3环科-双介质低温等离子裂解氧化装置

3.1低温等离子体工艺原理

低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和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。

装置示意图如图1所示。

 

 

 

 

 

 

 介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质阻挡放电可以在0.1～10´10⁵Pa的气压下进行，具有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。整个放电是由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns量级。介质层对此类放电有两个主要作用：一是限制微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间，防止火花放电。介质阻挡放电由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。

低温等离子体净化工业废气的工作原理:

等离子体中能量的传递大致如下：

 

 

 

 介质阻挡放电过程中，电子从电场中获得能量，通过碰撞将能量转化为污染物分子的内能或动能，这些获得能量的分子被激发或发生电离形成活性基团，同时空气中的氧气和水分在高能电子的作用下也可产生大量的新生态氢、臭氧和羟基氧等活性基团，这些活性基团相互碰撞后便引发了一系列复杂的物理、化学反应。从等离子体的活性基团组成可以看出，等离子体内部富含极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为CO₂和H₂O等物质，从而达到净化废气的目的。

等离子体化学反应过程大致如下：

 （1） 电场 ＋ 电子           高能电子

                         
                     （2）高能电子＋污染物    {     受激原子、受激基团、游离基团   }

 

（3）活性基团 ＋ 氧气                   无害化产物 ＋ 热      

 

    （4）活性基团 ＋ 活性基团             无害化产物＋ 热

 

从以上反应过程可以看出，电子先从电场获得能量，通过激发或电离将能量转移到污染物分子中去，那些获得能量的污染物分子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团。然后这些活性基团与氧气、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。

3.2等离子优点

3.2.1新式电源盒提升后现有优点

新电源模块具备特点：

（1） 整个电源采用模块设计，各个功能模块分别制作成功能电路板模块，方便设备的维护，各功能模块优先选用贴片元器件和机器PCB板焊接，比人工手工焊接更加安全可靠，使用光耦隔离驱动器调高抗干扰能力；

（2） 单按钮一键式启动，设备设置电子开关，可切换就地/远程切换；

（3） 具备三相电源输入，功率因数校正，低压高频放电，更广泛的调频范围，适应多种工况；

（4） 具备实时在线监测工作电流和电源盒电流显示的功能；

（5） 具备远程DCS和现场两地切换通过DC-DC调节功率的功能；

（6） 具备单个放电单元电源盒就地启停的控制，又可远程DCS控制；

（7） 具备更多的保护功能，过流保护、欠压保护、短路保护、拉弧放电保护；能够根据负载（放电盘）的变化，起到更好的保护；

（8） 采用先进的谐波处理EMI技术，减小谐波污染，实现电源绿色化。

3.2.2新式悬挂式放电盘

悬挂式放电盘具备特点：

（1） 解决了正极电极与放电盘外壳拉弧放电的问题，大大降低放电盘损害率；

（2） 放电盘电极采用组合式电极，内填充采用不锈钢粉，较石墨粉填充电极具有填充紧密不断层，不怕潮湿，放电密度更大等特点；

（3） 高压引线使用灭弧绝缘保护装置，引出方式和固定方式更加可靠，防止对外壳拉弧；

（4） 放电盘盘架优化设计，不存水，减少无效过风面积。

整机设计：

（1） 整机设计采用模块生产，单个导流筒为一处理单元；每个处理单位可单独控制，间歇运行，这可保证，整个设备一直处于运行状态，可单独冲洗、维护、检修；保证无不处理排放；

（2） 冲洗系统，可定时设定自动打开冲洗泵和冲洗阀，同时停止冲洗部分的放电单元，冲洗完成后延时10-15min，自动开始冲洗部分额放电单元，以上时间可根据设备运行状况在DCS上进行调整。

3.2.3控制系统

控制系统采用多种控制方式，可控业主选择；

（1） 控制系统采用西门子S7-300PLC；可实时采集各种设备的工况数据和设备运行状态以及各种仪表的状态；

（2） PLC预留通讯接口，通过通讯电缆直接进入业主DCS，主控室可通过DCS上位机组态软件对设备进行监控和调节；

（3） PLC和DCS数据可通过手机APP软件或公众号等方式分权限的查看设备的运行状态和各种仪表数据；

（4） 整个控制系统，画面简洁，操作简单，逻辑控制缜密清晰，系统运行的各种参数实时显示，操作控制界面简单明了，也可以根据业主使用情况进行相应的调整，达到更加实用的操作控制。

 

3.2.4 双介质等离子（DDBD）与电晕等离子的技术对比

 

图3-4 DDBD与电晕等离子结构的对比

 

图3-5  DDBD与电晕等离子放电原理的对比

 

表3-1  双介质与其它等离子的技术对比

 

4工程基本情况

4.1废气产生源基本情况

4.1.1基本情况

本项目废气来源于屠宰厂，屠宰厂废气点源主要来源于挂鸡、挂鸭台，待宰间，屠宰间，内脏处理间，污水站。杀猪，杀牛屠宰厂废气主要来源于待宰间、屠宰间、污水站。杀鸭、杀鸡屠宰厂废气主要来源于挂鸡、挂鸭台，屠宰间及内脏处理区，污水站。屠宰废气主要组分为硫醇、硫醚及挥发性有机物，温度为常温，有鸡毛和鸭毛。

设计思路：挂鸡台，挂鸭台上部走风管，风管上做开口收集，形成空间换气，屠宰间内部进行空间换气，换气次数取8次，风量设计：气味最重沉淀池3000m³/h；1#卸车间、两个过滤间合计18000m³/h。废气中含有鸭毛、鸡毛，首先进行鸡毛鸭毛去除，去除鸡毛、鸭毛后再进行异味治理。工艺选择：沙克龙+低温等离子裂解氧化装置。

4.2排放标准

严格执行国家有关环境保护的各项措施，达到《恶臭污染排放标准》（GB14554-1993）要求；《山东省挥发性有机物排放标准第六部分：有机化工行业》（DB37/ 2801.6-2018）要求。

 

4.3恶臭描述与分析

臭气强度表示法

1) 臭气防治法所谓的臭气强度，以快、慢表示。（如表-1，表-2，表-3所示）。

表-1  9阶段快、慢表示法			表-2  6阶段臭气强度表示法
+4	极快		0	无臭
+3	非常快		1	勉强可感觉的臭气（检知阀值浓度）
+2	快		2	可分辨出气味的弱臭气（认知阀值浓度）
+1	稍快		3	容易感觉的臭气
0	不快也不慢		4	强臭气
-1	稍慢		5	强烈臭气
-2	慢

 

臭气强度与臭味浓度的关系

表-3 臭气强度与臭味浓度的关系对应表

 

 

5废气处理工艺

5.1工艺流程（等离子工艺）

 

 

 

 5.2废气处理工艺说明

工艺简述：

1、收集后的废气首先进入沙克龙进行初步预处理，此预处理功效：废气中含有鸭毛、鸡毛，通过沙克龙内喷淋雾化过滤鸡毛、鸭毛。

2、废气经过预处理后再进入低温等离子裂解氧化装置，通过低温等离子设备产生的高能电子的直接轰击将污染物降解，高能电子能量足以对键能较高的苯系物、酯类进行裂解，裂解产物与空气中的氧及产生的氧离子等结合为稳定的、无污染的化合物，如CO₂、H₂O及少量的其他小分子物质。

主要反应过程：

（1）酯类

 

                      R-C=O+高能电子       R·+ R’·+CO₂

 

 

（2）酸类

 

R-COOH+高能电子       R·+CO₂+H₂O

R·+高能电子      CO₂+H₂O

（3）酮类

R-C=O+高能电子       R·+ R’·+CO₂

 

R·+高能电子       CO₂+H₂O

4、系统压损：沙克龙压损为600-700pa，等离子压损为500pa，管道及弯头压损约为1000pa，总压损约为2200pa，设计余量为15%，总压力为2600pa。

5.2.1沙克龙

沙克龙是一种预处理系统，内部有喷嘴喷淋，旋风结构下部预留循水箱，循环水箱上部上部丝网过滤鸭毛、鸡毛，防止鸭毛、鸡毛进入循环水中堵塞喷嘴。由上而下在填料的空隙中流过，并润湿填料表面形成流动的液膜。废气在引风机作用下自下而上穿过喷淋层，与液膜逆向接触发生传质过程，废气中的污染物质被吸收、裹挟、夹带进入液相中，从而达到净化废气的目的。净化后的废气从塔顶排出，吸收了污染物质的液相在塔底汇集，经喷淋泵循环利用，达到一定浓度后置换排出。

 

我公司“鸭业废气治理项目”

1	名称	沙克龙
2	型号	SKL-TH -20000
3	数量	1座
4	尺寸	Φ1200 mm×5000 mm
5	处理风量	2000Nm3/h
6	材质	304
7	循环水箱	1个
8	配套	氟塑循环泵：3KW，流量35m³/h,扬程 18m，1台

5.2.2 低温等离子氧化裂解异味处理设备

低温等离子体裂解氧化设备是环科-中山大学自主研制开发的具有独立自主知识产权的新一代异味气体专用处理设备，具有处理效果好、运行费用低、耐冲击负荷能力强、运行稳定可靠、即开即用、即关即停等优点。

低温等离子体裂解氧化处理设备具有能耗低、处理风量大、冲洗方便、产生的废水少等优点。

主要原理为：废气中的污染物分子、水分子、氧气分子等在高压放电产生的高能电子的直接轰击下，使其分子键断裂，转变为CO₂、H₂O、N₂、OH^-，O，O₃及小分子物质。由于污染物质的分子较大，极易成为靶分子基团，该过程中大量的污染物分子被分解。高能电子的直接轰击在等离子反应整个过程中，起到了99%以上的作用；副反应是新生态氧、臭氧及羟基等部分小分子高能活性基团，一系列的复杂的物理化学反应，完成深度氧化，使之彻底分解、裂解，最终转化为CO_2、H₂O、N₂等无害化物质。

低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和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。

装置示意图如图所示。

 

图 介质阻挡放电示意图

介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质阻挡放电可以在0.1～10´10⁵Pa的气压下进行，具有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。整个放电是由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns量级。介质层对此类放电有两个主要作用：一是限制微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间，防止火花放电。介质阻挡放电由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极的腐蚀问题。

废气进入等离子后基本反应原理：

通过等离子体设备产生的高能电子的直接轰击将污染物降解，高能电子能量远高于有机污染物的键能，从而将有机污染物结合键打断，对污染物完成裂解过程，裂解产物与空气中的氧及产生的氧离子等结合为稳定的、无污染的化合物，如CO₂、H₂O及少量的其他小分子物质。

我公司生产的低温度等离子设备满足以下要求：

1）臭气经低温等离子处理设备的平均流速<2 m/s，停留时间>1.0s。

2）运行时间24小时连续运行模式。

3）设备进口可以进饱和水汽，设备阻力≤500Pa，新式放电盘结构采用悬挂式，能够通过桥架悬挂防止放电盘拉弧，实现水汽含量不低于95%时能够继续运行；并且双介质等离子本身能够实现在线清洗，电极不与废气接触，因此水汽不会造成电极烧损；放电盘接触废气部分为耐高温石英管，管体光滑，不会存水。（电晕放电是毛刺或者板式，表面不光滑，极易存水，烧掉放电体）

4）放电形式选用双介质放电等离子，放电电极与废气不接触，放电盘介质填充不锈钢粉，实现在线自动清洗功能。

5）电源输入电压220V，能够实现电流调节从0.3A-2.5A。

6）系统采用自动化控制；安装臭氧检测仪，可根据臭氧检测仪反应数字手动调节等离子放电频率，从而确保系统达标。

7）低温等离子除臭装置无需任何添加剂，不能产生废水废渣，不能导致二次污染。

8）具有结构设计合理简洁、占地面积小、运行成本低等显著特点，提供详细方案。

9）系统运行稳定，抗冲击负荷能力强，并可在确保排放达标的前提下采用经济运行模式，以降低运行成本，提供详细方案。

10）系统主体设备使用寿命不低于15年，低温等离子发生器使用寿命大于60000小时（运行时间）。

11）系统须配置清洗用水箱、循环水泵、自动补水、自动排污等装置，运行时自动清洗。

12）放电方式为高压脉冲放电，电极不与废气接触，不会造成腐蚀。

13）等离子现有放电盘放电材质改为不锈钢粉，紧密性强，导电好，防止出现爆管现象。

1	名称	低温等离子设备
2	型号	低温等离子-TH -20000
3	数量	1台
4	尺寸	约3.0米*2.3米*2.1米
5	处理风量	20000Nm3/h
6	材质	外壳304不锈钢或碳钢喷塑，过流部件304不锈钢，
7	装机功率	8-16kw
8	放电模块	悬挂式放电盘、高压包、电源盒，36套

 

在线清洗系统：为保证设备的高效运行，防止长时间运行对等离子体放电电极的污染，设备设置在线清洗系统。

设备设计简洁、体积小，抗冲击符合能力强，可实现24小时连续不间断运行及间歇运行，并在确保处理达标的前提下，采用最经济、能耗低的模式运行。间歇运行可通过时间设置实现自动或在操作工人需要时的开机、停机，在停机时间长达一周后，再次开机在10分钟内部达到正常的处理效率。系统无需配置专人值守，只需做定期巡检。

 

       

 

5.3电控及自动控制系统

主要联锁：

1）动力设备过载保护。当动力设备电流过载时，系统自动停止动力设备，并报警。

2）风机非正常状态停止，等离子体设备自动停机保护，并报警。

3）设备内部温度异常，等离子体设备自动停机保护，并报警。

所有电气设备不带电的金属外壳可靠接地。

仪表设备选型立足于可靠性和先进性，并要求耐酸、耐碱，控制系统为工业级设备，仪表电源为220VAC或24VDC。

本工程仪表的工作接地利用电气系统接地，其接地电阻不大于1欧。

5.4引风机

本系统设计的思想为全负压操作，可有效防止风管、风阀及设备的泄漏。

引风机的进风口可安装调节风阀，供调节风量、风机维护使用。

引风机设置要求：

    1）吸风机为侧吸式离心通风机，卧式安装，与电机置于同一机座。壳体和叶轮材料采用碳钢材质。

2）风压在最大抽气量的条件下，具有高于系统压力损失15%的余量。

3）噪音（包括电动机在内）<80dB(A)，加消声罩后噪音（包括电动机在内）<65dB(A)。叶轮动平衡精度不低于G6.3级，且能24小时连续运转。

4）设有防振垫、隔振效率≥80%。

5）在快速运转条件下，气体流量可调，调节范围可由100%降至70%。

6）防护等级IP55、电流380V、3相、50Hz，F级绝缘，B级温升。

7）风机进风阀门采用法兰连接，相互之间有足够的距离，便于阀门之间的管道安装及设备的维修和装拆。

5.5集风管及排气筒

本项目的废气收集风管采用玻璃钢/PP风管，设计流速10～20m/s。风管用槽钢支架固定，穿过道路部分架空布设，架空高度视具体地形、构筑物情况。

根据（GB50243－2002）《通风与空调工程施工质量验收规范》和（JGJ141－2004）《通风管道技术规程》要求，20000风量总管道采用DN600，排气筒采用DN600。

5.6防雷接地

防雷按国家现行标准规范设计。

所有电气设备不带电的金属外壳及构筑物内所有金属构件均须可靠接地。

 

 

 

 

6运行费用

6.1系统功耗及运行费用（等离子）

表6-1 工程功耗及运行费用

 

整个系统每小时电耗：29.6kw*0.6元/kwh =17.76元。

处理量20000 m3/h的运行总费用：每小时17.76元。

等离子放电模块无光衰，使用寿命10年。