注入式低温等离子体技术用于卷烟厂异味处理的效果研究

王晓建 李胜利 施颖星 李广超

(1.上海烟草集团有限责任公司 上海 200082； 2.华中科技大学 武汉 430074；3.上海慧丰环境工程有限公司 上海 200052)

0 引言

异味也称为恶臭，主要来源于生活和生产过程中的气体排放，被认为是影响环境质量的七大公害之一[1]，异味物质浓度较高时会严重影响人类健康和生态环境[2]。人类能闻到的异味物质达4 000种之多[3]，除特殊过程产生较高浓度异味气体外，大多数情况下异味的产生是由多种低浓度气体组成的混合气体。近年异味投诉在环境投诉中的比例逐年增加，已达30%左右[4-5]。

烟草行业的异味排放属于典型的多物质、低浓度混合污染物排放。烟草行业所产生的异味物质有上千种，无论是采用《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)[6]还是《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)[7]对异味物质进行检测，均处于达标状态，但仍然投诉不断。因此，只能采取嗅辩法来测定臭气浓度[8]。

从2000年以后，随着国家对环境质量的要求日益提高，国内烟厂开始大面积使用异味处理技术。陶文华[9]、陈世杰[10]对各种商业化应用的烟厂异味处理技术进行了比较分析，认为低温等离子体技术是最具应用前景的技术。低温等离子体技术应用于异味处理的反应器可分为两类：第一类是以德国申克集团为代表的腔体式反应器(ModuPlasmaTM)，待处理气体从电极间流过，直接与电极间产生的等离子体接触，等离子体产生的活性成分将气态污染物分解[11-13]。第二类是以荷兰AEROX公司为代表的注入式等离子体反应器，经过处理的清洁空气首先经过低温等离子体反应器，产生大量氧化性活性物种，将这些低温等离子体产生的活性氧化物种注入异味物质排放管道中充分混合后，活性物种将异味分子分解[14-15]。实际应用中，虽然腔体式等离子体反应器的处理效率高于注入式反应器，但腔体式等离子体反应器对待处理异味气体的洁净度要求较高，进入腔体式反应器之前，必须去除气体中的焦油、颗粒物(烟丝等)，否则这些物质在反应器中的积累不但增加了维修工作量，还存在起火的隐患。注入式反应器对待处理气体洁净度要求不高，不存在起火隐患，因此越来越受到用户的欢迎。

本文将注入式低温等离子体技术应用于上海卷烟厂制丝排潮和制丝除尘异味处理中，较为详细地研究了等离子体反应器工作参数对异味浓度和主要VOCs物质的处理效果。

1 低温等离子体异味处理原理与系统

1.1 低温等离子体异味处理原理

目前，实际应用于气态污染物去除的低温等离子体发生方式主要是电晕放电和介质阻挡放电[16]；腔体式反应器采用电晕放电的原理，注入式反应器采用介质阻挡放电原理。

低温等离子体中，电子获得的能量在2～20 eV，这些高能电子与气体中氧气和水分子碰撞后，产生氧化性自由基[16-18],主要自由基产生方程式为

e*+H2O→OH·+H·+e

(1)

e*+O2→O·+e

(2)

O·+O2+M→O3+M

(3)

低温等离子体产生的氧化性自由基将异味分子氧化分解。

1.2 注入式异味处理系统基本工艺

1.2.1 低温等离子体发生器

低温等离子体发生器采用介质阻挡放电电极结构，介质板采用高性能无机材料，采用模块式设计；根据待处理废气流量，选取不同数量的模块数。等离子体发生器电源采用新型SPWM拓扑结构，输出0～3.5 kVRMS,400 Hz正弦波。

1.2.2 异味处理工艺

本研究主要研究了制丝排潮和制丝除尘两种烟厂典型废气的异味处理效果，处理工艺见图1。适配器是由多个小孔组成的气体分配装置，目的是为了使注入的氧化物种充分与被处理废气混合。

从图1可看出，两种工艺废气的处理工艺略有不同，不同点在于：制丝除尘废气异味处理工艺将水洗工艺放在了低温等离子体氧化物种注入适配器之后；而制丝排潮废气异味处理工艺将水洗工艺放在了低温等离子体氧化物种注入适配器之前。之所以有这样的差别，是因为两种工艺废气的特性存在差异。制丝排潮工艺废气成分复杂，臭气浓度高达4 000(无量纲)以上，温度较高(60～80 ℃)，湿度饱和，气溶胶(焦油等)质量浓度高(>50 mg/m3)。将一套二段式高效能交叉流化学洗池工艺[15]放在等离子体工艺之前，一方面可以去除部分水溶性成分，降低等离子体工艺功耗；另一方面，使废气温度降低，减小温度分解氧化活性物种的效应，提高反应效率；最后，水洗工艺可以去除气溶胶，减小焦油堵塞适配器小孔。制丝除尘在进入异味处理之前，采用除尘器进行了除尘处理，气溶胶浓度低；臭气浓度相比前者低(2 000左右(无量纲))，废气成分较前者简单；废气温度在20～40 ℃，废气特性对氧化物种干扰小，可直接注入。后面加上一套简单水洗装置,目的是为了进一步提高氧化物种的反应效率，降低排气口臭氧浓度。

(a)制丝除尘

(b) 制丝排潮

1.3 检测方法

1.3.1 低温等离子体产生氧化物种浓度检测

从式(1)～式(3)可看出：低温放电等离子体产生的氧化物种主要是OH·和O，由于这些自由基难以检测，采用检测臭氧浓度的方法来实现间接检测，可以反映氧化物种的发生情况。

检测仪器：美国2B公司生产的MODE 106M型高浓度臭氧分析仪，检测范围为0～2 000 mg/m3，分辨率为0.002 mg/m3。

1.3.2 低温放电等离子体发生器电压检测

采用高压探头和示波器检测发生器电压。示波器：THS720P(美国泰克公司)；高压探头：P6015A(美国泰克公司)。

1.3.3 臭气浓度检测

臭气浓度检测方法为三点比较式臭袋法，依据标准：GB/T 14675—1993。

1.3.4 典型气体成分检测

(1)非甲烷总烃检测方法为气相色谱法，依据标准：HJ 38—2017。

(2)甲醇检测方法为气相色谱法，依据标准：HJ/T 33—1999。

(3)VOCs(24种)检测方法为气质联用，依据标准：HJ 734—2014。

2 结果讨论

本文分别研究了典型的除湿排潮和制丝除尘工艺废气的异味处理效果，工艺参数如表1所示。使用的低温等离子体发生器采用模块化设计，针对不同的处理气量，使用不同数量的模块。

表1 研究对象的工艺参数

注：Q为废气处理风量；QF为等离子体注入风量；P为等离子体发生器功率；N为采用的等离子体发生器模块数。

2.1 低温等离子体发生器电压对氧化活性物种发生量的影响规律

图2为研究的两套处理工艺所使用的低温等离子体发生器臭氧产生情况。从图2可以看出，低温等离子体发生器发生的臭氧浓度随着施加电压URMS的增加而增加，当电压高于2.7 kV后，进一步提高电压，臭氧产率增加变缓，出现这一现象的原因是当电压进一步增加时，介质阻挡放电的介质板温度增加过快，减缓了臭氧浓度的进一步提高，但随着电压的增加，发生器能耗也增加。因此，为了最优化低温等离子体能效比，实际运行中，等离子体发生器的工作电压不超过2.7 kV。

(a)制丝排潮用等离子体发生器

(b)制丝除尘用等离子体发生器

2.2 低温等离子体发生器参数对臭气浓度的影响规律

图3所示为低温等离子体发生器参数对臭气浓度的影响规律。为了方便起见，URMS等于0时所对应的臭气浓度为进口臭气浓度。

图3 低温等离子体发生器参数对臭味浓度的影响规律

从图3可以看出，出口臭气浓度均随着低温等离子体发生器工作电压的增加而降低。结合图2，随着低温等离子体发生器工作电压的增加，活性物种浓度增加，有更多的臭味分子被氧化分解，总的臭气浓度降低。在制丝排潮异味处理工艺中，当低温等离子体发生器工作电压达到2.4 kV以后，所对应的出口臭味浓度低于1 332(无量纲)，这已经低于《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB 31/1025—2016)中所给出的控制标准(1 500(无量纲))[19]；同样，在制丝除尘异味处理工艺中，当低温等离子体发生器工作电压达到2.2 kV以后，所对应的出口臭味浓度低于1 441(无量纲)，也达到了DB 31/1025—2016标准的要求。当低温等离子体发生器工作电压达到2.7 kV后，两种异味处理工艺的异味去除率均达到了90%以上。

2.3低温等离子体发生器参数对典型有机物浓度的影响规律

采用1.3.4节的检测方法，在异味处理装置的进口和出口取样，对24种典型有机污染物浓度进行了检测分析。分析发现：除丙酮、异丙酮、乙酸乙酯、对/间二甲苯、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和正己烷(见图4～图6)外，其他16种有机物浓度均低于检测方法的检出限。

图4 低温等离子体发生器参数对非甲烷总烃(NMTHC)质量浓度的影响规律

图4～图6中，低温等离子体发生器电压URMS为0所对应的污染物浓度均为异味处理装置进口的浓度。有些污染物在URMS=2.7 kV所对应的出口浓度为0，实际上是此时的浓度低于检测方法的检出限。

(a)

(b)

(a)

(b)

从图4可看出，非甲烷总烃质量浓度随着低温等离子发生器电压的升高迅速降低，在URMS=2.7 kV时，去除率达到了83.8%(制丝排潮)和78.1%(制丝除尘)。

从图5～图6可看出，可检出的8种有机污染物的质量浓度均随着低温等离子发生器电压的升高迅速降低，在URMS=2.7 kV时，去除率如表2所示。

表2 8种有机污染物在URMS=2.7 kV时的去除率 %

比较图3和表2可发现，在URMS=2.7 kV时，臭味去除率达到了90%以上，而表2中可检测出来有机物的去除率大部分未达到这个去除率；再由图4可知，非甲烷总烃质量浓度的去除率接近臭味去除率。说明在排放的异味物质中，存在大量浓度很低但气味较大的物质。

3 结论

(1)采用水洗与注入式低温等离子体相结合的技术，能有效减小烟厂制丝排潮和制丝除尘排放气体中的异味，低温等离子体发生器工作电压越高，产生的活性氧化物种浓度越高，异味去除率越高。

(2)制丝排潮和制丝除尘工艺排放气体中非甲烷总烃浓度，随着低温等离子体发生器工作电压的增加，迅速降低，去除率分别可达到83.8%(制丝排潮)和78.1%(制丝除尘)。

(3)所研究工艺废气中可检出有机物的浓度，随着低温等离子体发生器工作电压的增加迅速降低。

(4)异味去除率与可检出有机物去除率的不一致，说明了大量低浓度有机物对发味有较大贡献。