CN107617320B - 一种利用微波等离子体处理废气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用微波等离子体对废气处理的装置，属于环境保护领域。该装置主要包括微波等离子体发生器、待处理气体进入装置、气体检测系统和尾气处理系统；待处理气体以切向气流的方式引入到待处理气体进入装置形成旋转气流经过同轴金属管的间隙，等离子体炬释放的热量通过同轴的内金属管壁传热对通过同轴管间隙的气体预加热，然后经过待处理气体进入装置的开口端加入到微波等离子体发生器放电管出口处，与由微波等离子体发生器气体注入单元注入的涡旋气流放电形成的等离子体炬有效混合，发生化学反应，去除废气。本发明设备投资成本低，体系结构简单，能在降低能耗的情况下维持微波处理废气装置稳定持久运行，提高废气去除效率。

Description

一种利用微波等离子体处理废气的装置

技术领域

本发明属于环境保护领域，涉及一种有害废气处理技术，具体涉及一种利用微波等离子体对废气处理的装置。

背景技术

近年来，环境污染问题越来越严重，尤其是大气污染越来越严峻。许多工业生产排放的废气，如半导体行业的全氟化物气体，在大气中具有强烈的红外吸收能力，CF₄吸收红外的能力是CO₂的5700倍，因此会加重温室效应，使全球平均温度升高，成为气候异常的主要原因；其次，煤炉燃烧产生的烟气，包含硫化物和氮氧化物，刺激人呼吸系统，损害人的身体健康，而且还会产生酸雨，破坏地球生态环境，造成光化学污染等等。

目前针对减小废气对环境污染的方法主要有四条途径：(1)生产工艺优化；(2)开展气体替代品合成的研究；(3)对废气循环再利用；(4)将废气分解转化为无害物质，进行末端处理。工业上对于一些气体已经采取了一定的处理措施，例如烟气的脱硫技术已经相当成熟，但是对于一些难分解的气体仍然没有很好的解决办法。综合目前的工艺状况和经济成本等条件，末端处理去除废气成为目前比较行之有效的方法。

对于废气的分解技术目前主要有燃烧方法，热催化氧化方法，等离子体分解方法等。燃烧工艺对于有些稳定的气体不易去除，而且可能导致出现有害的二次化合物，此外，燃料的加入以及气体洗涤系统会使成本增加。热催化氧化方法将热分解和催化分解有效的结合，可以有效的分解气体，产生的氮氧产物很少，但是对设备要求高，催化剂需要定时更换，运行成本高。相比之下，一些能够有效降低成本的等离子体技术在处理废气的应用中被证明是一种行之有效的方法。已经被采用并被实际推广的大气压等离子体技术在废气处理中应用的典型代表是传统的大气压介质阻挡放电技术。近些年随着微波技术的发展，大气压下微波等离子体处理技术引起了工业上的重视，大气压微波等离子体具有能量转化效率高，电子和活性粒子密度高，运行和维护成本较低的特点。但是该方法的现有技术仍存在稳定性控制和处理效率的相互约束以及功率单位利用率低，成本亟需进一步降低等实际问题。

近年来，国内外许多学者开展了关于微波等离子体炬去除气体的研究，最常用的方法是先将工作气体在等离子体放电管中通过微波放电获得稳定的等离子体炬，然后将待处理废气以一定的比例通入到等离子体放电管的电磁波和等离子体耦合的主放电区域中，从而得到较高的去除效率，但是这也会带来一些问题，例如，因为待处理废气加入到主放电区域中，使得该区域的气体放电受到很大的影响，在一些情况下甚至会导致放电的不稳定，甚至严重的会发生等离子体放电的熄灭。另外，待处理的废气在等离子体放电中的分解在某些情形下会产生一些副产物附着在放电管的管壁上，而当这些副产物对微波有强烈的吸收而对微波产生明显的衰减作用时，管壁的沉积会严重影响微波等离子体的耦合效率，随着时间的增长，耦合情况越来越差最后导致等离子体放电的淬灭。例如，公号CN20150986U专利中介绍的利用微波等离子体分解氟利昂无害化的处理系统，提供的是一种分解条件温和，反应完全充分、无污染、节能、成本低且易于实现工业化应用，但是因为氟利昂分解是在等离子体反应器的放电管中进行的，氟利昂分解可能会产生的碳等物质附着在放电管内壁，直接的结果是导致微波耦合效率的降低，影响放电。另外，公号CN102824829A专利介绍的是利用催化剂辅助微波等离子体脱除四氟化碳和氮氧化物气体的一种应用技术，这个技术方案在降低了能耗同时也获得了稳定的去除效果，但是催化剂需要定期更换，这样就带来运行成本较高，操作程序比较麻烦等问题。

综合以上对于废气处理的技术方法和实施方案，可以总结出现在微波等离子体炬去除废气的方法中存在以下主要问题：(1)因为废气从放电管上游的入口加入到等离子体炬的主放电区域可能会引起放电不稳定的问题；(2)放电管内壁沉积的副产物严重影响微波耦合效率；(3)由于气体组分的变化使得耦合条件实时变化匹配条件难以达到最佳状况，导致单位能量利用率较低。微波等离子体炬处理废气是二十世纪九十年代发展起来的新工艺，目前研究较多的是微波等离子体炬与催化剂的联合使用，还没有关于仅对微波等离子体炬中废气以及工作气体的耦合进入的方式技术改进来进一步提高废气去除效率的相关报道。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种用于处理气体的采用了新型的气体耦合进入方式的微波等离子体废气处理系统。在现有装置的基础上改变处理装置的气体耦合单元的结构，其目的在于进一步降低能耗情况下维持微波处理废气装置稳定持久运行，从而有效的去除废气。同时，此方法还具有设备投资成本低，体系结构简单等特点。实践证明这个技术发明对于废气的处理应用来说是一种更经济更长久有效的办法。

本发明的技术方案：

一种利用微波等离子体处理废气的装置，该装置主要包括微波等离子体发生器1、待处理气体进入装置2、气体检测系统3和尾气处理系统4。

所述的微波等离子体发生器1由微波电源18、磁控管17、环形器16、定向耦合器15、微波等离子体耦合波导管13、放电管12和工作气体注入单元14组成。微波电源18用于通过控制面板手动调节输出功率，使之在额定功率范围内连续可调。磁控管17与微波电源18相连，是产生微波辐射的装置，通过改变微波电源18的功率来调节输出的微波能量。磁控管17依次与环形器16、定向耦合器15、微波等离子体耦合波导管13相连，环形器16、定向耦合器15、微波等离子体耦合波导管13之间均通过法兰连接，放电管12位于微波等离子体耦合波导管13上。环形器16使电磁波沿波导传输系统单方向传输，避免反射功率对微波源的损害；定向耦合器15用于传输微波，同时通过仪表监测微波向负载的输出和由负载反射的功率。最后微波通过截面渐变型的微波等离子体耦合波导管13将微波能量集中注入到放电管12中，提高能量密度，增强放电管12内的电场强度。所述的放电管12采用耐高温的石英管或陶瓷管。

所述的待处理气体进入装置2包括两根同轴金属管22，并且之间留有2-10mm间隙，同轴金属管22之间间隙的一端为封闭端，另一端为开口端。内部金属管23的一端通过螺纹与同轴的外部金属管24的一端相连，形成封闭端，保证内部金属管23相对同轴的外部金属管能够在轴向一定范围内调整相对位置，使内部金属管23的另一端，即开放端和同轴的外部金属管24的开放端端面错开一定的长度，参考等离子体炬放电管的长度调整相对位置，确定去除废气的最佳位置。外部金属管24的开口端通过螺丝固定在微波等离子体耦合波导管13的卡台26上，使整个待处理气体进入装置2与微波等离子体发生器1相连，同时保证放电管12位于同轴金属管22内部中心位置，在开口端，内部金属管23的端面要短于外部金属管24的端面，其内径大于放电管12的外径，装置安装后可使放电管12深入到内部金属管23内一定的深度。外部金属管24的封闭端设有四根切向进气管21，待处理气体8通过第三气体流量控制器51与切向进气管21相连，待处理气体8经过第三气体流量控制器51以切向气流的方式旋转引入待处理气体进入装置2，经过同轴金属管22的间隙从开口端以涡旋气流的方式加入放电管12出口端的等离子体炬中。因为在微波等离子体炬放电时温度较高，等离子体炬释放的热量通过同轴的金属管对通过的气体预加热，气体加热后引入到等离子体炬中，可以加快反应速率，提高反应转化率，进一步提高单位能量的利用率。所述的内部金属管23内嵌套内衬管25，内衬管25为陶瓷管、石英管或其他耐高温材料的绝缘管。因为不同材料的管子有不同的热导率和介电常数，所以对待处理气体8的去除率有一定影响，例如在去除全氟化物气体时，使用陶瓷管就比石英管时去除率更高。所以可以根据不同的气体放电需要选择不同材料的内嵌管，以便增大去除效率。

第一工作气体6和第二工作气体7分别通过第一气体流量控制器53和第二气体流量控制器52与工作气体注入单元14的进气端相连，工作气体注入单元14的出气端与放电管12的进气端相连，第一工作气体6和第二工作气体7以涡旋气流的方式注入放电管12中，在放电管12中激发等离子体放电，在微波功率的耦合下维持等离子体放电状态，在流动气流的带动下于放电管12的出口端形成向外喷射的等离子体炬，进入待处理气体进入装置2；并且在一定功率范围内，等离子体炬的体积会随着功率增加而增加，并延伸到放电管12外部。待处理气体8通过第三气体流量控制器51与切向进气管21相连，待处理气体进入装置2也以涡旋方式引入待处理气体8。待处理气体进入装置2与气体检测系统3、尾气处理系统4相连，待处理气体进入装置2处理后的气体通过排放管路的一个分支在机械泵作用下引入到气体检测系统3进行检测，并通过反馈回路调整气体的流量、混合比例以及微波功率等参数，最后使得送到尾气处理系统4中的气体符合排放标准，经过尾气处理系统4进一步的处理后排放，如水洗过程等，排放到大气中。

待处理气体8与工作气体产生的等离子体炬有效的耦合，同时也保证等离子体放电的稳定，并且这样的气体耦合方式可以有效地避开了放电管中电磁波和等离子体耦合的主放电区域，解决了因为将待处理的废气和工作气体以一定的比例混合后直接通入到等离子体放电管中的等离子体主放电区域中时，气体分解而产生的一些会附着在放电管的管壁上的副产物对微波强烈的吸收引起的对耦合微波明显的衰减作用，从而产生的严重影响微波等离子体的耦合效率问题。随着运转时间的增长，沉积物在管壁逐渐积累会使耦合情况越来越差最后导致等离子体放电的淬灭。例如，当去除全氟化物气体时可能会在放电管内生成碳附着在放电管内壁，影响微波耦合效率，最终影响放电的稳定性。

所述的第一气体流量控制器53、第二气体流量控制器52、第三气体流量控制器51用来调节第一工作气体6、第二工作气体7和待处理气体8的流速和配比。所述的微波等离子体发生器1放电采用的微波频率为2.45GHz，微波输出功率在0～3kW范围内连续可调。

本发明的有益效果：

本发明的主要特征是气体耦合进入方式，待处理气体以切向气流的方式引入到待处理气体进入装置形成旋转气流经过同轴管的间隙，等离子体炬释放的热量通过同轴的内金属管壁传热对通过同轴管间隙的气体预加热，然后经过待处理气体进入装置的开口端加入到微波等离子体发生器放电管出口处，与由微波等离子体发生器气体注入单元注入的涡旋气流放电形成的等离子体炬有效混合，这样两种涡流相对流动的气体混合方式使得等离子体炬的余辉区成为了气体处理的主反应区，并和等离子体炬的主放电区域相分离的同时保持紧邻的相对位置，使放电稳定性增强，还避免了分解产生的副产物附着在放电管内壁而降低微波耦合效率，最终影响放电。总之，此装置解决了因为废气直接加入到放电管中通过了等离子体炬主放电区引起的放电不稳定以及能量耦合效率衰减以及发生淬灭的问题，同时提高了能量利用率，操作简单。

附图说明

图1是一种基于微波等离子体的废气处理装置的系统结构框图。

图2是一种基于微波等离子体的废气处理装置的结构示意图。

图3是一种基于微波等离子体的废气处理装置的待处理气体进入装置的俯视剖面图。

图中：1微波等离子体发生器；2待处理气体进入装置；3气体检测系统；4尾气处理系统；5气体流量控制器；6第一工作气体；7第二工作气体；8待处理气体；

12放电管；13微波等离子体耦合波导管；14工作气体注入单元；15定向耦合器；16环形器；17磁控管；18微波电源；21切向进气管；22同轴金属管；23内部金属管；24外部金属管；25内衬管；26卡台；51第三气体流量控制器；52第二气体流量控制器；53第一气体流量控制器。

具体实施方式

本发明是基于微波等离子体处理废气的装置，主要包括微波等离子体发生器1、待处理气体进入装置2、气体检测系统3和尾气处理系统4。

微波等离子体发生器1主要负责在大气压下使第一、第二工作气体6、7在放电管12中激发等离子体放电，在微波功率的耦合下维持等离子体状态，并在流动气体带动下在微波等离子体耦合波导管13的放电管12下游形成热等离子体炬。待处理气体进入装置2是负责把需要处理的废气8引入到和等离子体炬发生相互作用的区域，将待处理气体8以涡旋气流的方式引入到放电管12下游出口处，使待处理气体8与第一、第二工作气体6、7产生的等离子体炬在有效耦合区内发生化学反应。

微波等离子体发生器1，主要包括微波电源18、磁控管17、环形器16、定向耦合器15、微波等离子体耦合波导管13、放电管12以及工作气体注入单元14。微波电源18通过调节微波功率来调节磁控管17输出的微波，磁控管17产生的微波通过环形器16单向传输到定向耦合器15，最后将能量注入到微波等离子体耦合波导管13中。放电管12作为等离子体炬产生和约束部件插入微波等离子体耦合波导管13中，第一、第二工作气体6、7经过第一、第二气体流量控制器53、52以一定配比由工作气体注入单元14以涡旋气流的方式由放电管12上游入口注入到放电管12中。

待处理气体进入装置2,主要是一个同轴金属管22：内部金属管23，外部金属管24。待处理气体进入装置2通过外部金属管24的开口端固定在微波等离子体发生器1的卡台26上,两者以螺纹紧固，外部金属管24上端装有四根沿圆周均匀分布的切向进气管21，待处理气体8经过气体流量控制器5由切向进气管21引入。同轴金属管22的内部金属管23和外部金属管24之间留有5mm的间隙。同轴金属管22的内部金属管23和外部金属管24形成间隙空间的一端封堵形成封闭端，另一端为开口端，内部金属管23在封闭端通过堵头上的螺纹结构与外部金属管24的相连，这样可以通过旋转内部金属管23使之在一定的范围内沿着轴向来回移动，从而调整内部金属管23的开口端与外部金属管24的开口端在轴向上的相对位置，内部金属管23开口端应缩进在外部金属管24的开口端内一定距离保证同轴管22能够安装在卡台26上以及保留有气流流过的间隙，内部金属管23的内径大于放电管12的外径，通过调节内部金属管23的在待处理气体进入装置2同轴结构中的位置以及放电管12伸出波导管的长度，可使待处理气体进入装置2与微波等离子体发生器1对接后，内部金属管23和放电管12在轴向上有一较小的重叠距离。内部金属管23内部可嵌有一根内衬管25，内衬管25可以是具有不同介电常数和热导率的耐高温绝缘材质的管，一般为陶瓷管，内衬25的内径尺寸大于放电管的12的外径。

具体使用时，先将第一、第二工作气体6、7由工作气体进入单元14注入微波等离子体发生器1的放电管12中，然后打开微波等离子体耦合波导管13的微波电源8，微波电源可以通过控制面板调节功率。磁控管17产生微波通过环形器16传输到定向耦合器15，最后经过截面渐变型波导管将能量注入到微波等离子体耦合波导管13中，使第一、第二工作气体6、7在放电管12中激发等离子体放电，在微波功率的耦合输入下维持等离子体放电状态，并在流动气流的带动下在放电管12下游形成等离子体炬，并随功率的增加，等离子体炬体积增加。待等离子体炬放电稳定及火焰长度达到充满待处理气体进入装置2后，开通需要处理的废气8的阀门，如半导体工业排放尾气、发动机尾气、或者燃烧排放尾气等，经过气体流量控制器51以及进气管21引入到待处理气体进入装置2中，待处理气体在同轴金属管22的间隙中形成轴向流动的旋转气流，由同轴金属管22下端的开口处以涡旋气流的形式与微波等离子体炬的余辉在放电管12下游的开口处相互混合，在等离子体环境中废气得到充分的分解。通过调整内部金属管23与放电管12下游出口的轴向相对位置来实现不同的等离子体炬放电形态，从而确定一个最佳位置获得最好的去除废气的效果，同时为了增加去除率，还可以根据废气的情况插入不同种类的内衬管25。最后，处理后的气体经由气体取样管路引入到气体检测装置3中，进行气体检测，定量分析气体的去除率。如果没有达到排放标准，进一步通过反馈回路调整气体流量和混合比例以及微波功率等参数，最后使送到尾气处理系统4中的气体符合排放标准，经过尾气处理系统4进一步处理后排放，如将气体通入到湿式吸收溶液中采用湿式吸收法处理，湿式吸收液通常采用饱和的氢氧化钙溶液，温度为常温。

Claims (8)

1.一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的装置包括微波等离子体发生器(1)、待处理气体进入装置(2)、气体检测系统(3)和尾气处理系统(4)；

所述的待处理气体进入装置(2)包括两根同轴金属管(22)，同轴金属管(22)之间间隙的一端为封闭端，另一端为开口端；内部金属管(23)的一端与同轴的外部金属管(24)的一端相连，形成封闭端，内部金属管(23)的另一端开放端和同轴的外部金属管(24)的开放端端面错开，并根据放电管(12)的长度调整相对位置，确定去除废气的位置，放电管(12)位于微波等离子体发生器(1)的微波等离子体耦合波导管(13)上；外部金属管(24)的开口端固定在微波等离子体发生器(1)的微波等离子体耦合波导管(13)上，同时保证放电管(12)位于同轴金属管(22)内部中心位置，开口端内部金属管(23)的端面短于外部金属管(24)的端面，放电管(12)深入内部金属管(23)内；外部金属管(24)的封闭端设有四根切向进气管(21)，待处理气体(8)通过第三气体流量控制器(51)与切向进气管(21)相连，并以切向气流的方式旋转引入待处理气体进入装置(2)，经过同轴金属管(22)的间隙从开口端以涡旋气流的方式进入放电管(12)出口端的等离子体炬中；所述的内部金属管(23)内嵌套内衬管(25)；

第一、第二工作气体(6、7)分别通过第一、第二气体流量控制器(53、52)与微波等离子体发生器(1)的工作气体注入单元(14)的进气端相连，工作气体注入单元(14)的出气端与放电管(12)的进气端相连；第一、第二工作气体(6、7)以涡旋气流的方式注入放电管(12)中，在放电管(12)中激发等离子体放电，并在流动气流的带动下于放电管(12)的出口端形成向外喷射的等离子体炬进入待处理气体进入装置(2)，等离子体炬能够延伸至放电管(12)外部；待处理气体(8)通过第三气体流量控制器(51)与切向进气管(21)相连，并引入待处理气体进入装置(2)；

待处理气体进入装置(2)与气体检测系统(3)、尾气处理系统(4)相连，待处理气体进入装置(2)处理后的气体引入气体检测系统(3)进行检测，并通过反馈回路调整气体的流量、混合比例以及微波功率，保证输送到尾气处理系统(4)中的气体符合排放标准，最后经尾气处理系统(4)进一步处理后排放至大气中；

所述的第一、第二、第三气体流量控制器(53、52、51)用来调节第一、第二工作气体(6、7)和待处理气体(8)的流速和配比。

2.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的待处理气体进入装置(2)中两根同轴金属管(22)之间的间隙为2-10mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的微波等离子体发生器(1)包括微波电源(18)、磁控管(17)、环形器(16)、定向耦合器(15)、微波等离子体耦合波导管(13)、放电管(12)和工作气体注入单元(14)；磁控管(17)与微波电源(18)相连，产生微波辐射；磁控管(17)依次与环形器(16)、定向耦合器(15)、微波等离子体耦合波导管(13)相连，环形器(16)、定向耦合器(15)、微波等离子体耦合波导管(13)之间均通过法兰连接，放电管(12)位于微波等离子体耦合波导管(13)上。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的微波等离子体发生器(1)放电采用的微波频率为2.45GHz，微波输出功率在0~3 kW范围内连续可调。

5.根据权利要求3所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的微波等离子体发生器(1)放电采用的微波频率为2.45GHz，微波输出功率在0~3 kW范围内连续可调。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的内衬管(25)为陶瓷管、石英管或其它耐高温材料绝缘管。

7.根据权利要求3所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的内衬管(25)为陶瓷管、石英管或其它耐高温材料绝缘管。

8.根据权利要求4所述的一种利用微波等离子体处理废气的装置，其特征在于，所述的内衬管(25)为陶瓷管、石英管或其它耐高温材料绝缘管。