CN105771634B - 一种工业废气处理设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业废气处理设备，包含：依次通过管路连接的进气管道、空气压缩机、进气缓冲腔、光催化反应装置、排气缓冲腔及排气管道；光催化反应装置包含若干个反应釜，每一反应釜的进气端通过各自管路连接至进气缓冲腔的出气端，每一反应釜的出气端通过各自管路连接至排气缓冲腔的进气端；每一反应釜与进气缓冲腔连接的管路上设有一进气控制电磁阀，每一反应釜与排气缓冲腔连接的管路上设有一排气控制电磁阀。本发明还公开了一种控制方法。本发明在进行工业废气处理时时间可控，反应时间增加，传质效果强，提高其催化反应效率，同时，可针对不同的气体成分和流量，调控其反应时间，增大冗余度，在大流量、多变工况下都能保证反应效率。

Description

一种工业废气处理设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业废气净化处理装置，具体涉及一种工业废气处理设备及其控制方法，属于环境净化技术领域。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的飞速发展，对重工业、交通运输业的依赖性有增无减，由此展开的GDP与环保的博弈愈发激烈。在大气污染问题上，由于我国机动车、船舶、飞机等装有内燃机的交通工具以及一系列工业生产污染物的排放正在迅速增加，全国各地空气质量急剧恶化。

传统的废气治理方法，例如石灰石-石膏法脱硫，SCR脱硝等，需要使用大量反应剂，成本高，反应条件苛刻，存在二次污染，且只能针对某一种污染物有效。光催化技术作为一种新兴的绿色处理技术，在室温下即可降解多种工业气体污染物，且能耗低，无二次污染，自然成为清洁生产中的首选催化剂。

然而光催化反应的反应效率相对较低，光催化反应器作为反应的场所直接影响光催化反应的效率，光催化反应器的结构、形状、光源位置等对催化剂活性的发挥和光的利用至关重要。陈平等人发表在哈尔滨商业大学学报(自然科学版)上的非专利文献《TiO2光催化反应器的研究》，综述了前人所做的关于光催化反应器的研究，发现目前所用的气体光催化反应器大都存在处理时间短，效率低的问题，因此还局限于实验室研究阶段，最后指出了光催化反应器所面临的问题及其工业规模化应用的广阔前景。光催化反应器相关专利虽然有所创新，但依然存在一些问题，例如申请号为02144673.3的专利文献公开了一种用于处理有机废气的新型光催化反应器，其中，设计的光催化反应器，气体在筒形的催化剂床中蛇形流动，能处理一定流量的气体，但气体只在反应装置内流通一遍，只适用于小流量的废气处理，在废气流量大、流速快的情况下，催化效率不能保证；再如，申请号为201320121147.7的专利文献公开了一种恶臭工业有机废气治理的多功能集成式光催化反应器，同样是筒状的连续式反应装置，为增加处理效率，设置了多层不锈钢过滤网，试图通过增大压降，降低流速，但过滤网需经常更换维护，过大的压降损失带来了能量损耗和装置强度问题；还有申请号为201110032304.2的专利文献公开了一种多功能光催化反应装置，其中设计的反应装置带有检测回流系统，发现污染物脱除效果不达标时可以将处理完的气体回流再处理，直到满足要求，这种方法可以保证反应效率，但回流气体会影响新的气体进入，当废气排量较大时回流气体越积越多得不到充分处理。

在工业生产中，发动机、锅炉等机器设备工况改变的情况多发，此时废气流量及有害物质浓度也会随之发生较大变化，要保证废气处理效率，催化反应时间也必须随之变化。现有技术中的光催化反应器均存在气体处理流量受限、一旦出现污染废气的进气波动较大的情况，将无法保证有效的净化效率。因此有必要开发一种能够根据待处理废气种类和进气流量大小，可灵活设置、调节反应时间的光催化反应器，以确保废气净化效率的稳定、高效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业废气处理设备及其控制方法，工业废气处理时间可控，反应时间增加，传质效果强，提高其催化反应效率，同时，可针对不同的气体成分和流量，调控其反应时间，增大冗余度，在大流量、多变工况下都能保证反应效率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种工业废气处理设备，其特点是，包含：

依次通过管路连接的进气管道、空气压缩机、进气缓冲腔、光催化反应装置、排气缓冲腔及排气管道；

所述的光催化反应装置包含若干个反应釜，每一反应釜的进气端通过各自管路连接至进气缓冲腔的出气端，每一反应釜的出气端通过各自管路连接至排气缓冲腔的进气端；

所述的每一反应釜与进气缓冲腔连接的管路上设有一进气控制电磁阀，每一反应釜与排气缓冲腔连接的管路上设有一排气控制电磁阀；

所述的工业废气处理设备还包含设置进气管道进气口处的进口流量计及设置在排气管道排气口处的出口浓度检测器；

控制器，分别与空气压缩机、进气控制电磁阀、排气控制电磁阀、进口流量计及出口浓度检测器电连接。

所述的反应釜包含主腔体及设置在主腔体内部的光催化模块和分别设置在主腔体外部两端的前盖及后盖，所述的前盖上设有进气通孔与进气缓冲腔的出气端通过管路连接，所述的后盖上设有进气通孔与排气缓冲腔的进气端通过管路连接。

所述的光催化模块包含骨架，所述的骨架上支撑有第一扰流风扇、第二扰流风扇、第一紫外灯、第一光催化网、第二光催化网及若干个第二紫外灯，其中

第一扰流风扇、第一紫外灯及第二扰流风扇依次延骨架的轴向设置；

第一光催化网及第二光催化网分别套设在骨架上，且第一光催化网的内径小于第二光催化网的内径；

所述的若干个第二紫外灯分布在第一光催化网与第二光催化网围成的圆环面上。

所述的若干个第二紫外灯均分圆环所在的圆周。

所述的第二紫外灯的数量为6个。

一种工业废气处理设备的控制方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、工业废气处理设备工作在额定工况下，检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度；

S2、判断排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值是否处于运行预设范围内；

若是，则工业废气处理设备继续工作在额定工况下；

若否，则执行步骤S3；

S3、根据排气口处的排放气体的出口浓度，计算得到反应时间调整值，据此调整工业废气处理设备的工况；

S4、检测进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，并计算得到工业废气处理设备中空气压缩机的压缩比；

S5、根据计算得到的空气压缩机的压缩比，调整工业废气处理设备的工况，并根据预设控制规则对各反应釜的反应时间进行控制；

S6、继续检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，重复步骤S2～S5，以完成对待处理污染物的处理。

所述的步骤S2中，排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值的预设范围为：

其中，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度。

所述的步骤S3中，反应时间调整值的计算公式为：

其中，a表示反应时间调整值，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，b表示反应动力学常数。

所述的步骤S4中，空气压缩机的压缩比的计算公式为：

其中，n表示空气压缩机的压缩比，Q表示进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，t表示工业废气处理设备处理待处理污染物所需的反应时间，m表示工业废气处理设备中包含的反应釜的数量，V表示工业废气处理设备中单个反应釜的体积。

所述的预设控制规则为：

工业废气处理设备中包含m个反应釜，并对各反应釜进行编号，当第i个反应釜处于进气过程时，第i+1个反应釜开始排气过程；当i＝m时，第m+1个反应釜即第1个反应釜，其余m-2个反应釜处于密闭反应状态；第i个反应釜完成进气，开始密闭反应，同时第i+1个反应釜排气完成，开始进气过程，第i+2个反应釜开始排气过程；依次交替循环。

本发明一种工业废气处理设备及其控制方法与现有技术相比具有以下优点：本发明可以通过多个反应釜轮流地进排气来处理连续废气，能够处理大流量的工业废气，同时具有反应时间长，传质效果好，催化效率高，体积小的优点；本发明的控制方法通过进气流量和排气的气体浓度对反应进行的时间进行调节，针对不同污染物、工况等实际环境条件进行调控，判断准确，冗余度大，实用性强，保证多变工况下的处理效率。

附图说明

图1为本发明一种工业废气处理设备的整体结构示意图；

图2为反应釜的整体结构示意图；

图3为光催化模块的整体结构示意图；

图4为光催化模块的分解结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种工业废气处理设备，包含：依次通过管路连接的进气管道100、空气压缩机200、进气缓冲腔300、光催化反应装置、排气缓冲腔500及排气管道600，其中，空气压缩机200用于控制设备进气的速度，进气缓冲腔300及排气缓冲腔500分别用于防止进排气时压差过大造成爆振；所述的光催化反应装置包含若干个反应釜401，每一反应釜401的进气端通过各自管路连接至进气缓冲腔300的出气端，每一反应釜401的出气端通过各自管路连接至排气缓冲腔500的进气端；所述的每一反应釜401与进气缓冲腔连300接的管路上设有一进气控制电磁阀402，每一反应釜401与排气缓冲腔500连接的管路上设有一排气控制电磁阀403；所述的工业废气处理设备还包含设置进气管道进气口处的进口流量计700及设置在排气管道排气口处的出口浓度检测器800；控制器900，分别与空气压缩机200、进气控制电磁阀402、排气控制电磁阀403、进口流量计700及出口浓度检测器800电连接；控制器900通过控制空气压缩机200的压缩比和进气控制电磁阀402及排气控制电磁阀403开闭来控制反应过程，实现反应时间的可控，保证反应效率。

在本实施例中，如图2及图3所示，反应釜401是光催化反应进行的场所，外形为圆柱形，所述的反应釜401包含主腔体4011及设置在主腔体4011内部的光催化模块4012和分别设置在主腔体4011外部两端的前盖4013及后盖4014，所述的前盖4013上设有进气通孔40131与进气缓冲腔300的出气端通过管路连接，所述的后盖4014上设有进气通孔40141与排气缓冲腔500的进气端通过管路连接，反应釜401采用模块化的结构方便维护和更换。

在本实施例中，如图4所示，所述的光催化模块4012包含骨架40121，所述的骨架40121上支撑有第一扰流风扇40122、第二扰流风扇40123、第一紫外灯40124、第一光催化网40125、第二光催化网40126及若干个第二紫外灯40127，其中，第一扰流风扇40122、第一紫外灯40124及第二扰流风扇40123依次延骨架40121的轴向设置；第一光催化网40125及第二光催化网40126分别套设在骨架40121上，且第一光催化网40125的内径小于第二光催化网40126的内径；所述的若干个第二紫外灯40127分布在第一光催化网与第二光催化网围成的圆环面上。

在本实施例中，较佳地，所述的若干个第二紫外灯均分圆环所在的圆周；优选地，所述的第二紫外灯的数量为6个，每一第二紫外灯间隔60°设置，以保证各个角度的催化材料网均能被照射到。

具体地，在实际工业应用时，可根据工业废气处理设备的入口流量额定值Q_额，气体排放标准浓度c_标，来对反应釜的体积进行设计及选择合适压缩比的空气压缩机。

工程实际中，常出现非额定的工作状态，致使废气排放无法达标或功耗浪费，为此结合上述的一种工业废气处理设备，本发明还公开了一种控制方法，包含以下步骤：

S1、工业废气处理设备工作在额定工况下，检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度；

S2、判断排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值是否处于运行预设范围内；

若是，则工业废气处理设备继续工作在此工况下；

若否，则执行步骤S3；

S3、根据排气口处的排放气体的出口浓度，计算得到反应时间调整值，据此调整工业废气处理设备的工况；

S4、检测进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，并计算得到工业废气处理设备中空气压缩机的压缩比；

S5、根据计算得到的空气压缩机的压缩比，调整工业废气处理设备的工况，并根据预设控制规则对各反应釜的反应时间进行控制；

S6、继续检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，重复步骤S2～S5，以完成对待处理污染物的处理。

在本实施例中，所述的步骤S1中，工业废气处理设备工作在额定工况下，是指工业废气处理设备的入口流量处于额定值Q_额，排放的气体达到气体排放标准浓度c_标。

所述的步骤S2中，排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值的预设范围为：

其中，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度。

所述的步骤S3中，反应时间调整值的计算公式为：

其中，a表示反应时间调整值，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，b表示反应动力学常数。

所述的步骤S4中，空气压缩机的压缩比的计算公式为：

其中，n表示空气压缩机的压缩比，Q表示进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，t表示工业废气处理设备处理待处理污染物所需的反应时间，m表示工业废气处理设备中包含的反应釜的数量，V表示工业废气处理设备中单个反应釜的体积；由上式可知，可以通过反应釜数量m，单个反应釜体积V，以及空气压缩机压缩比n来控制反应时间，但实际设备的m和V在设计制造阶段已经确定，因此在运行过程中控制系统主要通过控制空气压缩机压缩比n来对反应时间进行调控。

本发明的工业废气处理设备，连接在发动机或工业废气管道后方，在空气压缩机的作用下，使各个反应釜轮流进气、反应和排气，从而实现对连续性气体的间歇性处理。反应釜进排气由进气控制电磁阀和排气控制电磁阀控制，所述的预设控制规则为：工业废气处理设备中包含m个反应釜，并对各反应釜进行编号，当第i个反应釜处于进气过程时，第i+1个反应釜开始排气过程；当i＝m时，第m+1个反应釜即第1个反应釜，其余m-2个反应釜处于密闭反应状态；第i个反应釜完成进气，开始密闭反应，同时第i+1个反应釜排气完成，开始进气过程，第i+2个反应釜开始排气过程；依次交替循环。

实施例一：处理柴油机尾气中的NO_x

本实施例为东风4135柴油机尾气减排，目标污染物为NO_x。经分析该柴油机在额定工况下的尾气排量约为500m³/h，污染物NO_x初始浓度550ppm，排放标准(《MARPOL73/78》附则VI)浓度200ppm，光催化脱除NO_x的反应动力学常数约为0.01445s^-1。选取工业废气处理设备的反应釜个数为4，单个反应釜体积1m³，压气机额定功率下压缩比为5。总密闭反应时间72s。处理流程图如图1所示。

本实施例共有4个反应釜，具体反应过程如下表所示，经过一个周期4t’完成一个循环。

空气压缩机在此处作用是增加进气压力，使反应釜内能储存更多的量气体。压缩机增压越大，进气量越多，反应时间越长，通过控制空气压缩机压比n可根据实际工况实现对反应时间t进行调控。

具体说明反应时间控制过程的步骤：

步骤1、工业废气处理设备工作在额定工况下，c_标＝200ppm，t_额＝72s，Q_额＝500m³/h，b＝0.01445Hz，检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度c；

步骤2、判断排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值是否处于运行预设范围内，

若是，则工业废气处理设备继续工作在此工况下；

若否，则执行步骤S3；

S3、根据排气口处的排放气体的出口浓度c，计算得到反应时间调整值据此调整工业废气处理设备的工况，令总反应时间t＝t_额+a；

S4、检测进气管道进气口处待处理污染物的入口流量Q，并计算得到工业废气处理设备中空气压缩机的压缩比

S5、根据计算得到的空气压缩机的压缩比，调整工业废气处理设备的工况，并根据预设控制规则对各反应釜的反应时间进行控制

S6、继续检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，重复步骤S2～S5，以完成对待处理污染物的处理。

实施例二：烟厂车间内空气中的挥发性有机物的处理

大多数光催化反应的污染物浓度较低，催化反应过程符合一级反应动力学

其中，c为当前反应物浓度，c₀为初始浓度，b为反应动力学系数，t为反应时间，只有当反应时间达到某个值tt标时，排放浓度才能满足排放要求c_标。假设反应时间为t₁时，检测到排放浓度为c₁。解方程组：

可得，

本实施例气源为某卷烟厂生产车间内空气，污染气体是在烟草烘制、加香过程中释放出来的挥发性有机物(TVOCs)，车间大小约800m²，设计处理风量2000m³/h，TVOCs初始浓度15ppm，排放标准(《室内空气质量标准》GB/T18883-2002)浓度0.6ppm。光催化处理甲醛效率很高，反应动力学常数约为0.3219s^-1，密闭反应15秒左右即可达标。选取单个反应釜体积1m³，压缩机压比n取4，可以算出额定工况下反应釜个数m≈4。具体装置结构和反应时间控制流程与实施例1类似，只需将相关参数替换。

实施例三：锅炉烟气脱硫

本实施例污染气体源为小型燃煤锅炉，污染气体是SO₂，气体排量4万m³/h，初始浓度900ppm，排放标准(《锅炉大气污染物排放标准》)为69.9ppm(200mg/Nm³)。根据实验测定其反应动力学常数为0.00852s^-1，密闭反应时间需要5min。选取单个反应釜体积20m³，压缩机压比取10，可以算出额定工况下反应釜个数m≈18。具体装置结构和控制流程与实施例一类似，只需将反应釜个数和控制系统相关参数替换。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种工业废气处理设备，其特征在于，包含：

依次通过管路连接的进气管道、空气压缩机、进气缓冲腔、光催化反应装置、排气缓冲腔及排气管道；

所述的光催化反应装置包含若干个反应釜，每一反应釜的进气端通过各自管路连接至进气缓冲腔的出气端，每一反应釜的出气端通过各自管路连接至排气缓冲腔的进气端；

所述的每一反应釜与进气缓冲腔连接的管路上设有一进气控制电磁阀，每一反应釜与排气缓冲腔连接的管路上设有一排气控制电磁阀；

所述的工业废气处理设备还包含设置进气管道进气口处的进口流量计及设置在排气管道排气口处的出口浓度检测器；

控制器，分别与空气压缩机、进气控制电磁阀、排气控制电磁阀、进口流量计及出口浓度检测器电连接；

所述的反应釜包含主腔体及设置在主腔体内部的光催化模块和分别设置在主腔体外部两端的前盖及后盖，所述的前盖上设有进气通孔与进气缓冲腔的出气端通过管路连接，所述的后盖上设有进气通孔与排气缓冲腔的进气端通过管路连接；

所述的光催化模块包含骨架，所述的骨架上支撑有第一扰流风扇、第二扰流风扇、第一紫外灯、第一光催化网、第二光催化网及若干个第二紫外灯，其中

第一扰流风扇、第一紫外灯及第二扰流风扇依次延骨架的轴向设置；

第一光催化网及第二光催化网分别套设在骨架上，且第一光催化网的内径小于第二光催化网的内径；

所述的若干个第二紫外灯分布在第一光催化网与第二光催化网围成的圆环面上。

2.如权利要求1所述的工业废气处理设备，其特征在于，所述的若干个第二紫外灯均分圆环所在的圆周。

3.如权利要求1或2所述的工业废气处理设备，其特征在于，所述的第二紫外灯的数量为6个。

4.一种工业废气处理设备的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、工业废气处理设备工作在额定工况下，检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度；

S2、判断排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值是否处于运行预设范围内；

若是，则工业废气处理设备继续工作在此工况下；

若否，则执行步骤S3；

S3、根据排气口处的排放气体的出口浓度，计算得到反应时间调整值，据此调整工业废气处理设备的工况；

S4、检测进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，并计算得到工业废气处理设备中空气压缩机的压缩比；

S5、根据计算得到的空气压缩机的压缩比，调整工业废气处理设备的工况，并根据预设控制规则对各反应釜的反应时间进行控制；

S6、继续检测排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，重复步骤S2～S5，以完成对待处理污染物的处理。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，排放气体的出口浓度与排放标准浓度的比值的预设范围为：

其中，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，反应时间调整值的计算公式为：

其中，a表示反应时间调整值，c表示排气管道排气口处的排放气体的出口浓度，c_标表示待处理污染物经处理后达到排放标准时的浓度，b表示反应动力学常数。

7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中，空气压缩机的压缩比的计算公式为：

其中，n表示空气压缩机的压缩比，Q表示进气管道进气口处待处理污染物的入口流量，t表示工业废气处理设备处理待处理污染物所需的反应时间，m表示工业废气处理设备中包含的反应釜的数量，V表示工业废气处理设备中单个反应釜的体积。

8.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的预设控制规则为：

工业废气处理设备中包含m个反应釜，并对各反应釜进行编号，当第i个反应釜处于进气过程时，第i+1个反应釜开始排气过程；当i＝m时，第m+1个反应釜即第1个反应釜，其余m-2个反应釜处于密闭反应状态；第i个反应釜完成进气，开始密闭反应，同时第i+1个反应釜排气完成，开始进气过程，第i+2个反应釜开始排气过程；依次交替循环。