專利名稱：低溫等離子體工業(yè)廢氣處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用低溫等離子體處理工業(yè)廢氣的裝置。
隨著社會(huì)工業(yè)化程度的不斷提高，由工業(yè)廢氣造成的環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。尋求一種切實(shí)可行又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法來(lái)降解有機(jī)污物以及H2S、CS2、SO2、碳?xì)浠衔?、氟里昂、哈龍等物質(zhì)是一項(xiàng)很有意義的工作。在已有的方法中，用焚燒法處理這類物質(zhì)不太合適，因?yàn)榉锇?、哈龍、多環(huán)芳烴等物質(zhì)具有很高的耐熱穩(wěn)定性。使用焚燒法必須將整個(gè)體系的溫度加熱到很高才能破壞它們，這樣造成能源的浪費(fèi)，又會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的二次污染，且有腐蝕問(wèn)題。催化燃燒法對(duì)氟里昂、哈龍是不合適的，雖對(duì)有機(jī)污染有效，但是對(duì)大流量、高流速?gòu)U氣的治理，仍存在氣阻大、效率低等問(wèn)題，而且，硫、磷、鹵素等易使催化劑中毒，從而使催化劑壽命縮短性能降低。吸附一解吸方法也存在吸附容量、氣阻、普適性等問(wèn)題。
經(jīng)研究表明，等離子體中存在大量活性粒子，這些粒子可以破壞環(huán)境中的難降解物質(zhì)。如何利用等離子體來(lái)處理環(huán)境中的有毒及難降解物質(zhì)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)有人做了不少工作。例如，Clements J.S等人用脈沖電暈放電產(chǎn)生常壓等離子體對(duì)降解NO、SO2進(jìn)行研究(Clements J.S.et.al.IEEE Trans.Ind.Appl.1989,25(1):62)，他們?cè)谟?.6％H2O存在的條件下，起始濃度為1000ppm的SO2在放電5.2S后90％被去除。Li Jing等人用介質(zhì)隔阻放電(即簡(jiǎn)稱DBD)技術(shù)產(chǎn)生非平衡等離子體處理模擬煙道廢氣(IEEE Trans.Plasma Sci.1995,23(4):672)，他們得出去除每kgSO2需耗電75KWh。Chang M.B等人用DBD放電的方法降解了甲醛等易揮發(fā)性有機(jī)物(Environ.Sci.Technol.,1995,29:181)，他們得出HCHO的起始濃度為100ppmv在19KV的電壓下可獲得97％的解離率。也有人用同樣方法降解了HCHO和苯酚。我國(guó)也有在這方面進(jìn)行過(guò)不少研究。但是，目前的這些研究工作均未達(dá)到工業(yè)實(shí)用化階段，其主要問(wèn)題如下1．大多數(shù)研究工作要在低壓下進(jìn)行，不能在大氣(常溫常壓)中進(jìn)行；2．不能產(chǎn)生高功率大體積等離子區(qū)域，無(wú)實(shí)用價(jià)值；3．不能在高速流動(dòng)態(tài)進(jìn)行，也就不能用于實(shí)際的體系；4．沒(méi)有高效的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能量利用率低，缺乏經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能在常壓下(大氣)處理流動(dòng)狀態(tài)廢氣的高功率低溫等離子體裝置。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的低溫等離子體廢氣處理裝置，由低溫等離子體放電管、電源及相應(yīng)的外殼中框、上接口和下接口以及分氣管等組成，結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。其中等離子體放電管4數(shù)量為1～100個(gè)，并行排列于外殼中框1內(nèi)。從原理上說(shuō)，可以并聯(lián)更多放電管。上接口2和下接口3為喇叭狀，上(大)口分別與中框1兩側(cè)固定連接，下(小)口分別與進(jìn)氣管和排氣管連接，分氣管5設(shè)置于中框前兩側(cè)。分氣管與放電管的內(nèi)管連通，以便給予通水或通氣。中框側(cè)面開(kāi)有觀察窗6。其放電管4排列從橫截面看，可以方形排列，如圖3所示。也可以成園形排列，如圖4所示。也可以成其他形狀的排列。
本實(shí)用新型的低溫等離子體放電管由同軸的外管和內(nèi)管構(gòu)成，內(nèi)、外管之間有通氣空間。其單只結(jié)構(gòu)如圖6所示。外電極20以螺旋狀形式纏繞于外管18外側(cè)，內(nèi)電極21置于內(nèi)管19里面，內(nèi)、外管一般采用石英或陶瓷等絕緣材料制作而成，其長(zhǎng)度一般為100～500mm，壁厚2-3mm，外管的內(nèi)徑一般為20mm～100mm，內(nèi)管外徑一般為10～30mm。內(nèi)、外電極材料可采用不銹鋼或鎳等金屬材料。內(nèi)管19可由上、下支架的形式將其固定。上、下支架平面形狀可以為三叉形，如圖7所示，不影響廢氣通入外管內(nèi)。內(nèi)管與分氣管5連通，可以通氣或水，即對(duì)內(nèi)電極進(jìn)行水冷或氣冷。放電管兩端通過(guò)螺釘固定于中框壁架上。
本實(shí)用新型的電源由對(duì)稱方波發(fā)生器和高壓發(fā)生器兩部分構(gòu)成，如圖5所示。其中對(duì)稱方波發(fā)生器7由振蕩器9、雙穩(wěn)態(tài)分頻器10、緩沖器11和脈沖變壓器12經(jīng)電路連接構(gòu)成，用以產(chǎn)生高度對(duì)稱的方波。電阻Rx和電溶Cx用于變換頻率。高壓發(fā)生電路8由調(diào)壓變壓器13、整流電路14、濾波電路15、高壓驅(qū)動(dòng)電路16和高壓變壓器17經(jīng)電路連接構(gòu)成。其中的高壓驅(qū)動(dòng)電路16由兩組功率驅(qū)動(dòng)模塊A1和A2以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器組成，每個(gè)功率驅(qū)動(dòng)模塊由一組NPN型大功率管并聯(lián)而成，或者由VMOS管(場(chǎng)效應(yīng)管)并聯(lián)而成，也可由IGPT元件組成。方波發(fā)生器7的脈沖變壓器12的輸出端分別與兩功率驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)器連接，高壓發(fā)生器8的高壓變壓器17的輸出端分別與放電管4的內(nèi)電極和外電極連接。多個(gè)放電管在氣路方面并聯(lián)后，可以使用一個(gè)電源。這時(shí)電源功率要求相當(dāng)大。也可以由一個(gè)放電管配備一個(gè)電源，即多個(gè)電放管可設(shè)置相應(yīng)多個(gè)電源。這時(shí)，對(duì)單只電源來(lái)說(shuō)，可以功率小一些。功率驅(qū)動(dòng)模塊中并聯(lián)的NPN大功率管或VMOS管的數(shù)量，根據(jù)所需功率的大小確定。對(duì)于單只電源的功率可達(dá)500瓦以上。
本實(shí)用新型中在等離子體放電管的內(nèi)、外電極施加的是高度對(duì)稱的連續(xù)方波的交流高壓電源，而不是通常的脈沖高壓電源。而且該方波頻率根據(jù)所需的等離子體情況在5KC～80KC范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，方波的電壓在3KV～30KV范圍連續(xù)可調(diào)。
上述電源的方波也可以改用正弦波。
為了降低裝置在工作狀態(tài)產(chǎn)生的高溫，在中框1兩側(cè)可附設(shè)排風(fēng)扇裝置。
本裝置的工作原理如下本裝置采用的是一種高氣壓的非平衡放電，這種放電產(chǎn)生于兩個(gè)電極之間，其中至少一個(gè)電極上面覆蓋一層電介質(zhì)。當(dāng)接上電源后，產(chǎn)生的方波高電壓加在內(nèi)、外電板上，電極之間的氣體在高電壓交變電場(chǎng)作用下放電而產(chǎn)生低溫等離子體，在低溫等離子體區(qū)域，存在大量平均能量在5ev左右的電子，電子轟擊H2S、CS2等，使H2S或CS2轉(zhuǎn)變成各種活性粒子，如H-、S、HS+等等。而H-與空氣中O2結(jié)合成H2O,HS+與O2也可產(chǎn)生H2O和S或SO2等等，達(dá)到了去除H2S、CS2的效果。又如，電子轟擊CF2clBr后，產(chǎn)生CF2、Cl、Br、CF2clBr+、CF2Cl+等活性粒子，這些粒子與空氣中O2作用，產(chǎn)生COF2、Br2、Cl2等氣體，達(dá)到去除CF2ClBr的效果。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的等離子體廢氣處理裝置具有如下一些特點(diǎn)可以在常溫常壓下處理廢氣；可以在廢氣流速達(dá)15米/秒的狀態(tài)下工作；由于獲得大體積等離子體區(qū)域，可以高速大量處理廢氣，每小時(shí)可處理2000m3以上；能源利用率高，為7W/m3·h左右；處理廢氣范圍廣，不但適用于H2S、CS2等廢氣的處理，還可用于烴類、SO2、芳香烴類、多環(huán)芳香烴、氟里昂、哈龍等廢物的處理。另外，還可與催化劑協(xié)同，降解其他有機(jī)污染物。因此，本裝置已達(dá)到等離子體處理廢氣的工業(yè)實(shí)用化要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的廢氣處理裝置正面圖。
圖2為本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的廢氣處理裝置側(cè)面圖。
圖3為廢氣處理裝置中框內(nèi)放電管排列圖示(方形)。
圖4為廢氣處理裝置中框內(nèi)放電管排列圖示(園形)。
圖5為廢氣處理裝置電源原理圖。
圖6為廢氣處理裝置中低溫等離子體放電管結(jié)構(gòu)圖。
圖7為廢氣處理裝置中低溫等離子體放電管支架圖示。
其中1為裝置的中框，2為與中框連接的喇叭形上接口，3為下接口，4為低溫等離子放電管，5為分氣管，6為中框上的觀察窗，7為電源的方波發(fā)生器，8為電源的高壓發(fā)生器，9為方波發(fā)生器的振蕩器，10為分頻器，11為緩沖器，12為脈沖變壓器，13為調(diào)壓變壓器，14為整流器，15為濾波器，16為高壓驅(qū)動(dòng)電路，17為高壓變壓器，18為放電管外管，19為內(nèi)管，20為外電極，21為內(nèi)電極，22為放電管的上支架，23為放電管下支架。
實(shí)施例。如附圖所示，本裝置的中框1縱向(放電管軸向)長(zhǎng)度410mm，寬度690mm，高度400mm。側(cè)面開(kāi)有觀察窗6，上、下接口高度(軸向)分別為530mm，上口(大口)分別與中框兩端口用螺釘連接。等離子體放電管長(zhǎng)度300mm，外管18、內(nèi)管19采用石英玻璃材料，外管內(nèi)經(jīng)40mm，內(nèi)管外徑10mm，外電極20采用不銹鋼材料，以螺旋狀纏繞于外管外側(cè)面上。內(nèi)電極21為管狀，穿過(guò)內(nèi)管。內(nèi)管通過(guò)上、下支架22和23與外管同軸固定。放電管共10支，并排一列固定于中框1內(nèi)。內(nèi)管通氣即采用氣冷方式。電源中的振蕩器9、雙穩(wěn)態(tài)分頻器10、緩沖器11、脈沖變壓器12、調(diào)壓變壓器13、整流器14、濾波器15等采用通常的電子線路，2個(gè)功率驅(qū)動(dòng)模塊A1和A2采用IGPT大功率模塊，每個(gè)模塊用1只管子，每只管子功率為200瓦，并聯(lián)。產(chǎn)生的連續(xù)方波頻率為5KC～80KC連續(xù)可調(diào)，電壓在3KV～30KV范圍連續(xù)可調(diào)，共用10個(gè)電源，即每個(gè)放電管使用一個(gè)電源。
上述設(shè)計(jì)的低溫等離子廢氣處理裝置，可在大氣狀態(tài)工作，每小時(shí)可處理廢氣400m3，并可對(duì)多種廢氣均適用，例如H2S、CS2等。對(duì)H2S降解率為50％～85％(在流速為9.5m/秒條件下，H2S的起始濃度為70mg/m3～550mg/m3)。
權(quán)利要求1．一種低溫等離子體工業(yè)廢氣處理裝置，由低溫等離子體放電管、電源及相應(yīng)的外殼中框、上接口和下接口、分氣管組成，其特征在于低溫等離子放電管有1～100個(gè)并行排列外殼中框內(nèi)，上、下接口呈喇叭形，其大口分別與中框的兩側(cè)固定連接，其小口分別與進(jìn)氣管和排氣管連接，分氣管設(shè)置于中框兩側(cè)，并與放電管的內(nèi)管連通。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫等離子體工業(yè)廢氣處理裝置，其特征在于上述的放電管由同軸安裝的外管和內(nèi)管構(gòu)成，外電極以螺旋狀形式纏繞于外殼外側(cè)面，內(nèi)電極置于內(nèi)管里面，外管長(zhǎng)度為100～500mm，內(nèi)徑為20～100mm，內(nèi)管外徑為10～30mm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低溫等離子體工業(yè)廢氣處理裝置，其特征在于電源由對(duì)稱方波發(fā)生器和高壓發(fā)生器構(gòu)成，其中對(duì)稱方波發(fā)生器由振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)分頻器、緩沖器、脈沖變壓器經(jīng)電路連接構(gòu)成，高壓發(fā)生器由調(diào)壓變壓器、整流電路、濾波電路、高壓驅(qū)動(dòng)電路和高壓變壓器經(jīng)電路連接構(gòu)成，其高壓驅(qū)動(dòng)電路由兩組功率驅(qū)動(dòng)模塊和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器組成，脈沖變壓器的輸出端分別與兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)器連接，高壓變壓器的輸出端分別與等離子體放電管的內(nèi)、外電極連接。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫等離子體工業(yè)廢氣處理裝置，其特征在于電源輸出的連續(xù)方波的頻率在5KC～80KC范圍連續(xù)可調(diào)，電壓在3KV-30KV范圍連續(xù)可調(diào)。
專利摘要本實(shí)用新型屬環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域,是一種利用低溫等離子體處理工業(yè)廢氣的裝置。它由多個(gè)并聯(lián)的低溫等離子體放電管和電源及外殼等構(gòu)成。放電管采用內(nèi)、外管結(jié)構(gòu)形式,外電極以螺旋狀纏繞于外管外側(cè),內(nèi)電極設(shè)置于內(nèi)管里面。電源輸出連續(xù)方波,其頻率在5KC—80KC范圍、電壓在3KV—30KV范圍連續(xù)可調(diào)。本裝置可在常壓常溫、廢氣流速高達(dá)15米/秒狀態(tài)下工作,可高效、大量處理廢氣,且處理廢氣的范圍廣,達(dá)到工業(yè)實(shí)用化要求,具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B01D53/74GK2319112SQ9724275
公開(kāi)日1999年5月19日 申請(qǐng)日期1997年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月28日
發(fā)明者侯惠奇, 劉先年, 張振滿, 潘循晳 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)