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《浙江大学》 2004年
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脉冲放电等离子体治理有机废气放大试验研究

聂勇  
【摘要】: 有机废气的污染日益受到重视,现有的控制技术尚不完善。脉冲放电等离子体法被认为是一种很有前途的治理有害废气的新技术。浙江大学从1993年起在国内率先开展了脉冲放电等离子体治理有机废气的研究,已做了较详细的实验工作:考察了影响去除率的主要因素、与催化剂相结合的协同效应、脉冲电源与交流电源的比较、反应器的评价等,表明该技术能有效的治理低浓度有机废气,同时具有工艺流程短、运行效率高、能耗低、适用范围广等优点,为该技术的进一步放大试验研究奠定了基础。 基于上述小试成果,本文主要对有机废气中的代表性污染物模拟甲苯废气,在线板式反应器内进行了系统的放大试验研究,同时将该技术应用于实用目标炼油厂模拟恶臭废气(工业上排放的恶臭废气主要是含硫含氮的挥发性有机废气)的治理。试验采用了基于晶闸管开关、Blumlein脉冲形成网络和脉冲变压器技术的高压脉冲电源,其最大输出功率1kW,最大脉冲电压峰值100kV。放大试验规模4~16m~3·h~(-1)。希望通过放大试验研究,解决这一过程技术不同尺度的量化设计和放大问题。 本文的主要内容及取得的成果和结论如下: 1)应用脉冲放电等离子体技术,在线板式反应器内对模拟甲苯废气的治理进行放大试验,试验考察了峰值电压(峰值电场强度)、重复频率、进口浓度、处理气量各单因素对甲苯去除率的影响。结果表明:峰值电场强度在9~12kV·cm~(-1)范围内增加,甲苯去除率相应明显提高;当处理气量4m~3·h~(-1)、脉冲电压峰值69kV、进口浓度1180mg·m~(-3)、重复频率300pps时,甲苯的去除率可达88%,反应器的能量利用率在16g·kWh~(-1)左右;甲苯的降解产物主要是CO_2和H_2O,还有少量CO。 2)应用脉冲放电等离子体技术,在三种不同电极结构的线板式反应器内对模拟甲苯废气的治理进行了放大试验,试验规模4m~3·h~(-1),三种反应器是(a)无阻挡式、(b)陶瓷板阻挡式和(c)陶瓷板阻挡并负载MnO_x催化剂式。结果表明:甲苯的进口浓度5400mg·m~(-3)、处理气量4m~3·h~(-1)、峰值电压67kV、重复频率300pps时,(a)的甲苯去除率为47%,(b)的为64%,(c)的可达80%,与小试的去除率相比,放大效应不明显;能量密度相同时,(c)的甲苯能量利用率最高,(b)的次之,(a)最低;陶瓷板的阻挡,有效的降低反应器内放电产生的臭氧浓度;峰值电压相同时,陶瓷板的阻挡,有利于提高电压次峰、峰值电流、峰值功率、单脉冲能量及其注入反应器的平均功率;MnO_x催化剂的存在,可强化放电等离子体去除甲苯的过程。 3)应用脉冲放电等离子体技术,在上述线板式反应器内对炼油厂恶臭气体中代表性污染物硫化氢、氨、乙硫醇、三甲胺的去除进行了试验。试验考察了峰值电压、重复频率、进口浓度、处理气量、背景气体各单因素对去除率的影响。结果表明:处理气量10m~3·h(-1),重复频率200pps时,硫化氢、氨、乙硫醇、三甲胺最大去除率分别为100%,92%,85%,86%;在有正己烷背景气体存在时,乙硫醇的去除可不受低浓度背景气体影响;在高浓度背景气体情况下,乙硫醇的去除率有所降低,其它恶臭废气也有类似规律;产物分析表明:硫化氢和乙硫醇中元素硫大部分转化为二氧化硫,氨、三甲胺中元素氮大部分转化为氮氧化物,由于恶臭气体本身浓度低,转化后含二氧化硫、氮氧化物的废气几乎没有异味,也远低于排放标准。 4)应用脉冲放电等离子体技术,以模拟甲苯废气为治理对象,在线板式反应器内进行了结构改进试验。考察了线板式反应器内的电晕线间距及在反应器内引入的折流板对甲苯去除率的影响;通过求解拉普拉斯方程,分析了不同电晕线间距的电晕区范围;通过简化放电回路,分析了反应器峰值阻抗与电源的输出特性阻抗的比值β与电源的能量效率θ关系。结果表明:当电晕线间相互屏蔽效应小时,应缩小电晕线间距,增加沿反应器长度方向上布置电 浙已上大学博d匕学仁土金仑文 摘要 晕极的根数,相应增加了总的电晕区,而当电晕线间相互屏蔽效应开始明显增大时,此时继 续追求电晕极的根数将导致总的电晕区减小,反应器设计中,电晕线间距和电晕线与极板间 距之比以0.8左右较好;反应器内加折流板,甲苯的去除率有所提高;简化模型分析表明当 刀=1时输出功率最大;这与试验结果相符,峰值电压增大,反应器的峰值阻抗降低,其与脉 冲电源的输出特性阻抗比值刀趋近1,电源的能量效率相应增大,最大可达92%。 5)将串联全混流反应器物料衡算与等离子体反应动力学模型结合起来分析了线板式等 离子体反应器内的化学行为。利用模型分析了工业放大反应器的串、并联组合方式。为了放 电电极更好的布置,采用并联组合方式更好。 6)对脉冲放电等离子体技术的有效性、经济性进行了分析;根据放大试验的研究数据, 利用线性外推法计算了气量1000扩·h-l的混合恶臭废气脱除电源功耗,并初算了这一气量 下的反应器结构参数;对脉冲放电等离子体法与催化燃烧法的技术经济指标作了初步比较。
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