專利名稱：一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝 置，屬于環(huán)境技術(shù)和廢氣資源化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
化工原料的大量生產(chǎn)，油漆、涂料、潤滑油等化學(xué)制品在表面涂裝作業(yè)中的 廣泛使用，還有工業(yè)廢物的焚燒、機動車尾氣的排放等，導(dǎo)致大量揮發(fā)性有機
物(volatile organic compounds, VOCs)被排放到大氣中，造成大氣的污染。某 些揮發(fā)性有機物(如氯氟烴)微量時就足以破壞臭氧層，引起紫外線輻射增多 和地球升溫。更為嚴(yán)重的是，VOCs分子可受280~730nm波長的輻射線照射而 形成游離基，最后經(jīng)由一連串大氣光化學(xué)反應(yīng)而生成含有臭氧(03)、過氧硝酸 乙醯酯(PAN)等衍生性空氣污染物，此等物質(zhì)可剌激眼睛、呼吸道粘膜而危害 人體。不僅如此，某些揮發(fā)性有機物(如苯乙烯)甚至具有強致癌性和基因毒 性。在我國部分城市，由于揮發(fā)性有機物污染導(dǎo)致的癌癥與呼吸系統(tǒng)疾病明顯 增加，對人體的構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對VOCs廢氣進行有效的凈化處理在我 國是一個亟待解決的問題。目前國內(nèi)外對VOVs廢氣治理采用的處理方法主要 有吸附、直接燃燒、催化燃燒等，吸附法主要采用活性炭等吸附劑進行吸附， 主要缺點是吸附劑需定期更換、費用高、產(chǎn)生廢棄吸附劑二次污染；直接燃燒 法面臨能耗大、產(chǎn)生NOx等二次污染物等問題；而催化燃燒法面臨催化劑易中 毒、設(shè)備復(fù)雜、能耗大等問題。因此，經(jīng)濟、高效地治理VOCs廢氣，除改進 傳統(tǒng)技術(shù)外，尚須發(fā)展新的技術(shù)。
隨著等離子體技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，等離子體技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于 各種領(lǐng)域。等離子體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，在其空間內(nèi)含有豐富的高活性的原 子、分子、離子、電子和自由基等粒子，處于等離子體態(tài)的各種化學(xué)物質(zhì)具有 極強的化學(xué)活性，因此，等離子體在化工、環(huán)保等領(lǐng)域中的應(yīng)用也是備受關(guān)注。 等離子體依據(jù)其粒子溫度可分為熱平衡等離子體和非平衡等離子體。熱平衡等離子體(如電弧放電)電子與重粒子溫度接近相等,達到5000 2000(TC,輸入功 率很高，化學(xué)反應(yīng)選擇性很低且不易控制，另外嚴(yán)重的猝熄導(dǎo)致電極燒蝕現(xiàn)象， 能量效率很低。非平衡等離子體(如常壓輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電 等)輸入功率低，重粒子溫度接近常溫而電子溫度可高達500(TC，在這種情況 下，等離子體不是給反應(yīng)體系提供能量而是產(chǎn)生能激發(fā)或加強化學(xué)反應(yīng)的活性 物種，具有很高的選擇性和能量效率，在低溫下操作且不需要猝熄，己被證實 能可有效的用于VOCs等多種氣態(tài)污染物的去除。其缺點是等離子密度較低， 很難在高流量條件下達到高轉(zhuǎn)化率，難以實現(xiàn)工業(yè)放大。
傳統(tǒng)的熱平衡等離子體與非平衡等離子體不能夠同時滿足等離子體化學(xué)應(yīng) 用所需的高能量及高度的非平衡性，即同時擁有高度非平衡性及高電子溫度、 電子密度。因此尋求 -種綜合兩者優(yōu)勢的等離子體具有較大的挑戰(zhàn)性。上世紀(jì) 卯年代初法國人CzernichowskiA.等提出了用氣流驅(qū)動并冷卻電弧的刀型電極滑
動弧放電方案產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體，它兼具了熱平衡等離子體和非平衡 等離子體的特性，物理研究表明該法產(chǎn)生的等離子體區(qū)域表現(xiàn)出明顯的非平衡 性，80°/。以上的輸入電能通過非平衡等離子體刺激化學(xué)反應(yīng)效率的提高，是一種 能量利用率很高的非平衡等離子體(法國專利2639172)。在這以后，法國、俄 羅斯、美國等國外研究人員也在滑動弧放電這方面開展了一系列研究工作。研 究不僅包含滑動弧放電等離子體的物理理論分析，而且還把其應(yīng)用于氣流污染 物的控制、制取合成氣、有機溶劑凈化等領(lǐng)域(KrawczykK.,"a/. Plasma Chem. Plasma Process. 2003, 24(2》155—167.; Fridman A., a/. J. Prog. Energy and Comb. Sci., 1999,25:211-231.)。國內(nèi)，滑動弧放電的研究處于起步階段，在滑動弧放 電物理特性方面有一定的研究，研究主要集中在直流純氣流驅(qū)動的滑動弧放電 物理特性方面(林烈，吳承康.核聚變與等離子體物理，2000, 20(2): 121 - 124.); 但國內(nèi)在污染物的控制方面研究甚少，主耍是杜長明等開展單相交流滑動弧放 電的研究，并把它應(yīng)用脫除甲苯、多環(huán)芳烴及碳黑顆粒等多種有機物污染物(杜 長明，箏中國電機工程學(xué)報.2006， 26(1): 77-81.)。綜上國內(nèi)外文獻資料調(diào)研發(fā) 現(xiàn)滑動弧放電等離子體處理揮發(fā)性有機物具有獨特的優(yōu)點，不僅處理量大而且 操作簡單，去除率高；同時也發(fā)現(xiàn)目前傳統(tǒng)的滑動弧放電裝置有以下幾個科學(xué) 問題亟待解決①較高濃度的氮氧化物N(X的排放；②能耗較高；③輸入電源的性能以及電極的結(jié)構(gòu)有待進一步的探索；④研究重點集中在揮發(fā)性有機物的
消除，未考慮資源化。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)狀，本實用新型的目的在于提供一種放電空間分布均勻、放電等 離子體區(qū)域大、氮氧化物NCX排放量少、實現(xiàn)揮發(fā)性有機物資源化的利用非平 衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝置。
為達上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是 一種利用非平衡等離子體消 除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝置，該裝置包括非平衡等離子體反應(yīng)器、給等離 子體反應(yīng)器供電的高壓電源l;非平衡等離子體反應(yīng)器為一封閉的管狀腔體，包 括外罩10，所述的管狀腔體中心線上設(shè)圓柱中心電極4，中心電極外側(cè)設(shè)縮張
型Laval (拉法爾)噴管外電極6，兩電極間最窄處11距離在0.5 5mm范圍內(nèi)； 中心電極通過中心電極絕緣套7和密封連接套8固定在管狀腔體內(nèi)，同時一端 與高壓電源相連接，中心電極通過外電極絕緣套9固定在管狀腔體內(nèi)，并通過 接線螺桿5與高壓電源相連；在管狀腔體上設(shè)有切向?qū)夤?，含揮發(fā)性有機物 廢氣流2從切向?qū)夤苎厍芯€方向進入管狀腔體。
所述的高壓電源4，為具有升壓和限流功能的交流或直流變壓器，輸出的電 壓控制在5 20kV范圍內(nèi)，功率大小根據(jù)非平衡等離子體反應(yīng)器功率大小來確 定。
所述的中心電極4和外電極6采用銅或不銹鋼材料，兩電極的具體尺寸根據(jù)
非平衡等離子體反應(yīng)器功率及廢氣處理量的大小來確定。
所述的中心電極絕緣套7和外電極絕緣套9采用聚四氟乙烯材料制作。 利用上述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，產(chǎn)生的非平衡等離子體消除揮發(fā)性有
機物同時制氫的方法是
1) 通過切向?qū)夤?把含揮發(fā)性有機物廢氣流2切向引入管狀腔體，形成 繞著中心電極旋轉(zhuǎn)的氣流；
2) 接通高壓電源4，調(diào)節(jié)高壓電源4的高壓端輸出電壓，利用電極間的電位 差在電極間最窄處11形成擊穿弧光柱，弧光柱在旋轉(zhuǎn)的氣流的驅(qū)動下沿圓柱中 心電極4和Laval噴管外電極6之間高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時被快速推向下游， 由于越向下游，電極之間的距離越大，當(dāng)達到一定距離時，弧光柱的熱耗損使電弧由平衡態(tài)過渡到非平衡態(tài)，當(dāng)弧光柱繼續(xù)向下游移動時，電極間的距離進
一步擴大，最后由于受電源功率的限制，弧光柱無法維持而熄滅；與此同時， 擊穿弧光柱又在電極間最窄處ll點燃，并重復(fù)上述過程，形成滑動弧光旋轉(zhuǎn)放 電12，從而產(chǎn)生低壓、低溫膨脹狀態(tài)、存在大面積輝光和電暈區(qū)域的旋轉(zhuǎn)放電 非平衡等離子體流13，此非平衡等離子體流中包含大量的高能電子和O、 02一、 03、 H、 OH、 H02等活性粒子，通過高能粒子轟擊和活性粒子氧化使C-H鍵斷 開來消除有機物同時產(chǎn)生氫氣，并可避免氮氧化物NOx的生成；最后，經(jīng)非平 衡等離子體凈化后的含氫氣氣流通過出口 14排出。
本實用新型的特點是①使含揮發(fā)性有機物氣流處于低壓膨脹狀態(tài)，引起溫 度下降(理論最低溫度T--IO(TC)，溫度降低到可以產(chǎn)生放電；②該放電是一 種低溫放電，在非熱學(xué)平衡狀態(tài)的區(qū)域產(chǎn)生放電，這個產(chǎn)生放電區(qū)域的溫度低 于或等于周圍環(huán)境的溫度；③避免了高溫電弧的形成，進而避免氮氧化物NOx 的生成；④在低壓、低溫條件下放電能產(chǎn)生長壽命自由基，如H基，其壽命可 達到大氣壓下10倍；⑤該放電存在更多的輝光和電暈區(qū)域，能夠產(chǎn)生更多的 03、 OH、 O等氧化性粒子，加強有機物的深度氧化降解；⑥能耗小，并且電極 能夠自清潔，不易腐蝕和消蝕，使用壽命長；⑦化學(xué)反應(yīng)的選擇性好，在消除 揮發(fā)性有機物的同時能夠產(chǎn)生氫氣。
本實用新型所述的一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的
裝置可以應(yīng)用于環(huán)境工程中揮發(fā)性性有機廢氣排放控制及資源化，也可用于化
學(xué)和能源工程中的碳氫化合物重整制氫。

附圖為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1高壓電源，2含揮發(fā)性有機物廢氣流，3切向?qū)夤埽?中心電極， 5接線螺桿，6外電極，7中心電極絕緣套，8密封連接套，9外電極絕緣套， 10外罩，11電極間最窄處，12旋轉(zhuǎn)放電，13等離子體流，14出口。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
參考附圖，制作圓柱中心電極4和Laval噴管外電極6所用的材料為黃銅； 中心電極長280mm，直徑8mm;外電極長110mm，外直徑68mm，兩電極之間
6最小處間隔3mm;揮發(fā)性有機廢氣2為含5000ppm甲苯，流量20mVh，交流高 壓電源l的輸出電壓控制在10kV;此時甲苯消除率達90%以上，能量利用率約 為1200g/kWh,同時排氣中檢測到氫氣的濃度約為1000ppm。
權(quán)利要求1. 一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝置，其特征是包括非平衡等離子體反應(yīng)器、給等離子體反應(yīng)器供電的高壓電源(1)；非平衡等離子體反應(yīng)器為一封閉的管狀腔體，包括外罩(10)，所述的管狀腔體中心線上設(shè)圓柱中心電極(4)，中心電極外側(cè)設(shè)縮張型拉法爾噴管外電極(6)，兩電極間最窄處(11)距離在0.5～5mm范圍內(nèi)；中心電極通過中心電極絕緣套(7)和密封連接套(8)固定在管狀腔體內(nèi)，中心電極通過外電極絕緣套(9)固定在管狀腔體內(nèi)；在管狀腔體上設(shè)有切向?qū)夤?3)，含揮發(fā)性有機物廢氣流(2)從切向?qū)夤苎厍芯€方向進入管狀腔體。
2. 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制 氫的裝置，其特征在于所述的高壓電源(4)，為具有升壓和限流功能的交流 或直流變壓器，輸出的電壓控制在5 20kV范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時 制氫的裝置，其特征在于所述的中心電極(4)和外電極(6)采用銅或不銹 鋼材料制作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時 制氫的裝置，其特征在于所述的中心電極絕緣套(7)和外電極絕緣套(9) 采用聚四氟乙烯材料制作。
專利摘要本實用新型涉及一種利用非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機物同時制氫的裝置，該裝置由高壓電源、圓柱中心電極、拉法爾噴管外電極、切向?qū)夤艿冉M成；利用電極間的電位差形成擊穿弧光柱，弧光柱在切向?qū)夤芤氲男D(zhuǎn)氣流的驅(qū)動下沿圓柱中心電極和外電極之間高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時被快速推向下游并熄滅，與此同時，弧光柱又在電極間最窄處點燃，并重復(fù)上述過程，形成滑動弧光旋轉(zhuǎn)放電，從而產(chǎn)生低壓、低溫膨脹狀態(tài)、存在大面積輝光和電暈區(qū)域的旋轉(zhuǎn)放電非平衡等離子體流，此非平衡等離子體流中包含大量的高能電子和O、O₂^-、O₃、H、OH、HO₂等活性粒子，通過高能粒子轟擊和活性粒子氧化使C-H鍵斷開來消除有機物同時產(chǎn)生氫氣。
文檔編號C01B3/00GK201261716SQ200820048448
公開日2009年6月24日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者杜長明 申請人:中山大學(xué)