CN113181744A - 一种基于等离子体技术的混合气体处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等离子体技术的混合气体处理设备，该设备包括SF6降解主机与电源部分，主机包括密集组装在一起的混合气体箱、等离子体放电矩阵及尾气收集箱；所述混合气体箱底部装有纯净水，在混合气体箱内待降解气体与稀释气体和水蒸气混合形成混合气；所述等离子体放电矩阵一端与混合气体箱相连，用于对混合气进行等离子体降解处理；所述尾气收集箱与等离子体放电矩阵另一端相连，尾气收集箱内装有碱性吸收液，用于对降解处理后的气体进行洗涤后通过排气管排出。本发明将待降解气体SF6与稀释气体混合的混气装置和放电降解后尾气的洗涤收集装置，集成到了放电矩阵前后，形成了整个装置的主要部分，小巧便携，能够在多种场合使用。
Description
技术领域
本发明属于废气例如发动机废气、烟气、烟雾、烟道气或气溶胶的化学或生物净化技术领域，具体涉及一种基于等离子体技术的六氟化硫处理设备。
背景技术
随着全球经济的发展，环境问题日益突出，各种各样的环境污染层出不穷，已经严重的威胁到了人类的生命安全，为了人类自身的安危，治理环境已经迫在眉睫。近年来出现了许多治理环境的高新技术，其中就包含低温等离子体技术。低温等离子体技术高效、低能耗、处理量大、并且操作简单，在处理一些有毒并且难以降解的废物时具有显著的优势。
六氟化硫气体由于其良好的电气性能和优异的灭弧能力，作为一种绝缘气体广泛地应用在各种各样的高压电气设备之中。此外，由于六氟化硫气体是一种无色、无味、无毒、不可燃且无腐蚀性的惰性气体，它还被广泛应用于金属冶炼、半导体制造、医疗、化工、大气示踪和航空航天等行业。但研究表明六氟化硫气体的温室效应潜在值是二氧化碳的23500倍，而且六氟化硫气体在大气中的降解速度非常缓慢，大约需要3200年，所以在1997年签订的《京都议定书》中已将六氟化硫气体列为六种限制性排放的温室气体之一，采用低GWP(全球变暖潜能值)替代气体减少六氟化硫气体的使用量、提高六氟化硫气体的回收利用率和降解处理六氟化硫气体，是减少六氟化硫气体排放量的主要手段。鉴于SF6在电气行业及其他领域的替代气体的研究还处于不成熟阶段，推广SF6回收净化再利用也存在成本高且不能完全杜绝SF6排放等不足，针对电力行业偏远地区的小型 SF6气体绝缘设备和SF6混合气体绝缘设备以及其他行业的SF6废气排放问题，降解处理SF6是目前最具可行性的途径。而如何高效地对六氟化硫气体进行降解是亟待解决的重大技术问题。
目前对SF6降解处理的装置有很多种，但大都体积庞大或十分笨重，不便于携带，无法满足在多种场合使用的情况。例如 CN201820498750.4中介质阻挡放电降解气体的过程发生在变压器油内，使得装置整体笨重，使用场合固定；又如CN201820496661.1 提出的气体处理装置虽然能够对尾气进行回收处理，但需要连接尾气吸收池或者存储气瓶，降低了装置的便携性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于等离子体技术的混合气体处理设备，该设备对SF6气体降解效率高，且体积小，便于携带。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种基于等离子体技术的混合气体处理设备，该设备包括 SF6降解主机与电源部分，主机包括密集组装在一起的混合气体箱、等离子体放电矩阵及尾气收集箱；
所述混合气体箱与两个进气口相连，一个进气口为待降解气体进气口1，另一个进气口为稀释气体进气口2，并且在混合气体箱底部装有纯净水，在混合气体箱内待降解气体与稀释气体和水蒸气混合形成混合气；
所述等离子体放电矩阵一端与混合气体箱相连，用于对混合气进行等离子体降解处理；
所述尾气收集箱与等离子体放电矩阵另一端相连，尾气收集箱内装有碱性吸收液，用于对降解处理后的气体进行洗涤后通过排气管排出。排气口尾端通过气相色谱仪进行SF6浓度检测，经过洗涤后的尾气中SF6浓度一般在2～3％(体积百分比)。
按上述方案，所述混合气体箱内置有加热水箱，水箱底部设有加热装置，并且功率可以通过旋钮调节。通过旋钮调节功率从而调整水箱内纯净水的温度。
按上述方案，所述水箱上还设置有注水口4和溢水口6。确保水箱内水的体积适量。通过水箱面板上的液位计22观察水箱中的水量，正常使用时，水量应该高于液位计刻度1cm。
按上述方案，所述水箱上还设置有罩壳水积排水口，与注水口安装高度相同。罩壳水积排水口用于排掉混合气体箱中的沉积水以及加热发生反应后的污水。
按上述方案，所述待降解气体为含SF6的气体，其中SF6含量为 80～90％(体积百分比)；所述稀释气体为氩气，纯度为99.99％以上 (体积百分比)。
按上述方案，所述含SF6的气体与氩气的流速为1：3。
按上述方案，所述混合气中水蒸气浓度为3～5％(体积百分比)。通过调节水箱加热温度调节混合气中水蒸气浓度，水蒸气浓度控制在 3～5％时SF6降解效率最佳。
按上述方案，所述等离子体放电矩阵包括16根呈矩阵并列安装的陶瓷放电反应管21，陶瓷放电反应管21内填充有介质和催化剂。混合气进入等离子体放电矩阵后从陶瓷放电反应管21一端通入进行反应，从另一端排出进入尾气收集箱。介质选自玻璃珠，活性氧化铝颗粒等，催化剂选自活性氧化铝颗粒等。
按上述方案，所述电源部分由等离子体电源和变压器一体化集成得到，集成得到的等离子体电源箱正面有功率显示、电源输入、功率调节、电源开关功能区，背面有高压输出及接地接口，等离子体电源箱输入端为工频有效值220V的市电，经内部变压器调压后为等离子体放电矩阵提供2-4kW的10kHz的高频交流电。
按上述方案，所述碱性吸收液为饱和Ca(OH)2溶液。
按上述方案，所述基于等离子体技术的混合气体处理设备还包括安装在设备内部上方的风扇12。风扇用于对陶瓷放电反应管21进行散热，确保降解的能量效率，散热后能减小反应管的热量损耗，主要能量用在发生降解反应而不是发热，同时散热能确保仪器的稳定运行。
按上述方案，所述待降解气体进气口1还设置有待降解气体流量计8；所述稀释气体进气口2上还设置有稀释气体流量计9。
按上述方案，所述基于等离子体技术的混合气体处理设备主机底部安装有四个滚轮。
按上述方案，所述基于等离子体技术的混合气体处理设备主机侧面安装有把手19。
按上述方案，所述基于等离子体技术的混合气体处理设备主机长、宽、高均不超过1m，总体积不超过1m3。
本发明还包括采用上述基于等离子体技术的混合气体处理设备降解处理SF6气体的方法，具体步骤如下：向混合气体箱内水箱中注入纯净水，打开水箱底部加热装置开关和等离子体放电矩阵的开关，调节底部加热装置的功率(纯净水的温度控制在50℃左右，使混合气中水蒸气含量为3～5％)，然后通过待降解气体进气口1和稀释气体进气口2向混合气体箱内通入待降解气体与稀释气体，待降解气体与稀释气体在混合气体箱内和水蒸气混合形成混合气，混合气再进入等离子体放电矩阵进行反应，然后进入尾气收集箱进行洗涤，最后排出。
本申请对水箱内贮存的纯净水进行加热蒸发，产生水蒸气与SF6和稀释气体混合，进入等离子体放电矩阵中，与等离子体协同降解 SF6气体；等离子体放电矩阵是降解气体的主要场所，进行介质阻挡放电产生等离子体来降解SF6气体；尾气收集箱位于设备末端，用于洗涤收集分解后的尾气。
本发明主要有以下有益效果：1、本发明将放电降解前待降解气体SF6与稀释气体混合的混气装置，和放电降解后尾气的洗涤收集装置，集成到了放电矩阵前后，形成了整个装置的主要部分，比现有的降解处理装置更加小巧便携，能够在多种场合使用。2、本发明通过内置加热水箱对水加热产生水蒸气，H2O分子会对降解起促进作用，提高降解效率，并且可以通过调节内置水箱温度控制混合气中水蒸气的浓度；通过控制等离子体电源箱上的功率调节按钮18，来调节输入功率，进而控制等离子体放电矩阵的反应剧烈程度。3、本发明具有降解六氟化硫气体的功能，也可以应用于处理其他工业混合废气。 4、本发明机体结构、连接结构、附带配件、气体管道都具有抗酸性气体腐蚀、抗碰撞、散热性好等特点，放电降解能够同时在16根降解气体管道中工作，并且互不干扰，提高了降解效率。5、本发明可以定期更换反应器中的填充介质和催化剂，并且能够对等离子体电源部分进行更换，能够最大程度地节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例1混合气体处理设备的工作流程图；
图2为实施例1混合气体处理设备主机的前视结构示意图；
图3为实施例1混合气体处理设备主机的侧视结构示意图；
图4为实施例1混合气体处理设备主机的俯视结构示意图；
图5为实施例1混合气体处理设备等离子体电源箱的背面结构示意图；
图6为实施例1混合气体处理设备等离子体电源箱的正面结构示意图；
图7为实施例1混合气体处理设备中等离子体放电矩阵的内部结构图；
图8为实施例1混合气体处理设备中等离子体电源箱正面实物图；
图9为实施例1混合气体处理设备中等离子体电源箱背面实物图。
图中：1-待降解气体进气口，2-稀释气体进气口，3-旋钮，4-注水口，5-罩壳沉积水排水口，6-溢水口，7-高压输入接口，8-待降解气体流量计，9-稀释气体流量计，10-主机接地端口，11-加热水箱供电接口，12-风扇，13-高压输出接口，14-电源接地端口，15-显示屏，16-电源开关，17-电源输入端口，18-功率调节按钮，19-把手，20-进气孔，21-陶瓷放电反应管，22-液位计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种基于等离子体技术的混合气体处理设备，结构尺寸为556(L) ×350(W)×455(H)mm3，总体积不超过1m3，结构示意图如图 2-4所示，如图1所示为上述混合气体处理设备的工作流程图，该设备包括SF6降解主机与电源部分，主机包括密集组装在一起的混合气体箱、等离子体放电矩阵及尾气收集箱，电源部分包含等离子体电源及变压器。
所述混合气体箱尺寸35(L)×15(W)×35(H)cm，混合气体箱与两个进气口相连，一个进气口为待降解气体进气口1，另一个进气口为稀释气体进气口2，在待降解气体进气口1还设置有待降解气体流量计8，稀释气体进气口2上还设置有稀释气体流量计9，流量计安装在混合气体处理设备外壳上。待降解气体进气口1通入含六氟化硫的气体(气体流速6L/min)，进气口2通入稀释气体氩气(纯度为99.99％以上)，含六氟化硫的气体与氩气按流速1：3混入。
混合气体箱中内置一个水箱，水箱上还设置有注水口和溢水口用于对水箱加纯净水，水箱中水位通过液位计22查看，正常使用时需要确保水位高于液位计刻度线1cm。水箱底部设有加热装置，通过加热水箱供电接口11供电，并且功率可以通过旋钮3调节。通过旋钮调节功率从而调整加热水箱底部纯净水的温度。在混合气体箱内含六氟化硫的气体与氩气和加热形成的水蒸气混合形成混合气，再进入等离子体放电矩阵进行降解，降解尾气则通入尾气收集箱中。
溢水口6安装在混合气体处理设备外壳上，用于保证混合气体箱中的水量平衡在一个合适的范围。若水量不够，通过注水口4里注水，直到溢水口6出水为止，注水口4位于混合气体处理设备外壳的侧面底部，溢水口6位于混合气体处理设备外壳的侧面中上方。此外，混合气体处理设备外壳的侧面底部还设置有罩壳沉积水排水口5，与注水口4保持在同一水平，可以用排掉混合气体箱中的沉积水以及加热发生反应后的污水。混合气体处理设备外壳上有主机接地端口10，为了保证安全。
等离子体放电矩阵一端与混合气体箱相连，用于对混合气进行等离子体降解处理；尾气收集箱与等离子体放电矩阵另一端相连，尾气收集箱内装有碱性吸收液(饱和氢氧化钙溶液)，用于对降解处理后的气体进行洗涤后通过排气管排出。
电源部分包括等离子体电源和变压器，为了装置的便携性，将等离子体电源和变压器进行了一体化设计，形成了等离子体电源箱23。通过高压输出接口13输出高压交流电，连接SF6降解主机侧面的高压输入接口7。等离子体电源箱可以输出放电矩阵所需要的高频交流电压。为了达到绝缘要求，高压侧的电缆都包裹着一层绝缘套管，同时为了保证安全，等离子体电源箱外壳连接电源接地端口14。等离子体电源箱在运行过程中会产生大量的热量，因此采用栅格式外壳，以促进散热。
等离子体电源箱操作面板中有功率调节旋钮18和显示当前功率的显示屏15，通过调节功率调节旋钮控制放电矩阵中反应强度，而电源开关16能够立刻切断电压输入，为混合气体处理设备提供保护。电源输入端口17接入的是工频交流电。等离子体电源箱内部含有风扇，侧面板上有散热口，能够在运行过程中，对内部组件进行散热。
等离子体放电矩阵包括16根并列设置的DBD(介质阻挡放电) 陶瓷放电反应管21(反应器内部填充有活性氧化铝颗粒，作为填充介质和催化剂)，混合气进入这些放电反应管中，等离子体电源箱输出的高频交流电为等离子体放电矩阵提供稳定的10kHz高频交流电，产生稳定的放电过程，混合气在放电反应管内与催化剂充分混合，发生分解过程。分解后的尾气通入尾气收集箱内，尾气收集箱内存有碱液(饱和Ca(OH)2溶液)，尾气通到箱底，经过碱液洗涤后，从尾气收集箱上方排到大气中，或排到指定气罐中收集。
在混合气体处理设备主机的外壳上方安装有四个散热风扇12，防止放电矩阵中的16根陶瓷放电反应管过热，影响降解效率，保证整个降解过程稳定地进行。
图7为等离子体放电矩阵的内部结构图，等离子体放电矩阵包含 16根陶瓷放电反应管21，呈矩阵并列排列。混合气体箱的出气口连接着16根陶瓷放电反应管进气孔20，陶瓷放电反应管的出气端连接着尾气收集箱。陶瓷放电反应管的结构采用的是双层陶瓷介质放电管，由两个不同直径的陶瓷管组成，陶瓷管同时也作为内外阻挡放电的介质，中心的铜棒作为内电极，均匀缠绕在外侧陶瓷壁上的细铜丝作为外电极。而采用陶瓷作为阻挡放电的介质，一方面是为了提高耐温特性，另一方面也是为了提高放电功率，而采用双侧介质的目的是为了防止电极的污染和损耗。同时，混合气体处理设备底部还装有4个滚轮，侧面安装有把手19，提高了装置的可移动性。
采用上述基于等离子体技术的混合气体处理设备降解处理SF6气体的方法，具体步骤如下：向混合气体箱内水箱中注入纯净水，接上加热水箱插头11，打开水箱底部加热装置开关和等离子体放电矩阵的开关，调节底部加热装置的功率(纯净水的温度控制在50℃左右，使混合气中水蒸气体积百分含量为3～5％)，然后通过待降解气体进气口1和稀释气体进气口2向混合气体箱内通入待降解气体与稀释气体，待降解气体与稀释气体在混合气体箱内和水蒸气混合形成混合气，混合气再通过进气口20，进入等离子体放电矩阵进行反应，然后进入尾气收集箱进行洗涤，最后排出。由于高压放电过程中，会产生大量的热量，并且16根陶瓷放电反应管呈并行排列，反应启动时要先开启风扇的电源给等离子体放电矩阵降温，再启动等离子体电源箱高压放电，反应结束后也要先结束高压放电，待等离子体放电矩阵内部温度降至与环境温度一致时，才能关闭风扇。放电反应产生的废气进入尾气收集箱中经碱液洗涤后，直接排到大气中，或通入指定气罐中进行回收。排放气体中的SF6浓度为2～3％，降解率在95％以上。
Claims (10)
1.一种基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述设备包括SF6降解主机与电源部分，主机包括密集组装在一起的混合气体箱、等离子体放电矩阵及尾气收集箱；
所述混合气体箱与两个进气口相连，一个进气口为待降解气体进气口(1)，另一个进气口为稀释气体进气口(2)，并且在混合气体箱底部装有纯净水，在混合气体箱内待降解气体与稀释气体和水蒸气混合形成混合气；
所述等离子体放电矩阵一端与混合气体箱相连，用于对混合气进行等离子体降解处理；
所述尾气收集箱与等离子体放电矩阵另一端相连，尾气收集箱内装有碱性吸收液，用于对降解处理后的气体进行洗涤后通过排气管排出。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述混合气体箱内置有加热水箱，水箱底部设有加热装置，并且功率可以通过旋钮调节；
所述水箱上还设置有注水口(4)和溢水口(6)。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述待降解气体为含SF6的气体，其中SF6含量为80～90％；所述稀释气体为氩气，纯度为99.99％以上；所述含SF6的气体与氩气的流速为1：3。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述混合气中水蒸气浓度为3～5％。
5.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述等离子体放电矩阵包括16根呈矩阵并列安装的陶瓷放电反应管(21)，陶瓷放电反应管(21)内填充有介质和催化剂。
6.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述电源部分由等离子体电源和变压器一体化集成得到。
7.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述碱性吸收液为饱和Ca(OH)2溶液。
8.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，还包括安装在设备内部上方的风扇(12)。
9.根据权利要求1所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备，其特征在于，所述SF6降解主机长、宽、高均不超过1m，总体积不超过1m3。
10.采用权利要求1-9任一项所述的基于等离子体技术的混合气体处理设备降解处理SF6气体的方法，其特征在于，具体步骤如下：向混合气体箱内水箱中注入纯净水，打开水箱底部加热装置开关和等离子体放电矩阵的开关，调节底部加热装置的功率，然后通过待降解气体进气口(1)和稀释气体进气口(2)向混合气体箱内通入待降解气体与稀释气体，待降解气体与稀释气体在混合气体箱内和水蒸气混合形成混合气，混合气再进入等离子体放电矩阵进行反应，然后进入尾气收集箱进行洗涤，最后排出。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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2020
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| CN114682064B (zh) * | 2022-04-08 | 2023-02-17 | 武汉大学 | 一种sf6废气的射频放电降解方法 |
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