发生随机性流光放电等离子体的工业装置及其应用

摘要

本发明公开了一种发生随机性流光放电等离子体的工业装置，该装置由供电电源，放电系统，反应器及化学、物理处理工艺系统构成。所述供电电源由高压直流电源、高频交流或脉冲电源及用于耦合直流与交流电源的LR匹配网构成；所述放电系统由放电极和接地极构成；所述反应器可以为立式或卧式，干式或湿式，湿式又可为分区型或非分区型，由一个单元或数个单元并联，每个单元由一段或数段串联，各单元和段可独立供电或共同供电，实现集散控制。该工业装置，流光放电电压范围宽，重复频率高，功率大，价格低，流光发生具有随机性，可以在工业反应器内发生稳定且时空分布良好的流光放电，可广泛用于空气净化、烟气净化、水净化及土壤净化。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体发生技术领域，特别涉及随机性等离子体发生技术及其在环境保护领域的应用。

背景技术

众所周知，有效引发化学效应的放电模式是正极性流光放电等离子体。目前公开报道的流光放电等离子体发生技术皆属于同步性等离子体发生技术，其技术的主要特征是：利用高压窄脉冲电源向反应器供电，当所加电压高于电晕起始电压时，脉冲流光放电形成，在反应器中产生等离子体。所用的反应器种类有线-筒型、线-板型、点-板型和线-线型。当高压脉冲电压从反应器的一端向另一端传播时，流光放电相继产生，不同位置的第一次流光产生的时延ΔT一般为：ΔT/ΔL≤5ns/m，其中ΔL为两点间距。

实际上，在脉冲供电情况下，等离子体反应器的放电极有效长度一般为1-6米，反应器中的流光放电几乎同时产生，故称同步性流光放电等离子体。伴随脉冲电压，流光放电产生一较窄的脉冲放电电流。上述脉冲电压也可叠加一直流基压，所产生的脉冲放电电流及流光放电有相同的特征。

发生同步性等离子体的脉冲电源为窄脉冲电源，电压上升时间为10-100ns，脉宽50-500ns，重复频率为1-2kHz。由于它成本高、技术难度大，很难得到广泛的工业应用，而且高电压大电流快速开关也还需要进一步开发研制。

直流正高压放电模式随电压升高，等离子体可呈起始流光，辉光，预击穿流光，火花放电。直流电压产生流光放电的电压范围窄，使用直流电压在许多工业反应器内发生流光放电等离子体，会出现较大死区和不稳定等现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种发生随机性流光放电等离子体的工业装置，该发生装置所采用的电源价格低廉，流光放电的电压范围宽，重复频率高，功率大，流光的发生具有随机性，可以在工业反应器内发生稳定且时空分布良好的流光放电，实现多种化工处理效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发生随机性流光放电等离子体的工业装置，包括由放电极和接地极构成的电极系统，由吸收剂、中和剂、氧化剂、催化剂构成的化学、物理处理工艺装置，反应器和供电电源。所述供电电源由高压直流电源、高频交流或脉冲电源及用于耦合直流与交流或脉冲电源的LR匹配网构成，这种电源简称为AC/DC电源；所述放电极和接地极安置在反应器内，放电极与安置在反应器外的供电电源连接；所述化学、物理处理工艺装置由雾化器、化学剂罐、生成物罐及储槽(池)构成，其中雾化器分别安置在反应器内主反应区的入口和顶部，该雾化器通过管道和泵分别与化学剂罐、生成物罐连接，所述生成物罐还通过管道分别与反应器及储槽(池)连接。在处理固体物情形，用造粒装置取代雾化器。

所述LR匹配网采用电容耦合时，该网可由1-3组LR缓冲电路和一个耦合电容构成，所述LR匹配网采用直接耦合时，该网可由1-2组LR缓冲电路和一个隔离变压器构成。

所述LR匹配网中的电感L为固定电感，或可变电感，或它们的组合，匹配网中可设置实现交(或脉冲)直流耦合的辅助器件，该器件为二极管、电容、变压器等。

所述供电电源为正极性高压电源，电压峰值小于200kV，其中高压直流电源电压小于100kV，其中周期性电压频率在1-100kHz之间，峰-峰值之半或脉冲峰值电压小于100kV。

所述施加在放电极上的电压为直流基压与具有正弦波或三角形波或方形波或脉冲波的高频交流电压的叠加。

发生随机性流光放电等离子体的工业装置的反应器可为立式或卧式；可为湿式或干式；湿式反应器可为分区型或非分区型，分区型湿式反应器设有串联的热化学反应区和等离子体反应区，含污气体先通过热化学反应区，用化学剂处理气体中的污染物，并使之在液相中浓集，再送入一个或将气液分送两个不同的等离子体反应区，经受流光放电处理，进一步脱除气体污染物和使溶质氧化或降解。非分区型湿式反应器是在同一空间进行热化学反应和等离子体化学反应的。

等离子体反应区的电极结构可为线-筒型或线-板型；放电极可为锯齿线或刀棱线；接地极表面可为多孔的或光滑的；反应器可为一个单元，也可为数个单元并联，每个单元可由一段或数段串联组成；根据单元和段的组合特征，可单独供电或共同供电，实现集散控制。

本发明提供的发生随机性流光放电等离子体的工业装置能够应用于空气净化、烟气净化、水净化及土壤净化。

本发明提供的发生随机性流光放电等离子体的工业装置与同步性流光放电等离子体发生装置相比，有如下的有益效果：

1、在直流基压上叠加适当的交流或脉冲电压发生的流光放电电压范围宽，可以在工业反应器内发生稳定且时空分布良好的流光放电，施加直流叠加适当交流或脉冲电压的正高压，点极对接地极的放电模式随电压升高、等离子体只出现流光放电及火花放电两种形态。

2、AC/DC电源所发生的电压波形具有较宽的脉冲，如正弦波电压、三角形波电压、方形波电压或较宽脉冲电压产生的流光放电脉冲，与采用窄脉冲电压发生的同步性流光放电等离子体相比，其放电的伏安特性有根本区别，当其流光放电脉冲出现时，反应器上的电压由于流光的发生而降低，且作用在电极的电压脉冲持续时间长，由于AC/DC电源电压较低，流光发生可分布在几十至几百微秒(μs)的时延范围内，具有随机性，而且功率大，重复频率为1-100kHz。本发明所使用的AC/DC电源造价只有窄脉冲高压电源的十分之一，这为随机性流光放电的工业应用开辟了新的发展空间。

3、分区型湿式反应器具有热化学反应区，使用化学剂处理含污气体中的污染物，使之在液相中浓集，并将此溶液和经过热化学反应区脱污处理后的气体送入一个或将气液分送两个不同的等离子体反应区经受流光放电处理，由于溶液浓度较高，提高了反应速度，在较低能耗下使污染物氧化或降解，并进一步脱除气体污染物；分区型湿式反应器与在同一空间进行热化学反应和等离子体反应的非分区型湿式反应器相比，电耗降低30％-50％。

4、接地极表面为多孔形时，增加了比表面积，提高了传质系数，使流光放电反应速率增加。

附图说明

图1电极结构的示意图；

图2电容耦合LR匹配网；

图3直接耦合LR匹配网；

图4点-板型电极结构放电模式随AC/DC供电电压变化的不同形态；

图5直流基压叠加正弦波电压产生的流光放电脉冲；

图6直流基压叠加三角形波电压产生的流光放电脉冲；

图7直流基压叠加方形波电压产生的流光放电脉冲；

图8直流基压叠加脉冲电压产生的流光放电脉冲；

图9高速公路隧道空气净化工艺流程示意图；

图10空气中VOC的净化工艺流程示意图；

图11空气中除臭及灭菌工艺流程示意图；

图12流光放电烟气脱硫半湿法流程示意图；

图13游泳池用水净化处理工艺流程示意图；

图14污泥或土壤处理工艺流程示意图。

具体实施方式一：高速公路隧道空气净化

由于机动车的尾气污染，高速公路隧道中的NOx可达10ppm左右，且有一定浓度的碳氢化合物、硫化物和黑烟，不仅降低了能见度，而且可引发多种疾病。本实施方式利用本发明可对隧道中各种有害气体及颗粒物进行同时处理和收集。

表1等离子体净化高速公路隧道空气系统参数

空气流量10000m³/h反应器一段卧式线-板型湿式反应器等离子体放电能量密度≤0.3Wh/m³等离子体放电功率≤3kW直流高压电源20-30kV，1kW高频交流电源30kV，2kW，50kHz，方形波(如图7)LR匹配网采用电容耦合，三组LR缓冲电路和一个耦合电容(如图2)反应器中气液比≥2500水循环量≤4m³/h处理时间1秒气体流速2m/sNOx排放浓度≤0.5ppm碳氢化合物及硫化物排放浓度≤1ppm烟尘排放浓度≤5mg/m³

为防止O₃泄漏，在反应器的末端增加一臭氧分解器。废水另处理。

在隧道中，放电等离子体所产生的活性自由基有OH，O及HO₂，在等离子体的作用下NOx和SO₂分别氧化为HNO₃及H₂SO₄溶于水，碳氢化合物氧化为相关的气溶胶。烟尘及所形成的气溶胶粒子被强制荷电，在库仑力作用下得到收集。

图9为工艺流程示意图，污染的空气从非分区型卧式反应器6入口经气流均布板进入主反应区，反应器电场有效长度为2.0m、宽度为1.2m、高度为1.2m，为线-板型(如图1b)六单元湿式反应器，板距和线距均为200mm，放电系统使用十字锯齿形放电极1连接至AC/DC电源8，采用共同供电的集散控制，在低于火花放电电压下，在电压较宽范围内产生流光放电(如图4)，接地极2为光滑表面的型板。被处理的气体经6的出口排入高速公路隧道中或外。污染气进入6，首先经过侧向雾化器9a加湿，且与污染空气发生热化学反应，用液是由设置在6底部的生成物罐11经泵注入的，顶喷则是由设置在6上部的雾化器9b完成的，热化学反应用化学剂由罐10加到循环系统中。当液体生成物达到排放浓度时，由11泄出进入储槽(池)12。

具体实施方式二：空气中有机挥发气体VOC净化处理

对低浓度大量挥发性气体引起的空气污染，传统技术如活性炭吸附、催化氧化、燃烧、臭氧氧化、紫外线UV分解及高级氧化技术(UV+O₃+H₂O₂)等，在工业应用中，主要的问题是成本高、系统寿命短。本实施方式利用本发明有效地将VOC氧化成气溶胶粒子，经湿式反应器达到净化的目的。

表2等离子体净化空气中VOC系统参数

空气流量10000m³/h反应器二段线-筒型立式湿式反应器等离子体放电能量密度≤2Wh/m³等离子体放电功率≤20kW直流高压电源20-30kV，8kW高频交流电源30kV，12kW，50kHz，正弦波(如图5)LR匹配网采用直接耦合，二组LR缓冲电路和一个隔离变压器(如图3)反应器中气液比≥2500水循环量≤4m³/h等离子体处理时间2秒气体流速2m/sVOC净化效率≥90％(以25ppmC₈H₈为例)

采用湿式立式二体串联处理，如图10所示，反应器每体有46个线-筒型(如图1a)单元并联，单元直径为200mm，长度为2000mm。含有VOC污染空气由反应器第一体6a的顶部进入，化学剂从罐10经雾化器9b喷入与进气发生热化学反应后，流入等离子体反应区，使用锯齿形放电极1与光面筒形接地极2。1经穿壁绝缘子与AC/DC电源8a相接。气体由6a底部经连接两体反应器的通道进入第二体反应器6b底部，该气体首先与从生成物罐11b经管道泵入雾化器9b的生成液作用，随后流入6b的等离子体反应区，它的结构与供电等均与第一体相同。只是该体6b内的放电极1与AC/DC电源8b相接，两体分别单独供电，采用集散控制方式，气体排出6b前，再得9b喷出的生成液淋洗。生成液从罐11中排出。

本实施方式也可用于净化其它有害气体，如H₂S、NH₃、苯酚、HF、NF₃、C₂F₆、CCl₄、SiF₄、CFC-112、CFC-113等。

具体实施方式三：空气中除臭及灭菌

目前，在食品加工、医药、畜牧业等急需高效除臭灭菌净化器。由于污染气体成分复杂，有害气体浓度低、处理量大，目前采用的活性炭吸附使用寿命短、运行费用高，很难广范应用。

本实施方式利用本发明可非常有效地实现除臭、灭菌。利用等离子体将各种有害气体氧化溶于水；在等离子体作用下，各种细菌及微生物被氧化致死，达到除臭灭菌的目的。根据场地不同，除臭灭菌所需的等离子体能量密度在0.2-1.0Wh/m³之间。食品车间可用0.2Wh/m³，而烟囱处可用1.0Wh/m³。详细参数如下：

表3等离子体净化空气中臭气及细菌系统参数

气体流量5000m³/h(养鸡场等)反应器单段线-筒型立式湿式反应器等离子体放电能量密度≤0.5Wh/m³等离子体放电功率≤2.5kW直流高压电源20-30kV，1.0kW高频交流电源30kV，1.5kW，30kHz，三角形波(如图6)LR匹配网采用二极管耦合，一组LR缓冲电路和一个二极管处理时间1秒反应器中气液比≥2500气体流速2m/s水循环量≤1m³/h由上下两端喷入反应器

立式反应器由23个线-筒型单元并联组成，单元直径200mm，长2m。如图11所示，污染气体从线-筒型湿式反应器6底部进口流入，首先与化学剂作用发生热化学反应，化学剂由化学剂罐10用雾化器9b喷入，污染气体自下而上流入等离子体反应区，该区由十字形锯齿型放电极1与光面筒形接地极2组成放电系统。1通过穿壁绝缘子和器外的AC/DC电源8相连。被处理气体经在反应器顶部淋洗后排出。淋洗液是从罐11经管道及阀门泵入9b喷入的。生成液从罐11排出。

具体实施方式四：垃圾焚烧炉尾气净化

一台150吨/日城市垃圾焚烧炉约产生40000Nm³/h待处理烟气。目前运行中的焚烧炉产生大量的污染气体，如NOx，SO₂，H₂S，HCl，二恶茵、重金属(如汞)等。本实施方式利用本发明可实现对焚烧炉尾气的综合净化处理，其主要参数列入表4。

表4等离子体净化焚烧炉尾气系统工作参数

气体流量40000Nm³/h气体组分CO₂：8％；O₂：12％；H₂O：20％；N₂：平衡气体温度160-190℃HCl300-500ppmNOx100-200ppmSO₂100-250ppm二恶茵＞5ng-TEQ/Nm³汞0.07-0.1mg/Nm³灰尘10-50mg/Nm³碳氢化合物1000ppm等离子体放电功率≤200kW    直流+脉冲(如图8)等离子体放电能量密度≤5Wh/Nm³处理时间2秒气体流速2m/s

具体实施方式五：烟气脱硫脱硝

本实施公开了如下的总体技术方案：一种流光放电烟气脱硫的半湿法，采用分区湿式反应系统，其生成物为正盐溶液，该溶液利用待处理烟气的热量脱水后，生成正盐粉状副产物，待处理烟气的余热还可用于抬升湿式反应系统尾气温度，使流程优化、连续和稳定，实现产业化；本实施例所采用直流基压叠加周期性电压的高压电源，即AC/DC电源，发生流光放电等离子体。为了提高流程的效率，采用放电极与接地极的优化结构和配置，以便在工业上使用的大容积反应器内产生时空分布优良的流光放电等离子体；本实施例采用分区湿式反应系统，它具有热化学反应区，使吸收液吸收烟气中的SO₂，将四价硫在液相中浓集，并将此溶液和经过热化学反应区脱硫处理后的烟气，送入与热化学反应区相串联的等离子体反应区经受流光放电处理，在较低能耗条件下，亚盐氧化为正盐，使正盐达到较高浓度，并进一步脱除烟气中的SO₂和NOx。分区湿式反应系统电耗较非分区湿式反应系统降低30％-50％。本流光放电烟气脱硫的半湿法工艺流程的优点在于流程简短、连续、稳定、完整；回收资源为硫酸盐硝酸盐干粉；生产线占地面积小、总体能耗低、设备投资和运行费用少。

本实施方式如图12所示：烟气经过除尘器16，待脱硫处理的热烟气17首先在热交换器18适当抬升湿式反应系统尾气20的温度，然后进入干燥器19，使经管道及泵送来分区型湿式反应器6生成的正盐溶液脱水为干粉，落入储槽21，输出包装。选择干燥器烟气入口温度，使干燥器出口高于70℃，以保证脱水效果.烟气在19内增湿降温后，再由水或水溶液罐22和化学剂罐10注入，进一步增湿降温后吸收SO₂，进入6内分区湿式反应系统的热化学反应区27，反应生成液进入罐11a。热化学反应区中的吸收液是由罐11a经管道泵入雾化器喷入的，吸收烟气中的SO₂，待吸收液中亚盐达到较高浓度，由罐11b经管道及泵适量输送喷入等离子体反应区28。电源8与放电极1连接，接地极2为多孔电极，放电系统发生流光放电，将溶液中的四价硫氧化为六价，并使正盐达到较高浓度，同时进一步脱除气体中的SO₂，并脱除NOx。输送液体到除雾器23的罐11c，保持储液平衡，输送溶液给19脱水，在此输液管线中，设有pH值检测装置24，并根据它将生成液调为中性。烟气经23从6的出口送入18，抬升烟气温度后，作为流程尾气进入烟囱25排出。在烟道中设有测氨装置26，以控制流程中的氨注入量，防止氨泄漏。

本实施方式利用本发明进行烟气脱硫脱硝半湿法处理。分区湿式反应系统温度T≈60℃，SO₂初始浓度≈1000ppm，NOx初始浓度≈100ppm，风量F≈100000m³/h，电源额定功率为P≈200kW，其中直流：15kV，100kW；高频交流：30-40kV，100kW，频率f＝20kHz，能耗E＝2Wh/m³，LR匹配网采用电容耦合的LR匹配网，该网由三组LR缓冲电路和一个耦合电容构成。气体流速2m/s，停留时间2秒，脱硫率ηSO₂≥95％，脱硝率ηNOx≥50％，氨吸收剂注入量由其泄露信号控制。此外，烟气中的氯化物，汞，二恶茵，碳氢化合物的脱除率，均大于95％。若采用三段式反应系统，则其中热化学反应区为一段，等离子体反应区分为气体处理段和生成液处理段两段。吸收剂也可采用其它碱性溶液。

具体实施方式六：废水和饮用水净化

废水常含有机和无机污染物，利用氧化反应使污染物转化为无毒物质。目前最常用的氧化剂为臭氧、过氧化氢、二氧化氯及高锰酸钾等。氧化剂也可同催化剂如TiO₂、紫外线UV联合使用实现高级氧化处理。

本实施方式利用本发明对各种废水、饮用水等进行高级氧化处理，设备简单，运行费低。

表5等离子体净化废水、饮用水系统参数

水处理量50吨/小时等离子体放电功率2.5kW直流高压电源20kV，1.0kW高频高压交流电源30kV，1.5kW，30kHz，方形波反应器线-筒型，立式

如图13所示，反应器6由三个直径为120mm，长1000mm的线-筒型单元并联组成，待处理水从6顶端雾化器9b喷入，从底部排出。图17是针对游泳池用水经等离子体反应器净化的工艺流程示意图。等离子体反应器不仅可除臭，而且灭菌(以大肠菌为例，＞95％)。采用电容耦合LR匹配网5a的AC/DC电源。12为水池。

采用随机性流光放电等离子体发生装置净化废水或饮用水情形，也可先用该装置发生臭氧，再用臭氧净化废水或饮用水。

用空气制造臭氧的过程首先对空气进行降温除湿处理。主要参数示如表6。

表6等离子体发生臭氧系统参数

干空气流量1000m³/h臭氧浓度1000ppm臭氧产额71g/kWh等离子体放电功率30kW直流电源20kV，15kW高频高压交流电源20-30kV，15kW，30kHz，正弦波反应器线-筒型，立式，干式

立式反应器由直径为100mm，高2000mm的15个线-筒型单元并联组成。放电极为刀棱型。臭氧产额可达71g/kWh。

本实施方式也可用于液体的氧化处理，比如将四价硫氧化为六价硫。

具体实施方式七：污泥和土壤净化

污泥种类很多，可能含有机、无机、微生物、病菌、病毒等多种污染物。本实施方式利用本发明不仅可对各种有机及无机物作氧化处理，而且对各种微生物、病菌、病毒作净化处理，其主要参数列入表7。

表7等离子体净化污泥和土壤系统参数

污泥或土壤处理量40吨/天，含水20％等离子体放电功率5kW直流高压电源20kV，2.5kW高频高压交流电源20-30kV，2.5kW，30kHz，脉冲反应器线-筒型，立式

如图14所示，反应器6由10个直径120mm，长2000mm的立式线-筒型单元并联组成，待处理的污泥从其成粒装置7经反应器6顶端喷入，污泥或土壤在6中呈流态化颗粒状，等离子体不仅发生在气体中，而且也可发生在污泥的表面上。经一次处理，大肠菌及一般菌的净化率都在95％以上。采用直接耦合LR匹配网5b的AC/DC电源。