本發(fā)明屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及陣列式等離子體-催化劑協(xié)同作用的廢氣處理裝置。

背景技術(shù)：

經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來的大氣污染問題已成為最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，工業(yè)廢氣中含有揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatileorganiccompounds,簡稱vocs）、二氧化硫、氮氧化物等諸多有毒有害性氣體，不但嚴(yán)重危害人體生命健康，而且對地球生態(tài)環(huán)境有著巨大的危害。傳統(tǒng)的廢氣處理技術(shù)如焚燒法、吸附法、冷凝法等，存在著凈化效率低、投入成本高、易產(chǎn)生二次污染等弊端，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)社會的需求。

等離子體是由離子、電子、中性粒子組成的整體呈電中性的物質(zhì)集合，是不同于固體、液體、氣體的物質(zhì)第四態(tài)，其中非熱力學(xué)平衡等離子體在宏觀上的溫度接近常溫，被稱為低溫等離子體，廣泛應(yīng)用于材料、電子等領(lǐng)域，并在環(huán)保領(lǐng)域備受關(guān)注。利用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)能在大氣壓下產(chǎn)生大面積的低溫等離子體，等離子體中存在著大量的高能電子，與廢氣中的背景氣體分子發(fā)生非彈性碰撞，通過能量傳遞產(chǎn)生種類繁多的激發(fā)態(tài)物種、正負(fù)離子、自由基等活性粒子，其中臭氧、激發(fā)態(tài)氧原子、羥基自由基等組分則有著很強(qiáng)的氧化性，能將廢氣中的有毒有害成分氧化降解，轉(zhuǎn)化成無毒無害或是低毒低害的物質(zhì)。介質(zhì)阻擋放電處理廢氣可在常溫常壓下進(jìn)行，運行方便、操作簡單、處理效率高且二次污染小，有著廣闊的應(yīng)用前景。

低溫等離子體技術(shù)處理廢氣存在能耗較高、易產(chǎn)生多種副產(chǎn)物的缺陷，為了解決這一問題，等離子體-催化協(xié)同技術(shù)成為了研究熱點。利用等離子體高反應(yīng)活性的優(yōu)點，結(jié)合活性催化劑，在室溫下即可顯著提高廢氣降解的能量效率，減少副產(chǎn)物的生成，提高有毒有害氣體的轉(zhuǎn)化率和礦化率。傳統(tǒng)的催化劑填充方式分為一段式和二段式：一段式是將催化劑置于等離子體反應(yīng)器內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用等離子體中產(chǎn)生的短壽命活性物質(zhì)，對廢氣分子進(jìn)行催化氧化，缺點是催化劑長時間置于等離子體中可能會遭到破壞；二段式是將催化劑置于等離子體反應(yīng)器之后，這種結(jié)構(gòu)可以防止催化劑結(jié)構(gòu)被等離子體破壞，缺點是只有長壽命的活性物質(zhì)才可到達(dá)催化劑層，且催化劑吸附飽和后需要再生或更換。

現(xiàn)有的介質(zhì)阻擋放電裝置通常存在形狀受限制、處理氣體量少、電極難以更換等不足，難以滿足不同種類、濃度和空速的廢氣治理需求，后期維護(hù)困難，這些因素都限制了等離子體裝置在工業(yè)廢氣治理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種等離子體-催化協(xié)同作用的工業(yè)廢氣處理裝置，目的在于解決等離子體發(fā)生器處理氣量小、難以維護(hù)，以及傳統(tǒng)催化劑填充方式難以與等離子體有效結(jié)合的問題。

本發(fā)明提出的等離子體-催化協(xié)同作用的工業(yè)廢氣處理裝置，其構(gòu)成如圖1和圖2所示，包括：脈沖電源、金屬電極、絕緣介質(zhì)管、催化劑模塊及殼體；其中，一根金屬電極插在一個絕緣介質(zhì)管中，作為等離子體發(fā)生電極，絕緣介質(zhì)管呈柱狀的長條型，一端封閉，另一端開口以引出金屬電極；絕緣介質(zhì)管以幾何陣列的形式排列，且同一列中絕緣介質(zhì)管的端封閉和開口端方向相間排列，一個方向引出的金屬電極接脈沖電源的高壓輸出，成為高壓電極，另一方向引出的金屬電極接大地，成為地電極；這樣使等離子體發(fā)生電極以幾何陣列的形式排列，同一列電極中高壓電極與地電極相間排布（即交叉分布），當(dāng)電源輸出電壓達(dá)到擊穿電壓時，相鄰的高壓電極與地電極之間將產(chǎn)生等離子體；催化劑模塊插在相鄰兩列等離子體發(fā)生電極之間，與等離子體協(xié)同處理有害氣體；整個電極陣列安裝在殼體內(nèi)。

本發(fā)明中，為防止高壓電極與殼體之間打火，在絕緣介質(zhì)管封閉端留出一段1-2cm長的真空區(qū)域或是介質(zhì)層，其余部分填充金屬電極；同一列等離子體發(fā)生電極中，交叉排列的高壓電極與地電極之間間距與脈沖電源輸出電壓相匹配，可在1-10mm間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明中，所述絕緣介質(zhì)管的尺寸可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，例如，外徑為2-5mm，內(nèi)徑為1-3mm，長度80mm-300mm。

本發(fā)明中，所述絕緣介質(zhì)管為耐高壓非極性絕緣材料，可選石英玻璃、陶瓷（如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅）、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯等，以石英玻璃、陶瓷為佳；所述金屬電極為導(dǎo)電性良好的金屬材料，可選金、銀、銅、鐵、鋁、鋅、鎢、鉑、鈀、銥、不銹鋼等，可以是金屬棒、金屬粉末，若是金屬粉末則在填充入絕緣介質(zhì)管后需引出一根導(dǎo)線，與外界電源相連。

本發(fā)明中，所述高壓電極與地電極從相對的兩個側(cè)面分別引出并通過金屬板（金屬條）連接在一起，使得高壓電極與地電極各自保持電勢相等；所述等離子體發(fā)生電極與殼體、金屬板（金屬條）之間通過螺絲、卡扣等可拆卸部件相連接，方便更換電極。

本發(fā)明中，所述裝置殼體為易加工抗腐蝕絕緣材料，可以是有機(jī)玻璃、聚四氟乙烯、環(huán)氧等。

本發(fā)明中，所述等離子體發(fā)生電極的長度、每列電極的根數(shù)、同列電極之間距離以及電極的列數(shù)均可調(diào)節(jié)。當(dāng)廢氣空速一定時，改變電極長度、每列電極根數(shù)或同列電極之間距離可改變產(chǎn)生的等離子體的橫截面積，從而改變廢氣的停留時間；改變電極列數(shù)則可改變廢氣流動方向上的等離子體區(qū)域長度，同樣可改變廢氣的停留時間。因此，對于確定的某一工業(yè)廢氣，在保證足夠的停留時間使其達(dá)到所需的降解效果時，可以通過增加等離子體發(fā)生電極的長度、每列電極的根數(shù)、同列電極之間距離以及電極的列數(shù)來增大廢氣空速，增加裝置處理氣體的氣量。

本發(fā)明中，相鄰兩列等離子體發(fā)生電極之間距離可調(diào)。催化劑的一段式填充方式可能會使催化劑結(jié)構(gòu)遭破壞，二段式填充方式會減弱活性粒子與催化劑的協(xié)同作用，將催化劑填充在相鄰兩列電極之間則既可避免催化劑結(jié)構(gòu)遭破壞，又可使催化劑緊靠等離子體放電區(qū)域，使得等離子體放電產(chǎn)生的活性粒子與催化劑充分接觸，產(chǎn)生協(xié)同作用。通過改變相鄰兩列電極之間距離可調(diào)節(jié)等離子體放電區(qū)域與催化劑模塊之間的距離，從而經(jīng)過系列實驗來找到催化劑最適宜的填充位，提高系統(tǒng)效能。

本發(fā)明中，所述脈沖電源施加于等離子體發(fā)生電極上產(chǎn)生的脈沖電壓為1-100kv，頻率為0-10khz。相比于傳統(tǒng)的交流電源，脈沖電源功率更小、放電氣體溫度更低、產(chǎn)生的活性粒子種類更多、臭氧量更大，處理廢氣的效果更好、成本更低。

本發(fā)明中，催化劑模塊可以壓制成片的形式直接插入等離子體陣列之間，也可以用耐壓、耐溫、耐腐蝕材料（聚四氟乙烯）所制成的網(wǎng)狀盒子，將催化劑填充在盒中；填充型催化劑可以是粉末狀、顆粒狀、塊狀等。網(wǎng)狀盒子，以讓廢氣氣體通過。聚四氟乙烯有著良好的電絕緣性、抗腐蝕性、抗老化與抗高溫耐力，對人體無毒，是良好的封裝材料。

本發(fā)明中，氣體源可以是混合了工業(yè)廢氣的空氣、氦氣、氬氣、氮氣等，氣體壓力、溫度、濕度、流速等在一定范圍內(nèi)可根據(jù)要求做不同選擇。

本發(fā)明可以產(chǎn)生大面積的等離子體，可通過調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生電極的長度、數(shù)量、間距來滿足不同種類、濃度與空速的工業(yè)廢氣處理需求；電極可拆卸，維護(hù)方便；催化劑與等離子體放電區(qū)域交替分布，彌補(bǔ)了催化劑一段式、二段式填充方式的不足，能充分發(fā)揮出等離子體-催化劑的協(xié)同作用；使用脈沖電源作為等離子體發(fā)生源，可產(chǎn)生接近室溫的等離子體，能量效率高、運行成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖2為本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)的左視圖。

具體實施方式

圖1、圖2分別為本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)的俯視圖、左視圖，包括高壓電極1、地電極2、絕緣介質(zhì)管3、高壓金屬板4、接地金屬板5、催化劑模塊6和脈沖電源7。本實施例中等離子體發(fā)生電極有3列×6行共18根，所有高壓電極1與高壓金屬板4通過接線柱相連，高壓金屬板與脈沖電源7的高壓輸出相連；所有地電極2與接地金屬板4通過接線柱相連，并與大地相連；高壓電極1與地電極2置于絕緣介質(zhì)管3中，分別組成一根等離子體發(fā)生電極；催化劑模塊6置于相鄰的兩列等離子體發(fā)生電極之間。

工業(yè)廢氣流動方向如圖1中風(fēng)向所示，廢氣交替通過等離子體放電區(qū)域和催化劑模塊。等離子體放電區(qū)域中有大量的高能電子和強(qiáng)氧化性活性粒子，與廢氣中的有害氣體分子產(chǎn)生碰撞、裂解、氧化等物理化學(xué)反應(yīng)，未被徹底轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)的廢氣再進(jìn)入后續(xù)的催化劑模塊，經(jīng)過吸附、催化氧化，大大提高有害氣體的轉(zhuǎn)化率，如是經(jīng)過多層放電區(qū)域與催化劑模塊，使得廢氣被徹底凈化，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

本實施例裝置中，高壓電極1、地電極2為銅棒，長220mm，外徑2mm；絕緣介質(zhì)管3為石英玻璃管，長200mm，外徑4mm，內(nèi)徑2mm，電極插入介質(zhì)管中在頂端留有10mm空隙，對高壓尖端起到絕緣保護(hù)的作用。

上述裝置中，同列電極間氣隙間隔為4mm，相鄰兩列電極之間氣隙間隔20mm，選用分子篩為催化劑，填充在聚四氟乙烯制成的長方體網(wǎng)盒中，插入相鄰電極之間。

上述裝置中，脈沖電源7為高頻高壓單極性脈沖電源，頻率0~10khz可調(diào)，電壓0~30kv可調(diào)。

選用濃度200ppm、空速10l/min的二甲苯模擬廢氣作為實驗樣品氣體，在25℃室溫環(huán)境下，通過調(diào)節(jié)脈沖電源輸出電壓與催化劑的填充量，可使二甲苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上，二氧化碳選擇性在60%以上。

對于實際廢氣，催化劑的種類、填量須視情況而定。對于低濃度、小氣量的易處理氣體，可不添加催化劑模塊，僅用等離子體進(jìn)行處理；對于高濃度、大氣量的工業(yè)廢氣，依次添加催化劑，探究處理結(jié)果達(dá)標(biāo)所需的催化劑量，以降低裝置成本。

在實際應(yīng)用中，等離子體發(fā)生電極的列數(shù)、行數(shù)及長度根據(jù)實際情況可大幅改變，以滿足不同種類、濃度、空速的工業(yè)廢氣治理需求；電極間行距可在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，與脈沖電源相匹配；電極間列距、催化劑模塊層數(shù)、催化劑模塊與電極間距離應(yīng)根據(jù)實際情況決定，使系統(tǒng)的效率達(dá)到最高。