低温等离子体的废气处理系统的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种基于低温等离子体的废气处理方法，包括以下步骤：
废气经过低温等离子体反应器处理后，再送入尾气处理单元进行处理以对废气处理过程中产生的副产物进行降解并形成尾气；所述低温等离子体反应器为集成有尾气处理功能的复合型低温等离子体反应器或者单纯的低温等离子体反应器；
实时监测废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度；所述废气进行浓度是指废气中的有害物质的浓度，所述废气排放浓度是指尾气中有害物质的浓度，所述副产物排放浓度是指尾气中副产物的浓度；
若当前废气排放浓度小于废气排放指标，表明具备降功率运行的潜能，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
若当前废气排放浓度不小于废气排放指标，表明不具备降功率运行的潜能，若当前输入功率为最大输入功率，则进行告警；若当前输入功率小于最大输入功率，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
以低温等离子体反应器的最大输入功率作为初始输入功率，为降功率运行留下较大余地，安全性更高。当然，还可以根据废气进气浓度来选择相应的初始输入功率，例如根据废气进气浓度与废气排放指标来计算降解率，然后根据降解率来选择初始运行输入功率。
标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系，以便根据降解率来调整输入功率。采用线性拟合或非线性拟合方式标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系，参考图1所示，图1所示拟合公式仅用于展示功率与降解率之间的关系，拟合方式包括线性y＝a*x+b和其它非线性拟合方式，如y＝a*x^b+c等)，已知降解率要求后，根据拟合公式和降解率(D)可以反求功率(C)。
例如，某企业产生的有机废气以甲苯为主(>90％)有机物构成，进气浓度(A)范围为1-4mg/m3，公司现用工艺是低温等离子体处理，通过功率(C)调整可将降解率控制为50-95％(D)，其中功率与降解率之间的关系呈现如图1所示的对应关系，产生的副产物主要是以臭氧为主，按照监管部门要求，要求VOCs排放浓度(B1)为0.5mg/m3、NOx,臭氧等副产物排放浓度(B2)为要求分别不高于(100，200)。按照排放要求，有如下场景：
1)如果处于较低浓度时(A较小)，如果让反应器处于用高功率(例如恒定功率如4kw或6kw)工作状态，此时所产生的活性物质较多，参考图2所示，容易造成B2超标，废气的降解率(D)较高，则会导致能耗浪费，此时应该适当降低反应器功率来实现功耗和去除率之间的平衡。
2)如果进气浓度较高(A较大)，如果采用低功率(C较小)则造成尾气不达标的情况(B1大于排放标准)发生，此时应该加大反应器功率(C)。
3)如果以最大功率运行，排放尾气仍然超标，则存在违法风险，此时应该通知生产部门减少。
为了实现上述废气处理方法，本具体实施方式提供一种基于低温等离子体的废气处理系统，参考图3所示，包括低温等离子体反应器2，采用编程电源6为所述低温等离子体反应器2进行供电，所述编程电源6的输出功率通过功率控制器5进行控制。废气通过预处理装置1预处理后再送入低温等离子体反应器2中。尾气处理单元3对副产物采用还原方式进行降解；所述尾气处理单元3同步降解废气中的氧化性有害物质与副产物。
废气通过进气口进入预处理装置1，在预处理装置1内进行颗粒物等杂物过滤，水汽分离等操作后，废气进入低温等离子体反应器2，通过低温等离子体反应器2降解反应后，没有反应的废气和降解废气过程中产生的副产物进入尾气处理单元3，废气在尾气处理单元3内处理后通过排气管路排放。
采用现有技术中的编程电源与气体浓度监测系统4即可。编程电源是一种可以通过控制器控制的电源，其给低温等离子体反应器2供电，让低温等离子体反应器2持续工作，其中低温等离子体反应器2的工作能耗主要由编程电源6通过输入不同电压或不同电流进行调节。
功率控制器5中配置有预先标定的低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；功率控制器通过气体浓度监测系统实时获取废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度，并能配置有根据废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度调控编程电源的输出功率的功率控制程序；
所述功率控制程序按如下方式运行：
T1：判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，进入T2；若否，则进入T3；
T2：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
T3：判断当前输入功率为最大输入功率，若是，则进行告警；若否，进入T4；
T4：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
T2的具体步骤如下：
S1：设置变量
Figure GDA0003852760130000091
为期望废气排放浓度，
Figure GDA0003852760130000092
B为废气排放指标；
S2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入S3：若否，则告警或停机；
S3：令
Figure GDA0003852760130000093
B1表示当前废气排放浓度，Δb表示浓度增加梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure GDA0003852760130000094
式中，A表示当前废气进气浓度；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
S4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入S5；
S5：更新当前废气排放浓度B1，并判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，则回到S2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行。
T4的具体步骤如下：
A1：设置变量
Figure GDA0003852760130000095
为期望废气排放浓度，
Figure GDA0003852760130000096
B为废气排放指标；
A2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入A3：若否，则告警或停机；
A3：令
Figure GDA0003852760130000101
B1表示当前废气排放浓度，Δb′表示下降梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure GDA0003852760130000102
式中，A表示当前废气进气浓度；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
A4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入A5；
A5：更新当前废气排放浓度B1，判断当前废气排放浓度B1是否大于废气排放指标，若是，则回到A2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行。
T2与T4中当前废气进气浓度视为恒定，以便于控制，但由于废气进气浓度的波动性，在S4与A4中，按如下方式以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率：将当前输入功率调整到D·λ对应的输入功率，λ表示剩余波动系数，λ＞1。在期望输入功率的基础上通过剩余波动系数能够适当增大输入功率，以应对废气进气浓度的波动，尤其是预防废气进气浓度突然增大而导致废气排放浓度超标。

Claims (7)

1.一种基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
废气经过低温等离子体反应器处理后，再送入尾气处理单元进行处理以对废气处理过程中产生的副产物进行降解并形成尾气；所述低温等离子体反应器为集成有尾气处理功能的复合型低温等离子体反应器或者单纯的低温等离子体反应器；
实时监测废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度；所述废气进行浓度是指废气中的有害物质的浓度，所述废气排放浓度是指尾气中有害物质的浓度，所述副产物排放浓度是指尾气中副产物的浓度；
若当前废气排放浓度小于废气排放指标，表明具备降功率运行的潜能，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
若当前废气排放浓度不小于废气排放指标，表明不具备降功率运行的潜能，若当前输入功率为最大输入功率，则进行告警；若当前输入功率小于最大输入功率，则在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
还包括以下步骤：标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；根据降解率来调整输入功率；
按如下方式逐步降低输入功率：
S1：设置变量
Figure FDA0003852760120000011
为期望废气排放浓度，
Figure FDA0003852760120000012
B为废气排放指标；
S2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入S3：若否，则告警或停机；
S3：令
Figure FDA0003852760120000021
B1表示当前废气排放浓度，Δb表示浓度增加梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure FDA0003852760120000022
式中，A表示当前废气进气浓度；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
S4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入S5；
S5：更新当前废气排放浓度B1，并判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，则回到S2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行；
按如下方式逐步增加输入功率：
A1：设置变量
Figure FDA0003852760120000023
为期望废气排放浓度，
Figure FDA0003852760120000024
B为废气排放指标；
A2：判断当前副产物排放浓度是否小于副产物排放指标，若是进入A3：若否，则告警或停机；
A3：令
Figure FDA0003852760120000025
B1表示当前废气排放浓度，Δb′表示下降梯度；计算达到期望废气排放浓度的期望降解率D，按下式：
Figure FDA0003852760120000026
式中，A表示当前废气进气浓度；从低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系中获取满足期望降解率D的期望输入功率；
A4：以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率，并进入A5；
A5：更新当前废气排放浓度B1，判断当前废气排放浓度B1是否大于废气排放指标，若是，则回到A2；若否，则以迭代过程中不超过废气排放指标的最大期望废气排放浓度所对应的输入功率，控制低温等离子体反应器运行。
2.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，按如下方式以期望输入功率为基础来调整低温等离子体反应器的当前输入功率：将当前输入功率调整到D·λ对应的输入功率，λ表示剩余波动系数，λ＞1。
3.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，采用线性拟合或非线性拟合方式标定低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系。
4.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，以低温等离子体反应器的最大输入功率作为初始输入功率。
5.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，废气通过预处理装置预处理后再送入低温等离子体反应器中。
6.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法，其特征在于，尾气处理单元对副产物采用还原方式进行降解；所述尾气处理单元同步降解废气中的氧化性有害物质与副产物。
7.一种根据权利要求1所述的基于低温等离子体的废气处理方法的系统，包括低温等离子体反应器，其特征在于，采用编程电源为所述低温等离子体反应器进行供电，所述编程电源的输出功率通过功率控制器进行控制；所述低温等离子体反应器为集成有尾气处理功能的复合型低温等离子体反应器或者单纯的低温等离子体反应器；所述功率控制器中配置有预先标定的低温等离子体反应器的输入功率与降解率之间的关系；所述功率控制器通过气体浓度监测系统实时获取废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度，并能配置有根据废气进行浓度、废气排放浓度与副产物排放浓度调控编程电源的输出功率的功率控制程序；
所述功率控制程序按如下方式运行：
T1：判断当前废气排放浓度B1是否小于废气排放指标，若是，进入T2；若否，则进入T3；
T2：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步降低输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低；
T3：判断当前输入功率为最大输入功率，若是，则进行告警；若否，进入T4；
T4：在废气排放指标与副产物排放指标的约束下，逐步增加输入功率，直到输入功率既能使废气排放浓度满足废气排放指标，又能促使当前废气进气浓度下的副产物排放浓度相对较低。
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