专利名称：低温等离子体工业废气处理技术的制作方法
技术领域：
本发明属环境保护技术领域，是一种利用低温等离子体处理工业废气的技术。
随着社会工业化程度的不断提高，由工业废气造成的环境污染问题也日益严重。寻求一种切实可行又经济实惠的方法来降解有机污物以及H2S、CS2、SO2、碳氢化合物、氟里昂、哈龙等物质是一项很有意义的工作。在已有的方法中，用焚烧法处理这类物质不太合适，因为氟里昂、哈龙、多环芳烃等物质具有很高的耐热稳定性。使用焚烧法必须将整个体系的温度加热到很高才能破坏它们，这样造成能源的浪费，又会产生比较严重的二次污染，且有腐蚀问题。催化燃烧法对氟里昂、哈龙是不合适的，虽对有机污染有效，但是对大流量、高流速废气的治理，仍存在气阻大、效率低等问题，而且，硫、磷、卤素等易使催化剂中毒，从而使催化剂寿命缩短性能降低。吸附一解吸方法也存在吸附容量、气阻、普适性等问题。
经研究表明，等离子体中存在大量活性粒子，这些粒子可以破坏环境中的难降解物质。如何利用等离子体来处理环境中的有毒及难降解物质是近年来研究的热点，已经有人做了不少工作。例如，Clements J.S等人用脉冲电晕放电产生常压等离子体对降解NO、SO2进行研究(Clements J.S.et.al.IEEE Trans.Ind.Appl.1989，25(1)62)，他们在有2.6％H2O存在的条件下，起始浓度为1000ppm的SO2在放电5.2S后90％被去除。Li Jing等人用介质隔阻放电(即简称DBD)技术产生非平衡等离子体处理模拟烟道废气(IEEE Trans.Plasma Sci.1995，23(4)672)，他们得出去除每kgSO2需耗电75KWh。Chang M.B等人用DBD放电的方法降解了甲醛等易挥发性有机物(Environ.Sci.Technol.，1995，29181)，他们得出HCHO的起始浓度为100ppmv在19KV的电压下可获得97％的解离率。也有人用同样方法降解了HCHO和苯酚。我国也有在这方面进行过不少研究。但是，目前的这些研究工作均未达到工业实用化阶段，其主要问题如下1.大多数研究工作要在低压下进行，不能在大气(常温常压)中进行；2.不能产生高功率大体积等离子区域，无实用价值；3.不能在高速流动态进行，也就不能用于实际的体系；4.没有高效的电源转换系统，能量利用率低，缺乏经济价值。
本发明的目的在于提供一种能在常压下(大气)处理流动状态废气的高功率低温等离子体装置。
本发明设计的低温等离子体废气处理装置，由低温等离子体放电管、电源及相应的外壳中框、上接口和下接口以及分气管等组成，结构如图1和图2所示。其中等离子体放电管4数量为1～100个，并行排列于外壳中框1内。从原理上说，可以并联更多放电管。上接口2和下接口3为喇叭状，上(大)口分别与中框1两侧固定连接，下(小)口分别与进气管和排气管连接，分气管5设置于中框前两侧。分气管与放电管的内管连通，以便给予通水或通气。中框侧面开有观察窗6。其放电管4排列从横截面看，可以方形排列，如图3所示。也可以成园形排列，如图4所示。也可以成其他形状的排列。
本发明的低温等离子体放电管由同轴的外管和内管构成，内、外管之间有通气空间。其单只结构如图6所示。外电极20以螺旋状形式缠绕于外管18外侧，内电极21置于内管19里面，内、外管一般采用石英或陶瓷等绝缘材料制作而成，其长度一般为100～500mm，壁厚2-3mm，外管的内径一般为20mm～100mm，内管外径一般为10～30mm。内、外电极材料可采用不锈钢或镍等金属材料。内管19可由上、下支架的形式将其固定。上、下支架平面形状可以为三叉形，如图7所示，不影响废气通入外管内。内管与分气管5连通，可以通气或水，即对内电极进行水冷或气冷。放电管两端通过螺钉固定于中框壁架上。
本发明的电源由对称方波发生器和高压发生器两部分构成，如图5所示。其中对称方波发生器7由振荡器9、双稳态分频器10、缓冲器11和脉冲变压器12经电路连接构成，用以产生高度对称的方波。电阻Rx和电溶Cx用于变换频率。高压发生电路8由调压变压器13、整流电路14、滤波电路15、高压驱动电路16和高压变压器17经电路连接构成。其中的高压驱动电路16由两组功率驱动模块A1和A2以及相应的驱动器组成，每个功率驱动模块由一组NPN型大功率管并联而成，或者由VMOS管(场效应管)并联而成，也可由IGPT元件组成。方波发生器7的脉冲变压器12的输出端分别与两功率驱动模块的驱动器连接，高压发生器8的高压变压器17的输出端分别与放电管4的内电极和外电极连接。多个放电管在气路方面并联后，可以使用一个电源。这时电源功率要求相当大。也可以由一个放电管配备一个电源，即多个电放管可设置相应多个电源。这时，对单只电源来说，可以功率小一些。功率驱动模块中并联的NPN大功率管或VMOS管的数量，根据所需功率的大小确定。对于单只电源的功率可达500瓦以上。
本发明中在等离子体放电管的内、外电极施加的是高度对称的连续方波的交流高压电源，而不是通常的脉冲高压电源。而且该方波频率根据所需的等离子体情况在5KC～80KC范围内连续可调，方波的电压在3KV～30KV范围连续可调。
上述电源的方波也可以改用正弦波。
为了降低装置在工作状态产生的高温，在中框1两侧可附设排风扇装置。
本装置的工作原理如下本装置采用的是一种高气压的非平衡放电，这种放电产生于两个电极之间，其中至少一个电极上面覆盖一层电介质。当接上电源后，产生的方波高电压加在内、外电板上，电极之间的气体在高电压交变电场作用下放电而产生低温等离子体，在低温等离子体区域，存在大量平均能量在5ev左右的电子，电子轰击H2S、CS2等，使H2S或CS2转变成各种活性粒子，如H-、S、HS+等等。而H-与空气中O2结合成H2O，HS+与O2也可产生H2O和S或SO2等等，达到了去除H2S、CS2的效果。又如，电子轰击CF2clBr后，产生CF2、Cl、Br、CF2clBr+、CF2Cl+等活性粒子，这些粒子与空气中O2作用，产生COF2、Br2、Cl2等气体，达到去除CF2ClBr的效果。
本发明设计的等离子体废气处理装置具有如下一些特点可以在常温常压下处理废气；可以在废气流速达15米/秒的状态下工作；由于获得大体积等离子体区域，可以高速大量处理废气，每小时可处理2000m3以上；能源利用率高，为7W/m3·h左右；处理废气范围广，不但适用于H2S、CS2等废气的处理，还可用于烃类、SO2、芳香烃类、多环芳香烃、氟里昂、哈龙等废物的处理。另外，还可与催化剂协同，降解其他有机污染物。因此，本装置已达到等离子体处理废气的工业实用化要求，具有广泛的应用前景。
图1为本发明设计的废气处理装置正面图。
图2为本发明设计的废气处理装置侧面图。
图3为废气处理装置中框内放电管排列图示(方形)。
图4为废气处理装置中框内放电管排列图示(园形)。
图5为废气处理装置电源原理图。
图6为废气处理装置中低温等离子体放电管结构图。
图7为废气处理装置中低温等离子体放电管支架图示。
其中1为装置的中框，2为与中框连接的喇叭形上接口，3为下接口，4为低温等离子放电管，5为分气管，6为中框上的观察窗，7为电源的方波发生器，8为电源的高压发生器，9为方波发生器的振荡器，10为分频器，11为缓冲器，12为脉冲变压器，13为调压变压器，14为整流器，15为滤波器，16为高压驱动电路，17为高压变压器，18为放电管外管，19为内管，20为外电极，21为内电极，22为放电管的上支架，23为放电管下支架。
实施例。如附图所示，本装置的中框1纵向(放电管轴向)长度410mm，宽度690mm，高度400mm。侧面开有观察窗6，上、下接口高度(轴向)分别为530mm，上口(大口)分别与中框两端口用螺钉连接。等离子体放电管长度300mm，外管18、内管19采用石英玻璃材料，外管内经40mm，内管外径10mm，外电极20采用不锈钢材料，以螺旋状缠绕于外管外侧面上。内电极21为管状，穿过内管。内管通过上、下支架22和23与外管同轴固定。放电管共10支，并排一列固定于中框1内。内管通气即采用气冷方式。电源中的振荡器9、双稳态分频器10、缓冲器11、脉冲变压器12、调压变压器13、整流器14、滤波器15等采用通常的电子线路，2个功率驱动模块A1和A2采用IGPT大功率模块，每个模块用1只管子，每只管子功率为200瓦，并联。产生的连续方波频率为5KC～80KC连续可调，电压在3KV～30KV范围连续可调，共用10个电源，即每个放电管使用一个电源。
上述设计的低温等离子废气处理装置，可在大气状态工作，每小时可处理废气400m3，并可对多种废气均适用，例如H2S、CS2等。对H2S降解率为50％～85％(在流速为9.5m/秒条件下，H2S的起始浓度为70mg/m3～550mg/m3)。
权利要求
1.一种低温等离子体工业废气处理装置，由低温等离子体放电管、电源及相应的外壳中框、上接口和下接口、分气管组成，其特征在于低温等离子放电管有1～100个并行排列外壳中框内，上、下接口呈喇叭形，其大口分别与中框的两侧固定连接，其小口分别与进气管和排气管连接，分气管设置于中框两侧，并与放电管的内管连通。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于上述的放电管由同轴安装的外管和内管构成，外电极以螺旋状形式缠绕于外壳外侧面，内电极置于内管里面，外管长度为100～500mm，内径为20～100mm，内管外径为10～30mm。
3.根据权利要求1或2所述的低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于电源由对称方波发生器和高压发生器构成，其中对称方波发生器由振荡器、双稳态分频器、缓冲器、脉冲变压器经电路连接构成，高压发生器由调压变压器、整流电路、滤波电路、高压驱动电路和高压变压器经电路连接构成，其高压驱动电路由两组功率驱动模块和相应的驱动器组成，脉冲变压器的输出端分别与两个功率驱动模块的驱动器连接，高压变压器的输出端分别与等离子体放电管的内、外电极连接。
4.根据权利要求3所述的低温等离子体工业废气处理装置，其特征在于电源输出的连续方波的频率在5KC～80KC范围连续可调，电压在3KV-30KV范围连续可调。
全文摘要
本发明属环保技术领域,是一种利用低温等离子体处理工业废气的装置。它由多个并联的低温等离子体放电管和电源及外壳等构成。放电管采用内、外管结构形式,外电极以螺旋状缠绕于外管外侧,内电极设置于内管里面。电源输出连续方波,其频率在5KC～80KC范围、电压在3KV—30KV范围连续可调。本装置可在常压常温、废气流速高达15米/秒状态下工作,可高效、大量处理废气,且处理废气的范围广,达到工业实用化要求,具有广泛应用前景。
文档编号B01D53/34GK1185988SQ9710674
公开日1998年7月1日 申请日期1997年11月28日 优先权日1997年11月28日
发明者侯惠奇, 刘先年, 潘循晳, 张振满 申请人:复旦大学