CN203757736U - 一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、用于提供等离子体的高压电源、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。通过多孔介质材料的蓄热作用及等离子体自由基氧化作用协同降解有机废气，提高了有机废气的降解效率；同时根据有机废气浓度调节等离子体的输入能量，在保证有机废气降解效率的同时有效减少了输入能耗。本实用新型具有有机废气浓度适用范围广，输入能量低，处理效率高，系统可控性高等优点，可广泛应用于处理多种工业生产中释放的有机废气。

Description

一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置

技术领域

本实用新型属于环境污染治理领域，具体地说是涉及一种利用放电等离子体强化燃烧，并结合多孔介质燃烧处理有机废气的装置。

背景技术

有机废气是指在能源开采、工业生产过程中产生的含有烃类，醇类，酮类，酸类及胺类等含有机化合物的有害气体，如甲烷（CH₄），挥发性有机化合物（VOCs），多环芳烃（PAHs）等。有机废气成分复杂，有些是引起温室效应的重要来源，有些是形成光化学烟雾及PM2.5的重要前驱体，有些甚至具有强烈的致癌、致突变及致畸性。CH₄所引起的温室效应为CO₂ 21倍，我国每年因采煤向大气排放的的CH₄气体总量近 2×10¹⁰ m³，并且随着煤炭的产量增加而递增；2010年我国主要污染源的VOCs排放量达到2311万吨。长期以来，这些有机废气由于可燃成份稀薄，通常含有如苯、一氧化碳、多环芳烃等有害气体，处理非常困难，常直接排空，这不仅造成了大量能源浪费，还造成了环境污染和温室效应的加剧。因此，发展高效低能耗处理有机废气的方法，是缓解我国一系列能源环境问题的重要手段之一。

目前工业上已获得应用的有机废气净化技术主要有：燃烧技术，生物净化技术，等离子体净化技术，膜分离技术、吸附技术及冷凝技术等，其中燃烧净化是目前最主要、最有效的有机废气处理方法。但由于大量有机废气可燃成分极低，难以在自由空间内燃烧，当与高热值燃气混合燃烧时，热效率低下，并产生大量的NOx和CO等污染物。

较为先进的燃烧技术如蓄热燃烧技术及催化燃烧技术处理有机废气也有其固有缺陷。当有机污染物浓度降低时，蓄热燃烧室内难以维持燃烧所需的温度；当有机污染物浓度较高时，易造成温度过高导致催化剂失效等问题，难以维持燃烧。因此，当有机废气浓度较低时燃烧较为困难，若不向燃烧系统输入热量，无法满足对低浓度的有机废气进行处理的要求。等离子体技术尽管可以处理浓度极低的有机废气，但存在如能耗过高，有机污染物浓度高时降解不充分等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题在于提供了一种处理效率更高，更节能，结构更紧凑，有机废气处理浓度范围更广的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，所述装置包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、用于提供等离子体的高压电源、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。

将收集的有机废气送入过滤器，在所述的过滤器中除去颗粒物，经过过滤的有机废气送入反应器（等离子体强化多孔介质燃烧装置），在反应器中经过热力氧化和等离子体氧化实现有机废气降解，有机废气降解释放的热量由多孔介质或换热器收集实现余热利用，经过降解的净烟气经过引风机排出。高压电源连接所述的等离子体强化多孔介质燃烧装置，所述的控制器对整个装置进行流量和温度控制。控制器可以根据有机废气的浓度或反应器内的温度调节等离子体输入能量，当反应器内温度下降时，提高等离子体能量输入，当反应器温度上升时，降低等离子体输入能量，最终实现有机废气成分或浓度变化时反应器内温度的稳定。

优选地，所述反应器包括反应器壳体、多孔介质填充区和等离子体发生器，所述多孔介质填充区和等离子体发生器均位于反应器壳体内，等离子体发生器与控制器相连；所述反应器壳体一端设有进气口，反应器壳体另一端设有出气口；反应器壳体外层包覆有保温层。等离子体由所述的等离子体发生器产生并充满在填充多孔介质空隙和多孔介质表面。

优选地，所述等离子体发生器包括设置在多孔介质填充区内的第一高压电极以及设置在多孔介质填充区外围的第一接地电极；所述第一高压电极一端通过第一固定板与靠近出气口端的反应器壳体固定，另一端通过第二固定板与靠近进气口端的反应器壳体固定，第一固定板与反应器壳体之间通过凸台固定；所述第一高压电极与高压电源相连；所述第一高压电极和第一接地电极之间的距离为15～100mm，第一高压电极与第一接地电极的长度为100～2000mm。

优选地，所述多孔介质填充区沿进气口至出气口方向顺次设有预热区、反应区和蓄热区，反应区位于多孔介质填充区的中部，预热区和蓄热区分别位于反应区两端。

优选地，所述预热区的填充介质由孔隙率及孔径均匀或者逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷组成，孔径变化范围为0.1～5mm，孔隙率变化范围为0.15～0.85；燃烧区的填充介质采用石英玻璃、绝缘陶瓷、碳化硅、氧化锆或堇青石中的一种；蓄热区的填充介质采用堆积型多孔介质、泡沫陶瓷，平板陶瓷或蜂窝陶瓷中的一种，所述堆积型多孔介质为不带尖角球形颗粒、带尖角的规则颗粒或带尖角的不规则颗粒。

优选地，所述高压电源为高压高频交流电源或高压高频脉冲电源，高压高频交流电源的频率为50Hz～20kHz，，峰值电压为10kV～60kV，高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz～20kHz，峰值电压为10kV～80kV，脉冲宽度为20μs～10ms。

优选地，所述反应器内设有传感器，所述传感器与控制器相连；所述反应器还与换热器相连。

优选地，所述反应器包括若干个并联的反应器单元，每个反应器单元均包括第二高压电极、第二接地电极和多孔介质，第二高压电极通过电极固定板、第三固定板和第四固定板与反应器壳体固定。

优选地，多孔介质与第二高压电极、第二接地电极的布置方式为多层平板布置，多孔介质平板的厚度为2～8mm，多孔介质平板之间的距离为2～10mm，多孔介质平板的数量为1～10块。

本实用新型高压电极材料为耐高温金属，结构可以采用平板型电极、圆柱型电极、芒刺型电极、螺旋型电极、星型电极或锯齿型电极，接地电极可以采用平板型电极、针型电极、圆柱型电极或多边型电极。所述的第一固定板、第二固定板、第三固定板以及第四固定板的材料为高温绝缘材料。

本实用新型运用电晕放电产生的OH自由基等活性基团具有超强的反应活性，能够与常规条件下很难降解的有机废气发生反应，而且在反应中只产生极少量的NOx、CO等二次污染物。低温等离子体中电子温度高达104～105K，而离子温度不过几百度，这在工业运用中具有极大优势。多孔介质材料的优点是高热导率、高比表面积、高孔隙率，不仅可以充分扰流，加速气体混合进行温度交换等，还能够有效地将反应完的有机废气的热量高效充分的传递给进气口处的低温有机废气，从而有效地减少了能量的损失。

在绝缘多孔介质空隙内加入高压等离子体，多孔介质空隙内将形成微孔放电等离子体，加速有机废气的降解，同时实现等离子体能量的高效利用。当有机污染物的浓度较高时，减小微孔放电等离子体的输入功率，充分利用多孔介质燃烧产生的高温降解有机废气；而当有机污染物的浓度下降时，增大微孔放电等离子体的输入功率，利用等离子体氧化和热力氧化协同作用降解有机废气。该方法可进一步拓展有机废气降解的浓度适用范围，并在保证脱除效率的同时大大降低放电等离子体的能耗，并最大限度减少二次污染物的生成。

本实用新型通过放电等离子体技术与多孔介质强化燃烧技术的协同作用，不仅填充多孔介质的反应区的温度明显高于非反应区，而且反应开始一定时间后反应区内能量可以达到动态平衡，不再需要外部加热，而仅需提供少量的电晕放电能量就可维持有机废气的燃烧降解过程；同时，控制器可根据不同的有机废气浓度及反应器温度调节等离子体的输入能量：当有机废气浓度较高时，降低等离子体输入能量，利用热力氧化产生的高温实现有机废气的降解；当有机废气浓度较低时，提高等离子体输入能量，利用等离子体氧化作用促进有机废气的降解；本实用新型装置可以达到低能耗、高效率、宽浓度适用范围的效果。

本实用新型结合等离子体降解和燃烧降解的两者优势，能耗更低，处理污染物浓度范围更广，有机副产物生成少；基于温度的等离子体能量输入控制，运行更稳定；易于放大；采用高压高频交流电源或高压高频脉冲电源等放电方式，输入能量更高，更易于调节。

本实用新型通过多孔介质材料的蓄热作用及等离子体自由基氧化作用协同降解有机废气，大大提高了有机废气的降解效率；同时根据有机废气浓度调节等离子体的输入能量，在保证有机废气降解效率的同时有效减少了输入能耗；本实用新型具有有机废气浓度适用范围广，输入能量低，处理效率高，系统可控性高等优点，可广泛应用于处理制药产业、喷涂产业、油漆工业、有机溶剂生产等多种工业生产中释放的有机废气，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型实施例1及实施例2的原理图；

图2是本实用新型实施例1及实施例3反应器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例2反应器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例3的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

实施例1

参照图1，一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，所述装置包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、用于提供等离子体的高压电源、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。所述反应器内设有传感器，所述传感器与控制器相连；所述反应器还与换热器相连。

参照图2，所述反应器包括反应器壳体1、多孔介质填充区和等离子体发生器，所述多孔介质填充区和等离子体发生器均位于反应器壳体内，等离子体发生器与控制器相连；所述反应器壳体1一端设有进气口3，反应器壳体另一端设有出气口4；反应器壳体1外层包覆有保温层5。等离子体由所述的等离子体发生器产生并充满在填充多孔介质空隙和多孔介质表面。

所述等离子体发生器包括设置在多孔介质填充区内的第一高压电极6以及设置在多孔介质填充区外围的第一接地电极7；所述第一高压电极6一端通过第一固定板8与靠近出气口4端的反应器壳体固定，另一端通过第二固定板9与靠近进气口3端的反应器壳体固定，第一固定板8与反应器壳体1之间通过凸台10固定；所述第一高压电极6与高压电源相连；所述第一高压电极和第一接地电极之间的距离为58mm，第一高压电极与第一接地电极的长度为1050mm。

所述多孔介质填充区沿进气口3至出气口4方向顺次设有预热区11、反应区2和蓄热区12，反应区2位于多孔介质填充区的中部，预热区11和蓄热区12分别位于反应区2两端。所述预热区的填充介质由孔径变化范围为0.1mm，孔隙率变化范围为0.15的蜂窝陶瓷组成，燃烧区的填充介质为碳化硅，蓄热区的填充介质为泡沫陶瓷。

所述高压电源为高压高频交流电源。

有机废气在过滤器中除去颗粒物，经过过滤的有机废气由进气口3进入反应器（也叫等离子体强化多孔介质燃烧装置），在反应器中经过热力氧化和等离子体氧化实现有机废气降解，有机废气降解释放的热量由换热器收集实现余热利用，经过降解的净烟气经过出气口4排出；高压电源连接所述的等离子体强化多孔介质燃烧装置，所述的控制器对整个装置进行流量和温度控制。

使用时，将有机废气与过滤器的入口接口接通，将高压高频交流电源接通。有机废气在过滤器中除去颗粒物，经过过滤的有机废气由进气口3进入反应器（也叫等离子体强化多孔介质燃烧装置），在高压高频交流电的作用下，第一高压电极6与第一接地电极7之间的高压放电区域出现大面积均匀稳定的介质阻挡电晕放电，放电区产生大量富含高能活性粒子，实现有机废气点火。有机废气热力燃烧产生的热量经由所述的多孔介质蓄热区传递到预热区加热进气口低温有机废气。放电产生的高能活性粒子与有机废气反应，生成无污染的H₂O和CO₂。在反应器中经过热力氧化和等离子体氧化实现有机废气降解，有机废气降解释放的热量由换热器收集实现余热利用，经过降解的净烟气经过出气口4排出；高压电源连接所述的等离子体强化多孔介质燃烧装置，所述的控制器对整个装置进行流量和温度控制。所述有机废气为甲苯，浓度为1%，放电电压30 kV，放电频率为8 kHz，有机废气脱除效率为98%。

实施例2

参照图1，一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，所述装置包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、用于提供等离子体的高压电源、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。所述反应器内设有传感器，所述传感器与控制器相连；所述反应器还与换热器相连。

参照图3，所述反应器包括反应器壳体1、多孔介质填充区和等离子体发生器，所述多孔介质填充区和等离子体发生器均位于反应器壳体内，等离子体发生器与控制器相连；所述反应器壳体1一端设有进气口3，反应器壳体另一端设有出气口4；反应器壳体1外层包覆有保温层5。等离子体由所述的等离子体发生器产生并充满在填充多孔介质空隙和多孔介质表面。

所述反应器包括若干个并联的反应器单元，每个反应器单元均包括第二高压电极16、第二接地电极17和多孔介质18，第二高压电极通过电极固定板13、第三固定板14和第四固定板15与反应器壳体1固定。多孔介质与第二高压电极、第二接地电极的布置方式为多层平板布置，第二高压电极设置在多孔介质平板内，第二接地电极设置在多孔介质平板外围；多孔介质平板的厚度为5mm，多孔介质平板之间的距离为3mm，多孔介质平板的数量为5块。

所述多孔介质填充区沿进气口3至出气口4方向顺次设有预热区11、反应区2和蓄热区12，反应区2位于多孔介质填充区的中部，预热区11和蓄热区12分别位于反应区2两端。所述预热区的填充介质由孔径变化范围为2.5mm，孔隙率变化范围为0.45的泡沫陶瓷组成，燃烧区的填充介质为石英玻璃，蓄热区的填充介质为平板陶瓷。

所述高压电源为高压高频脉冲电源。

使用时，将有机废气与过滤器的入口接口接通，将高压高频交流电源接通。有机废气在过滤器中除去颗粒物，经过过滤的有机废气由进气口3进入反应器，在高压高频交流电的作用下，第二高压电极16与第二接地电极17之间的高压放电区域出现脉冲电晕，放电区产生大量富含高能活性粒子，实现有机废气点火。有机废气热力燃烧产生的热量经由所述的多孔介质蓄热区传递到预热区加热进气口低温有机废气。放电产生的高能活性粒子与有机废气反应，生成无污染的H₂O和CO₂。在反应器中经过热力氧化和等离子体氧化实现有机废气降解，有机废气降解释放的热量由换热器收集实现余热利用，经过降解的净烟气经过出气口4排出；高压电源连接所述的等离子体强化多孔介质燃烧装置，所述的控制器对整个装置进行流量和温度控制。所述有机废气为甲苯，浓度为1%，放电电压50 kV，放电频率为2 kHz，脉冲宽度为5ms时，有机废气脱除效率为99%。

实施例3

参照图4，一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，所述装置包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。所述反应器内设有传感器，所述传感器与控制器相连。

参照图2，所述反应器包括反应器壳体1、多孔介质填充区和等离子体发生器，所述多孔介质填充区和等离子体发生器均位于反应器壳体内，等离子体发生器与控制器相连；所述反应器壳体1一端设有进气口3，反应器壳体另一端设有出气口4；反应器壳体1外层包覆有保温层5。等离子体由所述的等离子体发生器产生并充满在填充多孔介质空隙和多孔介质表面。

所述等离子体发生器包括设置在多孔介质填充区内的第一高压电极6以及设置在多孔介质填充区外围的第一接地电极7；所述第一高压电极6一端通过第一固定板8与靠近出气口4端的反应器壳体固定，另一端通过第二固定板9与靠近进气口3端的反应器壳体固定，第一固定板8与反应器壳体1之间通过凸台10固定；所述第一高压电极6与高压电源相连；所述第一高压电极和第一接地电极之间的距离为98mm，第一高压电极与第一接地电极的长度为1900mm。

所述多孔介质填充区沿进气口3至出气口4方向顺次设有预热区11、反应区2和蓄热区12，反应区2位于多孔介质填充区的中部，预热区11和蓄热区12分别位于反应区2两端。所述预热区的填充介质由孔隙率及孔径均匀的蜂窝陶瓷组成，燃烧区的填充介质为堇青石，蓄热区的填充介质为堆积型多孔介质，所述堆积型多孔介质为不带尖角球形颗粒。

所述高压电源为高压高频交流电源。

所述有机废气浓度较高时，减小甚至关闭等离子体的输入功率，利用多孔介质燃烧产生的高温降解有机废气；当有机污染物的浓度下降时，增大微孔放电等离子体的输入功率，利用等离子体氧化和热力氧化协同作用降解有机废气。随着放电电压能量密度的逐渐增大，有机废气脱除效率逐渐增大。有机废气浓度为1%时：（1）直接通过多孔介质蓄热燃烧的脱除效率为70%；（2）电压12 kV，放电频率为1 kHz，脱除效率为 95%。可见该方法可进一步拓展有机废气降解的浓度适用范围，并在保证脱除效率的同时大大降低放电等离子体的能耗，并最大限度减少二次污染物的生成。

利用本实用新型中的装置进行有机废气处理的方法为经过过滤净化后的有机废气进入预热区，经过预热的有机废气进入等离子强化反应区。运用高压高频电源对等离子体强化反应区的废气进行电晕放电，诱导激发使之产生O₃、O、H、OH自由基等活性基团，活性基团与高温燃烧氛围中的有机废气充分接触反应，使之有效降解形成CO₂、H₂O等产物。在反应区内与放电产生的自由基高效反应，燃烧放热，气体温度升高，又通过多孔介质材料的导热和辐射作用将热量传递给进气口处的低温有机废气并用于其预热；反应后的高温净烟气通过蓄热区将热量储存在蓄热区多孔介质材料中，高温净烟气变成低温净烟气后经由出气口排出。

通过多孔介质材料的热力氧化作用及等离子体自由基氧化作用协同降解有机废气，大大提高了有机废气的降解效率；同时根据有机废气浓度调节等离子体的输入能量，在保证有机废气降解效率的同时有效减少了输入能耗。该实用新型具有有机废气浓度适用范围广，输入能量低，处理效率高，系统可控性高等优点，可广泛应用于处理制药产业、喷涂产业、油漆工业、有机溶剂生产等多种工业生产中释放的有机废气。

Claims (9)

1.一种等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述装置包括用于去除有机废气中颗粒物的过滤器、用于热力氧化和等离子体氧化以实现有机废气降解的反应器、用于提供等离子体的高压电源、以及用于对反应器进行流量和温度控制的控制器，所述过滤器与反应器相连，反应器分别与控制器及高压电源相连。

2.根据权利要求1所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述反应器包括反应器壳体、多孔介质填充区和等离子体发生器，所述多孔介质填充区和等离子体发生器均位于反应器壳体内，等离子体发生器与控制器相连；所述反应器壳体一端设有进气口，反应器壳体另一端设有出气口；反应器壳体外层包覆有保温层。

3.根据权利要求1所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述等离子体发生器包括设置在多孔介质填充区内的第一高压电极以及设置在多孔介质填充区外围的第一接地电极；所述第一高压电极一端通过第一固定板与靠近出气口端的反应器壳体固定，另一端通过第二固定板与靠近进气口端的反应器壳体固定，第一固定板与反应器壳体之间通过凸台固定；所述第一高压电极与高压电源相连；所述第一高压电极和第一接地电极之间的距离为15～100mm，第一高压电极与第一接地电极的长度为100～2000mm。

4.根据权利要求2所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述多孔介质填充区沿进气口至出气口方向顺次设有预热区、反应区和蓄热区，反应区位于多孔介质填充区的中部，预热区和蓄热区分别位于反应区两端。

5.根据权利要求4所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述预热区的填充介质由孔隙率及孔径均匀或者逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷组成，孔径变化范围为0.1～5mm，孔隙率变化范围为0.15～0.85；燃烧区的填充介质采用石英玻璃、绝缘陶瓷、碳化硅、氧化锆或堇青石中的一种；蓄热区的填充介质采用堆积型多孔介质、泡沫陶瓷，平板陶瓷或蜂窝陶瓷中的一种，所述堆积型多孔介质为不带尖角球形颗粒、带尖角的规则颗粒或带尖角的不规则颗粒。

6.根据权利要求1所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述高压电源为高压高频交流电源或高压高频脉冲电源，高压高频交流电源的频率为50Hz～20kHz，峰值电压为10kV～60kV，高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz～20kHz，峰值电压为10kV～80kV，脉冲宽度为20μs～10ms。

7.根据权利要求1所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述反应器内设有传感器，所述传感器与控制器相连；所述反应器还与换热器相连。

8.根据权利要求1所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：所述反应器包括若干个并联的反应器单元，每个反应器单元均包括第二高压电极、第二接地电极和多孔介质，第二高压电极通过电极固定板、第三固定板和第四固定板与反应器壳体固定。

9.根据权利要求8所述的等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置，其特征在于：多孔介质与第二高压电极、第二接地电极的布置方式为多层平板布置，多孔介质平板的厚度为2～8mm，多孔介质平板之间的距离为2～10mm，多孔介质平板的数量为1～10块。