一种有害物去除装置及其去除气流中有害物的方法与流程

(一)技术领域

本发明涉及一种废气处理方法，特别涉及一种从气流中去除有害物的装置及处理废气中有害物的方法，包括含有氟、氯、硫或氮元素的气态有害物。

(二)

背景技术：

化学、制药和涂装等工业生产过程产生各种有害气体，如含氟、氯、硫或氮的气态有害物，包括有机物和无机物。这些污染物不仅对人体有害，有些还是致癌物质，而且大量排放还对局部区域环境产生了严重的影响，还是大气光化学雾形成的原因之一。但是这些物质或者水溶性不好，挥发性强或者化学结构稳定、不易降解的特点，给净化带来很大的困难。

处理上述污染物的其他方法有燃烧法和吸附法等。但上述方法都有各自应用的局限性，燃烧法对运行条件要求较高，一般要求在600℃以上运行，投资和运转费高。吸附法对低浓度的污染物脱除效率较高，但无法达到分解有害气体的目的，吸附剂再生和后续处理系统复杂。

由脉冲放电或无声放电(又称介质阻挡放电)等产生的非平衡等离子体技术应用于废气治理，其基本原理是利用电晕放电产生大量高能电子、原子和自由基。这些高能电子、原子和自由基与有害分子反应并使其氧化或离解，最终转化为无害物。本发明者曾报导了采用放电反应器对有害废气去除实验结果，研究结果请参看黄立维等《高校化学工程学报》(2007，vol21:689-694)等报道。但是，由于非平衡等离子体化学反应难于控制，很多是可逆反应，特别在处理含氯、氟、硫和氮等气态有害物时易产生新的有害物质，如cocl2和hcn等。因此，虽然国外内也有把该技术应用于工业应用，但实际效果并不理想。主要是有害物去除率低、降解不完全和二次污染物的产生难以解决。

(三)

技术实现要素：

本发明目的是提供一种从气流中去除含氟、氯、硫或氮的气态有害物的反应装置及处理工艺，使气流中含有的这些有害物被气体放电氧化和降解，从气体反应中分解出来有害中间产物被加入的固体吸收剂吸收，气固分离后，达到气体净化的目的。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种有害物去除装置，所述装置由筒体和气体放电电极组成，所述筒体的上部分为直筒体，下部分为倒锥体，所述的筒体的上部分直筒体内部设置有气体放电电极，所述气体放电电极与高压电源连接，筒体接地或接电源零线；所述的直筒体上部设置有与气体管道连接的气体进口、所述的气体进口与固体吸收剂的进口相接，所述筒体的上部分直筒体下部设有净化后气体出口，所述直筒体内部放电电极下端以下设置有集气罩，所述集气罩通过管路与净化后气体出口连通，所述下筒体的底端设置有反应后固体吸收剂出口。

进一步，所述集气罩开口朝下，集气罩顶部距离放电电极下端一般50mm及以上，罩口大小设计时一般应使罩口气体流速小于2.0m/s，以便气流不影响筒体内反应后气体和固体吸收剂分离。

进一步，所述的筒体直径150mm，筒体高1300mm，其中上部分直筒体高800mm，倒锥体高500mm。

进一步，所述气体放电电极包含单根或多根电极，所述多根电极为直线型电极线或环型电极线。

本发明还提供一种利用所述有害物去除装置去除气流中有害物的方法，所述方法为：将气体放电电极与高压电源连通，再将含有害物的气体从气体进口导入，并将固体吸收剂通过计量进量器加入固体吸收剂进口，气体停留时间为0.5-50s(优选8～16s)，从净化后气体出口收集处理后的气体，从固体吸收剂排出口收集固体吸收剂；所述固体吸收剂与被吸收的有害物的化学计量比(摩尔比，下同)为10-30：1。

进一步，所述固体吸收剂为钙、钡、镁、铁、铝或锌的氧化物、氢氧化物或碳酸盐中的一种或多种混合，即钙、钡、镁、铁、铝或锌的氧化物、氢氧化物，钙、钡、镁的碳酸盐中的一种或多种混合，更优选氢氧化钙、氧化钙、碳酸钙、氧化锌或氢氧化镁中的一种。

进一步，所述固体吸收剂粒径为20μm-1000μm，优选50-400μm。

进一步，所述含有害物的气体为有害物(氟、氯、硫或氮)浓度50－450mg/m³，氧气浓度8％(体积，下同)，水分浓度10％(体积，下同)，其余为氮气。

进一步，向所述含有害物的气体中添加体积浓度0.1％-10％氩气(体积，下同)。

所述的高压电源的供电方式包括脉冲供电和交流供电，其中脉冲供电的电压为±2kv～±200kv(优选40kv)，脉冲重复频率为2hz～2khz(优选50-1000hz)，交流供电的电压为2kv～200kv(优选40kv)，频率为10hz～10khz(优选50-1000hz)。

进一步，所述含有害物的气体温度为10～300℃(优选25～120℃)，湿度60％，流量为1～10m³/h。

本发明所述的一种有害物去除装置的筒体结构的上部分为直筒体，下部分为倒锥体，所述筒体一般为圆筒形，也可以是长方体或正方体，效果大体相当，所述直筒体部分的主要功能是提供气相和气固相反应，倒锥体部分主要功能为收尘和除尘。本发明所述的放电电极通常为圆型或芒刺型，放电电极的供电方式包括脉冲和交流，其中脉冲供电的电压一般为±2kv～±200kv，正电压和负电压效果一样，脉冲重复频率为一般2hz～2khz，交流供电的电压一般为2kv～200kv，频率为一般10hz～10khz。不同供电形式的处理效果大体相当，且与输入的能量成正比，单位处理气量能耗约2-200w·h/m³，具体与去除率和气体性质等操作参数有关。接地极或零线一般为筒体，脉冲供电时筒体接地，交流供电时筒体接零线。电极材料一般为不锈钢、钛、钨或合金等导电材料，筒体材料一般为不锈钢，放电电极与接地电极(或零线)之间的距离一般为5-300mm。反应器内可布置单根或多根电极，具体依据筒体大小设定，一般筒体直径小于100mm时，可采用单根放电电极线沿轴心垂直设置，筒体直径大于100mm时，可采用多根直线型电极线或环型电极线，在筒体内垂直或水平放置或各种组合，效果相当，两相邻放电电极线的距离可依据筒体结构大小等操作参数设计，无特殊要求。

本发明所述的装置从气流中去除有害气体的处理工艺如下：先把固体吸收剂颗粒加入含有有害气体的气流中，固体吸收剂颗粒投加的形式，可采用固体吸收剂颗粒计量进量器加入，也可采用气流输送等形式，然后把所述的气流导入装置的上筒体，在所述的气体放电电极上连通高压电源后产生电晕放电，使气流中含有的含氯、氟、硫或氮的有害气体在非平衡等离子体反应器内分解的同时，从有害气体分子中离解而生成的如氯化氢、氟化氢、二氧化硫和硫化氢等酸性产物或中间产物被加入的固体吸收剂颗粒吸收，反应后的固体吸收剂颗粒在重力、气流夹带和静电力等作用下同时向筒壁和往下移动，最后通过设置在筒体下部分锥形体底部的固体吸收剂出口排出，净化后的气流通过设置在筒体上部分直筒体下部的净化后气体出口排出。所述的净化后气体出口由集气罩和连接管组成，集气罩开口朝下，罩口顶部应在放电电极下端以下，一般为50mm以上，罩口大小设计时一般应使罩口流速小于2.0m/s，以便气流不影响筒体内反应后气体和固体吸收剂颗粒得分离。

本发明所述的固体吸收剂为钙或钡或镁或铁或铝或锌的氧化物、氢氧化物和钙或钡或镁的碳酸盐的一种或二种及以上混合物组合，其中以钙、钡和镁的氧化物和氢氧化物为佳，吸收效果大体相当，其次为铁或铝的氢氧化物和氧化锌，相关物料碳酸盐的效果差一些。固体吸收剂与被处理的有害物得化学计量比一般为0.5：100，吸收剂颗粒为粉末状，粒径一般大于5μm，太细不利气固分离，优选50μm-1000μm，气体停留时间一般为0.5s以上，优选3-50s，停留时间长，有害物去除效果好。气固反应温度一般在常温，最高温度为气固吸收反应后的产物(如氯化钙和氟化钙等)的分解温度，一般为300℃以上。气流温度升高对有害物的降解有一定的促进作用。

如在气流中加入高浓度的固体吸收剂颗粒时，如30g/m³以上时，将对气体放电会产生一定的影响，此时可在气流中加入氩气等有利气体放电的惰性气体，可以起到增强放电效果和降低放电电压的效果，并与加入量成正比，所述的加入的氩气等惰性气体的浓度(体积，下同)一般为0.01％以上。

本发明的优点是：本发明提出了一种非平衡等离子体化学反应结合现场气体吸收的方法，即在非平衡等离子体化学反应器内加入固体吸收剂，通过非平衡等离子体技术与气－固化学吸收反应协同作用，使含氯、氟、硫和氮的有害气体在非平衡等离子体反应器内分解的同时，从有害气体分子中离解而生成的如氯化氢、氟化氢、二氧化硫和硫化氢等酸性产物或中间产物被被气流中的固体吸收剂吸收，气固分离后从气流中得到去除，从而避免了离解出来的氯、氟、硫和氮再参加化学反应生成新的有害物质，引导和促进非平衡等离子化学反应朝着无害化的方向进行，达到气体净化的目的。

(四)附图说明

图1是本发明所述的一种从气流中去除有害物的装置结构示意图(筒体以圆筒为例)，包括：1气体进口，2固体吸收剂进口，3中心电极线，4筒体，5放电电极圆环，6净化后气体出口，7集气罩，8固体吸收剂出口。

图2是本发明所述的一种从气流中去除有害物的装置结构示意图(图1)中的中心电极线与放电电极圆环的一种连接形式，放电圆环电极与电极中心线通过4根向心电极线连接固定。

(五)具体实施方式

实施例1

实验装置结构如图1所示。

本发明所述有害物去除装置由筒体4和气体放电电极组成；所述筒体的上部分为圆筒体，下部分为倒圆锥体，所述上筒体内部设置有气体放电电极，所述气体放电电极由中心电极线3和放电电极圆环5组成，所述放电电极圆环水平环绕中心电极线，由4根向心电极线连接固定，所述气体放电电极与高压电源连接，筒体接地或接电源零线(交流电时)；所述的直筒体上部设置有与气体管道连接的气体进口1、所述的气体进口还与固体吸收剂进口2相接，固体吸收剂颗粒采用计量进量器加入，所述直筒体的下部设有净化后气体出口6，所述的直筒体内部电极下端设置有集气罩7，所述的集气罩顶部距离放电电极最下端50mm，所述的集气罩通过管路与净化后气体出口连通，所述筒体下部分倒锥体的底端设置有反应后固体吸收剂出口8。

结构参数：气体进口和固体吸收剂加入口直径均为φ25mm，筒体直径φ150mm，整个筒体高1300mm，其中上部分直筒体高800mm，下部分倒锥体高500mm，净化气体出口直径φ25mm(集气罩口直径φ70mm)，集气罩顶部距离放电电极最下端50m，固体吸收剂排出口直径φ40mm。中心电极线为直径5mm的不锈钢圆棒，放电电极圆环为直径3mm的不锈钢圆棒沿中心电极线绕成直径φ50mm的圆环，圆环与中心电极线采用4根直径3mm的向心圆棒连接，两相邻圆环间距约50mm，共10根，沿轴相均匀布置，筒体接地，筒体和电极材料均为不锈钢。

处理工艺：把待处理的含有害物的气流通过气体进口1导入反应器，同时采用计量进量器通过固体吸收剂进口2加入固体吸收剂，气固充分混合后的气流导入筒体4，同时向中心电极线3施加高电压，在筒体内形成放电电极圆环5与筒体间产生气体放电电晕，形成等离子体化学反应区，在反应区内，气流中的含氯、氟、硫和氮的有害气体被分解的同时，从有害气体分子中离解而生成的如氯化氢、氟化氢、二氧化硫和硫化氢等酸性产物或中间产物被气流中的固体吸收剂吸收，净化后的气流通过净化后气体出口6排出，反应后的固体吸收剂沿筒体的下部分锥体内壁移动到固体吸收剂排出口8排出，从而达到气体净化的目的。

实验条件为：

气体流量：3m³/h，气体在装置内停留时间约为8s，气体气流为空气，气流温度为25℃，相对湿度约60％。

吸收剂：固体氢氧化钙，粒径50-200μm，与有害物的化学计量摩尔比20：1。

电源参数：脉冲电压40kv、脉冲频率150hz，输入能量约30-40w·h/m³。实验结果如表1所示。

表1有害物去除效果

在气流中添加0.5％氩气(体积，下同)后，在达到同样的除去效果的情况下，脉冲电压可降低到37kv左右，添加10％氩气后，在达到同样的除去效果的情况下，脉冲电压可降低到35kv左右。采用氢氧化钡或氢氧化镁作为吸收剂时效果大体相当。

实施例2

实验装置同实施例1。

实验条件为：

气体流量：约6-7m³/h，气体在装置内停留时间约为3-4s，最少约为0.5s。

吸收剂：氧化钙颗粒，粒径约200－400μm，与有害物的化学计量摩尔比30：1。

电源参数：交流电，电压40kv、频率1000hz。输入能量约50-60w·h/m³。

其他实验条件同实施例1。实验结果如表2所示。

表2有害物去除效果

在气流中添加5％氩气后，在达到同样的除去效果的情况下，电压可以降低到37kv左右。采用氧化钡或氧化镁作为吸收剂时效果大体相当。

实施例3

实验装置结构如图1所示。不同的是放电电极采用一根中心电极线，无放电圆环电极及相关连接线。

结构参数：气体进口和固体吸收剂加入口直径均为φ25mm，筒体直径80mm，上部分直筒体高900mm，下部分倒锥体高400mm，净化气体出口直径φ25mm(集气罩罩口直径φ40mm)，集气罩顶部距离放电电极最下端50m，固体吸收剂排出口直径φ32mm。中心电极线为直径3mm的不锈钢圆棒，有效放电长度约750mm，筒体接地，筒体和电极材料均为不锈钢。

实验条件为：

气体流量：1m³/h，气体在装置内停留时间约为16s，气流温度分别为120℃。

吸收剂：固体氢氧化钙颗粒，粒径约20-200μm，加入量与有害物的化学计量比(摩尔)为10：1。

电源参数：脉冲电压40kv、脉冲频率50hz，输入能量约15-35w·h/m³。

其他同实施例1。实验结果如表3所示。

表3有害物去除效果

在气流中添加0.1％氩气后，有害物的除去效果提高约5％。

实施例4

吸收剂分别采用固体氧化锌、氢氧化铁、氢氧化铝、氢氧化镁和碳酸钙颗粒，平均粒径约200－400μm，加入量与气流中有害物的化学计量比(摩尔)约为10：1。

其他同实施例3。实验结果如表4－6所示。

表4吸收剂为氧化锌时有害物去除效果

采用氢氧化铁和氢氧化铝的效果大体同上表。

表5吸收剂为氢氧化镁时有害物去除效果

表6吸收剂为碳酸钙时有害物去除效果

应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。