专利名称：工业废气的容性耦合放电处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业废气的处理技术，是一种利用等离子体技术来处理工业废气的装置，具体涉及一种工业废气的容性耦合放电处理装置。
背景技术：
近十年来，随着工业化的发展，我国的环境污染越来越严重，各种环境问题日益突出，已开始制约到我国经济的有序发展。大气污染主要是由人类活动造成的。工业生产对大气的影响最大，除了排放颗粒物外还排放气态污染物，后者在全世界每年排入大气的污染物中占75％以上。气态污染物又可分为无机污染物和有机污染物。随着近代有机合成工业以及石油工业的不断发展，能源的不断消耗，大气中的有机污染物越来越多，主要是低沸点易挥发的有机物，即VOCs。它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。
VOCs控制技术基本分为两大类第一类是以改进工艺技术、更换设备和防止泄漏为主的预防性措施，第二类是以末端治理为主的控制性措施。末端控制技术基本又分为两类，一是采用物理方法将VOCs回收，二是通过生化反应将VOCs氧化分解为无毒或低毒物质。回收方法主要有吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法。VOCs氧化分解方法主要包括燃烧法、生物法，还有新兴的等离子体处理技术以及紫外线辐射氧化法等。
等离子体被称为物质的第4种形态，是空气净化领域近几年兴起的一种的新技术。它是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体。等离子体化学反应过程中，高能电子通过激发或电离将能量转移到分子或原子中去，同时部分分子被电离成为活性基团，然后这些活性基团与原子或分子、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。研究表明，等离子体是一种效率高、能耗低、使用范围广的污染物净化手段。这一技术包括下边几种主要类型1)电子束辐照法电子束辐照法烟气治理技术的研究工作始于20实际70年代初期。目前该工艺较多运用于脱硫脱硝工艺，其反应机理是利用电子加速器产生的高能电子束，产生大量的活性离子与硫氮化合物反应，从而氧化去除。电子束发生装置是电子束脱硫脱氮工艺的核心技术，由发生电子束的直流高压电源，电子加速器及窗靶冷却装置组成。
虽然电子束法具有很好的发展前景，但它也存在着一些缺陷a产生X射线，工业应用中必须有混凝土防辐射工程；b冷却窗用压缩空气冷却，电子线照射产生臭氧，对装置有腐蚀，对周围环境也有害；c由于电子束法产生的高能电子对于烟气中任何气体分子均可破坏其化学键，使烟气分子电离产生离子，因而烟气中含量最高的氮气和二氧化碳等气体分子将被分解和电离，浪费了能量，造成工艺的能耗过大；d采用的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂。
2)脉冲电晕放电法电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高电压，由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生非均匀放电，称为电晕放电。在大气污染物的治理上，电晕放电法多用于烟道气脱硫和脱硝，也有用电晕放电法去除空气中挥发行有机气体，硫化氢，卤代烷烃以及对印刷废水脱色等。
脉冲电晕法是在直流高电压上接一脉冲电压形成超高压脉冲放电。由于这种脉冲前后沿陡峭、峰值高，使电晕极附近发生激烈、高频率的脉冲电晕放电，但放电区域有限，只有在电极附近才有较好的处理效果。并且这种尖端放电容易发生击穿，影响废气处理的正常进行。另外，脉冲放电电极容易损坏，需要经常更换。
3)介质挡阻放电法(DBD)介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，这样，当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。这种放电表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气压下的辉光放电，但实际上它是由大量细微的快脉冲放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达105Pa或更高，所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。
该法虽然在臭氧产生领域具有广泛的应用，同时在脱硫、脱硝方面也有一定的效果，但是该法能耗高，对VOCs的降解缺乏有效性。
本实用新型采用的是容性耦合等离子体，既克服了上述方法中反应器结构复杂、易损坏、处理气体量有限等缺点，该项技术处理有机废气还具有以下优点①能耗低，可在室温下与催化剂反应，无需加热，极大地节约了能源；②使用便利，设计时可以根据风量变化以及现场条件进行调节；③副产物少，催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物；④不产生放射物；⑤尤其适于处理有气味及低浓度大风量的气体。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种工业废气的容性耦合放电处理装置，以解决已有等离子体处理废气方法中相对能耗高、效率低、处理气体不完全的缺点，同时又能克服原有反应器结构复杂、易损坏、处理气体量有限等缺点。
本实用新型的流程图如附图1所示，其核心部分是容性耦合等离子体发生器3，它有一个相匹配的高频电源6；整个装置包括集气罩1、除尘过滤器2、等离子体发生器3、高频电源6，旋片式真空泵4、主烟道5六个部分；上述集气罩1与除尘过滤器2相通，除尘过滤器2的另一端通过管道18与等离子体发生器3的进气口8连通，高频电源6与等离子体发生器3并联，等离子体发生器3的出气口13与旋片式真空泵4相连，真空泵4的另一端连接主烟道5，主烟道5与大气相通。
该装置的核心为容性耦合等离子体发生器3，其结构示意图如附图2所示，它的组件包括进气口8、钢盖板9、放电电极10、石英管12、出气口13、垫圈14、O形密封圈15、支柱16、固定螺母17。
上述进气口8与钢盖板9相连，采用焊接方式，进气口为圆管。如附图3所示，钢盖板外形为矩形钢板，中间有圆柱形凹凸，貌似壶盖状。
上述两钢盖板9套装在石英管12上，密封采用三条O形密封圈15镶嵌在钢盖板9内侧的矩形密封槽内，O形密封圈15镶嵌在钢盖板9内侧的剖面图如附图8所示。O形密封圈15上下布置，最大可能的减小漏气的可能性，其压缩前及压缩后的图如附图4和附图5所示，O形密封圈15的压缩量为22.5％。
上述石英管12端口与钢盖板9接触处设有垫圈14，利于石英管12和钢盖板9的吻合，进一步保证密封。
上述等离子反应器3主体是圆柱状石英管12，采用外极式反应器，环状电极10以适当的位置间隔配置在石英管外侧，加在电极上的高频电源能透过石英管壁使管内的气体放电形成等离子体。
上述两个放电电极10之间放置催化剂11，催化剂11放置在石英管12内，用以加速废气的处理速度，提高处理效率。催化剂采用BaTiO3和Al2O3的混合物，混合比例为重量比3∶1，或单独使用BaTiO3或Al2O3作为催化剂。
上述出气口13与钢盖板9之间同样采用焊接方式连接。
上述钢盖板9的俯视图如附图6所示，外边缘为矩形钢板。进气出气两个钢盖板9之间由四个支柱16相连，支柱16与钢盖板9之间由四个角上的四个固定螺母17固定，螺母的放大图如附图7所示。反应过程中，四个螺母螺紧，保证反应器的压力保持稳定。
上述装置将其中的高频电源6、等离子体反应器3，真空泵4放置在自行设计的长方体钢制设备箱7内。工作箱7的具体布置正视图、侧视图、俯视图如附图9、附图10、附图11所示。工作箱7分为上下两层，上层放置真空泵4和等离子反应器3，反应器由支撑台19支撑。下层放置电源6，两层之间用钢板隔开，下层留有足够的空间，这样布置主要是为了防止真空泵4在工作状态下放出的热量对高频电源6造成影响。下层留有足够的空间，以利于电源散热。进气口8与集气罩1之间设有止回阀20。工作箱设置一扇门，所有仪器，包括电源功率表，电压表，电流表，压力表等都布置在门上，一方面是便于工作时操作，另一方面是便于里边几个设备的修理和维护。
本实用新型的有益效果在于利用了容性耦合等离子体，容性耦合等离子体具有放电效率高，可在空间上产生大体积的、纯净的、均匀发光的低温等离子体、等离子体点燃、维持比较容易的特点。等离子体反应器3具有结构简单、操作方便、密封性好、可处理大流量的有机废气、废气的处理效率高、加入催化剂进一步提高效率、减少副产物的产生等特点。另外，工艺布置紧凑合理，既节约了空间又方便操作。本实用新型适用于大流量有机废气的处理。
以下结合
本实用新型的具体结构图1为本实用新型的工艺流程图。
图2为本实用新型等离子发生器结构示意图。
图3为本实用新型等离子发生器的钢盖板的结构示意图。
图4为本实用新型等离子发生器密封结构示意图(压缩前)。
图5为本实用新型等离子发生器密封结构示意图(压缩后)。
图6为本实用新型等离子发生器钢盖板示意图。
图7为本实用新型的图6中C的放大图，即固定螺母示意图。
图8为本实用新型等离子发生器图2中的A-A剖面图。
图9为本实用新型的系统布置正视图。
图10为本实用新型的系统布置侧视图。
图11为本实用新型的系统布置俯视图。
其中1-集气罩2-除尘过滤器 3-等离子发生器4-旋片式真空泵5-主烟道6-高频电源7-设备箱 8-进气口9-钢盖板10-放电电极 11-催化剂 12-石英管13-出气口 14-垫圈 15-O形密封圈 16-支柱17-螺母 18-管道 19-反应器支撑台 20-截止阀具体实施方式
本实用新型的如附图1所示，整个装置包括集气罩1、除尘过滤器2、容性耦合等离子体发生器3、高频电源6、等离子体反应器3、真空泵4、主烟道5六个部分。上述集气罩1与除尘过滤器2相通，除尘过滤器2的另一端通过管道18与等离子体发生器3的进气口8连通，高频电源6与等离子体发生器3并联，等离子体发生器3的出气13与旋片式真空泵4相连，真空泵4的另一端连接主烟道5，主烟道5与大气相通。
本装置采用无边圆形平口侧吸式集气罩1，喇叭口罩长度宜取风管直径的三倍。
由于车间空气中含有灰尘，若随有害气体直接进入等离子体反应器，将会降低催化剂的催化效果，甚至会造成催化剂中毒。因此，本装置采用一套简单的除尘过滤器2进行预处理，这一装置主要是根据布袋式除尘器的工作原理，通过过滤纤维除去气流中的灰尘。除尘箱的尺寸为500mm×150mm×150mm(长×宽×高)，纤维尺寸为140mm×150mm(长×高)。
高频电源6是产生等离子体的电场能量来源，本装置采用的是JG-500W-B型晶控高频电源。主要技术指标为a输出功率0-500W连续可调，b输出阻抗50Ω，c输出频率13560KHz等幅波，d频率稳定度≥1.0≥1.0×10-6，e供电方式220V两相三线制。
该装置的核心为容性耦合等离子体发生器3，其结构示意图如附图2所示，它的组件包括进气口8、钢盖板9、放电电极10、石英管12、出气口13、垫圈14、O形密封圈15、支柱16、固定螺母17。进气口8与钢盖板9相连，采用焊接方式，进气口为圆管。如附图3所示，钢盖板外边缘为矩形钢板，中间有圆柱形凹凸，貌似壶盖状。钢盖板9与石英管12相连，密封采用三条O形密封圈15镶嵌在钢盖板9内侧的矩形密封槽内，O形密封圈15镶嵌在钢盖板9内侧的剖面图如附图8所示。O形密封圈15上下布置，最大可能的减小漏气的可能性，其压缩前及压缩后的图如附图四和附图5所示，O形密封圈15的压缩量为22.5％。石英管12端口与钢盖板9接触处设有垫圈14，利于石英管12和钢盖板9的吻合，进一步保证密封。等离子反应器3主体是圆柱状石英管12，采用外极式反应器，环状电极10以适当的位置间隔配置在石英管外侧，加在电极上的高频电源能透过石英管壁使管内的气体放电形成等离子体。出气口13与钢盖板9之间同样采用焊接方式连接。钢盖板9的俯视图如附图六所示，外边缘为矩形钢板。进气出气两个钢盖板9之间由四个支柱16相连，支柱16与钢盖板9之间由四个角上的四个固定螺母17固定，螺母的放大图如附图7所示。反应过程中，四个螺母螺紧，保证反应器的压力保持稳定。本工艺选取的石英玻璃管12，长为500mm，内径为900mm，外径100mm，放电电极10为30mm宽的铜片，两电极距离为3cm。两个放电电极10之间放置催化剂11，催化剂11放置在石英管12内，用以加速废气的处理速度，提高处理效率，催化剂采用BaTiO3和Al2O3的混合物，混合比例为重量比3∶1，或单独使用BaTiO3或Al2O3作为催化剂。
整个装置的压力是由一台ZX-15型旋片式真空泵4调节的，系统压力的测量采用北京新华真空仪表厂生产的DJ-3AK型低真空计测量。真空管采用涂金钨丝、陶瓷金属封结、不锈钢外壳，具有良好的稳定性、结果牢固、抗污染能力强。
考虑到管道的耐用性和成本问题，本装置采用普通钢板制作的管道18，其优点是坚固、耐用、造价低、易于制作安装等。管道的厚度为0.5mm，一般管道系统的异形部件，其所用钢板厚度应比直管段加厚1mm，因此本装置各异形部件的厚度为1.5mm。
在布置上本装置将其中的高频电源6、等离子体反应器3，真空泵4放置在自行设计的长方体钢制设备箱7内，其尺寸规格为1200×2000×1200(长×宽×高mm)。工作箱7的具体布置正视图、侧视图、俯视图如附图9、附图10、附图11所示。工作箱7分为上下两层，上层放置真空泵4和等离子反应器3，反应器由支撑台19支撑。下层放置电源6，两层之间用一钢板隔开，进气口8与集气罩1之间设有止回阀20。工作箱设置一扇门，所有仪器，包括电源功率表，电压表，电流表，压力表等都布置在门上。
工艺的流程为车间的有害气体通过集气罩1收集后首先进入的是除尘过滤2，除去大颗粒的污染物质，然后由管道18、近气口13进入等离子反应器3进行催化反应；与此同时和等离子反应器3相匹配的高频电源6与绕在等离子反应器3外的放电电极10相连，使等离子反应器内持续产生容性耦合等离子体；另外石英管12与钢盖板9之间的O形密封圈15、石英管12与钢盖板9之间的垫圈14、两个钢盖板9之间的支柱16固定螺母17共同作用，保证了等离子反应器3的内部压力保持稳定；反应后的气体通过真空泵4进入主烟道5，最后排入大气。
使用本实用新型处理甲烷气体当输入甲烷体积浓度为500ppm的干空气，若我们定义能量密度(kJ/L)＝输入功率(kW)/气体流量(L/s)，则当能量密度为0.8kJ/L时，去除率已经达到了83％，当能量密度为0.8kJ/L4kJ/L时，甲烷分解率达到96％。使用本实用新型处理甲苯气体当输入甲苯的体积浓度为3000ppm的干空气，能量密度为8kJ/L时，甲苯的分解率可以达到55％以上。
权利要求1.一种工业废气的容性耦合放电处理装置， 其特征在于包括集气罩(1)、除尘过滤器(2)、等离子体发生器(3)、高频电源(6)、旋片式真空泵(4)、主烟道(5)六个部分；上述集气罩(1)与除尘过滤器(2)相通，除尘过滤器(2)的另一端通过管道(18)与等离子体发生器(3)的进气口(8)连通，高频电源(6)与等离子体发生器(3)并联，等离子体发生器(3)的出气口(13)与旋片式真空泵(4)相连，真空泵(4)的另一端连接主烟道(5)，主烟道(5)与大气相通。
2.根据权利要求1所述的工业废气的容性耦合放电处理装置，其特征在于上述等离子体发生器(3)、高频电源(6)、旋片式真空泵(4)安装放置在长方体钢制设备箱(7)内；设备箱(7)分为上下两层，上层放置旋片式真空泵(4)和等离子反应器(3)，等离子反应器(3)由支撑台(19)支撑；下层放置高频电源(6)，两层之间用钢板隔开。
3.根据权利要求1所述的工业废气的容性耦合放电处理装置，其特征在于上述离子体发生器(3)的组件有进气口(8)、钢盖板(9)、放电电极(10)、石英管(12)、出气口(13)、垫圈(14)、O形密封圈(15)、支柱(16)、固定螺母(17)；其中进气口(8)、出气口(13)分别安装在钢盖板(9)端头，两钢盖板(9)套装在石英管(12)上，密封采用三条O形密封圈(15)镶嵌在钢盖板(9)内侧的矩形密封槽内，石英管(12)端口与钢盖板(9)接触处设有垫圈(14)；环状放电电极(10)环绕在石英管(12)外侧，两个放电电极(10)之间在石英管(12)内放置催化剂(11)；钢盖板(9)的外边缘为矩形钢板，中间凹进貌似茶壶盖，进气出气两个钢盖板(9)之间由四个支柱(16)相连，支柱(16)与钢盖板(9)之间由四个固定螺母(17)固定。
4.根据权利要求3所述的工业废气的容性耦合放电处理装置，其特征在于上述催化剂(11)采用BaTiO3和Al2O3的混合物，混合比例为重量比3∶1，或单独使用BaTiO3或Al2O3作为催化剂。
5.根据权利要求1或2所述的工业废气的容性耦合放电处理装置， 其特征在于上述进气口(8)与集气罩(1)之间设有截止阀(20)；设备箱(7)设置一扇门，电源功率表、电压表、电流表、压力表分别安装在门上。
专利摘要本实用新型公开了一种工业废气的容性耦合放电处理装置，包括集气罩、除尘过滤器、等离子体发生器、高频电源、旋片式真空泵、主烟道六个部分；上述集气罩与除尘过滤器相通，除尘过滤器的另一端通过管道与等离子体发生器的进气口连通，高频电源与等离子体发生器并联，等离子体发生器的出气口与旋片式真空泵相连，真空泵的另一端连接主烟道，主烟道与大气相通；本装置利用了容性耦合等离子体，容性耦合等离子体具有放电效率高，可在空间上产生大体积的、纯净的、均匀发光的低温等离子体、等离子体点燃、维持比较容易的特点；本装置布置紧凑合理，既节约了空间又方便操作，适用于大流量有机废气的处理。
文档编号B01D50/00GK2910334SQ20062006150
公开日2007年6月13日 申请日期2006年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者黄海涛, 刘芳, 刘少卫, 林美强, 唐兰 申请人:广东工业大学