基于等离子体技术净化有害气体的研究与应用

发布时间：2016-04-21 07:55

第一章绪论

1.1课题来源和研究背景
随着我国社会经济的发展进步和现代化建设的不断加速,工业生产过程中出现的事故和危害也在不断增加。有数据显示,欧美等发达国家安全生产状况在人均GDP水平达到1000到3000美元时,这个国家的安全生产形势则处于非常糟糕阶段,表现在高发性的安全事故和因不能得到及时救援而急剧上升的死亡人数;然而当人均GDP超过3000美元时,事故发生的频率则会逐渐下降[1]。目前,我国经济迅速发展,国民生产总值不断增加,而部分较发达省市也己经达到人均GDP水平在1000-3000美元之间,由于工业迅速发展带来的安全事故发生频率也在不断增加,而其中因为有毒有害气体泄漏造成的事故更是时有发生。2012年10月22日晚10时40分左右,湖北省洪湖市德炎水产公司发生氦气泄漏事故,致使479人中毒。2014年11月5日清晨5时15分左右,衢州巨化集团发生苯泄漏事故,致使多人中毒,其中两名工人因抢救无效不幸遇难。这样的例子不胜枚举,有毒有害气体泄漏事件对公民人身安全造成了巨大的威胁,同时也给国民生产造成了重大的损失,其危害性令人触目惊心,因此,有毒有害气体泄漏后快速地应急救援处置方式和更加先进的救援设备的研宄,是寻求安全生产的必经之路,其对国民经济的可持续发展有着非常重大的意义。本课题基于北京市科委重点项目“涉氯涉氨现场危险品快速消纳装置研制与开发”,以北京市二商集团西郊冷冻厂为试点单位,旨在研制出一种适用于有害气体泄漏事故的快速消纳装置,实现事故现场的快速应急处置。对西郊冷冻厂进行现场调研后,发现冷冻厂车间面积约为1000m3左右,车间中遍布用于输送液氨管道,在管道结合处极易发生泄漏而造成重大危险事故,故而把氨气这种刺激性异味气体定为本课题的主要研究对象,并根据有效换气次数确定车间发生氨气泄漏后的风量为10000m3/h。同时考察到因为生产设备原因,车间内部无法再安装传统有害气体处理的大型设备。故而本课题依据实际情况,提出一种一般室外条件下使用的、发生氨气泄漏后可快速移动并可以用于大风量泄漏下快速吸收有害气体的车载净化装置,以实现有害气体的紧急处理,并使其达到排放标准,解决以往的应急装备不能用于大风量处置且无法快速移动的难题。
.........

1.2有毒有害气体净化技术现状
随着世界经济的发展和各国对工业安全生产的关注,人们对有毒有害气体危害性的认识也在不断加深,围绕有毒有害气体的净化处置,国内外广大研究学者们发扬了勇于探索的精神,不断寻找合理高效的解决方法,一系列有毒有害气体净化处理的措施被用于应急处置和日常工业生产废气净化中。目前存在的有毒有害气#处理方法有燃烧法、溶液吸收法、催化转化法、吸附剂吸附法、生物处理法、等离子体净化法等[6].燃烧法又称为热力燃烧法,是指把有害气体的温度提升到可燃气态污染物的温度,在高温高氧的情况下使其完全燃烧分解,最终降解成C02和等无机物,具有燃烧彻底、净化效率高等优点。这种方法需要有害气体中含有一定浓度的可燃气态污染物,并需要通过辅助燃料燃烧来提高有害气体的温度。该方法可用于净化各种可燃性气体,其净化程度在供氧充分的情况下,依赖于反应温度、停留时间和瑞流混合等三个要素。该方法在处理部分有机废气(如碳氢类化合物)时具有明显的优势,但是当废气中含有S、C1等元素时则无法使用,易造成二次污染和中毒。
.......

第二章介质阻挡放电等离子体技术净化氨气的机理研究

2.1低温等离子体基础理论
等离子体是一种气态物质,但其并非气体,它包括一系列的分子、原子、离子、高能电子及自由基等活性物质,通常被认为是固体、液体、气体以外的物质第四态,因为大量活性物质的存在,使其性质表现出高度的不稳定性。等离子中的粒子和活性物质处于不停的运动及相互碰撞之中。在外加电场的作用下,等离子体中的电子可获得非常高的能量,通过撞击其他粒子而发生能量交换,产生一系列化学反应。事实上,等离子体在人们的日常生活中并不少见。例如,闪电和极光都是由大量等离子体组成,宇宙中百分之九十以上的物质都是以等离子体状态存在的。等离子体同样可以通过人工的方式产生,如本文要研宄的介质阻挡放电就是人工产生等离子体的一种常用方式。等离子体主要包括高温等离子体(hot plasma)和低温等离子体(cold plasma)两大类,这是国际上惯用的分类方法。高温等离子体也称热平衡等离子体,其产生对温度有非常高的要求,通常情况下高达10,OOOeV以上,相当于100,000,000°C,eV(electronvolt)是等离子体领域中常用的温度单位,leV=11600K。其电离率接近100%,电子、离子及中性粒子的温度基本一致,如太阳和恒星不断发出的等离子体。正是由于高温等离子体的特殊性,使其在通常条件下很难产生和应用。而低温等离子体(也叫冷等离子体)则恰恰相反,是一种非热力学平衡的等离子体,在一般环境温度下即可产生,是在工业生产中被广泛应用的一种等离子体。低温等离子体在放电过程中,其电离率较低,电子的温度很高,大约为103K?104K,但是离子温度和中性粒子的温度则很低,并且远远小于电子的温度,几乎可以与室温持平,这样整个体系就会呈现低温的状态[20]。
.........

2.2等离子体的产生方法
工业生产中用于产生低温等离子体的方法是多种多样的。其常用的产生方法主要有:气体放电法、射线辐照法、热电离法、激波等离子体法、光电离法和激光等离子体法等。其产生过程中受各种因素影响,如气压高低、频率大小、电极种类、放电间隙、放电功率以及外界环境因素等等。一般情况下,气体是不导电的绝缘介质,如果把气体密封到一个容器中,在两极间施加直流电压,并逐渐增大,当电压增大到某一个高值时,就会在回路中产生电流,电极间气体的绝缘性被破坏,发生击穿,即气体放电【14】。气体放电法是目前被广泛使用的产生低温等离子体的方法,在等离子体技术领域具有重要的地位,同时因其优良的性质,也是最适合本课题用于净化处有毒有害气体的等离子体发生方法。
...........

第三章等离子体净化器的设计......22
3.1等离子体净化器的设计思路......22
3.2等离子体反应器的设计......23
3.3等离子体发生电源的设计......27
3.3.1电源参数的设计......27
3.3.2电源的集成设计......30
3.4 本章小结......31
第四章等离子体净化装置集成..................32
4.1北京市二商集团西郊冷冻厂基本情况......32
4.2用于涉氨现场的移动车载应急救援装置......33
4.3等离子体净化装置设计集成......34
4.4本章小结......42
第五章等离子体装置净化氨气实验......43
5.1氨气净化的实验方案设计......43
5.2氨气净化的模拟实验......44
5.3实验结果的分析......44
5.4本章小结......50

第五章等离子体装置净化氨气实验

5.1氨气净化的实验方案设计

目前,关于等离子体净化装置的研究大多集中于实验室水平的仿真与模拟实验,这虽然有助于理解反应的机理并且可为后续的研宄提供一定的理论支撑,但要使等离子体净化装置真正用于工业生产实践中并在应急救援处置中发挥积极的作用还需要考虑到实际反应中气体的特性及环境因素的影响,这都是实验室模拟所不具备的。除此之外,本文的等离子体净化装置是用于10000m3/h的大风量下氨气泄漏事件的,故而需要不断通过实验检测其净化效率,以确保在有害气体泄漏事件发生之后等离子体的工作效率。本章节主要通过采用氨气与空气的混合气体,以北京市二商集团症细冷冻厂为试点单位,来模拟真实泄漏的场景,进行实验研究。其实验装置主要由风机、等离子体净化装置(包含等离子体发生盘与电源控制系统)、配气装置和氨气传感器等四大部分组成,实验示意图如图5-1所示。其中,配气装置部分是由标准气体气瓶、流量控制阀(包括解压阀和流量计)、混合气体瓶组成的,如此可以通过调节解压阀和流量计控制气体的流量,使其充分混合均匀之后,再打开通往等离子体挣化装置管道上的解压阀,同时开启风机,使混合气体通过等离子体净化装置。 

.......

总结

本课题来源于北京市科委安全生产领域重点项目,以北京市二商集团西郊冷冻厂为试点实验单位,基于介质阻挡放电的低温等离子体技术,以设计研制用于有害气体泄漏紧急处置的等离子体净化装置为最终目的,进行了一系列理论研究、机理分析、实验研究及参数优化等工作。首先,本文对介质阻挡放电产生等离子体净化有害气体的原理进行了一系列研究,理解了等离子体在净化过程中产生的一系列活性物质的作用机制,并对其与氨气反应的化学机理进行了分析,得到等离子体净化氨气后的主要产物,为后续等离子体净化装置的设计打下了理论的基础。随后,根据国内外等离子体反应器的设计现状,在通过理论分析和实验研究的基础上,对现有反应器的参数进行了一系列的优化,并研制出一种矩阵式的介质阻挡反应器,并通过一系列的实验设计了高压电源的参数。之后,在对西郊冷冻厂进行现场调研的基础上,确定其泄漏时可能发生的危险情况,据此对等离子体反应装置进行实验集成,并不断完善,并将其用于后续的模拟实验。在实验中,不断调整反应条件和参数,以得到等离子体净化装置的净化效率及其影响参数。主要工作及结论如下:
1等离子体净化装置净化有害气体的效率受到反应器参数(包括介质材料和尺寸、电极尺寸、放电气隙等)、电源参数(包括电压、频率等)、反应气体浓度和流速、环境条件等的影响。
2本课题设计的等离子体净化装置其最佳反应电源是电压在20KV左右、频率在12KHz左右的高频高压脉冲电源,在此基础上集成电源系统,以220V为输入电压,通过变压器输出高频高压电源。
3通过理论推导与实验研究得出,基于介质阻挡放电的低温等离子体净化装置净化氨气后的产物为N0X、H20、NH4N03、NH4N02、03、N2及少量未被去除的氨气等。
4本课题设计的等离子体净化装置是由36组等离子体盘集成的柜式等离子体装置,在常温常压的条件下,当气体浓度不高于lOOOppm时,其净化效率可达到50%以上。
.........
参考文献(略)

，

本文编号：38959