CN109821408B - 一种臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种臭氧‑催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法。本发明装置包括第一反应管和第二反应管，第一反应管内置过滤器、废气预热区及高温催化反应区，经过滤器过滤后的废气在经废气预热区预热后进入高温催化反应区完成催化氧化反应；然后废气进入第二反应管，在第二反应管内通入臭氧的同时进行催化氧化协同处理，最后接入排风***。经过第一反应管和第二反应管的有机物降解处理，挥发性有机物的去除效率能达到97%，实现了挥发性有机物的高效处理。本发明的装置结构简单、操作方便，在挥发性有机物处理中具有能耗低、处理效率高等优势，可广泛应用于处理工业生产中产生的挥发性有机物。
Description
技术领域
本发明涉及挥发性有机物污染控制技术领域，具体涉及到一种臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法。
背景技术
随着我国化工、石化等相关工业的发展，大量挥发性有机物，简称VOCs（包括芳香类及其衍生物、烷烃类、烯烃类、醇类、酯类等VOCs）被随意排放进入大气。不仅直接危害人类健康和环境安全，而且会与大气中的臭氧、NOx、羟基等自由基发生反应，形成光化学烟雾，破坏臭氧层，已经成为一类主要的大气污染物。
挥发性有机物(VOCs)是一类化合物的统称，具有刺激性、致畸、致癌、致突变作用、易燃易爆，极大的威胁着人体和生态***健康。
臭氧是一种具有强氧化性的气体，在空气中能够分解生成氧自由基并产生羟基自由基等强氧化基团，臭氧的强氧化性使其能够与大多数有机污染物发生反应。催化氧化技术由于其优异的性能已经成为当今主流VOCs处理方法，也是最高效的处理方法之一。同时从能源方面来说，利用催化的方法也可以很好的与多种污染物的协同脱除有效结合在一起，达到了节能减排的效果。臭氧—催化协同氧化处理挥发性有机污染物是一项很广受关注并且很有前景的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种臭氧—催化协同氧化处理挥发性有机物的装置及方法。通过臭氧氧化以及催化氧化的协同作用处理挥发性有机污染物，净化有机废气。本发明设备简单、操作方便，在挥发性有机物处理中具有能耗低、处理效率高等优势，可广泛应用于处理工业生产中产生的多种挥发性有机物。
本发明将采用以下技术方案达到上述目的。
一种臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置，其包括第一反应管、第二反应管、臭氧发生装置和排风***；废气依次进入第一反应管、第二反应管后经排风***排出；第一反应管和第二反应管是两端分别为进气口和出气口的开口结构，其两端开口上分别配有带孔橡胶塞；玻璃细管分别***第一反应管和第二反应管的带孔橡胶塞的出气孔和进气孔内，实现第一反应管和第二反应管的串联；第一反应管和第二反应管分别置于两个管式电阻炉内，通过管式电阻炉分别控制两反应管内的温度；第一反应管内挨着进气口的位置设置过滤器，在过滤器后1/4~1/2第一反应管管长的位置后方径向间隔设置m个隔片，在第一反应管内围成m-1个催化剂腔体；臭氧发生装置产生的臭氧通过软管、流量计经第二反应管的进气口安插的玻璃细管进入第二反应管，第二反应管内径向间隔设置n个隔片，在第二反应管内围成n-1个催化剂腔体；其中：隔片为砂芯片，催化剂腔体内设置多孔载体负载过渡金属元素的单一催化剂或者复合催化剂。
本发明中，m,n为大于等于2的整数。
本发明中，第一反应管和第二反应管均采用石英材质；带孔橡胶塞采用耐高温硅胶材质，过滤器为滤芯由玻璃纤维滤料构成的HEPA过滤器。
本发明中，多孔载体为活性炭颗粒或三氧化二铝，过渡金属为Mn、Co、Fe或Cu中任一种或几种。
本发明中，第一反应管内的温度控制在100-150 ℃之间，第二反应管内的温度控制在80-100 ℃之间。
本发明还提供一种采用上述的装置进行臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的方法，具体步骤如下：废气在第一反应管内先经过滤器过滤处理掉废气中的固体颗粒物，再经预热处理后进行催化氧化反应；接着进入第二反应管内，在臭氧作用下进行催化氧化反应，最后处理后的废气接入排风***。
本发明中，通过第一反应管、第二反应管的废气流量控制在10-15L/min范围内，流速控制在0.24-0.35m/s范围内。
本发明中，第二反应管内臭氧的通入量控制在20-35mL/min，随着反应管内气体流量的增加适当增加臭氧的通入量，但不宜过高，确保反应完成后臭氧达标排放。
本发明中，第一反应管内的过滤器为滤芯由玻璃纤维滤料构成的HEPA过滤器，作用是拦截废气中的固体颗粒物，以免其进入第一反应管的催化剂孔隙中，导致催化剂孔隙堵塞引起的废气与催化剂的接触面积减小，严重影响多孔载体对挥发性有机物的吸附及与过渡金属活性分子的催化反应，显著降低废气净化效率。
本发明中，两个反应管管体内的隔片均为砂芯片，砂芯片含有大量的微孔结构，透气性良好，采用砂芯片可以使废气正常通过并且可以尽可能的降低废气通过的流动阻力。
本发明中，第一反应管内在过滤器与第一个隔片中间为废气预热区，其长度固定，大约为第一反应管管体长度的1/4~1/2，其设置目的是因为管体体积较小导致废气进入管体的停留时间较短，处理过程中可能导致废气降解的实际温度难以达到设定温度，影响降解效率。此预热区可以在废气进行降解之前预先加热废气，保证后续降解效率的持续稳定。
本发明中，两个反应管的进气口和出气口都用带孔橡胶塞堵塞，保证气体的密闭性，同时用玻璃细管通入橡胶孔导流气体，使废气在处理过程不会泄露。
本发明中，两个反应管均为石英材质，相比于普通玻璃管采用石英材质的优势为其可以耐高温，热稳定性好，反应过程中不易炸裂，耐磨损，抗氧化能力更强。
本发明中，第一反应管与第二反应管均放置于管式电阻炉中，管式电阻炉的程序控温***可以保证废气处理过程中温度恒定，从而保证降解效率的高效稳定。
本发明中，两个反应管采用对接式，可进行拆卸安装，便于催化剂的放入与取出，其可根据需要增加或者减少催化剂的数量，以便根据废气含量及浓度适时增加或者减少催化剂的用量，防止不必要的资源浪费。
和现有技术进行对比，本发明具有以下显著的效果：
本发明中设备装置简单、操作方便，在挥发性有机物处理中具有能耗低、处理效率高，不产生二次污染等优势，可广泛应用于处理工业生产中产生的挥发性有机污染物。
本发明中将臭氧氧化技术与催化氧化技术进行结合，既可以降低单一挥发性有机污染物氧化技术的能耗，又可以使得废气净化效率达到最大化，其协同作用保证处理后的废气完全可以达标排放，不会对大气环境造成污染。
本发明中当控制条件为第一反应管温度100-120℃，第二反应管温度80-90℃，催化剂为锰钴复合催化剂，臭氧通入量为25-30mL/min时，苯可以达到排放标准，无污染排放。
本发明中当控制条件第一反应管温度130-140℃，第二反应管温度90-100℃，催化剂为锰铁复合催化剂，臭氧通入量为30-35mL/min时，甲苯可以达到排放标准，无污染排放。
本发明中装载催化剂的腔体分为若干段，可以根据废气流量、浓度等进行催化剂载量的控制，保证达标排放的要求下，尽可能的减少催化剂的使用量，防止资源浪费。
本发明中的管体为对接式，便于催化剂的放入及取出以及对管体进行清洁干燥等操作。
附图说明
图1是臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法的整体工艺流程图。
图2是本发明实施例1中的臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置的整体结构示意图。
图3是本发明实施例2中的臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置的整体结构示意图。
图中标号：
1-废气进气孔； 2-高效过滤器； 3-废气预热区； 4-第一催化剂腔体； 5-第二催化剂腔体；6-砂芯片； 7-带孔橡胶塞； 8-废气出气孔；9-管式电阻炉；10-催化剂；11-塑料细管；12-臭氧发生器；13-软胶管；14-流量计；15-臭氧进气孔；16-第三催化剂腔体；17-第四催化剂腔体； 18-排风***；19-第一反应管； 20-第二反应管。
具体实施方式
以下将结合附图对于本发明的工艺流程及特点进行详细的说明，所描述实施例只是本发明的一部分而非全部，将对本发明的技术方案进行清晰的表述。
如图1所示，采用本发明的臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置进行废气处理时，废气经第一反应管内预热及高温催化氧化反应后，再进入第二反应管进行臭氧-催化氧化反应协同处理挥发性有机物，第二反应管中的反应为低温催化氧化反应，处理后的气体连接排风***。本发明装置是利用臭氧氧化与催化氧化的协同作用来处理挥发性有机物，达到废气净化的目的。
实施例1
如图2所示，该装置包括废气进气孔1，高效过滤器2（其是滤芯由玻璃纤维滤料构成的HEPA过滤器），废气预热区3，第一催化剂腔体4，第二催化剂腔体5，砂芯片6，带孔橡胶塞7，废气出气孔8，管式电阻炉9，催化剂10，玻璃细管11，臭氧发生器12，软胶管13，流量计14，臭氧进气孔15， 第三催化剂腔体16，第四催化剂腔体17 ，排风***18，第一反应管19，第二反应管20，第一反应管19的首端安装带孔橡胶塞7，带孔橡胶塞采用耐高温硅胶材质，上面有废气进气孔1，沿气体流动方向内置高效过滤器2，放置于第一反应管19的首端，从左往右距离高效过滤器2大约10cm处为内置第一个砂芯片6，之后各距离5cm再依次设置两个砂芯片6，带孔橡胶塞7上面有废气出气孔8，由玻璃细管11连接第一反应管19的废气出气孔8与第二反应管20的废气进气孔1。
臭氧通过臭氧进气孔15与第一反应管19中的气体一起通入第二反应管20，由臭氧发生器12产生的臭氧经流量计14控制，第二反应管内臭氧的通入量控制在30mL/min。
第一反应管19和第二反应管20均采用石英材质，第一反应管19和第二反应管20分别置于管式电阻炉9内，单个反应管的长度比管式电阻炉9长约10cm，反应管进出口两端5厘米置于管式电阻炉9的外面。
第一反应管19内包括2个催化剂腔体，第一催化剂腔体4和第二催化剂腔体5，本实施例中将第一催化剂腔体4装载催化剂10，第二催化剂腔体5中不装载任何催化剂，催化剂沿管体总长度为5cm，装载量为50g。
第二反应管20包括2个催化剂腔体，第三催化剂腔体16和第四催化剂腔体17，本实施例中将第三催化剂腔体16，装载负载催化剂10，第四催化剂腔体17中不装载任何催化剂，催化剂沿管体总长度为7.5cm，装载量为75g。
本实施例中第一反应管19及第二反应管20内的催化剂腔体所装载的催化剂10均为颗粒活性炭载体制备的负载锰钴复合高效稳定催化剂。催化剂10是采用过量浸渍法将锰钴活性组分通过依次浸渍、干燥、500℃管式电阻炉内焙烧等步骤负载到椰壳活性炭上获得。
经第二反应管20处理的废气由出气口连接排风***18，净化后的达标废气进行有组织排放。
采用本实施例的臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法处理挥发性有机污染物的具体步骤如下：
（1）控制含甲苯废气流量为15L/min，流速为0.35m/s，浓度为500ppm，经进气口进入第一反应管19，在管体首端放置的高效过滤器2将废气中的固体颗粒物进行有效拦截，保证后续处理中不会导致催化剂性能降低。
（2）拦截后的气体进入废气预处理室进行预热处理，升温后的废气进入第一催化剂腔体4进行催化反应，第一反应管19内控制温度在130℃。
（3）经催化氧化降解处理的废气经进气口进入第二反应管20，在管体中甲苯废气再次经过第三催化剂腔体16，此时臭氧也经进气口进入第二反应管20，臭氧通入量为30mL/min,进行臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机污染物，第二反应管20控制温度在90℃，此时废气的处理效率可达到96%，后经排风***将净化后的气体排放。
对比例1
本对比例与实施例1不同的是第二反应管在反应过程中不通入臭氧，单独进行催化剂的催化氧化反应，其具体步骤如下；
（1）控制含甲苯废气流量为15L/min，流速为0.35m/s，浓度为500ppm，经进气口进入第一反应管19，在管体首端放置的高效过滤器2将废气中的固体颗粒物进行有效拦截，保证后续处理中不会导致催化剂性能降低。
（2）拦截后的气体进入废气预处理室进行预热处理，升温后的废气依次经过第一催化剂腔体4和第二催化剂腔体5进行催化反应，第一反应管19控制温度在130℃。
（3）经催化氧化降解处理的废气经进气口进入第二反应管20，在管体中甲苯废气依次经过第三催化剂腔体16和第四催化剂腔体17，第二反应管20控制温度在90℃，此时废气的处理效率可达到85%，后经排风***18将净化后的气体排放。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1不同的是第一反应管19内包括2个催化剂腔体，本实施例中将第一催化剂腔体4与第二催化剂腔体5均装载负载锰钴复合催化剂，催化剂沿管体总长度为10cm，装载量为100g。
第二反应管20包括2个催化剂腔体，本实施例中将第三催化剂腔体16与第四催化剂腔体17均装载催化剂10，催化剂10沿管体总长度为15cm，装载量为150g。
本实施例中第一反应管19及第二反应管20内的催化剂腔体所装载的催化剂10均为颗粒活性炭载体制备的负载锰钴复合催化剂。催化剂10是采用过量浸渍法将锰钴活性组分依次通过浸渍、干燥、500℃管式电阻炉内焙烧等步骤负载到椰壳活性炭上制备获得。
采用本实施例的臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置及方法处理挥发性有机污染物的具体步骤如下所示：
（1）控制含甲苯废气流量为15L/min，流速为0.35m/s，浓度为500ppm，经进气口进入第一反应管19，在管体首端放置的高效过滤器2将废气中的固体颗粒物进行有效拦截，保证后续处理中不会导致催化剂性能降低。
（2）拦截后的气体进入废气预处理室进行预热处理，升温后的废气依次经过第一催化剂腔体4和第二催化剂腔体5进行催化反应，第一反应管19控制温度在130℃。
（3）经催化氧化降解处理的废气经进气口进入第二反应管20，在管体中甲苯废气依次经过第三催化剂腔体16和第四催化剂腔体17，此时臭氧也经进气口进入第二反应管20，臭氧通入量为35mL/min，进行臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机污染物，第二反应管20控制温度在90℃，此时废气的处理效率可达到98%，后经排风***18将净化后的气体排放。
所述上述实施例只是本发明的一部分，并不是对本发明范围的界定，本发明还会有各种形式的变化及改进，在不脱离本发明指导思想的前提下，各种形式的变化及改进都将落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的装置，其特征在于，其包括第一反应管、第二反应管、臭氧发生装置和排风***；废气依次进入第一反应管、第二反应管后经排风***排出；第一反应管和第二反应管是两端分别为进气口和出气口的开口结构，其两端开口上分别配有带孔橡胶塞；玻璃细管分别***第一反应管和第二反应管的带孔橡胶塞的出气孔和进气孔内，实现第一反应管和第二反应管的串联；第一反应管和第二反应管分别置于两个管式电阻炉内，通过管式电阻炉分别控制两反应管内的温度；第一反应管内挨着进气口的位置设置过滤器，在过滤器后1/4~1/2第一反应管管长的位置后方径向间隔设置m个隔片，在第一反应管内围成m-1个催化剂腔体；臭氧发生装置产生的臭氧通过软管、流量计经第二反应管的进气口安插的玻璃细管进入第二反应管，第二反应管内径向间隔设置n个隔片，在第二反应管内围成n-1个催化剂腔体；其中：隔片为砂芯片，催化剂腔体内设置多孔载体负载过渡金属元素的单一催化剂或者复合催化剂。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，m,n为大于等于2的整数。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一反应管和第二反应管均采用石英材质；带孔橡胶塞采用耐高温硅胶材质，过滤器为滤芯由玻璃纤维滤料构成的HEPA过滤器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多孔载体为活性炭颗粒或三氧化二铝，过渡金属为Mn、Co、Fe或Cu中任一种或几种。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一反应管内的温度控制在100-150℃之间， 第二反应管内的温度控制在80-100 ℃之间。
6.一种采用权利要求1所述的装置进行臭氧-催化氧化协同处理挥发性有机物的方法，其特征在于，废气在第一反应管内先经过滤器过滤处理掉废气中的固体颗粒物，再经预热处理后进行催化氧化反应；接着进入第二反应管内，在臭氧作用下进行催化氧化反应，最后处理后的废气接入排风***。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过第一反应管、第二反应管的废气流量控制在10-15L/min范围内，流速控制在0.24-0.35m/s范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第二反应管内臭氧的通入量控制在20-35mL/min。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一反应管内的温度控制在100-150 ℃之间， 第二反应管内的温度控制在 80-100 ℃之间。
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