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低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置及有害排放氣體處理方法

文檔序號:4991969閱讀:230來源:國知局
專利名稱:低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置及有害排放氣體處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及柴油機(jī)有害排放氣體凈化處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
目前,用于柴油機(jī)排放后處理領(lǐng)域的低溫等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)由等離子體電源、 等效電容、高壓電極、介質(zhì)層和低壓電極組成。將高壓電極接等離子體變頻交流電源,低壓電極接地,介質(zhì)材料置于兩電極之間,這樣兩電極間隙內(nèi)沿介質(zhì)表面會出現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電現(xiàn)象。介質(zhì)阻擋放電方法處理柴油機(jī)有害排放需要較高的電離度、氣相區(qū)內(nèi)有足夠的能量密度、氣體組分在等離子體氣相區(qū)內(nèi)有較長的滯留時(shí)間,介質(zhì)材料穩(wěn)定工作和裝置本身抗震效果好等要求。該技術(shù)在廢氣處理領(lǐng)域日益得到廣泛研究,中國專利 CN200410014135提供一種處理揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的低溫等離子體技術(shù),適用于揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)處理的低溫等離子體技術(shù)。其技術(shù)由進(jìn)氣口、等離子體反應(yīng)器、脈沖電源和出氣口組成。給脈沖電源通電,揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)從進(jìn)氣口進(jìn)入高頻高壓氣體放電等離子體發(fā)生器,在其中與活性粒子發(fā)生氧化、降解反應(yīng)而得到處理,從出氣口排出。但是該技術(shù)不適于處理柴油機(jī)的主要有害排放氣體NOx以及顆粒物。中國專利CN 03236574提供一種新型的常壓射頻冷等離子體發(fā)生器,其結(jié)構(gòu)包括噴槍、射頻電源、供氣源。該裝置可以在大氣壓下產(chǎn)生低溫、大面積、由射頻低電壓擊穿電離的,穩(wěn)定放電的冷等離子體束流,在清洗、殺菌、消毒等領(lǐng)域的得到了廣泛應(yīng)用。但是該裝置產(chǎn)生的射頻等離子體流為開放式,適合處理物體上的孔、槽和凹陷部位,且能量密度比較低,不適于處理大流量的柴油機(jī)排放氣體組分。中國專利CN 200510095093提供一種吸附-低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置。該裝置由煙氣脫硫脫硝反應(yīng)器、風(fēng)機(jī)、濃硫酸池、纖維除霧器順序串聯(lián)所組成;其中,煙氣脫硫脫硝反應(yīng)器由兩個(gè)相同的吸附一低溫等離子體反應(yīng)器并聯(lián)連接構(gòu)成。通過兩個(gè)低溫等離子體反應(yīng)器交替使用,可以有效處理煙氣中的二氧化硫和氮氧化物。但是該裝置適用于處理流速較慢的工業(yè)煙氣,而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本較高,不適于處理高流速多組分的柴油機(jī)廢氣。中國專利CN 200810235539提供一種蜂窩狀介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器裝置, 該裝置結(jié)構(gòu)包括殼體,復(fù)合高壓電極、石英介質(zhì)、蜂窩狀排列的低壓電極和催化腔,以及殼體外側(cè)的進(jìn)氣口,位于催化腔底部的排氣口。該技術(shù)可以保證低溫等離子體發(fā)生器在柴油機(jī)排氣臺架試驗(yàn)研究工作中安全可靠運(yùn)行,抗震性能較好,但是氣體組分在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間比較短,化學(xué)反應(yīng)不是很充分。低溫等離子體系中含有大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強(qiáng)氧化性的自由基體等活性物種。在氣相化學(xué)反應(yīng)過程中,這些活性基體可以和C0、HC、N0x和PM等污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將之轉(zhuǎn)化為無害或者低害的氣體。目前設(shè)計(jì)的低溫等離子體發(fā)生器多適用于工業(yè)脫硫脫銷,空氣凈化,以及靜態(tài)模擬氣體凈化試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中如何同時(shí)降低柴油機(jī)排氣中的PM和NOx以及有效延長氣體組分在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間,提高廢氣的轉(zhuǎn)化效率,從而將該技術(shù)成功應(yīng)用于柴油機(jī)后處理凈化領(lǐng)域,還需要進(jìn)一步的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低溫等離子體協(xié)同“兩相”催化裝置,適用于全流式柴油機(jī)臺架試驗(yàn),能夠同時(shí)轉(zhuǎn)化柴油機(jī)排氣中的NOx和PM,能量利用率高,轉(zhuǎn)化效率顯著,并且放電穩(wěn)定。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在等離子體發(fā)生器前后分別連接一個(gè)催化裝置,前者為氧化相催化裝置,后者為還原相催化裝置。在放電區(qū),采用三根或三根以上等離子體發(fā)生器并聯(lián)工作的結(jié)構(gòu),用支架彼此隔開一定的距離,防止發(fā)生器電極之間的互相影響,支架的材料為絕緣且耐高溫的聚四氟乙烯。催化裝置與等離子體發(fā)生器之間用硅膠管連接,避免發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對發(fā)生器造成損害。該種結(jié)構(gòu)在放電過程中會產(chǎn)生大量活性自由基團(tuán)與柴油機(jī)有害排氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),不僅可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),還可以使通常條件下難以產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)得以迅速發(fā)生,增強(qiáng)了去除柴油機(jī)有害排放的有效性。三根或三根以上等離子體發(fā)生器并聯(lián)工作的結(jié)構(gòu)適用于全流式臺架試驗(yàn),可以根據(jù)不同型號的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整,更具有實(shí)用意義。此外,這種結(jié)構(gòu)提高了排氣組分在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間,能量利用率高,增強(qiáng)了有害氣體組分的轉(zhuǎn)化效率。試驗(yàn)表明該裝置可以有效提高柴油機(jī)顆粒排放轉(zhuǎn)化效率達(dá)60%以上,輔助還原型催化劑后NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)82. 5%左右,且對應(yīng)于柴油機(jī)增加的燃油消耗率在5%以內(nèi)。本發(fā)明低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置包括總進(jìn)氣口,氧化相催化裝置,排氣口 A,支架A,等離子體發(fā)生器,支架B,進(jìn)氣口 B,還原相催化裝置,總排氣口。等離子體發(fā)生器由進(jìn)氣口 A、高壓電極、堵頭A、介質(zhì)層、低壓電極、排氣口 B堵頭B組成。介質(zhì)層為圓管形石英玻璃管;圓管形石英玻璃管設(shè)于支架A和支架B上,石英玻璃管兩頭的管壁處分別設(shè)有進(jìn)氣口 A和排氣口 B。支架和堵頭的材料是聚四氟乙烯;高壓電極為細(xì)鐵棒、置于石英玻璃管內(nèi),高壓電極的兩頭分別從兩個(gè)堵頭中穿出。低壓電極為康銅電極,低壓電極為圓管狀,包裹于石英玻璃管的管壁外側(cè),通過引線接地。排氣口 A和進(jìn)氣口 A之間以及排氣口 B和進(jìn)氣口 B之間分別用硅膠管連接。等離子體發(fā)生器為三根或三根以上,并且可以根據(jù)不同型號的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整, 等離子體發(fā)生器在圓盤支架上均勻排列。本發(fā)明處理柴油機(jī)有害排放氣體的方法,首先將有害排放氣體通過氧化相催化裝置進(jìn)行氧化相催化,再將氣體分流為三股或三股以上分別進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器,對氣體進(jìn)行低溫等離子介質(zhì)阻擋放電,最后通過還原相催化裝置對氣體進(jìn)行還原相催化。氣體在進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器后,對氣體流向強(qiáng)制改變,延長氣體在雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器的滯留時(shí)間。所述的一種低溫等離子體協(xié)同“兩相”催化裝置,其中氧化相催化裝置內(nèi)置氧化性催化劑,可以有效地降低柴油機(jī)尾氣中的PM排放,特別是大顆粒的顆粒物排放,這不僅有利于NOx的處理,還有利于降低整個(gè)裝置的被壓,從而減少對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響;還原型催化腔內(nèi)置還原性催化劑,可以有效地降低通過等離子體處理后的N0X。催化裝置與等離子體發(fā)生器之間用硅膠管連接,這樣在實(shí)際應(yīng)用過程中,可以抵抗柴油機(jī)排氣劇烈震動(dòng)的影響,起到抗震穩(wěn)定工作的效果,保證工作的可靠性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的有益效果是,氧化相催化裝置,可以有效降低PM顆粒排放,尤其是大粒徑PM顆粒物排放,不僅有利于NOx的還原,還有助于降低系統(tǒng)裝置的背壓,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。由三根或三根以上等離子體發(fā)生器復(fù)合組成,這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同排
4量進(jìn)行控制,適于全流式處理多種型號的發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放。還原相催化裝置,用以還原經(jīng)過等離子體發(fā)生器處理后的NOx氣體。本發(fā)明適用于全流式臺架試驗(yàn),適合不同型號的柴油機(jī),可以有效延長氣體組分在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間,保證等離子體活性基體與柴油機(jī)有害排放組分充分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng);同時(shí),結(jié)合“兩相”催化,可以有效降低柴油機(jī)排氣中的有害成分。另外還可以通過定期更換連接組件來保證低溫等離子體輔助催化裝置的工作性能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單,拆卸方便,經(jīng)濟(jì)適用性好。


下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明單根等離子體發(fā)生器示意圖。圖3是本發(fā)明的低溫等離子體放電部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的催化裝置。圖中,1總進(jìn)氣口,2氧化相催化裝置,3排氣口 A,4支架A,5進(jìn)氣口 A,6等離子體發(fā)生器,7排氣口 B,8支架B,9進(jìn)氣口 B,10還原相催化裝置,11總排氣口,12高壓電極,13 堵頭,14介質(zhì)層,16低壓電極,18堵頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明。本發(fā)明為處理柴油機(jī)有害排放的低溫等離子體協(xié)同“兩相”催化裝置。試驗(yàn)時(shí),先把三根或三根以上等離子體發(fā)生器的高壓電極12和低壓電極16分別并聯(lián)起來,然后高壓電極接變頻變壓等離子體電源,低壓電極接地,以產(chǎn)生等離子體。排氣口 A3和進(jìn)氣口 A5之間以及排氣口 B7和進(jìn)氣口 B9之間用硅膠管連接。柴油機(jī)排氣先通入氧化相催化裝置2進(jìn)行反應(yīng),再通過等離子體發(fā)生器6與活性基體反應(yīng),最后通入還原相催化裝置10進(jìn)一步反應(yīng)后排出。這種結(jié)構(gòu)不僅有利于降低柴油機(jī)排氣中的PM和NOx,同時(shí)CO和HC也得到凈化; 此外,這種結(jié)構(gòu)使得排氣被壓比較低,對柴油機(jī)的工作性能影響較小。進(jìn)氣口 A5的軸線與排氣口 B7的軸線平行且在同一平面,進(jìn)氣口 A5的開口與排氣口 B7開口方向相同。氧化相催化裝置2和還原相催化裝置10的外殼由不銹鋼制成。氧化相催化裝置 2的排氣口 A3和還原相催化裝置10的進(jìn)氣口 B9均沿圓盤截面均勻分布。
權(quán)利要求
1.一種低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置,其特征在于,包括總進(jìn)氣口(1),氧化相催化裝置(2),排氣口 A (3),支架A (4),等離子體發(fā)生器(6),支架B (8),進(jìn)氣口 B (9),還原相催化裝置(10),總排氣口(11);所述等離子體發(fā)生器由進(jìn)氣口 A (5)、高壓電極(1幻、堵頭 A(13)、介質(zhì)層(14)、低壓電極(16)、排氣口 B (7)和堵頭B (18)組成,所述介質(zhì)層(14)為圓管形石英玻璃管,石英玻璃管兩頭的管壁處分別設(shè)有進(jìn)氣口 A (5)和排氣口 B (7);所述圓管形石英玻璃管設(shè)于支架A (4)和支架B (8)上;所述支架和堵頭的材料是聚四氟乙烯; 所述高壓電極(1 為細(xì)鐵棒、置于石英玻璃管內(nèi),所述高壓電極(6)的兩頭分別從兩個(gè)堵頭中穿出;所述低壓電極(16)為康銅電極,所述低壓電極(16)為圓管狀,包裹于石英玻璃管的管壁外側(cè),通過引線接地;所述排氣口 A (3)和進(jìn)氣口 A (5)之間以及排氣口 B (7)和進(jìn)氣口 B (9)之間分別用硅膠管連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置,其特征在于,所述進(jìn)氣口A (5)的軸線與排氣口 B (7)的軸線平行且在同一平面,進(jìn)氣口 A (5)的開口與排氣口 B (7) 開口方向相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置,其特征在于,所述等離子體發(fā)生器(6)為三根或三根以上,在圓盤支架上均勻排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置,其特征在于,所述氧化相催化裝置(2)的排氣口 A (3)和還原相催化裝置(10)的進(jìn)氣口 B (9)均沿圓盤截面均勻分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置,其特征在于,所述氧化相催化裝置(2)和還原相催化裝置(10)的外殼由不銹鋼制成。
6.一種有害排放氣體處理方法,其特征在于,首先將有害排放氣體通過氧化相催化裝置進(jìn)行氧化相催化,再將氣體分流為三股或三股以上分別進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器,對氣體進(jìn)行低溫等離子介質(zhì)阻擋放電,最后通過還原相催化裝置對氣體進(jìn)行還原相催化;具體步驟為(A)有害排放氣體首先進(jìn)入氧化相催化裝置,主要是對PM進(jìn)行氧化處理,降低PM中大粒徑碳顆粒,同時(shí)也可以完成對HC進(jìn)行氧化處理;(B)氣體從氧化相催化裝置排出后分為三股或三股以上支流,分流的氣體分別進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器,在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)與激發(fā)態(tài)活性物種反應(yīng),主要對NO進(jìn)行氧化,轉(zhuǎn)化生成NO2為下一步還原成N2做準(zhǔn)備;此過程也可以完成對PM的二次處理;(C)氣體流出后匯聚成一股進(jìn)入還原相催化裝置,在還原性催化劑作用下,將轉(zhuǎn)化生成的NO2還原為N2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有害排放氣體處理方法,其特征在于,氣體進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器后,強(qiáng)制改變氣體流向,延長氣體在雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器的滯留時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫等離子體協(xié)同兩相催化裝置及處理有害排放氣體的方法,涉及柴油機(jī)有害排放氣體凈化處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明裝置包括總進(jìn)氣口(1),氧化相催化裝置(2),排氣口A(3),支架A(4),等離子體發(fā)生器(6),支架B(8),進(jìn)氣口B(9),還原相催化裝置(10),總排氣口(11);本發(fā)明方法首先將有害排放氣體通過氧化相催化裝置進(jìn)行氧化相催化,再將氣體分流為三股或三股以上分別進(jìn)入雙介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體發(fā)生器,對氣體進(jìn)行低溫等離子介質(zhì)阻擋放電,最后通過還原相催化裝置對氣體進(jìn)行還原相催化。本發(fā)明結(jié)合“兩相”催化裝置,進(jìn)一步增加廢氣的轉(zhuǎn)化效率,減少柴油機(jī)有害排放。
文檔編號B01D53/94GK102166474SQ201110057179
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者李小華, 王軍, 王攀, 蔡憶昔, 雷利利 申請人:江蘇大學(xué)
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