CN113209920A - 微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及VOCs处理技术领域，公开了一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备。所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应通道的壳体(10)，所述反应通道为由多个直行段(11)和多个转折段(12)构成的蛇形，所述反应通道内填充有用于催化VOCs氧化的催化剂(13)，每个所述转折段(12)对应设有微波发生器(14)，所述微波发生器(14)用于向所述催化剂(13)辐射微波。本发明的微波耦合催化反应器不仅能够实现催化剂的整体均匀加热，保证反应通道内的所有催化剂均达到最佳反应状态，还能有效提高加热速度和反应效率，降低能耗，避免催化剂的浪费，使得所述微波耦合催化反应器具有高效、安全、节能等优点，适于产业化应用。

Description

微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备
技术领域
本发明涉及VOCs处理技术领域，具体地涉及一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备。
背景技术
在VOCs(挥发性有机物)处理领域，通常采用电加热器或加热炉等加热含有VOCs的废气，进而通过热传导的方式由高温废气由下而上或由上而下逐层加热催化剂至反应温度。这种加热方式不仅加热时间长、能耗大，而且存在加热不均匀的现象，无法使所有催化剂达到最佳反应状态，易造成催化剂浪费、反应效率低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微波耦合催化反应器，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应通道的壳体，所述反应通道为由多个直行段和多个转折段构成的蛇形，所述反应通道内填充有用于催化VOCs氧化的催化剂，每个所述转折段对应设有微波发生器，所述微波发生器用于向所述催化剂辐射微波。
可选地，所述壳体上设置有与所述反应通道的一端连通的进气口以及与所述反应通道的另一端连通的出气口，所述进气口用于供含有VOCs的待处理气体进入所述反应通道内，所述出气口用于供所述反应通道内产生的净化气体排出所述反应通道外。
可选地，所述壳体采用非透波材料制成，所述进气口和所述出气口处分别设有微波屏蔽网。
可选地，所述反应通道设置为沿所述壳体的纵向延伸，和/或所述催化剂填充在所述直行段内。
可选地，所述催化剂在所述直行段的延伸方向上的长度为所述催化剂的微波最大趋肤深度的两倍。
可选地，所述微波耦合催化反应器包括用于限定所述反应通道的隔板组件，所述隔板组件包括多个水平隔板，多个所述水平隔板沿所述壳体的纵向间隔设置，相邻的两个所述水平隔板之间限定形成所述直行段，相邻的两个所述水平隔板在所述壳体的纵向上相互错位，相间隔的两个所述水平隔板在所述壳体的纵向上相互对齐，所述壳体的内壁与位于相间隔的两个所述水平隔板之间的所述水平隔板的近端之间形成所述转折段。
可选地，所述隔板组件包括多个竖直隔板，所述竖直隔板连接于相间隔的两个所述水平隔板之间，所述竖直隔板与位于相间隔的两个所述水平隔板之间的所述水平隔板的近端之间形成所述转折段。
可选地，所述竖直隔板与所述壳体的内壁在所述壳体的横向上具有间隔，该间隔形成为透波隔离区，所述微波发生器位于所述壳体外且对应于所述透波隔离区设置，所述壳体的用于限定所述透波隔离区的部分上开设有与所述微波发生器的微波溃口连通的连通口。
可选地，所述连通口位于所述透波隔离区的沿纵向的中部。
可选地，所述水平隔板采用非透波材料制成，所述竖直隔板采用透波材料制成。
本发明另一方面提供一种VOCs处理设备，所述VOCs处理设备包括以上所述的微波耦合催化反应器。
可选地，所述VOCs处理设备包括第一温度监测器和第二温度监测器，所述第一温度监测器用于监测所述催化剂的温度，所述第二温度监测器用于监测将要进入所述反应通道的待处理气体的温度。
可选地，所述VOCs处理设备包括控制器，所述控制器分别与所述第一温度监测器、所述第二温度监测器以及所述微波发生器电连接，所述控制器设置为能够根据所述第一温度监测器和所述第二温度监测器监测的温度控制所述微波发生器的运行。
本发明的微波耦合催化反应器通过将反应通道形成为蛇形，并分别在蛇形反应通道的各个转折段对应设置微波发生器，利用多个微波发生器分区对反应通道内的催化剂加热，不仅能够实现催化剂的整体均匀加热，保证反应通道内的所有催化剂均达到最佳反应状态，还能有效提高加热速度和反应效率，降低能耗，避免催化剂的浪费，使得所述微波耦合催化反应器具有高效、安全、节能等优点，适于产业化应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明中微波耦合催化反应器的一种实施方式的结构示意图；
图2是图1的俯视图。
附图标记说明
10-壳体，11-直行段，12-转折段，13-催化剂，14-微波发生器，15-进气口，16-出气口，17-微波屏蔽网，18-水平隔板，19-竖直隔板，20-透波隔离区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、顶、底”通常是指参照附图1所示的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。
本发明提供一种微波耦合催化反应器，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应通道的壳体10，所述反应通道为由多个直行段11和多个转折段12构成的蛇形，所述反应通道内填充有用于催化VOCs氧化的催化剂13，每个转折段12对应设有微波发生器14，微波发生器14用于向催化剂13辐射微波。
上述中，需要说明的是，所述反应通道供VOCs与催化剂13发生催化氧化反应转化为二氧化碳和水蒸气，并释放热量。通过采用微波和催化剂13的双重耦合作用，利用微波的热效应和非热效应处理VOCs，微波的热效应具有快速加热、选择性加热的特性，能够使催化剂表面活性元素迅速处于高温状态，形成高温点位，加热耗时只需几分钟，从而大大缩短了催化剂的加热时长；微波的非热效应使得微波电场引起化合物中电偶极子的迅速转动，此过程视为分子搅拌，由于分子搅拌使介质将吸收的微波能传给催化剂晶格，加速催化剂晶格氧的释放和转移速率，从而显著提升了催化剂的反应效率。
本发明的微波耦合催化反应器通过将反应通道形成为蛇形，并分别在蛇形反应通道的各个转折段12对应设置微波发生器14，利用多个微波发生器14分区对反应通道内的催化剂13加热，不仅能够实现催化剂13的整体均匀加热，保证反应通道内的所有催化剂13均达到最佳反应状态，还能有效提高加热速度和反应效率，降低能耗，避免催化剂13的浪费，使得所述微波耦合催化反应器具有高效、安全、节能等优点，适于产业化应用。
本发明中，如图1和图2所示，壳体10上设置有与所述反应通道的一端连通的进气口15以及与所述反应通道的另一端连通的出气口16，进气口15用于供含有VOCs的待处理气体进入所述反应通道内，出气口16用于供所述反应通道内产生的净化气体排出所述反应通道外。
在反应时，待处理气体经进气口15进入所述反应通道内，并沿所述反应通道的长度方向从一端向另一端流动，在流动过程中，待处理气体中的VOCs在催化剂13的催化作用下反应生成二氧化碳和水蒸气，并释放热量；所述反应通道内产生的净化气体(包括二氧化碳、水蒸气以及待处理气体中除VOCs外的其他气体)经出气口16排出反应通道外。
本发明中，为了防止壳体10内的微波发生泄漏，壳体10采用非透波材料制成，进气口15和出气口16处分别设有微波屏蔽网17。另外，为了保证反应器的安全性，壳体10的整体设计压力大于VOCs的最大化学***力。催化剂13可以为蜂窝状或颗粒状的高效吸波催化剂，实现不同高度、不同截面积催化剂的填装。
本发明中，壳体10可具有任意适当的形状，例如方形体、柱状体等。所述反应通道可在壳体10内沿任意方向延伸。根据本发明的一种实施方式，如图1所示，所述反应通道设置为沿壳体10的纵向(参见图1所示的竖直方向)延伸。在这种情况下，如图1所示，进气口15可位于壳体10的下部，出气口16位于壳体10的上部。其中根据所述反应通道在壳体10内转折数量的不同，进气口15和出气口16可位于壳体10的同侧或不同侧。
本发明中，如图1所示，催化剂13可填充在直行段11内。也就是说，转折段14内不填充催化剂13。由于微波发生器14设置于转折段12处，每个直行段11内催化剂13的左右两侧分别与微波发生器14相对，微波发生器14发出的微波可有效穿透对应位置的催化剂13，从而使得催化剂13迅速达到表面高温。
其中，为了进一步提高催化剂13加热的均匀性，催化剂13在直行段11的延伸方向上的长度为催化剂13的微波最大趋肤深度(即穿透深度)的两倍。例如图1所示，催化剂13在水平方向上的长度等于直行段11的长度，位于直行段11两侧的两个微波发生器14发出的微波能够分别穿透直行段11内整个催化剂13长度的一半，从而对催化剂13进行整体均匀加热。另外，催化剂13在垂直于竖直方向的两个维度上的长度值可根据气流流速进行合理设置，其截面形状可以为长方形、正方形或圆形。
本发明中，所述微波耦合催化反应器可包括用于限定所述反应通道的隔板组件，所述隔板组件可包括多个水平隔板18，多个水平隔板18沿壳体10的纵向间隔设置，相邻的两个水平隔板18之间限定形成所述直行段11，相邻的两个水平隔板18在壳体10的纵向上相互错位，相间隔的两个水平隔板18在壳体10的纵向上相互对齐，壳体10的内壁与位于相间隔的两个水平隔板18之间的水平隔板18的近端之间形成所述转折段12。
上述中，需要说明的是，两个水平隔板18在壳体10的纵向上相互错位是指两个水平隔板18的沿横向的两端不对齐。相间隔的两个水平隔板18是指两者之间只隔了一个水平隔板18。水平隔板18的近端是指靠近壳体10的相应侧内壁的相应端。
上述中，作为优选，多个水平隔板18之间的间隔均相等。
具体地，参见图1所示的实施方式，所述隔板组件包括四个水平隔板18，四个水平隔板18在水平方向上的长度相等，四个水平隔板18与壳体10的顶壁和底壁一起限定形成五个直行段11。为了便于描述，四个水平隔板18从上至下依次命名为第一水平隔板、第二水平隔板、第三水平隔板、第四水平隔板。其中，第一水平隔板和第三水平隔板在竖直方向上正对，且右端连接于壳体10的内壁；第二水平隔板和第四水平隔板在竖直方向上正对，且左端连接于壳体10的内壁；由此第一水平隔板和第三水平隔板的左端与壳体10的左侧内壁之间具有间隔，第二水平隔板和第四水平隔板的右端与壳体10的右侧内壁之间具有间隔，这些间隔形成所述转折段12。也就是说，在这种实施方式中，转折段12由壳体10的内壁和水平隔板18限定形成。
进一步地，所述隔板组件还可包括多个竖直隔板19，竖直隔板19连接于相间隔的两个水平隔板18之间，竖直隔板19与位于相间隔的两个水平隔板18之间的水平隔板18的近端之间形成所述转折段12。也就是说，在该实施方式中，转折段12由水平隔板18与竖直隔板19限定形成。
具体地，参见图1所示的实施方式，所述隔板组件包括四个竖直隔板19，左侧上方的竖直隔板19连接于壳体10的顶壁与第二水平隔板之间，且与第一水平隔板的左端之间具有间隔；左侧下方的竖直隔板19连接于第二水平隔板与第四水平隔板之间，且与第三水平隔板的左端之间具有间隔；右侧上方的竖直隔板19连接于第一水平隔板与第三水平隔板之间，且与第二水平隔板的右端之间具有间隔；右侧下方的竖直隔板19连接于第三水平隔板与壳体10的底壁之间，且与第四水平隔板的右端之间具有间隔，这四个间隔形成为四个转折段12。
进一步地，如图1所示，竖直隔板19与壳体10的内壁在壳体10的横向(参见图1所示的水平方向)上具有间隔，该间隔形成为透波隔离区20，微波发生器14位于壳体10外且对应于透波隔离区20设置，壳体10的用于限定透波隔离区20的部分上开设有与微波发生器14的微波溃口连通的连通口。通过上述透波隔离区20的设置，能够避免所述反应通道内的VOCs直接与微波发生器14接触，使得微波发生器14的高电场强度不会对VOCs产生不利影响，避免打火放电现象的发生，从而保证反应器的整体安全，实现抗爆安全设计要求。
其中，如图1所示，所述连通口位于透波隔离区20的沿纵向的中部，也就是说，微波发生器14的微波溃口位于透波隔离区20的沿纵向的中部，并且微波发生器14的微波溃口以喇叭状水平朝向转折段12设置，这样能够加大微波对催化剂13的加热面积，进一步保证催化剂13的加热速率及效果。
上述中，水平隔板18采用非透波材料制成，这样可使微波对对应位置的催化剂13进行快速加热，同时可分隔相邻的透波隔离区20，避免两相邻微波发生器14之间相互影响。竖直隔板19采用透波材料制成，这样，微波发生器14发射到透波隔离区20内的微波可穿透竖直隔板19而进入所述反应通道内对催化剂13进行加热。
下面结合图1和图2详细介绍本发明的微波耦合催化反应器的一种实施方式：
如图1和图2所示，壳体10为内部具有方形腔体的方形体，所述隔板组件包括呈方形板状的四个水平隔板18和四个竖直隔板19，四个水平隔板18的尺寸一致，且宽度与壳体10的方形腔体的宽度相等，长度小于方形腔体的长度；四个竖直隔板19的尺寸一致，且宽度与壳体10的方形腔体的宽度相等。四个水平隔板18沿竖直方向均匀地间隔排布，并与壳体10的顶壁和底壁一起限定形成五个直行段11。为了便于描述，四个水平隔板18从上至下依次命名为第一水平隔板、第二水平隔板、第三水平隔板、第四水平隔板，五个直行段11从上至下依次命名为第一直行段、第二直行段、第三直行段、第四直行段、第五直行段。
其中，第一水平隔板和第三水平隔板在竖直方向上正对，并且除左侧外，其它三个边均连接于壳体10的内壁；第二水平隔板和第四水平隔板在竖直方向上正对，且除右侧外，其它三个边均连接于壳体10的内壁；左侧上方的竖直隔板19连接于壳体10的顶壁与第二水平隔板之间，且与第一水平隔板的左端之间具有间隔；左侧下方的竖直隔板19连接于第二水平隔板与第四水平隔板之间，且与第三水平隔板的左端之间具有间隔；右侧上方的竖直隔板19连接于第一水平隔板与第三水平隔板之间，且与第二水平隔板的右端之间具有间隔；右侧下方的竖直隔板19连接于第三水平隔板与壳体10的底壁之间，且与第四水平隔板的右端之间具有间隔，这四个间隔形成为四个转折段12。左侧的两个竖直隔板19与壳体10的左侧内壁之间具有间隔，右侧的两个竖直隔板19与壳体10的右侧内壁之间具有间隔，这四个间隔形成为四个透波隔离区20。四个微波发生器14分别设置于四个透波隔离区20外，其中，左侧上方的微波发生器14可对第一直行段的催化剂13和第二直行段左侧区域的催化剂13进行加热，左侧下方的微波发生器14可对第三直行段和第四直行段的左侧区域的催化剂13进行加热，右侧上方的微波发生器14可对第二直行段和第三直行段的右侧区域的催化剂13进行加热，右侧下方的微波发生器14可对第四直行段右侧区域的催化剂13和第五直行段的催化剂13进行加热。进气口15对应于第五直行段的左侧设置，出气口16对应于第一直行段的右侧设置。
通过上述设置，两侧的微波发生器14发出的微波可有效穿透对应位置的催化剂13，实现催化剂13的分区均匀加热，加热速度快，所有催化剂13能够达到最佳反应状态。在其他实施方式中，透波隔离区20和微波发生器14的数量可根据所述反应通道的长度进行调整。催化剂13的填充量也可相应调整，只要保证微波能有效穿透即可。
本发明中，催化剂13的加热温度优选为50-450℃，催化剂13在该温度范围内具有较强的吸波能力和受热均匀性。催化剂13可包括固定在直行段11内的载体、涂覆在所述载体表面的涂层以及附着在所述涂层上的活性元素和助剂。其中，所述涂层、活性元素以及助剂均可采用介质损耗较高的物质，以具有较高的吸波能力，实现在微波辐射下的有效升温；所述载体可采用介质损耗较低的物质，以在受微波辐射时趋于常温状态。其中，所述载体可选自堇青石蜂窝载体或堇青石-碳化硅复合载体，所述涂层可包括粘结剂和碳化硅；以催化剂的总重量为基准，所述堇青石蜂窝载体的含量或所述堇青石-碳化硅复合载体中堇青石的含量可以为65-80重量％，所述粘结剂(可含有氧化铝)的含量可以为11.5-12重量％，所述碳化硅的含量可以为0.5-16重量％，所述活性元素的含量可以为0.2-0.33重量％，所述助剂的含量可以为7.11-7.15重量％；其中，所述活性元素可以为第IB族元素(例如金)和/或第VIII族元素(例如铁、钴、钯、铂)；所述助剂可选自镧系元素(例如镧、铈)、第IVB族元素(例如锆)、第VIIB族元素(例如锰)和第VIII族元素中的至少一种。
本发明另一方面提供一种VOCs处理设备，所述VOCs处理设备包括以上所述的微波耦合催化反应器。
进一步地，所述VOCs处理设备还可包括第一温度监测器和第二温度监测器，所述第一温度监测器用于监测所述催化剂13的温度，所述第二温度监测器用于监测将要进入所述反应通道的待处理气体的温度。这样可便于对微波发生器14的输出功率的调节，以保证将催化剂13加热到合适的反应温度。
为了提高所述VOCs处理设备的智能性和高效性，所述VOCs处理设备还可包括控制器，所述控制器分别与所述第一温度监测器、所述第二温度监测器以及微波发生器14电连接，所述控制器设置为能够根据所述第一温度监测器和所述第二温度监测器监测的温度控制微波发生器14的运行。所述控制器对微波发生器14的运行的控制包括启动、关闭以及功率输出大小。
在使用时，当所述第二温度监测器监测的温度值大于所述第一温度监测器监测的温度值时，表明催化剂13能够保持反应所需的最低温度，此时可通过所述控制器控制微波发生器14关闭；当所述第二温度监测器监测的温度值小于所述第一温度监测器监测的温度值时，可通过所述控制器控制微波发生器14启动，以加热催化剂13，并根据两者差值大小控制微波发生器14的功率输出大小。
进一步地，在所述微波耦合催化反应器具有多个微波发生器14的情况下，所述VOCs处理设备可包括多个所述第一温度监测器，多个所述第一温度监测器可分别监测由相应微波发生器14加热的相应区域催化剂13的温度，所述控制器可分别根据相应所述第一温度监测器监测的温度控制相应微波发生器14的运行。这样能够保证各区域的催化剂13温度均匀。
本发明中，温度监测器可以是光纤传感器、红外传感器或温度变送器等。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应通道的壳体(10)，所述反应通道为由多个直行段(11)和多个转折段(12)构成的蛇形，所述反应通道内填充有用于催化VOCs氧化的催化剂(13)，每个所述转折段(12)对应设有微波发生器(14)，所述微波发生器(14)用于向所述催化剂(13)辐射微波。
2.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述壳体(10)上设置有与所述反应通道的一端连通的进气口(15)以及与所述反应通道的另一端连通的出气口(16)，所述进气口(15)用于供含有VOCs的待处理气体进入所述反应通道内，所述出气口(16)用于供所述反应通道内产生的净化气体排出所述反应通道外。
3.根据权利要求2所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述壳体(10)采用非透波材料制成，所述进气口(15)和所述出气口(16)处分别设有微波屏蔽网(17)。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述反应通道设置为沿所述壳体(10)的纵向延伸，和/或所述催化剂(13)填充在所述直行段(11)内。
5.根据权利要求4所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述催化剂(13)在所述直行段(11)的延伸方向上的长度为所述催化剂(13)的微波最大趋肤深度的两倍。
6.根据权利要求4所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波耦合催化反应器包括用于限定所述反应通道的隔板组件，所述隔板组件包括多个水平隔板(18)，多个所述水平隔板(18)沿所述壳体(10)的纵向间隔设置，相邻的两个所述水平隔板(18)之间限定形成所述直行段(11)，相邻的两个所述水平隔板(18)在所述壳体(10)的纵向上相互错位，相间隔的两个所述水平隔板(18)在所述壳体(10)的纵向上相互对齐，所述壳体(10)的内壁与位于相间隔的两个所述水平隔板(18)之间的所述水平隔板(18)的近端之间形成所述转折段(12)。
7.根据权利要求6所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述隔板组件包括多个竖直隔板(19)，所述竖直隔板(19)连接于相间隔的两个所述水平隔板(18)之间，所述竖直隔板(19)与位于相间隔的两个所述水平隔板(18)之间的所述水平隔板(18)的近端之间形成所述转折段(12)。
8.根据权利要求7所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述竖直隔板(19)与所述壳体(10)的内壁在所述壳体(10)的横向上具有间隔，该间隔形成为透波隔离区(20)，所述微波发生器(14)位于所述壳体(10)外且对应于所述透波隔离区(20)设置，所述壳体(10)的用于限定所述透波隔离区(20)的部分上开设有与所述微波发生器(14)的微波溃口连通的连通口。
9.根据权利要求8所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述连通口位于所述透波隔离区(20)的沿纵向的中部。
10.根据权利要求7所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述水平隔板(18)采用非透波材料制成，所述竖直隔板(19)采用透波材料制成。
11.一种VOCs处理设备，其特征在于，所述VOCs处理设备包括权利要求1-10中任意一项所述的微波耦合催化反应器。
12.根据权利要求11所述的VOCs处理设备，其特征在于，所述VOCs处理设备包括第一温度监测器和第二温度监测器，所述第一温度监测器用于监测所述催化剂(13)的温度，所述第二温度监测器用于监测将要进入所述反应通道的待处理气体的温度。
13.根据权利要求12所述的VOCs处理设备，其特征在于，所述VOCs处理设备包括控制器，所述控制器分别与所述第一温度监测器、所述第二温度监测器以及所述微波发生器(14)电连接，所述控制器设置为能够根据所述第一温度监测器和所述第二温度监测器监测的温度控制所述微波发生器(14)的运行。
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