一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理设备及方法与流程

1.本发明涉及废水废气处理领域，具体涉及一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理设备及方法。


背景技术：

2.挥发性有机物(vocs)是大气污染物的重要来源。大量vocs排入大气，与nox、sox、o3等发生复杂的物理化学反应，导致雾霾的产生，给人体健康带来严重危害。
3.低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质的第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体催化氧化内部产生富含极高化学活性的粒子，如高能电子、离子、自由基和激发态分子等。废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为co2和h20等物质，从而达到净化废气的目的。
4.但现有低温等离子体催化氧化有机废气处理工艺及设备效率低，不能满足目前市场的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的需求，本发明提供一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理设备及方法。
6.一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理方法，将废气通过气体分布器后依次经若干个氧化催化单元后排出，其中，每个催化氧化单元均包括电极元件、催化氧化元件及位于电极元件和催化氧化元件之间的温度传感器，并在相邻的两个催化氧化单元之间均设置有水冷系统，所述废气经过每级催化氧化单元和水冷系统时的处理步骤为：步骤1：电极元件通过其产生的等离子体对废气中的污染分子进行激发、断键反应和氧化反应，得到一级反应气体；步骤2：使所述一级反应气体与反应所产生的热量富集后保持在100
°
c-120
°
c，并直接与催化氧化元件接触进行进一步催化氧化，得到再次产生温升和催化氧化后的二级反应气体；步骤3：将所述二级反应气体通过水冷系统进行降温，并使降温后的温度保持在100
°
c-120
°
c范围内，（保障设备安全），得到处理气体；步骤4：将所述处理气体直接通入下一个催化氧化单元内或排出。
7.进一步：当废气中的污染分子浓度达到一定阈值时，在废气中混入空气后再通入所述分布器。
8.进一步：所述废气和空气混合时，根据废气成分中的物质含量（实际检测数据）和根据空气中含氧量进行配比，令废气中所有物质的化学键都被打开时有足够的氧离子参与化学反应。
9.进一步：所述电极元件采用高效等离子发生器，所述高效等离子发生器为高频40khz和高压15kv的介质阻挡放电，所述高效等离子发生器内的电极平行设置且两电极之间的间隙为2mm-5mm，既节能又高效。
10.进一步：所述催化氧化元件包括不锈钢烧结网构成的立体容置腔及在所述立体容置腔内填充以活性碳和或氧化铝为载体的催化剂，使反应后的混合气体从立体容置腔一侧的不锈钢烧结网侧壁进入立体容置腔，而后从而立体容置腔另一侧的不锈钢烧结网侧壁排出容置腔。利用高效活性碳和金属氧化物作为活性催化材料，并采用立体构架技术，在高温条件下提高微孔数量和分布均匀度，获得更高的比表面积和活性表面，具有特殊的化学结构和晶体结构，可以在常温常压下，与氧化剂进行电子耦合，从而生成较为稳定的羟基自由基团（-oh）或者过氧化物自由基团（-oor）。这些自由基团具有非常强的氧化性能，可以在等离子体条件下与有机物发生反应，反应中生成的有机自由基可以继续参加-oh的链式反应，或者通过生成有机过氧化物自由基后，进一步发生氧化分解反应直至降解为最终产物co2和h2o，从而达到了氧化分解有机物的目的。
11.一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理设备，包括具有柱状反应腔的壳体，在所述壳体的上部设置有与所述反应腔相连通的排出口，所述壳体的下部设置有进气口，在所述反应腔的底部设置有气体分布器，所述进气口的内端与所述气体分布器相连通，所述进气口的外端与补气通道、废气通道相连通；在所述反应腔内位于所述气体分布器上方的位置从下至上依次设置的若干级催化氧化单元，在相邻的两个催化氧化单元之间均设置有水冷系统，所述催化氧化单元包括从下至上依次设置的电极元件、温度传感器和催化氧化元件，所述电极元件为高效等离子发生器，所述高效等离子发生器内的电极平行设置且为介质阻挡放电结构，所述高效等离子发生器内电极之间的间隙为2mm-5mm，所述间隙中的气体流向为竖向；所述催化氧化元件包括不锈钢烧结网构成的立体容置腔及在所述立体容置腔内填充的活性碳和或氧化铝为载体的催化剂。
12.进一步为：所述水冷系统包括板式换热器或管式换热器，所述板式换热器或管式换热器布置在所述反应腔的横截面内。
13.进一步：所述立体容置腔的纵截面为u形结构，所述立体容置腔内侧侧壁在u形结构的开口处形成出气口，所述催化氧化元件可拆卸固定连接在分布板的下方，所述出气口与所述分布板上均匀分布的通孔相连通，所述分布板水平设置且其边沿与所述反应腔的内壁固定且密封连接。催化剂以立体结构制作，既方便再生又可以降低流阻，提升催化氧化效果。
14.进一步：所述电极元件的电极组插接在所述反应腔内。
15.进一步：在所述壳体的底部设置有与所述反应腔底部相连通的排液通道，用于定期排出废气带入反应腔内的废液。
16.本发明的有益效果：通过高效等离子发生器介质阻挡放电，并将电极设置为平行结构，无火花产生，混合气体经过2-5mm的电极间隙，既节能又高效的，废气不会与电极接触，不会发生腐蚀问题。通过多个催化氧化单元对废气进行催化氧化，处理废气量大且在20-20000m
³
/h范围内可任意设计，处理充分且高效；低温等离子体形成的放电与催化元件的催化过程协同作用，可以充分利用催化氧化及电离放电产生的热量提高催化效果，并通过水冷系统控制系统温度，保障设备安全。在废气进口处补入空气，保证有足够的氧气参与
氧化，避免反应不彻底而出现冒烟、碳化现象。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；图2为图1中a区域的结构放大图；图3为图1中b区域的结构放大图；图4为图1中c区域的结构放大图。
18.图中，1、壳体；11、排出口；12、进气口；121、废气通道；122、补气通道；123、鼓风机；124、流量计；2、气体分布器；21、排液通道；3、催化氧化单元；31、电极元件；32、温度传感器；33、催化氧化元件；331、不锈钢烧结网；332、催化剂；333、分布板；4、水冷系统。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
20.一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理方法，如图1、图2和图3所示，将废气通过气体分布器2后依次经若干个氧化催化单元3后排出，其中，每个催化氧化单元3均包括电极元件31、催化氧化元件33及位于电极元件31和催化氧化元件33之间的温度传感器32，并在相邻的两个催化氧化单元3之间均设置有水冷系统4，所述废气经过每级催化氧化单元3和水冷系统4时的处理步骤为：步骤1：电极元件31通过其产生的等离子体对废气中的污染分子进行激发、断键反应和氧化反应，得到一级反应气体；步骤2：使所述一级反应气体与反应所产生的热量富集后保持在100
°
c-120
°
c，并直接与催化氧化元件33接触进行进一步催化氧化，得到再次产生温升和催化氧化后的二级反应气体；步骤3：将所述二级反应气体通过水冷系统4进行降温，并使降温后的温度保持在100
°
c-120
°
c范围内，得到处理气体；步骤4：将所述处理气体直接通入下一个催化氧化单元3内或排出。
21.其中，废气和空气参与的化学反应过程如下：过程一：高能电子的直接轰击, 激发态分子，断链；过程二：o原子或臭氧的氧化o2+e
‑‑
2o-；过程三：oh自由基的氧化h2o+e
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oh+h h2o+o
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2oh h+o2
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oh+o；过程四：分子破片+氧化的反应；过程五：催化氧化，生成co2、h2o；其中，当废气中的污染分子浓度达到一定阈值时，在废气中混入空气后再通入所述分布器，所述废气和空气混合时，根据废气成分中的物质含量和根据空气中含氧量进行配比，令废气中所有物质的化学键都被打开时有足够的氧离子参与化学反应。所述电极元
件采用高效等离子发生器，所述高效等离子发生器为高频40khz和高压15kv的介质阻挡放电，所述高效等离子发生器内的电极平行设置且两电极之间的间隙为2mm-5mm，既节能又高效。高效等离子技术主要是依靠高能电子轰击、氧原子和羟基氧化去除污染物分子的，该过程反应极快，启动和关停都十分迅速，随用随开，可以节省大量的时间和能源。
22.所述催化氧化元件包括不锈钢烧结网构成的立体容置腔及在所述立体容置腔内填充活性碳和或氧化铝为载体的催化剂，使反应后的混合气体从立体容置腔一侧的不锈钢烧结网侧壁进入立体容置腔，而后从而立体容置腔另一侧的不锈钢烧结网侧壁排出容置腔。利用高效活性碳和金属氧化物作为活性催化材料，并采用立体构架技术，在高温条件下提高微孔数量和分布均匀度，获得更高的比表面积和活性表面，具有特殊的化学结构和晶体结构，可以在常温常压下，与氧化剂进行电子耦合，从而生成较为稳定的羟基自由基团（-oh）或者过氧化物自由基团（-oor）。这些自由基团具有非常强的氧化性能，可以在等离子体条件下与有机物发生反应，反应中生成的有机自由基可以继续参加-oh的链式反应，或者通过生成有机过氧化物自由基后，进一步发生氧化分解反应直至降解为最终产物co2和h2o，从而达到了氧化分解有机物的目的。
23.一种高效低温等离子体催化氧化有机废气处理设备，如图1所示，包括具有柱状反应腔的壳体1，在所述壳体1的上部设置有与所述反应腔相连通的排出口11，所述壳体1的下部设置有进气口12，在所述反应腔的底部设置有气体分布器2，所述进气口12的内端与所述气体分布器2相连通，所述进气口12的外端与补气通道122、废气通道121相连通，在废气通道121上设置有流量计124，在所述补气通道122的外端端口上设置有鼓风机123，根据流量计124测得的不同流量的废气，通过控制鼓风机123补入不同量的控制，保证足够的氧气参与废气的氧化；在所述反应腔内位于所述气体分布器2上方的位置从下至上依次设置的若干级催化氧化单元3，在相邻的两个催化氧化单元2之间均设置有水冷系统4，所述催化氧化单元3包括从下至上依次设置的电极元件31、温度传感器32和催化氧化元件33，所述电极元件31为高效等离子发生器，所述高效等离子发生器内的电极平行设置且为介质阻挡放电结构，所述高效等离子发生器内电极之间的间隙为2mm-5mm，所述间隙竖向设置；所述催化氧化元件33包括不锈钢烧结网331构成的立体容置腔及在所述立体容置腔内填充以活性碳和或氧化铝为载体的催化剂332。
24.其中，所述水冷系统4包括板式换热器或管式换热器，所述板式换热器或管式换热器布置在所述反应腔的横截面内。所述立体容置腔的纵截面为u形结构，所述立体容置腔内侧侧壁在u形结构的开口处形成出气口，所述催化氧化元件33可拆卸固定连接在分布板333的下方，所述出气口与所述分布板333上均匀分布的通孔相连通，所述分布板333水平设置且其边沿与所述反应腔的内壁固定且密封连接。所述电极元件31的电极组插接在所述反应腔内，在所述壳体1的底部设置有与所述反应腔底部相连通的排液通道21，用于定期排出废气带入反应腔内的废液。
25.另外，控制系统可根据流量计检测的废气流量，控制各级催化氧化单元的启停，保证处理效果的同时节能降耗，可通过现场控制或远程监控制操控设备。控制系统按照工艺程序，设定自控、远控、中控及现场控制，设备不需要专人值守。
26.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原
理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。