低温等离子体技术在VOCs及恶臭异味治理领域的应用

双介质阻挡放电低温等离子体 在VOCs及恶臭异味治理领域的应用

摘要：DDBD技术采用双介质阻挡放电（Double Dielectric Barrier Discharge，简称DDBD）形式产生等离子体，所产生等离子体的密度是其他技术产生等离子体密度的1500倍，该技术是派力迪公司与复旦大学共同研发成功的。自1994年由复旦大学开始研发，后来与派力迪合作研发，应用于工业恶臭、异味、有毒有害气体处理。派力迪开创了DDBD技术大规模化工业应用的先河，该技术节能、环保，应用范围广，所有化工生产环节产生的恶臭异味几乎都可以处理，并对二恶英有良好的分解效果。

关键词：VOCs处理；恶臭处理；DDBD低温等离子

1.前言

山东派力迪环保工程有限公司（简称派力迪公司）多年致力于双介质阻挡放电（DDBD）等离子体设备（简称DDBD设备）的研发及工程应用。自1994年第一台等离子原理样机诞生以来，为了提高设备的运行稳定性、降低设备的制造成本、提高能量利用率、减少设备的运行费用、扩大设备的应用范围等，进行了无数次的改进，从2000年第一代工程应用产品到2014年的第五代产品，从套管式发展为排级式，目前DDBD设备单台处理能力达到了10万方/小时。

在DDBD设备工程应用方面，从2008年中石化齐鲁分公司腈纶厂废气治理工程开始，至今已经完成了120多个废气治理项目，涵盖了石油化工、农药行业、医药行业、皮革行业、造纸行业、食品行业等，治理的污染物质有酸类、醇类、醛类、硫化物、烯烃、烷烃、芳香烃、酚类、有机胺类、酮类、酯类、杂环类等挥发性有机物。 2.DDBD设备工作原理

1

2.1 DDBD设备概念

低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。

介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的一种放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质层对此类放电有三个主要作用：一是微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间，防止火花放电。三是将金属电极通过介质层与废气进行隔离，确保电极不被腐蚀。

双介质阻挡放电（Double Dielectric Barrier Discharge, DDBD）作为产生低温（非平衡态）等离子体的一种可靠、经济的方法，被广泛应用于臭氧合成、紫外光源、材料表面处理和环境保护等领域。 2.2 DDBD设备放电原理

高压电极交流高电压发生器介质放电间隙接地电极图2-1 双介质阻挡放电示意图

介质阻挡放电过程中，电子从电场中获得能量，通过碰撞将能量转化为污染物分子的内能或动能，这些获得能量的分子被激发或发生

2

电离形成活性基团，同时空气中的氧气和水分在高能电子的作用下也可产生大量的新生态氢、臭氧和羟基氧等活性基团，废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为CO2和H2O等物质，从而达到净化废气的目的。 2.3 DDBD设备反应机理

DDBD放电中电子的能量为7～11eV，平均能量大于8eV。常见的污染物质苯C-H的键能为4.4eV，C-C键平均键能为8.4eV，在高能电子的轰击下，C-H键首先断开，生成C6H5〃自由基；H2S气体中H-S键的键能为3.6eV，放电可以使H2S发生断键，生成 〃H、〃HS、S等物质；CF2ClBr气体中C-F、C-Cl、C-Br等键能约2.42eV，放电可以使其发生断键；甲醛气体中C=O键的键能为3～6eV，放电可以使甲醛发生断键。

上述物质在高能电子的作用下发生断键后，反应活性大大增加，很容易与氧自由基、羟基自由基等活性离子发生化学反应，且大部分最终生成二氧化碳、水。

3.DDBD技术在VOCs及恶臭异味治理领域的工程应用

DDBD等离子技术能够有效裂解VOCs和恶臭异味类物质，成功应用于化工、制药、皮革、市政、食品等各行业废气治理工程中。 3.1 DDBD在化工废气治理中的应用

化工行业废气污染物主要来自原料、成品挥发，生产过程各工艺段的罐、釜、塔、真空泵、水射泵、冷凝器、传送带、离心机等位点均产生废气。

3

化工废气污染物成分复杂，几乎涵盖所有类别的污染物质，包含酸类、醇类、醛类、硫化物、烯烃、烷烃、芳香烃、酚类、有机胺类、酮类、酯类、杂环类等挥发性有机物。此类废气成分一般为：TVOCs﹤2000 mg/m3，臭气浓度﹤30000。

对于此类废气， 采用‚除水（预处理）+低温等离子体裂解氧化（主处理，停留时间2.0 s）+深度氧化（后处理）‛的工艺进行处理，对于温度较高的废气，结合冷凝预处理。经多项工程验证，此工艺能够对污染物质高效降解，使废气达标排放，运行费用仅为0.0017元/m3。这种处理工艺适用于各类石油化工、煤化工、化工助剂、精细化工等生产废气。

3.2 DDBD在制药废气治理中的应用

制药行业废气中污染物主要为原料、溶剂挥发，产生于生产过程各工艺段的罐、釜、真空泵、离心机等位点，包含甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、醇类、醛类、硫化物、烯烃、有机胺、酮类、酯类、杂环类等挥发性有机物。

此类废气浓度较高，臭度强，废气中含有一定水汽。一般情况下，臭气浓度﹤30000（无量纲），TVOCs﹤2000 mg/m3。

对于此类废气的治理，采用‚预处理（除水）+低温等离子体裂解氧化（主处理，停留时间2.0 s）+深度氧化（后处理）‛的处理工艺 。首先通过液相捕捉将废气中大于25μm以上的液滴去除，为等离子体提供良好条件；再通过等离子体设备将污染物分子键裂解、氧化，生成CO2、H2O、S、N2、OH-、分子碎片及其他无害化小分子物质

4

等；最后分子碎片、小分子物质等在深度氧化塔中进一步氧化去除，保证废气达标排放，处理费用为0.0017元/m3。这种处理工艺适用于医药原料药、医药中间体、医药合成生产废气。 3.3 DDBD在发酵废气治理中的应用

发酵废气主要来源于种子罐、发酵罐、带放罐和发酵菌渣处理过程。污染物主要为酸类、酮类、脂类、醇类、醛类等挥发性有机物。臭气浓度高，相对湿度大。另外，菌渣烘干处理过程中产生粉尘，废气温度高。一般情况下废气中TVOCs﹤1500 mg/m3，臭气浓度﹤15000。

对于此类废气，采用‚‘降温+除水’（预处理）+低温等离子体裂解氧化（主处理，停留时间1.5 s）+深度氧化（后处理）‛的处理工艺。预处理中通过水膜除尘塔将废气中的粉尘去除，粉尘含量控制在100 mg/m3以下，同时将废气温度至40℃左右；再经过水膜除尘塔将废气中大于25μm以上的液滴去除，为等离子体提供良好条件；主要处理环节通过等离子体设备将污染物分子键裂解、氧化，生成CO2、H2O、分子碎片及其他无害化小分子物质等；最后分子碎片、小分子物质等在深度氧化塔中进一步氧化去除，排出废气满足排放标准，运行费用为0.0011元/m3。这种处理工艺适用于生物发酵，包括抗生素、微生素、氨基酸、味精及其他调味品的发酵废气。 3.4 DDBD在污水厂（站）废气治理中的应用

污水厂（站）废气污染物成分复杂，包含各类有机及无机污染物，既包括原水中带来的挥发性有机物料、挥发性有机溶剂、挥发性有机产物等，也包括生化处理释放出的恶臭硫化物（如H2S、硫醇、硫醚

5

等）、氨类、有机胺类、酸类及其他挥发性有机物。该类废气通常湿度较大。经综合多个污水厂（站）废气数据，此类废气浓度一般为：臭气浓度﹤10000（无量纲），硫化氢﹤200 mg/m3，TVOCs﹤600 mg/m3。

针对此类废气，采用‚预处理（除水）+低温等离子体裂解氧化（主处理，停留时间1.0 s）+深度氧化（后处理）‛工艺。经多项工程验证，此工艺对污水厂（站）恶臭异味废气处理效果极佳，净化效率高，运行费用低，仅为0.00085元/m3。这种处理工艺适用于各类石油化工、煤化工、化工助剂、精细化工等生产废气。该处理工艺适用于市政污水处理站废气、石化污水处理站废气、煤化工污水处理站废气、制药污水处理站废气、印钞行业及其他污水站废气等。 3.5 DDBD在其它行业废气治理中的应用

除了以上列举的应用外，DDBD技术在农化、聚酯膜铸造、化验室、皮革、食品添加剂、固废处理、车间通风、卷烟、垃圾处理、餐饮油烟等行业的VOCs和恶臭异味废气治理中均取得了优异成绩。 4.结论

双介质阻挡放电低温等离子（DDBD）技术由于采用的放电电压、频率高，获得的电子能量较高，能够使绝大部分VOCs、恶臭异味物质化学键断键而被裂解为小分子物质，最终实现无害化处理。经各行业多项废气工程应用验证，具有处理效率高、运行费用低、操作维护方便等优点。该技术日趋成熟、稳定，在VOCs和恶臭异味治理领域具有更加广阔的应该前景。

6