CN109046019B - 一种低能耗的有机挥发性气体处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体净化处理技术领域，具体地说是一种低能耗的有机挥发性气体处理装置和方法，包括微孔气体吸附再生模块、气体催化氧化反应模块、传感检测模块、电源及电器控制模块，本发明同现有技术相比，将微孔吸附材料与光电催化技术相结合，在大部分时间内采用无能耗的吸附方式吸收VOCs。当吸附饱和后，经脱附的VOCs进一步采用光电催化氧化的方式快速将VOCs催化氧化分解，同时使得吸附材料得到再生，可有效地降低整体运行时的能耗。因脱附的VOCs浓度较高，采用光电催化氧化的反应效率高且时间较短，使得整体气体净化的成本大幅降低，适用于低浓度的VOCs气体净化处理，具有净化效率高，能耗低、应用范围广、适应性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及气体净化处理技术领域，具体地说是一种低能耗的有机挥发性气体处理装置和方法。
背景技术
可挥发性有机化合物VOCs污染已成为大气污染的主要贡献者之一，包括印刷、涂料、喷漆、燃油、化工、医药、养殖、餐饮等行业均会产生VOCs。根据VOCs浓度量级的不同，而采用不同的处理方法，目前主要的处理方法有燃烧、吸附、吸收、冷凝、等离子体、光催化等。
蓄热式氧化法RTO，即Regenerative Thermal Oxidizer，是在>700℃的高温下，将废气中的VOCs直接燃烧氧化成二氧化碳和水，一般适合对VOCs浓度>5000mg/m³的较高浓度废气进行处理，设备工艺较复杂，处理能耗大。
蓄热式催化氧化法RCO，即Regenerative Catalytic Oxidizers,是在300-450℃的较低温度下，将废气中的VOCs催化氧化成对应的二氧化碳和水，适合对VOCs浓度在2000-5000mg/m³的中等浓度废气进行净化处理。因RCO催化剂主要采用铂、钯、钼等贵金属，材料和设备成本及运行成本较高。
对应浓度<2000mg/m³的低浓度VOCs气体处理，吸附法较为有效，如活性炭吸附法，主要是利用碳材料的大比表面的微孔对有机分子进行吸附，特点是吸附设备简单、无能耗，但活性炭吸附饱和后需要更换，使用成本较高。
新发展的光电催化去除VOC的技术主要包括等光催化氧化和等离子体氧化等技术，适合对浓度在500-2000PPM的浓度适中气体进行净化处理，具有良好的性价比；而对浓度≤500PPM的较低浓度VOCs气体，相对处理的能耗较大且效率较低，处理效果较差。
因实际工业和生活中所产生的大部分VOCs浓度属于低浓度范围，如何发展一种适合浓度较低和处理成本较低的有机挥发性气体净化的技术，是目前有效解决大气污染所急需的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种低能耗的有机挥发性气体处理装置和方法，以适合浓度较低和处理成本较低的有机挥发性气体的净化。
为了达到上述目的，本发明是一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，包括微孔气体吸附再生模块、气体催化氧化反应模块、传感检测模块、电源及电器控制模块，其特征在于：进气室和出气室之间设有一组及以上的微孔气体吸附再生模块和一组及以上的气体催化氧化反应模块，传感检测模块分别放置在进气室和出气室内，传感检测模块的输入输出端与电源及电器控制模块的信号传输控制端连接，电源及电器控制模块的电源功率输出端分别与微孔气体吸附再生模块的输入端和气体催化氧化反应模块的输入端连接。
所述的微孔气体吸附再生模块包括吸附材料支架、脱附再生加热器和微孔吸附材料，吸附材料支架的上下表面安装有脱附再生加热器，微孔吸附材料安装在脱附再生加热器的表面，脱附再生加热器与电源及电器控制模块连接，脱附再生加热器采用电阻式或高频感应式加热，最高温度≤200℃。
所述的微孔吸附材料是由比表面≥500m2/g的碳或氧化物微孔材料组成，微孔吸附材料具有吸附VOCs的功能，为微孔炭微粒、纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶、石墨烯、氧化铝、氧化硅、氧化镁或沸石的纳米纤维、气凝胶、分子筛、微粒中的任意一种或一种以上的混合物；微孔吸附材料为厚度为10-50mm的薄膜结构，或尺寸在1-10mm的球形或棒形颗粒状结构，或孔径在1-10mm的蜂窝状管式立方体或圆柱体结构。
所述的微孔吸附材料与吸附材料支架为平行板式阵列结构，微孔吸附材料与吸附材料支架之间设有气体通道，气体通道的间距2-20mm。
所述的气体催化氧化反应模块的催化材料为WO3、CuO、SnO2、TiO2、ZnO、MgO、CaO、Fe2O3、MnO2、Mn3O4、V2O5、NiO中的至少一种金属氧化物，催化材料是由颗粒尺寸为10-100nm的纳米结构晶体组成，形状为片状、球状、柱状或纤维。
所述的金属氧化物中掺杂有Pt、Pd、Au、Ag、Cu、Fe、N、F、C中的至少一种元素。
所述的气体催化氧化反应模块中由一对及以上的阴极和阳极组成的等离子体催化反应室，阴极与阳极基板平行排列，在阴极与阳极之间设有厚度为0.1-3mm的石英或氧化铝陶瓷介质层，在阴极与阳极之间接频率为10-100KHz、电压为0.5-20KV的高频交流电源，电极间的电流密度为0.01-10mA/cm2。
所述的气体催化氧化反应模块中由一套及以上的紫外光源和催化材料组成的光电催化氧化反应室，紫外光源采用无极石英灯，波长为250-400nm，单元光源功率为0.1-2kW，采用高频或微波感应发光。
所述的传感检测模块由光离子检测器PID和温度传感器TC组成，光离子检测器PID检测的总浓度TVOC范围为1-5000PPM，温度传感器TC检测的温度范围为0-500℃，所述的电源及电器控制模块的功率范围为10-10000W。
一种低能耗的有机挥发性气体处理方法，包括如下步骤，步骤1，微孔吸附材料对浓度为1-500PPM的VOCs气体进行吸附，步骤2，当微孔吸附材料吸附的气体浓度达到饱和后，脱附再生加热器对微孔吸附材料进行加热，使微孔吸附材料吸附的VOCs进行脱附，微孔吸附材料再生并可继续吸附VOCs气体，步骤3，气体催化氧化反应模块开启，对有机污染物进行催化氧化反应，将VOCs分解为二氧化碳和水并排放。
本发明同现有技术相比，将微孔吸附材料与光电催化技术相结合，在大部分时间内采用无能耗的吸附方式吸收VOCs。当吸附饱和后，经脱附的VOCs进一步采用光电催化氧化的方式快速将VOCs催化氧化分解，同时使得吸附材料得到再生，可有效地降低整体运行时的能耗。因脱附的VOCs浓度较高，采用光电催化氧化的反应效率高且时间较短，使得整体气体净化的成本大幅降低，适用于低浓度的VOCs气体净化处理，具有净化效率高，能耗低、应用范围广、适应性强的特点。
附图说明
图1 为本发明的结构图。
图2为本发明微孔气体吸附再生模块的结构图。
图3为本发明微孔气体吸附再生模块的俯视图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1，本发明是一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，包括微孔气体吸附再生模块、气体催化氧化反应模块、传感检测模块、电源及电器控制模块，进气室2上设有进气口1，出气室5上设有出气口6。进气室2和出气室5之间设有一组及以上的微孔气体吸附再生模块3和一组及以上的气体催化氧化反应模块4，传感检测模块分别放置在进气室2和出气室5内，传感检测模块的输入输出端与电源及电器控制模块7的信号传输控制端连接，电源及电器控制模块7的电源功率输出端分别与微孔气体吸附再生模块3的输入端和气体催化氧化反应模块4的输入端连接。
参见图2和图3，微孔气体吸附再生模块3包括吸附材料支架10、脱附再生加热器11和微孔吸附材料12，吸附材料支架10的上下表面安装有脱附再生加热器11，微孔吸附材料12安装在脱附再生加热器11的表面，脱附再生加热器11与电源及电器控制模块7连接，脱附再生加热器11采用电阻式或高频感应式加热，最高温度≤200℃。吸附材料支架10采用不锈钢、陶瓷或石墨中的至少一种材料制成，脱附再生加热器11包括电阻丝、石墨纤维等的加热材料，温度范围在30-250℃可控。
微孔吸附材料12是由比表面≥500m2/g的碳或氧化物微孔材料组成，微孔吸附材料12具有吸附VOCs的功能，为微孔炭微粒、纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶、石墨烯、氧化铝、氧化硅、氧化镁或沸石的纳米纤维、气凝胶、分子筛、微粒中的任意一种或一种以上的混合物；微孔吸附材料12为厚度为10-50mm的薄膜结构，或尺寸在1-10mm的球形或棒形颗粒状结构，或孔径在1-10mm的蜂窝状管式立方体或圆柱体结构。微孔尺寸为0.1-1nm，吸附温度为10-50℃，当吸附VOCs至饱和后，可加热脱附，脱附温度为100-200℃，脱附时间为0.5-5小时可脱附完全。
微孔吸附材料12与吸附材料支架10为平行板式阵列结构，微孔吸附材料12与吸附材料支架10之间设有气体通道，气体通道的间距2-20mm。
气体催化氧化反应模块4的催化材料为WO3、CuO、SnO2、TiO2、ZnO、MgO、CaO、Fe2O3、MnO2、Mn3O4、V2O5、NiO中的至少一种金属氧化物，金属氧化物中可掺杂有Pt、Pd、Au、Ag、Cu、Fe、N、F、C中的至少一种元素。催化材料是由微粒尺寸为10-100nm的纳米结构晶体组成，形状为片状、球状、柱状或纤维。催化材料采用喷涂、辊涂、印刷、浸涂、化学气相沉积CVD、物理气相沉积PVD等工艺涂敷于陶瓷、玻璃或金属基体表面并形成薄膜，薄膜的厚度为0.1-10µm。
气体催化氧化反应模块4可采用高频电容式介质阻挡放电式等离子体与催化材料结合的方式进行，也可采用紫外光源与光催化材料结合的方式进行。经等离子体催化离化后的气体与催化材料表面充分接触后，可提高气体反应的催化效率。
气体催化氧化反应模块4中由一对及以上的阴极和阳极组成的等离子体催化反应室，阴极与阳极基板平行排列，在阴极与阳极之间设有厚度为0.1-3mm的石英或氧化铝陶瓷介质层，在阴极与阳极之间接频率为10-100KHz、电压为0.5-20KV的高频交流电源，电极间的电流密度为0.01-10mA/cm2。
电容式催化反应电极所施加的电源可为脉冲式直流或交流电，以0.5-10kV,10-50kHz的高压脉冲电源主，功率密度是0.1-100W/m2。电容式电极可做成管式或平板式等离子体发生器，即在石英管内外表面或石英片上下表面安装金属薄膜或网状电极作为正负极，接高频交变电源后产生等离子体进行反应。
气体催化氧化反应模块4中由一套及以上的紫外光源和催化材料组成的光电催化氧化反应室，紫外光源采用无极石英灯，波长为250-400nm，单元光源功率为0.1-2kW，采用高频或微波感应发光。优选的，无极石英灯为石英管式无极感应紫外灯，单元光源功率不低于10W，具有效率高、寿命长的特点。
传感检测模块由光离子检测器PID和温度传感器TC组成，光离子检测器PID检测的总浓度TVOC范围为1-5000PPM，温度传感器TC检测的温度范围为0-500℃；可实时监测总有机物TVOC的浓度和脱附再生加热器11的温度外，还可检测气的流量流速、气压等指标。所处理的总有机物TVOC浓度在1-500PPM，单元模块处理流量为10-10000m3/h。
电源及电器控制模块7，功率范围为10-10000W。电源为微孔气体吸附再生模块3、气体催化氧化反应模块4、传感检测模块进行供电。在进气室2和出气室5内分别安装光离子检测器，对进出的气体的总有机物TVOC浓度进行实时检测，光离子检测器具有体积小、响应快的特点。电器控制模块通过计算机对光离子检测器检测到的总有机物TVOC浓度值进行判断，可启动微孔气体吸附再生模块3和气体催化氧化反应模块4工作，获得优化的工艺参数可使得装置的运行效率高而能耗低。
本发明设计了一种低能耗的有机挥发性气体处理方法，包括如下步骤：步骤1，微孔吸附材料对浓度为1-500PPM的VOCs气体进行吸附。步骤2，当微孔吸附材料吸附的气体浓度达到饱和后，脱附再生加热器对微孔吸附材料进行加热，使微孔吸附材料吸附的VOCs进行脱附，微孔吸附材料再生并可继续吸附VOCs气体。步骤3，气体催化氧化反应模块开启，对有机污染物进行催化氧化反应，将VOCs分解为二氧化碳和水并排放。
一般大部分VOCs气体可在70-200℃范围挥发脱附，此时出气室的VOCs浓度较高，一般会在500-1000PPM范围。当加热再生时，同时开启气体催化氧化反应模块，可有效地将脱附的VOCs经气体催化氧化反应模块而生成CO2和H2O气排放。光电催化氧化模块主要包括等离子体离化或紫外光活化，再与催化材料结合，可使得VOCs氧化效率进一步提高。
实施例1
当VOCs浓度小于200PPM时，如以50-200PPM浓度，10000m3/h风量为例，采用面积约10m2的微孔吸附材料，吸附材料为微孔蜂窝装氧化物沸石，孔径为3mm，VOCs出气浓度在5PPM以内，大约可吸附30h后达到饱和。装置的微孔气体吸附再生模块加热脱附开启时间设置在3h，温度设置在200℃，脱附VOCs浓度在200-500PPM范围。在微孔气体吸附再生模块加热脱附开启的同时，开启气体催化氧化反应模块，采用紫外光源催化氧化工艺，功率为1kW,此时可将浓度较高的VOCs催化氧化分解为CO2和H2O，处理时间大约3h可将脱附的VOCs氧化分解。整体能耗大约为单独采用光电催化氧化处理能耗的15%左右，节能效益显著。
实施例2
当VOCs浓度小于300PPM时，如在100-300PPM浓度范围，10000m3/h风量为例，采用面积约20m2的微孔吸附材料，吸附材料为微孔碳纤维薄膜，厚度为20mm，VOCs出气浓度在10PPM以内，大约可吸附20h后达到饱和。装置的微孔气体吸附再生模块的加热脱附开启时间设置在4h，温度设置在150℃，脱附VOCs浓度在500-1000PPM范围。在微孔气体吸附再生模块加热脱附开启的同时，开启气体催化氧化反应模块，采用等离子体催化氧化工艺，功率为4kW,此时可将脱附的浓度较高的VOCs催化氧化分解为CO2和H2O，处理时间大约4h可将脱附的VOCs氧化分解。整体能耗大约为单独采用光电催化氧化处理能耗的30%左右，节能效益明显。
实施例3
当VOCs浓度小于500PPM时，如以300-500PPM浓度，30000m3/h风量为例，采用面积约80m2的微孔吸附材料，吸附材料为微孔氧化铝蜂窝陶瓷材料，孔径为2mm，VOCs出气浓度在10PPM以内，大约可吸附18h后达到饱和。装置的微孔气体吸附再生模块加热脱附开启时间设置在6h，温度设置在180℃，脱附VOCs浓度在600-1000PPM范围。在微孔气体吸附再生模块加热脱附开启的同时，开启气体催化氧化反应模块，采用等离子体催化氧化工艺，功率为6kW,此时可将浓度较高的VOCs催化氧化分解为CO2和H2O，处理时间大约6h可将脱附的VOCs氧化分解。整体能耗大约为单独采用光电催化处理能耗的20%左右，节能效益明显。
本发明的微孔气体吸附再生模块与气体催化氧化反应模块之间可根据需要进行任意组合。如采用两组微孔气体吸附再生模块和一组气体催化氧化反应模块作为一套***，两组微孔气体吸附再生模块可切换工作，即一套吸附工作的同时，另一套进行脱附再生工作，脱附后的VOCs气体经气体催化氧化反应模块反应处理为CO2和H2O后排放，这样具有较高的处理效率。如进气的VOCs浓度为300PPM，先由第一组吸附材料经约20h吸附至饱和，开始进行加热脱附同时，启动气体催化氧化反应模块进行氧化分解脱附的VOCs至排放，脱附约3h即可使得吸附材料再生；在第一组微孔气体吸附再生模块开始脱附时，进气VOCs切换至第二组微孔气体吸附再生模块进行吸附工作，饱和时切换至再生脱附和气体催化氧化反应模块进行反应分解。如此反复即可高效率的进行VOCs的分解去除。
Claims (7)
1.一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，包括微孔气体吸附再生模块、气体催化氧化反应模块、传感检测模块、电源及电器控制模块，其特征在于：进气室（2）和出气室（5）之间设有一组及以上的微孔气体吸附再生模块（3）和一组及以上的气体催化氧化反应模块（4），传感检测模块分别放置在进气室（2）和出气室（5）内，传感检测模块的输入输出端与电源及电器控制模块（7）的信号传输控制端连接，电源及电器控制模块（7）的电源功率输出端分别与微孔气体吸附再生模块（3）的输入端和气体催化氧化反应模块（4）的输入端连接；
所述的微孔气体吸附再生模块（3）包括吸附材料支架（10）、脱附再生加热器（11）和微孔吸附材料（12），吸附材料支架（10）的上下表面安装有脱附再生加热器（11），微孔吸附材料（12）安装在脱附再生加热器（11）的表面，脱附再生加热器（11）与电源及电器控制模块（7）连接，脱附再生加热器（11）采用电阻式或高频感应式加热，最高温度≤200℃；
所述的微孔吸附材料（12）是由比表面≥500m2/g的碳或氧化物微孔材料组成，微孔吸附材料（12）具有吸附VOCs的功能，为微孔炭微粒、纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶、石墨烯、氧化铝、氧化硅、氧化镁或沸石的纳米纤维、气凝胶、分子筛、微粒中的任意一种或一种以上的混合物；微孔吸附材料（12）为厚度为10-50mm的薄膜结构，或尺寸在1-10mm的球形或棒形颗粒状结构，或孔径在1-10mm的蜂窝状管式立方体或圆柱体结构；
所述的微孔吸附材料（12）与吸附材料支架（10）为平行板式阵列结构，微孔吸附材料（12）与吸附材料支架（10）之间设有气体通道，气体通道的间距2-20mm。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，其特征在于：所述的气体催化氧化反应模块（4）的催化材料为WO3、CuO、SnO2、TiO2、ZnO、MgO、CaO、Fe2O3、MnO2、Mn3O4、V2O5、NiO中的至少一种金属氧化物，催化材料是由颗粒尺寸为10-100nm的纳米结构晶体组成，形状为片状、球状、柱状或纤维。
3.根据权利要求2所述的一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，其特征在于：所述的金属氧化物中掺杂有Pt、Pd、Au、Ag、Cu、Fe、N、F、C中的至少一种元素。
4.根据权利要求1所述的一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，其特征在于：所述的气体催化氧化反应模块（4）中由一对及以上的阴极和阳极组成的等离子体催化反应室，阴极与阳极基板平行排列，在阴极与阳极之间设有厚度为0.1-3mm的石英或氧化铝陶瓷介质层，在阴极与阳极之间接频率为10-100kHz、电压为0.5-20kV的高频交流电源，电极间的电流密度为0.01-10mA/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，其特征在于：所述的气体催化氧化反应模块（4）中由一套及以上的紫外光源和催化材料组成的光电催化氧化反应室，紫外光源采用无极石英灯，波长为250-400nm，单元光源功率为0.1-2kW，采用高频或微波感应发光。
6.根据权利要求1所述的一种低能耗的有机挥发性气体处理装置，其特征在于：所述的传感检测模块由光离子检测器PID和温度传感器TC组成，光离子检测器PID检测的总浓度TVOC范围为1-5000PPM，温度传感器TC检测的温度范围为0-500℃，所述的电源及电器控制模块（7）的功率范围为10-10000W。
7.一种低能耗的有机挥发性气体处理方法，其特征在于：如权利要求1所述的装置包括如下步骤，步骤1，微孔吸附材料对浓度为1-500PPM的VOCs气体进行吸附，步骤2，当微孔吸附材料吸附的气体浓度达到饱和后，脱附再生加热器对微孔吸附材料进行加热，使微孔吸附材料吸附的VOCs进行脱附，微孔吸附材料再生并可继续吸附VOCs气体，步骤3，气体催化氧化反应模块开启，对有机污染物进行催化氧化反应，将VOCs分解为二氧化碳和水并排放。
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