CN1915479A - 一种双等离子体处理工业废气的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属废气处理技术领域，具体为一种双等子体处理工业废气的方法与装置。该方法由一台等离子体电源同时实现二个区域的介质阻挡放电：常压气体放电区(I区)和低压气体紫外福射区(II区)待处理废气由I区进入系统，再经过II区紫外辐射，提高了污染物的去除效率。装置由3个直径不同的石英管和内外电极组成，三个石英管之间形成上述2个放电区。本发明的双等离子体反应系统同常压气体介质阻挡放电系统相比，外施电压降低3000V左右，能量利用率提高30％；该系统结构紧凑，能效高，处理效果好，可用于多种工业废气的除污处理。
Description
技术领域
本发明属废气处理技术领域，具体涉及一种等离子体处理工业废气的方法与装置。
背景技术
在工业废气处理方法中，低温等离子体技术与其它污染治理技术相比，具有处理流程短、占地面积小、气阻小、适用范围广等特点。低温等离子体技术处理污染物的原理为：在外加电场的作用下，气体放电产生大量携能电子(电子平均能量在1～10eV)，废气中的恶臭物质在高能电子的轰击下发生电离、解离或激发，并在O2参与反应下发生一系列复杂的物理、化学反应，最终使废气中的污染物分解达到净化目的。
等离子体是继固态、液态、气态之后被称为物质的第四态，它是气体在放电过程中产生的包括大量正负带电粒子、电子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。在这个体系中如果电子的温度和重粒子的温度差不多，则为高温等离子体，或称为平衡态等离子体。如果电子的温度远远大于重粒子的温度，整个体系呈现一种常温状态，此时产生的等离子体为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体，一般气体放电产生的等离子体属于这一类型。根据气体放电的方式，等离子体的产生主要有辉光放电(Glowdischarge)、电晕放电(Corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，简称DBD)、射频放电(Radio frequency discharge)和微波放电(Microwave discharge)等。其中介质阻挡放电具有电子密度高和可在常压下运行的特点，因而使其具有工业应用前景，特别适用于工业废气的治理。见申请人早期专利：介质阻挡放电产生等离子体处理工业废气方法和装置(专利号：ZL97242751.1)。
尽管介质阻挡放电等离子体处理工业废气(包括恶臭气体)效果明显，工艺简洁，优势显著，但为了达到预期的处理效果，往往需要较高的外施电压(一般要大于9000V)，因此对电器设备的要求较高，设备投资大，能耗也较高，因而其推广和使用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种设备要求低、能量消耗小的等离子体处理工业废气的方法与装置。
本发明提出的等离子体处理工业废气的方法，是对现有介质阻挡放电等离子体处理工业废气方法的改进，由原来的双层石英介质改为三层石英介质层，使三层石英介质分割形成两个放电区域：常压气体放电区和低压气体放电区，低压气体放电压区产生紫外福射；工业废气由常压气体放电区进入系统，经过低压气体紫外辐射区，实现高效去除污染物、净化气体的效果。这样，使反应器在配备一台电源的情况下实现两种气体放电过程，即除了常压下气体放电过程外，还实现低压气体放电产生紫外辐射过程。由于该系统比单纯的介质阻挡放电等离子体技术增加了低气压下等离子体紫外辐射过程，所以称之为“双等离子体”处理工业废气的方法。
低压气体放电紫外辐射原理为：在紫外辐射区的密闭环形空腔内填充低压气体一般为稀有气体和卤素分子，在介质阻挡放电过程中这些气体分子被激发、电离，并经过一系列反应形成准分子，准分子不稳定，在其分解或退激过程中产生紫外辐射。主要的反应过程如下：
①电离和激发
首先是低压气体分子在高能电子的作用下被激发和电离：
R+e→R*+e
R+e→R++2e
X2+e→X+X-
R表示稀有气体粒子(如Ar，Kr)，X表示卤素粒子(如Cl，Br或I)。
②准分子的生成
正电性的稀有气体离子和负电性的卤素离子复合或激发态的稀有气体粒子把能量传递给卤素分子而形成激发态的RgX*准分子复合物：
R++X-→RX*+e
R*+X2→RX*+X
③辐射
这样形成的准分子或准分子复合物不稳定，会迅速分解，并以光子的形式释放出激发能：
RX*→R+X+hυ
适当控制低压气体的压强和组成，即可得到我们所需要的紫外辐射类型低压气体。紫外辐射区产生的光子能量一般控制在4～8eV之间，污染物分子在这些光子的作用下发生化学键断裂，并引发一系列氧化反应，从而达到废气净化的目的。在双等离子体反应器中，由于存在气体放电和紫外辐射协同作用分解污染物，因而提高了污染物的去除率。
本发明相应于上述方法的双等离子体处理工业废气的装置结构如图1所示。该装置即双等离子体反应器由外层介质1、中间层介质2、内层介质3、外电极4、内电极5、高压电源及支撑件8组成；其中，外层介质1、中间层介质2和内层介质3分别采用直径不同的石英管，使外层介质1和中间层介质2间形成常压气体放电区，中间介质层2与内层介质3之间形成低压气体紫外辐射区；内电极5置于内层介质3中，外电极4缠绕于外层介质1外侧；支撑件8支撑于外层介质1和中间层介质2之间。待处理的工业废气由常压气体放电区进入反应系统。
这种双等离子体反应系统同单纯介质阻挡放电等离子体相比，能量利用率提高30％，外施电压降低3000V左右(一般只要600-7000即可)，管道气体流速一般为2-4m/s。在输入能量相同的情况下，恶臭物质的去除效率提高30％以上。
双等离子体处理工业废气，污染物处理效果好，能效高，可广泛应用于含三苯(苯、甲苯、二甲苯)、硫化氢、二硫化碳等物质的废气治理，其推广和应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的双等离子体反应器结构图示。
图2为图1反应器的横剖图示。
图3为图1反应器的纵剖图示。
图4为支撑件结构图示。
图中标号：1为外层介质，2为中间层介质，3为内层介质，4为外电极，5为内电极，6为常压气体放电区，7为低压气体紫外辐射区，8为支撑件，9为支撑脚，10为中空环。
具体实施方式
下面通过实施例和附图进一步描述本发明。
外层介质1采用内径33mm的石英管，壁厚1.5mm，管长200mm。中间层介质2采用内径20mm的石英管，管长200mm，壁厚1.5mm；内层介质3采用外径10mm的石英管，管长200mm，壁厚1.0mm。
外电极4采用长×宽＝670mm×4mm的细长不锈钢片(厚度δ＝0.4mm)，缠绕于外层石英管壁(6圈)而成，圈与圈之间的距离为4mm。内电极5用长×宽＝200mm×40mm不锈钢片(厚度δ＝0.2mm)卷制而成，内衬在内层石英管3的内管壁。
如图2所示，外层与中间层的石英管之间的区域为常压气体放电区(I区)，该区为长200mm，环宽5mm的开放式环形空腔，待处理的工业废气即从该处通过。内层与中间层的石英管两端分别粘结在一起，形成一个长200mm，环宽5mm的密闭环形空腔，空腔内填充低压气体，该环形空腔即为产生低压气体紫外辐射的区域(II区)。
外层石英管与中间层的石英管之间的支撑件8为三角环形，套在中间层石英管的外管壁，材质为聚四氟塑料。支撑件结构如图4所示。中空环10内径23mm，外径26mm，三个支脚9长×宽＝3.5mm×2mm，圆环和支脚厚度均为3mm。
高压电源自制，输出电压1500～12000V。
填充气体的压强是影响紫外辐射性能的重要参数，对紫外辐射能量分布，输出特性，紫外辐射光谱的形状及相对强度有较大影响。根据废气中的成分不同，在密闭环形腔体内填充合适压强和组分的低压气体，使其辐射出对废气中污染物的分解作用最为有效的特定波长的紫外光，并与介质阻挡放电产生的电子协同作用，从而达到最佳的污染物去除率。
本发明针对二硫化碳、硫化氢、三苯气体(苯、甲苯、二甲苯)、二甲二硫醚、氨及苯乙烯五种物质分别作为处理对象，确定所采用的填充气体组分及压强见表1所示。
表1 不同恶臭物质所对应的紫外辐射类型及相关条件
| 恶臭物质 | 内介质套管内所填充气体组分 | 内介质套管内所填充气体压强 | 紫外辐射波长 | 介质阻挡放电外施电压 |
| 二硫化碳CS2 | 氪和碘蒸气 | 氪：200～350torr碘蒸气：2～3.5torr | 主要：183nm少量：191，206，342nm | 6000～7500V |
| 硫化氢H2S | 氪和溴蒸气 | 氪：1～10torr溴蒸气：0.5～1torr | 主要：207nm少量：222，228nm | 6000～7500V |
| 苯、甲苯、二甲苯 | 氩和溴蒸气 | 氪：1～5torr溴蒸气：0.5～1torr | 主要：165，172，183nm | 6000～7500V |
| 氨NH3 | 氩和氯 | 氩：200～300torr氯：0.5～1torr | 主要：175nm少量：195，245nm | 5000～6000V |
| 苯乙烯C6H5CH＝CH2 | 氪和碘 | 氪：200～300torr碘：3～4torr | 主要：206，183，187nm少量：253.7nm | 5000～6000V |
| 二甲二硫醚CH3SSCH3 | 氪和氯 | 氪：200～300torr氯：0.8～2torr | 主要：222nm少量：240，200，325nm | 6000～7500V |
(注：1torr＝133.33Pa)
选用国家《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中的代表性恶臭物质之一的二硫化碳作为处理对象，说明双等离子体技术的处理效果。
实施的工艺过程如图5所示。
流量计：转子流量计，流量＜100m3/h可调。
双等离子体反应器：10个，规格参数见前面所述，处理能力50m3/h。
引风机：CZR型离心引风机，上海兴益风机厂，功率40W，风量1.07m3/min。
二硫化碳的采样及测定方法采用国家标准GB/T 14680-93二乙胺分光光度法测定。
在引风机的作用下，浓度为105mg/m3的CS2恶臭气体定量进入双等离子体反应装置，经过双等离子体反应器产生的高能电子和紫外辐射作用后，在反应器的出口1m处采样分析，为了保证采样的准确性，每次采样的位置固定，且在反应器稳定运行30min后再采样。
为考察双等离子体处理工业废气的效果，本发明在实施过程中，采用单纯的介质阻挡放电等离子体装置作对比试验，单纯的介质阻挡放电等离子体反应器除石英介质层外，反应器的构件及规格尺寸均与双等离子体反应器相同。在单纯的介质阻挡放电反应器中，外层石英介质为内径33mm的石英管，壁厚1.5mm，管长200mm；内层石英介质为内径20mm的石英管，壁厚1.5mm，管长200mm。
处理效果：
在管道内气体流速为3m/s，CS2浓度105mg/m3，外施电压6000V，密闭环形空腔内填充350torr氪和3.5torr碘蒸气的条件下，二硫化碳的去除率为73％，比单纯介质阻挡放电等离子体提高了30％。
除外施电压外，在其它条件不变情况下，双等离子体反应器和单纯介质阻挡放电等离子体反应器分别达到70％的CS2去除率时，后者的外施电压需达到9000V，而前者仅需要6000V即可，降低了3000V，因此，双等离子体反应器比单纯介质阻挡放电等离子体能效更高。
Claims (8)
1、一种双等离子体处理工业废气的方法，其特征在于由原来的双层石英介质改为三层石英介质层，使三层石英介质分割形成两个放电区域：常压气体放电区和低压气体紫外福射区；工业废气由常压气体放电区进入系统，经过低压气体紫外辐射区，实现高效去除污染物、净化气体的效果。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于低压气体紫外辐射区的光子能量控制在4-8eV之间。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于外施电压为600-700V，管道气体流速度2-4m/s。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于低压气体紫外辐射区的空腔内填充的低压气体的组分和压强分别为：
①.200～350torr氪和2～3.5torr的碘蒸气，主要处理含二硫化碳的废气；
②.1～10torr氪和0.5～1torr的溴蒸气，主要处理含硫化氢的废气；
③.1～5torr氩和0.5～1torr的溴蒸气，主要处理含苯、甲苯和二甲苯的废气；
④.200～300torr氩和0.5～1torr的氯，主要处理含氨的废气；
⑤.200～300torr氪和3～4torr的碘蒸气，主要处理含苯乙烯的恶臭气体；
⑥200～300torr氪和0.8～2torr的氯，主要处理含二甲二硫醚的恶臭气体。
5、一种双等离子体处理工业废气的装置，其特征在于由外层介质(1)、中间层介质(2)、内层介质(3)、外电极(4)、内电极(5)、高压电源及支撑件(8)组成；其中，外层介质(1)、中间层介质(2)和内层介质(3)分别采用直径不同的石英管，使外层介质(1)和中间层介质(2)间形成常压气体放电区，中间介质层(2)与内层介质层(3)之间形成低压气体紫外辐射区；内电极(5)置于内层介质(3)中，外电极(4)缠绕于外层介质(1)外侧；支撑件(8)支撑于外层介质(1)和中间层介质(2)之间。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于外层介质(1)为内径33mm的石英管，壁厚1.5mm，管长200mm；中间层介质(2)为内径20mm的石英管，管长200mm，壁厚1.5mm；最内层介质3为外径10mm的石英管，管长200mm，壁厚1.0mm。
7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于外电极(5)由长×宽×厚＝670mm×4mm×0.4mm的细长不锈钢片缠绕于外层石英管壁而成，圈与圈之间的距离为4mm，内电极4用长×宽×厚＝200mm×40mm×0.2mm不锈钢片卷制而成，内衬在内层石英管内管壁。
8、根据权利要求5所述的装置，其特征在于外层与中间层的石英管之间的支撑件(8)材质为聚四氟塑料，形状为带有(3)支撑脚的圆环形。
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