陣列式等離子體‑催化劑協同作用的廢氣處理裝置的製作方法
2023-06-01 08:53:01 1
本實用新型屬於環保技術領域，具體涉及陣列式等離子體-催化劑協同作用的廢氣處理裝置。
背景技術：
經濟建設帶來的大氣汙染問題已成為最嚴重的環境問題之一，工業廢氣中含有揮發性有機化合物（volatile organic compounds,簡稱VOCs）、二氧化硫、氮氧化物等諸多有毒有害性氣體，不但嚴重危害人體生命健康，而且對地球生態環境有著巨大的危害。傳統的廢氣處理技術如焚燒法、吸附法、冷凝法等，存在著淨化效率低、投入成本高、易產生二次汙染等弊端，難以滿足現代工業社會的需求。
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集合，是不同於固體、液體、氣體的物質第四態，其中非熱力學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，廣泛應用於材料、電子等領域，並在環保領域備受關注。利用介質阻擋放電技術能在大氣壓下產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生非彈性碰撞，通過能量傳遞產生種類繁多的激發態物種、正負離子、自由基等活性粒子，其中臭氧、激發態氧原子、羥基自由基等組分則有著很強的氧化性，能將廢氣中的有毒有害成分氧化降解，轉化成無毒無害或是低毒低害的物質。介質阻擋放電處理廢氣可在常溫常壓下進行，運行方便、操作簡單、處理效率高且二次汙染小，有著廣闊的應用前景。
低溫等離子體技術處理廢氣存在能耗較高、易產生多種副產物的缺陷，為了解決這一問題，等離子體-催化協同技術成為了研究熱點。利用等離子體高反應活性的優點，結合活性催化劑，在室溫下即可顯著提高廢氣降解的能量效率，減少副產物的生成，提高有毒有害氣體的轉化率和礦化率。傳統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於等離子體反應器內部，這種結構可以充分利用等離子體中產生的短壽命活性物質，對廢氣分子進行催化氧化，缺點是催化劑長時間置於等離子體中可能會遭到破壞；二段式是將催化劑置於等離子體反應器之後，這種結構可以防止催化劑結構被等離子體破壞，缺點是只有長壽命的活性物質才可到達催化劑層，且催化劑吸附飽和後需要再生或更換。
現有的介質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，後期維護困難，這些因素都限制了等離子體裝置在工業廢氣治理領域的廣泛應用。
技術實現要素：
本實用新型提供了一種等離子體-催化協同作用的工業廢氣處理裝置，目的在於解決等離子體發生器處理氣量小、難以維護，以及傳統催化劑填充方式難以與等離子體有效結合的問題。
本實用新型提出的等離子體-催化協同作用的工業廢氣處理裝置，其構成如圖1和圖2所示，包括：脈衝電源、金屬電極、絕緣介質管、催化劑模塊及殼體；其中，一根金屬電極插在一個絕緣介質管中，作為等離子體發生電極，絕緣介質管呈柱狀的長條型，一端封閉，另一端開口以引出金屬電極；絕緣介質管以幾何陣列的形式排列，且同一列中絕緣介質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衝電源的高壓輸出，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），當電源輸出電壓達到擊穿電壓時，相鄰的高壓電極與地電極之間將產生等離子體；催化劑模塊插在相鄰兩列等離子體發生電極之間，與等離子體協同處理有害氣體；整個電極陣列安裝在殼體內。
本實用新型中，為防止高壓電極與殼體之間打火，在絕緣介質管封閉端留出一段1-2cm長的真空區域或是介質層，其餘部分填充金屬電極；同一列等離子體發生電極中，交叉排列的高壓電極與地電極之間間距與脈衝電源輸出電壓相匹配，可在1-10mm間進行調節。
本實用新型中，所述絕緣介質管的尺寸可根據實際情況調節，例如，外徑為2-5mm，內徑為1-3mm，長度80mm -300mm。
本實用新型中，所述絕緣介質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、氮化矽）、環氧樹脂、聚四氟乙烯等，以石英玻璃、陶瓷為佳；所述金屬電極為導電性良好的金屬材料，可選金、銀、銅、鐵、鋁、鋅、鎢、鉑、鈀、銥、不鏽鋼等，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管後需引出一根導線，與外界電源相連。
本實用新型中，所述高壓電極與地電極從相對的兩個側面分別引出並通過金屬板（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。
本實用新型中，所述裝置殼體為易加工抗腐蝕絕緣材料，可以是有機玻璃、聚四氟乙烯、環氧等。
本實用新型中，所述等離子體發生電極的長度、每列電極的根數、同列電極之間距離以及電極的列數均可調節。當廢氣空速一定時，改變電極長度、每列電極根數或同列電極之間距離可改變產生的等離子體的橫截面積，從而改變廢氣的停留時間；改變電極列數則可改變廢氣流動方向上的等離子體區域長度，同樣可改變廢氣的停留時間。因此，對於確定的某一工業廢氣，在保證足夠的停留時間使其達到所需的降解效果時，可以通過增加等離子體發生電極的長度、每列電極的根數、同列電極之間距離以及電極的列數來增大廢氣空速，增加裝置處理氣體的氣量。
本實用新型中，相鄰兩列等離子體發生電極之間距離可調。催化劑的一段式填充方式可能會使催化劑結構遭破壞，二段式填充方式會減弱活性粒子與催化劑的協同作用，將催化劑填充在相鄰兩列電極之間則既可避免催化劑結構遭破壞，又可使催化劑緊靠等離子體放電區域，使得等離子體放電產生的活性粒子與催化劑充分接觸，產生協同作用。通過改變相鄰兩列電極之間距離可調節等離子體放電區域與催化劑模塊之間的距離，從而經過系列實驗來找到催化劑最適宜的填充位，提高系統效能。
本實用新型中，所述脈衝電源施加於等離子體發生電極上產生的脈衝電壓為1-100kV，頻率為0-10kHz。相比於傳統的交流電源，脈衝電源功率更小、放電氣體溫度更低、產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。
本實用新型中，催化劑模塊可以壓製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）所製成的網狀盒子，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。
本實用新型中，氣體源可以是混合了工業廢氣的空氣、氦氣、氬氣、氮氣等，氣體壓力、溫度、溼度、流速等在一定範圍內可根據要求做不同選擇。
本實用新型可以產生大面積的等離子體，可通過調節等離子體發生電極的長度、數量、間距來滿足不同種類、濃度與空速的工業廢氣處理需求；電極可拆卸，維護方便；催化劑與等離子體放電區域交替分布，彌補了催化劑一段式、二段式填充方式的不足，能充分發揮出等離子體-催化劑的協同作用；使用脈衝電源作為等離子體發生源，可產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為本實用新型原理結構的俯視圖。
圖2為本實用新型原理結構的左視圖。
具體實施方式
圖1、圖2分別為本實用新型原理結構的俯視圖、左視圖，包括高壓電極1、地電極2、絕緣介質管3、高壓金屬板4、接地金屬板5、催化劑模塊6和脈衝電源7。本實施例中等離子體發生電極有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，高壓金屬板與脈衝電源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，並與大地相連；高壓電極1與地電極2置於絕緣介質管3中，分別組成一根等離子體發生電極；催化劑模塊6置於相鄰的兩列等離子體發生電極之間。
工業廢氣流動方向如圖1中風向所示，廢氣交替通過等離子體放電區域和催化劑模塊。等離子體放電區域中有大量的高能電子和強氧化性活性粒子，與廢氣中的有害氣體分子產生碰撞、裂解、氧化等物理化學反應，未被徹底轉化成無害物質的廢氣再進入後續的催化劑模塊，經過吸附、催化氧化，大大提高有害氣體的轉化率，如是經過多層放電區域與催化劑模塊，使得廢氣被徹底淨化，達到排放標準。
本實施例裝置中，高壓電極1、地電極2為銅棒，長220mm，外徑2mm；絕緣介質管3為石英玻璃管，長200mm，外徑4mm，內徑2mm，電極插入介質管中在頂端留有10mm空隙，對高壓尖端起到絕緣保護的作用。
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，填充在聚四氟乙烯製成的長方體網盒中，插入相鄰電極之間。
上述裝置中，脈衝電源7為高頻高壓單極性脈衝電源，頻率0~10kHz可調，電壓0~30kV可調。
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℃室溫環境下，通過調節脈衝電源輸出電壓與催化劑的填充量，可使二甲苯的轉化率達到95%以上，二氧化碳選擇性在60%以上。
對於實際廢氣，催化劑的種類、填量須視情況而定。對於低濃度、小氣量的易處理氣體，可不添加催化劑模塊，僅用等離子體進行處理；對於高濃度、大氣量的工業廢氣，依次添加催化劑，探究處理結果達標所需的催化劑量，以降低裝置成本。
在實際應用中，等離子體發生電極的列數、行數及長度根據實際情況可大幅改變，以滿足不同種類、濃度、空速的工業廢氣治理需求；電極間行距可在適當範圍內調節，與脈衝電源相匹配；電極間列距、催化劑模塊層數、催化劑模塊與電極間距離應根據實際情況決定，使系統的效率達到最高。