2022年等离子体技术在恶臭净化中的应用 .pdf

等离子体技术在恶臭净化中的应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -一、简介恶臭气体种类繁多、分布广泛。污水处理中产生的恶臭成分是由于蛋白质、脂肪、碳水化合物被微生物呼吸或发酵所形成的产物和不完全产物。根据臭气物质的化学组成，可将其分为4 类：第 1 类是含硫化合物，如硫化氢、硫醇、硫醚以及噻吩等；第 2 类是含氮化合物，如氨、胺、酰胺以及吲哚等；第3 类是烃类化合物，如烷烃、烯烃、炔烃以及芳香烃等；第4 类是含氧有机物，如醇、醛、酮、酚以及有机酸等，这些物质在污水生物处理设备中广泛存在。随着工业的迅速发展，化工行业的崛起，工业排放的恶臭气体亦越来越多地影响到人们的正常生产与生活。因此，迫切需要加强对恶臭气体的治理。目前国内外对治理恶臭气体开展了大量的研究和应用，并收到一定的效果。1.恶臭气体处理传统技术恶臭气体处理传统技术包括物理法、化学法、生物法。物理法包括掩蔽法、稀释扩散法、吸附法；化学法包括催化燃烧法、化学氧化法、吸收法；生物法包括生物过滤法、生物滴滤池式脱臭法、生物洗涤法。对于恶臭气体的传统治理方法，如物理法、化学法等，应加快其工艺改进，开发廉价且高吸附量的吸附剂以提高处理效率。生物除臭技术是目前比较先进的脱臭方法，正受到国内外广泛地关注。采用该法时应该考虑臭源物质去除的可能性和去除效率，还要加强微生物的驯化研究。2.新技术恶臭气体处理新技术包括等离子体分解法、光催化氧化法、微波催化氧化法、电化学氧化法、电晕法、联合法。低温等离子分解法具有高效性以及较低的能耗，在环保领域将具有广阔的应用前景。目前该技术要实现产业化还需要解决2 个核心技术问题大容量的等离子体系统和优化的等离子体处理工艺。二、原理及工艺流程1.基本原理利用等离子体中的大量活性粒子对有毒、有害、难降解的气体污染物进行直接分解去除。离子发生装置发射的离子与空气中的尘埃粒子及固体颗粒碰撞，使颗粒名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -荷电产生聚合作用，形成的较大颗粒靠自身重力沉降下来，达到净化目的,发射的离子还可以与室内静电、异味等相互发生作用，同时有效地破坏空气中细菌生存的环境，降低室内细菌浓度，并将其完全消除。通过前沿陡峭、脉宽窄(纳秒级)的高压脉冲电晕放电，在常温常压下获得非平衡等离子体，产生大量高能电子和 O、OH等活性粒子，这些高能活性粒子具有极强的离子能量，可将含硫化合物和其他烃类、醇类氧化成CO2 和 H2O，对恶臭中的有机物分子进行中和分解，使污染物最终转化为无害物质。高能离子净化系统在欧洲主要应用于医院、办公楼、公众大厅等，近些年逐步开发应用于污水处理，荷兰、瑞典等国的应用实例很多。有机物在等离子体中的降解机理，主要包括以下过程:(1)在高能电子作用下，强氧化性自由基O、OH、HO2的产生。(2)有机物分子受到高能电子碰撞被激发，原子键断裂形成小碎片基团和原子。(3)O、OH、HO2与激发原子、有机物分子、破碎的基团、其他自由基等发生一系列反应，有机物分子最终被氧化降解为CO、CO2、H2O；恶臭组分经过处理后，最终转变为SO3、NOx、CO2、H2O等小分子，由于产物浓度极低，均能被周边的大气所接受，因此无二次污染。2.工艺流程等离子体除臭工艺流程见图1 图 1 等离子体除臭工艺流程3.具体方法介质阻挡放电法介质阻挡放电是将电介质插入放电空间的一种气体放电法，介质可覆盖在一个或两个电极上，还可悬挂在放电空间中间。由于介质的存在限制了微放电中带电粒子的运动，使微放电均匀稳定地分布在电极之间。因此，介质阻挡放电表现为均匀、漫射和稳定，也表现出低气压下辉光放电的优点。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -脉冲电晕放电法电晕放电是通过在曲率半径很小的电极上施加高电压，发生非均匀放电的一种放电形式。电晕放电包括脉冲电晕放电、直流电晕放电和交流电晕放电，而在实际应用中脉冲电晕放电占据绝大部分，因为脉冲电压利用其瞬间的高电压使气体快速电离，得到大量的活性粒子，促使恶臭气体分解。脉冲电晕放电反应器一般分为线筒式反应器和线板式反应器。根据线筒式反应器结构的不同，又分为共轴螺旋线电极型反应器、棒状电极型反应器和螺栓型电极反应器。滑动弧光放电法法国科学家 Czenichovski首先提出用纯气流推动电弧形成滑动弧光放电，滑动弧光放电是可产生周期性摆动非平衡等离子体的一种放电方式。该技术的基本原理:在一对弧形电极间加上电压,此时在电极的最窄处形成电弧，再通入气体利用气流来推动电弧，使之沿气流的方向流动，电弧的长度随电极间距的增大而增加，在某一处达到最大值时消失，同时在电极的最窄处形成新的电弧，重复上述过程。滑动弧光放电等离子体反应器结构简单，成本低廉，应用广泛，对恶臭气体的去除率高，有很好的应用前景。其他方法射频放电是利用高频率通过电感和电容耦合使反应器中的气体放电形成等离子体。微波等离子体是用微波能电离形成的，其发生器本身没有内部电极,从而消除了电极污染和腐蚀，有利于高纯化学反应和延长设备的使用寿命。目前,虽然有关微波放电技术去除NO和甲烷转化等的研究很多,但在除臭方面却未见报道。由于微波等离子体的参数变化范围大,这为其广泛应用提供了可能,将其用在除臭方面也是可能的。等离子体法与其他方法联用有时单独使用等离子体法去除恶臭气体的效果较差，可将等离子体法与其他除臭方法联用。三、成功应用实例利用等离子体除臭技术处理大坦沙污水处理厂恶臭污染物,运行结果达到设计要求,去除恶臭中的 H2S、NH3、甲硫醇、臭气等污染物的效率平均可达到80%名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -以上。此技术在常温常压下进行,能耗低,无明显的二次污染,而且处理工艺简单,设备一般不需专人管理,运行成本低。目前该技术已成功应用于低浓度、高流速、大风量恶臭气体的处理,可以得到较高的去除效率。中国石化齐鲁分公司腈纶厂溶剂回收装置防空气体中含二甲胺，厂界散发异味，采用双介质阻挡放电产生的低温等离子体处理技术后，二甲胺去除率达99.6%以上，烟囱尾气臭气浓度小于1000，厂界臭气浓度小于5，达到了国家环保排放标准要求，解决了企业厂界异味的问题。（1）低温等离子体技术工艺流程示意。根据齐鲁石化公司腈纶装置二甲胺废气排放情况，复旦-派力迪污染控制工程研究中心，设计了一套采用双介质阻挡放电技术产生等离子体为主的净化处理工艺。DBD等离子体技术处理异味气体工艺流程如图2，二甲胺异味气体经收集系统收集后首先进入除水器中进行水气分离，然后再排入等离子体反应器单元，在该区域由于高能电子的作用，使二甲胺异味分子受激发，带电粒子或分子间的化学键被打断，产生自由基等活性粒子，同时空气中的水和氧气在高能电子轰击下也会产生 OH 自由基、活性氧等强氧化性物质，这些强氧化性物质、O2 与异味分子反应，生成无毒的 CO2和 N2，经排气筒高空排放从而消除二甲胺异味。图 2 DBD 等离子体技术处理异味气体工艺流程（2）二甲胺异味治理装置设计参数及主要设备。低温等离子体二甲胺异味治理装置，设计处理气量为：Q=2000Nm3/h，进气中二甲胺浓度不大于 3000mg/m3，二甲胺去除率 99%，达到国家恶臭污染物排放标准 GB14554-93 的要求。低温等离子体二甲胺异味治理装置主要设备有，除水器一台，低温等离子体处理设备一台，强化氧化塔一台，引风机一台，离心泵两台。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -（3）二甲胺异味治理装置运行标定。低温等离子体二甲胺异味治理装置，于 2008 年 6 月 20 日建成开始试运行，2008 年 8 月正式投入运行至今，装置运行平稳，操作简单，几乎不需要维护，抗冲击能力强，无二次污染等优点。装置投资 155.6 万元，仅为生物法处理费用的一半，具有投资省，运行费用低的优点。经环保局多次抽检均能达到国家排放标准，彻底消除了二甲胺异味对环境造成的污染。为了考核检验低温等离子体二甲胺异味治理装置能否达到设计要求，齐鲁石化公司腈纶厂和复旦-派力迪污染控制工程研究中心联合，于 2008 年 11 月 2529 日进行了 72h 标定，标定结果见表 1。从以上标定结果可以看出，低温等离子体二甲胺异味治理装置，完全达到了设计要求，解决了恶臭扰民的问题。该项目 2009 年 12 月通过了山东省环保厅组织的专家鉴定，获得了齐鲁石化公司 2009 年度科技进步二等奖。四、适用范围、优缺点及发展方向1.适用范围：适用范围广，电子能量高，可适用于多种异味气体分子降解。低温等离子体降解污染物是利用高能电子、自由基等活性粒子与废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。该技术能够应用于污水处理厂、石油化工、制药、污水处理、涂料、皮革加工、感光材料、汽车制造、食品加工厂、印染厂、垃圾处理厂、公厕、屠宰场、牲畜饲养场、鱼类加工厂、饲料加工厂等诸多能够产生恶臭异味名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -的场所。2.优点：以中国石化齐鲁分公司腈纶厂利用DBD 等离子体技术处理异味气体为例，与目前国内常用的异味气体治理方法相比较其装置具有如下优点：（1）技术高端，工艺简洁：开机后，即自行运转，受工况限制非常少。（2）节能：无机械设备，空气阻力小，耗电量约为0.003kW/m3废气。（3）适应工况范围宽：设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。（4）电极与废气不直接接触，根本上解决了电极腐蚀问题。（5）结构简单：只需用电，操作极为简单，无需派专职人员看守，基本不占用人工费。无机械设备，故障率低，维修容易。（6）应用范围广：介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，可适用于多种异味气体分子降解。3.缺点：目前，用等离子体技术治恶臭气体主要存在的问题有：气体流量较大时，转化 率 不 高(恶 臭 气 体 的 嗅 觉 阈 值 很 低);能 耗 高；可 能 造 成 二 次 污 染(如SO2,NOx,CO 等)；等离子体去除恶臭气体的作用机理有待深入地研究。由于这些问题的存在，使等离子体技术治理恶臭气体在工业上的应用受到限制。4.发展方向今后需加强的研究内容主要有：(1)开发高效、大功率的等离子体源和反应器，降低能耗，提高转化率，提高等离子体反应器长时间运行操作的稳定性，这是该技术实现工业化的关键；(2)深入研究等离子体去除恶臭气体的作用机理及其影响因素，控制产物生成的方向，避免二次污染；(3)将等离子体与催化技术联用，开发高效、稳定的催化剂，也可将等离子体与其他技术联用，以提高污染物去除率、增加目的产物的选择性，避免二次污染的发生。由于恶臭物质成分复杂，且嗅觉阈值较低，对净化系统的要求极高，所以欲达感官无味的要求而言，恶臭的治理难度较大，大多数的情况下需采用多级净化，因此需加强对联合工艺的开发与应用研究，如吸附-氧化法、生物-吸附法、洗涤-吸附法等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -