一种齿板式VOCs处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种VOCs处理系统，尤其涉及一种齿板式VOCs处理装置。

背景技术：

随着国民经济的迅速发展，工业VOCs已经成为我国重点城市(群)和局部区域大气复合污染的主要原因之一。工业排放量最大的三苯(苯、甲苯、二甲苯)和卤代烃在VOCs的治理中需要重点进行控制。因此，继除尘、脱硫、脱硝和机动车污染治理以后，工业VOCs的污染控制问题已经成为目前我国控制大气污染的最为重要的方向之一。

电晕放电法处理VOCs的原理是，在电场的加速作用下，产生高能粒子，当粒子平均能量超过目标治理物分子化学键能时，分子键被打开，达到消除气态污染物的目的。而电源中电压、脉冲频率和电极间距等关键参数会对VOCs的降解率产生直接影响，现有专利仅从装置结构的角度进行描述，而对影响VOCs处理效果的电源输出参数间协同控制优化方面鲜有提及。因此由于极板间距参数调整不当，反应器在高峰值电压下容易放电拉弧，在增大电能消耗的同时，使得净化效率低，对苯等有机物的分解不完全且会产生臭氧；电场频率、电压和高频脉冲等某个电源参数达不到要求，如电压和频率过高或过低都会对高能粒子的产生造成较大影响，从而影响VOCs的处理效果，因而现有技术的装置由于结构的限制，对VOCs废气降解率低且稳定性较差。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种高效、低成本的齿板式VOCs处理装置，对VOCs废气降解率高且稳定性较好。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种齿板式VOCs处理装置，包括VOCs处理单元和高频脉冲电源；所述的VOCs处理单元包括壳体、循环风机、进气泵和核心处理反应器；壳体中心位置设置有核心处理反应器，壳体前端为气体前室，壳体后端为气体后室，气体前室的壳体上开有气体进口，气体后室的壳体上开有气体出口，气体前室设置有进气泵，核心处理反应器的中轴线上设置有循环风机，所述的循环风机、进气泵和核心处理反应器均与高频脉冲电源相连。

所述的核心处理反应器包括电极支撑架、多根齿状阴极和多个阳极板；电极支撑架上设置有多个阳极板，每对阳极板中间呈水平均匀布置多根齿状阴极，多根齿状阴极处于同一平面，齿状阴极与阳极板平行布置，齿状阴极与阳极板之间形成有气流通道，气流方向垂直于棒状阴极，齿状阴极和阳极板分别通过导体与高频脉冲电源的阴极和阳极相连。

所述的电极支撑架的水平面上设置有多排阳极板，垂直面上设置有多层阳极板。

所述的齿状阴极为棒状导体，棒状导体四周均匀布置多个与棒状导体垂直的尖刺。

所述的电极支撑架包括第一阳极支撑框架、第一阴极支撑框架、第二阳极支撑框架、第二阴极支撑框架和多个阴极板，第一阴极支撑框架和第二阴极支撑框架沿水平方向等距开有安装槽，阴极板、第二阳极支撑框架和第一阳极支撑框架上开设有安装槽，同一垂直面上的多根齿状阴极均通过导线安装在阴极板的安装槽上，水平面上的多个阴极板分别通过安装槽安装在第一阴极支撑框架和第二阴极支撑框架之间，第二阳极支撑框架和第一阳极支撑框架均包括四周的边框和垂直面上的两根安装柱，同一垂直面上的阳极板安装在第二阳极支撑框架和第一阳极支撑框架的两根安装柱上，阴极板之间通过连接导线并联，阳极板之间通过连接导线并联。

所述的阳极板与齿状阴极之间的电极间距4-28mm。

所述的高频脉冲电源包括主电路和辅助电路；主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块和高频升压模块；交流市电经整流滤波模块后与高频逆变模块相连，高频逆变模块与高频升压模块相连，高频升压模块与电极相连；辅助电源包括控制电源模块、信号采集单元、主控制单元、高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元；所述的整流滤波模块与控制电源模块相连，控制电源模块与信号采集单元、主控制单元、高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元均相连，信号采集单元与整流滤波模块、高频逆变模块、高频升压模块以及主控制单元相连，主控制单元与高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元相连，高频发生器驱动控制单元与高频逆变模块相连，升压驱动控制单元与高频升压模块相连。

所述的高频脉冲电源的脉冲频率2.5-25kHz，占空比61％-89％。

所述的气体前室还设置有与气体进口连通的软管。

循环风机安装在支撑档板上，支撑档板中心开设有与循环风机流通面积相等的圆孔。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置，通过设置齿板式反应器和负高频脉冲电源，高频脉冲电源输出的高压脉冲电压在齿状阴极和阳极板之间激发出高能粒子均匀分布在两者之间，含有VOCs的气体从齿状阴极和阳极板之间的通道通过可被高能粒子分解成对环境无害的物质，通过高频脉冲电源和核心处理反应器实现了对VOCs废气高效率且稳定的降解。

附图说明

图1为本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置中VOCs处理单元的立体结构示意图；

图2为本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置中VOCs处理单元的主视图；

图3为图2的A-A图；

图4为图4的B-B图；

图5为本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置原理示意图；

图6为本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置中的高频脉冲电源结构示意图；

图7为本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置结构示意图。

其中，1-气体前室；2-气体进口；3-进气泵；4-第一阳极支撑框架；5-第一阴极支撑框架；6-阴极板；7-阳极板；8-第二阳极支撑框架；9-第二阴极支撑框架；10-气体后室；11-气体出口；12-支撑档板；13-循环风机；14-螺栓；15-安装柱；16-齿状阴极；17-安装槽；18-高频脉冲电源模块。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1至图7，一种齿板式VOCs处理装置，包括VOCs处理单元和高频脉冲电源模块；所述的VOCs处理单元包括壳体、循环风机13、进气泵3和核心处理反应器；壳体中心位置设置有核心处理反应器，壳体前端为气体前室1，壳体后端为气体后室10，气体前室的壳体上开有气体进口2，气体后室的壳体上开有气体出口11，气体前室1设置有进气泵3，核心处理反应器的中轴线上设置有循环风机13，所述的循环风机13、进气泵3和核心处理反应器均与高频脉冲电源模块相连。循环风机13安装在支撑档板12上，支撑档板12中心开设有与循环风机流通面积相等的圆孔。

其中，所述的核心处理反应器包括电极支撑架、多根齿状阴极16和多个阳极板7；电极支撑架上设置有多个阳极板7，每对阳极板7中间呈水平均匀布置多根齿状阴极16，多根齿状阴极16处于同一平面，齿状阴极16与阳极板7平行布置，齿状阴极16与阳极板7之间形成有气流通道，气流方向垂直于棒状阴极，齿状阴极16和阳极板7分别通过导体与高频脉冲电源模块18的阴极和阳极相连，所述的阳极板7与齿状阴极16之间的电极间距4-28mm。

具体的，所述的电极支撑架的水平面上设置有多排阳极板7，垂直面上设置有多层阳极板7。所述的齿状阴极16为棒状导体，棒状导体四周均匀布置多个与棒状导体垂直的尖刺。齿状阴极16形状可为锯齿状、鱼骨状、芒刺状等。

其中，所述的电极支撑架包括第一阳极支撑框架4、第一阴极支撑框架5、第二阳极支撑框架8、第二阴极支撑框架9和多个阴极板6，第一阴极支撑框架5和第二阴极支撑框架9沿水平方向等距开有安装槽17，阴极板6、第二阳极支撑框架8和第一阳极支撑框架4上开设有安装槽，同一垂直面上的多根齿状阴极16均通过导线安装在阴极板6的安装槽上，水平面上的多个阴极板6分别通过安装槽17安装在第一阴极支撑框架5和第二阴极支撑框架9之间，第二阳极支撑框架8和第一阳极支撑框架4均包括四周的边框和垂直面上的两根安装柱15，同一垂直面上的阳极板7安装在第二阳极支撑框架8和第一阳极支撑框架4的两根安装柱上，阴极板6之间通过连接导线并联，阳极板之间通过连接导线并联。

所述的高频脉冲电源模块为高频脉冲电源包括主电路和辅助电路；主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块和高频升压模块；交流市电经整流滤波模块后与高频逆变模块相连，高频逆变模块与高频升压模块相连，高频升压模块与电极相连；辅助电源包括控制电源模块、信号采集单元、主控制单元、高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元；所述的整流滤波模块与控制电源模块相连，控制电源模块与信号采集单元、主控制单元、高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元均相连，信号采集单元与整流滤波模块、高频逆变模块、高频升压模块以及主控制单元相连，主控制单元与高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元相连，高频发生器驱动控制单元与高频逆变模块相连，升压驱动控制单元与高频升压模块相连。所述的高频脉冲电源的脉冲频率2.5-25kHz，占空比61％-89％。需要说明的是，高频脉冲电源输出为直流高频高压脉冲或复合脉冲，电源输出脉宽、频率、电压可调。

进一步地，所述的气体前室还设置有与气体进口2连通的软管。

具体的，参见图1至图6，本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置由VOCs处理单元和高频脉冲电源模块两部分组成。

VOCs处理单元包括：气体前室1、气体后室10、循环风机13、进气泵3和核心处理反应器，其中气体前室前端开有气体进口2，气体后室10后端开有气体出口11。

进气泵3位于气体前室1中，根据被处理气体中VOCs浓度调节进气泵功率，目的是为了控制气体进口气体流量。压力较低的废气通过软管进入气体前室1，处理后需保证气体出口的气体中VOCs浓度处于限定值以下。

循环风机与核心处理反应器处于同一垂直平面内，既就是循环风机可布置于核心处理反应器的上、下、左、右任一方向上。循环风机在垂直方向上以垂直方向中线对齐方式布置，或在水平方向上沿轴线对齐布置。循环风机安装在支撑挡板12上，循环风机与支撑挡板直接通过四个螺栓14进行连接，支撑挡板12中心开有与循环风机通流面积相等的圆孔，以保证气体能够顺畅的通过，其目的在于可使被处理废气均匀分布且匀速通过核心处理反应器，并防止废气因不通过循环风机13而造成流场不均匀现象。所述的循环风机13频率可通过主控制单元进行调节，进而调节VOCs处理单元内的气体循环流速，根据气体进口的气体流量及VOCs浓度调节气体循环倍率，在保证气体出口气体VOCs浓度达标的情况下实现处理效率及处理能耗的有效平衡。

核心处理反应器处于VOCs处理单元中部，是整个VOCs处理单元的关键所在。主要组成包括：齿状阴极、阳极板和电极支撑架等。

齿状阴极为棒状导体，四周均匀布置多个与棒状导体垂直的尖刺，该尖刺结构的齿状阴极与阳极板间更容易形成电晕，激发出高能粒子。阳极板与齿状阴极平行布置，齿状阴极与阳极板之间为气流通道，气流方向垂直于齿状阴极。根据废气处理效率及处理量可沿气体流动方向增加齿状阴极数量，沿垂直气流方向增加阳极板数量，形成多组放电通道，产生高能粒子幕。阴极板之间通过连接导线并联，阳极板之间同样通过连接导线并联，阴阳极板相互绝缘。核心处理反应器阴阳极分别与高频脉冲电源模块的阴极和阳极相连，组成核心处理反应器。

高频脉冲电源模块包括：主电路和辅助电路组成。主电路由整流滤波模块、高频逆变模块和高频升压模块组成。交流市电通过整流滤波模块后输出为高频逆变模块的直流电源，高频逆变模块再将其逆变成直流矩形波脉冲电源，最后经高频升压模块将其升压为高频高压直流脉冲电源输出给电极。

辅助电源由控制电源模块、信号采集单元、主控制单元、高频发生器驱动控制单元和升压驱动控制单元组成。控制电源模块为辅助电路各功能单元提供控制电源。信号采集单元采集电源及外部状态信号进行处理后输出给主控制单元作为反馈信号。主控制单元根据信号采集单元提供的反馈信号以及外部指令经运算输出高频逆变模块主控指令和高频升压模块主控指令，主控指令经驱动控制单元输出为驱动信号驱动高频逆变模块和高频升压模块。

电源功能：该电源输出为负高频脉冲电源，负高压相对正高压有起晕电压低击穿电压高的优点。该高频脉冲电源输出频率、脉宽、电压等参数可根据处理物质成分、浓度等进行手动调节，亦可根据外部反馈信号自动调节。

进一步具体的

1.进气泵通过负压抽吸收集VOCs废气产生源区域的气体，经过软管导入VOCs处理单元的气体前室，通过检测废气中VOCs的浓度，由反馈信号来调节进气泵功率，以控制待处理废气流量，确保气体出口的气体中VOCs浓度处于限定值以下；

2.开启循环风机，使被处理废气均匀分布且匀速通过核心处理反应器，并防止废气因不通过循环风机而造成流场不均匀现象。所述循环风机频率可通过主控制单元进行调节，进而调节处理单元内的气体循环流速，根据进口气体流量及VOCs浓度调节气体循环倍率，在保证气体出口气体VOCs浓度达标的情况下实现处理效率及处理能耗的有效平衡。

3.废气均匀流经核心处理反应器中齿状阴极板和阳极板间孔隙，开启负高压高频脉冲电源，在外加负电场的作用下，通过突变电场获得具有极高化学活性的高能粒子，大量携能粒子轰击气体污染物分子，与气体分子及原子进行非弹性碰撞，发生激发、离解、电离等一系列化学过程，将能量转移到分子或原子中去，获得能量的分子或原子被激发变成活性基团、离子和激发态分子，从而使气体处于活化状态，使需要很高活化能的化学反应能够发生。

当粒子能量较低时(小于10eV)，产生活性自由基，活化后的污染物分子经过粒子定向链化学反应后被脱除。当粒子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，污染物分子键发生断裂而分解，同时高能粒子激发产生O，OH，N等自由基。由于O和OH具有很强的氧化性，最终可将VOCs转换为SO₂，NO_x，CO₂，H₂O等。

在高能粒子的作用下引发的一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，进一步使污染物得以降解去除。适当控制反应条件可以使一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分迅速。

4.放电参数耦合下多组份VOCs高效处理。不同电晕放电参数包括：调节输出电压4～250kV、脉冲频率和电极间距等，协同调节上述参数加强电晕放电的强度，可对不同组份VOCs降解率的提高产生关键影响。具体的，脉冲频率2.5-25kHz，占空比61％-89％，电极间距4-28mm。

随负脉冲电压的提高，电晕放电所产生的高能电子、自由基等活性粒子急剧增加，电晕流分布在高电子密度区，电晕由暗趋向明亮。可通过提高峰压来提高降解率。提高VOCs降解率的关键在于高能粒子产生的大量活性基，在核心处理反应器放电期间所产生的活性粒子不会完全与VOCs反应瞬间消耗完。因此，存在一个不放电的时段，使剩余的活性粒子继续降解(例如废气中的苯)而不用输入功率。另外，放电电压越高，放电越激烈，放电时产生的活性基就更多，因此可以有较长的不放电时间段来等待活性粒子的充分反应，即最佳占空比越小。这也就是说，调制电源在较高的放电电压下，优势越明显。

具体过程是，由高频脉冲电源施加一个上升沿较大的负电压，大约十几纳秒，得到一个较强的电场放电而不引起电弧的形成，电弧的形成会损害反应器并降低去除效果。所需的电压值取决于放电区间阴阳极板的间隔，脉冲的持续时间和气体的成分，脉冲的持续时间通常在100-200纳秒之间，来确保电火花不产生，并且能量耗散得最小。

高频脉冲电源的脉冲频率和占空比对VOCs降解的影响，其实就是通过改变能量密度，从而改变VOCs降解的效果，但这并不代表脉冲频率和占空比这两个参数在苯处理的过程中是多余的。首先，占空比可减小能量的输入，消减能耗，还存在一个最佳的占空比，使得VOCs的能量效率达到最高，这是一般电源所不具备的优势；其次，高频脉冲电源能有效的降低核心处理反应器的温度，重要的原因就在于脉冲频率和占空比的存在，使得核心处理反应器有冷却的时间段；最后一点就是，有了这两个参数的存在，控制能量密度就不仅仅是控制放电电压来获得，占空比和脉冲频率的调节也能起到控制能量密度的作用。

综上所述，对于挥发性有机物的氧化降解过程本实用新型系统是通过以下两个过程进行反应：(1)脉冲电晕放电产生的高能粒子与反应物碰撞，从而使能量较低的C-H键激发离解为自由基，破坏了反应物原有的结构，之后再进行一系列的自由基反应从而降解为CO₂和H₂O等无害物质。

(2)高能粒子产生大量具有较高能量且具有强氧化性的自由基，它们在苯环上结合，破坏苯环结构的稳定性，使苯环断裂，再通过强氧化性自由基的氧化，最后生成CO₂和H₂O等无害物质。对于高能粒子与反应物的碰撞反应，粒子能量与反应物分子各化学键键能的大小关系，对反应能否顺利进行起着至关重要的作用。本核心处理反应器中电晕放电产生的高能粒子的能量范围在0-20eV，而在本实用新型中涉及到的苯和甲苯的各化学键的键能都较低，故碰撞反应能够顺利进行从而使部分化学键断裂离解为自由基。苯的碰撞反应只有一种途径，且比甲苯要困难。粒子碰撞反应是苯和甲苯降解过程中的重要反应，但是它们的最终降解还是要靠一系列的自由基反应来实现。这里包括·OH和·O等自由基与苯、甲苯分子的直接反应，以及与碰撞反应生成的自由基的进一步反应。具体来说，自由基和甲苯的反应首先是从甲基上开始的，其中甲基上的一个氢原子被离解，形成甲苯自由基，从而使得甲基位上的碳原子多出一个未配对电子而呈缺电子状态。于是，苯环内的电子会向该碳原子游动，致使苯环的大键破坏，原为平面结构的苯环发生扭曲，形成更不稳定的自由基，该自由基再进一步被氧化成一氧化碳和二氧化碳。

根据对反应后产物的谱图分析，处理后的甲苯和苯峰高显著降低，CO和CO₂等峰值增高，说明苯和甲苯转化为CO和CO₂等物质，且本实用新型的转化效率较高。

本实用新型提供的齿板式VOCs处理装置，通过设置齿板式反应器和负高频脉冲电源，高频脉冲电源输出的高压脉冲电压在齿状阴极和阳极板之间激发出高能粒子均匀分布在两者之间，含有VOCs的气体从齿状阴极和阳极板之间的通道通过可被高能粒子分解成对环境无害的物质，通过高频脉冲电源和核心处理反应器实现了对VOCs废气高效率且稳定的降解。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。