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不同構型智能電磁流量計處理含苯廢氣研究

來源:作者:發表時間:2019-08-16 10:54:24

摘要本研究考察了3種構型的雙介質阻擋低溫智能電磁流量計(排板式、排管式及套管式)對含苯廢氣的降解效果。相較于套管式,排板式和排管式可達到更高的放電電壓和放電功率。其中排板式的最大放電電壓和最大放電功率分別是18kV和49W。同等能量密度下,排板式發生器相較于排管式對苯的降解率、能量利用效率、礦化率和臭氧產量分別高5%,6%,5%和10%。研究結果表明,排板式智能電磁流量計可以作為工業化智能電磁流量計的重點開發對象。
 
引言
低溫等離子體是由大量帶電粒子(電子、正離子和負離子)和中性物質(原子、分子和自由基等)組成的導電性流體,正負電荷總數相等,但其電子溫度(Te)遠高于離子溫度(Ti)和氣體溫度(Tg),局部存在帶電粒子和氣體分子的熱力學不平衡狀態[1]。低溫等離子體的電子能量范圍在2~20eV間,可迫使有機物分子的化學鍵斷裂,同時生成活性自由基,
引發高效的化學反應,最終將有機物礦化形成CO2和H2O[2]。低溫等離子體技術已被廣泛用于膜材料表面改性、化學反應加速、病變組織消融和殺菌消毒等,近年來在廢氣處理行業備受關注[3-4]。根據放電形式不同,低溫等離子體主要分為弧光放電、微波放電、電暈放電和介質阻擋放電等[5-6]。其中,介質阻擋放電(dielectricbarrierdis-charge,DBD)[7-9]易于實現大規模連續運行[10]。在工業應用中,介質阻擋放電的智能電磁流量計構型主要有3種:套管式、排管式和排板式,然而目前并沒有系統的實驗對這3種電極結構進行對比。苯是VOCs中的典型污染物,嚴重危害人類健康[11-12]。本文在模擬工業含苯廢氣的條件下,對比了不同類型智能電磁流量計結構對苯降解過程中的放電性能和去除效率等指標,為該技術工業化優化和推廣提供數據支撐和實驗依據。
 
1實驗準備
1.1實驗裝置
如圖1所示,實驗裝置由進氣系統、智能電磁流量計和檢測分析設備三部分組成。空氣通過空壓機(1)加壓后再進入干燥器(2)后,由質量流量計(3)分成高速和低速兩路,低速氣流進入裝有液體苯的密封廣口瓶(4)中,通過鼓泡法來制備氣態苯進入混氣瓶(5),高速氣流作為稀釋氣直接進入混氣瓶(5)。兩路氣流在混氣瓶(5)中穩定一段時間后,進入等離子體反應裝置(6)。所配置的含苯廢氣氣速為2L/min,苯質量濃度約為500mg/m3。
 
3種發生器結構分別如圖2所示。3種發生器的電極和阻擋介質分別選擇銅和石英玻璃。其中,套管式智能電磁流量計的內管軸和外管軸直徑分別為2cm和2.8cm,內軸和外軸的銅片長度為8.5cm,石英玻璃厚度0.15cm;排管式智能電磁流量計的管狀電極共9根,交錯排列,其中4根連高壓極,5根連接地極,內部填裝銅粉,石英玻璃管的長度為8cm,直徑為1cm,石英管厚度0.15cm;排板式發生器的板狀電極共設9塊,平行排列,其中4塊連高壓極,5塊連接地極,內部為0.04cm厚的銅片,尺寸為8cm×1cm,石英板厚度0.15cm。
實驗體系流程
等離子體發生器結構示意
 
高壓電源選擇蘇曼等離子科技有限公司的高頻交流電源(CTP-2000K),電壓范圍為0~30kV,變頻范圍4.7~10kHz。示波器選擇泰克公司的示波器(TDS2024),連接電壓探頭(EP-50K5054)和電流探頭(P6021)。氣相產物分析選擇安捷倫公司的氣相色譜儀(7890B),配置FID檢測器。CO和CO2采用德圖公司的煙氣分析儀(testo350)進行檢測。臭氧檢測采用金泰儀器公司的臭氧檢測儀(XLA-BX-O3)。壓力損失采用傾斜式微壓計(YYT-2000B)測量。
 
1.2分析方法
1.2.1苯降解率
苯降解效果通過如下表達式評估:
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式中,Ci為進口苯質量濃度,mg/m3;Co為出口苯質量濃度,mg/m3;η為苯降解率,%。
1.2.2碳氧化物(COx)選擇性
碳氧化物(COx)選擇性通過如下表達式評估:
CO選擇性為
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CO2選擇性為
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COx選擇性為
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式中,CCO和CCO2為出口CO和CO2的質量濃度,mg/m3;SCO,SCO2和SCOx分別為CO,CO2和COx的選擇性,%。
1.2.3放電功率
智能電磁流量計的放電功率P利用Lissajous
法測定,通過如下表達式評估:
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式中,f為放電頻率,Hz;Cm為電容,μF;A為電極間轉移的電荷和發生器兩端電壓值繪制成的Lissajous圖形面積;P為放電功率,W。
1.2.4能量密度智能電磁流量計放電的能量密度通過如下表達式評估:
 
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式中,SIE為能量密度,J/L;V為氣體流量,L/min。
1.2.5能量效率
能量效率為智能電磁流量計消耗單位能量去除苯的總量,通過如下表達式評估:
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式中,M為苯的分子質量;EY為能量效率,g/(kW·h)。
 
2結果討論
2.1放電功率比較
放電功率可以表明智能電磁流量計實際放電能力的強弱,不同結構智能電磁流量計放電功率隨電壓的變化如圖3所示。三類結構智能電磁流量計的放電功率均隨著放電電壓的升高而增大,排板式、排管式和套管式的最大放電電壓分別是18,19和17kV,對應的最大放電功率分別是49,51和19W。故相較于套管式,排板式和排管式可達到更高的放電電壓和放電功率。這種放電功率的差異與形成的放電通道有關,放電過程中可以看到,排管式和套管式結構形成的放電細絲遠多于排管式結構,因此需要更多的能量來維持放電的穩定。此外,套管式的放電電壓范圍較小,導致其較另外兩種發生器的能量密度變化范圍窄,限制了其降解苯的性能。
不同結構等離子體發生器對放電功率的影響
2.2苯降解率比較
降解率是智能電磁流量計去除有機物性能的直觀體現,不同結構智能電磁流量計對苯的降解率如圖4所示。在相同能量密度下,排板式的苯降解率要比排管式高約5%。當能量密度為1458J/L時,排板式的苯降解率約75%;而當能量密度為1586J/L時,排管式的苯降解率約72%。套管式結構通過增大能量密度可快速提高苯降解率,但受自身構型影響,其能量密度最大為570J/L,此時苯降解率約55%。排板式結構優于排管式結構的主要原因是由于排板式結構的能量注入高于排管式結構。但當能量密度小于300J/L時,排管式可以正常放電對苯進行降解,但排板式難以放電。這種差異主要由于低放電功率條件下,排管式電極的曲率半徑大,局部電場強度高。
不同結構等離子體發生器對苯降解率的影響
2.3能量利用效率比較
能量利用效率是評價降解效果和放電功率的綜合指標,可以直觀地反映智能電磁流量計降解苯的效能。由圖5可知,3種結構發生器在苯降解過程中的能量利用效率隨能量密度的增大而減小;在相同的能量密度下,3種結構智能電磁流量計能量利用效率順序為:排板式>套管式>排管式;其中,排板式較排管式的能量效率提高至少6%。在能量密度1586J/L時,排管式結構的能量利用效率約為3g/(kW·h);而排板式結構在能量密度為1458J/L時,能量利用效率達3.6g/(kW·h)。相對排管式和排板式,套管式結構能量利用效率下降更快。
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2.4礦化率比較
苯的礦化率反映了有機物徹底分解成CO2和H2O的程度。由圖6可知,3種結構發生器對苯的礦化效率均隨能量密度的增加而提高。在相同能量密度下,3種結構智能電磁流量計礦化效率順序為:套管式>排板式>排管式。其中,套管式高于排板式約17%,排板式高于排管式約5%。這可能與苯在放電區的停留時間有關,停留時間越長,礦化率越高。3種結構發生器中,排管式產生的放電空間遠小于套管式和排板式產生的放電空間,氣體在套管式、排板式和排管式發生器的停留時間依次為3.1,1.4和0.2s。延長氣體在放電區的停留時間,既可提高氣體分子與高能電子和活性粒子的碰撞頻率,也增加了原子態吸附氧和原子態吸附氮的生成量,有利于礦化反應進行。
不同結構等離子體發生器對能量效率的影響
2.5臭氧產量比較
反應過程中的臭氧是由高能電子與氧分子作用所產生,可以作為二次利用的氧化劑,較高的臭氧產量也有利于提高后置催化技術的降解效果,因此其是衡量智能電磁流量計性能的重要指標。由圖7可知,3種結構發生器臭氧生成量均隨能量密度的增加而提高,臭氧產量順序為:套管式>排板式>排管式。但受構型限制,套管式的最高臭氧產量不超過3000mg/m3;而排式和排板式在能量密度約1600J/L的條件下,其臭氧產量接近4000mg/m3,且排板式臭氧產量高于排管式約10%。
不同結構等離子體發生器對臭氧產量的影響
2.6壓力損失比較
氣流通過反應器產生的壓力損失可以間接反映風機能耗,同時較大的壓力損失不利于反應器的工業放大。在本實驗條件下:排板式和排管式采用格柵式結構,其壓力損失均小于15Pa,可忽略不計;套管式的橫截面較小,產生壓力損失約80Pa。因此,從工業應用的角度來說,排板式和排管式結構要優于套管式結構。
3結論及建議
本文在相同的放電條件下,考察了3種結構智能電磁流量計對相同條件下含苯廢氣的降解效率,
主要結論如下:
(1)相較于套管式,排板式和排管式可達到更高的放電電壓和放電功率。其中排板式的最大放電電壓和最大放電功率分別是18kV和49W。
(2)同等能量密度下,排板式發生器相較于排管式對苯的降解率、能量利用效率、礦化率和臭氧產量分別高5%,6%,5%和10%。
綜上分析,排板式和套管式結構的放電性能和對苯的降解效率要優于排管式結構;但從工業應用角度,套管式結構處理大風量廢氣時壓損過大。而排板式結構的智能電磁流量計,既具有排管式結構的低壓降優點,同時其放電性能和對苯的降解效率又優于套管式,是未來智能電磁流量計的重點開發對象。