CN108744883B - 废气处理设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废气处理设备，包括转轮吸附装置，所述转轮吸附装置包括废气吸附用的吸附区以及废气脱附用的脱附区，所述废气处理设备还包括电化学脱附装置，所述电化学脱附装置包括用于盛装电解液的电解槽；所述转轮吸附装置的脱附区设置于电解槽内；所述转轮吸附装置可在电解槽内转动。本发明还公开了一种废气处理方法。通过上述实施方式，本发明设备简便，具有能耗低，吸附热蓄积量小和脱附效率高的特点，十分适用于大风量低浓度的VOCs废气处理。
Description
技术领域
本发明涉及挥发性废气处理技术领域，尤其涉及一种废气处理设备及其处理方法。
背景技术
挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）具有强烈的光化学活性，是产生细颗粒物（Fine Particulate，PM2.5）的重要前体物。对挥发性有机废气进行严格有效的治理，是降低大气PM2.5浓度并提高环境空气质量的有力措施。
目前吸附法是处理VOCs常用有效的方法之一。吸附法是一种利用多孔吸附剂在处理流体混合物过程中可将流体中某种或某类组分吸引并浓集至其表面的特性，迅速地将污染物从流体中去除的方法。但吸附剂随着其固体表面污染物的增加，吸附能力会逐渐下降，此时需要更换吸附剂或采用一定的方法使污染物脱附以恢复吸附剂的吸附能力，而脱附的过程又被称为吸附剂再生。由于更换吸附剂存在运行维护成本过高，弃置的吸附剂存在二次污染等问题，故一般不提倡频繁更换新的吸附剂；而再生吸附剂方面，常使用升温、减压、溶剂萃取等方法。
为了便于实际生产运行处理，实现吸附剂连续吸附和原位再生，人们发明了并联吸附固定床和流化吸附床。
并联吸附固定床常使用两个以上的吸附固定床，通过管路阀门切换的方式轮流对固定床进行气体吸附或脱附，该类设备主体结构简单，适用于小风量低浓度的废气处理，但其对阀门密闭性能和控制的要求较高，且容易出现吸附热蓄积而存在气体燃爆风险。
流化吸附床则让流体以较高的流速穿过床体，使吸附剂在气固接触过程中处于悬浮流化状态，强化了气固传质效率，且床体分为上部吸附工作段和下部再生工作段，设备紧凑且处理能力大，但设备构造复杂，能耗高，吸附剂磨损大。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种废气处理设备及其方法，本发明设备简便，具有能耗低，吸附热蓄积量小和脱附效率高的特点，十分适用于大风量低浓度的VOCs废气处理。
为解决上述技术问题，本发明提供一种废气处理设备，包括转轮吸附装置，所述转轮吸附装置包括废气吸附用的吸附区以及废气脱附用的脱附区，所述废气处理设备还包括电化学脱附装置，所述电化学脱附装置包括用于盛装电解液的电解槽；所述转轮吸附装置的脱附区设置于电解槽内；所述转轮吸附装置可在电解槽内转动。
进一步地，所述转轮吸附装置包括转轮和驱动装置，所述转轮贯以转轴并通过转轴转动支撑于电解槽上，所述驱动装置连接转轴以驱动转轮相对于电解槽转动，所述转轮伸入电解槽的区域被配置为转轮吸附装置的脱附区，所述转轮露出于电解槽的区域被配置为转轮吸附装置的吸附区。
进一步地，所述转轮吸附装置包括外壳体，所述外壳体固设于电解槽上并罩设转轮露出于电解槽的区域，所述外壳体相对于转轮固定设置，所述外壳体内形成有两个独立的布气腔，一所述布气腔对应的转轮的区域被配置为吸附区、另一所述布气腔对应的转轮的区域被配置为吹扫干燥用的吹脱区，所述吸附区、脱附区及吹脱区在转动方向上依次相连。
进一步地，所述外壳体对应吸附区的位置的一侧开设有吸附区进气口、另一侧开设有吸附区出气口；所述外壳体对应吹脱区的位置的一侧开设有吹脱区进气口、另一侧开设有吹脱区出气口。
进一步地，两个独立的所述布气腔通过在外壳体内设置气体分隔板形成；所述气体分隔板与转轮平面抵接，在所述气体分隔板与转轮平面抵接的末端设置有具有弹性的密封条。
进一步地，所述电化学脱附装置包括设置于电解槽外部的直流电源，所述电解槽内设置有与直流电源正极电连接的阳极、与直流电源负极电连接的阴极，所述阳极与阴极通过电解液导通形成电场，所述转轮装设于阳极和阴极之间；所述阳极和阴极呈网状结构；所述阳极为石墨或二氧化铅电极，所述阴极为石墨、不锈钢或活性炭纤维电极。
进一步地，所述转轮是采用蜂窝状圆盘状结构、并采用活性炭吸附剂制成的。
进一步地，所述转轮的横向强度不低于0.3MPa，纵向强度不低于0.8MPa,BET比表面积不低于750m2/g，气体流速低于1.2m/s；所述转轮浸没于电解槽内电解液的深度为转轮直径的35%～50%之间；所述转轮的回转周期为2h～5h；所述转轮中吸附区：脱附区：吹脱区的面积比为2：3：1。
进一步地，所述电解槽上部设有具有阀门的进液管、底部设有具有阀门的排空管。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于如上述任一项实施例所述的废气处理设备实现的废气处理方法，包括如下步骤：向电解槽中注入电解液浸没转轮吸附装置的脱附区；导通电化学脱附装置并转动转轮吸附装置；向所述转轮吸附装置通入废气；进而，废气在所述转轮吸附装置的吸附区被吸附，随后在所述转轮吸附装置的脱附区被脱附。
本发明实施例的废气处理设备及方法，具有以下优点：
1、该设备结构简单，使用方便，转轮吸附和再生在常温常压下进行，反应条件温和，吸附热蓄积量小，气体燃爆风险低；
2、转轮吸附与电化学再生工艺有机耦合，吸附剂以转轮的形式在直流电场中循环转动，不仅实现了吸附剂同步吸附和再生，还在转动搅拌的过程中提高了电解氧化物与吸附剂接触传质的效率，具有原位脱附，脱附效率高，能耗低，无吸附剂粉化、劣化现象，增加了吸附剂使用寿命的特点；
3、设备连续运行，空速高，压降低，吸附效率高，十分适用于大风量低浓度的VOCs废气处理。
附图说明
图1是本发明废气处理设备结构示意图；
图2是图1所示废气处理设备正视图；
图3是图1所示废气处理设备右视图；
图4是图1所示废气处理设备中外壳体的结构示意图；
图5图1所示废气处理设备中电解槽的结构示意图；
图6图1所示废气处理设备中电极的结构图示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
结合图1至图6进行参阅，本发明提供了一种废气处理设备。该废气处理设备用于对废气、尤其是挥发性有机气体进行处理，该设备包括转轮吸附装置，该转轮吸附装置包括吸附区21和脱附区22，吸附区21用于吸附废气，脱附区22用于脱附废气。该废气处理设备还包括电化学脱附装置，该电化学脱附装置包括用于盛装电解液的电解槽5。该转轮吸附装置的脱附区22设置于电解槽5内。其中，转轮吸附装置可在电解槽5内转动。
该转轮吸附装置包括转轮2和与转轮2连接的驱动装置3。该转轮2转动支撑于电解槽5上，且其部分区域伸入电解槽5内，转轮2可在驱动装置3的驱动下在电解槽5内转动，转轮2伸入电解槽5内的区域即被配置为脱附区22，转轮2其余部分被配置为吸附区21。其中，转轮2整体均对待处理的废气具有吸附能力，该转轮2常通过在其中央贯以转轴4并借助该转轴4转动支撑于电解槽5上，驱动装置3进一步与转轴4连接，具体的，驱动装置3包括马达31和传动带32，传动带32一端与马达31连接、另一端与转轴4连接进而实现传动。
该转轮吸附装置还包括外壳体1。该外壳体1可安装固定于电解槽5上，转轮2露出于电解槽5的区域罩设于外壳体1内，该外壳体1所覆盖的转轮2的区域即为上述的吸附区21，通常，外壳体1位置相对固定，转轮2在驱动装置3的驱动下可相对于外壳体1转动。其中，该外壳体1将转轮2分隔出上述的吸附区21（位于外壳体1内）和脱附区22（位于外壳体1外、电解槽5内）。具体的，在吸附区21所处位置的外壳体1上开设有用于通入废气的吸附区进气口12。
较佳的，转轮2在驱动装置3的驱动下连续性转动，向吸附区进气口12通入废气时，转轮2的吸附区21对废气进行吸附，转轮2转动至脱附区22时，也即转轮2转动至电解槽5内时，废气在电解槽5内发生电化学反应实现脱附，从而恢复转轮2的吸附性能实现转轮2的再生利用。当然，转轮2在驱动装置3的驱动下亦可间歇性转动，简要而言，转轮2可根据需要在转动过程中适当停留，以使得转轮2的吸附区21能够充分吸附废气、并使得转轮2的脱附区22能够充分脱附废气。
在一具体实施例中，转轮吸附装置还包括一个用于吹扫干燥转轮2的吹脱区23，该吹脱区23设置于转轮2上，在转轮2的转动方向上，吸附区21、脱附区22以及吹脱区23依次相连，也即废气处理过程依次经过吸附区21、脱附区22和吹脱区23（连续不断的循环往复）。其中，吹脱区23和吸附区21是两个相对独立的区域，具体分别由外壳体1所形成的独立的两个布气腔所对应（即覆盖）的转轮2的区域所形成。进一步地，在吹脱区23所处位置的外壳体1上开设有用于通入吹脱气的吹脱区进气口14。通过吹脱区进气口14通入吹脱气时，转轮2的吹脱区23被通入的吹脱气吹扫干燥，以进一步恢复转轮2的吸附性能，其中，吹脱干燥后的转轮2有利于降低水分竞争吸附导致挥发性有机污染物吸附能力下降的问题，为转轮2实现连续吸附和原位再生提供了连续稳定的切换条件。向吹脱区23通入的吹脱气可为干洁的空气、氮气等，更优选为经吸附区21处理后的尾气，不仅能起到对转轮2的吹脱干燥作用，对该尾气也具有一定的吸附处理作用。
根据上述描述，可以理解的，吸附区21、脱附区22以及吹脱区23并不是将转轮2本身划分为几个固定区域，由于转轮2是运动的而外壳体1和电解槽5是不动的，因此该几个区域主要是根据转轮2转动过程中经过特定位置区域所进行的处理来定义的，简单而言，外壳体1通入废气的位置区域所对应的转轮2的区域为吸附区21，电解槽5浸没转轮2的位置区域所对应的转轮2的区域为脱附区22，外壳体1通入吹脱气的位置区域所对应的转轮2的区域为吹脱区23。
具体的，为了形成所要求的相互独立的吸附区21和吹脱区23，通常在外壳体1内设置气体分隔板16以分别形成两个独立的布气腔，外壳体1内一布气腔对应吸附区21设置、另一布气腔对应吹脱区23设置。其中，转轮2的平面与气体分隔板16呈刮擦配合的关系。较佳的，为了使吸附区21和吹脱区23所对应的布气腔之间隔离性更好，以及为了使转轮2更顺畅地转动，可以在气体分隔板16与转轮2平面接触的末端安装具有适度弹性的密封条161，制作该密封条161的材质举例可以为橡胶、硅胶或聚四氟乙烯。举例而言，气体分隔板16通常可以沿着平行于转轮2的径向方向设置于外壳体1内，并且该气体分隔板16在顶部还具有与转轮2外形弧长相一致的弧形板（仍标记为16）、在底部还具有直板（图未示），由此构成一个独立密闭且吸附气和吹脱气不短流的扇形布气腔。
在一具体实施例中，吸附区进气口12和吹脱区进气口14常均可设置于外壳体1的同一侧。
进一步地，对应于转轮2的吸附区21和吹脱区23的位置，可以在外壳体1另一侧也同样设置气体分隔板16以分别形成两个相互独立的布气腔，优选同样在气体分隔板16与转轮2接触的末端上装设具有弹性的密封条161，同时，在该侧，对应吸附区21的布气腔所处的外壳体1上开设吸附区出气口13，在对应吹脱区23的布气腔所处的外壳体1上开设吹脱区出气口15。通过该结构设置，可以对废气和吹脱气进行收集，避免环境污染。如果需要将经吸附区21处理后的尾气作为吹脱气通入吹脱区23，可以直接用管道将吸附区出气口13与吹脱区进气口14进行连接。
当然，吸附区进气口12和吹脱区进气口14还可以分别位于外壳体1的不同侧。与之相应地，吸附区出气口13和吹脱区出气口15分别位于外壳体1的不同侧。
在一具体实施例中，电化学脱附装置包括设置于电解槽5外部的直流电源51。该直流电源51的正负极分别与装设于电解槽5中的两个电极片电连接，其中，与直流电源51的正极电连接的电极片作为阳极512，与直流电源51的负极电连接的电极片作为阴极511，阳极512和阴极511通过盛装于电解槽5内的电解液导通。而为了使电化学反应更加充分，通常将转轮2浸没于电解液的区域设置于阳极512和阴极511之间，也即将转轮2装设于阳极512和阴极511之间。优选的，阴极511为石墨、不锈钢或活性炭纤维电极，阳极512为石墨或二氧化铅电极，更优选的，该阴极511和阳极512呈网状结构，能够增大电化学反应面积，提高脱附效率。较佳的，转轮2浸没于由电解槽5内电解液形成的脱附区22的深度为转轮2直径的35～50%之间，这个比值在该范围内通常越大越好，以尽可能利用转轮2的吸附性能。优选的，转轮2的回转周期为2h～5h，以实现充分吸附、脱附及吹扫处理，最大限度提升对废气的处理能力。
为了便于添加向电解槽5内添加电解液，在电解槽5上设置有进液管53，进液管53上可设置阀门，该阀门优选为电磁阀以实现远程控制。为了便于排出消耗殆尽的电解液，在电解槽5底部设置有排空管52，排空管52上也可设置阀门，该阀门优选为电磁阀以实现远程控制。另外，可以在电解槽5内装设pH值传感器，以通过检测电解液的pH值来检测电解液的耗尽程度，方便及时添加及排出电解液。
在一具体实施例中，转轮2可以是各种形状，更优选为蜂窝状圆盘结构，能够增加转轮2吸附的比表面积，并有利于废气和吹脱气在转轮2内的流通，优选的，蜂窝状圆盘结构的转轮2的横向强度不低于0.3MPa，纵向强度不低于0.8MPa,BET比表面积不低于750m2/g，气体流速低于1.2m/s。该转轮2优选为活性炭吸附剂制成，因为由活性炭吸附剂制成的转轮2能够吸附多种有毒有害的气体。电解槽5呈正方体或半圆盘结构，与转轮2的圆盘状相适宜的，电解槽5优选为半圆盘结构。相应的，外壳体1呈正方体或半圆盘结构，与转轮2的圆盘状相适宜的，外壳体1也优选为半圆盘结构。
在一具体实施例中，转轮2位于吸附区21：脱附区22：吹脱区23的面积比为2：3：1，以配合转轮2各区域的处理速度。
在一具体实施例中，电解液为盐酸盐或硫酸盐电解液，浓度可选为1-15g/L，电解电流密度为5-15mA/cm2。
本发明废气处理设备的主要工作原理介绍如下：
设备运行时，挥发性有机污染物从吸附区进气口12进入吸附区21时，会被具有蜂窝状结构的活性炭吸附剂所吸引并浓集，净化后的尾气从吸附区出气口13排出转轮2。
吸附了污染物的转轮2的区域在驱动装置3的带动下转动至电解槽5即脱附区22内，在电场的作用下，转轮2该区域浸没于电解液中的蜂窝状结构的活性炭发生极化，阴极511和阳极512附近分别发生还原反应和氧化反应，吸附于转轮2的有机污染物大部分被阳极512所产生的具有氧化性的产物所分解，小部分则因电泳力的作用而发生脱附。
以氯化钠（NaCl）溶液作为电解液为例，其电化学再生过程原理如下：
阴极511反应为：
2H2O+2e=H2+2OH-
Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O
阳极512反应为：
2Cl--2e=Cl2
4OH--4e=2H2O+O2
反应生成次氯酸（HClO3）、初态氧[O]具有氧化性的生成物：
2Cl-+9H2O-12e=2HClO3+16H++3[O]
其中，在合适的电势条件下还会产生具有强氧化型的羟基自由基（·OH）。
H2O=·OH+H+
经过脱附区22的挥发性有机污染物（R）在各氧化剂电解产物的作用下被氧化分解。
R+Cl= CO2+H20+无机离子
R+ HClO3l= CO2+H20+无机离子
R+·OH=CO2+H20+无机离子
经电化学再生，恢复吸附能力的转轮2的区域转动至吹脱区23进行吹扫干燥，从吹脱区进气口14向吹脱区23通入吹脱气，吹脱后的尾气从吹脱区出气口15排出转轮2。
在一具体应用中，该设备用于处理工业源常见的“三苯”有机废气，VOCs废气进气风量为20000m3/h，吹脱气进气风量为2000 m3/h，废气进气风量和吹脱气进气风量之比为10：1。设备包括转轮吸附装置和电化学脱附装置。蜂窝活性炭的转轮2直径为2.6m，厚度为0.6m，回转周期为3h。转轮吸附装置中的外壳体1和电化学脱附装置的电解槽5呈等径的半圆盘状，在外壳体1外部一侧设有管径600mm的吸附区进气口12和管径250mm的吹脱区进气口14，在外壳体1外部相对应的另一侧设有管径600mm的吸附区出气口13和管径250mm的吹脱区出气口15。在电解槽5内安装有石墨网状阴极511和二氧化铅网状阳极512，其中，电解液为5g/L的氯化钠的电解液，电解电流密度为10mA/cm2，转轮2浸没于电解液的深度为转轮2直径的45%。在进气VOCs浓度为300 mg/m3，400 mg/m3，500 mg/m3或600 mg/m3等的条件下，经该设备处理后的出气VOCs浓度均＜20mg/m3，VOCs处理效率＞93%。
此外，本发明还提供一种废气处理方法，该方法基于上述的废气处理设备实现。
具体而言，首先从进液管53向电解槽5内注入一定体积的电解液，连通阴极511和阳极512并开启直流电源51，使电解槽5内形成电场。然后启动驱动装置3，转轮2随着转轴4在电解槽5内进行同步转动，外壳体1不随转轮2运动而保持固定。同步的，从外壳体1的吸附区进气口12通入需处理的挥发性有机废气，从外壳体1的吹脱区进气口14通入吹脱气，而转轮2的脱附区22则浸没于电解槽5内的电解液内进行电化学再生。
本发明实施例的废气处理设备及方法，具有以下优点：
1、该设备结构简单，使用方便，转轮2吸附和再生在常温常压下进行，反应条件温和，吸附热蓄积量小，气体燃爆风险低；
2、转轮2吸附与电化学再生工艺有机耦合，吸附剂以转轮2的形式在直流电场中循环转动，不仅实现了吸附剂同步吸附和再生，还在转动搅拌的过程中提高了电解氧化物与吸附剂接触传质的效率，具有原位脱附，脱附效率高，能耗低，无吸附剂粉化、劣化现象，增加了吸附剂使用寿命的特点；
3、设备连续运行，空速高，压降低，吸附效率高，十分适用于大风量低浓度的VOCs废气处理。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种废气处理设备，包括转轮吸附装置，所述转轮吸附装置包括废气吸附用的吸附区以及废气脱附用的脱附区，其特征在于：
所述废气处理设备还包括电化学脱附装置，所述电化学脱附装置包括用于盛装电解液的电解槽；所述转轮吸附装置的脱附区设置于电解槽内；所述转轮吸附装置可在电解槽内转动；
所述转轮吸附装置包括转轮、驱动装置及外壳体，所述驱动装置驱动转轮相对于电解槽转动，所述转轮伸入电解槽的区域形成脱附区，所述转轮露出于电解槽的区域形成吸附区，所述外壳体固设于电解槽上并罩设转轮露出于电解槽的区域、并相对于转轮固定设置，所述外壳体内形成有两个独立的布气腔，一所述布气腔对应的转轮的区域为所述吸附区、另一所述布气腔对应的转轮的区域为吹扫干燥用的吹脱区，所述吸附区、脱附区及吹脱区在转动方向上依次相连。
2.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
所述转轮贯以转轴并通过转轴转动支撑于电解槽上，所述驱动装置还包括马达和传动带，所述传动带一端与马达连接、另一端与转轴连接。
3.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
所述外壳体对应吸附区的位置的一侧开设有吸附区进气口、另一侧开设有吸附区出气口；
所述外壳体对应吹脱区的位置的一侧开设有吹脱区进气口、另一侧开设有吹脱区出气口。
4.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
两个独立的所述布气腔通过在外壳体内设置气体分隔板形成；
所述气体分隔板与转轮平面抵接，在所述气体分隔板与转轮平面抵接的末端设置有具有弹性的密封条。
5.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
所述电化学脱附装置包括设置于电解槽外部的直流电源，所述电解槽内设置有与直流电源正极电连接的阳极、与直流电源负极电连接的阴极，所述阳极与阴极通过电解液导通形成电场，所述转轮装设于阳极和阴极之间；
所述阳极和阴极呈网状结构；
所述阳极为石墨或二氧化铅电极，所述阴极为石墨、不锈钢或活性炭纤维电极。
6.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
所述转轮是采用蜂窝状圆盘状结构、并采用活性炭吸附剂制成的。
7.根据权利要求6所述的废气处理设备，其特征在于：
所述转轮的横向强度不低于0.3MPa，纵向强度不低于0.8MPa,BET比表面积不低于750m2/g，气体流速低于1.2m/s；
所述转轮浸没于电解槽内电解液的深度为转轮直径的35％～50％之间；
所述转轮的回转周期为2h～5h；
所述转轮中吸附区：脱附区：吹脱区的面积比为2：3：1。
8.根据权利要求1所述的废气处理设备，其特征在于：
所述电解槽上部设有具有阀门的进液管、底部设有具有阀门的排空管。
9.一种基于如权利要求1～8任一项所述的废气处理设备实现的废气处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
向电解槽中注入电解液浸没转轮吸附装置的脱附区；
导通电化学脱附装置并转动转轮吸附装置；
向所述转轮吸附装置通入废气；
进而，废气在所述转轮吸附装置的吸附区被吸附，随后在所述转轮吸附装置的脱附区被脱附。
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