一种有机废气净化装置及净化方法与流程

本申请涉及一种有机废气净化装置及净化方法，尤其涉及一种高效、清洁，适用有机废气浓度范围广、综合运行成本较低、过程安全的水膜/石英管双介质阻挡放电等离子体有机废气净化装置及净化方法。

背景技术：

随着我国国民经济的迅速发展，特别是化学工业和制造业的发展，挥发性有机物(VOCs)的工业排放源及排放量不断增加。在表面喷涂过程常会产生含有机溶剂的废气，如二甲苯、甲苯、醋酸乙脂、丁酮等；在有机化学品合成及石油炼制等过程也会排放大量不同的恶臭废气，其中往往含有低沸点、高挥发性的有机化合物，既有毒又易燃易爆。VOCs不仅对人体有刺激、毒害作用，有的还是致突变物与致癌物。且VOCs中的烯烃和某些芳香烃化合物一旦进入环境，暴露在阳光下，还可以和氮氧化物发生反应形成洛杉矶型的光化学烟雾或工业型光化学烟雾，造成二次污染，形成雾霾。因此，继除尘、脱硫、脱硝和机动车污染治理以后，VOCs废气的环境污染已成为目前大气污染控制领域亟待解决的问题。急需开发一种高效、清洁、应用范围广、运行成本低廉的工业废气净化技术与装置。

等离子体技术应用于VOCs废气的治理，因其过程不需要添加任何化学试剂、处理过程简单且效果好、综合运行成本较低等技术优势，近年来已成为VOCs废气治理的焦点研究方向且相关技术成果已成功应用于VOCs废气的实际治理中。现已开发出单独等离子体VOCs废气直接处理技术；等离子体催化氧化技术，包括催化剂置入放电区或置入放电区后端的协同催化氧化技术；此外，还有等离子体技术与其他废气治理技术的组合技术。由于等离子体的产生过程是利用在电极对之间施加高电压对充填其间的气体放电并使其电离、击穿气体层形成稳定放电过程所产生的电中性的气体“电浆”，其中包括大量活性物种，如各种自由基、高能电子等。因此，利用空气放电等离子体技术可实现对气流中VOCs的直接高效氧化净化。但也正是因为如此，在利用等离子体技术处理VOCs废气的过程中存在引燃、发生火灾或爆炸的安全隐患。因此，现有文献报道的等离子体处理技术只适合处理进气浓度低于1000mg/m³的VOCs废气；同时也存在等离子体处理过程会产生副产物，如臭氧、NOX，硝酸盐类或有机中间产物，如焦油等残留在尾气中，形成新的二次污染；或产生的硝酸盐、次生有机物等被催化剂所吸附或沉积在催化剂表面，导致催化剂的失活，引起等离子体协同催化氧化效果的下降及其维护、运行成本的增加。因此，这些问题又成为限制等离子体技术在VOCs废气处理领域应用亟待解决的技术问题。

申请内容

为解决现有等离子体处理技术适用有机废气浓度低及产生的副产物造成二次污染等问题，本申请要解决的技术问题是提供一种适用有机废气浓度范围广、综合运行成本较低、过程安全的有机废气净化装置及净化方法。

为了解决上述技术问题，一种有机废气净化装置，所述的净化装置包括气-水混合器、位于所述的气-水混合器下侧的并与所述的气-水混合器相连通的气-水分离器，所述的气-水混合器设置有一废气入口，所述的气-水混合器的上侧设置有废气等离子体处理器，所述的废气等离子体处理器包括第一管道、位于第一管道内的第二管道、贴于第一管道外壁上的高压电极，所述的第一管道的下端与所述的气-水混合器相连通，所述的第二管道的下端与所述的气-水分离器相连通，所述的第二管道的上端部设置有一布水器，所述的布水器用于使所述的第二管道内的水分布至第二管道外壁，在第二管道的外壁形成向下流动的水膜层，所述的第一管道和第二管道之间形成供废气至下而上通过的放电区，在一种优选实施方案中，所述的第一管道和第二管道同轴设置。

优选地，所述的第一管道为石英或陶瓷材料制成，所述的第二管道为导电耐腐蚀材料制成，如不锈钢材料，所述的第二管道为接地电极，所述的高压电极为紧贴在所述的第一管道外壁上的不锈钢网。

优选地，所述的废气等离子体处理器还包括一中频高压电源，所述的高压电极与所述的中频高压电源的高压电极相接，所述的第二管道与所述的中频高压电源的接地极相接。

优选地，所述的第一管道的上端部还设置有除雾回流装置，所述的除雾回流装置用于除去放电区内废气中的水分，并使废气中的水分流向至所述的第二管道的外壁。

优选地，所述的第一管道的上端部还连通有一引风管，所述的引风管上还设置有一引风机，所述的引风管为PP等耐腐蚀，不导电的有机材料加工而成。

优选地，所述的第二管道与所述的气-水分离器的连通管道上还设置有一用于将所述的气-水分离器中的水输送至所述的第二管道内的水泵。

优选地，所述的净化装置还包括安装在气-水分离器中的液位传感器、安装在废气等离子体处理器出风口的气体监测传感器、用于向所述的气-水分离器中补充水的自动补水器。

本申请还提供一种有机废气净化装置的废气净化方法，所述的净化方法包括以下步骤：

(1)首先使用水泵将气-水分离器中的水输送至第二管道内，进入第二管道的水流从下往上流至布水器中折流沿第二管道的外壁形成垂直向下的水膜层，所述的水膜层在重力作用下经过所述的气-水混合器，并下落至所述的气-水分离器中；

(2)开启高压电源，在第一管道和第二管道之间形成高压放电区，对经过放电区的水膜层进行高压放电处理；

(3)然后再开启引风机，使废气从废气入口进入所述的气-水混合器，在气-水混合器内，VOCs废气与放电后的去离子水混合、预氧化后被充分吸收，吸收VOCs的水溶液依靠重力自流进入气-水分离器中进行气/水分离，经水吸收后上升的废气气流进入废气等离子体处理器的放电区进行等离子体氧化处理，同时在放电水的界面被进一步吸收处理。

优选地，所述的净化方法还包括，步骤(4)，处理后的气流再经过在废气等离子体处理器上端安装的除雾回流装置将雾滴拦截、脱出，产生的含有等离子体处理二次污染物的脱雾水与第二管道外层水膜并流后回流到气-水混合器中循环使用。

优选地，所述的气-水混合器中气/水体积比为2～100。

本申请的一种有机废气净化装置及净化方法，在气-水混合器内，VOCs废气与放电后的去离子水混合、预氧化后被充分吸收，以降低气相中VOCs的浓度，避免在放电过程因气相VOCs浓度高引发火灾、爆炸的风险。处理后的气流再经过在废气等离子体处理器上端安装的除雾回流装置将雾滴拦截、脱出，产生的含有等离子体处理二次污染物的脱雾水与第二管道外层水膜并流后回流到气-水混合器中循环使用。这样就实现了充分利用双介质阻挡高压放电产生的未完全利用的臭氧、过氧化氢及其它二次活性产物(如氮氧化物等)对高浓度VOCs废气的安全、高效处理，拓展了以往等离子体技术安全处理废气时的允许进气浓度，同时又能够有效解决等离子体直接处理过程形成的臭氧、氮氧化物及有机副产物排放造成的二次环境污染问题。

附图说明

图1是本申请所述的一种有机废气净化装置的结构示意图；

图2是图1的A-A方向的截面图，

其中：11、引风机；12、引风管；2、气-水混合器；21、废气入口；3、气-水分离器；31、水泵；32、第二管道(接地电极)；4、废气等离子体处理器；41、高压电极；42、第一管道；43、中频高压电源；5、布水器；6、除雾回流装置；7、仪表控制系统；8、水膜层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施，但所举实施例不作为对本申请的限定。

如图1所示，本申请提供了一种有机废气净化装置，所述的净化装置包括气-水混合器2、位于所述的气-水混合器2下侧的并与所述的气-水混合器2相连通的气-水分离器3，所述的气-水混合器2设置有一废气入口21，所述的气-水混合器2的上侧设置有废气等离子体处理器4。

所述的废气等离子体处理器4包括第一管道42、位于第一管道42内的第二管道32、贴于第一管道42外壁上的高压电极41，所述的第一管道42的下端与所述的气-水混合器2相连通，所述的第二管道32的下端与所述的气-水分离器3相连通，所述的第二管道32的上端部设置有一布水器5，所述的布水器5用于使所述的第二管道32内的水分布至第二管道32外壁，在第二管道32的外壁形成向下流动的水膜层，所述的第一管道42和第二管道32之间形成供废气通过的放电区。所述的第一管道42为石英或陶瓷材料制成，所述的第二管道32为不锈钢材料制成，所述的第二管道32为接地电极，所述的高压电极41为紧贴在所述的第一管道42外壁上的不锈钢网。所述的第一管道42的上端部还设置有除雾回流装置6，所述的除雾回流装置6用于除去放电区内废气中的水分，并使废气中的水分流向至所述的第二管道32的外壁。所述的第一管道42的上端部还连通有一引风管12，所述的引风管12上还设置有一引风机11。所述的第二管道32与所述的气-水分离器3的连通管道上还设置有一用于将所述的气-水分离器3中的水输送至所述的第二管道32内的水泵31。所述的净化装置还包括安装在气-水分离器3中的液位传感器、安装在废气等离子体处理器4出风口的气体监测传感器、用于向所述的气-水分离器中补充水的自动补水器。

如图2所示，所述的废气等离子体处理器4还包括一中频高压电源，所述的高压电极41与所述的中频高压电源的高压电极41相接，所述的第二管道32与所述的中频高压电源的接地极相接。

本申请所述的有机废气净化装置的工作原理是：首先利用引风机11及引风管12构成的废气收集与输送系统将生产过程产生的废气输送到气-水混合器2中，按照一定的气/水比将废气中的VOCs溶解在放电后的去离子水中；然后吸收VOCs的水溶液依靠重力自流进入气-水分离器3中进行气/水分离。气-水分离器3中的水溶液用水泵31打入废气等离子体处理器4中的第二管道32中，所述的第二管道32为不锈钢管，作为接地电极。该废气等离子体处理器4以石英管或陶瓷管为高压放电阻挡介质，用60目不锈钢网紧密贴合在该管外层作为高压电极41。进入不锈钢管接地电极的水流从下往上流至其顶端安装的布水器5中折流沿该电极的外壁形成竖直向下的水膜层8，与第一管道42中上升的气流相向进入废气等离子体处理器4的高压放电区进行等离子体氧化处理。处理后的气流再经过在废气等离子体处理器4上端安装的除雾回流装置6将雾滴拦截、脱出，产生的含有等离子体处理二次污染物的脱雾水与不锈钢管接地电极外层水膜并流后回流到气-水混合器2中循环使用。这样就实现了充分利用水膜/石英管双介质阻挡高压放电产生的未完全利用的臭氧、过氧化氢及其它二次活性产物(如氮氧化物等)对高浓度VOCs废气的安全、高效处理，拓展了以往等离子体技术安全处理废气时的允许进气浓度，同时又能够有效解决等离子体直接处理过程形成的臭氧、氮氧化物及有机副产物排放造成的二次环境污染问题。

该有机废气净化装置结构及其具体的操作过程与主要技术参数如下：

根据某VOCs废气的排放流量，选用1台匹配风量、风压的防爆引风机11与用耐腐蚀的PP或PVC材料加工而成的引风管12构成待处理废气的收集、输送与排放系统。并用法兰与废气处理的相关设备、处理尾气与排放烟囱密封连接。采用耐腐蚀、不导电的PP或PVC等材料加工一个满足一定气水比需求尺寸大小的气-水混合器2。气-水混合器2的工作用水为去离子水，用于在放电过程中将VOCs废气在气-水混合器2中预氧化与传质、充分吸收废气中的VOCs组分，以降低气相中VOCs的浓度，避免在放电过程因气相VOCs浓度高引发火灾、爆炸的风险；并促进放电产生等离子体对液相中有机物的深度氧化与降解过程。气-水混合器2的下方为一个与其密封安装的具有适当容积大小的气-水分离器3。在气-水混合器2中充分吸收了废气VOCs的放电水溶液借助重力可顺畅地自流入气-水分离器3中；经放电水吸收后的废气则从气-水混合器2的上方出口直接进入等离子体氧化处理器中。气-水分离器3装有底阀并与循环水泵31相连接。按照气-水比为2～100范围的技术控制要求，水泵31的流量应满足需要。在气-水混合器2的上方竖直安装一台石英管介质阻挡放电废气等离子体处理器4。所述的废气等离子体处理器4包括第一管道42，第一管道42为石英管。废气等离子体处理器4的石英管外壁紧密贴合60目不锈钢网作为高压电极41；高压电极41与一台中频高压电源43的高压电极41相接。沿废气等离子体处理器4石英管轴心安装一个不锈钢管，其与高压电源的接地极相接，作为废气等离子体处理器4的接地电极。在废气等离子体处理器4的不锈钢管接地电极的上端安装一个布水器5；不锈钢管接地电极的下端用管道与气-水分离器3的循环水泵31相连接。在气-水分离器3中吸收了废气的水溶液开启水泵31后可直接打入废气等离子体处理器4的不锈钢管接地电极中，水流从下往上流至顶端布水器5中折流沿该电极的外壁形成垂直下流水膜，与从气-水混合器2中经水吸收后上升的废气气流相向进入废气等离子体处理器4的放电区进行等离子体氧化处理。在废气等离子体处理器4的石英管的内壁放电区上方与布水器5下方之间的区域安装一个向不锈钢管接地电极倾斜55-65°角的除雾回流装置6，用于将处理后废气气流中的雾滴拦截、脱出；产生的脱雾水与不锈钢管接地电极外层水膜并流，回流液流经废气等离子体处理器4的放电区，再进入到气-水混合器2中循环使用。自动补水器与VOCs传感器及仪表控制系统7。这是由液位传感器、VOCs监测传感器的指令与电磁阀相关的控制系统组成。液位传感器安装在气-水分离器3中，用于补水与停止补水的指令发布；在废气等离子体处理器4的出风口安装VOCs、臭氧与氮氧化物监测传感器，实时监测排放气中相关指标的浓度。根据实时监测的VOCs、臭氧与氮氧化物的浓度，优化放电电压及气/水比，以使VOCs废气达标排放，并最大限度的减少高压放电副产物的排放。

有机废气净化装置的运行操作方法：在废气处理之前，按照废气的进气流量，预先开启水泵31至相应的流量，使气/水比在2-100范围；然后开启高压电源并调节其放电电压至废气等离子体处理器4能够稳定放电的工作电压下，让系统稳定运行5min后再开启引风机11。这就构成了一套完整的水膜/石英管双介质阻挡放电等离子体有机废气净化技术与装置。按照尾气排放源高度与该工厂VOCs废气的排放特点(如污染物种类、排放源强等)，及其规定要求达到《大气污染物综合排放标准》(GB16297)中的限值，以VOCs监测传感器为实时控制指令，设置废气处理系统的技术参数，使整个系统处于完全自动化控制状态。用户可根据实际需要，按照优化的气/水比范围设计废气处理系统及选配相关设备，经过参数优化后的水膜/石英管双介质阻挡放电等离子体有机废气净化装置即可满足不同类型的工业有机废气的处理要求。

对比例1

无水直接放电对含二甲苯废气的净化效果分析

对含二甲苯的工业废气，采用该技术及其小试装置进行了放电处理与效果测试实验，小试装置的设计废气处理能力为0.001m³/min。实验结果参加下表1。在无水吸收的情况下，该废气等离子体处理器4能够稳定放电工作的电源电压在40-60V之间，采用该废气等离子体处理器4对进气浓度为400mg/m³的二甲苯废气进行放电处理，出气口二甲苯的浓度均低于排放标准。但出气口的总挥发性有机物TVOC的浓度在电压超过50V后显著上升，并超过总挥发性有机物TVOC的排放标准。同时在所有工作放电电压下，出气口均监测到较高浓度的臭氧及氮氧化物。

表1无水直接放电对含二甲苯废气的净化效果

实施例一

水膜-石英管双介质阻挡高压放电对含二甲苯废气的净化效果分析。

采用该技术及其小试装置在控制气水比的情况下对含高浓度的二甲苯工业废气进行了放电处理与效果测试实验。实验时，高压电源的工作电压控制在50V，二甲苯进气浓度控制为1000mg/m³。实验发现，当有水吸收时，气水比会明显的影响等离子体的处理效果。实验结果参加下表2。在气水比为2，水泵31进水量较大、不锈钢管接地电极外层水膜较厚时，采用水膜-石英管双介质阻挡高压放电等离子体处理技术对高浓度二甲苯废气进行放电处理，经过该废气等离子体处理器4净化后，出气口二甲苯的浓度稍微高于排放标准，但TVOC浓度远低于排放标准。当气水比增大到4以上，直到100的气水比范围，将水泵31进水量减小时，控制水膜的适当厚度，可有效提高废气的处理效果。在2-100的气水比范围，出气口二甲苯的浓度均低于排放标准。同时，在有水吸收、高压放电时，出气口的总挥发性有机物TVOC的浓度均低于二甲苯的浓度,也低于排放标准。虽然在出气口也能够监测到一定浓度的臭氧及氮氧化物，但臭氧及氮氧化物的浓度均比无水吸收时显著的降低。

表2水膜-石英管双介质阻挡高压放电对含二甲苯废气的净化效果(运行6h的平均监测浓度)

实施例二

水膜-石英管双介质阻挡高压放电对含二甲苯废气的长期净化效果分析。

采用该技术及其小试装置在控制气水比的情况下对含高浓度的二甲苯工业废气进行了放电处理与效果测试实验。实验时，高压电源的工作电压控制在50V，二甲苯进气浓度控制为1000mg/m³。实验发现，在适当的气水比下，经过6天长时间运行，该技术系统对二甲苯废气的处理效果比较理想，运行稳定。同时发现，水中的有机物未出现积累现象(水中二甲苯及总有机碳TOC浓度均很低)；水中硝酸盐及亚硝酸盐未出现积累现象(注：虽然循环水中硝酸盐浓度随进气二甲苯浓度的升高而升高，但均维持在50mg/L以内；亚硝酸盐偶有检出，浓度更低)。

实验结果参加下表3。在气水比为4-50的范围，采用水膜-高压放电等离子体处理技术对高浓度二甲苯废气进行6天的放电处理，经过该废气等离子体处理器4净化后，出气口二甲苯的浓度均低于排放标准。出气口的总挥发性有机物TVOC的浓度均低于二甲苯的浓度，且远低于TVOC的排放标准；在出气口检测到较低浓度的臭氧及氮氧化物。同时，水中二甲苯及总有机碳TOC浓度均低于10mg/L；水中的硝酸盐及亚硝酸盐未出现积累现象，硝酸盐在20-40mg/L范围波动，亚硝酸盐偶有检出。

表3水膜-石英管双介质阻挡高压放电对含二甲苯废气的净化效果(运行6d的平均监测浓度)

实施例三

水膜-石英管双介质阻挡高压放电对化工合成车间含苯酚废气的净化效果分析。

采用该技术及其小试装置对化工合成车间含苯酚废气进行了处理试验，实验时，高压电源的工作电压控制在50V。实验结果参加下表4。从表中可以看出，实验期间废气气流中苯酚含量大约在1000mg/m³左右，气水比控制在2-100范围，在设计处理能力范围内系统排放口尾气中的苯酚及TVOC浓度均能够满足排放标准的要求限值。上述实验结果很好的说明了该技术对含较高浓度苯酚的废气也同样具有很好净化效果。

表4.水膜-石英管双介质阻挡高压放电对含苯酚废气的净化效果(气流温度为45℃)

以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。