（环境工程专业论文）等离子体技术处理汽车内衬生产过程中产生的烟气.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 汽车内衬材料是近些年研究发展的热点，各企业从不同角度加大材料特性的 改进，在其生产过程也产生大量的气体污染物，主要是以气溶胶的形式存在，严 重影响操作车间和周围的环境，因此对这类烟气的治理尤为重要。 等离子法烟气处理方法是近年来发展起来的一种物理和化学相给合的高新技 术，具有处理流程短，效率高，能耗低，适用范围广等优点，广泛应用于废气、 废水、固体废物、污泥，甚至放射性废物等的治理，在实际中取得良好的效果。 本试验就是利用等离子体技术治理汽车内衬生产过程中产生的烟气。在等离 子体原理图的基础上进行了等离子体反应器的设计，利用该反应器对其电源特性、 结构参数和操作参数进行深入的研究，通过试验对其反应条件进行系统的优化。 并对等离子体技术的原理进行了研究。 通过对试验的分析，发现烟气初始浓度、烟气流量、烟气处理时间及试验装 置中极板闯的电压和距离等因素，都会影响到最终的烟气处理效果。当烟气处理 时间为9 0 l o o s ，起始浓度( 初始透光率) 为7 5 时，在电离区脉冲电压在1 5 5 k v ， 电离区集尘极板间距为3 e m ，集尘区电压达到l o k v ，集尘区极板间距为2 5 c m 时， 此反应器对粒径o 1 l * m 的烟气具有很好的处理效果，烟气净化率达到9 3 以上， 从而肯定了辉光放电对烟气中的极微细的可吸入颗粒物和气溶胶的去除具有明显 效果。 试验证明：等离子体技术用于治理汽车内衬生产过程中产生的烟气，尤其是 气溶胶形式存在的烟气，具有良好的效果，同时具有良好的市场前景和推广应用 的价值。 关键词：汽车内衬，气溶胶，低温等离子体，辉光放电，烟气净化，脉冲电压。 北京科技大学硕士学位论文 s t u d y o nt h et r e a t m e n to fs m o k ef r o mt h ep r o c e s so f i n n e rv e h i c l ed e c o r a t i o nw i t hp l a s m a a b s t r a c t t h es t u d yo fi n n e rv e h i c l ed e c o r a t i o nh a sb e e nt h ef o c u so fm a t e r i a lo fn e ws t y l e a n d e v e r yc o m p a n yi m p r o v e st h ec h a r a c t e ro ft h em a t e r i a l i nt h ep r o c e s s ，m u c hs m o k e h a db e e np r o d u c e dt h a ts e r i o u s l yi n f l u e n c e dt h es u r r o u n d i n g so fw o r k s h o pa n dl i v i n g h o u s e s s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wk i n d o f t e c h n o l o g yt od i s p o s et h ep o l l u t i o n an e wm e t h o df o rt h er e m o v a lo fi n d u s t r i a lg a su s i n gg l o wd i s c h a r g ei n d u c e d p l a s m ai si n t r o d u c e db e c a u s eo f i t sa d v a n t a g eo v e rt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s i tw i l lb e a p p l i e di nt h ef u l l 班? a l e i nt h i sp a p e r , t h eg l o wd i s c h a r g ep o w e ra n dt h ee l e c t r o d e c o n s t r u c t i o na r ed e s c r i b e d , a n dt h em e c h a n i s mo fd e s u l f u r i z a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni s r e p r e s e n t e d t h e r eh a v eap a r t i c u l a rd e s c r i p t i 6 na b o u tt h ee x p e r i m e n t a t i o nw h i c ha b o u t t h ew i p i n gt h ef u m eo f fh lt h ep r o c e s so fv e h i c l e si n n e rd e c o r a t i o nw i t hc o l dp l a s m a a c c o r d i n gt ot h er e l a t e dd a t a , ih a v ed e s i g n e da n dm a d eap l a s m ar e a c t o rf o rt r e a t m e n t o fg a s e o u sp o l l u t a n t sb ym y s e l f o p t i m i z ep a r t so fc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ed a t aa n ds u m m a d z e ，w ef i n dt h a tm a n yc o m p l i c a t i o n s c a l li n f l u e n c et h er e s u ka b o u tt h ed i s p o s i t i o no ff u m e , s u c ha st h ei m t i a lc o n c e n t r a t i o n o f 觚e ，t h ef l u xo fg a s ，t h et i m et od e a lw i t l lt h ef u m ea n ds oo n w h e ni tc o s ta b o u t 9 0 l o o sw h i l ei t si n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni s7 5t ot r c a tf u m e w h i l et h eg r a d eo fp u l s e v o l t a g ei nt h ea r e ao fi o n i z a t i o no v e r1 5 s k y , t h eg r a d es p a c eb e t w e e no fp u l s ev o l t a g e i s2 3 c m ，t h eg r a d eo fp u l s ev o l t a g ei nt h ea r e ao fc o l l e c t i o no v e r3 k 、a n dt h eg r a d e s p a c eb e t w e e ni s2 5 c m t h i sr e a c t o rh a st h eg o o dp r o c e s s i n gr e s u l tt ot h ef u m ep i r a t i c a ld i a m e t e rb e t w e e n 0 1 z mt o1 a n ，a n dt h er e s u l ti sa b o v e9 3 a n dt h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e r e m o v a lo fi n d u s t r i a lg a s i ti sp r o v e dt h a tp l a s m at e c h n o l o g yh a se n o u g ha d v a n t a g c st o d i s p o s et h ep o l l u t i o n a n di th a sab i gp o t e n t i a lm a r k e t k e yw o r d s ：i n n e rv e h i c l ed e c o r a t i o n ，a e r o s o l ，c o l dp l a s m a ，g l o wd i s c h a r g e ，a i r c l e a n i n g ，p u l s ev o l t a g e 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 繇竽吼芈【f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 北京科技大学硕士学位论文 前言 现代工业带来的大气环境污染已成为举世瞩目的问题。如燃烧化石燃料排放 的s 0 2 和n o x 气体形成的“酸雨”；排放的c 0 2 和其他吸收红外线的气体( 如n 2 0 ) 引起的“温室效应”：城市机动车和化工厂排放的n o x 和n h 3 形成城市“酸雾”等， 尤其是我国国民经济的持续增长，促进了我国交通事业的迅速发展，进入9 0 年代 以来，我国汽车保有量以1 3 1 5 的年增长率在迅速增加，到目前全国汽车保有 量已超过2 0 0 0 万辆，那么汽车的生产及尾气的排放中产生的工业烟气对环境的影 响相当严重。所以解决这些问题是全球环保的当务之急。 目前，我国燃料以煤炭为主，成分复杂，数量因燃料的品种、燃烧方式而异。 在燃烧过程中产生大量二氧化硫，并且在工业生产过程中，或多或少的存在不完 全燃烧的现象，可燃物质的不完全燃烧可产生大量粉尘。某些粉尘在一定条件下 还能够对二氧化硫产生催化氧化，从而引起酸雨。同时对人体还可造成直接的危 害。烟尘的危害性与颗粒的大小有关，有的物质能直接侵入人体，有的则与其他 物质发生反应或者被吸收变成其他形式作用于人体，影响和损害是复杂的。同时 石油化工及许多大量使用有机溶剂的生产部门都排放出含苯、甲苯、乙醇、丙酮 和一氧化碳等有害物质的废气，这些有害物质由于其毒性或恶臭气味，严重影响 着操作人员的身体健康及周围的大气环境状况。 在环境污染物治理的研究中，已经涌现出多种高新技术，如：超声波、超临 界流体、等离子体、中空纤维膜分离技术、高梯度磁分离技术、反渗透技术、光 化学氧化法、光催化氧化法、催化实施氧化技术等。但这些技术大多处在研究阶 段，也有些已经进行了中试，少数达到了工业化的水平。 在众多的环境污染治理新技术中，等离子体可能作为一种高效率、低能耗、 适用范围广、处理量大、操作简单的环保新技术来处理有毒及难降解物质，是近 年来研究的热点。它不仅在焊接、切割、冶金、化工、磁流体发电、微电子加工、 材料的表面改性、镀膜等工业领域得到了应用，而且在气态污染物净化、废水处 理、臭氧制造、核废料处理等环保领域也取得了一定的进展。 这次试验课题是等离子净化汽车内衬生产过程中产生的工业烟气，主要是研 究气溶胶形式的烟尘的去除。传统的袋式除尘器对于粒径小于0 靴m 的粒子，在 清灰后的净化效率低于9 0 ，而且管理比较麻烦。传统的电除尘器虽然处理效果 比较好，但是造价非常高，适合烟气量非常大的大型工厂安装使用。 北京科技大学硕士学位论文 等离子处理烟气不但处理效果好，而且造价低，管理方便，适合小型工厂安 装使用。在加入催化剂的同时，还可以分解烟气中的s 0 2 、c o 、氮氧化物。因此， 等离子体法处理工业烟气具有十分广阔的前景。与其他污染治理技术相比，等离 子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点。等离子体既可用 于处理废气又可用于处理废水、固体废物、污泥、甚至放射性废物等。 本次试验通过自行设计并制作的小型试验装置来进行试验，模拟工业烟气产 生，对等离子体反应器的电源特性、结构参数和操作参数进行了深入的研究，考 察各种参数的变化对烟气的处理效果的影响。主要是通过调节反应器的放电电压 的峰值，调整电极的间距等，以及改变烟气和混合空气的流速、烟气的浓度及反 应时问等因素来确定最佳的组合条件。 研究表明：采用等离子体技术处理工业烟气，净化效率高，烟尘净化率可达 9 0 以上，能够处理其它工艺设备无法处理的极微细可吸入颗粒物和气溶胶烟气， 可收集0 0 0 1 0 o l # m 级的超细粒子。等离子体净化设备结构简单、运行费用极低， 可在产生烟气的很多行业和领域推广应用。 所以低温等离子体脱除废气中的有机物不失为一种具有潜在应用前景的技 术，但仍存在着一些问题，如部分氧化产物c o 和臭氧的排放、耗能仍然偏高且处 理能力有待于提高等问题都值得进一步研究克服。 2 北京科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 烟气 1 1 1 烟气概述 烟气是物质氧化过程产生的含大量固体微粒和有毒气态污染物的产物。烟气 的本质是一种气溶胶。散发于空气中能被人们看到的燃烧产物叫烟雾，实际上烟 雾是由浮游在空气中的微小固体颗粒、微小液滴及气体和蒸气组成，颗粒的大小 在0 0 1 1 0 p m 。 烟气中的烟尘是可吸入颗粒物，一般粒径多在0 0 1 m m 范围，可长时间悬 浮于空气中，对人体有严重的危害，是造成尘肺、硅肺病的主要根源。烟气中的 有毒气体对人体的危害也很大，主要体现为引起窒息，可刺激人体器官以及高温 作用等方面有些还含有致癌作用的二恶英、苯并疵及醛类物质。 大部分可燃物质都属于有机物，它们主要由碳、氢、氧、硫、氮、磷等元素 构成，燃烧时会产生大量有毒气体，如氧化碳、氢化氰、二氧化硫、二氧化碳、 二氧化氮、氨气等。这些气体达到一定浓度时，对人体均有不同程度的危害。例 如氰化氢( h c n ) 是一种迅速致死、窒息性的毒物：二氧化氮f n 0 2 ) 对肺刺激性强， 能引起即刻死亡以及滞后性伤害；氨气( n h 3 ) 有刺激性，有难以忍受的气味，对 眼、鼻有强烈刺激作用：氯化氢( h c d 是呼吸道刺激荆，吸附于颗粒上的h c l 的 潜在威胁性较之等量的h c i 气体要大【1 1 由热解产生的烟气中含有大量的可挥发性有机物、硫和氮的化合物及其气溶 胶等，目前在烟气治理过程中，脱硫、硝，去除可挥发性有机物和气溶胶备受重 视，而且开发的治理这些污染物的方法也很多，但是不是每一种方法对这些污染 物的去除率都很好，而且它们处理的范围也有刚”。 1 1 2 气溶胶 ( 1 ) 气溶胶概述 气溶胶是指悬浮在气体中的固态或液态微粒。空气中微小颗粒群系有好多种： 重新悬浮的固体颗粒、来自发电站、各种燃烧和光化学作用形成的烟粒、来自海 洋波涛的粒子、水雾和冰晶雾都属气溶胶。以分子形式运动的售纬中都存有这些 3 北京科技大学硕士学位论文 微小粒子。 因此在一般情况下，只有含有粒子和气体的两相分散系统才真正存在。气溶 胶不仅对能见度和气候有巨大的作用，而且对人体健康和生活质量也有巨大的影 响。 人们呼吸时吸入的不是纯净的空气而是气溶胶。如果在如下领域，气溶胶对 人体健康是有害的：工业、矿山、核工业有害区、全球性大范围污染和局部小范 围污染、户内污染包括被动吸烟等。近期，城市大气气溶胶污染日趋严重，为了 对其加以控制，对中国某些城市气溶胶危害进行评价是十分必要的脚l 。气溶胶对 人类生存环境的影响主要表现在以下几个方面； 1 1 气溶胶对气候与生态系统的影响 人为排放气溶胶的气候效应和环境生态效应是当前环境科学和大气科学界普 遍关注的热门课题，已引起各国政府和联合国i p c c 组织的高度重视。不仅仅是因 为气溶胶的强迫作用会改变( 或影响) 区域乃至全球的气候和环境生态系统，更 重要的是为了要实现可持续发展和保护人类所共同拥有的自然生态环境，必须进 行减缓向大气排放气溶胶。这就涉及到各国的国民经济发展和工农业生产的发展， 是摆在各国政策制定者面前的一个严肃课题。 目前已经发现，人为硫酸盐气溶胶是人为气溶胶的主要成分，它来自化石燃 料燃烧，在大气中主要以积聚模态形式出现，并可滞留期约一周的时间。这种硫 酸盐气溶胶具有明显的时间变化和区域分布不均匀特征，它的直接辐射强迫作用 在半球和全球尺度内表现为负效应。 生物质燃烧产生的气溶胶主要是有机质( 包括黑碳) ，其辐射强迫作用也很明 显，对此已有一些定量估算结果。我国从7 0 年代开始监测酸雨，8 0 年代初，进行 大气气溶胶污染研究，我国的能源结构主要是以燃煤为主，目前，由于工业排放 和能源利用，我国每年向大气排放的s ( h 居世界各国排放之首。 因此研究的重点集中在s 0 2 排放以及在我国酸沉降较严重的西南、华南、华 东和华中地区的酸雨问题上。8 0 年代中期，我国开始对中国主要工业城市和近中 国海以及热带西太平洋海域的气溶胶的成分、分布特征和季节变化情况进行研究， 并开始注意海洋硫化物气溶胶对云和降水的影响。 人类活动时对全球变化所引起的生态效应和生态系统对气候系统的影响表现 非常复杂，气溶胶含量的增加直接影响辐射，尤其是短波辐射减弱以及光谱分布 的变化常导致削减光合作用，推迟或延长生长季，影响生物质的积累，当然也要 考虑在低光强度下，有些作物的生长相对强些，甚至可能在较高光强度情况下更明 4 北京科技大学硕士学位论文 显。此外还应考虑气溶胶的辐射强迫造成的使温度趋于减低和使降水趋于减少所 引起的综合效应，包括与c 0 z 增加的协同作用。 气溶胶对畜禽和人类的生活影响 微生物气溶胶可来源于动物、植物、人体、生产活动及土壤和江、河、湖、 海等水体组成的自然界，直接影响大气环境和气候。一般情况下，动物舍内的气 溶胶颗粒含有微生物及饲料碎屑、毛屑等生物物质相对较多。 人工源气溶胶粒子多为污染所致，因含有毒、有害成分较多而对动物健康影 响较大，其中影响最大、与动物关系最密切的是生物气溶胶中的微生物气溶胶。 生物气溶胶中的生物粒子种类非常多，包括微生物如病毒、细菌、放线菌、立克 次氏体、支原体、衣原体、真菌等，其它生物和生物性物质等如苔藓、蕨类孢子、 藻、花粉、昆虫及其碎片和分泌物、动植物源性蛋白、酶、各种菌类毒素等。 ( 2 ) 城市气溶胶的来源及成份 城市气溶胶细粒子的化学成分城市大气中悬浮的颗粒物，尤其是细颗粒物中 的化学成分分析，是近年来大气化学分析研究的重点。 气溶胶颗粒物的化学组分，除一般无机元素外，还有元素碳( e c ) 、有机碳 ( 0 c ) 、有机化合物( 尤其是挥发性有机物( v o c ) 、多环芳烃( e a h ) 和有毒物) 、 生物物质( 细菌、病菌、霉菌等) 。用x 2 荧光光谱对p m 2 5 - l o 气溶胶样品中的化学 成分进行元素分析，目前已发现化学元素种类非常多，细颗粒物中还有各种化合 物及离子、硫酸盐、硝酸盐等。 气溶胶的化学成分十分复杂，不同的时间和空间，气溶胶的化学成分是不同 的，分析方法和取样的时空差别也产生一些差异，甚至差别很大。 气溶胶的来源是气溶胶研究的又一个重要方面。大气气溶胶的污染源可分为 自然源、人为源与地球化学源，还有二次颗粒物。 自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、孢子、细菌等。自然界中的灾害事 件，如火山爆发向大气中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及尘 暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中。 人为源包括固定源和流动源，固定源包括各种燃科燃烧源，如发电、冶金、 石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排 放的烟尘。流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的 尾气。 二次生成物的形成机理是近年来气溶胶来源研究的一个热点，也是难点。对 于大气气溶胶中的二次颗粒物的来源有不同的说法： 5 北京科技大学硕十学位论文 1 1 认为在大气中存在着一系列复杂的化学反应，实现由气体到粒子的相态 转换； 2 1 认为大气高层中的雨滴、冰晶蒸发后的凝结核由下沉气流带到大气的低 层； 对于某一国家或地区而言，从其他临近国家或地区经大气的长距离输送 而来。 ( 3 ) 气溶胶的研究现状与发展 当今气溶胶研究的重点，这些研究都已取得了很大的成果。但是由于气溶胶本 身存在很大的时空变率，而且目前各种气溶胶采样方法和分析手段之间还缺乏可 比性，因此到目前为止，如何取得全面有代表性的资料仍是气溶胶基本特性研究 方面亟待解决的问题。 尽管气溶胶粒子对气候和环境质量有重要影响，但在目前的全球气候与环境模 型中对气溶胶的影响的考虑不足。其原因是缺乏关于气溶胶综合性的全球数据； 缺乏对与气溶胶相关过程和气溶胶辐射效果的了解。 在用模型计算大气成分改交( 由人为活动造成的) 引起的气候强迫时，平流层 气溶胶仍是一个不确定的因素。应在全球范围内进行大规模的观测研究，以减少 这种不确定性。人类活动引起的土地利用变化、城市化和沙漠化及自然或人为因 子引起的地表特征和气候变化都可能改变沙尘暴的频率及强度，沙尘气溶胶对酸 雨的中和作用、对硫酸盐气溶胶的形成及其谱分布和对海洋微量成分循环过程的 影响将继续是科学界广泛关注的问题f m 2 6 1 。 1 1 3 可挥发性有机物 ( 1 ) 可挥发性有机物的定义 大气污染的定义起源于对有害影响的观察，根据i s o 做出的定义，大气污染 通常系指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度， 达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。 v o c 是挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 的英文缩写。其定义有 好几种，例如，美国a s t md 3 9 6 m 9 8 标准将v o c 定义为任何能参加大气光化学 反应的有机化合物。美国联邦环保署( e v a ) 的定义：挥发性有机化合物是除c o 、 c 0 2 、h 2 c 0 3 、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参加大气光化学反应的 碳化合物。世界卫生组织( w h o ，1 9 8 9 ) 对总挥发性有机化合物( t v o c ) 的定义为， 熔点低于室温而沸点在5 0 2 6 0 c 之间的挥发性有机化合物的总称。 6 北京科技大学硕士学位论文 挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) ，一般是指常温下饱和蒸 气压大于7 0 p a ，常压下沸点小于2 6 0 的液体或固体有机化合物。 另根据挥发性有机物空气污染管制及排放标准定义，系指有机化合物成分之 总称，但不包括一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳化物、碳酸盐、碳酸铵等化合物。 ( 2 ) 可挥发性有机物的来源 当今世界工业发展引起的环境污染已日益严重，其中v o c s 的影响更引起人 们的重视。虽然人类的生活和生产活动向大气中排放的v o c s 仅占全球排放量的 1 5 ，但在城镇等人类聚居区域，它对大气污染的作用是严重的。 近代随着有机合成工业和石油工业的迅速发展，排入大气中的工业有机废气 越来越多，它们在地表为光化学氧化剂，可形成光化学烟雾；在空气对流层使臭 氧浓度增高。造成温室效应。这些有机废气包含有低浓度的苯、甲苯、多环芳烃、 有机硫化物、有机氮化物等挥发性有机物，这些v o c s 不仅对人的感官有刺激作 用，引起人的不快，还会危害人们的身体健康。 有机废气产生的来源有：石油化工( 包括塑料、橡胶、胶片) 、印刷、粘结、 涂料和其它一些工艺。油漆，印刷、橡胶和塑料制品成型，感光胶片和显像管涂 膜等生产过程中都要使用大量的有机溶剂，例如由其中有机溶剂含量一般为5 0 。 常用的有机溶剂主要为苯系物( 苯、甲苯、二甲苯) 、脂类( 乙酸乙酯、乙酸丁脂) ， 醇类( 乙醇、丁醇) 、酮类( 丙酮、丁酮) 及汽油等。其中苯系物是最为常见的， 也是最多的气态有机污染物。 苯系物在工农业生产中使用相当广泛，是最常见的一类工业污染物。经常接 触苯的行业主要有：石油化学工业、有机化学工业、炼焦业、农药、橡胶粘合剂、 人造革、漆布、绝缘材料的制造以及与人类生活息息相关的建材、装修、家具制 造。其中最需要特别提出的是油漆和喷漆行业。油漆作业的职业毒害，主要是油 漆溶胶和喷漆稀释剂的苯系物。当不挥发成分( 树脂、颜料、助剂) 干结成漆膜 后，溶剂、稀料等挥发份，即挥发成有毒成分。特别是喷漆作业，溶剂含量高且 挥发极快，常用的硝基漆在稀释喷涂时溶剂含量达8 0 ，而占2 0 左右的固体组 分形成的漆膜，表皮干燥仅需要l o m i n 。 因此，在喷漆作业中有大量的有毒气体散发出来。除此之外，作为重要大气 污染源的钢铁工业，在其炼焦环节中，由于煤在低氧条件下干馏，其中挥发物质 变为气体逸出，这些污染气体中也含有大量的苯。 甲苯的溶解性能与苯相当，常代替苯作为油漆、染料，油脂、树脂的溶剂， 也用作航空汽油的添加剂，还是制造炸药、苯甲酸、合成涤纶及某些树脂的原料。 7 北京科技大学硕十学位论文 二甲苯是生产多彩涂料的主要原料，实际生产中大部分的捏合机与三银研磨机均 为敞口式，散发以二甲苯为主的有机废气，对环境造成了极大的污染。 ( 3 ) 可挥发性有机物的处理现状 治理挥发性有机污染物的根本途径是采用无污染的工艺，少用或不用有害原 科，控制废气排放，对各种有机化合物进行回收利用或无害化处理。 目前可挥发性有机物的治理方法主要有：吸附法、吸收法、燃烧法、冷凝法。 1 ) 吸附法 吸附是将有机物截留在粒状固体表面的过程，相反的过程称为脱附，在空气 污染控制工程中，正是利用吸附剂不断吸附、脱附的循环，去除废气中v o c s ，回 收其中有用的组分，使吸附净化装置能长期运转。 最常用的吸附剂是活性炭，他的吸附容量不仅与它本身的性质有关，而且与 有机物的性质有关。一般地说，吸附容量随被吸附物分子量、极性和环化程度的 增加而增加。吸附容量也受到温度和压力的影响，温度越高，吸附容量越小，所 以吸附系统的操作温度一般不超过3 8 。低蒸气压的有机物比高蒸气压的更容易 吸附。相对湿度对吸附容量也有相当大韵影响，一般气流的相对湿度不超过5 0 。 如果气流含有高沸点的有机物，需用一次性吸附床先将其去除。 优点：去除效率高，净化彻底，能耗低，工艺成熟，易于推广实用的优点， 具有很好的环境效益。 缺点：如果再生的液体不能回用，这些液体必须进行处理，不仅可能造成二 次污染，而且增加许多处理成本。另外当废气中有气溶胶物质或其他杂质时，吸 附剂易失效。 2 ) 吸收法 在环境工程中，吸收法是控制大气污染的重要手段之一，该法不仅能消除气 态污染物而且往往能将污染物转化为有用产品。由于吸收法治理气态污染物技术 成熟，设计及操作经验丰富，适用性强，因而在大气污染物治理中的广泛应用。 但对有机废气，由于其水溶性一般不好，因而应用不太普通。吸收法粗粒有机废 气主要利用有机废气能与大部分有机物质互溶的特点，用高沸点、低蒸气压的油 类作为吸收剂来吸收废气中的有机物。常见的吸收器是填料洗涤吸收塔。用液体 石油类物质回收苯乙烯就是其中一例，因苯乙烯有微弱极性，能与液体石油类物 质很好互溶，这就构成了苯乙烯废气吸收净化的前提，为强化吸收效果，可用液 体石油类物质，表面活性剂河水组成的乳液作为吸收液。 影响吸收法去除v o c s 效率的因素有：有机物在溶剂中的溶解度，有机物在 8 北京科技大学硕士学位论文 气体中的浓度，气体的温度，液气比和接触的面积。降低操作温度、增加液气接 触面和提高液气比都会提高吸收的效率，但同时也增加了系统的阻力和能耗，因 此，对这两者需要同时考虑。 吸收法用于控制v o c s ，可以将v o c s 转化为有用产品，但吸收的范围有限。 吸收剂难以选取，吸收后的吸收溶液需进一步处理，有可能造成二次污染，并且 费用较高，对低浓度的有机物处理时费用可能会更高。 燃烧法 热破坏是目前应用比较广泛也是研究较多的有机废气治理方法，特别是对低 浓度有机废气，有机化合物的热破坏可分为直接火焰燃烧和催化燃烧。有机化合 物的热破坏是复杂的并且可能包含一系列分解、聚合及自由基反应，最重要的 有机化合物破坏机理是氧化和热裂解、热分解，热破坏法正是基于此机理进行的。 直接火焰燃烧是一种有机物在气流中直接燃烧和辅助燃料燃烧的方法。多数 情况下，有机物浓度较低，不足以在没有辅助燃料时燃烧。直接火焰燃烧在适当 温度和保留肘阔条件下，可以达到9 9 的热处理效率。 催化燃烧是有机物在气流中被加热，在催化床层作用下，加快有机物化学反 应( 或破坏效率的方法) ，催化剂的存在使有机物在热破坏时比直接燃烧法需要更 少的保留时间和更低的温度。 催化热破坏处理设备能达到的有机物热破坏效率在9 0 9 5 之间，稍低于直 接火焰燃烧，这是由于废气停留在催化床层填料或催化材料涂层的时间长，降低 了催化剂有效表面积从而降低了全面破坏效率。另外，催化剂常只针对特定类型 化合物反应，所以催化燃烧的应用在一定程度上受到限制。 催化剂在催化燃烧系统中起着重要作用。用于有机废气净化的催化剂主要是 金属和金属盐，金属包括贵金属和非贵金属。目前使用的金属催化剂主要是p t 、 p d ，技术成熟，而且催化活性高，但价格比较昂贵而且在处理卤素有机物，含n 、 s 、p 等元素时，有机物易发生氧化等作用使催化剂失活，非金属催化剂有过渡族 元素钻、稀土等。近年来催化剂的研制无论贵金属催化剂并取得了很多成果。例 如：v 2 0 5 + m 0 x ( m ：过渡族金属) + 贵金属制成的催化剂用于治理甲硫醇废气： p t + p d + c u o 催入剂用于治理含氮有机醇废气。 由于有机废气中常出现杂质，很容易引起催化剂中毒，导致催化剂中毒的毒 物( 抑制剂) 主要有磷、铅、铋、砷、锡、汞、亚铁离子、锌、卤素等。另外由 于催化剂的专一性，一种健化剂只能对某种物质具有效果，而对另外的物质却没 有效果，从而导致成本的增加。还有，当温度不太高时，容易产生比原有有机物 9 北京科技大学硕士学位论文 毒性更大，对人体危害更大的物质，如二恶英等，这已经引起了世界环保人士的 关注。 们冷凝法 降低饱和v o c s 气体的温度，是v o c s 冷凝后从气体中分离出来。冷凝过程 可在恒定温度的条件下，用提高压力的办法来实现，也可在恒定压力的条件下， 用降低温度的方法来实现。冷凝的方式有直接接触冷凝和表面热交换两种。 气流中v o c s 的种类和初始浓度对冷凝的运行皆有影响。v o c s 的分压对其去 除率有影响，且与v o c s 初始浓度和冷凝温度有关。在给定的温度下，v o c s 的初 始浓度越大，v o c s 的去除率越高。冷却剂的选用根据要求的最低温度而定，一般 用盐水或c f c 较为适用。 优点：可回收产品，不增加废物的排放。 缺点：只适用于处理高浓度v o c s 废气，若回收的产品无回用价值，还需将 其进一步处理从而增加了费用。由于操作温度低于v o c s 的凝结点，因此需要不 断除霜以免冻结在冷凝蛇形管上另外，气流中的水也会对形成的液体造成污染。 乳等离子体法 在绝对温度不为零的任何气体中，总存在一定成分的原子电离。宇宙射线或 热灯丝也可以产生一定数量的初级电子，它们以一定的方式在外部激励源的电场 中被加速获能，当其能量高于气体原子的电离电势时，电子与原子之间的非弹性 膨胀将导致电离而产生离子和电子。当气体的电离率( 电离率a - - n d n 。+ n o ，n e 、n c 分别为带电粒子和中性粒子密度) 足够大时，中性粒子的物理性质开始退居次要 地位，整个系统受带电粒子的支配，此时电离的气体即为等离子体。 根据热力学状态的不同和中性气体温度的相对高低，等离子体可分为热等离 子体和低温等离子体。当电子温度与离子温度、中性粒子温度相等时，等离子体 处于热力学平衡状态，此时称之为热等离子体，如由高强度直流电弧放点和高频 感应耦合放电产生的等离子体。当电子温度远远大于离子温度时，称之为低温等 离子体，如由辉光放电、电晕放电、微波放电产生的等离子体【翻。 等离子体技术应用到环保方面，是近几年发展起来的一项新兴的技术。但最 常用的是低温等离子体处理低浓度的有机废气。 低温等离子体法处理v o c s 与其他传统方法相比有许多优点阎： i 可在常温常压下操作。 n 有机化合物最终产物c 0 2 、c o 和h 2 0 。若有机物是氯代物，则产物脚加上 氯化物，而无中间副产物。降低了有机物的毒性，同时避免了其他方法中的后期 北京科技大学硕士学位论文 处理问题。 i i i 工艺流程简单，运行费用低。 对v o c s 的去除率高，对v o c s 的适应性强。 v 运行管理比较方便。 1 1 4 室内空气污染物 ( 1 ) 室内空气污染物的来源及危害 室内环境污染的研究以室内环境污染对人的健康危害以及如何防止这些危害 为主要内容。源控制即污染源的检测与控制被认为是消除室内污染最根本、最有 效的途径5 蜘。 室内环境污染研究主要围绕源控肯q 而展开，目前室内气态污染物种类繁多， 主要有以下几个来源及其危害： 1 1 建筑材料及装饰材料含有甲醛、苯、氯仿等易挥发的有机溶剂以及放射性 物质氡，这些物质大都具有一定的致癌性，能够抑制人体造血功能，诱发白血病； 人为活动产生的吸烟烟雾、呼出废气及致病微生物等污染物； 烟雾中主要成分为焦油和尼古丁，其中焦油中含有大量的致癌性物质；人 在呼吸时肺部可排出2 0 余种有毒物质，其中1 0 余种含有挥发性毒物；室内活动 时会增加室内湿度，湿度达到一定程度，细菌、病毒等微生物就会大量繁殖； 4 1 现代化的办公设备和家用电器使用过程中也不可避免地产生有害气体。例 如，复印机、打印机放电时，激发空气中的氧转变为臭氧，散发在工作室内，其 浓度超过0 0 8 p p m 就足以对人体产生危害； 研室外大气的恶化加重室内空气的污染，如汽车排放的尾气、居民区的垃圾 异味等，都会扩散进入室内，降低室内空气的质量。 可以看出，室内环境中的主要污染源大致可以分为物理污染源、化学污染源、 生物污染源和放射性污染源，且绝大多数污染物都是借助于空气传播，通过人的 呼吸和皮肤接触对人体造成危害，因此，室内环境问题的研究重点在于室内空气 质量的好坏i 捌。 ( 2 ) 室内空气污染物特点 室内气态污染物与工业废气存在极大的区别，室内气体污染物的特点主要表现 在以下几点1 i ： 1 1 室内空气污染物是多元的，它包括：建筑装饰材料释放的有机气体、人为 活动捧出的污染物、吸烟产生的烟雾以及来自室外的大气污染物； 北京科技大学硕士学位论文 2 1 室内空气污染物是低浓度的； 3 ) 室内空气中存在大量的细菌、真菌、霉菌和病毒等空气微生物； 室内空气中的悬浮颗粒是超细微的，其粒径在1 t m 左右： 5 ) 室内空气净化要求无二次污染。 ( 3 ) 室内气体污染物处理现状 室内气体污染来源广、危害大，主要是挥发向有机气体，其成分复杂，治理 难度大，对于v o c ，目前常用的治理方法有以下几种【2 3 l ： 1 1 活性炭法 该法是吸附剂对废气中所含的v o c 发生物理吸附，过程可逆；吸附达饱和后， 用水蒸气脱附，再生的活性炭循环使用，由于吸附剂在使用一段时期以后便失去 活性，必须要定期清洗或更换，所以运行费用较高。 2 1 冷凝法 该法主要用于回收高沸点和高浓度的v o c ，通过将操作温度控制在v o c 的 沸点以下而将v o c 冷凝下来，达到回收v o c 的目的。该法适用于v o t e 浓度大于 5 的情况，并需低温和高压，设备费用和操作费用高，且回收率不高，故很少单 独使用。 光催化氧化法 该法是在光的催化下将吸收的光能直接转交为化学能，使许多通常情况下难 以实现的反应在常温、常压的条件下能够顺利进行。 利用紫外光源，将t i 0 2 光催化剂对室内的有害气体及异味气体等通过光催化 反应彻底分解为无臭、无害的产物，同时可杀灭空气中的细菌、病毒。与其它净 化技术结合，光催化是一种具有应用前途的室内空气净化技术。 1 1 5 汽车内衬生产工艺及烟气 ( 1 1 汽车内村生产概述 随着现代技术的发展，人们对汽车内部的环境提出了更高的要求，希望车内 噪音小，振动轻微、温度适宜、没有装饰材料散发的有害气体。目前，纤维多空 装饰材料很好地解决了汽车内噪音和隔热的问题，使车内噪音在行驶过程中降低 到8 2 d b ，降低了汽车空调的2 0 能耗。 原料包括：废旧纤维和粉末粘合剂。这种内装饰材料不仅空隙率高，隔热隔 音效果好，还具有一定的强度，可以根据汽车的内部要求压制成各种形状，也可 以加入其它材料复合层压成具有多种功能的复合材料，满足装饰、消声、隔热的 1 2 北京科技大学硕士学位论文 需要。这种内装饰材料的优点如下： 1 1 具有隔音、隔热、防寒功能； 价格低廉； 3 1 材料易得，来源广泛。 这种材料一诞生就受到世界各地汽车生产厂家的欢迎，在短短的1 0 多年时间 内迅速发展，品种齐全。在世界上，生产汽车内装饰材料技术先进的国家当属意 大利、德国、法国，他们不仅拥有比较先进的生产设备，还拥有与汽车配套的种 类齐全的各种模具，整车使用纤维内装饰件也占有较高比率，这种趋势影响了美 国和日本汽车生产企业，汽车内装饰材料也在日本和美国开始得到使用【4 l 。 我国是生产和使用纤维的大国，每年生产和进口大量的各种纤维，其中聚酯 纤维用量最大，约占市场的3 5 ，每年我国纤维的消耗总量超过千万吨。纺织品 的边角废料和旧服装的数量非常可观，丢弃的话不仅造成巨大的浪费，对环境也 造成污染。合理利用这些材料，不仅解决环保的压力，同时还可以制成高附加值 的产品如汽车内装饰多孔材料。另外，废旧纤维与粘合剂复合还可以生产出满足 建筑、家具、土木工程等领域的替代材料。生产多孔纤维板材最重要的就是原料 粉末粘合剂的开发和生产工艺的改进，因为粘合剂是提高、改进复合纤维材料性 能最关键的原料，但环保粉末粘合剂开发还没有得到足够的重视1 6 7 1 。 ( 2 ) 汽车内衬生产工艺 目前，国外和国内部分厂家制作汽车内装饰材料主要采用树脂成型方法生产 半固化和全固化毛毡，生产工艺主要包括四个过程： 1 、再生纤维制造 纺织废料来源广泛，可以产生于合成纤维生产过程和纺纱、织造、服装加工 任意过程，也可以是旧服装。这些纺织废料必须经过特殊的加工处理才能使用。 将这些废料加工成可用的原料，一般需要经过旋转切割机将废料切割成小块，然 后再经过五锡林撕松机将小碎片和纤维开松成可用的纤维。 气流成网 以再生纤维为原料，采取气流成网工艺成网。纤维配比直接影响材料的特性。 使用的再生纤维有天然的麻和棉纤维，也有合成纤维。合成纤维主要是聚酯纤维。 由于再生纤维长度、线密度差异较大，短绒比例高，对气流成网机提出了特殊的 要求。气流成网的工艺流程如图1 - 1 所示： 北京科技大学硕士学位论文 图1 - 1 气流成网的工艺流程图 3 ) 烘箱成型 成网后的毛毡还没有固化定型，根据生产实际需要有两种固化定型方式。 1 全固化定型主要生产各种类型平铺的材料； l i 半固化定型是为模压成型提供半成品。 毛毡片制造的总体流程如图1 - 2 所示： 图1 - 2 毛毡片制造流程图 模压成型 模压成型主要是将半固化的毛毡再加工的过程，根据需要生产成汽车内装饰 用的各种部件，例如门、顶棚等。模压成型的工艺流程如图1 - 3 所示： 图l - 3 模压成型工艺流程图 ( 3 ) 生产过程中产生的烟气 1 4 北京科技大学硕士学位论文 在废纤维汽车内衬生产过程中，首先要在废纤维中加入适量的酚醛树脂粉末， 然后再高温制毡炉内形成半成品废纤维毡，再在高温模压成型机内经高温高压成 型。 但在高温制毡炉和高温模压成型机工作过程中，由于温度较高，致使少量外 层废纤维和酚醛树脂碳化，从而产生大量烟雾。 汽车内衬生产的烟气主要成份是挥发性有机化合物。在制成成品的过程中， 毛毡和粘结剂等在高温的条件下则会产生可挥发性有机物和其他的烟气，这是由 于这些化合物( 如甲醛和丙烯酸) 因其反应性或对热的不稳定性不易从吸附剂上回 收或用气相色谱法进行分析，严重影响了生产车问和当地的环境【6 叫。 1 2 等离子体概述 通常，物质的状态分为固、液、气三态但若对气体使以某种手段，如放电、 放热、辐射等使气体分子电离和离解，当产生的带电粒子达到一定数值时，物质 状态出现了新变化，此时的电离气体己不再是原来的气体，而应称作等离子体。 等离子体是物质存在的第四种状态，它是电子、离子、原子、分子或自由基 等粒子组成的集合体。在常规物质三态中，固态物质分子问结合最紧密，有序程 度最高，液态次之，气态分子间结合最松散，有序程度最低。 而等离子体是电离状态的气体物质，从聚集态的次序看，它排在第四位，其 特征是带电粒子间存在库仑力，宏观为准中性。 1 2 1 等离子体的发展历史 人类对等离子体的系统认识开始于1 9 世纪3 0 年代的气体放电研究，在2 0 世 纪初建立了等离子体概念，即由大量具有相互作用的带电粒子组成的有宏观时空 尺度的体系。到7 0 年代末，它已发展成为一门独立的分支学科 1 0 l ，其研究对象为 天体等离子体、近地电离层空间等离子体和人工产生的试验室等离子体。 1 8 0 8 年d a v y 研究稳态直流弧光放电，便开始了对等离子体的科学研究。等离 子体( p l a s m a ) ，术语是在1 9 世纪3 0 年代由l m g m u i r 提出的，含义是指离子和电 子群的近似电中性的集合体。1 8