一种同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置
技术领域
本实用新型涉及一种去除气流中有害物的装置，特别涉及从气流中同时去除气态污染物和颗粒污染物的装置，属于大气污染控制和环境保护技术领域。
背景技术
化学、制药、火力发电、冶金、涂装和半导体等各种工业过程产生的废气中许多含有有害物，如烃、醇、醛、醚、酚、酮、酯、胺和杂环化合物等挥发性有机物，气态硫化物、气态氟化物，氨、硫氧化物和一氧化氮等无机物，有些废气往往还含有颗粒污染物，如粉尘、烟雾、酸雾和气溶胶等。这些污染物不仅对人体有害，大量排放将对大气环境产生严重的影响，是大气光化学雾形成的主要原因之一。
但是这些物质或者水溶性不好、挥发性强或者化学结构稳定、不易降解的特点，给净化带来很大的困难。如机械、电器仪表、轻工、建筑和机车等各行业的喷漆房和工作台在涂装、印刷等过程产生大量含漆雾和挥发性有机物(VOCs)的废气，其中的漆雾通常采用水帘、水幕或水洗式等处理装置来处理，净化效率较低。而其中的三苯类、醇、酮和酯等有机溶剂由于其难溶于水而被直接排入周围大气。由燃料燃烧产生的氮氧化物(主要为NO)、二氧化硫(SO2)和颗粒污染物也是环保治理的重点之一。
气体放电产生的非平衡等离子体作为一项新型废气治理技术，已开始在工业过程应用。非平衡等离子体通常由脉冲气体放电方式产生的，虽然脉冲气体放电是一种非常有效的等离子体的产生方式，但是由于脉冲电源的技术要求高，因而难以在工业中大规模应用。申请人提出了一种在反应器内直接产生脉冲放电的方法并用于有害气体的治理(CN109316916A和CN109316911A)，但缺点是不能同时去除气态污染物和颗粒污染物，本实用新型是在上述实用新型的基础上进行改进和创新。
发明内容
本实用新型目的是设计和提供一种同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置，可以采用直流电源，能够同时除去气流中的气态污染物和颗粒污染物，具有去除效率高、能耗低，操作方便的优点。
本实用新型采用的技术方案为：
本实用新型提供一种同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置，所述装置包括中空的壳体、所述壳体内的一组或多组电极和吸收液循环器;所述的壳体上设有气体进口和气体出口，所述的壳体内壁设有接地电极板，所述接地电极板侧边一端设有吸收液入口，另一端设有吸收液出口，所述吸收液出口与循环水槽连通;所述的壳体内部构成气流通道;
所述的吸收液循环器包括进液管、与所述进液管连接的循环泵、循环水槽及导流板组成，所述循环水槽设有加液口和排液口;所述进液管一端与吸收液入口连接，另一端通过循环水泵和连接管与所述循环水槽连通;所述的吸收液入口位于所述的接地电极板侧边远离吸收液出口的那一端，所述的导流板设在所述吸收液入口液流出口处，所述的导流板的位置使所述吸收液入口进入的液流通过所述的导流板的引导沿所述的接地电极板自上而下流动，使接地电极板表面形成吸收液液膜，用于同时吸收除去气流中有害物的降解产物和颗粒污染物;
所述电极由轴向的中心电极棒和固定在中心电极棒上的若干沿轴向平行排布的径向的放电电极构成，所述放电电极由交叉互成角度的长放电电极和短放电电极组成;所述的放电电极以中心电极棒为轴对称均匀分布，所述放电电极与接地电极之间的空间距离作为被处理气体的气体通道，所述气体通道构成所述的放电反应区;
所述的中心电极棒与旋转电机的电机轴连接，所述旋转电机通过压片机构与高压电源连接线连接，在电机带动下旋转，通过调整电机转速调整气体放电频率;所述的装置整体呈气密闭。
进一步，所述的放电电极和接地电极的结构包括针-板、针-管、线-管或线-板组合，所述放电电极的材料包括不锈钢、钛、钨、铅或合金金属材料以及相关复合材料，优选不锈钢圆棒，所述放电电极两端均为半圆球。
进一步，所述放电电极和接地电极之间的空间距离通过调整旋转电机转动，使所述的空间距离呈现远近交替变化。所述电机转速可视需要调节，转速快，能量输入大，有害物的去除率高，无特殊要求，一般机械方式的变化速度在3000转/分以下，优选50-300转/分，转速在500转/分以上时，去除率实际效果提高幅度不太。
进一步，所述壳体内相邻两组中心电极棒距离一般为100mm或以上，所述每个中心电极棒上相邻两放电电极距离一般为20mm或以上。
进一步，所述装置的壳体包括长方体或直筒体，也可以是多边体或圆柱体，壳体可作为接地电极板。
进一步，所述壳体为长方体，长600mm，宽120mm，高250mm，整体密封，漏风量小于1%，所述壳体内均布有3组电极，所述每个中心电极棒上沿垂直方向水平对称分布有9对放电电极，中心电极棒尺寸为Φ10mm×300mm，长放电电极尺寸为Φ5mm×35mm，短放电电极尺寸为Φ5mm×25mm，所述气体放电反应区有效长度约300mm。
进一步，所述壳体为六边直筒体，筒体材料为不锈钢并作为接地电极板，所述筒体的六边形外接圆的直径为120mm，筒体高600mm;所述筒体中心设置有1组电极，中心电极棒尺寸为Φ10mm×550mm，所述中心电极棒上沿垂直方向水平对称分布有9对放电电极，长放电电极尺寸为Φ5mm×35mm，短放电电极尺寸为Φ5mm×25mm，气体放电反应区有效长度约300mm。
进一步，所述长放电电极与短放电电极互成90°角。
本实用新型所述长放电电极主要作用是有害气体降解和氧化，短放电电极主要作用为颗粒污染物荷电和去除，可作为辅助放电电极提供颗粒污染物荷电。中心电极棒与高压电源和电机轴连接，在电机带动下旋转，通过调整电机转速调整气体放电频率。对所述的放电电极对施加高电压，当所述的接地电极与长放电电极之间空间距离缩短到一定时，气体瞬间被电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气体放电反应区，从所述的装置一端的气体进口导入的含有害物的气流经过所述的气体放电反应区时，气流中的有害气体被氧化和降解，降解产物或中间产物被接地极表面的吸收液液膜吸收，从气流中得到去除;而气流中的颗粒污染物在电场作用下经荷电并向作为集尘极的接地极的一侧移动并被所述的吸收液液膜捕获，净化后的气流通过设置在装置另一端的气体出口排出，所述的吸收液由装置下部的循环水槽收集后经固液分离后可通过循环水泵循环使用。
本实用新型所述的放电电极对通常有针-板式、针-针式、针-管式、线-管式、线-板式和线-线等多种结构组合，效果大体相当，结构类似静电除尘器，电极可多对组合，电极可水平放置也可垂直放置，具体可依据装置的结构形状和气流方向设计和确定。所述电极材料一般为不锈钢、钛、钨、铅和合金等导电良好且耐腐蚀的金属材料以及相关复合材料。所述电极的供电方式一般为直流或高频脉冲，电压一般为正1kV以上或负1kV以下，优选±10kV-±150kV，其中放电电极接高压电源，正电压和负电压的效果大体相当，施加电压与电极对之间的距离成正比，一般电极距离每增加10mm，输入电压可增加5kV-10kV，电极间距离和电压主要取决于处理气体的成分，具体可参看相关气体放电手册。一般电压高能量释放大，有害物的去除效率高，电极对越多，输入功率越大，去除效果越好。本实用新型所述的有害物气体在放电等离子体区的停留时间一般为0.2s以上，停留时间越长，去除效果越好，优选2s-120s，超过120s，去除效果提高幅度不大。
本实用新型所述放电电极对的主要作用有：一是通过气体放电电离气体提供有害气体降解需要的化学反应自由基，二是提供颗粒污染物荷电需要的离子，三是提供颗粒污染物移动的电场。为此，放电电极采用放电方向上不同长度电极组组合，以满足同时降解有害气体和颗粒污染物荷电除尘的需要，其中长电极起降解和氧化有害气体的作用，短电极起到电晕放电除尘的作用。作为接地电极的作用主要有：一是提供气体放电所需的电极对，二是可作为颗粒污染物的集尘极。作为接地电极表面的吸收液液膜的主要作用有：一是通过气液吸收除去有害气体的降解产物和中间产物，二是除去气流中的颗粒污染物。
本实用新型还提供一种同时去除气流中气态和颗粒有害物装置的使用方法，所述方法为：将待处理的含有害物的气体通过气体进口导入所述的装置，把高压电源连接线与高压电源连接，接地电极板接地，电机通电后，电机通过中心电极棒带动放电电极对旋转，当长放电电极两端距离接地电极板距离最近时，所述放电电极和接地电极板之间的气体瞬间被电离，气体放电，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气体放电反应区，从所述的气体进口导入的含有害气体的气流经过所述的气体放电反应区后，气流中的有害气体被氧化和降解，水溶性的降解产物或中间产物被覆盖在接地极表面的吸收液液膜吸收，从气流中得到去除;当短放电电极两端距离接地电极板距离最近时，所述电极端发生电晕放电，提供颗粒污染物荷电，气流中的颗粒污染物经荷电并在电场作用下向作为集尘极的接地极的一侧移动并被所述的吸收液液膜捕获，净化后的气流通过设置在装置另一端的气体出口排出，从而达到气体净化的目的;所述吸收液由装置下部的循环水槽收集后经固液分离后可通过循环水泵循环使用。
进一步，所述有害物包括气态污染物和颗粒污染物，气态污染物包括包括挥发性有机气体和无机气体，优选烃、醇、醛、醚、酚、酮、酯、胺、杂环化合物、气态硫化物、气态氟化物、氨、硫氧化物和一氧化氮，颗粒污染物包括粉尘、液滴、烟雾以及气溶胶，颗粒物浓度为10-1000mg/m3，优选150-500mg/m3。
进一步，所述含有害物的气体包括：(1)锅炉燃烧烟气，其中氧气约8%(体积，下同)，二氧化碳约12%，水分约10%，颗粒污染物颗粒物浓度约500mg/m3;(2)涂装喷漆过程产生的废气，废气中VOCs主要成分为二甲苯和丁醇的混合物，浓度约为100mg/m3-150mg/m3，颗粒污染物漆雾浓度约为150mg/m3-200mg/m3;(3)纺织印染工艺织物高温定型过程产生的废气，湿度约为85%，固体颗粒物浓度约300mg/m3，VOCs(含气态油烟)浓度约300mg/m3;(4)金属冶炼淬火生产工艺产生的废气，主要污染物为固体颗粒物浓度约250mg/m3，VOCs(含气态油烟)浓度约100mg/m3;(5)化工化纤生产过程产生的废气，主要污染物为固体颗粒物浓度约300mg/m3，二硫化碳浓度约100mg/m3，有害物载气为空气;(6)化工生产过程产生，含二氯甲烷和少量粉尘，粉尘浓度约200mg/m3，二氯甲烷浓度约150mg/m3，载气为空气;(7)制药生产过程产生的发酵废气，含有恶臭气体和少量粉尘，主要污染物为固体颗粒物浓度约250mg/m3，臭气浓度约10000(稀释倍数)，载气为空气。
进一步，所述有害气体在放电区的停留时间为0.2s以上，更优选0.5-2s，所述有害气体流量为10-21m3/h，气体进口温度为20-120℃(优选60-120℃)。
进一步，所述吸收液包括清水、氯化锂水溶液、氯化钙水溶液或溴化锂水溶液，质量浓度优选为1-50%，更优选清水、质量浓度1%氢氧化钠水溶液或质量浓度50%氯化锂水溶液，所述吸收液流量为20-30L/h。
进一步，所述电源为直流电源，电压为-35～35kV，功率为50-200W，电机转速为50-150转/分。
本实用新型所述吸收液一般可采用清水、碱液或酸性溶液作为吸收剂，具体可根据不同的处理对象和处理要求选择相应的吸收液，对含硫和含卤素类等有机物的去除可采用碱性吸收液，以有利吸收有害气体降解产生的酸性气体。为了使吸收过程可在较高温度下进行，也可以在吸收液中加入一定浓度的氯化锂、氯化钙或溴化锂盐，减少吸收液的蒸发。所述吸收液的流量无特殊要求，一般在电极表面的形成的液膜厚度为1-5mm，具体可视需要调节。
采用清水为吸收液，经过上述处理后氮氧化物被吸收后的主要产物为稀硝酸，二氧化硫的产物为稀硫酸。吸收液可循环使用，也可不循环使用，一般吸收液浓度较高时需更换吸收液。对于氮氧化物，吸收液可采用如氢氧化钠(钾)、氢氧化钙、碳酸钠(钾、钙)等碱液，可得到相关盐类，也可加入亚硫酸钠和尿素等还原剂，使吸收后的氮氧化物可还原为氮气。也可以采用硫酸(包括浓硫酸)溶液作为吸收液去除有害气体，对于采用酸性液体作为吸收液，接地电极可采用耐酸材料，包括塑料、玻璃钢和陶瓷等，可通过电极上的吸收液膜导电。
本实用新型所述的有害物包括气态污染物和颗粒污染物，其中气态污染物包括烃、醇、醛、醚、酚、酮、酯、胺和杂环化合物等挥发性有机物，气态硫化物、气态氟化物，氨、硫氧化物和一氧化氮等无机气体，颗粒污染物包括粉尘、液滴、烟雾以及气溶胶等污染物。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果主要体现在：本实用新型放电电极采用不同长度电极组合，其中长电极起降解和氧化有害气体的作用，短电极起到电晕放电除尘的作用，在同一装置中实现了同时去除有害气体和颗粒污染物，降低了设备投资和使用成本，提高了有害物的去除效率和能源利用效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例1-5所用长方体去除气流中有害物装置结构示意图，1气体进口;2高压电源连接线;3旋转电机;4进液管;5中心电极棒;6导流板;7气体出口;8加液口;9循环水槽;10排液口。
图2为图1的剖面图，11长放电电极;12短放电电极;13接地电极板;14循环水泵;15连接管。
图3为本实用新型实施例6-8采用的柱体去除气流中有害物装置的示意图，1气体进口;2高压电源连接线;3旋转电机;4进液管;5中心电极棒;6导流板;7气体出口;8加液口;9循环水槽;10排液口，13接地电极板。
图4为图3的剖面图，11长放电电极;12短放电电极;13接地电极板;14循环水泵;15连接管。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，一种同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置，所述装置包括中空的壳体、所述壳体内的一组或多组电极和吸收液循环器;所述的壳体上设有气体进口1和气体出口7，所述的壳体内壁设有接地电极板13，所述接地电极板侧边一端设有吸收液入口，另一端设有吸收液出口，所述吸收液出口与循环水槽连通，所述的壳体内部构成气流通道;
所述的吸收液循环器包括进液管4、与所述进液管连接的循环水泵14、循环水槽9及导流板6组成，所述循环水槽9设有加液口8和排液口10;所述进液管4一端与吸收液入口连接，另一端通过循环水泵14和连接管15与所述循环水槽9连通;所述的吸收液入口位于所述的接地电极板侧边远离吸收液出口的那一端，所述的导流板6设在所述吸收液入口液流出口处，所述的导流板的位置使所述吸收液入口进入的液流通过所述的导流板的引导沿所述的接地电极板自上而下流动，使接地电极板表面形成吸收液液膜，用于同时吸收除去气流中有害物的降解产物和颗粒污染物;
所述电极由轴向的中心电极棒和固定在中心电极棒上的若干沿轴向平行排布的径向的放电电极构成，所述放电电极由交叉互成90°角的长放电电极11和短放电电极12组成，其中中心电极棒为Z向，长放电电极为X向，短放电电极为Y向;所述的放电电极以中心电极棒为轴对称自上而下均匀分布，所述放电电极与接地电极板之间的空间距离作为被处理气体的气体通道，所述的气体通道构成所述的放电反应区;
所述的中心电极棒与旋转电机3的电机轴连接，所述旋转电机3通过压片机构与高压电源连接线2电连接;所述的装置整体呈气密闭。
所述装置为长方体，长600mm(单位下同)，宽120mm，高250mm，整体密封，漏风量小于1%。气体流道为单通道，通道两侧内衬接地电极板，气体放电反应区有效长度约300mm，通道内沿流道中心均布有3组电极，相邻两组中心电极棒距离为100mm，所述中心电极棒上沿垂直方向水平对称分布有9对放电电极，所述长放电电极尺寸为Φ5mm×35mm，短放电电极尺寸为Φ5mm×25mm，其中长放电电极主要作用是氧化和降解有害气体，短放电电极的主要作用是产生电晕除去颗粒污染物。长放电电极和短放电电极的材质均为不锈钢圆棒，且两端均为半圆球，相邻两放电电极对距离为20mm，中心电极棒尺寸为Φ10mm×300mm。通过调整电机转速可以调整气体放电频率，使所述接地电极板表面形成均匀的吸收液液膜。
处理工艺流程：将待处理的含有害物的气流通过气体进口(1)导入装置，高压电源连接线(2)与高压电源连接，接地电极板(13)接地，循环水槽(9)里的吸收液通过连接管(15)、循环水泵(14)和进液管(4)导入装置上部的导流板(6)，使所述装置的接地电极板(13)表面形成吸收液液膜，旋转电机(3)通电后，电机通过中心电极棒(5)带动放电电极(11和12)旋转，当长放电电极(11)两端距离接地电极板距离最近时，所述放电电极和接地电极板之间的气体瞬间被电离，气体放电，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气体放电反应区，从所述的气体进口(1)导入的含有害物的气流经过所述的气体放电反应区后，气流中的有害气体被氧化和降解，所述有害气体的降解产物被接地电极表面的吸收液液膜吸收，从气流中得到去除，当短放电电极(12)两端距离接地电极板距离最近时，所述电极表面发生电晕发电，使粉尘荷电，气流中的颗粒污染物在电场作用下，向接地电极板移动，被所述吸收液捕获而得到去除，净化后的气流通过气体出口(7)排出。所述装置下部的循环水槽(9)设置加液口(8)和排液口(10)，吸收液由循环水槽(9)收集和固液分离后可循环使用。
实验条件为：锅炉燃烧烟气，流量约21m3/h，其中氧气约8%(体积，下同)，二氧化碳约12%，水分约10%，二氧化硫气体进口浓度约为800mg/m3，一氧化氮进口浓度约为500mg/m3，颗粒污染物颗粒物浓度约500mg/m3，烟气气流的气体进口约为70℃。吸收液为清水，吸收液流量约为30L/h，电极供电方式为正直流电源，电压约35kV，电源功率约200W，电机转速：约100转/分，所述有害气体在放电区的停留时间为0.5-2s，实验结果为二氧化硫的出口浓度约为35mg/m3，氮氧化物出口浓度约为25mg/m3，颗粒污染物出口浓度约为20mg/m3。
实施例2：
同实施例1，同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置如图1所示。
处理废气为涂装喷漆过程产生的废气，气体流量约为12m3/h，废气中VOCs主要成分为二甲苯和丁醇的混合物，浓度约为100mg/m3-150mg/m3，颗粒污染物漆雾浓度约为150mg/m3-200mg/m3。电机转速：约50转/分，吸收液为清水。电极供电方式为负直流电源，直流电压约-35kV，其他条件同实施例1。实验结果为VOCs的出口浓度约为20mg/m3-30mg/m3，漆雾出口浓度约为10mg/m3-15mg/m3。
实施例3：
同实施例1，同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置如图1所示。
处理废气为纺织印染工艺织物高温定型过程产生的废气，气体流量约为18m3/h，废气气流的进口温度约为120℃，湿度约为85%，固体颗粒物浓度约300mg/m3，VOCs(含气态油烟)浓度约300mg/m3。电机转速：约150转/分，吸收液采用吸收液为质量浓度50%溴化锂水溶液。其他条件同实施例1。实验结果为VOCs的出口浓度约为30mg/m3，颗粒污染物出口浓度约为15mg/m3。
实施例4：
同实施例1，同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置如图1所示。
处理废气为金属冶炼淬火生产工艺产生的废气，主要污染物为固体颗粒物浓度约250mg/m3，VOCs(含气态油烟)浓度约100mg/m3。气体流量约为21m3/h，废气气流的气体进口约为60℃。电机转速：约50转/分，吸收液为清水。电极供电方式为负直流电源，直流电压约-35kV，其他条件同实施例1。实验结果为VOCs的出口浓度约为20mg/m3，固体污染物出口浓度约为15mg/m3。
实施例5：
同实施例1，同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置如图1所示。
处理废气为化工化纤生产过程产生的废气，主要污染物为固体颗粒物浓度约300mg/m3，二硫化碳浓度约100mg/m3，有害物载气为空气，气体流量约为15m3/h，气体温度为常温(25-30℃)。吸收液采用吸收液为质量浓度50%溴化锂水溶液，其他条件同实施例1。实验结果为二硫化碳的出口浓度约为10mg/m3，颗粒污染物出口浓度约为15mg/m3。
实施例6：
将实施例1图1同时去除气流中气态和颗粒有害物的装置的壳体改为六边直筒体，如图3所示，装置高约600mm，筒体材料为不锈钢并作为接地电极板，所述六边型的外接圆的直径约为Φ120mm，气体放电反应区有效长度约300mm，筒体中心设置有1根中心电极棒，中心电极棒尺寸为Φ10mm×550mm，其他同实施例1。
处理工艺流程与实施例1基本相同，不同之处在于：处理废气为化工生产过程产生，含二氯甲烷和少量粉尘，粉尘浓度约200mg/m3，二氯甲烷浓度约150mg/m3，载气为空气，气体流量约为10m3/h，气体温度为常温(25-30℃)。吸收液为质量浓度1%氢氧化钠水溶液，吸收液流量约为20L/h。电机转速：约50转/分。电极供电方式为正直流电源，直流电压约25kV，电源功率约100W。实验结果为二氯甲烷的出口浓度约为15mg/m3，粉尘出口浓度约为10mg/m3。
实施例7：
采用实施例6装置，处理废气为制药生产过程产生的发酵废气，含有恶臭气体和少量粉尘，主要污染物为固体颗粒物浓度约250mg/m3，臭气浓度约10000(稀释倍数)，载气为空气，气体流量约为12m3/h，气体温度为60℃。吸收液为清水，电极供电方式为正直流电源，直流电压约15kV，电源功率约50W。其他条件同实施例1。实验结果为臭气浓度约800(稀释倍数)颗粒污染物出口浓度约为15mg/m3。
实施例8：
采用实施例6装置，处理废气为锅炉燃烧烟气，气体流量约12m3/h，其中氧气约8%(体积，下同)，二氧化碳约12%，水分约10%，二氧化硫气体进口浓度约为800mg/m3，一氧化氮进口浓度约为500mg/m3，颗粒污染物颗粒物浓度约500mg/m3，废气气流的气体进口约为70℃，其他条件同实施例6。实验结果为二氧化硫的出口浓度约为30mg/m3，氮氧化物出口浓度约为20mg/m3，颗粒污染物出口浓度约为20mg/m3。
应该说明的是，以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，本实用新型的保护范围不限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
