注入式低溫等離子體技術(shù)用于卷煙廠異味處理的效果研究

王曉建 李勝利 施穎星 李廣超

(1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 上海 200082； 2.華中科技大學(xué) 武漢 430074；3.上?；圬S環(huán)境工程有限公司 上海 200052)

0 引言

異味也稱為惡臭，主要來源于生活和生產(chǎn)過程中的氣體排放，被認(rèn)為是影響環(huán)境質(zhì)量的七大公害之一[1]，異味物質(zhì)濃度較高時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響人類健康和生態(tài)環(huán)境[2]。人類能聞到的異味物質(zhì)達(dá)4 000種之多[3]，除特殊過程產(chǎn)生較高濃度異味氣體外，大多數(shù)情況下異味的產(chǎn)生是由多種低濃度氣體組成的混合氣體。近年異味投訴在環(huán)境投訴中的比例逐年增加，已達(dá)30%左右[4-5]。

煙草行業(yè)的異味排放屬于典型的多物質(zhì)、低濃度混合污染物排放。煙草行業(yè)所產(chǎn)生的異味物質(zhì)有上千種，無論是采用《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—1993)[6]還是《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)[7]對(duì)異味物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，均處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)，但仍然投訴不斷。因此，只能采取嗅辯法來測(cè)定臭氣濃度[8]。

從2000年以后，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求日益提高，國(guó)內(nèi)煙廠開始大面積使用異味處理技術(shù)。陶文華[9]、陳世杰[10]對(duì)各種商業(yè)化應(yīng)用的煙廠異味處理技術(shù)進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為低溫等離子體技術(shù)是最具應(yīng)用前景的技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于異味處理的反應(yīng)器可分為兩類：第一類是以德國(guó)申克集團(tuán)為代表的腔體式反應(yīng)器(ModuPlasmaTM)，待處理氣體從電極間流過，直接與電極間產(chǎn)生的等離子體接觸，等離子體產(chǎn)生的活性成分將氣態(tài)污染物分解[11-13]。第二類是以荷蘭AEROX公司為代表的注入式等離子體反應(yīng)器，經(jīng)過處理的清潔空氣首先經(jīng)過低溫等離子體反應(yīng)器，產(chǎn)生大量氧化性活性物種，將這些低溫等離子體產(chǎn)生的活性氧化物種注入異味物質(zhì)排放管道中充分混合后，活性物種將異味分子分解[14-15]。實(shí)際應(yīng)用中，雖然腔體式等離子體反應(yīng)器的處理效率高于注入式反應(yīng)器，但腔體式等離子體反應(yīng)器對(duì)待處理異味氣體的潔凈度要求較高，進(jìn)入腔體式反應(yīng)器之前，必須去除氣體中的焦油、顆粒物(煙絲等)，否則這些物質(zhì)在反應(yīng)器中的積累不但增加了維修工作量，還存在起火的隱患。注入式反應(yīng)器對(duì)待處理氣體潔凈度要求不高，不存在起火隱患，因此越來越受到用戶的歡迎。

本文將注入式低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于上海卷煙廠制絲排潮和制絲除塵異味處理中，較為詳細(xì)地研究了等離子體反應(yīng)器工作參數(shù)對(duì)異味濃度和主要VOCs物質(zhì)的處理效果。

1 低溫等離子體異味處理原理與系統(tǒng)

1.1 低溫等離子體異味處理原理

目前，實(shí)際應(yīng)用于氣態(tài)污染物去除的低溫等離子體發(fā)生方式主要是電暈放電和介質(zhì)阻擋放電[16]；腔體式反應(yīng)器采用電暈放電的原理，注入式反應(yīng)器采用介質(zhì)阻擋放電原理。

低溫等離子體中，電子獲得的能量在2～20 eV，這些高能電子與氣體中氧氣和水分子碰撞后，產(chǎn)生氧化性自由基[16-18],主要自由基產(chǎn)生方程式為

e*+H2O→OH·+H·+e

(1)

e*+O2→O·+e

(2)

O·+O2+M→O3+M

(3)

低溫等離子體產(chǎn)生的氧化性自由基將異味分子氧化分解。

1.2 注入式異味處理系統(tǒng)基本工藝

1.2.1 低溫等離子體發(fā)生器

低溫等離子體發(fā)生器采用介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板采用高性能無機(jī)材料，采用模塊式設(shè)計(jì)；根據(jù)待處理廢氣流量，選取不同數(shù)量的模塊數(shù)。等離子體發(fā)生器電源采用新型SPWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出0～3.5 kVRMS,400 Hz正弦波。

1.2.2 異味處理工藝

本研究主要研究了制絲排潮和制絲除塵兩種煙廠典型廢氣的異味處理效果，處理工藝見圖1。適配器是由多個(gè)小孔組成的氣體分配裝置，目的是為了使注入的氧化物種充分與被處理廢氣混合。

從圖1可看出，兩種工藝廢氣的處理工藝略有不同，不同點(diǎn)在于：制絲除塵廢氣異味處理工藝將水洗工藝放在了低溫等離子體氧化物種注入適配器之后；而制絲排潮廢氣異味處理工藝將水洗工藝放在了低溫等離子體氧化物種注入適配器之前。之所以有這樣的差別，是因?yàn)閮煞N工藝廢氣的特性存在差異。制絲排潮工藝廢氣成分復(fù)雜，臭氣濃度高達(dá)4 000(無量綱)以上，溫度較高(60～80 ℃)，濕度飽和，氣溶膠(焦油等)質(zhì)量濃度高(>50 mg/m3)。將一套二段式高效能交叉流化學(xué)洗池工藝[15]放在等離子體工藝之前，一方面可以去除部分水溶性成分，降低等離子體工藝功耗；另一方面，使廢氣溫度降低，減小溫度分解氧化活性物種的效應(yīng)，提高反應(yīng)效率；最后，水洗工藝可以去除氣溶膠，減小焦油堵塞適配器小孔。制絲除塵在進(jìn)入異味處理之前，采用除塵器進(jìn)行了除塵處理，氣溶膠濃度低；臭氣濃度相比前者低(2 000左右(無量綱))，廢氣成分較前者簡(jiǎn)單；廢氣溫度在20～40 ℃，廢氣特性對(duì)氧化物種干擾小，可直接注入。后面加上一套簡(jiǎn)單水洗裝置,目的是為了進(jìn)一步提高氧化物種的反應(yīng)效率，降低排氣口臭氧濃度。

(a)制絲除塵

(b) 制絲排潮

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 低溫等離子體產(chǎn)生氧化物種濃度檢測(cè)

從式(1)～式(3)可看出：低溫放電等離子體產(chǎn)生的氧化物種主要是OH·和O，由于這些自由基難以檢測(cè)，采用檢測(cè)臭氧濃度的方法來實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)，可以反映氧化物種的發(fā)生情況。

檢測(cè)儀器：美國(guó)2B公司生產(chǎn)的MODE 106M型高濃度臭氧分析儀，檢測(cè)范圍為0～2 000 mg/m3，分辨率為0.002 mg/m3。

1.3.2 低溫放電等離子體發(fā)生器電壓檢測(cè)

采用高壓探頭和示波器檢測(cè)發(fā)生器電壓。示波器：THS720P(美國(guó)泰克公司)；高壓探頭：P6015A(美國(guó)泰克公司)。

1.3.3 臭氣濃度檢測(cè)

臭氣濃度檢測(cè)方法為三點(diǎn)比較式臭袋法，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 14675—1993。

1.3.4 典型氣體成分檢測(cè)

(1)非甲烷總烴檢測(cè)方法為氣相色譜法，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：HJ 38—2017。

(2)甲醇檢測(cè)方法為氣相色譜法，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：HJ/T 33—1999。

(3)VOCs(24種)檢測(cè)方法為氣質(zhì)聯(lián)用，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：HJ 734—2014。

2 結(jié)果討論

本文分別研究了典型的除濕排潮和制絲除塵工藝廢氣的異味處理效果，工藝參數(shù)如表1所示。使用的低溫等離子體發(fā)生器采用模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的處理氣量，使用不同數(shù)量的模塊。

表1 研究對(duì)象的工藝參數(shù)

注：Q為廢氣處理風(fēng)量；QF為等離子體注入風(fēng)量；P為等離子體發(fā)生器功率；N為采用的等離子體發(fā)生器模塊數(shù)。

2.1 低溫等離子體發(fā)生器電壓對(duì)氧化活性物種發(fā)生量的影響規(guī)律

圖2為研究的兩套處理工藝所使用的低溫等離子體發(fā)生器臭氧產(chǎn)生情況。從圖2可以看出，低溫等離子體發(fā)生器發(fā)生的臭氧濃度隨著施加電壓URMS的增加而增加，當(dāng)電壓高于2.7 kV后，進(jìn)一步提高電壓，臭氧產(chǎn)率增加變緩，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)電壓進(jìn)一步增加時(shí)，介質(zhì)阻擋放電的介質(zhì)板溫度增加過快，減緩了臭氧濃度的進(jìn)一步提高，但隨著電壓的增加，發(fā)生器能耗也增加。因此，為了最優(yōu)化低溫等離子體能效比，實(shí)際運(yùn)行中，等離子體發(fā)生器的工作電壓不超過2.7 kV。

(a)制絲排潮用等離子體發(fā)生器

(b)制絲除塵用等離子體發(fā)生器

2.2 低溫等離子體發(fā)生器參數(shù)對(duì)臭氣濃度的影響規(guī)律

圖3所示為低溫等離子體發(fā)生器參數(shù)對(duì)臭氣濃度的影響規(guī)律。為了方便起見，URMS等于0時(shí)所對(duì)應(yīng)的臭氣濃度為進(jìn)口臭氣濃度。

圖3 低溫等離子體發(fā)生器參數(shù)對(duì)臭味濃度的影響規(guī)律

從圖3可以看出，出口臭氣濃度均隨著低溫等離子體發(fā)生器工作電壓的增加而降低。結(jié)合圖2，隨著低溫等離子體發(fā)生器工作電壓的增加，活性物種濃度增加，有更多的臭味分子被氧化分解，總的臭氣濃度降低。在制絲排潮異味處理工藝中，當(dāng)?shù)蜏氐入x子體發(fā)生器工作電壓達(dá)到2.4 kV以后，所對(duì)應(yīng)的出口臭味濃度低于1 332(無量綱)，這已經(jīng)低于《惡臭(異味)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/1025—2016)中所給出的控制標(biāo)準(zhǔn)(1 500(無量綱))[19]；同樣，在制絲除塵異味處理工藝中，當(dāng)?shù)蜏氐入x子體發(fā)生器工作電壓達(dá)到2.2 kV以后，所對(duì)應(yīng)的出口臭味濃度低于1 441(無量綱)，也達(dá)到了DB 31/1025—2016標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)?shù)蜏氐入x子體發(fā)生器工作電壓達(dá)到2.7 kV后，兩種異味處理工藝的異味去除率均達(dá)到了90%以上。

2.3低溫等離子體發(fā)生器參數(shù)對(duì)典型有機(jī)物濃度的影響規(guī)律

采用1.3.4節(jié)的檢測(cè)方法，在異味處理裝置的進(jìn)口和出口取樣，對(duì)24種典型有機(jī)污染物濃度進(jìn)行了檢測(cè)分析。分析發(fā)現(xiàn)：除丙酮、異丙酮、乙酸乙酯、對(duì)/間二甲苯、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和正己烷(見圖4～圖6)外，其他16種有機(jī)物濃度均低于檢測(cè)方法的檢出限。

圖4 低溫等離子體發(fā)生器參數(shù)對(duì)非甲烷總烴(NMTHC)質(zhì)量濃度的影響規(guī)律

圖4～圖6中，低溫等離子體發(fā)生器電壓URMS為0所對(duì)應(yīng)的污染物濃度均為異味處理裝置進(jìn)口的濃度。有些污染物在URMS=2.7 kV所對(duì)應(yīng)的出口濃度為0，實(shí)際上是此時(shí)的濃度低于檢測(cè)方法的檢出限。

(a)

(b)

(a)

(b)

從圖4可看出，非甲烷總烴質(zhì)量濃度隨著低溫等離子發(fā)生器電壓的升高迅速降低，在URMS=2.7 kV時(shí)，去除率達(dá)到了83.8%(制絲排潮)和78.1%(制絲除塵)。

從圖5～圖6可看出，可檢出的8種有機(jī)污染物的質(zhì)量濃度均隨著低溫等離子發(fā)生器電壓的升高迅速降低，在URMS=2.7 kV時(shí)，去除率如表2所示。

表2 8種有機(jī)污染物在URMS=2.7 kV時(shí)的去除率 %

比較圖3和表2可發(fā)現(xiàn)，在URMS=2.7 kV時(shí)，臭味去除率達(dá)到了90%以上，而表2中可檢測(cè)出來有機(jī)物的去除率大部分未達(dá)到這個(gè)去除率；再由圖4可知，非甲烷總烴質(zhì)量濃度的去除率接近臭味去除率。說明在排放的異味物質(zhì)中，存在大量濃度很低但氣味較大的物質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)采用水洗與注入式低溫等離子體相結(jié)合的技術(shù)，能有效減小煙廠制絲排潮和制絲除塵排放氣體中的異味，低溫等離子體發(fā)生器工作電壓越高，產(chǎn)生的活性氧化物種濃度越高，異味去除率越高。

(2)制絲排潮和制絲除塵工藝排放氣體中非甲烷總烴濃度，隨著低溫等離子體發(fā)生器工作電壓的增加，迅速降低，去除率分別可達(dá)到83.8%(制絲排潮)和78.1%(制絲除塵)。

(3)所研究工藝廢氣中可檢出有機(jī)物的濃度，隨著低溫等離子體發(fā)生器工作電壓的增加迅速降低。

(4)異味去除率與可檢出有機(jī)物去除率的不一致，說明了大量低濃度有機(jī)物對(duì)發(fā)味有較大貢獻(xiàn)。