馮求寶　李勝利　吳鵬飛　盛煥煥

(1．宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司　廣東深圳 518057；　2．華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院　武漢 430074)

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高溫等離子體炬處理甲苯的研究

馮求寶1李勝利2吳鵬飛2盛煥煥2

(1．宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司廣東深圳 518057；2．華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院武漢 430074)

采用高溫等離子體炬對含甲苯廢氣進(jìn)行了處理研究，實(shí)驗結(jié)果表明：甲苯平均去除率隨著其初始質(zhì)量濃度以及氣體流量的增加都基本呈現(xiàn)下降趨勢。在氣體流量為2.2 m3/h，處理電流在23 A時，甲苯的去除效果最好。這種條件下，初始質(zhì)量濃度為0～400，400～800，800～1 200，1 200～1 600 mg/m3甲苯的去除率可以分別達(dá)到98.29%，96.52%，94.06%，93.05%。

等離子體電弧放電揮發(fā)性有機(jī)物甲苯去除率

0　引言

世界衛(wèi)生組織將揮發(fā)性有機(jī)物VOCs定義為，沸點(diǎn)位于50～250 ℃之間，且在室溫條件下，飽和蒸汽壓大于等于133.32 Pa，在常溫下以蒸汽的形式存在于大氣中的一類有機(jī)物[1]。按其來源主要分為自然源和人為源，人們?nèi)粘ｊP(guān)注的主要來自人為源[2]。人為源中工業(yè)源所占比例最高，包括石油化工、煉油制藥、汽車尾氣等各類化工行業(yè)[3]；人為源中的生活源主要是指室內(nèi)VOCs，其主要污染源是建筑和裝飾材料[4]。VOCs成分復(fù)雜，來源廣泛，危害嚴(yán)重，而苯系物是其中最為常見的有機(jī)污染物，三苯物質(zhì)(苯、甲苯、二甲苯)作為苯系物的代表物[5]，其毒性大、污染嚴(yán)重、難處理[6]。因此，處理揮發(fā)性有機(jī)物一直是環(huán)保學(xué)者研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的處理VOCs技術(shù)主要包括燃燒法、吸收法、吸附法、冷凝法、膜分離法等，但難控制、耗能高、對污染物組分要求嚴(yán)格[7-8]。低溫等離子體技術(shù)是一種處理VOCs的新型技術(shù)[9]。有研究表明[10]，利用低溫等離子體法處理VOCs，等離子體的氧化性能比O3強(qiáng)，處理效果更好。該技術(shù)工藝簡單、適用性強(qiáng)、操作方便、能耗較低，已成為處理VOCs廢氣的前沿技術(shù)。但是，低溫等離子體技術(shù)對于較高質(zhì)量濃度VOCs物質(zhì)(高于300 mg/m3)的處理效果不夠理想，而且要配合催化劑使用才能獲得較高的處理效率。另一類放電等離子體技術(shù)----高溫等離子體技術(shù)，利用電弧放電產(chǎn)生的高達(dá)10 000 ℃的高溫等離子體炬能將待處理物質(zhì)分解掉，目前在固體廢棄物的處理方面獲得了較廣泛的應(yīng)用[11]。

本文選取典型的VOCs類物質(zhì)——甲苯為處理對象，探討了采用高溫等離子體炬處理VOCs物質(zhì)的可行性。

1　實(shí)驗原理

高溫等離子炬按電弧等離子體的形式可分為兩類：轉(zhuǎn)移型等離子體炬和非轉(zhuǎn)移型等離子體炬，兩種炬的構(gòu)造示意圖如圖1所示。

在非轉(zhuǎn)移型等離子體炬中，含有一個棒狀陰極和圍繞其的筒狀陽極，電弧產(chǎn)生于炬內(nèi)部的兩電極間。操作氣體從位于炬后部的入口被吹入等離子體炬，被電極間的電弧電離化并加熱，形成熱等離子體，并在炬的出口處形成熱等離子體射流。在轉(zhuǎn)移型等離子體炬中，電弧產(chǎn)生于炬內(nèi)部的棒狀陰極和被處理物(通常為導(dǎo)電物質(zhì))之間的。操作氣體被電極和被處理物之間的電弧電離化并加熱，直接與被處理物接觸。

圖1　非轉(zhuǎn)移型等離子體炬(左)

在轉(zhuǎn)移型等離子體炬中，能量利用效率相對較高；但操作上缺乏靈活性并且需要較復(fù)雜的反應(yīng)器支持，一般用于難處理的固體廢棄物及廢水的處理。而在非轉(zhuǎn)移型等離子體炬中，其操作氣體氣流量可靈活調(diào)整，能夠滿足多次流量調(diào)節(jié)需求，所需的電源功率相對較低，反應(yīng)器也相對較簡單。

因而本實(shí)驗采用非轉(zhuǎn)移型等離子體炬，利用空壓機(jī)產(chǎn)生壓力將甲苯與空氣混合均勻后從炬后部的入口吹入等離子體炬，被電弧電離并加熱，形成熱等離子體射流，同時甲苯也被處理掉。本實(shí)驗所使用的等離子發(fā)生裝置具體型號為LGK-40IGBT 逆變式空氣等離子切割機(jī)，該系列切割機(jī)采用IGBT逆變技術(shù)，可靠性高，效率高，重量輕；其引弧成功率高，切割電流非常穩(wěn)定，電弧挺度好，工藝性能優(yōu)良；切割電流非常穩(wěn)定，電網(wǎng)電壓波動對切割電流沒有影響。

2　實(shí)驗裝置與方法

2.1實(shí)驗裝置與試劑

實(shí)驗裝置：氣相色譜(GC2020，F(xiàn)ID檢測器，由武漢恒心科技公司提供)；色譜柱：(SE-30：50 m×0.25 mm×1.0 μm毛細(xì)管柱)；色譜工作站：N2000；ZBM-0.1/8型空壓機(jī)；轉(zhuǎn)子流量計(LZB-25，LZB-2，LZB-4WB)；熱等離子體發(fā)生器(LGK-40 63IGBT 逆變式空氣等離子切割機(jī))；采樣氣袋(0.5 L，1 L，2 L，大連普萊特氣體包裝有限公司)；醫(yī)用注射器(2.5 mL，5 mL)；微量進(jìn)樣針(1000 μL，上海高鴿工貿(mào)有限公司)；玻璃反應(yīng)器(自制)；硅膠管(Φ6×8 mm)；洗氣瓶(2 L)。

主要試劑：甲苯(99.5%，色譜純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；載氣N2(99.999%，明輝氣體科技有限公司)。

2.2實(shí)驗流程

實(shí)驗流程圖如圖2所示，箭頭表示氣體流動的方向。首先打開空壓機(jī)，通過流量計分別調(diào)節(jié)控制空氣氣體流量和甲苯氣體流量，然后空氣和甲苯在集氣瓶混合，為減少誤差，使混合氣再通過兩個氣體緩存瓶，經(jīng)過兩個緩存瓶之后，氣體混合就比較均勻了，再經(jīng)過等離子體炬，點(diǎn)火處理，在取氣口進(jìn)行取氣，取出的氣體經(jīng)過稀釋等處理之后用GC112A氣相色譜進(jìn)行定性定量檢測，接著尾氣進(jìn)入裝有一定量乙醇溶液的洗氣瓶，作為尾氣處理裝置，避免實(shí)驗過程中排放的氣體污染環(huán)境。

1，2-空氣泵；3，4-轉(zhuǎn)子流量計；5-樣品溶液瓶；6-集氣瓶；7-氣體緩存瓶；8-電弧等離子體發(fā)生器；9-等離子體炬；10-取氣口；11-洗氣瓶

2.3實(shí)驗方法

本實(shí)驗采用氣相色譜測定甲苯，主要的設(shè)置參數(shù)：柱箱溫度為130 ℃，進(jìn)樣器溫度為180 ℃，采用分流的進(jìn)樣方式(分流比為10)，進(jìn)樣量為400 μL，載氣為高純N2，載氣流速為4.5 mL/min，檢測器溫度為250 ℃。燃?xì)釮2由CH-1高純氫氣發(fā)生器提供，武漢科林分析儀器有限公司；輔助燃?xì)饪諝庥蒀A-1型靜音無油空氣泵提供，武漢科林分析儀器有限公司；用氣相色譜在設(shè)置的條件下確定甲苯標(biāo)準(zhǔn)氣體出峰時間為2.8 min。

實(shí)驗通過對不同已知質(zhì)量濃度的甲苯氣體進(jìn)行氣相色譜測定，確定其峰面積與氣體質(zhì)量濃度之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線關(guān)系，以此來檢測未知?dú)怏w的質(zhì)量濃度大小。通過改變實(shí)驗參數(shù)如氣體流速、處理電流等大小，來計算甲苯的去除效率，進(jìn)而指導(dǎo)分析對于特定的甲苯氣體，該采用何種最優(yōu)的控制處理參數(shù)。

3　實(shí)驗結(jié)果與分析

圖3為甲苯的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，其質(zhì)量濃度與面積呈良好的線性關(guān)系：y=1.756x+121.4，相關(guān)系數(shù)為R2=0.997；其中y為峰面積，x為甲苯質(zhì)量濃度。

在實(shí)驗過程中，以甲苯氣體進(jìn)入電弧等離子體發(fā)生裝置前的質(zhì)量濃度作為其初始質(zhì)量濃度?？紤]到實(shí)驗裝置自身的運(yùn)行參數(shù)，選擇處理電流I為23 A，氣體流量Qv分別為2.2，3.2，3.8，4.2 m3/h，甲苯的初始質(zhì)量濃度C為0～1 600 mg/m3。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在處理電流為23 A時,甲苯去除率隨氣體流量的變化無明顯的規(guī)律，而且原始數(shù)據(jù)隨機(jī)性太大，分布不均勻。

圖3　甲苯標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.1甲苯初始質(zhì)量濃度對平均去除率的影響分析

現(xiàn)隨機(jī)抽取氣體流量Qv=2.2 m3/h(處理電流I=23 A)時，甲苯去除率隨甲苯初始質(zhì)量濃度的實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　Qv=2.2 m3/h，I=23 A時，甲苯去除率

從表1可以看出，在此條件下，甲苯去除率較高，在90%左右；但是甲苯去除率并不隨甲苯初始質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。只是從整體上而言,甲苯去除率隨其初始質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)下降的分布趨勢。為便于研究分析，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將甲苯初始質(zhì)量濃度分為4個區(qū)間，甲苯的平均去除率的實(shí)驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　Qv=2.2 m3/h，I=23 A時，甲苯不同質(zhì)量濃度區(qū)間平均去除率

從表2可以看出，氣體流量Qv=2.2 m3/h，處理電流I=23 A時，甲苯平均去除率隨甲苯初始質(zhì)量濃度的增加呈下降的趨勢；這與甲苯去除率隨甲苯初始質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)下降的分布趨勢相符，可見，甲苯平均去除率可在一定程度上反映該實(shí)驗的統(tǒng)計規(guī)律。

在處理電流為23 A時,甲苯平均去除率隨著其初始質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，是因為在其他條件如氣體流量、處理電流確定時，等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生高能等離子體的能力是一定的，廢氣分子含量會隨著甲苯初始質(zhì)量濃度的增加而升高，這樣會使每一個廢氣分子與等離子體發(fā)生裝置中的高能活性粒子接觸的機(jī)會減少，發(fā)生碰撞的幾率下降，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會較少，使得廢氣分子被去除的量有所減少，平均去除率下降。從實(shí)驗結(jié)果來看，為了提高甲苯的去除率應(yīng)選擇較小的甲苯初始質(zhì)量濃度；但在實(shí)際應(yīng)用中，我們并不能控制廢氣的初始質(zhì)量濃度，有必要根據(jù)具體甲苯初始質(zhì)量濃度的情況，選擇合適的氣體流量。

3.2氣體流量對甲苯平均去除率的影響分析

氣體流量對甲苯平均去除率的影響分析如圖4所示，可以看出，在處理氣體流量一定時,甲苯的平均去除率隨甲苯初始質(zhì)量濃度的增加而下降。另外，不同初始質(zhì)量濃度甲苯的平均去除率隨著氣體流量的增加整體基本呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為隨著氣體流量的增加，氣體在等離子體發(fā)生裝置中的停留時間不斷減少，甲苯氣體分子與等離子體接觸的幾率較少，發(fā)生碰撞的次數(shù)就會相應(yīng)的減少，與活性粒子發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會就少，這樣甲苯氣體分子被去除的數(shù)量就會有所下降，平均去除率就會呈現(xiàn)下降趨勢。從實(shí)驗結(jié)果來看，氣體流量為2.2 m3/h時甲苯平均去除率最高。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要考慮經(jīng)濟(jì)效益等其他因素，根據(jù)具體情況選擇最佳的實(shí)驗條件。

圖4　I=23 A時，不同氣體流量下甲苯平均去除率比較

4　結(jié)論

(1)在氣體流量和處理電流一定時，甲苯平均去除率隨著其初始質(zhì)量濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。

(2)不同初始質(zhì)量濃度甲苯的平均去除率隨著氣體流量的增加整體基本呈現(xiàn)下降趨勢，從實(shí)驗結(jié)果來看，氣體流量為2.2 m3/h時甲苯平均去除率最高。在實(shí)際應(yīng)用中，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益等其他因素，需根據(jù)具體情況選擇最佳實(shí)驗條件。

(3)在氣體流量為2.2 m3/h，處理電流在23 A時，初始質(zhì)量濃度為0～400，400～800，800～1 200，1 200～1 600 mg/m3甲苯的去除率可以分別達(dá)到98.29%，96.52%，94.06%，93.05%。

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李勝利，男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為放電等離子體理論和應(yīng)用、電力系統(tǒng)特種檢測技術(shù)等。

Study on High Temperature Plasma Torch for the Removal of Toluene

FENG Qiubao1LI Shengli2WU Pengfei2SHENG Huanhuan2

(1.UniverstarScienceandTechnology(Shenzhen)CO.,LTD.Shenzhen，Guangdong518057)

Using high temperature plasma torch technology for toluene waste gas treatment are studied. The results show that: the average removal rate of toluene decreases with the incensement of the initial concentration of toluene and the gas flow. The removal effect of toluene is the best whenQv=2.2 m3/h andI=23 A. In this state, the removal rate of toluene can reach 98.29%, 96.52%, 94.06% and 93.05% respectively when the initial concentrations are 0～400, 400～800, 800～1 200, 1 200～1 600 mg/m3.

plasmaarc dischargeVOCstolueneremoval rate

2015-10-11)

馮求寶，男，1982年生，碩士，工程師，主要從事工業(yè)廢氣、脫硫、除塵、脫硝等大氣污染物防治技術(shù)研究和工程應(yīng)用及管理工作。