利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置的制作方法

专利名称：利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置，属 于环境技术和废气资源化领域。
背景技术：
化工原料的大量生产，油漆、涂料、润滑油等化学制品在表面涂装作业中的 广泛使用，还有工业废物的焚烧、机动车尾气的排放等，导致大量挥发性有机
物(volatile organic compounds, VOCs)被排放到大气中，造成大气的污染。某 些挥发性有机物(如氯氟烃)微量时就足以破坏臭氧层，引起紫外线辐射增多 和地球升温。更为严重的是，VOCs分子可受280~730nm波长的辐射线照射而 形成游离基，最后经由一连串大气光化学反应而生成含有臭氧(03)、过氧硝酸 乙醯酯(PAN)等衍生性空气污染物，此等物质可刺激眼睛、呼吸道粘膜而危害 人体。不仅如此，某些挥发性有机物(如苯乙烯)甚至具有强致癌性和基因毒 性。在我国部分城市，由于挥发性有机物污染导致的癌症与呼吸系统疾病明显 增加，对人体的构成严重威胁。因此，对VOCs废气进行有效的净化处理在我 国是一个亟待解决的问题。目前国内外对VOVs废气治理采用的处理方法主要 有吸附、直接燃烧、催化燃烧等，吸附法主要采用活性炭等吸附剂进行吸附， 主要缺点是吸附剂需定期更换、费用高、产生废弃吸附剂二次污染；直接燃烧 法面临能耗大、产生NOx等二次污染物等问题；而催化燃烧法面临催化剂易中 毒、设备复杂、能耗大等问题。因此，经济、高效地治理VOCs废气，除改进 传统技术外，尚须发展新的技术。
随着等离子体技术的不断发展与完善，等离子体技术被越来越广泛地应用于 各种领域。等离子体被称为物质的第四态，在其空间内含有丰富的高活性的原 子、分子、离子、电子和自由基等粒子，处于等离子体态的各种化学物质具有 极强的化学活性，因此，等离子体在化工、环保等领域中的应用也是备受关注。 等离子体依据其粒子温度可分为热平衡等离子体和非平衡等离子体。热平衡等离子体(如电弧放电)电子与重粒子温度接近相等,达到5000 2000(TC，输入功 率很高，化学反应选择性很低且不易控制，另外严重的猝熄导致电极烧蚀现象， 能量效率很低。非平衡等离子体(如常压辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电 等)输入功率低，重粒子温度接近常温而电子温度可高达5000°C，在这种情况 下，等离子体不是给反应体系提供能量而是产生能激发或加强化学反应的活性 物种，具有很高的选择性和能量效率，在低温下操作且不需要猝熄，已被证实 能可有效的用于VOCs等多种气态污染物的去除。其缺点是等离子密度较低， 很难在高流量条件下达到高转化率，难以实现工业放大。
传统的热平衡等离子体与非平衡等离子体不能够同时满足等离子体化学应 用所需的高能量及高度的非平衡性，即同时拥有高度非平衡性及高电子温度、 电子密度。因此寻求一种综合两者优势的等离子体具有较大的挑战性。上世纪 90年代初法国人CzernichowskiA.等提出了用气流驱动并冷却电弧的刀型电极滑 动弧放电方案产生大气压非平衡等离子体，它兼具了热平衡等离子体和非平衡 等离子体的特性，物理研究表明该法产生的等离子体区域表现出明显的非平衡 性，80%以上的输入电能通过非平衡等离子体刺激化学反应效率的提高，是一种 能量利用率很高的非平衡等离子体(法国专利2639172)。在这以后，法国、俄 罗斯、美国等国外研究人员也在滑动弧放电这方面开展了一系列研究工作。研 究不仅包含滑动弧放电等离子体的物理理论分析，而且还把其应用于气流污染 物的控制、制取合成气、有机溶剂净化等领域(KrawczykK.,efa/. Plasma Chem. Plasma Process. 2003, 24(2): 155—167.; Fridman A., a/. J. Prog. Energy and Comb. Sci.， 1999,25:211-231.)。国内，滑动弧放电的研究处于起步阶段，在滑动弧放 电物理特性方面有一定的研究，研究主要集中在直流纯气流驱动的滑动弧放电 物理特性方面(林烈，吴承康.核聚变与等离子体物理，2000, 20(2): 121 - 124.); 但国内在污染物的控制方面研究甚少，主要是杜长明等开展单相交流滑动弧放 电的研究，并把它应用脱除甲苯、多环芳烃及碳黑颗粒等多种有机物污染物(杜 长明，禁中国电机工程学报.2006, 26(1): 77-81.)。综上国内外文献资料调研发
现滑动弧放电等离子体处理挥发性有机物具有独特的优点，不仅处理量大而且 操作简单，去除率高；同时也发现目前传统的滑动弧放电装置有以下几个科学 问题亟待解决①较高浓度的氮氧化物NOx的排放；②能耗较高；③输入电源的性能以及电极的结构有待进一步的探索；④研究重点集中在挥发性有机物的
消除，未考虑资源化。

发明内容
针对上述现状，本发明的目的在于提供一种放电空间分布均匀、放电等离子 体区域大、氮氧化物NOx排放量少、实现挥发性有机物资源化的利用非平衡等 离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置。
为达上述目的，本发明的技术解决方案是 一种利用非平衡等离子体消除挥 发性有机物同时制氢的装置，该装置包括非平衡等离子体反应器、给等离子体 反应器供电的高压电源l;非平衡等离子体反应器为一封闭的管状腔体，包括外 罩10,所述的管状腔体中心线上设圆柱中心电极4，中心电极外侧设縮张型Laval (拉法尔)喷管外电极6，两电极间最窄处ll距离在0.5 5mm范围内；中心电 极通过中心电极绝缘套7和密封连接套8固定在管状腔体内，同时一端与高压 电源相连接，中心电极通过外电极绝缘套9固定在管状腔体内，并通过接线螺 杆5与高压电源相连；在管状腔体上设有切向导气管3，含挥发性有机物废气流 2从切向导气管沿切线方向进入管状腔体。
所述的高压电源4，为具有升压和限流功能的交流或直流变压器，输出的电 压控制在5~20kV范围内，功率大小根据非平衡等离子体反应器功率大小来确 定。
所述的中心电极4和外电极6采用铜或不锈钢材料，两电极的具体尺寸根据 非平衡等离子体反应器功率及废气处理量的大小来确定。
所述的中心电极绝缘套7和外电极绝缘套9采用聚四氟乙烯材料制作。 利用上述的非平衡等离子体产生装置，产生的非平衡等离子体消除挥发性有 机物同时制氢的方法是
1) 通过切向导气管3把含挥发性有机物废气流2切向引入管状腔体，形成 绕着中心电极旋转的气流；
2) 接通高压电源4，调节高压电源4的高压端输出电压，利用电极间的电位 差在电极间最窄处11形成击穿弧光柱，弧光柱在旋转的气流的驱动下沿圆柱中 心电极4和Laval喷管外电极6之间高速旋转，在旋转的同时被快速推向下游， 由于越向下游，电极之间的距离越大，当达到一定距离时，弧光柱的热耗损使电弧由平衡态过渡到非平衡态，当弧光柱继续向下游移动时，电极间的距离进
一步扩大，最后由于受电源功率的限制，弧光柱无法维持而熄灭；与此同时， 击穿弧光柱又在电极间最窄处ll点燃，并重复上述过程，形成滑动弧光旋转放 电12，从而产生低压、低温膨胀状态、存在大面积辉光和电晕区域的旋转放电 非平衡等离子体流13，此非平衡等离子体流中包含大量的高能电子和O、 02_、 03、 H、 OH、 H02等活性粒子，通过高能粒子轰击和活性粒子氧化使C-H键断 开来消除有机物同时产生氢气，并可避免氮氧化物NOx的生成；最后，经非平 衡等离子体净化后的含氢气气流通过出口 14排出。
本发明的特点是①使含挥发性有机物气流处于低压膨胀状态，引起温度下 降(理论最低温度T--IO(TC)，温度降低到可以产生放电；②该放电是一种低 温放电，在非热学平衡状态的区域产生放电，这个产生放电区域的温度低于或 等于周围环境的温度；③避免了高温电弧的形成，进而避免氮氧化物NOx的生 成；④在低压、低温条件下放电能产生长寿命自由基，如H基，其寿命可达到 大气压下10倍；⑤该放电存在更多的辉光和电晕区域，能够产生更多的03、 OH、 O等氧化性粒子，加强有机物的深度氧化降解；⑥能耗小，并且电极能够 自清洁，不易腐蚀和消蚀，使用寿命长；⑦化学反应的选择性好，在消除挥发 性有机物的同时能够产生氢气。
本发明所述的一种利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置 可以应用于环境工程中挥发性性有机废气排放控制及资源化，也可用于化学和 能源工程中的碳氢化合物重整制氢。


附图为本发明的结构示意图。
图中，1高压电源，2含挥发性有机物废气流，3切向导气管，4中心电极， 5接线螺杆，6外电极，7中心电极绝缘套，8密封连接套，9外电极绝缘套， 10外罩，11电极间最窄处，12旋转放电，13等离子体流，14出口。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
参考附图，制作圆柱中心电极4和Laval喷管外电极6所用的材料为黄铜； 中心电极长280mm，直径8mm;夕卜电极长110mm，外直径68mm，两电极之间最小处间隔3mm;挥发性有机废气2为含5000ppm甲苯，流量20mVh，交流高 压电源l的输出电压控制在10kV;此时甲苯消除率达90%以上，能量利用率约 为1200g/kWh，同时排气中检测到氢气的浓度约为1000ppm。
权利要求
1. 一种利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置，其特征是包括非平衡等离子体反应器、给等离子体反应器供电的高压电源(1)；非平衡等离子体反应器为一封闭的管状腔体，包括外罩(10)，所述的管状腔体中心线上设圆柱中心电极(4)，中心电极外侧设缩张型拉法尔喷管外电极(6)，两电极间最窄处(11)距离在0.5～5mm范围内；中心电极通过中心电极绝缘套(7)和密封连接套(8)固定在管状腔体内，中心电极通过外电极绝缘套(9)固定在管状腔体内；在管状腔体上设有切向导气管(3)，含挥发性有机物废气流(2)从切向导气管沿切线方向进入管状腔体。
2. 据权利要求1所述的利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的 装置，其特征在于所述的高压电源(4)，为具有升压和限流功能的交流或直 流变压器，输出的电压控制在5 20kV范围内。
3. 据权利要求1所述的利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的 装置，其特征在于所述的中心电极(4)和外电极(6)采用铜或不锈钢材料 制作。
4. 据权利要求1所述的利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的 装置，其特征在于所述的中心电极绝缘套(7)和外电极绝缘套(9)采用聚 四氟乙烯材料制作。
全文摘要
本发明涉及一种利用非平衡等离子体消除挥发性有机物同时制氢的装置，该装置由高压电源、圆柱中心电极、拉法尔喷管外电极、切向导气管等组成；利用电极间的电位差形成击穿弧光柱，弧光柱在切向导气管引入的旋转气流的驱动下沿圆柱中心电极和外电极之间高速旋转，在旋转的同时被快速推向下游并熄灭，与此同时，弧光柱又在电极间最窄处点燃，并重复上述过程，形成滑动弧光旋转放电，从而产生低压、低温膨胀状态、存在大面积辉光和电晕区域的旋转放电非平衡等离子体流，此非平衡等离子体流中包含大量的高能电子和O、O₂^-、O₃、H、OH、HO₂等活性粒子，通过高能粒子轰击和活性粒子氧化使C-H键断开来消除有机物同时产生氢气，并可避免氮氧化物的生成。
文档编号C01B3/24GK101279715SQ200810028369
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月29日 优先权日2008年5月29日
发明者杜长明 申请人:中山大学