超音速非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機(jī)物的基礎(chǔ)研究

環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重，“超音速非平衡等離子體消除揮發(fā)性有機(jī)物的基礎(chǔ)研究”實現(xiàn)廉價能量源進(jìn)行綠色氫的制取，可減少人類對化石燃料的依賴，進(jìn)而對全球經(jīng)濟(jì)和降低環(huán)境污染做出巨大貢獻(xiàn)。基于Laval噴管電極，建立了6套不同處理量的超音速滑動放電等離子體消除揮發(fā)性有機(jī)物同時制氫系統(tǒng)，完成了超音速滑動弧放電非平衡等離子體的物理化學(xué)機(jī)制研究，優(yōu)化了超音速滑動放電等離子體電極結(jié)構(gòu)、電場分布及放電范圍等因素;并對自由基的生成特性進(jìn)行了研究，建立了含有100個反應(yīng)的濕空氣低溫等離子體化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型；根據(jù)電參數(shù)、圖像分析結(jié)果及Elenbass-Heller方程，建立了超音速滑動放電非平衡等離子體通道模型；通過對甲苯、乙醇、甲烷、氨氣等模擬揮發(fā)性有機(jī)物的降解研究，建立了有機(jī)物降解反應(yīng)和產(chǎn)氫反應(yīng)的動力學(xué)模型。本項目按時完成預(yù)定的目標(biāo)，發(fā)表期刊論文17 篇，其中SCI 論文9 篇（其中SCI 影響因子大于4.0 的2 篇），EI 論文11 篇；會議論文1 篇；發(fā)明專利授權(quán)1 項，實用新型專利授權(quán)1項。

項目主要研究在超音速氣流下產(chǎn)生非平衡等離子體及其應(yīng)用。利用金屬縮張形Laval噴管作為外電極，金屬圓柱作為中心電極，施加交流高電壓在兩電極上，高速含揮發(fā)性有機(jī)物廢氣流通過Laval噴管時，形成低壓、低溫膨脹狀態(tài)的超音速滑動放電非平衡等離子體流，通過高能粒子轟擊和自由基氧化使C-H鍵斷開來消除有機(jī)物同時產(chǎn)生氫氣，并可避免氮氧化物NOx的生成。通過實驗和理論研究，對超音速滑動放電等離子體電極結(jié)構(gòu)、電場分布及放電范圍等因素進(jìn)行優(yōu)化，提高揮發(fā)性有機(jī)污染物的凈化率、產(chǎn)氫率；建立大氣壓下超音速滑動放電非平衡等離子體通道；建立揮發(fā)性有機(jī)物降解反應(yīng)和產(chǎn)氫反應(yīng)的動力學(xué)模型。上述基礎(chǔ)課題研究可使我們在有機(jī)廢氣治理等方面獲取新的知識，為超音速滑動放電等離子體消除揮發(fā)性有機(jī)物同時制氫新工藝的方案設(shè)計及其應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

第一章緒論

第一節(jié)揮發(fā)性有機(jī)物的定義、分類、來源和危害1

第二節(jié)揮發(fā)性有機(jī)污染物治理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3

一、揮發(fā)性有機(jī)物污染治理技術(shù)分類3

二、揮發(fā)性有機(jī)污染物治理的難度6

三、國內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理的現(xiàn)狀7

四、國內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理發(fā)展趨勢8

第三節(jié)國家發(fā)布的相關(guān)政策9

一、歷史情況9

二、“十二五”時期頒布了一些指導(dǎo)性政策9

三、進(jìn)入“十三五”，VOCs污染防治政策初具體系10

四、政策法規(guī)還需完善11

第二章?lián)]發(fā)性有機(jī)污染物產(chǎn)生量的一般估算方法

第一節(jié)有組織排放和無組織排放的估算13

一、有組織排放的估算方法13

二、無組織排放的估算方法16

第二節(jié)主要工業(yè)部門VOCs排放量的估算19

一、工業(yè)源VOCs主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)20

二、工業(yè)污染源VOCs排放量估算26

第三章吸附法治理揮發(fā)性有機(jī)污染物

第一節(jié)吸附和吸附劑29

一、物理吸附與化學(xué)吸附30

二、吸附劑31

三、影響氣體吸附的因素42

第二節(jié)吸附法基礎(chǔ)44

一、吸附平衡44

二、吸附速度49

三、吸附劑的脫附與劣化現(xiàn)象51

第三節(jié)吸附劑及吸附裝置的選擇54

一、吸附劑的選擇54

二、吸附裝置的選擇55

三、吸附器凈化效率的計算與選擇62

第四節(jié)固定床吸附過程的計算63

一、固定床吸附器的吸附過程63

二、希洛夫近似計算法65

三、透過曲線計算法67

四、經(jīng)驗估算法72

五、固定床吸附器床層壓降估算73

第五節(jié)移動床吸附過程的計算75

一、移動床吸附器直徑的計算75

二、移動床吸附器吸附劑用量的計算76

三、移動床吸附器吸附層高度的計算77

第六節(jié)流化床吸附過程的計算79

一、流化床吸附器操作氣速的計算80

二、流化床吸附器直徑的計算83

三、流化床吸附器床層高度與吸附器總高度的計算83

四、流化床吸附器設(shè)計舉例——用活性炭流化床吸附器回收苯蒸氣的設(shè)計計算84

第七節(jié)吸附法治理揮發(fā)性有機(jī)物86

一、揮發(fā)性有機(jī)物的吸附材料86

二、活性炭的吸附熱87

三、吸附法凈化揮發(fā)性有機(jī)物的工藝流程90

四、脫附時水蒸氣、空氣及熱量的消耗計算92

五、惡臭物質(zhì)的吸附凈化94

第四章催化法治理揮發(fā)性有機(jī)污染物

第一節(jié)催化法基礎(chǔ)97

一、催化劑的組成98

二、催化劑的表面與孔結(jié)構(gòu)99

三、催化劑的性能101

四、催化劑的種類104

五、催化劑的表征105

六、揮發(fā)性有機(jī)污染物治理工程中常用的催化劑107

第二節(jié)催化理論108

一、 催化作用108

二、催化作用原理110

第三節(jié)氣-固相催化反應(yīng)過程及動力學(xué)方程113

一、氣-固相催化反應(yīng)過程及濃度分布113

二、表面化學(xué)反應(yīng)速率與動力學(xué)方程115

三、氣-固相催化反應(yīng)宏觀動力學(xué)方程119

第四節(jié)處理揮發(fā)性有機(jī)物催化反應(yīng)器及工藝系統(tǒng)配置120

一、處理揮發(fā)性有機(jī)物的催化反應(yīng)器120

二、氣-固相催化反應(yīng)系統(tǒng)的配置和調(diào)控124

第五節(jié)固定床絕熱催化反應(yīng)器設(shè)計計算126

一、固定床絕熱催化反應(yīng)器催化劑體積的計算126

二、固定床催化反應(yīng)器壓降的計算131

三、固定床催化反應(yīng)器溫升的計算133

四、固定床催化反應(yīng)器設(shè)計的注意事項133

第六節(jié)揮發(fā)性有機(jī)污染物的催化凈化134

一、催化燃燒法凈化揮發(fā)性有機(jī)物134

二、催化燃燒法脫臭136

三、蓄熱催化燃燒技術(shù)簡介137

第五章生物法處理揮發(fā)性有機(jī)污染物

第一節(jié)概述138

一、生物過濾法的歷史和與物理化學(xué)方法的比較138

二、生物法處理揮發(fā)性有機(jī)物的原理及所用微生物140

第二節(jié)揮發(fā)性有機(jī)物生物法處理工藝145

一、揮發(fā)性有機(jī)物生物處理工藝145

二、常見的VOCs生物處理工藝的比較148

三、生物法處理揮發(fā)性有機(jī)物的動力學(xué)模型149

四、生物過濾法處理揮發(fā)性有機(jī)物的影響因素151

五、生物過濾法處理混合揮發(fā)性有機(jī)物的研究160

六、生物過濾反應(yīng)器的性能參數(shù)161

七、系統(tǒng)啟動及沖擊負(fù)荷對系統(tǒng)的影響162

八、運行成本162

第三節(jié)用于凈化揮發(fā)性有機(jī)物的環(huán)境生物工程制劑163

第六章?lián)]發(fā)性有機(jī)物回收技術(shù)

第一節(jié)冷凝法回收揮發(fā)性有機(jī)物166

一、概述166

二、冷凝法中制冷劑的選擇168

三、冷凝法的應(yīng)用——介紹兩個冷凝法流程168

四、冷凝和吸附集成回收VOCs工藝系統(tǒng)簡介169

第二節(jié)吸收法回收揮發(fā)性有機(jī)物技術(shù)170

一、吸收法基礎(chǔ)170

二、氣體吸收設(shè)備172

三、吸收法處理揮發(fā)性有機(jī)物的吸收劑175

第三節(jié)吸附法回收揮發(fā)性有機(jī)物176

一、吸附-水蒸氣脫附-冷凝回收工藝176

二、吸附-氮氣脫附-冷凝回收系統(tǒng)179

第四節(jié)揮發(fā)性有機(jī)物回收新技術(shù)簡介180

一、變壓吸附回收VOCs技術(shù)180

二、干氣回收技術(shù)189

三、淺冷油吸收技術(shù)回收VOCs192

四、膜分離回收VOCs技術(shù)193

第七章高濃度揮發(fā)性有機(jī)物的回收技術(shù)

第一節(jié)PVC行業(yè)精餾塔排放氯乙烯的回收技術(shù)207

一、顆?；钚蕴课椒ɑ厥章纫蚁┕に?08

二、活性碳纖維吸附法回收氯乙烯工藝209

三、變壓吸附法回收氯乙烯工藝211

四、膜分離法回收氯乙烯工藝211

第二節(jié)黏膠纖維行業(yè)H2S和CS2的回收214

一、黏膠纖維生產(chǎn)廢氣中CS2、H2S的來源214

二、黏膠纖維生產(chǎn)廢氣中CS2、H2S的常用回收技術(shù)215

三、黏膠纖維生產(chǎn)廢氣中CS2、H2S回收技術(shù)案例介紹220

第八章燃燒法治理揮發(fā)性有機(jī)污染物

第一節(jié)燃燒及催化燃燒224

一、揮發(fā)性有機(jī)物燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué)224

二、直接燃燒和熱力燃燒227

三、催化燃燒概述231

四、催化燃燒系統(tǒng)設(shè)計234

五、催化燃燒反應(yīng)器與凈化系統(tǒng)的設(shè)計235

第二節(jié)蓄熱燃燒(RTO)和蓄熱催化燃燒(RCO)240

一、蓄熱燃燒240

二、蓄熱催化燃燒245

第三節(jié)蓄熱燃燒用的蓄熱體247

一、蓄熱體在RTO裝置中的作用和裝置對蓄熱體的要求247

二、蓄熱體的材料248

三、蓄熱體的結(jié)構(gòu)類型和幾何特性249

第四節(jié)吸附濃縮-催化燃燒組合技術(shù)252

一、吸附濃縮-催化燃燒技術(shù)的工藝原理及流程252

二、吸附濃縮-催化燃燒設(shè)備253

三、轉(zhuǎn)輪吸附濃縮裝置255

第九章處理揮發(fā)性有機(jī)污染物的其他技術(shù)簡介

第一節(jié)光解與光催化技術(shù)258

一、光解技術(shù)258

二、光催化技術(shù)259

第二節(jié)低溫等離子體技術(shù)262

一、定義及分類262

二、低溫等離子體形成過程及發(fā)生技術(shù)263

三、低溫等離子體技術(shù)的應(yīng)用268

第三節(jié)高溫脈沖反應(yīng)器(PDR)技術(shù)簡介270

一、PDR裝置的主要組成270

二、PDR特點271

三、VOCs氣體PDR工作原理271

四、PDR的應(yīng)用271

第十章石油化工行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理技術(shù)

第一節(jié)石油化工行業(yè)VOCs排放特點及治理要求273

一、石油化工行業(yè)VOCs排放的特點273

二、石化行業(yè)VOCs治理的要求274

第二節(jié)LDAR技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用275

一、LDAR工作意義及實施目標(biāo)275

二、實施LDAR的原則276

三、LDAR實施流程277

四、密封點精簡計劃282

第三節(jié)精餾塔尾氣回收技術(shù)284

一、精餾塔簡介284

二、精餾塔頂尾氣中VOCs含量高的原因284

三、對精餾塔頂冷凝系統(tǒng)的改造286

第四節(jié)固定源油氣回收技術(shù)289

一、概述289

二、目前普遍采用的油氣回收技術(shù)291

三、油氣回收系統(tǒng)工藝295

四、加油站油氣回收296

五、案例——裝車油氣回收系統(tǒng)設(shè)計299

第十一章包裝印刷行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)污染物的治理

第一節(jié)包裝印刷的基本知識和行業(yè)概況307

一、包裝印刷基本知識307

二、我國包裝印刷行業(yè)概況308

三、復(fù)合軟包裝印刷的生產(chǎn)過程308

第二節(jié)包裝印刷生產(chǎn)中VOCs的治理313

一、包裝印刷生產(chǎn)中VOCs的主要來源及排放特點313

二、包裝印刷行業(yè)排放的VOCs治理技術(shù)314

第十二章噴涂行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)污染物治理技術(shù)

第一節(jié)噴漆行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)污染物治理317

一、噴漆行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物的特點與治理概況317

二、噴漆廢氣處理318

三、電子行業(yè)噴涂廢氣凈化實例319

四、汽車涂裝行業(yè)有機(jī)廢氣凈化實例323

第二節(jié)涂布行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)污染物治理326

一、涂布行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放的狀況及特點326

二、涂布機(jī)工作過程與廢氣凈化328

第十三章室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物污染控制措施

第一節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量331

第二節(jié)室內(nèi)空氣污染定義、來源和危害332

一、室內(nèi)空氣污染及室內(nèi)空氣污染物332

二、室內(nèi)空氣污染物的來源333

三、室內(nèi)空氣污染的危害335

第三節(jié)室內(nèi)空氣污染控制措施336

一、室內(nèi)空氣污染源控制技術(shù)336

二、室內(nèi)空氣污染的通風(fēng)控制338

三、室內(nèi)空氣凈化技術(shù)340

第十四章?lián)]發(fā)性有機(jī)物檢測技術(shù)簡介

第一節(jié)揮發(fā)性有機(jī)污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)343

一、揮發(fā)性有機(jī)污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展343

二、揮發(fā)性有機(jī)廢物排放控制標(biāo)準(zhǔn)制/修訂的新趨勢345

第二節(jié)揮發(fā)性有機(jī)污染物監(jiān)測技術(shù)規(guī)范346

一、監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及所包括的內(nèi)容346

二、監(jiān)測的方法體系347

第三節(jié)揮發(fā)性有機(jī)污染物實驗室分析檢測技術(shù)和設(shè)備348

一、樣品采集和富集349

二、實驗室分析氣相色譜法350

三、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析有機(jī)氣體352

第四節(jié)揮發(fā)性有機(jī)物現(xiàn)場檢測和在線監(jiān)測355

一、對揮發(fā)性有機(jī)物的快速現(xiàn)場檢測355

二、固定源揮發(fā)性有機(jī)物在線檢測技術(shù)和設(shè)備356

附錄 揮發(fā)性有機(jī)污染物治理典型案例

主要參考文獻(xiàn) 2100433B

氣體污染物定義

揮發(fā)性有機(jī)物是一類重要的室內(nèi)空氣污染物。它們各自的濃度往往不高。但若干種揮發(fā)性有機(jī)物共同存在于室內(nèi)時，其共同作用是不可忽視的。由于它們單獨的濃度低但種類多，故總稱為VOCs，一般不予以逐個分別表示。以TVOC表示其總量。

氣體污染物來源

揮發(fā)性有機(jī)物的主要發(fā)生源有以下兩類：

（1）家庭常用化學(xué)品中揮發(fā)性有機(jī)物的釋放

在現(xiàn)代家庭生活中，幾乎不可避免地要使用各種化學(xué)產(chǎn)品。其中不少化學(xué)產(chǎn)品能在常溫下釋放出各種VOC。幾種典型的家庭用品和材料中VOC的釋放量以及范圍見表1。從表中可以明顯看出，一些在家庭中常用的物品和材料能釋放出多種有機(jī)化合物。如膠粘劑、膠帶等可釋放出多種不同的揮發(fā)性有機(jī)物。

（2）家用裝飾材料中揮發(fā)性有機(jī)物的釋放

室內(nèi)裝飾材料是揮發(fā)性有機(jī)物的重要來源。不少人對新裝修的房間有一系列的反應(yīng)，如感覺氣味不佳、刺激、甚至頭痛、惡心等。這是因為所用裝飾材料大多能釋放出各種揮發(fā)性有機(jī)物。正是它們污染了室內(nèi)空氣，給人類健康帶來了潛在的危害。應(yīng)當(dāng)指出的是，煙草煙霧也是室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物的來源之一。