CN108554136B - 一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于VOCs处理装置技术领域，涉及一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置及方法。该装置包括风机、电源和箱体；箱体内设有均流板、电极固定板和放电单元。放电单元为非对称放电电极结构，包含金属电极和绝缘介质管；金属电极是由带有螺纹、翅片结构的金属杆制成；绝缘介质管内设有导电性材料制成的介质内电极。含VOCs气体由装置入口进入，经均流板均流后进入高密度的强等离子体放电区域，与放电产生的高活性粒子发生碰撞反应而降解，金属电极上的凹槽部位收集放电过程产生的结焦物质，保持放电稳定和处理效果高效。本发明具有清洗周期长和VOCs处理效率高等优点，适用于相关行业处理VOCs污染。

Description

一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置及方法
技术领域
本发明属于VOCs处理装置技术领域，具体涉及到一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置及方法。
背景技术
随着我国工业生产规模以及新型产品种类和数量的不断增加，大气污染物的种类和数量也在不断增加，大气环境污染日益严重，逐渐引起了人们对于污染治理的重视。工业废气作为大气污染的主要来源之一，尤其是挥发性有机污染物(VOCs)对人类的健康和环境造成了巨大的危害，工业废气中VOCs按产生来源划分，主要有喷漆废气、塑料废气、塑胶废气、定型废气、化工有机废气和印刷废气等。当环境中的VOCs达到一定浓度时，短时间内人们会感到头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肾脏、肝脏、大脑和神经***，造成贫血、记忆力减退等严重后果。
近年来，低温等离子体技术作为一种具有发展前景的应用技术成为气态污染物处理的研究热点。与传统的技术相比，低温等离子体技术具有对气态污染物适应性强、处理效果高等特点。气体放电产生低温等离子体的主要方式有：电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、滑动弧放电以及射流放电等。其中，电晕放电和介质阻挡放电可在正常大气压下产生稳定的大气等离子体，被广泛用于环境治理领域，尤其是介质阻挡放电，电子密度大、放电强度大、耐冲击负荷等优点使其成为优选的产生高强度等离子体的方法。
传统的介质阻挡放电产生等离子体形式有板板式、同轴圆筒式、填充床式等，其放电电极结构是对称式，在放电处理VOCs的过程中，气态有机污染物分子与放电产生的高能电子和活性粒子发生剧烈碰撞，大分子有机物在降解的过程中会产生油状的中间产物，这些中间产物会以一定的结焦形式不断粘附在电极表面并逐渐累积，由于结焦物质粘附的随机性和不均匀性，使得放电气隙不均匀，影响放电区域的均匀性，降低了放电强度和能量利用率，降低了矿化率和污染物去除率，严重时还会导致局部放电气隙过于窄小，易产生火花放电或者弧光放电，引发着火甚至火灾等，故在实际应用的过程中需要定时更换或者清洗电极，而这增加了装置运行和维护的成本。
发明内容
为了克服现有对称电极结构处理VOCs的不足，本发明提供了一种非对称电极结构单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其放电单元是由金属电极-绝缘介质管(绝缘介质内电极)呈“一”字型排列构成的非对称放电电极结构，使放电区域的电场强度得到加强，利用金属电极上的凹槽将副产物沉积区域与放电区域分离开，设计简单、处理效果好、降解效率高、清洗周期长，可以应用于处理相关行业VOCs的高效降解。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，包括风机1、电源2和箱体3。
所述的风机1设在箱体3的废气进口处(鼓风形式)或者废气出口处(引风形式)，用于将废气送入或引出箱体3；所述的电源2的两极分别与箱体3的放电单元6中的金属电极7和绝缘介质内电极8连接。
所述的箱体3两端分别设有废气进口和废气出口，内部设有均流板4、电极固定板5和放电单元6。
所述的均流板4安装在箱体3内部靠近废气进口的一端，与废气流动方向垂直；均流板4表面上布有等间距通道，使气流均匀通过放电区域。
所述的电极固定板5分别固定在箱体3内壁的顶部和底部，靠近废气出口的一端，其中，顶部电极固定板5的下表面和底部电极固定板5的上表面分别设有卡槽，用于固定放电单元6中的金属电极7和绝缘介质管9。
所述的放电单元6由多个金属电极7和绝缘介质管9呈“一”字型排列并列，形成非对称电极，金属电极7与绝缘介质管9外壁之间放电气隙为1-50mm。所述的金属电极7是由带有螺纹、翅片结构的金属杆制成，表面上设有“U”型或“V”型凹槽；所述绝缘介质内电极8位于绝缘介质管9内且同轴，绝缘介质内电极8由导电性材料制成。
所述的金属电极7的凹槽深度d为1-100mm，螺纹、翅片结构以连续型或非连续型的方式排列和组合，其中非连续型之间的构型间隙L为1-100mm。
所述的金属电极7的外径和绝缘介质管9的外径之间比值为0.1-10:1。
所述的放电单元6，增加放电区域时，可增加金属电极7、绝缘介质内电极8和绝缘介质管9数量，延长气体在放电区域的停留时间。
所述的电源2为交流电源或脉冲电源，保证放电装置正常放电。
所述的绝缘介质内电极8的材料为导电性粉末、金属柱或导电液体；所述的绝缘介质管9的材料为玻璃、石英或陶瓷，厚度为1-100mm；所述的电极固定板5由绝缘材料制作而成，保证了放电结构的稳定性；所述的风机1为耐腐蚀风机。
一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的方法，包括以下步骤：
(1)将VOCs气体由废气进口送入箱体3，通过均流板4后均匀进入放电单元6。
(2)将电源2加载在放电单元6中的金属电极7和绝缘介质内电极8上，使放电单元6内金属电极7与绝缘介质管9外壁之间形成强等离子体放电区域从而产生高活性粒子，VOCs与高活性粒子发生碰撞，使VOCs电离、解离和激发。
(3)VOCs电离、解离和激发产生的中间产物气溶胶分子在放电单元6的气流通道的非对称强电场作用下受到极化作用，向曲率半径小的金属电极表面迁移，在凹槽区域沉积。
(4)降解后的气体从箱体3的废气出口排出。
本发明的放电电极结构不同于传统的对称电极结构，是由金属电极和绝缘介质管(绝缘介质内电极)呈“一”字型排列构成的一种非对称电极结构，能在放电局部区域内产生非均匀电场，使放电处理过程中产生的气溶胶分子受到电场的极化作用而向强电场的方向运动，从而有效地沉积在金属电极上螺纹或翅片结构两侧的凹槽位置，并将放电区域与副产物沉积区域分离开来，因此保证了放电间隙一致，使放电更加稳定；此外，在放电过程中能产生均匀的丝状流光放电，形成强等离子体放电区域，产生的电子数量大、集中性强，进而提高了放电区域的粒子活性，活性粒子与气态污染物分子进行有效碰撞，使气态污染物得到较好的降解，从而能够提高放电强度和污染物处理效率，提高矿化率和电能利用率，并能减少电极的清洗和更换频率，延长设备使用寿命，降低设备的运行及维护费用。
本发明的有益效果：
本发明的装置和方法是采用带有螺纹、翅片等曲率半径小的带有凹槽结构的金属杆作为金属电极，以填充在绝缘介质管中的导电性材料为绝缘介质内电极，由金属电极和绝缘介质管(绝缘介质内电极)呈“一”字型排列构成一种非对称放电电极结构以形成局部非均匀电场，使放电产生的中间产物气溶胶能够在金属电极的凹槽处得到收集，从而实现保持放电长时间高效稳定，延长电极清洗和更换周期的目的，装置运行成本得到降低，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构示意图。
图2是本发明实施例中放电单元的三维立体图。
图3是本发明实施例中放电单元的截面图，由3个列单元组成。
图4是本发明中金属电极的截面示意简图，图4(a)为连续型金属电极的截面示意简图，图4(b)为非连续型金属电极的截面示意简图，其中，d代表凹槽的深度，L代表非连续型中构型的间隔距离。
图5是本发明实施例中均流板的平面示意图。
图中：1风机；2电源；3箱体；4均流板；5电极固定板；6放电单元；7金属电极；8绝缘介质内电极；9绝缘介质管。
具体实施方式：
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，包括风机1，电源2，箱体3，均流板4，电极固定板5和放电单元6，所述的箱体3两端设有废气进口和废气出口；所述的风机1设在箱体3的废气进口处(鼓风形式)或者废气出口处(引风形式)，用于将废气送入或引出箱体3；所述箱体3内设有均流板4、电极固定板5和放电单元6；所述的均流板4位于箱体3内靠近废气进口处，由石英板制成，其上布有等间距通道使气流均匀通过放电区域；所述的电极固定板5和放电单元6位于箱体3内靠近废气出口的一端；电极固定板5由绝缘性好的电木板加工而成，与放电单元6紧密连接保证放电电极结构的稳定性。
所述的箱体3由亚克力板制成，具有良好的绝缘性，除两侧有废气进口和废气出口外其余部位能保证良好的密封性，并能承受一定的压力；所述的电源2为高频交流电源，功率5kHZ下，保证装置正常均匀放电的外加电压在8-16KV之间。
如图2所示为电极固定板5和放电单元6的示意图，其中放电单元6是由金属电极7和绝缘介质内电极8构成非对称电极放电结构，金属电极7采用标准M6不锈钢螺纹杆加工而成，螺距为1mm；绝缘介质内电极8采用普通碳粉，并将其填充在绝缘介质管9中，绝缘介质管9为石英管，外径6mm、壁厚1.5mm，起到固定和防氧化的作用；金属电极7和绝缘介质9平行并置，金属电极7和绝缘介质管9外壁间隙为2mm，有效放电长度为200mm，外加电压后形成的局部区域电场为非均匀电场，有利于气溶胶的带电沉积。
如图3所示为电极固定板5的截面图，本实例是将螺纹杆-石英管(填充碳粉)这种单介质阻挡放电电极结构通过“一”字型线性组合在一起，形成结构紧凑灵活组装的放电反应装置，共三个列单元，每个列单元由3根均匀填充碳粉的石英管和4根M6螺纹杆组成。
本发明实施例，其工作原理及流程：
VOCs由风机送入反应装置，通过均流板均匀进入放电区域，在电源电压下，金属电极上螺纹处曲率半径小，容易累积电荷，而石英管表面光滑曲率半径大，因此在放电局部区域内形成非对称强电场，VOCs大分子与强电场产生的活性粒子激烈碰撞分解成小分子，产生的中间产物气溶胶分子呈电中性，经电场的极化作用向强电场区域即螺纹杆方向运动，从而很好地积累在螺纹两侧的凹槽部位，将放电区域与沉积物收集区域分开，避免了由于沉积物的直接积累而影响放电强度和稳定性，使处理效果均匀稳定，从而达到延长电极清洗和更换周期，节省装置运行和维护费用的目的，最后处理后的VOCs从反应装置废气出口处排出。
本实施例中采用甲苯作为代表型VOCs，采用该装置非对称结构(金属电极为M6螺纹杆)与对称结构(金属电极为光滑杆)在5kHZ、10kV较高浓度条件下长时间连续放电处理14h进行放电对比。持续放电14h后非对称结构放电产生的气溶胶在放电电极上分布均匀且填满凹槽，而对称结构放电产生的气溶胶在电极结构上积累严重且不均匀；非对称放电结构放电功率和电流基本保持稳定，而对称结构放电功率上升36％，电流升高1.6倍。结果证明这种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置能够收集放电产生的气溶胶，使放电稳定时间延长，从而达到延长电极清洗和更换周期，降低装置运行成本的目的。

Claims (9)

1.一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，该装置包括风机（1）、电源（2）和箱体（3）；
所述的风机（1）设在箱体（3）的废气进口处或者废气出口处，用于将废气送入或引出箱体（3），当风机（1）位于废气进口处时，为鼓风形式，当风机（1）位于废气出口处时，为引风形式；所述的电源（2）的两极分别与箱体（3）的放电单元（6）中金属电极（7）和绝缘介质内电极（8）连接；
所述的箱体（3），两端分别设有废气进口和废气出口，内部设有均流板（4）、电极固定板（5）和放电单元（6）；
所述的均流板（4），安装在箱体（3）内部靠近废气进口的一端，与废气流动方向垂直；均流板（4）表面上布有等间距通道，使气流均匀通过放电区域；
所述的电极固定板（5），分别固定在箱体（3）内壁的顶部和底部，靠近废气出口的一端，顶部的电极固定板（5）的下表面和底部的电极固定板（5）的上表面分别设有卡槽，用于固定放电单元（6）中的金属电极（7）和绝缘介质管（9）；
所述的放电单元（6）由多个金属电极（7）和绝缘介质管（9）呈“一”字型排列并列，形成非对称电极，金属电极（7）与绝缘介质管（9）外壁之间放电气隙为1-50mm；所述的金属电极（7）是由带有螺纹、翅片结构的金属杆制成，其表面上设有“U”型或“V”型凹槽，螺纹、翅片结构以连续型或非连续型的方式排列和组合，其中非连续型之间的构型间隙L为1-100mm；所述的金属电极（7）的外径和绝缘介质管（9）的外径之间比值为0.1-10:1；所述绝缘介质内电极（8）位于绝缘介质管（9）内且同轴，绝缘介质内电极（8）由导电性材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的金属电极（7）的凹槽深度d为1-100mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的放电单元（6）通过增加金属电极（7）、绝缘介质内电极（8）和绝缘介质管（9）数量，增加放电区域，延长气体在放电区域的停留时间。
4.根据权利要求1或2所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的电源（2）为交流电源或脉冲电源，保证放电装置正常放电。
5.根据权利要求3所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的电源（2）为交流电源或脉冲电源，保证放电装置正常放电。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的绝缘介质内电极（8）的材料为导电性粉末、金属柱或导电液体；所述的绝缘介质管（9）的材料为玻璃、石英或陶瓷，厚度为1-100mm；所述的电极固定板（5）由绝缘材料制作而成，保证放电结构的稳定性。
7.根据权利要求3所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的绝缘介质内电极（8）的材料为导电性粉末、金属柱或导电液体；所述的绝缘介质管（9）的材料为玻璃、石英或陶瓷，厚度为1-100mm；所述的电极固定板（5）由绝缘材料制作而成，保证放电结构的稳定性。
8.根据权利要求4所述的一种非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置，其特征在于，所述的绝缘介质内电极（8）的材料为导电性粉末、金属柱或导电液体；所述的绝缘介质管（9）的材料为玻璃、石英或陶瓷，厚度为1-100mm；所述的电极固定板（5）由绝缘材料制作而成，保证放电结构的稳定性。
9.一种权利要求1-8任一一项所述的非对称单介质阻挡放电处理VOCs的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将VOCs气体由废气进口送入箱体（3），通过均流板（4）后均匀进入放电单元（6）；
第二步，将电源（2）加载在放电单元（6）中的金属电极（7）和绝缘介质内电极（8）上，使放电单元（6）内金属电极（7）与绝缘介质管（9）外壁之间形成强等离子体放电区域从而产生高活性粒子，VOCs与高活性粒子发生碰撞，使VOCs电离、解离和激发；
第三步，产生的中间产物气溶胶分子在放电单元（6）的气流通道的非对称强电场作用下受到极化作用，向曲率半径小的金属电极表面迁移，在凹槽区域沉积；
第四步，降解后的气体从箱体（3）的废气出口排出。
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