高温等离子体炬处理甲苯的研究

冯求宝　李胜利　吴鹏飞　盛焕焕

(1．宇星科技发展(深圳)有限公司　广东深圳 518057；　2．华中科技大学环境科学与工程学院　武汉 430074)



高温等离子体炬处理甲苯的研究

冯求宝1李胜利2吴鹏飞2盛焕焕2

(1．宇星科技发展(深圳)有限公司广东深圳 518057；2．华中科技大学环境科学与工程学院武汉 430074)

采用高温等离子体炬对含甲苯废气进行了处理研究，实验结果表明：甲苯平均去除率随着其初始质量浓度以及气体流量的增加都基本呈现下降趋势。在气体流量为2.2 m3/h，处理电流在23 A时，甲苯的去除效果最好。这种条件下，初始质量浓度为0～400，400～800，800～1 200，1 200～1 600 mg/m3甲苯的去除率可以分别达到98.29%，96.52%，94.06%，93.05%。

等离子体电弧放电挥发性有机物甲苯去除率

0　引言

世界卫生组织将挥发性有机物VOCs定义为，沸点位于50～250 ℃之间，且在室温条件下，饱和蒸汽压大于等于133.32 Pa，在常温下以蒸汽的形式存在于大气中的一类有机物[1]。按其来源主要分为自然源和人为源，人们日常关注的主要来自人为源[2]。人为源中工业源所占比例最高，包括石油化工、炼油制药、汽车尾气等各类化工行业[3]；人为源中的生活源主要是指室内VOCs，其主要污染源是建筑和装饰材料[4]。VOCs成分复杂，来源广泛，危害严重，而苯系物是其中最为常见的有机污染物，三苯物质(苯、甲苯、二甲苯)作为苯系物的代表物[5]，其毒性大、污染严重、难处理[6]。因此，处理挥发性有机物一直是环保学者研究的重点。

传统的处理VOCs技术主要包括燃烧法、吸收法、吸附法、冷凝法、膜分离法等，但难控制、耗能高、对污染物组分要求严格[7-8]。低温等离子体技术是一种处理VOCs的新型技术[9]。有研究表明[10]，利用低温等离子体法处理VOCs，等离子体的氧化性能比O3强，处理效果更好。该技术工艺简单、适用性强、操作方便、能耗较低，已成为处理VOCs废气的前沿技术。但是，低温等离子体技术对于较高质量浓度VOCs物质(高于300 mg/m3)的处理效果不够理想，而且要配合催化剂使用才能获得较高的处理效率。另一类放电等离子体技术----高温等离子体技术，利用电弧放电产生的高达10 000 ℃的高温等离子体炬能将待处理物质分解掉，目前在固体废弃物的处理方面获得了较广泛的应用[11]。

本文选取典型的VOCs类物质——甲苯为处理对象，探讨了采用高温等离子体炬处理VOCs物质的可行性。

1　实验原理

高温等离子炬按电弧等离子体的形式可分为两类：转移型等离子体炬和非转移型等离子体炬，两种炬的构造示意图如图1所示。

在非转移型等离子体炬中，含有一个棒状阴极和围绕其的筒状阳极，电弧产生于炬内部的两电极间。操作气体从位于炬后部的入口被吹入等离子体炬，被电极间的电弧电离化并加热，形成热等离子体，并在炬的出口处形成热等离子体射流。在转移型等离子体炬中，电弧产生于炬内部的棒状阴极和被处理物(通常为导电物质)之间的。操作气体被电极和被处理物之间的电弧电离化并加热，直接与被处理物接触。

图1　非转移型等离子体炬(左)

在转移型等离子体炬中，能量利用效率相对较高；但操作上缺乏灵活性并且需要较复杂的反应器支持，一般用于难处理的固体废弃物及废水的处理。而在非转移型等离子体炬中，其操作气体气流量可灵活调整，能够满足多次流量调节需求，所需的电源功率相对较低，反应器也相对较简单。

因而本实验采用非转移型等离子体炬，利用空压机产生压力将甲苯与空气混合均匀后从炬后部的入口吹入等离子体炬，被电弧电离并加热，形成热等离子体射流，同时甲苯也被处理掉。本实验所使用的等离子发生装置具体型号为LGK-40IGBT 逆变式空气等离子切割机，该系列切割机采用IGBT逆变技术，可靠性高，效率高，重量轻；其引弧成功率高，切割电流非常稳定，电弧挺度好，工艺性能优良；切割电流非常稳定，电网电压波动对切割电流没有影响。

2　实验装置与方法

2.1实验装置与试剂

实验装置：气相色谱(GC2020，FID检测器，由武汉恒心科技公司提供)；色谱柱：(SE-30：50 m×0.25 mm×1.0 μm毛细管柱)；色谱工作站：N2000；ZBM-0.1/8型空压机；转子流量计(LZB-25，LZB-2，LZB-4WB)；热等离子体发生器(LGK-40 63IGBT 逆变式空气等离子切割机)；采样气袋(0.5 L，1 L，2 L，大连普莱特气体包装有限公司)；医用注射器(2.5 mL，5 mL)；微量进样针(1000 μL，上海高鸽工贸有限公司)；玻璃反应器(自制)；硅胶管(Φ6×8 mm)；洗气瓶(2 L)。

主要试剂：甲苯(99.5%，色谱纯，国药集团化学试剂有限公司)；载气N2(99.999%，明辉气体科技有限公司)。

2.2实验流程

实验流程图如图2所示，箭头表示气体流动的方向。首先打开空压机，通过流量计分别调节控制空气气体流量和甲苯气体流量，然后空气和甲苯在集气瓶混合，为减少误差，使混合气再通过两个气体缓存瓶，经过两个缓存瓶之后，气体混合就比较均匀了，再经过等离子体炬，点火处理，在取气口进行取气，取出的气体经过稀释等处理之后用GC112A气相色谱进行定性定量检测，接着尾气进入装有一定量乙醇溶液的洗气瓶，作为尾气处理装置，避免实验过程中排放的气体污染环境。

1，2-空气泵；3，4-转子流量计；5-样品溶液瓶；6-集气瓶；7-气体缓存瓶；8-电弧等离子体发生器；9-等离子体炬；10-取气口；11-洗气瓶

2.3实验方法

本实验采用气相色谱测定甲苯，主要的设置参数：柱箱温度为130 ℃，进样器温度为180 ℃，采用分流的进样方式(分流比为10)，进样量为400 μL，载气为高纯N2，载气流速为4.5 mL/min，检测器温度为250 ℃。燃气H2由CH-1高纯氢气发生器提供，武汉科林分析仪器有限公司；辅助燃气空气由CA-1型静音无油空气泵提供，武汉科林分析仪器有限公司；用气相色谱在设置的条件下确定甲苯标准气体出峰时间为2.8 min。

实验通过对不同已知质量浓度的甲苯气体进行气相色谱测定，确定其峰面积与气体质量浓度之间的标准曲线关系，以此来检测未知气体的质量浓度大小。通过改变实验参数如气体流速、处理电流等大小，来计算甲苯的去除效率，进而指导分析对于特定的甲苯气体，该采用何种最优的控制处理参数。

3　实验结果与分析

图3为甲苯的标准曲线图，其质量浓度与面积呈良好的线性关系：y=1.756x+121.4，相关系数为R2=0.997；其中y为峰面积，x为甲苯质量浓度。

在实验过程中，以甲苯气体进入电弧等离子体发生装置前的质量浓度作为其初始质量浓度。考虑到实验装置自身的运行参数，选择处理电流I为23 A，气体流量Qv分别为2.2，3.2，3.8，4.2 m3/h，甲苯的初始质量浓度C为0～1 600 mg/m3。经实验发现，在处理电流为23 A时,甲苯去除率随气体流量的变化无明显的规律，而且原始数据随机性太大，分布不均匀。

图3　甲苯标准曲线

3.1甲苯初始质量浓度对平均去除率的影响分析

现随机抽取气体流量Qv=2.2 m3/h(处理电流I=23 A)时，甲苯去除率随甲苯初始质量浓度的实验数据如表1所示。

表1　Qv=2.2 m3/h，I=23 A时，甲苯去除率

从表1可以看出，在此条件下，甲苯去除率较高，在90%左右；但是甲苯去除率并不随甲苯初始质量浓度的增加呈现明显的规律。只是从整体上而言,甲苯去除率随其初始质量浓度的增加呈现下降的分布趋势。为便于研究分析，对原始数据进行统计分析，将甲苯初始质量浓度分为4个区间，甲苯的平均去除率的实验数据如表2所示。

表2　Qv=2.2 m3/h，I=23 A时，甲苯不同质量浓度区间平均去除率

从表2可以看出，气体流量Qv=2.2 m3/h，处理电流I=23 A时，甲苯平均去除率随甲苯初始质量浓度的增加呈下降的趋势；这与甲苯去除率随甲苯初始质量浓度的增加呈现下降的分布趋势相符，可见，甲苯平均去除率可在一定程度上反映该实验的统计规律。

在处理电流为23 A时,甲苯平均去除率随着其初始质量浓度的增加呈现下降的趋势。产生这种现象的原因，是因为在其他条件如气体流量、处理电流确定时，等离子体发生装置产生高能等离子体的能力是一定的，废气分子含量会随着甲苯初始质量浓度的增加而升高，这样会使每一个废气分子与等离子体发生装置中的高能活性粒子接触的机会减少，发生碰撞的几率下降，发生化学反应的机会较少，使得废气分子被去除的量有所减少，平均去除率下降。从实验结果来看，为了提高甲苯的去除率应选择较小的甲苯初始质量浓度；但在实际应用中，我们并不能控制废气的初始质量浓度，有必要根据具体甲苯初始质量浓度的情况，选择合适的气体流量。

3.2气体流量对甲苯平均去除率的影响分析

气体流量对甲苯平均去除率的影响分析如图4所示，可以看出，在处理气体流量一定时,甲苯的平均去除率随甲苯初始质量浓度的增加而下降。另外，不同初始质量浓度甲苯的平均去除率随着气体流量的增加整体基本呈现下降趋势，这是因为随着气体流量的增加，气体在等离子体发生装置中的停留时间不断减少，甲苯气体分子与等离子体接触的几率较少，发生碰撞的次数就会相应的减少，与活性粒子发生反应的机会就少，这样甲苯气体分子被去除的数量就会有所下降，平均去除率就会呈现下降趋势。从实验结果来看，气体流量为2.2 m3/h时甲苯平均去除率最高。在实际应用中，我们还需要考虑经济效益等其他因素，根据具体情况选择最佳的实验条件。

图4　I=23 A时，不同气体流量下甲苯平均去除率比较

4　结论

(1)在气体流量和处理电流一定时，甲苯平均去除率随着其初始质量浓度的增加而呈现下降的趋势。

(2)不同初始质量浓度甲苯的平均去除率随着气体流量的增加整体基本呈现下降趋势，从实验结果来看，气体流量为2.2 m3/h时甲苯平均去除率最高。在实际应用中，综合考虑经济效益等其他因素，需根据具体情况选择最佳实验条件。

(3)在气体流量为2.2 m3/h，处理电流在23 A时，初始质量浓度为0～400，400～800，800～1 200，1 200～1 600 mg/m3甲苯的去除率可以分别达到98.29%，96.52%，94.06%，93.05%。

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李胜利，男，1963年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为放电等离子体理论和应用、电力系统特种检测技术等。

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)

冯求宝，男，1982年生，硕士，工程师，主要从事工业废气、脱硫、除尘、脱硝等大气污染物防治技术研究和工程应用及管理工作。