技术领域
[0001] 本
发明涉及氮
氧化物深度脱除及难降解废
水处理的应用领域。更具体地，涉及一种等离子体耦合超重力反应器装置及应用。
背景技术
[0002] 火力
发电厂排放的硫氧化物、氮氧化物和粉尘等有害物质造成严重的大气污染；化工厂排放的
废水中含难降解的苯环类，
萘环类、吡啶等杂环类等物质造成严重的水资源污染，对人类及生存环境造成严重危害。目前大气污染控制方法主要有：静电除尘、布袋除尘、湿法
脱硫和催化脱硝等；难降解废水控制方法主要有：生化法、化学氧化法和SBR处理工艺等，但现有的废气废液
净化装置多为单一污染物脱除装置，占地面积大，流程复杂，随着环保标准不断提高，现有环保设施需要不断改造，投资大、运行成本高。因此开发一种经济、可行、有效的废气废液处理装置和方法具有重要工业应用价值。
[0003] 等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，是一种聚集态物质，其拥有的高能
电子同气体或者液体分子碰撞时会发生一系列基元化反应，并在反应过程中产生多种活性自由基、高能电子和生态氧等。这些高能电子、自由基等活性粒子与气体、液体中的各种污染物作用，能够在极短时间内将其氧化或分解。例如，烟气中的NO或者废水中难降解的苯环类，萘环类、吡啶类等杂环类有害物质被氧化、分解成易于脱除的NO2或者无污染的CO2等。该装置技术由于发生了离子、
原子、分子反应而具有较高的化学反应速率，脱除效率较高等优点。传统等离子体反应器，由于受重力场限制，在实现气液或者液液体系过程中，存在传质效率低和反应转化低等不足。相对于传统重力场，超重力场具有物料
停留时间短、高效传质和混合等优点。
[0004] 因此，本发明提出一种等离子体耦合超重力反应器装置，将等离子体技术和超重力旋转床或超重力定
转子技术相互耦合，利用等离子体将烟气中的NO或者难降解废水中的苯环类，萘环类、吡啶类等杂环类有害物质被氧化、分解成易于脱除的NO2或者无污染的CO2等，借助超重力旋转床或超重力定转子技术，增大气体或者液体与自由基和高能电子碰撞
频率，延长活性自由基存活时间，避免自由基相互间结合失去活性，提高等离子体
能量利用效率，从而实现烟气中氮氧化物的脱除和难降解废水的处理，具有重要的环保、经济和社会效益。
发明内容
[0005] 本发明的一个目的在于提供一种等离子体耦合超重力反应器装置。该装置通过将等离子体耦合进入超重力反应器中，能够产生多种活性自由基、高能电子和生态氧等，能够快速氧化、分解气体、液体中的各种污染物。
[0006] 本发明的另一个目的在于提供一种等离子体耦合超重力反应器装置的应用。
[0007] 为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] 一种等离子体耦合超重力反应器装置，所述装置将等离子体场耦合进入超重力反应器；所述装置包括
电机、绝缘
联轴器、电滑环、升压调压器、旋转腔室、气体入口、气体出口、液体进口和液体出口；所述旋转腔室包括壳体、
转轴、转盘、
等离子体发生器、介质层和绝缘瓷环；所述等离子发生器为n级等离子发生器；所述n级等离子发生器与转盘形成n级等离子体场；所述n级为1-10级；优选地，所述n级为3-6级。
[0009] 所述绝缘联轴器的下端连接电机的
输出轴，上端连接旋转腔室的转轴下端的输出轴；所述旋转腔室的转轴下端套设有电滑环；所述电滑环通过
导线连接升压调压器；所述电滑环和升压调压器均通过导线连接地级；所述旋转腔室的转轴上端固定连接转盘；所述等离子体发生器固定于旋转腔室内，通过绝缘瓷环和导线连接升压调压器；所述绝缘瓷环固定于壳体上；所述壳体上设有气体入口、气体出口、液体进口和液体出口；所述液体进口外部套设气体出口；
[0010] 所述超重力反应器为超重力旋转床反应器或者超重力定转子反应器。
[0011] 优选地，所述超重力反应器为超重力旋转床反应器时，所述转盘为n级转盘，所述等离子体发生器为高压放
电极；所述高压放电极的形状为同心圆环；
[0012] 旋转腔室的壳体下端两侧设有气体入口和液体出口，上端设有气体出口和液体进口；
[0013] 所述高压放电极为n级，每一级的一端等距离固定连接于壳体内壁，且通过壳体上的绝缘瓷环与升压调压器连接；所述n级高压放电极最上方的第一级与气体出口的下端固定连接，气体出口的上端穿出壳体；液体进口的下端延伸至n级高压放电极最上方的第一级与n级转盘最上方的第一级之间，液体进口的上端穿出壳体；所述n级高压放电极与n级转盘等距离交错设置；所述n级转盘的每一级上设有介质层；所述n为1-10；优选地，所述n为3-6；所述静止的高压放电极与旋转的转盘形成等离子体场。
[0014] 优选地，所述静止的n级高压放电极与旋转的n级转盘形成n级等离子体场，可多次强化气相组分的氧化或者液相难分解组分的分解，并且多级转盘能够通过
离心力调控流动液体的形态；所述n级等离子体场为1-10个；更优选地，所述n级等离子体场为3-6个。
[0015] 优选地，所述超重力反应器为超重力定转子反应器时，所述转盘为单级转盘；所述等离子体发生器包括扰流元件和转动元件；所述扰流元件和转动元件形状为同心圆环；
[0016] 旋转腔室的壳体的上端设有气体出口和液体进口，液体进口的下端延伸至旋转腔室内部的转盘上方；旋转腔室的壳体的一侧设有气体入口，另一侧设有液体出口；
[0017] 所述扰流元件为n级，每一级的一端等距离固定连接于壳体内壁，且通过壳体上的绝缘瓷环与升压调压器连接；所述转动元件为n级，每一级的一端等距离固定连接于转盘上，随转盘旋转；所述n级扰流元件和n级转动元件等距离交错设置；所述n级扰流元件的每一级上设有介质层；所述n为1-10；优选地，所述n为3-6；所述静止的扰流元件和随转盘旋转的转动元件形成等离子体场。
[0018] 优选地，所述静止的n级扰流元件和随转盘旋转的n级转动元件形成n级等离子体场，可多次强化气相组分的氧化或者液相难分解组分的分解，并且转盘能够通过离心力调控流动液体的形态；所述n级等离子体场为1-10个；更优选地，所述n级等离子体场为3-6个。
[0019] 静止的多级高压放电极与旋转的多级转盘形成多级等离子体场，或者静止的多级扰流元件和随转盘旋转的多级转动元件形成多级等离子体场，可多次强化气相组分的氧化或者液相难分解组分的分解，提高了
等离子体能量利用效率。
[0020] 优选地，所述介质层的材料为
石英、陶瓷或普通玻璃；更优选地，选取石英作为介质材料。
[0021] 优选地，所述旋转腔室的壳体与转轴之间设置绝缘动密封装置。
[0022] 为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
[0023] 一种等离子体耦合超重力反应器装置在气液体系或液液体系的应用。
[0024] 优选地，所述气液体系的应用为
火力发电厂尾气、各种窑炉烟气、工业废气中氮氧化物深度脱除；所述液液体系的应用为难降解废水的处理。
[0025] 优选地，所述气液体系的应用具体步骤如下：
[0026] 1)气相混合物由气体进口向进入旋转腔室，液相从液体进口进入旋转腔室，在离心力的作用下，气液逆流或并流
接触；所述旋转腔室的转轴的转速为0-6000rpm；优选地，转速为250-2500rpm；进一步地，转速为400-1500rpm；所述液相为尿素或者氢氧化钠；
[0027] 2)等离子体发生器通电后形成等离子体场，产生多种活性自由基、高能电子和生态氧，进行氧化、吸收、反应过程；过程中交流
电压为0-40kV；优选地，交流电压为0-20kV；进一步地，交流电压为0-10kV；操作
温度-30-600℃；优选地，操作温度为-5-50℃；进一步地，操作温度为0-30℃；操作压力为0.01-10MPa；优选地，操作压力为0.1-5MPa；进一步地，操作压力为0.1-2MPa；
[0028] 3)反应后气体由气体出口排出，液体由液体出口排出。
[0029] 优选地，所述液液体系的应用具体步骤如下：
[0030] 1)液相混合物从液体进口进入旋转腔室，在离心力的作用下，形成液滴、液丝或液膜的形态；所述旋转腔室的转轴的转速为0-6000rpm；优选地，转速为250-2500rpm；进一步地，转速为400-1500rpm；
[0031] 2)等离子体发生器通电后形成等离子体场，产生多种活性自由基、高能电子和生态氧，进行氧化、分解、反应过程；过程中交流电压为0-40kV；优选地，交流电压为0-20kV；进一步地，交流电压为0-10kV；操作温度-30-600℃；优选地，操作温度为-5-50℃；进一步地，操作温度为0-30℃；操作压力为0.01-10MPa；优选地，操作压力为0.1-5MPa；进一步地，操作压力为0.1-2MPa；
[0032] 3)反应后液体由液体出口排出。
[0033] 通过对转速、交流电压、操作温度和操作压力等参数的精确控制，调控流动液体的形态和等离子体场的放电强度，从而在等离子体耦合超重力反应器装置中完成氮氧化物深度脱除和难降解废水的处理。
[0034] 本发明的有益效果如下：
[0035] 1)将等离子体耦合进超重力反应器，利用等离子体放电产生的高能电子和活性基团将废气废液氧化、分解、反应，同时借助超重力旋转床技术，增大气体或者液体与自由基和高能电子碰撞频率，提高等离子体能量利用效率，从而实现深度脱除氮氧化物和废水中难降解组分的处理。超重力旋转床或者超重力定转子技术具有占地面积小、设备体积小、方便操作等诸多优点，特别适用于空间受限的升级改造工厂。
[0036] 2)通过等离子体耦合超重力旋转床实现深度脱除氮氧化物及废水中难降解组分的处理，将对我国环境污染防治工作产生极大的推动和促进作用。
[0037] 3)多级等离子体场，可多次强化气相组分的氧化或者液相难分解组分的分解，提高等离子体能量利用效率；通过对转速、交流电压、操作温度和操作压力等参数的精确控制，调控流动液体的形态和等离子体场的放电强度；通过对结构的适当配置和参数的精确控制，提高了氮氧化物的脱除率和废水的降解率。
附图说明
[0038] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0039] 图1示出本发明
实施例1中等离子体耦合超重力旋转床反应器装置的结构示意图。
[0040] 图2示出本发明实施例2中等离子体耦合超重力定转子反应器装置的结构示意图。
[0041] 图3示出本发明实施例3中等离子体耦合超重力旋转床反应器装置用于气液体系的工艺
流程图。
[0042] 图4示出本发明实施例4中等离子体耦合超重力旋转床反应器装置用于液液体系的工艺流程图。
[0043] 图5示出
现有技术等离子-超重力耦合协同脱除气体污染物装置的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0045] 实施例1
[0046] 如图1所示，一种等离子体耦合超重力旋转床反应器装置100，包括电机101、绝缘联轴器103、电滑环102、升压调压器112、旋转腔室111、绝缘动密封装置117、气体入口105、气体出口106、液体进口107和液体出口110；
[0047] 旋转腔室111包括壳体109、转轴104、三级转盘114、三级高压放电极108、介质层115和绝缘瓷环116；
[0048] 绝缘联轴器103的上端连接旋转腔室的转轴104的输出轴，下端连接电机101的输出轴；旋转腔室的转轴104下端套设有电滑环102；电滑环102通过导线连接升压调压器112；电滑环102和升压调压器112均通过导线连接地级113；旋转腔室的转轴104上端固定连接三级转盘114；旋转腔室的壳体109与转轴104之间设置绝缘动密封装置117；旋转腔室的壳体
109下端两侧设有气体入口105和液体出口110，上端设有气体出口106和液体进口107，所述气体出口106套设在液体进口107外部；
[0049] 三级高压放电极108的每一级的一端等距离固定连接于壳体109内壁，且通过壳体109上的绝缘瓷环116与升压调压器112连接；三级高压放电极108最上方的第一级与气体出口106的下端固定连接，气体出口106的上端穿出壳体109；气体出口106套设在液体进口107外部，液体进口107的下端延伸至高压放电极108最上方的第一级与三级转盘114最上方的第一级之间，液体进口107的上端穿出壳体109；
[0050] 三级高压放电极108与三级转盘114等距离交错设置；三级转盘114的每一级上设有介质层115；静止的三级高压放电极108与旋转的三级转盘114形成三级等离子体场，
流体以折流的形式逐层通过每级等离子体场。
[0051] 实施例2
[0052] 如图2所示，一种等离子体耦合超重力定转子反应器装置200，包括电机210、绝缘联轴器211、电滑环212、升压调压器202、旋转腔室214；旋转腔室214包括壳体207、转轴215、单级转盘216、三级扰流元件205、三级转动元件208、介质层209和绝缘瓷环204；
[0053] 电机210的输出轴向上与绝缘联轴器211固定连接；绝缘联轴器211的输出轴向上连接旋转腔室的转轴215；旋转腔室的转轴215下端设有电滑环212；电滑环212通过导线连接升压调压器202；电滑环212和升压调压器202均通过导线连接地级201；旋转腔室的转轴215上端连接单级转盘216；旋转腔室的壳体207与转轴215之间设置绝缘动密封装置213；旋转腔室的壳体207的上端设有气体出口218和液体进口217，所述气体出口218套设在液体进口217外部，液体进口217的下端延伸至旋转腔室214内部的转盘216上方；旋转腔室的壳体
207的一侧设有气体入口203，另一侧设有液体出口206；
[0054] 三级扰流元件205的每一级的一端等距离固定连接于壳体207内壁，且通过壳体207上的绝缘瓷环204和导线与升压调压器202连接；三级转动元件208的每一级的一端等距离固定连接于单级转盘216上，随单级转盘216旋转；三级扰流元件205和三级转动元件208等距离交错设置；三级扰流元件205的每一级上设有介质层209。静止的三级扰流元件205和随转盘旋转的三级转动元件208形成三级等离子体场。
[0055] 实施例3
[0056] 如图1、图3所示，一种利用等离子体耦合超重力旋转床反应器装置进行深度脱除氮氧化物的方法：
[0057] 混合气体从一氧化氮和氮气混合气罐301和空气罐302流出，气罐上方分别设置压力调节
阀303，
质量流量计304记录混合气的流量，混合气经总阀305和止回阀306通过气体入口105进入等离子体耦合超重力旋转床反应器装置的旋转腔室内，折流通过3级等离子体场。同时，将储存在
碱液罐308中碱液(尿素或者氢氧化钠等)通过
泵310，经
球阀311和质量流量计312通过液体进口107输送进入等离子体耦合超重力旋转床反应器装置的旋转腔室内，其中质量流量计311记录碱液流量。进入等离子体耦合超重力旋转床反应器装置的旋转腔室内的碱液与氮氧化物逆流或者并流接触，生成的盐类物质与碱液通过液体出口110重新进入到碱液罐308中，并且通过侧向加碱管309补充碱液，进而形成碱液流通回路。
[0058] 实施例4
[0059] 参见图1、图4所示，一种利用等离子体耦合超重力旋转床反应器装置进行难降解废水处理的方法：
[0060] 废水(含苯环类，萘环类、吡啶类等杂环类难降解有害物质)从废液进口401进入废液罐402，通过
节流阀403控制废液流出量，泵404将废液经球阀405和质量流量计406输送到液体进口107，利用多级等离子体场产生的多种活性自由基、高能电子和生态氧等，将难降解废液彻底氧
化成CO2和H2O等，降解后
混合液408通过液体出口110进入到储液罐407中。
[0061] 实施例5
[0062] 采用实施例3所述工艺深度脱除烟气中的氮氧化物，
[0063] 所述碱液为质量分数2～10％的尿素溶液，控制气相流量为2m3/h，液相流量为3
40L/h，进口NOx浓度为1000mg/m ，并且转速在1600rpm，温度为25℃，压力为0.1MPa，交流电压为10kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于50mg/m3。
[0064] 实施例6
[0065] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作步骤同实施例5，不同之处在于：
[0066] 所述转速在6000rpm，温度为600℃，压力为10MPa，交流电压为40kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于25mg/m3。
[0067] 实施例7
[0068] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作步骤同实施例5，不同之处在于：
[0069] 所述转速在3000rpm，温度为300℃，压力为5MPa，交流电压为20kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于30mg/m3。
[0070] 实施例8
[0071] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作步骤同实施例5，不同之处在于：
[0072] 所述转速在2500rpm，温度为50℃，压力为2MPa，交流电压为10kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于75mg/m3。
[0073] 实施例9
[0074] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作步骤同实施例5，不同之处在于：
[0075] 所述转速在250rpm，温度为30℃，压力为0.1MPa，交流电压为5kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于135mg/m3。
[0076] 实施例10
[0077] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作步骤同实施例5，不同之处在于：
[0078] 所述转速在400rpm，温度为-5℃，压力为1MPa，交流电压为3kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于200mg/m3。
[0079] 实施例11
[0080] 采用实施例4所述工艺进行难降解废水处理：
[0081] 所述废水为降解浓度为300mg/L的酸性红B溶液，进入旋转床的流量为0.5L/min，转速在1500rpm，温度为20℃，常压，交流电压为40kV的操作条件下，酸性红B溶液的降解率达到99％以上；
[0082] 实施例12
[0083] 进行难降解废水处理，操作方法同实施例11，不同之处在于：
[0084] 所述废水为降解浓度为400mg/L的
苯酚溶液，进入旋转床的流量为0.45L/min，转速在1600rpm，温度为20℃，常压，交流电压为20kV的操作条件下，苯酚溶液的降解率达到95％以上。
[0085] 实施例13
[0086] 进行难降解废水处理，操作方法同实施例11，不同之处在于：
[0087] 所述转速在250rpm，温度为30℃，常压，交流电压为10kV的操作条件下，最终酸性红B溶液的降解率达到90％以上。
[0088] 实施例14
[0089] 进行难降解废水处理，操作方法同实施例12，不同之处在于：
[0090] 所述转速在2500rpm，温度为30℃，常压，交流电压为5kV的操作条件下，最终苯酚溶液的降解率达到95％以上。
[0091] 实施例15
[0092] 利用等离子体耦合超重力定转子反应器装置用于气液体系，操作方法同实施例3，不同之处在于将等离子体耦合超重力旋转床反应器替换为等离子体耦合超重力定转子反应器。
[0093] 采用上述工艺深度脱除烟气中的氮氧化物，
[0094] 所述碱液为质量分数2～10％的尿素溶液，控制气相流量为2m3/h，液相流量为40L/h，进口NOx浓度为1000mg/m3，并且转速在1600rpm，温度为20℃，常压，交流电压为10kV的操作条件下，最终气体出口NO的浓度小于50mg/m3。
[0095] 实施例16
[0096] 利用等离子体耦合超重力定转子反应器装置用于液液体系，操作方法同实施例4，不同之处在于将等离子体耦合超重力旋转床反应器替换为等离子体耦合超重力定转子反应器。
[0097] 采用上述工艺进行难降解废水处理：
[0098] 所述废水为降解浓度为300mg/L的酸性红B溶液，进入旋转床的流量为0.5L/min，转速在1500rpm，温度为20℃，常压，交流电压为10kV的操作条件下，酸性红B溶液的降解率达到95％以上；
[0099] 对比例1
[0100] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作方法同实施例5，不同之处在于：
[0101] 采用普通超重力旋转床反应器，最终气体出口NO的浓度为380mg/m3。因此本发明采用等离子体耦合超重力旋转床反应器装置进行深度脱除烟气中的氮氧化物，最终气体污染物的脱除率远高于采用普通超重力旋转床反应器进行脱除。
[0102] 对比例2
[0103] 难降解废水处理，操作方法同实施例16，不同之处在于：
[0104] 采用普通超重力定转子反应器，酸性红B溶液的降解率为75％。因此本发明采用等离子体耦合超重力定转子反应器装置进行难降解废水处理，最终废水的降解率远高于采用普通超重力定转子反应器进行降解。
[0105] 对比例3
[0106] 深度脱除烟气中的氮氧化物，操作方法同实施例5，不同之处在于：
[0107] 采用如图5所示的现有技术CN201510364125.7中的等离子–超重力耦合协同脱除气体污染物装置，最终气体出口NO的浓度为375mg/m3，远超过实施例5中气体出口NO的浓度。
[0108] 因此本发明采用等离子体耦合超重力旋转床反应器装置进行深度脱除烟气中的氮氧化物，采用了多级高压放电极和多级转盘形成多级等离子体场，最终气体污染物的脱除率远高于现有技术等离子-超重力耦合装置进行脱除的脱除率。
[0109] 结论：静止的多级高压放电极与旋转的多级转盘形成多级等离子体场，或者静止的多级扰流元件和随转盘旋转的多级转动元件形成多级等离子体场，等离子体发生器与转盘相互配合，协同作用，使等离子体场的作用效果最优，缺少任一组件都会使等离子体场的作用效果有不同程度的减弱。本发明提高了等离子体能量利用效率，从而实现了深度脱除氮氧化物和废水中难降解组分的处理。
[0110] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
