CN100473420C - 废气管的反应站及用于将含有有害物质的废气净化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将含有有害物质的废气净化的装置，该装置包括根据光氧化原理的反应站。所述反应站包括至少一个气体导管，在所述至少一个气体导管的内部沿着废气的流动方向设置有管状紫外线发射器。为了以简单方式提高所述气体导管内的分解率，所述至少一个气体导管的截面为具有至少五个边的正多边形。

Description

废气管的反应站及用于将含有有害物质的废气净化的装置
技术领域
本发明涉及一种用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置。
这种类型的用于将含有有害物质的废气净化的设备可从EP 0778080B1得知。
本发明还涉及一种废气管的反应站(reaction stage)，所述反应站包括至少一个气体导管(air conduit)，其中管状紫外线发射器纵向地设置在废气的流动方向上。
这种类型的废气管的反应站可从JP 07-060058 A中得知。
背景技术
从EP 0778080B1中可知，在反应站中，通过在气体导管中以高能短波紫外线(UVC)光照射废气，可使诸如溶剂或臭气物质之类的有害物质在光氧化作用下反应。原则上，还公知有将多个气体导管并行设置，从而可提高有效程度(degree of effectiveness)。由于短波紫外线辐射和废气的相互作用，从而产生分解有害物质所需的活性组分(reactive species)。通过废气的氧分子和水分子吸收短波紫外线光，从而产生氧化剂臭氧、过氧化氢以及O基和OH基。这些氧化剂具有高氧化电位，从而可以氧化有害物质。并引发链式反应，该链式反应中产生可能再攻击其它分子的新的基。另外，有害物质分子及其分解产物吸收短波紫外线辐射。由于吸收了光能，因此有害物质被激发到更高能级，从而有害物质被激活以与活性组分反应或与大气中的氧气反应。如果提供充分的光能，则分子分解。有害物质的光分解的分解产物可能还形成OH基或引发基链反应。由于光致激发以及活性氧化合物的存在，因此均相气相反应开始。
结合上述光氧化反应，反应站连接有催化剂单元，该催化剂单元允许进行另外的分解反应，并且在该催化剂单元中可以分解多余的臭氧，从而确保有害气体的臭氧不会进入到环境中。
从EP 0778070B1中可知，催化剂优选为活性碳催化剂。所使用的活性碳是具有大约1,200m2/g内表面面积的多孔材料，该多孔材料的内表面可用作反应面。活性碳的目的是首先保留难以被氧化的化合物，从而提高这些化合物在反应器中的保留时间。因此与气相相比，这些成分的浓度得以增加，从而可提高这些成分与在活性碳表面上所形成的氧组分的反应率。另一方面，活性碳用作随后的催化剂，由于活性碳作为臭氧过滤器，所以其确保有害的臭氧不会进入到环境中。
根据EP 0778070B1，管状紫外线发射器通常用于产生紫外线辐射。EP0778070B1中没有指明如何将紫外线发射器设置在光氧化反应站中。然而，从现有技术中可得知给出紫外线发射器的优选布置的反应站。
JP 07-060058A公开了一种用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置，在该装置中紫外线发射器以平行于废气的流动方向设置在气体导管中，并且该装置的紫外线发射器的紫外线辐射波长在185nm范围内，也可以在254nm范围内。JP 07-060058 A还提出可以使用二氧化钛涂布气体导管的内壁，从而在相同的反应站中可获得催化效应。
DE 19740053A1公开了另一种用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置，在该装置中在光氧化反应站中以平行于废气的流动方向设置有多个紫外线发射器。DE 19740053A1中还提及将二氧化钛另外用作催化剂，并为了使废气中含有的有害物质与紫外线辐射之间更充分地相互作用的目的，而提出了相应的挡板和/或多孔板。
发明内容
已发现节省成本的、紧凑的废气净化系统的可用性变得越来越重要，尤其是对小型生产装置而言更为重要。起源于JP 07-060058A中公知的装置，因此本发明的目的是以简单的方式提高受到有害物质污染的废气在气体管道中被净化并将有害物质清除的分解率，以能够提供节省成本的、紧凑的废气净化系统。
为达到上述目的，本发明提供一种废气管的反应站，所述反应站具有气体导管，在所述气体导管中，管状紫外线发射器纵向地设置在所述废气的流动方向上，其特征在于，根据所述气体导管，多个气体导管以蜂窝状结构一个挨着一个地设置，其中每个气体导管的截面构造为具有至少五个边的正多边形。以及本发明还提供一种用于将含有有害物质的废气净化的装置，其包括前述的反应站，且包括在所述反应站之后的催化剂单元。
本发明的主要发现是通过适当改变JP 07-060058A中公知的气体导管的截面形状，来改善紫外线辐射、废气中含有的有害物质以及涂布在气体导管内壁上的催化剂之间的相互作用。JP 07-060058A中提出了气体导管的截面为正方形或矩形。与之相比，本发明证实了如果至少一个气体导管的截面构造为具有至少五个边的正多边形，则可以提高气体导管内的分解率。
根据优选实施例，多个气体导管以蜂窝状结构一个挨着一个地设置。如果多个气体导管彼此并行设置，则这种结构可使根据本发明的反应站的结构更为紧凑。
对于蜂窝状结构的构造，推荐将气体导管的截面构造为相应的正六边形或正八边形。
本发明的边界线情况由截面形成，在该截面中正多边形可构造为圆形且由此正多边形可以有效地由无数个边组成。从提高有效程度的观点来看，圆形截面的边界线情况是最佳的；然而，如果多个气体导管并行设置，则多个气体导管之间的空隙将不能被利用。因此，对于并行设置的多个气体导管，具有六边形或八边形截面的蜂窝状结构被证明是现有技术中公知的矩形截面与圆形截面之间有益的折衷。
根据优选实施例，通过侧面上连接的接触轨，相应的紫外线发射器保持在所述至少一个气体导管中。所述接触轨优选为以可以容易地维修和更换管状紫外线发射器的方式构造。
根据另一个优选实施例，紫外线发射器发出的辐射导致在废气流过时在废气中产生诸如臭氧和/或含氧基之类的活性反应物。公知地，如果将由相应的紫外线发射器发出的辐射波长设置在185nm范围内，则可以、尤其可以达到这种效果。
根据再一个优选实施例，紫外线发射器发出的辐射导致废气中含有的碳氢化合物被激发到更高能级。公知地，如果将由相应的紫外线发射器发出的辐射波长设置在254nm范围内，则可尤其是达到这种效果。
因此，使用发射波长在废气中含有的气体分子的吸收光谱范围内的这种紫外线发射器是非常有利的，而且由于这些波长范围可以从传统水银灯得到，因此推荐在这种情况下使用的波长范围为185nm和254nm。同时为了进一步减小反应站的整个尺寸，也可以提供功率增加的分别使用的紫外线发射器。更高功率的紫外线发射器的光强度必须确定为波长的函数，以使有害物质分子的吸收光谱与光源的发射光谱之间有充分的重叠。
本发明的另一个发现是相对于可用于涂布气体导管内壁的催化材料来优化波长，而不是相对于废气中含有的气体分子的吸收光谱来优化由紫外线发射器发射的波长。起源于JP 07-060058A，由此本发明的这个发现涉及废气管的包括至少一个气体导管的反应站，其中管状紫外线发射器纵向地设置在所述废气的流动方向上，并且所述气体导管的内壁涂布有作为催化材料的宽带半导体材料。在JP 07-060058A中，使用二氧化钛(TiO2)作为催化材料。
起源于JP 07-060058A中公知的装置，本发明的目的在于以简单的方式来增加将气体导管内被有害物质污染的废气净化并将有害物质中清除的分解率，在以半导体材料涂布气体导管内壁的基础上，该目的可以实现，因为所述相应的紫外线发射器发出的辐射波长大于254nm，并且所述相应的紫外线发射器发出的辐射能量基本上大于或等于所述半导体材料的化合价与导带之间的能量差。
原则上，使用能量大于或等于半导体材料的化合价与导带之间的能量差的光子进行光半导体照射，将产生电子-空穴对。本发明最重要的发现是紫外线发射器发射的波长在接近半导体的吸收边(absorption edge)处对于进行光催化反应尤其有效，并导致光催化反应。因此，紫外线发射器发射的波长范围可以不在传统水银灯的波长范围185nm和254nm内，而可以选择性地或额外地具有更大波长范围，从而该紫外线发射器发出的辐射能量相应地降低，但足以克服半导体材料的化合价与导带之间的能量差，这一点是明确的。
带隙在大约2eV到4eV之间的所有半导体，例如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化钨(WO3)、二氧化铈(CeO2)、三氧化锶钛(SrTiO3)或氧化锆钛(ZrTiO4)，在原则上都适于进行这种光催化作用。二氧化钛(TiO2)或掺杂二氧化钛被证明为尤其适于这种光催化作用，正如其所表现的，其有效地将反应性、环境接受性、长期稳定性的特性和节省成本结合。所有光半导体可以由波长在340nm到500nm之间的等能量光来激发。
通常已发现，如果气体导管的内壁涂布有作为催化材料的宽带半导体材料，则在根据本发明的反应站的范围内可获得期望的催化效应。对于相应的紫外线发射器，必须确保紫外线发射器发出的辐射波长范围以下述方式进行选择，即发出的辐射能量至少大于或等于半导体材料的化合价与导带之间的能量差。
根据优选实施例，半导体材料由二氧化钛以公知方式组成。但是，半导体材料还可以由掺杂二氧化钛组成。由于以能量大于或等于半导体材料的化合价与导带之间的能量差的紫外线辐射来照射二氧化钛或掺杂二氧化钛的，因此在半导体材料中首先产生电子-空穴对。然后形成有效促进有害物质进行氧化过程的含氧基。已发现，为了获得紫外线辐射与催化材料之间的最佳相互作用，应该考虑紫外线发射器与气体导管内壁之间的距离。为了将根据本发明的气体导管最优化，因此将以下述方式选择所述距离，即对于已给定的催化材料和预设的紫外线发射器而言，可以得到相应的有害物质的最佳分解率。测试表明，为了利用二氧化钛获得催化效应，相应的紫外线发射器发出的辐射波长优选为在350nm到420nm范围内。
因此，根据本发明的反应站可用于改进EP 0778070B1中公知的、用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置的分解率和尺寸。
因此，本发明的另一个解决方法是提供一种用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置，该装置包括根据本发明的上述反应站以及在该反应站之后的催化剂单元。
该装置提供了节省成本的、紧凑的系统，其尤其适用于低体积流速和小型生产装置，例如小型上釉术作业(enamelling work)或小型餐馆。
根据优选实施例，催化剂单元由活性碳催化剂组成。如上所述，随后的催化剂单元不仅会提高由反应站提供的气流的反应率，而且会提高仍包含在到达的气流中但不意图散发到环境中的臭氧的分解。因此，如果过量的臭氧到达活性碳表面，则臭氧与吸附在活性碳表面的有害物质发生反应，或将活性碳中的碳氧化。后一种情况由于通过光能产生的臭氧没有使用(即没有对有害物质进行氧化)就损失，会引起能量损失。
因此，根据优选实施例，提供一种氧化还原系统，其能可靠地避免臭氧排到环境中，但储存臭氧的氧化力。例如，推荐使用高锰酸钾/二氧化锰作为氧化还原对。由于通过高锰酸钾对有机有害物质进行氧化，形成二氧化锰，该二氧化锰由于与臭氧的反应重新形成高锰酸钾。
必须记住的是，在提供的随后的催化剂单元中，由于不得不对包括一种主要成分以及多种次要成分的有害物质混合物进行处理，因此实际上待分解的有害物质的混合物通常由大量的不同物质组成。而且，由于在反应站中的光氧化作用，将连续地产生在随后的催化剂单元中不得不也要被分解的另外的有害物质。由于有机化合物的氧化反应由复杂的反应机理控制，所以经常只有通过一系列的若干氧化步骤才能实现有害物质的氧化以形成CO2。有机化合物的极性在整个反应过程中增加，以形成最终产物CO2。有害物质混合物的复杂性导致所述成分为了催化剂单元中的吸附位置而竞争。但是，这意味着单一吸附材料不再足以吸附有害物质的复杂混合物中的所有化合物。例如，作为无极性吸附剂的活性碳也优选吸附无极性有害物质。
因此，根据另一个优选实施例，提供一种由不同极性的催化剂组成的催化剂单元。从而，如果从反应站提供的废气中的有害物质具有不同的极性，则可以额外提高分解率。
根据再一个实施例，提供一种由反应站和随后的催化剂单元组成的多个单元，所述多个单元设置为一个在另一个之后。由于提供了多个催化剂单元，每一个催化剂单元之后具有反应站，因此，在未净化气体被有害物质以不均匀的方式污染的情况下，可以相对于有害物质的平均浓度来优化废气净化系统的结构。如果仅有一个催化剂单元，则该系统必须相对于有害物质浓度出现的最大值来进行构造，因此该系统的尺寸增加，进而其成本增加。但是，在上釉术工艺的情况下，例如在制造工艺中废气被有害物质以不均匀方式污染。由于使用了包括随后的反应站的插入的催化剂单元，因此有害物质的峰值被平整，从而将不能“突围”。如果有害物质浓度峰值影响催化剂单元，则有害物质在催化剂表面上被吸附和反应，或缓慢地再次以气相排出，因此可能通过另一个随后的反应站而分解。由此，整个系统的分解率可以进一步得到提高，并且即使在浓度上有明显变化的情况下也能够可靠地构造该系统。多个反应站和催化剂单元设置为一个在另一个之后，因此最终可形成更紧凑的系统，从而降低成本。
附图说明
下面将基于多个实施例并参考所附附图，对本发明进行更详细的描述，在附图中：
图1是根据本发明气体导管的剖视图和立体图；
图2是根据本发明包括多个并行气体导管的反应站的立体图；以及
图3是根据本发明包括反应站的废气净化系统的立体图。
具体实施方式
图1是根据本发明气体导管的剖视图和立体图。从平面A-B的截面可以看出，气体导管101的截面是正六边形。在气体导管101的中央设置有管状紫外线发射器102。被有害物质污染的废气从入口103进入，并从出口104再放出。为了在气体导管101内获得催化效应，因此在内壁105上涂布宽带半导体材料，例如二氧化钛或掺杂二氧化钛。
图2是根据本发明包括多个并行气体导管的反应站的立体图。单个气体导管101与图1中示出的气体导管相对应且以蜂窝状结构并行设置。在每个气体导管101中以对应的方式设置相应的管状紫外线发射器。互相连接的所述气体导管101由金属壳围绕，从而形成反应站201。在气体入口203和气体出口204上设置有相应的接触轨202，所述接触轨202一方面起到用于电馈送到紫外线发射器的电缆导管的作用，另一方面机械地将紫外线发射器保持在气体导管101中。在侧面设置有对应的串行连接单元205，其用于电激活紫外线发射器。在反应站201的下端设置有滑轨206和207，因此整个系统中的反应站201可以为了维修目的在对应的滚轮上被引入或拆下。
如果气体导管的内壁涂布有催化材料，则可进一步改善分解率。由于反应站是包括多个气体导管的蜂窝状结构，因此可以在直接接近紫外线辐射处，提供较大的催化剂表面同时压力损失很小。对催化剂表面的直接照射可以使宽带半导体材料有效地进行光催化作用。已证实二氧化钛尤其适于作为催化材料。由于以紫外线光照射二氧化钛，而紫外线光的能量大于或等于半导体的化合价与导带之间的能量差，因此在半导体材料中首先产生电子-空穴对。然后形成能够有效促使有害物质进行氧化过程的O2 -组分。该过程使用波长在340nm到420nm范围内的紫外线发射器来引发。
然后气体分子被吸附在由光照射形成的电子-空穴对所产生的电荷上。然后共同吸附的(co-absorbed)分子将被激发并形成跃迁态，由此这些分子反应而形成最终产物，同时形成中间产物。无害的反应产物解吸并发散到环境中。
因此，可将光催化反应分为四个步骤：
1.产生电荷对
2.将气体吸附在所产生的电荷上
3.邻近的吸附活性分子之间发生反应
4.产物解吸
通过多相光催化作用，例如可以在室温下，以高效率将通过光氧化作用难以被氧化的化合物例如氨、甲醛或低级醇与大气中的氧燃烧，以形成氮、CO2和水。已在一般条件下描述的该反应进程为下面的情形：
废气直接进入设置有由紫外线光激发的二氧化钛的反应管中。光半导体的照射导致电子/空穴对产生。然后气体分子吸附在所产生的电荷上，其中在吸附过程期间的能量增加决定了哪些分子优先与电子相互作用，哪些分子优先与空穴相互作用。在反应配对物(reaction partner)为氨和氧的情况下，由于它们各自的分子特性，因此氨与空穴反应，而氧与电子反应。然后共同吸附的分子被激发并形成跃迁态，由此这些分子反应以形成最终产物，同时形成中间产物。无害的反应产物氮和水解吸并发散到环境中。
图3是根据本发明包括反应站306和307的废气净化系统301的立体图。在所有情况下，反应站306和307都与图2中示出的反应站201相对应。含有有害物质的废气经由供应管302提供到废气净化系统301。在根据图3的图示中，可以任意地提供结构相同并设置为一上一下的两个系统303和304，以提高被净化气体的质量。为了简明起见，下面仅描述系统304，该系统304的单个元件可通过一部分被切掉的附图而更详细地示出。
因此，首先将分配站(distributor stage)305连接到供应管302，该分配站305均匀分配到达的气体，并随意过滤相对较大的有害物质粒子。根据本发明，来自分配站305的运送气体进入反应站306和307。结构相同的两个反应站306和307设置为一个在前一个在后，以提高分解率。当然，废气净化系统301也可以构造为仅有一个反应站306。催化剂单元308连接到两个反应站306和307，该催化剂单元308例如以上述方式可由灌装的多孔活性碳材料组成，该多孔活性碳材料具有可作为反应面的接近1,200m2/g的内表面面积。
从催化剂单元308放出的气体进入风扇单元309，这样可以确保在供应管302与排出管310之间保持合适的压力差。
尽管依据本发明废气净化系统301与EP 0778070B1的区别在于具有如图2所示的一个或多个反应站306、307，但是原则上，废气净化系统301使用根据EP 0778070B1的方法运行。由此，被有害物质污染的废气可穿过供应管302，再经由分配站304而进入反应站306、307，在所述反应站中短波紫外线光引发化学反应。有气味的物质和有害物质分子被分解，同时有害物质基和臭氧生成为氧化剂。有害物质的氧化产生环境可接受的产物CO2和H2O。难以氧化的化合物和过量的臭氧在随后的催化剂单元308中被分解。净化的无气味的气体经由风扇单元309和排出管310发放到环境中。
为了对不均匀的有害物质污染物进行有效处理，因此可以以上述方式在位置311处插入另一个催化剂单元。所述另一个插入的催化剂单元能够将即使只是暂时出现的高浓度有害物质进行分解。

Claims (23)

1.一种废气管的反应站，所述反应站具有气体导管，在所述气体导管中，管状紫外线发射器纵向地设置在所述废气的流动方向上，其特征在于，根据所述气体导管，多个气体导管以蜂窝状结构一个挨着一个地设置，其中每个气体导管的截面构造为具有至少五个边的正多边形。
2.如权利要求1所述的反应站，其特征在于，所述气体导管的截面构造为相应的正六边形。
3.如权利要求1所述的反应站，其特征在于，所述气体导管的截面构造为相应的圆形。
4.如权利要求1所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器通过侧面连接的接触轨保持在所述气体导管中。
5.如权利要求1到4中任一项所述的反应站，其特征在于，所述紫外线发射器所发出的辐射在废气流过时导致在废气中产生活性反应物。
6.如权利要求5所述的反应站，其特征在于，所述的活性反应物是臭氧活性反应物。
7.如权利要求6所述的反应站，其特征在于，所述的活性反应物附加有含氧基的活性反应物。
8.如权利要求5所述的反应站，其特征在于，所述的活性反应物是含氧基的活性反应物。
9.如权利要求5所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器发出的辐射波长在185nm范围内。
10.如权利要求1所述的反应站，其特征在于，所述紫外线发射器发出的辐射导致所述废气中含有的碳氢化合物被激发到更高能级。
11.如权利要求10所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器发出的辐射波长在254nm范围内。
12.如权利要求1所述的反应站，其特征在于，所述气体导管的内壁涂布有作为催化材料的宽带半导体材料。
13.如权利要求12所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器发出的辐射波长大于254nm，并且所述相应的紫外线发射器发出的辐射能量大于或等于所述半导体材料的化合价与导带之间的能量差。
14.如权利要求13所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器发出的辐射波长在所述半导体材料的吸收边范围内。
15.如权利要求14所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器所发出的辐射波长在340nm到500nm范围内。
16.如权利要求14所述的反应站，其特征在于，所述相应的紫外线发射器所发出的辐射波长在350nm到420nm范围内。
17.如权利要求12所述的反应站，其特征在于，所述半导体材料由二氧化钛或掺杂二氧化钛组成。
18.如权利要求12所述的反应站，其特征在于，所述半导体材料由氧化锌、硫化镉、二氧化锆、三氧化钨、二氧化铈、三氧化锶钛或氧化锆钛组成。
19.一种用于将废气管中含有有害物质的废气净化的装置，其包括如权利要求1到18中任一项所述的反应站，且包括在所述反应站之后的催化剂单元。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述催化剂单元由活性碳催化剂组成。
21.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述催化剂单元基于氧化还原系统。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述氧化还原系统由高锰酸钾/二氧化锰成分构成。
23.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述催化剂单元由不同极性的催化剂组成。
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