第一章緒論

1.1課題來源和研究背景
隨著我國社會經濟的發(fā)展進步和現代化建設的不斷加速,工業(yè)生產過程中出現的事故和危害也在不斷增加。有數據顯示,歐美等發(fā)達國家安全生產狀況在人均GDP水平達到1000到3000美元時,這個國家的安全生產形勢則處于非常糟糕階段,表現在高發(fā)性的安全事故和因不能得到及時救援而急劇上升的死亡人數;然而當人均GDP超過3000美元時,事故發(fā)生的頻率則會逐漸下降[1]。目前,我國經濟迅速發(fā)展,國民生產總值不斷增加,而部分較發(fā)達省市也己經達到人均GDP水平在1000-3000美元之間,由于工業(yè)迅速發(fā)展帶來的安全事故發(fā)生頻率也在不斷增加,而其中因為有毒有害氣體泄漏造成的事故更是時有發(fā)生。2012年10月22日晚10時40分左右,湖北省洪湖市德炎水產公司發(fā)生氦氣泄漏事故,致使479人中毒。2014年11月5日清晨5時15分左右,衢州巨化集團發(fā)生苯泄漏事故,致使多人中毒,其中兩名工人因搶救無效不幸遇難。這樣的例子不勝枚舉,有毒有害氣體泄漏事件對公民人身安全造成了巨大的威脅,同時也給國民生產造成了重大的損失,其危害性令人觸目驚心,因此,有毒有害氣體泄漏后快速地應急救援處置方式和更加先進的救援設備的研宄,是尋求安全生產的必經之路,其對國民經濟的可持續(xù)發(fā)展有著非常重大的意義。本課題基于北京市科委重點項目“涉氯涉氨現場危險品快速消納裝置研制與開發(fā)”,以北京市二商集團西郊冷凍廠為試點單位,旨在研制出一種適用于有害氣體泄漏事故的快速消納裝置,實現事故現場的快速應急處置。對西郊冷凍廠進行現場調研后,發(fā)現冷凍廠車間面積約為1000m3左右,車間中遍布用于輸送液氨管道,在管道結合處極易發(fā)生泄漏而造成重大危險事故,故而把氨氣這種刺激性異味氣體定為本課題的主要研究對象,并根據有效換氣次數確定車間發(fā)生氨氣泄漏后的風量為10000m3/h。同時考察到因為生產設備原因,車間內部無法再安裝傳統有害氣體處理的大型設備。故而本課題依據實際情況,提出一種一般室外條件下使用的、發(fā)生氨氣泄漏后可快速移動并可以用于大風量泄漏下快速吸收有害氣體的車載凈化裝置,以實現有害氣體的緊急處理,并使其達到排放標準,解決以往的應急裝備不能用于大風量處置且無法快速移動的難題。
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1.2有毒有害氣體凈化技術現狀
隨著世界經濟的發(fā)展和各國對工業(yè)安全生產的關注,人們對有毒有害氣體危害性的認識也在不斷加深,圍繞有毒有害氣體的凈化處置,國內外廣大研究學者們發(fā)揚了勇于探索的精神,不斷尋找合理高效的解決方法,一系列有毒有害氣體凈化處理的措施被用于應急處置和日常工業(yè)生產廢氣凈化中。目前存在的有毒有害氣#處理方法有燃燒法、溶液吸收法、催化轉化法、吸附劑吸附法、生物處理法、等離子體凈化法等[6].燃燒法又稱為熱力燃燒法,是指把有害氣體的溫度提升到可燃氣態(tài)污染物的溫度,在高溫高氧的情況下使其完全燃燒分解,最終降解成C02和等無機物,具有燃燒徹底、凈化效率高等優(yōu)點。這種方法需要有害氣體中含有一定濃度的可燃氣態(tài)污染物,并需要通過輔助燃料燃燒來提高有害氣體的溫度。該方法可用于凈化各種可燃性氣體,其凈化程度在供氧充分的情況下,依賴于反應溫度、停留時間和瑞流混合等三個要素。該方法在處理部分有機廢氣(如碳氫類化合物)時具有明顯的優(yōu)勢,但是當廢氣中含有S、C1等元素時則無法使用,易造成二次污染和中毒。
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第二章介質阻擋放電等離子體技術凈化氨氣的機理研究

2.1低溫等離子體基礎理論
等離子體是一種氣態(tài)物質,但其并非氣體,它包括一系列的分子、原子、離子、高能電子及自由基等活性物質,通常被認為是固體、液體、氣體以外的物質第四態(tài),因為大量活性物質的存在,使其性質表現出高度的不穩(wěn)定性。等離子中的粒子和活性物質處于不停的運動及相互碰撞之中。在外加電場的作用下,等離子體中的電子可獲得非常高的能量,通過撞擊其他粒子而發(fā)生能量交換,產生一系列化學反應。事實上,等離子體在人們的日常生活中并不少見。例如,閃電和極光都是由大量等離子體組成,宇宙中百分之九十以上的物質都是以等離子體狀態(tài)存在的。等離子體同樣可以通過人工的方式產生,如本文要研宄的介質阻擋放電就是人工產生等離子體的一種常用方式。等離子體主要包括高溫等離子體(hot plasma)和低溫等離子體(cold plasma)兩大類,這是國際上慣用的分類方法。高溫等離子體也稱熱平衡等離子體,其產生對溫度有非常高的要求,通常情況下高達10,OOOeV以上,相當于100,000,000°C,eV(electronvolt)是等離子體領域中常用的溫度單位,leV=11600K。其電離率接近100%,電子、離子及中性粒子的溫度基本一致,如太陽和恒星不斷發(fā)出的等離子體。正是由于高溫等離子體的特殊性,使其在通常條件下很難產生和應用。而低溫等離子體(也叫冷等離子體)則恰恰相反,是一種非熱力學平衡的等離子體,在一般環(huán)境溫度下即可產生,是在工業(yè)生產中被廣泛應用的一種等離子體。低溫等離子體在放電過程中,其電離率較低,電子的溫度很高,大約為103K?104K,但是離子溫度和中性粒子的溫度則很低,并且遠遠小于電子的溫度,幾乎可以與室溫持平,這樣整個體系就會呈現低溫的狀態(tài)[20]。
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2.2等離子體的產生方法
工業(yè)生產中用于產生低溫等離子體的方法是多種多樣的。其常用的產生方法主要有:氣體放電法、射線輻照法、熱電離法、激波等離子體法、光電離法和激光等離子體法等。其產生過程中受各種因素影響,如氣壓高低、頻率大小、電極種類、放電間隙、放電功率以及外界環(huán)境因素等等。一般情況下,氣體是不導電的絕緣介質,如果把氣體密封到一個容器中,在兩極間施加直流電壓,并逐漸增大,當電壓增大到某一個高值時,就會在回路中產生電流,電極間氣體的絕緣性被破壞,發(fā)生擊穿,即氣體放電【14】。氣體放電法是目前被廣泛使用的產生低溫等離子體的方法,在等離子體技術領域具有重要的地位,同時因其優(yōu)良的性質,也是最適合本課題用于凈化處有毒有害氣體的等離子體發(fā)生方法。
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第三章等離子體凈化器的設計......22
3.1等離子體凈化器的設計思路......22
3.2等離子體反應器的設計......23
3.3等離子體發(fā)生電源的設計......27
3.3.1電源參數的設計......27
3.3.2電源的集成設計......30
3.4 本章小結......31
第四章等離子體凈化裝置集成..................32
4.1北京市二商集團西郊冷凍廠基本情況......32
4.2用于涉氨現場的移動車載應急救援裝置......33
4.3等離子體凈化裝置設計集成......34
4.4本章小結......42
第五章等離子體裝置凈化氨氣實驗......43
5.1氨氣凈化的實驗方案設計......43
5.2氨氣凈化的模擬實驗......44
5.3實驗結果的分析......44
5.4本章小結......50

第五章等離子體裝置凈化氨氣實驗

5.1氨氣凈化的實驗方案設計

目前,關于等離子體凈化裝置的研究大多集中于實驗室水平的仿真與模擬實驗,這雖然有助于理解反應的機理并且可為后續(xù)的研宄提供一定的理論支撐,但要使等離子體凈化裝置真正用于工業(yè)生產實踐中并在應急救援處置中發(fā)揮積極的作用還需要考慮到實際反應中氣體的特性及環(huán)境因素的影響,這都是實驗室模擬所不具備的。除此之外,本文的等離子體凈化裝置是用于10000m3/h的大風量下氨氣泄漏事件的,故而需要不斷通過實驗檢測其凈化效率,以確保在有害氣體泄漏事件發(fā)生之后等離子體的工作效率。本章節(jié)主要通過采用氨氣與空氣的混合氣體,以北京市二商集團癥細冷凍廠為試點單位,來模擬真實泄漏的場景,進行實驗研究。其實驗裝置主要由風機、等離子體凈化裝置(包含等離子體發(fā)生盤與電源控制系統)、配氣裝置和氨氣傳感器等四大部分組成,實驗示意圖如圖5-1所示。其中,配氣裝置部分是由標準氣體氣瓶、流量控制閥(包括解壓閥和流量計)、混合氣體瓶組成的,如此可以通過調節(jié)解壓閥和流量計控制氣體的流量,使其充分混合均勻之后,再打開通往等離子體掙化裝置管道上的解壓閥,同時開啟風機,使混合氣體通過等離子體凈化裝置。 

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總結

本課題來源于北京市科委安全生產領域重點項目,以北京市二商集團西郊冷凍廠為試點實驗單位,基于介質阻擋放電的低溫等離子體技術,以設計研制用于有害氣體泄漏緊急處置的等離子體凈化裝置為最終目的,進行了一系列理論研究、機理分析、實驗研究及參數優(yōu)化等工作。首先,本文對介質阻擋放電產生等離子體凈化有害氣體的原理進行了一系列研究,理解了等離子體在凈化過程中產生的一系列活性物質的作用機制,并對其與氨氣反應的化學機理進行了分析,得到等離子體凈化氨氣后的主要產物,為后續(xù)等離子體凈化裝置的設計打下了理論的基礎。隨后,根據國內外等離子體反應器的設計現狀,在通過理論分析和實驗研究的基礎上,對現有反應器的參數進行了一系列的優(yōu)化,并研制出一種矩陣式的介質阻擋反應器,并通過一系列的實驗設計了高壓電源的參數。之后,在對西郊冷凍廠進行現場調研的基礎上,確定其泄漏時可能發(fā)生的危險情況,據此對等離子體反應裝置進行實驗集成,并不斷完善,并將其用于后續(xù)的模擬實驗。在實驗中,不斷調整反應條件和參數,以得到等離子體凈化裝置的凈化效率及其影響參數。主要工作及結論如下:
1等離子體凈化裝置凈化有害氣體的效率受到反應器參數(包括介質材料和尺寸、電極尺寸、放電氣隙等)、電源參數(包括電壓、頻率等)、反應氣體濃度和流速、環(huán)境條件等的影響。
2本課題設計的等離子體凈化裝置其最佳反應電源是電壓在20KV左右、頻率在12KHz左右的高頻高壓脈沖電源,在此基礎上集成電源系統,以220V為輸入電壓,通過變壓器輸出高頻高壓電源。
3通過理論推導與實驗研究得出,基于介質阻擋放電的低溫等離子體凈化裝置凈化氨氣后的產物為N0X、H20、NH4N03、NH4N02、03、N2及少量未被去除的氨氣等。
4本課題設計的等離子體凈化裝置是由36組等離子體盤集成的柜式等離子體裝置,在常溫常壓的條件下,當氣體濃度不高于lOOOppm時,其凈化效率可達到50%以上。
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參考文獻(略)

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本文編號：38959