CN101306310B - 用射流和红外谐振分解废气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用射流和红外谐振分解废气的装置及方法。本发明所述装置包括：进气口，废气通过该进气口流入；金属腔，用于接收经进气口进入的废气；排气口，供处理后的废气流出；以及至少一条回流循环气管，其一端设置在所述金属腔与所述排气口之间，另一端连接到所述金属腔上设有的气孔；其中，所述的进气口内装有射流管，该射流管***所述的金属腔内；所述的金属腔内装有接收腔，接收经所述射流管喷射进入的废气并产生负压效应；所述的排气口内装有***，以阻挡废气从排气口过快排出并起消声作用；所述金属腔的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω。本发明对废气的分解速度快，处理效率高，处理量大，成本低。

Description

用射流和红外谐振分解废气的装置及方法

技术领域

本发明涉及废气处理领域，尤其是涉及一种用射流和红外谐振分解废气的装置及方法。 

背景技术

目前，工业废气、汽车废气等对全球环境的污染日益严重，节能降排成为当今时代保护环境的重要课题，也是人类社会得以持续发展的重要保障。对于废气处理问题，国内外常用的是热催化方法、光催化方法，21世纪初又开创了微生物降解的方法、超声强化高效氧化降解的方法等。但是，这些方法所能处理的污染物的量远小于污染物的排放量或产生量，其处理污染物的速度也远小于污染物产生的速度，其处理成本也很高。因此，仍有待研究和开发废气处理量更大、处理效率更高、处理成本更低的新装置和新方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用射流和红外谐振分解废气的装置，该装置的设计原理新颖，对废气的分解速度快，处理效率更高，处理量更大，应用成本更低。 

本发明所述的用射流和红外谐振分解废气的装置，包括：进气口，加压至P≥0.5Mpa和加温至T≥500℃的废气通过该进气口流入；金属腔，用于接收经进气口进入的废气；排气口，供处理后的废气流出；以及至少一条回流循环气管，其一端设置在所述金属腔与所述排气口之间，另一端连接到所述金属腔上设有的气孔；其中，所述的进气口内装有射流管，该射流管***所述的金属腔内；所述的金属腔内装有接收腔，接收经所述射流管喷射进入的废气并产生负压效应；所述的排气口内装有***，以阻挡废气从排气口过快排出并起消声作用；所述金属腔的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω。 

本发明还提供了一种用射流和红外谐振分解废气的方法。 

本发明所述的一种用射流和红外谐振分解废气的方法，包括以下步骤： 

A.将待处理的废气加压至P≥0.5Mpa，并加热至T≥500℃； 

B.将上述废气从进气口通过射流管进入一金属腔，产生负压效应，金属腔壁受到废气的热激发而辐射红外波，所述金属腔的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω； 

C.上述废气流向排气口时，在***处受阻，在射流负压引导下进入回流循环气管，通过该管回流到所述金属腔，与喷射进入所述金属腔的废气射流撞击而形成紊流，该紊流冲击受激谐振的废气分子使其单向分解。 

本发明所述的用射流和红外谐振分解废气的装置及方法，是基于以下原理来设计的： 

第一是射流负压效应，本装置利用流体喷射原理在金属腔内获得真空，在该装置中，有不同压力的两股流体；压力较高的一股称为工作流体，它以很高的速度从喷嘴射出进入喷射器的接收腔，并在接收腔把压力较低的流体介质吸走，被吸走的流体叫做引射流体，这两股流体相互混合，伴随着能量交换，以形成一股具有新的压力的混合流体。 

第二是红外辐射激发和红外谐振分解废气分子的原理，它决定了红外谐振腔设计、工作流体和引射流体的循环作用，金属腔壁材质固有频率ω和废气分子固有频率ω0的匹配共振，使振动能超过分子束缚键能，从而实现废气分子的分解，在循环冲击中增大了分解的概率，降低了气体分子分解后复合的可能性。 

因此，本发明利用废气自身所形成的射流，不但产生负压，而且引发气流循环，该高温射流还引发红外辐射，是红外谐振之源。具体而言，将具有一定压力和温度(例如P≥0.5Mpa和T≥500℃)的废气，或将废气加压至P≥0.5Mpa及加温至T≥500℃，然后通过射流装置喷射进金属腔内产生负压效应，腔壁受500℃以上的热激发，辐射红外波，设计腔材热辐射红外波谱ω与腔内废气分子固有频谱ωo匹配，便可以实现谐振激发状态，受激废气在腔内负压推动下形成循环回流，又与入射的射流碰撞，出现紊流循环冲击，破坏激发态松驰结合的分子键能，把废气分子分解且不可能逆向复合，从而大量分解废气，变成无害的气体或者单质排出。 

因此，本发明所述的用射流和红外谐振分解废气的装置及方法，对于废气的分解速度快，处理效率更高，处理量更大，应用成本更低。 

本发明所述的装置及方法可用于分解工业废气，例如安装在工业锅炉的废气出口，也可用于分解汽车尾气，例如安装在汽车尾气出口，还可以单独用于废气的集中处理。 

附图说明

图1为本发明所述的用射流和红外谐振分解废气的装置的示意图，图中箭头所示为废气流动的方向。 

具体实施方式

本发明所述的用射流和红外谐振分解废气的装置，如图1所示，包括：进气口1，加压至P≥0.5Mpa和加温至T≥500℃的废气通过该进气口1流入；金属腔2，用于接收经进气口1进入的废气；排气口3，供处理后的废气流出；以及至少一条回流循环气管4(图中显示为两条，分别为bCD回流循环气管和bHE回流循环气管)，其一端设置在所述金属腔2与所述排气口3之间，另一端连接到所述金属腔2上设有的气孔；其中，所述的进气口1内装有射流管5，该射流管5***所述的金属腔2内；所述的金属腔2内装有接收腔6，接收经所述射流管5喷射进入的废气并产生负压效应；所述的排气口3内装有***7，以阻挡废气从排气口3过快排出并起消声作用；所述金属腔2的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω。 

本发明所述的一种用射流和红外谐振分解废气的方法，如图1所示，顺着图中箭头所示的废气流动的方向，该方法包括以下步骤： 

A.将待处理的废气加压至P≥0.5Mpa，并加热至T≥500℃； 

B.将上述废气从进气口1通过射流管5进入一金属腔2，产生负压效应，金属腔壁受到废气的热激发而辐射红外波，所述金属腔2的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω； 

c.上述废气流向排气口3时，在***7处受阻，在射流负压引导下进入回流循环气管4，通过该管回流到所述金属腔2，与喷射进入所述金属腔2的废气射流撞击而形成紊流，该紊流冲击受激谐振的废气分子使其单向分解。 

本领域技术人员所熟知，废气中主要含有NO₂、SO₂和CO气体。以下选择常见的汽车尾气为例，金属腔选择不锈钢材质，该不锈钢金属腔具有与汽车尾气中NO₂、SO₂和CO气体分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω，进行详细地分析。 

具有压力P、温度T的废气从进气口1通过射流管5射入金属腔2内，该废气的速度可以从柏努力方程估算： 

若P＝5kg/cm²＝0.5Mpa； $V=\sqrt{\frac{2p}{\mathrm{\ρ}}}=500m/s$

这个速度足以产生射流负压效应。排气口3因装有***，气流受阻，在负压推动下，出口气流发生分流，沿路径bCD和bHE即图中左右两条回流循环气管4返回金属腔2，与 入射空腔的射流撞击形成紊流。这时腔壁已被废气射流加热，腔壁分子受热激发振动，二次辐射电滋波充满空腔。以腔体材质是不锈钢为例，二次辐射的分子振动频率ω是可以按照物质结构理论估算的，废气分子固有频率ωO也可以同样估算，如表一所示： 

表一：汽车尾气进入不锈钢空腔的频谱分布 

现在分析腔内热激发ω的红外波与废气分子固有频率ω₀的谐振状态：不锈钢金属腔在500℃的热激发下，Cγ-0键→Fe-O键都会发生分子偶极子振动，振动的频率相应的波长如表一所示，辐射的红外波具有电场 

充满整个金属腔，腔内充满废气分子做为场介质，满足Maxwell方程： 

$\▿\×\stackrel{\→}{E}=-\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{B}-------------\left(1\right)$

$\▿\×\stackrel{\→}{H}=\mathrm{\ϵ\μ}\stackrel{\→}{E}-------------\left(2\right)$

废气分子在上述场的作用下，发生偶极子强迫振动，满足动力方程： 

$\stackrel{\stackrel{\backslash \backslash }{\→}}{X}+\mathrm{\γ}\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{\mathrm{\χ}}+{{\mathrm{\ω}}_o}^2\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}=\frac{e}{m}{\stackrel{\→}{E}}_0{e}^{-\mathrm{i\ωt}}----------------\left(3\right)$

解出方程(3)得偶极子振动位移矢量 

$\stackrel{\→}{X}=\frac{e}{m}\frac{1}{({{\mathrm{\ω}}_o}^2-{\mathrm{\ω}}^2)-\mathrm{i\ω\γ}}\stackrel{\→}{E}----------------\left(4\right)$

相应的极化向量 

$\stackrel{\→}{P}=N_e\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}=\frac{{\mathrm{Ne}}^2}{m[({{\mathrm{\ω}}_o}^2-{\mathrm{\ω}}^2)-\mathrm{i\ω\γ}]}\stackrel{\→}{E}----------------\left(5\right)$

从式(4)、(5)可以看出，当ω＝ωo时会有最大振幅 

和 

这便是共振状态。从表一的波长分布，可以明确看出，不锈钢金属腔热辐射的波长λ，相重合废气分子固有波长λo，这种谐振状态是可以实现的。在共振状态下的废气分子，其键能连结是松驰的，当它们回流到空腔，遭受射流、紊流的反复撞击，必然摆脱键能的束缚，分解成更简单的分子，这也可以从下面的理论估算出来： 

例如NO₂、N-0的键能： 

NO₂在腔壁红外辐射的激励下，其受迫振动的动能 

其中： 

m_NO2是NO₂的分子质量，从克分子量理论可以计算出来： 

${\mathrm{\ω}}_o=2\mathrm{\πf}=\frac{2\mathrm{\πe}}{\mathrm{\λo}}=\frac{2\mathrm{\π}\×3\×{10}^{10}}{6\×{10}^{-4}}=\mathrm{\π}\×{10}^{14}$

$=5.4\left(\mathrm{ev}\right)$

因此，该振动能量E_K大于分子束缚键能。 

结论：在红外谐振中，废气分子的束缚键能被谐振能克服，在射流紊流的冲击下，废气分子自行分解且不可能复合。 

同理可以计算废气SO₂和CO在金属腔内受激分解的原因： 

例如：SO₂废气、每个分子有两个S-O键、每个S-O键能 

废气SO₂在金属腔内受激振动的动能 

$E_K=\frac{1}{2}{m}_{{\mathrm{so}}_2}{\left(\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{\mathrm{\χ}}\right)}^2$

其中：m_SO2是SO₂的克分子重量 

是SO₂分子振动位移速度 

$\left|\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{\mathrm{\χ}}\right|={\mathrm{\ω}}_o\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}\right|{=\mathrm{\ω}}_o{\mathrm{\χ}}_o$

${\mathrm{\ω}}_o=\frac{2\mathrm{\πe}}{\mathrm{\λo}}=\frac{2\mathrm{\π}\×3\×{10}^{10}}{5.55\×{10}^{-4}}=1.08\mathrm{\π}\×{10}^{14}$

所以 $E_K=\frac{1}{2}\×1.06\×{10}^{-23}\×{(1.08\mathrm{\π}\×{10}^{14})}^2{(0.16\×{10}^{-8})}^2$

$=11\left(\mathrm{ev}\right)$

可见SO₂分子在金属腔受激振动动能E_K远大于分子束缚键能，在腔内紊流的冲击下只可能单向分解。 

再例如：废气CO其C-O键能 

废气CO在金属腔内受激振动的动能 

$E_K=\frac{1}{2}{m}_{{\mathrm{co}}_2}{\left(\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{\mathrm{\χ}}\right)}^2$

其中CO的分子质量 

CO的分子振动速度 $\left|\stackrel{\stackrel{\backslash }{\→}}{\mathrm{\χ}}\right|={\mathrm{\ω}}_o\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}\right|={\mathrm{\ω}}_o{\mathrm{\χ}}_o$

∴ $E_K=\frac{1}{2}(4.65\×{10}^{-23}){(0.6\mathrm{\π}\×{10}^{14})}^2{(0.5\×{10}^8)}^2$

$=12.4\left(\mathrm{ev}\right)$

CO废气在受激振动的动能E_K大于分子键束缚能，在紊流冲击下必单向分解。 

Claims (2)

1. 一种用射流和红外谐振分解废气的装置，其特征在于：包括

进气口，加压至P≥0.5Mpa和加温至T≥500℃的废气通过该进气口流入；

金属腔，用于接收经进气口进入的废气；

排气口，供处理后的废气流出；以及

至少一条回流循环气管，其一端设置在所述金属腔与所述排气口之间，另一端连接到所述金属腔上设有的气孔；

其中，所述的进气口内装有射流管，该射流管***所述的金属腔内；

所述的金属腔内装有接收腔，接收经所述射流管喷射进入的废气并产生负压效应；

所述的排气口内装有***，以阻挡废气从排气口过快排出并起消声作用；

所述金属腔的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω。

2. 一种用射流和红外谐振分解废气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将待处理的废气加压至P≥0.5Mpa，并加热至T≥500℃；

B.将上述废气从进气口通过射流管进入一金属腔，产生负压效应，金属腔壁受到废气的热激发而辐射红外波，所述金属腔的材质具有能与腔内废气分子固有频谱ωo匹配谐振的热辐射红外波谱ω；

C.上述废气流向排气口时，在***处受阻，在射流负压引导下进入回流循环气管，通过该管回流到所述金属腔，与喷射进入所述金属腔的废气射流撞击而形成紊流，该紊流冲击受激谐振的废气分子使其单向分解。

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