阵列式等离子体‑催化剂协同作用的废气处理装置的制作方法

本实用新型属于环保技术领域，具体涉及阵列式等离子体-催化剂协同作用的废气处理装置。

背景技术：

经济建设带来的大气污染问题已成为最严重的环境问题之一，工业废气中含有挥发性有机化合物（volatile organic compounds,简称VOCs）、二氧化硫、氮氧化物等诸多有毒有害性气体，不但严重危害人体生命健康，而且对地球生态环境有着巨大的危害。传统的废气处理技术如焚烧法、吸附法、冷凝法等，存在着净化效率低、投入成本高、易产生二次污染等弊端，难以满足现代工业社会的需求。

等离子体是由离子、电子、中性粒子组成的整体呈电中性的物质集合，是不同于固体、液体、气体的物质第四态，其中非热力学平衡等离子体在宏观上的温度接近常温，被称为低温等离子体，广泛应用于材料、电子等领域，并在环保领域备受关注。利用介质阻挡放电技术能在大气压下产生大面积的低温等离子体，等离子体中存在着大量的高能电子，与废气中的背景气体分子发生非弹性碰撞，通过能量传递产生种类繁多的激发态物种、正负离子、自由基等活性粒子，其中臭氧、激发态氧原子、羟基自由基等组分则有着很强的氧化性，能将废气中的有毒有害成分氧化降解，转化成无毒无害或是低毒低害的物质。介质阻挡放电处理废气可在常温常压下进行，运行方便、操作简单、处理效率高且二次污染小，有着广阔的应用前景。

低温等离子体技术处理废气存在能耗较高、易产生多种副产物的缺陷，为了解决这一问题，等离子体-催化协同技术成为了研究热点。利用等离子体高反应活性的优点，结合活性催化剂，在室温下即可显著提高废气降解的能量效率，减少副产物的生成，提高有毒有害气体的转化率和矿化率。传统的催化剂填充方式分为一段式和二段式：一段式是将催化剂置于等离子体反应器内部，这种结构可以充分利用等离子体中产生的短寿命活性物质，对废气分子进行催化氧化，缺点是催化剂长时间置于等离子体中可能会遭到破坏；二段式是将催化剂置于等离子体反应器之后，这种结构可以防止催化剂结构被等离子体破坏，缺点是只有长寿命的活性物质才可到达催化剂层，且催化剂吸附饱和后需要再生或更换。

现有的介质阻挡放电装置通常存在形状受限制、处理气体量少、电极难以更换等不足，难以满足不同种类、浓度和空速的废气治理需求，后期维护困难，这些因素都限制了等离子体装置在工业废气治理领域的广泛应用。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种等离子体-催化协同作用的工业废气处理装置，目的在于解决等离子体发生器处理气量小、难以维护，以及传统催化剂填充方式难以与等离子体有效结合的问题。

本实用新型提出的等离子体-催化协同作用的工业废气处理装置，其构成如图1和图2所示，包括：脉冲电源、金属电极、绝缘介质管、催化剂模块及壳体；其中，一根金属电极插在一个绝缘介质管中，作为等离子体发生电极，绝缘介质管呈柱状的长条型，一端封闭，另一端开口以引出金属电极；绝缘介质管以几何阵列的形式排列，且同一列中绝缘介质管的端封闭和开口端方向相间排列，一个方向引出的金属电极接脉冲电源的高压输出，成为高压电极，另一方向引出的金属电极接大地，成为地电极；这样使等离子体发生电极以几何阵列的形式排列，同一列电极中高压电极与地电极相间排布（即交叉分布），当电源输出电压达到击穿电压时，相邻的高压电极与地电极之间将产生等离子体；催化剂模块插在相邻两列等离子体发生电极之间，与等离子体协同处理有害气体；整个电极阵列安装在壳体内。

本实用新型中，为防止高压电极与壳体之间打火，在绝缘介质管封闭端留出一段1-2cm长的真空区域或是介质层，其余部分填充金属电极；同一列等离子体发生电极中，交叉排列的高压电极与地电极之间间距与脉冲电源输出电压相匹配，可在1-10mm间进行调节。

本实用新型中，所述绝缘介质管的尺寸可根据实际情况调节，例如，外径为2-5mm，内径为1-3mm，长度80mm -300mm。

本实用新型中，所述绝缘介质管为耐高压非极性绝缘材料，可选石英玻璃、陶瓷（如氧化铝、氧化锆、氮化硅）、环氧树脂、聚四氟乙烯等，以石英玻璃、陶瓷为佳；所述金属电极为导电性良好的金属材料，可选金、银、铜、铁、铝、锌、钨、铂、钯、铱、不锈钢等，可以是金属棒、金属粉末，若是金属粉末则在填充入绝缘介质管后需引出一根导线，与外界电源相连。

本实用新型中，所述高压电极与地电极从相对的两个侧面分别引出并通过金属板（金属条）连接在一起，使得高压电极与地电极各自保持电势相等；所述等离子体发生电极与壳体、金属板（金属条）之间通过螺丝、卡扣等可拆卸部件相连接，方便更换电极。

本实用新型中，所述装置壳体为易加工抗腐蚀绝缘材料，可以是有机玻璃、聚四氟乙烯、环氧等。

本实用新型中，所述等离子体发生电极的长度、每列电极的根数、同列电极之间距离以及电极的列数均可调节。当废气空速一定时，改变电极长度、每列电极根数或同列电极之间距离可改变产生的等离子体的横截面积，从而改变废气的停留时间；改变电极列数则可改变废气流动方向上的等离子体区域长度，同样可改变废气的停留时间。因此，对于确定的某一工业废气，在保证足够的停留时间使其达到所需的降解效果时，可以通过增加等离子体发生电极的长度、每列电极的根数、同列电极之间距离以及电极的列数来增大废气空速，增加装置处理气体的气量。

本实用新型中，相邻两列等离子体发生电极之间距离可调。催化剂的一段式填充方式可能会使催化剂结构遭破坏，二段式填充方式会减弱活性粒子与催化剂的协同作用，将催化剂填充在相邻两列电极之间则既可避免催化剂结构遭破坏，又可使催化剂紧靠等离子体放电区域，使得等离子体放电产生的活性粒子与催化剂充分接触，产生协同作用。通过改变相邻两列电极之间距离可调节等离子体放电区域与催化剂模块之间的距离，从而经过系列实验来找到催化剂最适宜的填充位，提高系统效能。

本实用新型中，所述脉冲电源施加于等离子体发生电极上产生的脉冲电压为1-100kV，频率为0-10kHz。相比于传统的交流电源，脉冲电源功率更小、放电气体温度更低、产生的活性粒子种类更多、臭氧量更大，处理废气的效果更好、成本更低。

本实用新型中，催化剂模块可以压制成片的形式直接插入等离子体阵列之间，也可以用耐压、耐温、耐腐蚀材料（聚四氟乙烯）所制成的网状盒子，将催化剂填充在盒中；填充型催化剂可以是粉末状、颗粒状、块状等。网状盒子，以让废气气体通过。聚四氟乙烯有着良好的电绝缘性、抗腐蚀性、抗老化与抗高温耐力，对人体无毒，是良好的封装材料。

本实用新型中，气体源可以是混合了工业废气的空气、氦气、氩气、氮气等，气体压力、温度、湿度、流速等在一定范围内可根据要求做不同选择。

本实用新型可以产生大面积的等离子体，可通过调节等离子体发生电极的长度、数量、间距来满足不同种类、浓度与空速的工业废气处理需求；电极可拆卸，维护方便；催化剂与等离子体放电区域交替分布，弥补了催化剂一段式、二段式填充方式的不足，能充分发挥出等离子体-催化剂的协同作用；使用脉冲电源作为等离子体发生源，可产生接近室温的等离子体，能量效率高、运行成本低。

附图说明

图1为本实用新型原理结构的俯视图。

图2为本实用新型原理结构的左视图。

具体实施方式

图1、图2分别为本实用新型原理结构的俯视图、左视图，包括高压电极1、地电极2、绝缘介质管3、高压金属板4、接地金属板5、催化剂模块6和脉冲电源7。本实施例中等离子体发生电极有3列×6行共18根，所有高压电极1与高压金属板4通过接线柱相连，高压金属板与脉冲电源7的高压输出相连；所有地电极2与接地金属板4通过接线柱相连，并与大地相连；高压电极1与地电极2置于绝缘介质管3中，分别组成一根等离子体发生电极；催化剂模块6置于相邻的两列等离子体发生电极之间。

工业废气流动方向如图1中风向所示，废气交替通过等离子体放电区域和催化剂模块。等离子体放电区域中有大量的高能电子和强氧化性活性粒子，与废气中的有害气体分子产生碰撞、裂解、氧化等物理化学反应，未被彻底转化成无害物质的废气再进入后续的催化剂模块，经过吸附、催化氧化，大大提高有害气体的转化率，如是经过多层放电区域与催化剂模块，使得废气被彻底净化，达到排放标准。

本实施例装置中，高压电极1、地电极2为铜棒，长220mm，外径2mm；绝缘介质管3为石英玻璃管，长200mm，外径4mm，内径2mm，电极插入介质管中在顶端留有10mm空隙，对高压尖端起到绝缘保护的作用。

上述装置中，同列电极间气隙间隔为4mm，相邻两列电极之间气隙间隔20mm，选用分子筛为催化剂，填充在聚四氟乙烯制成的长方体网盒中，插入相邻电极之间。

上述装置中，脉冲电源7为高频高压单极性脉冲电源，频率0~10kHz可调，电压0~30kV可调。

选用浓度200ppm、空速10L/min的二甲苯模拟废气作为实验样品气体，在25℃室温环境下，通过调节脉冲电源输出电压与催化剂的填充量，可使二甲苯的转化率达到95%以上，二氧化碳选择性在60%以上。

对于实际废气，催化剂的种类、填量须视情况而定。对于低浓度、小气量的易处理气体，可不添加催化剂模块，仅用等离子体进行处理；对于高浓度、大气量的工业废气，依次添加催化剂，探究处理结果达标所需的催化剂量，以降低装置成本。

在实际应用中，等离子体发生电极的列数、行数及长度根据实际情况可大幅改变，以满足不同种类、浓度、空速的工业废气治理需求；电极间行距可在适当范围内调节，与脉冲电源相匹配；电极间列距、催化剂模块层数、催化剂模块与电极间距离应根据实际情况决定，使系统的效率达到最高。