CN105749745B - 一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，包括净化通道，所述净化通道的两端分别设有废气进口和废气出口，还包括：电热管，安装在净化通道内且沿净化通道长度方向延伸，所述电热管的表面负载有催化剂；螺旋电晕放电线，安装在净化通道内，围绕在电热管外周且沿电热管长度方向螺旋延伸；高压高频电源，加载在螺旋电晕放电线上使其电晕放电在净化通道内产生高能电子与离子等离子体；本发明的装置和方法充分结合高压电晕放电降解VOCs的普适性以及催化剂和高温热力降解VOCs的效率高等优点，实现在较低电热管表面温度下降解VOCs，达到高效节能、避免二次污染物产生的目的，投资与处理成本低，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，特别涉及一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置与方法。
背景技术
涂装行业的喷漆有机废气主要包括脂肪族和芳香族的各种烷烃、烯烃、含氧烃和卤代烃等，如苯、甲苯、二甲苯、甲醛和乙酸乙酯等。这些VOCs一般具有较强的刺激性和毒性，部分具有致畸、致癌、致突变作用，对人体健康具有重大影响。此外，VOCs作为大气关键污染物O3和PM2.5的重要前体物，易造成臭氧污染和细粒子污染，严重影响环境空气质量。2010年5月发布的《环境保护部门关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见的通知》(国办发[2010]33号)首次从国家层面提出了开展VOCs污染防治。故VOCs的减排与治理对于建设“生态文明”和“美丽中国”具有重要意义。
VOCs排放来源非常广泛，其中，工业源排放的VOCs对人体健康与生态环境的影响最为显著。据行业内的推算，2011年全国总的工业VOCs排放量应该在2000万t以上，达到甚至超过了全国NOx的排放水平，而且随着国民经济的发展呈现出不断增长的趋势。作为工业源之一的涂装行业，其产生的喷漆废气VOCs不容忽视。喷漆废气的主要VOCs组分为甲苯、二甲苯、乙苯等芳香烃类物质，三者之和占总VOCs的质量分数为79％～99％。
针对VOCs的性质以及浓度分布的不同，目前广泛应用于VOCs治理的措施基本分为两大类：一类是以改进工艺技术、更换设备、防止泄漏乃至杜绝VOCs排放为主的预防性措施；另一类是以末端治理为主的控制性技术。
其中末端处理技术又具体分为两种：一种是通过物理方法回收VOCs，即回收法；另一种是通过生化方法将VOCs氧化分解为无毒或是低毒产物的破坏性方法，即消除法。
回收法主要有吸附法、冷凝法、吸收法及膜分离法。吸附法是利用某些具有吸附能力吸附质诸如活性炭、分子筛等吸附有机污染物而达到污染控制的目的。该方法去除率高，无二次污染，净化效率高，操作方便，且能实现自动控制；不足之处是由于吸附容量受限，不适于处理高浓度有机气体，当废气中有胶粒物质或其它杂质时，吸附剂易失效，同时吸附剂需要再生。
冷凝法的原理是利用气态污染物不同的蒸气压，通过调节温度和压力使目标污染物过饱和而发生凝结作用，从而实现净化和回收。该法需要较高的压力和较低的温度才能保证较高的回收效率，因此，运行费用高，适用于高沸点和高浓度VOCs的回收。
吸收法是以液体溶剂作为吸收剂，使废气中的有害成分被液体吸收，从而达到净化的目的。吸收法治理气态污染物技术成熟，设计及操作经验丰富，适用性强，而且能将污染物转化为有用的产品；不足在于吸收剂后处理投资大，对有机成分选择性大，易出现二次污染。膜分离法的原理是利用VOCs废气各组分在压力推动下通过选择性膜的不同速率，使目标污染物得到分离。
膜分离法的优点是对不同挥发性有机物的普适性好，几乎适用于各种VOCs，故吸附法、冷凝法等难处理的低沸点VOCs都可用膜分离法处理，并且回收效率高(可达90％)无二次污染等；缺点是对设备的要求高，一些分离膜等材料非常昂贵，成本较高。消除法主要包含燃烧法、生物法、光催化法、低温等离子体法。燃烧法是利用VOCs容易燃烧这一性质，VOCs经过充分燃烧后，最终产物为二氧化碳和水，从而达到污染物消除的目的。
光催化法能将VOCs较为彻底脱除，副产物少，但存在着催化剂易失活、催化剂难以固定或催化剂固定后活性低的缺点。低温等离子体法又称非平衡等离子体法，是在外加电场的作用下，通过介质放电产生大量的高能粒子，高能粒子与有机污染物分子发生一系列复杂的等离子体物理—化学反应，从而将有机污染物降解为无毒无害物质。低温等离子体法具有工艺简单、适用性强、易于操作、能耗低等优点，但其存在脱除效率和能量利用率不高的缺点。
综上所述，使用单一的VOCs控制技术难以达到高效率与低成本运行。为此，开发新型高效的喷漆废气VOCs协同控制方法已成为当下的研究热点与难点。
发明内容
本发明提供了一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，在电晕放电的基础上，采用电热管作为热电极并负载催化剂，使电晕放电、催化、热解联合降解喷漆有机废气，降解效果好、效率高。
一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，包括净化通道，所述净化通道的两端分别设有废气进口和废气出口，还包括：
电热管，安装在净化通道内且沿净化通道长度方向延伸，所述电热管的表面负载有催化剂；
螺旋电晕放电线，安装在净化通道内，围绕在电热管外周且沿其长度方向螺旋延伸；
高压高频电源，加载在螺旋电晕放电线上使其电晕放电在净化通道内产生高能电子与离子等离子体，以及高压静电场。
本发明是在电晕放电的基础上，采用电热管作为热电极并负载催化剂，常见的，为了方便加热，所述电热管采用电热管电极。本发明使电晕放电、催化、热解联合降解喷漆有机废气，以下简称VOCs(喷漆有机废气)，本装置降解机理主要涉及三方面。一是高压电源加载在螺旋电晕放电线上电晕放电产生的低温等离子体中的高能电子降解VOCs；一方面，高能电子直接与VOCs发生碰撞，使其激发、离解、电离，最终生成无害的CO2和H2O；另一方面，背景气体(随废气一起进入的空气)中的O2、N2、H2O等分子可被高能电子激励，从而产生诸如O、OH、O3等具有强氧化能力的自由基或活性粒子，它们破坏VOCs分子中的各种化学键，最终生成无害的CO2和H2O。二是负载在电热管表面的催化剂因其对VOCs的高效催化活性，可使降解VOC s的反应温度大幅降低，降低降解过程能耗；在直接催化降解VOC s的同时，又可使电晕放电产生的中间产物进一步降解为CO2和H2O，显著提高了VOCs的降解效率。三是电场聚焦热力裂解作用，由于高压电场的电力聚焦作用结合使用电热管，不仅为催化剂提供一定的温度，以提高催化剂的活性，而且电热管为整个反应器提供高热能，为反应器注入更多的能量，使通过电场聚焦至电热管表面的VOCs分子进一步被高温热力降解，从而提高VOCs的降解效率。本发明装置采用负载复合催化剂的电热管，利用热电晕放电与催化协同降解喷漆废气VOCs，它充分利用高压电晕放电降解VOCs的普适性、催化剂和高温热力降解VOCs的效率高等优点，从而实现高效节能、避免二次污染物产生的目的，其投资与处理成本低，操作简单方便，具有广阔的应用前景。
为了增加催化剂的附着面积，优选的，所述电热管采用翅片式电热管，包括沿净化通道长度方向延伸的主体圆管以及固定在该主体圆管表面的环形翅片。采用翅片式电热管可大幅度地增加电热管的表面积，有利于更多负载催化剂和增加热催化传递反应面积，提高催化热解反应速度，达到提高降解效果。
进一步优选的，所述环形翅片垂直主体圆管中心轴，所述环形翅片的外径比内径大5～10mm，所述环形翅片的厚度1～2mm，所述环形翅片沿所述主体圆管的轴线方向每隔4～5mm布置一片。
优选的，所述螺旋电晕放电线的截面为星型或三角型。采用星型或三角型的螺旋电晕放电线，可增加其单位长度的放电电流密度，从而提高放电等离子体的产生强度，将产生更多的等离子体活性物质，有利于提高降解效果。
为了提高催化效果，优选的，所述催化剂采用复合金属氧化物。
进一步优选的，所述催化剂采用对苯系物具有较大活性的Ti-Cu-Mn系列催化剂，Ti-Cu-Mn的摩尔比为1:1:1～2:2:1。采用浸渍烧结方法将活性组分固定在主体圆管的表面与环形翅片表面上，催化剂负载厚度约0.5～1.5mm。
为了方便制造和使用，优选的，所述净化通道为一圆筒的内腔，所述圆筒包括筒体以及密封筒体的两端盖，所述电热管的两端固定在对应侧的端盖上，所述端盖上设有连接电热管控温器的接线柱，所述圆筒的内径为500～1500mm。为了不干扰降解反应，筒体由绝缘材质制成，端盖由聚四氟乙烯材料制成，接线柱采用不锈钢材料，但不仅限于上述材料。所述螺旋电晕放电线与圆筒同轴布置，电热管位于圆筒的中心轴线上，上述布置的反应效果最好。
为了使废气可以进行充分降解，优选的，所述螺旋电晕放电线的外径比反应圆筒体的内径少20～25mm，线圈的螺距为15～20mm。所述的螺旋电晕放电线可以采用金属铜导线制作成的螺旋线，螺旋线的截面可以为星型、三角型。
为了保证电晕放电的效果，优选的，所述高压高频电源的额定输出电压至少为120kV，频率为15～40kHz。高压高频电源可以采用市售高压高频电源或自制高压高频电源，
本发明还提供了一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的方法，使用上述的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，包括以下步骤：
(1)将喷漆有机废气自废气进口通入净化通道；
(2)所述高压高频电源加载在螺旋电晕放电线上使其电晕放电在净化通道内产生高能电子和离子等离子体，喷漆有机废气与高能电子和离子等离子体发生碰撞，使喷漆有机废气电离、解离和激发；
(3)电热管控温器控制电热管的表面升温至150～350℃，在螺旋电晕放电线放电产生的强电晕电场作用下，带有荷电的分子与未完全降解产物向电热管表面迁移聚集，在催化剂与高温热力的共同作用下荷电的分子与未完全降解产物进行进一步的催化氧化及热力裂解；
(4)降解后的气体从废气出口排出。
为了使喷漆有机废气被充分降解，同时保证降解效率，优选的，喷漆有机废气自废气进口进入，从废气进口排出，在净化通道内的时间为5～6s。筒体直径由处理VOCs的气量和放电电压所决定，VOCs的放电电压在38kV/cm。
为了兼顾能耗和处理效果，优选的，步骤(3)中，电热管控温器控制电热管的表面升温至150～350℃。
本发明的有益效果：
本发明的装置和方法采用负载复合催化剂的电热管作为热电极，利用热电晕放电与催化协同降解喷漆废气，充分结合高压电晕放电降解VOCs的普适性以及催化剂和高温热力降解VOCs的效率高等优点，从而实现在较低电热管表面温度下降解VOCs，达到高效节能、避免二次污染物产生的目的，其投资与处理成本低，操作简单方便，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图。
图2为实施例1的螺旋电晕放电线的一种断面结构示意图。
图3为实施例2的螺旋电晕放电线的另一种断面结构示意图。
图4为本发明的电热管电极的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置包括反应圆筒体1、高压高频电源2、温度控制系统3、螺旋电晕放电线4、负载催化剂的电热管电极5组成。反应圆筒体1内腔为净化通道。负载催化剂的电热管电极5布置在反应圆筒体1的中心轴上。
本实施例中，反应圆筒体1内直径为700mm，高度为7.5m，材质为内衬聚5mm四氟乙烯的绝缘材质的碳钢制成，上下盖由聚四氟乙烯材料制成。
如图4所示，电热管电极5包括主体圆管51以及固定在主体圆管51表面的环形翅片52，环形翅片52的内径为10mm，外径为18mm，厚度为1.5mm；电热管电极5的最大功率8KW，电热管控温300℃，其表面负载Ti-Cu-Mn(摩尔比为1:1:1)等复合金属氧化物催化剂，催化剂负载厚度约1mm。
螺旋电晕放电线4为直径为5mm的铜丝扎制截面为三角型的铜线按尺寸要求经自制绕组而成，铜线截面结构如图2所示。高压高频电源的额定输出电压为120kV，频率20kHz。
使用本实施例的装置进行VOCs处理的方法包括以下步骤：
首先将待处理的喷漆有机废气引入反应圆筒体内，电热管电极5控温300℃，加载高压高频电压100kV；此时，一方面，VOCs分子与螺旋电晕放电线4负电晕放电产生的高能电子与离子等离子体发生碰撞，使其电离、解离激发，使部分VOCs降解；另一方面，在反应圆筒体1内的强电磁场的作用下，使荷电的VOCs及其它分子向反应圆筒体1中心的电热管电极5的表面迁移聚焦，在电热管5表面催化与高温热力裂解作用下，VOCs分子进一步发生热氧化降解，燃烧生成CO2和H2O，喷漆有机废气在净化通道内的时间为5～6s，从而达到VOCs废气净化目的。
某家具制造公司对家具进行喷漆加工作业，采用油性油漆，使用上述方法针对该公司排出的VOCs废气进行处理，经检测，该公司喷漆废气量约1900-2000m3/h，总VOCs浓度约为2500mg/m3，经本实施例的装置和方法处理VOCs后进行检测，VOCs脱除效率达到99.4％，系统运行可靠，使用方便，脱除效果好，运行费用较低。
实施例2
本实施例中的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置的结构与实施例1相同，规格尺寸有所不同。
本实施例中，反应圆筒体1内直径为1200mm，高度为8.5m，材质为内衬聚6mm四氟乙烯的绝缘材质的碳钢制成，上下盖由聚四氟乙烯材料制成，电热管电极5结构相同，最大功率12KW，电热管控温200℃，其表面负载Ti-Cu-Mn(摩尔比为2:2:1)，催化剂负载厚度约1mm。螺旋电晕放电线4为直径为6mm的铜丝扎制截面为星型的铜线按尺寸要求经自制绕组而成，截面如图3所示。高压高频电源的额定输出电压为120kV，频率25kHz。
使用本实施例的装置进行VOCs处理的方法包括以下步骤：
首先将待处理喷漆有机废气引入反应圆筒体内，电热管电极5控温200℃，加载110kV、一方面，VOCs分子与负电晕放电产生的高能电子与离子等离子体发生碰撞，使其电离、解离激发，使部分VOCs降解；另一方面，在反应圆筒体1内强电磁场的作用下，使荷电的VOCs及其它分子向反应圆筒体1中心的电热管电极5的表面迁移聚焦，在电热管5表面催化与高温热力裂解作用下，VOCs分子进一步发生热氧化降解，燃烧生成CO2和H2O，从而达到VOCs废气净化目的。
某反光材料生产公司，在涂布生产工艺中采用大量有机溶剂，产生的VOCs废气经收集后原来经燃烧处理排放至大气，但燃烧需要添加大量天然气助燃，系统存在着操作复杂，使用不方便，运行成本很高等问题，污染环境严重。使用本实施例的方法针对该公司排出的VOCs废气进行处理后进行检测，VOCs脱除效率达到99.2％，系统运行方便可靠，脱除效果好，运行费用大幅降低。
Claims (5)
1.一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，包括净化通道，所述净化通道的两端分别设有废气进口和废气出口，其特征在于，还包括：
电热管，安装在净化通道内且沿净化通道长度方向延伸，所述电热管的表面负载有催化剂；
螺旋电晕放电线，安装在净化通道内，围绕在电热管外周且沿其长度方向螺旋延伸；
高压高频电源，加载在螺旋电晕放电线上使其电晕放电在净化通道内产生高能电子与离子等离子体，以及高压静电场；
所述电热管采用翅片式电热管，包括沿净化通道长度方向延伸的主体圆管以及固定在该主体圆管表面的环形翅片；
所述环形翅片垂直主体圆管中心轴，所述环形翅片的外径比内径大5～10mm，所述环形翅片的厚度为1～2mm，所述环形翅片沿所述主体圆管的轴线方向每隔4～5mm布置一片，催化剂的活性组分固定在主体圆管的表面与环形翅片表面；
所述螺旋电晕放电线的截面为星型或三角型；
所述催化剂采用复合金属氧化物；
所述催化剂采用对苯系物具有较大活性的Ti-Cu-Mn系列催化剂，Ti-Cu-Mn的摩尔比为1:1:1～2:2:1。
2.如权利要求1所述的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，其特征在于，所述净化通道为一圆筒的内腔，所述圆筒包括筒体以及密封筒体的两端盖，所述电热管的两端固定在对应侧的端盖上，所述端盖上设有连接电热管控温器的接线柱，所述圆筒的内径为500～1500mm。
3.如权利要求1所述的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，其特征在于，所述螺旋电晕放电线的最外径比反应圆筒体的内径少20～25mm，线圈的螺距为15～20mm。
4.一种热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的方法，其特征在于，使用如权利要求1～3任一权利要求所述的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的装置，包括以下步骤：
(1)将喷漆有机废气自废气进口通入净化通道；
(2)所述高压高频电源器加载在螺旋电晕放电线上使其电晕放电在净化通道内产生高能电子和离子等离子体，喷漆有机废气与高能电子和离子等离子体发生碰撞，使喷漆有机废气电离、解离和激发；
(3)电热管控温器控制电热管的表面升温至150～350℃，在螺旋电晕放电线放电产生的强电晕电场作用下，带有荷电的分子与未完全降解产物向电热管表面迁移聚集，在催化剂与高温热力的共同作用下荷电的分子与未完全降解产物进行进一步的催化氧化及热力裂解；
(4)降解后的气体从废气出口排出。
5.如权利要求4所述的热电晕放电聚焦催化降解喷漆有机废气的方法，其特征在于，喷漆有机废气自废气进口进入，从废气进口排出，在净化通道内的时间为5～6s。
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