CN101785961A - 一种用于废气处理的螺旋形光反应器及废气处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于废气处理的螺旋形光反应器，主要包括箱体，设置于箱体中的光反应管和紫外灯，其特征在于：所述的箱体为光密闭且闭封的箱体，所述光反应管为螺旋状石英玻璃管，所述的螺旋状石英玻璃管设在所述的箱体内部，并沿箱体轴向呈螺旋形布置、所述的螺旋状石英玻璃管一端连接可与废气连通的进气口，另一端连接可与尾气吸收装置连通的出气口，所述的进气口和出气口设置在箱体上，所述紫外灯设置在所述的螺旋状石英玻璃管的轴心位置，所述的水浴控温夹套与箱体连成一体。本发明所述的螺旋形光反应器及其工艺光能利用率高，能有效处理烯烃类、氯苯类、含氯烃类等难生物降解的有机废气。反应器结构参数经计算放大后，能有效地应用于实际工业废气的治理。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种用于废气处理的螺旋形光反应器，以及利用该反应器进行废气处理的工艺。
(二)背景技术
常用的去除挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)方法主要有吸附法、吸收法、燃烧法、冷凝法、膜分离法等。废气生物处理技术因具有传统方法不可比拟的处理费用低、二次污染小等特点，正在成为一项在废气污染控制领域迅速推广的技术，尤其是在较低浓度、较大气量的易生物降解有机废气和恶臭气体治理中。然而，对于那些疏水性难生物降解气态污染物(烃类、含氯烃类等)，由于其固有的物性，采用生物法难以获得较为理想的去除效果，是当前迫切需要解决的问题之一。
以紫外(Ultraviolet，UV)降解为代表的高级氧化技术正日益在这类难溶于水难生物降解VOCs废气治理中得到重视。根据作用方式的不同可把光解分为直接光解和间接光解，间接光解又可分为光激发氧化、光敏化氧化和光催化氧化。其中，光催化氧化和光敏化氧化去除有机污染物的效率较高，但需要加入一定数量的催化剂或敏化剂，这类物质很容易失活，从而影响了这种方法的应用。无需催化剂的UV直接光解在水处理中已得到一定的应用，但该法对气态VOCs的处理应更具优势：在气相反应体系中，空气介质对紫外线的吸收较低同时不存在(重)碳酸盐的干扰，因此有机物对UV光能的吸收作用更强，自由基产率也更高。空气中的O2和H2O可在UV照射下转化为强氧化性的O3和HO·，形成UV/O3/HO·光激发氧化体系，这将有利于扩大单一光氧化去除有机物的范围，提高其效率。然而，直接光解的去除效率还是无法和光催化氧化/光敏氧化相匹敌。因此，如何提高直接光解对有机废气的去除效率是当前面临的技术难题之一。
近10年国内外公开发表文献资料检索显示，光反应器构造绝大部分是直筒型，光源放置在中央或是一侧，引起废气光解不充分，存在许多反应“死区”，去除效率无法提高。由于直接光解的特殊性，反应器设计需要考虑反应物吸收光的效率以及反应物的行走轨迹等多种因素。螺旋形紫外光反应器的结构目前还尚未应用于废气的处理设备中。
(三)发明内容
为解决现有光反应器的不足，本发明提供一种紫外光利用效率高、光解充分的螺旋形光反应器及其废气处理工艺。
本发明采用的技术方案是：
一种用于废气处理的螺旋形光反应器，主要包括箱体，设置于箱体中的光反应管和紫外灯，其特征在于：所述的箱体为光密闭且闭封的箱体，所述光反应管为螺旋状石英玻璃管(波长为254nm以下的紫外线可以透过石英玻璃，而一般普通玻璃会阻隔此范围内的紫外线)，所述光反应管由石英玻璃烧制而成，结构紧密、单个螺旋之间没有间隙，所述的螺旋状石英玻璃管设在所述的箱体内部，并沿箱体轴向呈螺旋形布置，所述的螺旋状石英玻璃管一端连接可与废气连通的进气口，另一端连接可与尾气吸收装置连通的出气口，所述的进气口和出气口都设置在箱体上，所述紫外灯设置在所述的螺旋状石英玻璃管的轴心位置，所述的箱体外围设有控温夹套。所述气体流量可由玻璃转子流量计和质量流量计控制；废气在光反应器内按螺旋式的形式行进，能充分吸收紫外光，提高对紫外光的利用率，而且不存在反应“死区”。
所述的控温夹套设有进口和出口，所述的进口和出口连接循环水浴装置。
所述尾气吸收装置由3个串联的吸收瓶组成，所述吸收瓶内按尾气流动方向依次分别装入pH7.2的磷酸缓冲液、变色硅胶、活性炭颗粒。变色硅胶(也称蓝胶)是以具有高活性吸附材料细孔硅胶为基础原料经过深加工制成的具有高附加值和较高技术含量的指示型吸附剂，属于高档次的吸附干燥剂。
所述光反应器还可包括与进气口相连的湿度调节装置，所述湿度调节装置由2个并联的装有去离子水的增湿瓶和装有变色硅胶的干燥瓶组成，由气阀控制气路的开闭从而调节废气的湿度。当废气湿度过低时，打开增湿瓶的阀门，增加废气湿度；当湿度过高时，打开干燥瓶的阀门，除去废气所含有的过多水分。废气的湿度影响光解去除率，设置增湿/除湿装置，能确保废气湿度达到合适的数值，避免紫外光解过程中产生的活性自由基相互干扰，从而影响光解效率。
本发明重点是一种螺旋形结构的光反应器，对不同废气具有通用性；对不同的紫外灯也通用。优选的，所述紫外灯为下列之一：①主波长为365nm，功率为18w或36w的紫外灯；②主波长为254nm，功率为18w或36w的紫外灯；③主波长为185nm，功率为18w或36w的高臭氧真空紫外灯。
所述光反应管管内径与管长度之比≥1∶375。
本发明中，所述光反应管管径为8mm，管长为3000mm，烧结成螺旋形直径为80mm，有效长度为300mm，有效反应体积为150cm3。此为用于实验的小试反应器，可以经过比例放大后用于实际工业应用。
一种利用所述的螺旋形光反应器进行废气紫外氧化处理的工艺，所述工艺包括：将废气由进气口通入螺旋形光反应器进行处理，气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度2％～85％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，处理后的废气经出气口排出。
当所述废气为含α-蒎烯0.3～6.0g/m3的气体污染物时，紫外灯为主波长185nm、功率为36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度35～45％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
当所述废气为含氯苯1.0g/m3的气体污染物时，紫外灯为主波长185nm、功率为36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.034m3/h，停留时间16s，湿度2～85％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
当所述废气为含二氯甲烷0.1～2g/m3的气体污染物时，紫外灯为主波长185nm、功率为18W或36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.006～0.03m3/h，停留时间18～90s，湿度35～45％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
本发明的有益效果主要体现在：本发明所述的螺旋形光反应器及其工艺光能利用率高，能有效处理烯烃类、氯苯类、含氯烃类等难生物降解的有机废气。反应器结构参数经计算放大后，能有效地应用于实际工业废气的治理。
(四)附图说明
图1为本发明所述螺旋形光反应器结构示意图；
图2为本发明所述紫外光反应器的废气处理工艺示意图；
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
本发明对不同废气具有通用性，实施例以三类有代表意义的污染物进行试验，分别是α-蒎烯(C≥10结构复杂环烃类物质)、二氯甲烷(含氯短链脂肪烃)、1-氯苯(含氯芳香烃)；详细考察了α-蒎烯在螺旋形光反应器中的光解特性。
所述螺旋形光反应器结构参见图1，主要包括螺旋状石英玻璃管1，整合水浴控温夹套的箱体2，位于箱体一侧的进气口3，位于另一侧的出气口4，紫外灯5，循环水进口6和另一侧的循环水出口7，所述螺旋状石英玻璃管管径为8mm，管长为3000mm，烧结成螺旋形直径为80mm，有效长度为300mm，有效反应体积为150cm3。具体紫外处理废气工艺参见图2，主要包括气源发生系统A(包括储气瓶、气体发生装置、气体湿度调节装置以及气体混合装置，所述湿度调节装置包括装有去离子水的增湿瓶、装有变色硅胶的干燥瓶)、紫外光解系统B和尾气吸收系统C。气源发生系统主要是产生不同浓度、不同湿度的废气，以满足紫外光解的要求；紫外光解系统是整个工艺流程的核心部分，紫外分解和氧化均在螺旋形反应器内进行；尾气吸收系统是吸收未处理的废气，避免直接排放污染空气；此外整个装置还配有在线分析系统，分析检测进出口废气的浓度、湿度和温度等。系统启动时，需要对紫外灯进行预热，大约为20分钟，使紫外灯达到稳定工作状态。系统未运行时，将空气通入螺旋形反应器，可去除遗留在反应器内其他污染物。
实施例1：
本发明的实施方案和工作原理为：含α-蒎烯0.3g/m3废气的紫外光解处理工艺，气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～7200s，湿度35～45％，灯源分别为主波长365nm和254nm的紫外灯(36w)或185nm的高臭氧真空紫外灯(36w)，循环水温度25℃。废气处理结果见表1。
表1：α-蒎烯废气处理结果
| 灯源主波长(nm) | 停留时间(s) | 进口浓度(g/m3) | 出口浓度(g/m3) | 去除率(％) |
| 185 | 68 | 0.3 | 0 | 100.00 |
| 灯源主波长(nm) | 停留时间(s) | 进口浓度(g/m3) | 出口浓度(g/m3) | 去除率(％) |
| 254 | 7200 | 0.3 | 0.162 | 46.00 |
| 365 | 7200 | 0.3 | 0.249 | 16.94 |
表1结果表明，采用主波长为254nm和365nm的紫外灯时，停留时间为7200s(即120min)时，去除率分别达到了46％和16.94％，可用于静态紫外光解工艺；采用波长为185nm的高臭氧紫外灯时，停留时间仅为68s去除率就达到了100％，可用于动态紫外光解工艺。
实施例2：
本发明的实施方案和工作原理为：含α-蒎烯0.3～6.0g/m3废气的紫外光解处理工艺，气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度35～45％，灯源为主波长185nm的高臭氧真空紫外灯(36w)，循环水温度25℃。废气处理结果见表2。
表2：α-蒎烯废气处理结果
| 进气浓度(g/m3) | 停留时间(s) | 出气浓度(g/m3) | 去除率(％) | 单位体积去除负荷(g/m3·h) |
| 0.3～6.0(3.15) | 45 | 0.03～4.92(1.944) | 18.03～90.15(38.272) | 21.6～108(97.2) |
| 0.3～6.0(3.15) | 4.5 | 0.24～5.94(3.10) | 0.99～20.12(1.381) | 28.8～61.2(39.6) |
| 1.1 | 4.5～90(45) | 0.14～1.04(0.26) | 5.32～87.12(83.75) | 46.8～86.4(68.4) |
| 6.0 | 4.5～90(45) | 3.90～5.94(4.91) | 0.99～35.07(18.03) | 46.8～158.4(86.4) |
表2结果表明，停留时间一定时，去除效果随着进气浓度的增大而下降；进气浓度一定时，去除效果随着停留时间的增加而增加。对于较高浓度的α-蒎烯废气(废气浓度高于1.5g/m3)，可以通过增加停留时间的方式来提高去除率。在本实施例中，当进气浓度为6.0g/m3时，停留时间延长至90s，去除率可以达到35.07％，但此时单位体积的去除负荷却下降到57.6g/m3·h。
实施例3：
本发明的实施方案和工作原理为：含氯苯1.0g/m3的气体污染物紫外光解处理工艺，气体流量0.034m3/h，停留时间16s，湿度分别为2％～3％、35％～45％和75％～85％，灯源为主波长185nm的高臭氧真空紫外灯(36w)，循环水温度25℃。废气处理结果见表3。
表3：氯苯废气处理结果
| 相对湿度(％) | 进气浓度(g/m3) | 停留时间(s) | 出气浓度(g/m3) | 去除率(％) | 单位体积去除负荷(g/m3·h) |
| 2～3 | 0.1～1.0(0.54) | 16 | 0.06～0.979(0.43) | 2.08～39.85(20.45) | 4.68～25.68(24.75) |
| 35～45 | 0.1～1.0(0.54) | 16 | 0.02～0.871(0.296) | 12.89～84.12(45.24) | 18.5～68.2(54.9) |
| 75～85 | 0.1～1.0 | 16 | 0.00～0.748 | 25.24～100 | 25.2～98.25 |
| (0.54) | (0.13) | (75.84) | (92.25) |
表3结果表明，湿度对氯苯类废气的去除效果影响较大。废气相对湿度较低时，紫外光解对于高浓度氯苯废气几乎没有去除效果。当废气相对湿度增大时，光解过程中反应器内会产生大量的羟基自由基等强氧化性基团，由于反应器呈螺旋形的构造，能够使氯苯分子和羟基自由基等基团充分接触，充分反应，因而去除率也相应的增加。
实施例4：
本发明的实施方案和工作原理为：含二氯甲烷0.1～2.0g/m3废气的紫外光解处理工艺，气体流量0.006～0.03m3/h，停留时间18～90s，湿度35～45％，灯源为主波长185nm的高臭氧真空紫外灯(18w)，循环水温度25℃。废气处理结果见表4。
表4：二氯甲烷废气处理结果
| 进气浓度(g/m3) | 停留时间(s) | 出气浓度(g/m3) | 去除率(％) | 单位体积去除负荷(g/m3·h) |
| 0.1～2.0(0.6) | 18 | 0.066～1.83(0.48) | 8.48～34.12(20.14) | 6.84～34.2(24.16) |
| 进气浓度(g/m3) | 停留时间(s) | 出气浓度(g/m3) | 去除率(％) | 单位体积去除负荷(g/m3·h) |
| 0.1～2.0(0.6) | 22.5 | 0.046～1.72(0.39) | 13.97～54.28(35.21) | 8.64～45(33.8) |
| 0.1～2.0(0.6) | 30 | 0.030～1.52(0.30) | 23.97～70.18(49.25) | 8.28～57.6(35.46) |
| 0.1～2.0(0.6) | 45 | 0.012～1.34(0.21) | 32.82～88.24(65.14) | 7.2～54(31.26) |
| 0.1～2.0(0.6) | 90 | 0～1.15(0.12) | 42.37～100(80.12) | 3.96～33.84(19.22) |
表4结果表明，二氯甲烷废气在螺旋形反应器内光解去除率随着停留时间的增加而增加。当停留时间为45s时，单位体积去除负荷达到最大值，此后去除负荷不在随着停留时间的增加而增加。同样，螺旋形的构造能够使二氯甲烷废气呈螺旋形推流前进，有利于紫外光解更加充分。
实施例5：
本发明的实施方案和工作原理为：含α-蒎烯0.75g/m3废气的紫外光解处理工艺，气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度35％～45％，灯源为主波长185nm的高臭氧真空紫外灯(36w)，循环水温度25℃。采用二种紫外光解反应器，一种为本发明所设计的螺旋形光反应器，另一种为传统的直筒圆柱形光反应器，两者灯源放均置于反应器中央，有效反应体积相同。反应器关键尺寸及废气处理结果见表5。
表5：反应器尺寸及废气处理结果
| 反应器构造 | 截面积(mm2) | 长度(mm) | 截长比 | 光能利用率(％) | 一级动力学常数(s-1) |
| 螺旋形1 | 50.24 | 3000 | 1/60 | 1002 | 0.023 |
| 直筒圆柱形 | 1020 | 150 | 6.8/1 | 66.7 | 0.015 |
注：1：螺旋形反应器的截面积和长度均为石英玻璃管的内径和长度；
2：假设螺旋形反应器的光能利用率为100％。
表5结果表明，螺旋形光反应器由于具有较小的截面积和较大的长度，废气能充分被紫外光解，与光解产生的活性自由基反应也较为充分，因而其光能利用率较高，约为传统圆柱形光反应器的1.5倍。
Claims (10)
1.一种用于废气处理的螺旋形光反应器，主要包括箱体，设置于箱体中的光反应管和紫外灯，其特征在于：所述的箱体为光密闭且闭封的箱体，所述光反应管为螺旋状石英玻璃管，所述的螺旋状石英玻璃管设在所述的箱体内部，并沿箱体轴向呈螺旋形布置、所述的螺旋状石英玻璃管一端连接可与废气连通的进气口，另一端连接可与尾气吸收装置连通的出气口，所述的进气口和出气口设置在箱体上，所述紫外灯设置在所述的螺旋状石英玻璃管的轴心位置，所述的箱体外围设有控温夹套。
2.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于：所述的控温夹套设有进口和出口，所述的进口和出口连接循环水浴装置。
3.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于所述尾气吸收装置由3个串联的吸收瓶组成，所述吸收瓶内按尾气流动方向依次分别装入pH7.2的磷酸缓冲液、变色硅胶、活性炭颗粒。
4.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于所述光反应器还包括与进气口相连的湿度调节装置，所述湿度调节装置由并联的装有去离子水的增湿瓶和装有硅胶的干燥瓶组成。
5.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于所述紫外灯为下列之一：①主波长为365nm，功率为18w或36w的紫外灯；②主波长为254nm，功率为18w或36w的紫外灯；③主波长为185nm，功率为18w或36w的高臭氧真空紫外灯。
6.如权利要求1所述的光反应器，其特征在于所述光反应管管内径与管长度之比≥1∶375。
7.一种利用权利要求1所述的螺旋形光反应器进行废气紫外氧化处理的工艺，所述工艺包括：将废气由进气口通入螺旋形光反应器进行处理，气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度2％～85％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，处理后的废气经出气口排出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述废气为含α-蒎烯0.3～6.0g/m3的气体污染物，紫外灯为主波长185nm、功率为36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.006～0.12m3/h，停留时间4.5～90s，湿度35～45％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
9.如权利要求7所述的废气紫外氧化工艺，其特征在于：所述废气为含氯苯1.0g/m3的气体污染物，紫外灯为主波长185nm、功率为36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.034m3/h，停留时间16s，湿度2～85％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
10.如权利要求7所述的废气紫外氧化工艺，其特征在于：所述废气为含二氯甲烷0.1～2g/m3的气体污染物，紫外灯为主波长185nm、功率为18W或36w的高臭氧真空紫外灯；在气体流量0.006～0.03m3/h，停留时间18～90s，湿度35～45％，控制箱体控温夹套内的温度23～27℃，将废气由进气口通入螺旋形光反应器，处理后的废气经出气口排出。
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