低温等离子体治理设备设计

图!"$
电子束反应过程
（二） 设备介绍
图 ! " ( 是电子束气体处理装置的整体结构图， 真空泵使真空容器内保持真空， 透镜将电子束聚焦， 再将 电子束照射在处理气中。当随着处理的气体中的 )&! 浓度的增加而增大电子束的电流值时， 根据灯丝的电流 值、 电弧电源的电流值以及气体容器内的气体压力增大透镜的磁场强度或电场强度， 从而缩短焦点距离， 使第 使第 $ 透镜向导管一侧移动， 形成恒定直径的平行电子束， 并防止电子束的聚焦 # 透镜向引出电极一侧移动，
图!"!
电子束发生装置
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第七篇
气态污染物控制设备设计
二、 脉冲电晕放电法
（一） 工艺原理
电晕放电是使用曲率半径很小的电极， 如针状电极或细线状电极， 并在电极上加高电压， 由于电极的曲率 半径很小， 而靠近电极区域的电场特别强， 电子逸出阳极， 发生非均匀放电， 称为电晕放电。在大气污染物的 治理上， 电晕放电法多用于烟道气脱硫和脱硝， 也有用电晕放电法去除空气中挥发性有机气体、 硫化氢、 卤代 烷烃以及对印染废水脱色等。 脉冲电晕法是在直流高电压 （例如 !" # $" %&） 上叠加一脉冲电压 （例如辐值为 !"" # !’" %&， 周期为 !" ()， 脉冲密度为 *! 脉冲前后沿约 !"" +)） ， 形成超高压脉冲放电。由于这种脉冲前后沿陡峭、 峰值高， 使电 )左右， 晕极附近发生激烈、 高频率的脉冲电晕放电， 从而使基态气体得足够大能量， 发生强烈的辉光放电， 空间气体 迅速成为高浓度等离子体。 为了减少能量消耗， 可以选择使用催化剂， 使烟气中分子化学键松动或削弱， 降低气体分子活化能， 加速 裂解过程进行。
尾端件是由不锈钢做成的， 电极针也可用不锈钢做成， 也可用钨钢做。从反应源发出的微波辐射进入反 应器， 在两电极针头之间中形成很高微波能量区， 等离子在此区域产生。 图 & ’ . 为五种电极针放置不同位置的等离子产生结构。
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第七篇
气态污染物控制设备设计
图!"#
五种电极针放置不同位置的等离子产生结构
图&’$
等离子体反应器
(—反应器； )—缸体； *—下端尾件； &—下端轴通道； +—冷却通道； ,—环形槽； !— - 形环； $—输入管； .—螺母； ("—通道； ((—螺杆； ()—冷却通道； (*—增加室； (&—上端尾件； (+— - 形密封环； (,—孔； (!—上电极针； ($—下电极针； (.—空隙； )"—塞
三、 介质阻挡放电 （ $%$）
（一） 工艺原理
介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空 间里， 这样， 当在放电电极上施加足够高的交流电压时， 电极间的气体， 即使在很高气压下也会被击穿而形成 所谓的介质阻挡放电。这种放电表现为很均匀、 漫散和稳定、 貌似低气压下的辉光放电， 但是实际上它是由大 量细微的快脉冲放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达 &’( )*或更高， 所以这种放电属于高气压下 的非热平衡放电。在历史上这种放电又称为无声放电， 因为它不像空气中的火花放电那样发出巨大的击穿响 声。 典型的介质阻挡放电和间隙结构如图 ! " &’ 所示。以最简单的电极结构为例， 这些电极和间隙结构可以 是平面形的， 也可以是同轴圆柱形的。图 ! " &’ （ *） 是很实用的放电构型， 它常用以制造臭氧发生器； 其特点是 结构简单， 而且可以通过金属电极把放电产生的热散发掉。第二种构型 ［图 ! " &’ （ +） ］ 的特点是放电发生在 两层介质之间， 可以防止放电等离子体直接与金属电极接触； 对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体， 这种构 型具有独特的优点。第三种构型 ［图 ! " &’ （ ,） ］ 可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极 间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电， 而且能够形成通常大气压强下的稳定的气体放 电。
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第二节
工艺方法与设备
产生等离子体的放电反应器与高温等离子体反应器不同， 具有不产生电弧放电的特征， 其性能与结构有 关， 决定着有机物的去除效果。目前处理低体积分数废气的反应器类型很多， 如脉冲放电型、 沿面放电型、 无 声放电型、 放电叠加型以及球状颗粒物充填型等。同一种放电形式的反应器又有多种模型， 如无声放电型反 应器有平行平板型、 同轴圆筒型、 放电型等。图 2 ; （ 为无声放电型的有连续锋利边缘的螺栓型反应器， 图 , #） 为棒状电极型反应器， 图2;（ 为沿面放电型的共轴线电极型反应器。每种反应器的放电特征不大 2;（ , <） , =） 相同。 例如， 螺栓型反应器各处放电均匀， 适于商用频率 （即工频 618>） ， 相对分解能量效率好， 故用得较多， 但 放入催化剂后， 各处能否得到相同的效果， 还需进一步研究； 而棒状电极型反应器电晕起始电压大， 能得到较 大的平均施加电场强度， 若放电时间稍长， 则一处开始放电， 整体电位将降低， 结果反而不放电， 因此， 很难得 到相同的放电。
&—板框； +—弹性元件； ,—螺母； !—穿心螺柱 (—下极板； )—负极板； *—另一正极板；
管， 其中一反应气体可以通入反应器中。输入管与增压室相连， 气体介质以旋涡运动形式进入反应器。上尾 端件、 缸体塞和电极针都有轴通道， 另一反应气体可以通过此通道进入反应器。同样下尾端件和电极针也有 一个轴通道， 反应的产物可以从此通道抽出。
图,-’
电晕放电装置
* 一板框； !—正极板； /—相邻正极板； ,—负极丝； ’—板框
图,-0
电晕放电装置 （图 , - 122 剖面）
*—板框； !—正极板； /—另一正极板； ,—负极丝
第四章
工业废气的低温等离子体治理设备设计
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当电晕放电装置在 !" # $"% 的热环境工作时， 正极板和负极丝受热膨胀， 正极板的铝合金材料热胀系数 比负极板的钼丝的热胀系数大， 由于铝合金板和钼丝的两端均固定在一对框板上， 当距离相等时， 工作区的温 度也相等。 由于热胀系数不同， 铝合金的伸长量比钼丝的伸长量要 大一点， 这时银丝将受到拉力而变形， 但由于钼丝一端处的螺母和 框板之间有一个弹性元件， 弹性元件受力变形， 使钼丝受的拉力得 到缓冲而降低， 缩径量很小， 确保了钼丝放电性能稳定和延长了使 用寿命。 图 & ’ $ 是一种等离子反应器， 其缸体分别由绝缘的硼硅酸盐 玻璃或石英和尾端件组成。缸体通过环形槽与尾端件相连， 通过 尾端件是圆锥体形式， - 形环来密封。反应器用夹具组合起来， 上、 下尾端件的圆锥角是不相同的， 上尾端件比下尾端件要小一 些。与尾端件旋在一起的是可替换的电极针。电极针与尾端件具 有相同的圆锥角度。上电极针不直接与上尾端件旋在一起， 而是 与上尾端件相连的缸体塞相旋。塞与孔之间用 -形环相连达到密 封。两电极之间的空隙可以通过螺杆和螺母来调整， 电极针的终 端是很尖的环形口。上尾端件有一个冷却通道， 周围有很多输入 图&’! 电晕放电装置局部放大图
第四章 直径的增大。
工业废气的低温等离子体治理设备设计
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图!"#
电子束气体处理装置的整体结构
$—灯丝型电子源； %—控制单元； #—真空容器； !—真空泵； &—导管； ’—气体容器； (—气阀； )—真空计； *—电子引入端子； $+—电流引入端子； $$—灯丝； $%—灯丝电源； $#—电弧电源； $!—氩气； $&—加速电极； $’—开口； $(—加速电源； $)—引出电极； $*—绝缘凸缘； %+—连接入口； %$—连接出口； %%—第 $ 透镜； %#—第 % 透镜； %!—电流引入端子； %&—电源； %’—引入端子； %(—电源； %)—电子束； %*—处理气体； #+—电子云
第四章
工业废气的低温等离子体治理设备设计
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第四章
第一节
工 业 废 气 的 低 温 等离子体治理设备设计
等离子体技术治理工业废气的原理
等离子体就是处于电离状态的气体， 其英文名称是 !"#$%#， 它是由美国科学家 &#’(%)*+于 ,-./ 年在研究低 气压下汞蒸气中放电现象时命名的。等离子体由大量的电子、 离子、 中性原子、 激发态原子、 光子和自由基等 组成， 但电子和正离子的电荷数必须相等， 整体表现出电中性， 这就是 “等离子体” 的含义。等离子体具有导电 和受电磁影响的性质， 在许多方面与固体、 液体和气体不同， 因此又有人把它称为物质的第四种状态。根据体 系能量状态、 温度和离子密度， 等离子体通常可以分为高温等离子体和低温等离子体 （包括热等离子体和冷等 离子体） 。其中高温等离子体的电离度接近 ,， 各种粒子温度几乎相同， 并且体系处于热力学平衡状态， 它主 要应用在受控热核反应研究方面。而低温等离子体则处于热力学非平衡状态， 各种粒子温度并不相同。其中 电子温度 （ !0 ） （ !* ） ， 电子温度可达 ,123 以上， 而其离子和中性粒子的温度却可低到 411 5 6113。 !离子温度 一般气体放电产生等离子体属于低温等离子体。 目前对低温等离子体的作用机理研究认为是粒子非弹性碰撞的结果。低温等离子体内部富含电子、 离 子、 自由基和激发态分子， 其中高能电子与气体分子 （原子） 发生非弹性碰撞， 将能量转换成基态分子 （原子） 的 内能， 发生激发、 离解和电离等一系列过程， 使气体处于活化状态。一方面打开了气体分子键， 生成一些单分 子和固体微粒； 另一方面， 又产生 ・ 等自由基和氧化性极强的 74 ， 在这一过程中高能电子起决定性作 78、 8. 7.・ 用， 离子的热运动只有副作用。常压下， 气体放电产生的高度非平衡等离子体中电子温度 （数万摄氏度） 远高 于气体温度 （室温 ,119 左右） 。在非平衡等离子体中可能发生各种类型的化学反应， 主要决定于电子的平均 能量、 电子密度、 气体温度、 有害气体分子浓度和共存的其他气体成分。这为一些需要很大活化能的反应如大 气中难降解污染物的去除提供了理想途径。另外也可以对低浓度、 高流速、 大风量的含挥发性有机污染物和 含硫类污染物等工业废气进行处理。 常见的产生等离子体的方法是气体放电， 所谓气体放电是指通过某种机制使一个或几个电子从气体原子 或分子中电离出来， 形成的气体媒质称为电离气体， 如果电离气体由外电场产生并形成传导电流， 这种现象称 为气体放电。根据放电产生的机理、 气体的压强范围、 电源性质以及电极的几何形状、 气体放电等离子体主要 分为以下几种形式： !辉光放电； "电晕放电； #介质阻挡放电； $射频放电； %微波放电。由于对诸如气态污 染物的治理， 一般要求在常压下进行， 而能在常压 （,16:# 左右） 下产生低温离子体的只有电晕放电和介质阻 挡放电两种形式。
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第七篇
气态污染物控制设备设计
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几种无声放电反应器示意
一、 电子束辐照法
（一） 工艺原理
电子束烟气脱硫的反应机理如图 ! " $ 所示， 各组分浓度随时间变化及生成硫铵及硝铵也可从图 ! " $ 可 见。整个反应完成所需时间仅为 #% 左右。当电子束照射排烟时， 电子束的能量大部分被氨、 氧、 水蒸气所吸 。 收， 生成富有化学反应性的活性种 （&’基、 &原子、 ’&$ 基）
在电子束脱硫系统中， 电子束发生装置是电子束脱硫工艺的核心技术， 由发生电子束的直流高压电源、 电 子加速器及窗箔冷却装置组成。电子在高真空的加速管里通过高电压加速， 加速后的电子通过保持高真空的 扫描， 并透射过一次窗箔及二次窗箔 （均为 #+ , &+! 照射烟气。窗箔冷却装置是向窗箔间喷射空 -的金属箔） 气进行冷却， 控制因电子束透过的能量损失引起窗箔温度的上升。电子束发生装置如图 ! " ! 所示。
（二） 设备介绍
图 , - ’ # 图 , - . 是一种静电吸附器的电晕放电装置。电晕放电装置具有多块互相平行等间隔的正极 板， 它采用铝合金材料制成。正极板的两端分别固连在两块相对的框板上， 框板采用环氧树脂板。各正极板 互相电连接在一起。在每相邻的两块正极板之间的中心面上至少有一根负极丝 （图中有三根） ， 负极丝采用钢 丝， 也可采用钨丝。负极丝的两端通过由陶瓷材料制成的穿心螺柱和螺母组成的两个连件分别固定在相对的 框板上， 所有负极丝互相电连接在一起。为减少钼丝的挠度， 钼丝两端需要有一个张紧力， 在钼丝每一端处的 连接件与框板之间， 也就是在螺母与框板之间夹有一个弹性元件， 该弹性元件采用鞍形弹性垫圈， 也可采用锥 形开花垫圈或波形弹性垫圈或压簧。