CN108479341B - 一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置，包括相互连接的等离子体发生器和吸收塔，所述等离子体发生器与烟气入口连接，所述吸收塔顶部与烟气出口连接，所述吸收塔内部自下而上依次设置有铁碳填料层、喷淋层、除雾器、活性炭过滤器，所述吸收塔下部侧壁与浆液循环泵连接，所述浆液循环泵与所述喷淋层连接。本发明采用等离子体协同铁碳微电解净化有机烟气，脉冲高压电源、铁碳填料填充量可调，工艺适用范围广，工况适应性强；并通过喷淋层和活性炭过滤器对脉冲电晕放电等离子体协同铁碳微电解净化后尾气进行二次处理，设备投资和运行成本低，净化效率达95％以上，且无二次污染。

Description

一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置

技术领域

本发明涉及有机烟气治理技术领域，具体涉及一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置。

背景技术

有机烟气(VOCs)治理技术可分为两类：一是回收技术，通过改变一定工艺过程的温度、压力等物理条件使VOCs富集和分离，优先进行回收利用，对于无利用价值的采取进一步无害化处理，主要有冷凝法、吸附法、吸收法和膜分离法等；二是销毁技术，通过化学或生化反应，用热、光、催化剂和微生物将有机物转变成为二氧化碳和水等无毒害或低毒害的小分子化合物，VOCs得以处理，主要有燃烧法、低温等离子体技术、光催化降解技术以及生物技术等。其中,低温等离子体所产生的高能电子、自由基等活性粒子能够作用于烟气中的有机污染物，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的，处理有机烟气效率高，得到了大量的研究和应用。

CN107441885A公开一种等离子体协同催化处理有机烟气的装置和方法，包括顺次连接的吸收塔、等离子体反应器和催化反应器；其中，在吸收塔进气口处设置有受控三通阀；所述的受控三通阀分别使烟气入口与吸收塔进气口连通或使烟气入口与吸收塔的旁路连通；在等离子体反应器的进气口处设置有受控三通阀；所述的受控三通阀分别使吸收塔出气口与等离子体反应器进气口连通或使吸收塔出气口与等离子体反应器的旁路连通；还包括一个气体分析仪器，在烟气入口设置有检测点，所述的气体分析仪器通过检测点实时检测烟气，并根据检测结果输出控制信号给各受控三通阀，以控制其切换。该技术方案主要解决了有机副产物易沉积于等离子体反应器的电极表面并影响放电性能等问题，对于有机烟气的处理不够高效。

CN107042039A公开了一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机烟气的装置及处理方法，包括主体装置和低温等离子体发生装置；所述的主体装置由下至上依次分为过滤床层、反应腔和吸附催化床层，所述低温等离子体发生装置位于反应腔外部，与所述反应腔无缝连接。该技术方案主要将低温等离子体发生装置与烟气分离，解决了避免直接接触造成放电装置的腐蚀等问题，然而，有机烟气的处理仅仅只是依靠将低温等离子体氧化和催化氧化有效的结合，难以处理工业上的复杂有机烟气组合，也缺乏吸收后的进一步处理，处理效果也不够突出。

综上，现有技术仍然缺乏一种利用等离子体协同催化、能够高效处理多种情况下的有机烟气处理装置。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供了种脉冲电晕放电等离子体协同铁碳微电解净化有机烟气，并通过喷淋层和活性炭过滤器对脉冲电晕放电等离子体协同铁碳微电解净化后尾气进行二次处理，处理效率高。本发明技术方案如下。

一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置，包括相互连接的等离子体发生器和吸收塔，所述等离子体发生器设置有烟气入口，所述吸收塔顶部设置有烟气出口，所述吸收塔内部自下而上依次设置有铁碳填料层、喷淋层、除雾器、活性炭过滤器，所述吸收塔下部侧壁与浆液循环泵连接，所述浆液循环泵与所述喷淋层连接。

待处理的有机烟气通过烟气入口进入等离子体发生器,经过等离子体处理后进入吸收塔,在吸收塔内部依次经过铁碳填料层、喷淋层、除雾器、活性炭过滤器等处理,处理完的烟气通过烟气出口排出，浆液循环泵10从塔底输送浆液到喷淋层6进行喷淋。

等离子体发生器通过脉冲电晕放电，产生大量高能电子、正负粒子、激发态粒子，与及氧化性极强的O₃和活性自由基(·OH、·O等)，有机烟气通入等离子体发生器后，这些活性粒子与烟气中的有机污染物分子碰撞结合，一方面可使部分有机污染物分子键断裂，直接分解成为CO₂、H₂0等无害气体分子，使烟气得到初步净化；另一方面等离子体中的电子粘附于有机污染物分子表面从而使之荷电，有利于其进入铁碳微电解反应塔后被铁碳填料吸附、分解。本发明选用电晕放电，电晕放电可在常压下工作，装置设计简单，电极与电源成本相对低廉；并且选用较直流电晕更具优越性的脉冲电晕，通过脉冲高压电源的高压极窄脉冲供电方式，获得非平衡等离子体，由于其荷电效率高、注入能量大，能够形成比直流电晕更多、更强的高能电子，使自由基和活性粒子的数量及能量效率有较大幅度的提高，且不易起电火花。

铁碳填料层中铁与碳的电极电位差会在溶液中形成无数微小原电池，在微电解过程中产生高活性物质。当分散在溶液中的荷电有机污染物通过浸没在塔内溶液中的铁碳填料层时，会被吸附于填料上，并与这些高活性物质发生系列氧化还原反应，被分解为CO₂、H₂O等，从而实现净化目的。因此，本发明通过等离子体与铁碳微电解协同作用，可高效率处理多种有机污染物，且脉冲高压电源、铁碳填料填充量可调，工艺适用范围广，工况适应性强。

铁碳填料层上方设置有一层或两层喷淋层，喷淋层的喷淋管上设置有若干喷嘴，浆液循环泵从塔底输送浆液到喷淋层进行喷淋，喷淋浆液的pH为2-6，让尚未降解的有机污染物重新回到下层铁碳填料层净化，提高整体净化效率。喷淋层的上方设置有除雾器，有利于尾气中的水雾附着形成大颗粒水珠滴落，从而降低尾气中的水雾含量。除雾器上方设置有活性炭过滤器，除湿后的尾气进入到活性炭过滤器中，对尾气进一步净化，以确保达标排放。最后，被吸附净化的尾气被外排到大气中。因此，本发明通过喷淋层、除雾器和活性炭过滤器对烟气进行二次处理，一是能够让未处理的有机物返回塔底得到进一步处理，二是能够深度处理残留有机污染物，能够最大限度地净化烟气，处理效率高，环保效果好。

作为优选，所述吸收塔底部、铁碳填料层下方设置有微泡发生装置，所述等离子体发生器和吸收塔之间设置有增压风机，所述增压风机与所述微泡发生装置连接。塔外的增压风机将经等离子体发生器处理的烟气输送至微泡发生装置，烟气中的有机污染物经微泡发生装置变成微泡，均匀分散到塔内的溶液中，使有机污染物与铁碳填料的反应更充分、更高效。微泡发生装置对烟气带来了较大的阻力，因此需要增压风机加压，让微泡产生的更加容易和充分。

作为优选，所述微泡发生装置包括主管和与主管连通的若干个布气管，所述布气管沿所述主管长度方向均匀布置，所述布气管的管壁设置有若干个微孔，所述微孔的孔径为0.1-2000μm。所述微泡发生装置能够在塔底的各个方向产生微泡，能够让烟气更加均匀分散到塔内的溶液中。

作为优选，所述离子体发生器包括壳体和设置在壳体两端的壳体入口、壳体出口，所述离子体发生器内部沿烟气运动方向依次设置有匀气孔板、电场区、绝缘子和电源接入装置，所述电场区包括均匀布置的若干个筒形介质材料、位于筒形介质材料中心位置的阴极、紧套于筒形介质材料外部的阳极，所述阴极与所述电源接入装置电连接，所述阳极接地。

作为优选，所述筒形介质材料可以为石英玻璃、陶瓷中的一种，所述阴极为芒刺电极，所述芒刺电极相邻间距为10-50mm,电极长度为15-30mm，所述芒刺电极为柱状芒刺、三角形芒刺、角钢芒刺、波形芒刺、管状芒刺、扁钢芒刺、角钢芒刺、锯齿形芒刺、条状芒刺和鱼骨芒刺中的一种或多种。

作为优选，所述电源接入装置与脉冲高压电源电连接；所述脉冲高压电源为直流基压电源，基压电压量程为40-80kV，优选为60KV，基压电流量程为200-2000mA，脉冲电压幅度为60-120KV，优选为80kV，脉冲宽度为70-100uS，脉冲重复频率为0-200Hz。通过脉冲高压电源的高压极窄脉冲供电方式，获得非平衡等离子体，由于其荷电效率高、注入能量大，能够形成比直流电晕更多、更强的高能电子，使自由基和活性粒子的数量及能量效率有较大幅度的提高，且不易起电火花。

作为优选，还包括回用装置，所述回用装置与所述浆液循环泵连接。本发明处理烟气中有机物时，铁碳微电解过程中产生的Fe²⁺离子絮凝等固体悬浮物，会逐步积累在吸收塔的底部区域，优选的，可在塔底设置斜管(板)沉淀池、竖流式沉淀池等沉淀装置，将固体悬浮物更好地沉淀与塔底，然后通过浆液循环泵将固体悬浮物定期抽入回用装置内，进行固液分离，浆液得到净化后的重新回流至塔中，循环利用水资源，减少废水排放，而悬浮物进一步处理，资源循环利用。

作为优选，所述铁碳填料层为规整化铁碳填料，所述规整化铁碳填料比重为800-1200kg/m³，孔隙率不小于65％，比表面积不小于1.2m²/g，物理强度不小于1000kg/cm²，铁碳质量比为4-6:1。规整化填料是将粒径合乎标准的铁、碳、金属或非金属催化剂、活化剂等，按一定比例均匀混合并压制成型后烧结而形成的，铁碳填料可选用球形、椭圆形、圆柱形等形状。本发明选用规整化铁碳填料，无需组配，填充量少，且能避免传统铁碳填料在工业应用中所存在钝化、板结和更换难等问题，为铁碳微电解反应提供更大的电流密度和更好的微电解反应效果，反应速率快，净化效率高，长期运行稳定有效。

作为优选，所述规整化铁碳填料上负载有催化剂，所述催化剂与所述铁碳含量的重量比为2-8：92-98，所述催化剂为钛、锰、钴、铈金属氧化物催化剂中的一种或多种。

作为优选，所述除雾器为折流叶片式、管式、丝网式中的一种或多种的组合，所述除雾器的材质可选用聚丙烯或FRP。FRP，Fiber Reinforced Polymer/Plastic，是纤维增强复合材料，是由纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

本发明的有益效果有：

(1)采用脉冲电晕放电等离子体协同铁碳微电解净化有机烟气，等离子体所产生的活性粒子、铁碳微电解产生的高活性物质均可处理多种有机污染物，且脉冲高压电源、铁碳填料填充量可调，工艺适用范围广，工况适应性强；

(2)等离子体装置选用脉冲高压电源，通过脉冲高压电源的高压极窄脉冲供电方式，获得非平衡等离子体，荷电效率高，注入能量大，能够大幅提高所产生的自由基和活性粒子的数量及能量效率；

(3)合理利用等离子体装置对有机烟气进行预处理，使烟气得到初步净化的同时，使有机污染物分子荷电，促进其在铁碳填料上吸附、分解；

(4)通过微泡反应装置将烟气中的有机污染物均匀分散于塔内溶液中，使其与铁碳填料的反应更充分、更高效；

(5)采用规整化铁碳填料，无需组配，填充量少，使用寿命长，无需更换、只需定期补充，运行和维护方便且成本低，能避免传统铁碳填料在工业应用中所存在钝化、板结和堵塞等问题，为铁碳微电解反应提供更大的电流密度和更好的微电解反应效果，反应速率快，净化效率高；

(6)通过喷淋层和活性炭过滤器对脉冲电晕放电等离子体协同铁碳微电解净化后尾气进行二度把关处理，可有效防止不达标气体排放，确保满足日趋严格的排放标准；通过循环溶液处理回用装置，定期对循环溶液进行净化回用，循环利用水资源，有效减少废水排放；

(7)本发明工艺流程简单，适用范围广，设备投资和运行成本低，净化效率达95％以上，且无二次污染。

附图说明

图1本装置结构流程示意图；

图2微泡发生装置结构示意图；

图3等离子体发生器结构示意图。

附图标记：烟气入口1、离子体发生器2、增压风机3、微泡发生装置4、主管41、布气管42、微孔43、微泡44、铁碳填料层5、喷淋层6、除雾器7、活性炭过滤器8、烟气出口9、浆液循环泵10、回用装置11、

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置，如图1所示，包括相互连接的等离子体发生器2和吸收塔，所述等离子体发生器2设置有烟气入口1，所述吸收塔顶部设置有烟气出口9，所述吸收塔内部自下而上依次设置有铁碳填料层5、喷淋层6、除雾器7、活性炭过滤器8，所述吸收塔下部侧壁与浆液循环泵10连接，所述浆液循环泵10与所述喷淋层6连接。待处理的有机烟气通过烟气入口1进入等离子体发生器2,经过等离子体处理后进入吸收塔,在吸收塔内部依次经过铁碳填料层5、喷淋层6、除雾器7、活性炭过滤器8等处理,处理完的烟气通过烟气出口9排出，浆液循环泵10从塔底输送浆液到喷淋层6进行喷淋。

等离子体发生器2通过脉冲电晕放电，产生大量高能电子、正负粒子、激发态粒子，与及氧化性极强的O₃和活性自由基(·OH、·O等)，有机烟气通入等离子体发生器2后，这些活性粒子与烟气中的有机污染物分子碰撞结合，一方面可使部分有机污染物分子键断裂，直接分解成为CO₂、H₂0等无害气体分子，使烟气得到初步净化；另一方面等离子体中的电子粘附于有机污染物分子表面从而使之荷电，有利于其进入铁碳微电解反应塔后被铁碳填料吸附、分解。铁碳填料层5中铁与碳的电极电位差会在溶液中形成无数微小原电池，在微电解过程中产生高活性物质。当分散在溶液中的荷电有机污染物通过浸没在塔内溶液中的铁碳填料层5时，会被吸附于填料上，并与这些高活性物质发生系列氧化还原反应，被分解为CO₂、H₂O等，从而实现净化目的。因此，本发明通过等离子体与铁碳微电解协同作用，可高效率处理多种有机污染物，且脉冲高压电源、铁碳填料填充量可调，工艺适用范围广，工况适应性强。

铁碳填料层3上方设置有一层或两层喷淋层6，喷淋层6的喷淋管上设置有若干喷嘴，浆液循环泵10从塔底输送浆液到喷淋层6进行喷淋，喷淋浆液的pH为2-6，让尚未降解的有机污染物重新回到下层铁碳填料层5净化，提高整体净化效率。喷淋层6的上方设置有除雾器7，有利于尾气中的水雾附着形成大颗粒水珠滴落，从而降低尾气中的水雾含量。除雾器7上方设置有活性炭过滤器8，除湿后的尾气进入到活性炭过滤器8中，对尾气进一步净化，以确保达标排放。最后，被吸附净化的尾气被外排到大气中。因此，本发明通过喷淋层、除雾器和活性炭过滤器对烟气进行二次处理，一是能够让未处理的有机会返回塔底得到进一步处理，二是能够深度处理残留有机污染物，能够最大限度地净化烟气，处理效率高，环保效果好。

作为优选的实施例，所述吸收塔底部、铁碳填料层5下方设置有微泡发生装置4，所述等离子体发生器2和吸收塔之间设置有增压风机3，所述增压风机3与所述微泡发生装置4连接。塔外的增压风机3将经等离子体发生器2处理的烟气输送至微泡发生装置4，烟气中的有机污染物经微泡发生装置5变成微泡，均匀分散到塔内的溶液中，使有机污染物与铁碳填料的反应更充分、更高效。微泡发生装置4对烟气带来了较大的阻力，因此需要增压风机3加压，让微泡产生的更加容易和充分。

作为优选的实施例，所述微泡发生装置4包括主管41和与主管41连通的若干个布气管42，所述布气管42沿所述主管41长度方向均匀布置，所述布气管42的管壁设置有若干个微孔43，所述微孔43的孔径为0.1-2000μm。所述微泡发生装置4能够在塔底的各个方向产生微泡44，能够让烟气更加均匀分散到塔内的溶液中。

作为优选的实施例，所述离子体发生器2包括壳体21和设置在壳体两端的壳体入口22、壳体出口23，所述离子体发生器2内部沿烟气运动方向依次设置有匀气孔板24、电场区、绝缘子28和电源接入装置29，所述电场区包括均匀布置的若干个筒形介质材料25、位于筒形介质材料25中心位置的阴极27、紧套于筒形介质材料25外部的阳极26，所述阴极27与所述电源接入装置29电连接，所述阳极26接地。

作为优选的实施例，所述筒形介质材料25可以为石英玻璃、陶瓷中的一种，所述阴极27为芒刺电极，所述芒刺电极相邻间距为10-50mm,电极长度为15-30mm，所述芒刺电极为柱状芒刺、三角形芒刺、角钢芒刺、波形芒刺、管状芒刺、扁钢芒刺、角钢芒刺、锯齿形芒刺、条状芒刺和鱼骨芒刺中的一种或多种。

作为优选的实施例，所述电源接入装置29与脉冲高压电源210电连接；所述脉冲高压电源210为直流基压电源，基压电压量程为40-80kV，优选为60KV，基压电流量程为200-2000mA，脉冲电压幅度为60-120KV，优选为80kV，脉冲宽度为70-100uS，脉冲重复频率为0-200Hz。通过脉冲高压电源的高压极窄脉冲供电方式，获得非平衡等离子体，由于其荷电效率高、注入能量大，能够形成比直流电晕更多、更强的高能电子，使自由基和活性粒子的数量及能量效率有较大幅度的提高，且不易起电火花。

作为优选的实施例，还包括回用装置11，所述回用装置11与所述浆液循环泵10连接。本发明处理烟气中有机物时，铁碳微电解过程中产生的Fe²⁺离子絮凝等固体悬浮物，会逐步挤压在吸收塔的底部区域，优选地，可在塔底设置斜管(板)沉淀池、竖流式沉淀池等沉淀装置，将固体悬浮物更好地沉淀与塔底，然后通过浆液循环泵10将固体悬浮物定期抽入回用装置11内，进行固液分离，浆液得到净化后的重新回流至塔中，循环利用水资源，减少废水排放，而悬浮物进一步处理，资源循环利用。

作为优选的实施例，所述铁碳填料层3为规整化铁碳填料，所述规整化铁碳填料比重为800-1200kg/m3，孔隙率不小于65％，比表面积不小于1.2m²/g，物理强度不小于1000kg/cm²，铁碳质量比为4-6:1。规整化填料是将粒径合乎标准的铁、碳、金属或非金属催化剂、活化剂等，按一定比例均匀混合并压制成型后烧结而形成的，铁碳填料可选用球形、椭圆形、圆柱形等形状。本发明选用规整化铁碳填料，无需组配，填充量少，且能避免传统铁碳填料在工业应用中所存在钝化、板结和更换难等问题，为铁碳微电解反应提供更大的电流密度和更好的微电解反应效果，反应速率快，净化效率高，长期运行稳定有效。

作为优选的实施例，所述规整化铁碳填料上负载有催化剂，所述催化剂与所述铁碳含量的重量比为2-8：92-98，所述催化剂为钛、锰、钴、铈金属氧化物催化剂中的一种或多种。

作为优选的实施例，所述除雾器7为折流叶片式、管式、丝网式中的一种或多种的组合，所述除雾器7的材质可选用聚丙烯或FRP。FRP是纤维增强复合材料，是由纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

应用实施例：

应用本发明的系统实际处理工业有机烟气，对有机污染物的净化效果如下表所示。

性能指标	应用实施例1	应用实施例2	应用实施例3
				烟气量/(Nm3/h)	15000	30000	50000
入口VOCs浓度/(mg/Nm3)	1510	1420	1228
				出口VOCs浓度/(mg/Nm3)	35.2	43.6	56.0
净化效率/(％)	97.67	96.93	95.44

由此可知，本发明能够对VOC高效深度处理，净化效率超过95％，具有非常好的净化效果。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (1)

1.一种等离子体协同铁碳微电解处理有机烟气的装置，其特征在于，包括相互连接的等离子体发生器和吸收塔，所述等离子体发生器设置有烟气入口，所述吸收塔顶部设置有烟气出口，所述吸收塔内部自下而上依次设置有铁碳填料层、喷淋层、除雾器、活性炭过滤器，所述吸收塔下部侧壁与浆液循环泵连接，所述浆液循环泵与所述喷淋层连接；

所述吸收塔底部、铁碳填料层下方设置有微泡发生装置，所述等离子体发生器和吸收塔之间设置有增压风机，所述增压风机与所述微泡发生装置连接；

所述微泡发生装置包括主管和与主管连通的若干个布气管，所述布气管沿所述主管长度方向均匀布置，所述布气管的管壁设置有若干个微孔；

所述离子体发生器包括壳体和设置在壳体两端的壳体入口、壳体出口，所述离子体发生器内部沿烟气运动方向依次设置有匀气孔板、电场区、绝缘子和电源接入装置，所述电场区包括均匀布置的若干个筒形介质材料、位于筒形介质材料中心位置的阴极、紧套于筒形介质材料外部的阳极，所述阴极与所述电源接入装置电连接，所述阳极接地；

所述筒形介质材料为石英玻璃、陶瓷中的一种，所述阴极为芒刺电极，所述芒刺电极相邻间距为10-50mm,电极长度为15-30mm；所述芒刺电极为柱状芒刺、三角形芒刺、角钢芒刺、波形芒刺、管状芒刺、扁钢芒刺、锯齿形芒刺、条状芒刺和鱼骨芒刺中的一种或多种；

所述电源接入装置与脉冲高压电源电连接；所述脉冲高压电源为直流基压电源，基压电压量程为40-80kV，基压电流量程为200-2000mA，脉冲电压幅度为60-120KV，脉冲宽度为70-100uS，脉冲重复频率为0-200Hz；

还包括回用装置，所述回用装置与所述浆液循环泵连接；

所述铁碳填料层为规整化铁碳填料，所述规整化铁碳填料比重为800-1200kg/m³，孔隙率不小于65%，比表面积不小于1.2m²/g，物理强度不小于1000kg/cm²，铁碳质量比为4-6:1；

所述规整化铁碳填料上负载有催化剂，所述催化剂与所述铁碳含量的重量比为2-8：92-98，所述催化剂为钛、锰、钴、铈金属氧化物催化剂中的一种或多种；

所述除雾器为折流叶片式、管式、丝网式中的一种或多种的组合，所述除雾器的材质为聚丙烯或FRP。