CN106807177B - 一种脱除VOCs的气体净化装置及净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脱除VOCs的气体净化装置。将含VOCs的气体引入该气体净化装置。首先，VOCs气体在吸附区吸附，吸附饱和后经加热、脱附，之后脱附气进入催化燃烧反应区，去除VOCs气体，产生的净化气一部分排出装置，另一部分作为循环气返回装置。该装置采用转动式吸附‑脱附床结构，通过周期性的转动实现吸附区与脱附区的交替切换。催化燃烧反应区采用轴向反应器结构，具有高的VOCs脱除效率。装置内部设有电加热器，作为系统启动热源及辅助热源；高比表燃烧催化剂及吸附剂适用于高空速工况、低浓VOCs气体脱除。该系统结构紧凑、操作方便、运行成本低，净化效率高，不产生二次污染。

Description

一种脱除VOCs的气体净化装置及净化方法

技术领域

本发明涉及VOCs气体转化、气体净化领域，特别涉及一种脱除VOCs的气体净化装置。

背景技术

挥发性有机化合物(简称VOCs)是指在常温下饱和蒸汽压约大于70Pa、常压下沸点低于260℃的有机化合物。VOCs广泛来源于石油化工、制药、印刷、涂料装饰、表面防腐、交通运输等行业。其主要危害可以概括为两个方面：一是大多数VOCs有毒、有恶臭，当居室中的VOCs达到一定浓度时，对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及造成记忆力减退神经系统产生有害影响，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变；二是VOCs可破坏大气臭氧层，产生光化学烟雾及酸雨。随着工业的发展和人们生活水平的提高，VOCs的排放量与日剧增，并具有范围广、排放量大等特点。1990年美国通过了“清洁空气修正案”和“污染防止案”，提高了废气排放标准，将工业生产中的189种污染物列为有毒污染物，其中70％的化学品为VOCs。我国在1997年1月1日开始实施的《中华人民共和国国家标准大气污染物综合排放标准》也规定了VOCs排放较严格的标准。VOCs对环境和人体健康的严重危害，引起了世界各国的高度重视。VOCs的治理也成为当前国际环境的热点之一。其处理方式有：回收和转化。常见的回收方式主要有吸附、吸收、冷凝以及膜分离等；常见的转化技术主要有催化燃烧法、直接燃烧法、光催化降解、生物降解、等离子体技术等。通常低浓度的VOCs，吸附和催化燃烧是最经济和有效的治理方法。

燃烧技术最初采用的是直接燃烧法，但是直接燃烧法所需温度较高.许多VOCs在直接燃烧时起燃温度都在500℃以上，使得直接燃烧法仅适用于治理高浓度VOCs废气。如果有机废气中的VOCs含量较低，要将其中的VOCs氧化脱除，需要将废气直接加热到很高温度。该方法中需要供入额外能量来预热空气，特别是对于一些难氧化的VOCs，高的绝热燃烧温度易产生NOx，造成二次污染。为克服这些缺点，催化燃烧技术得到了广泛应用。催化燃烧是借助催化剂在较低温度下起燃(常温～300℃)进行无焰燃烧，并将有机废气氧化分解为二氧化碳和水。催化燃烧处理有机废气的优点在于：(1)起燃温度低，能量消耗少，甚至达到起燃温度后无需外界传热就能完成氧化反应。这种较低温下的催化燃烧可避免NOx气体的生成；(2)适用范围广。催化燃烧几乎可以处理所有的烃类有机废气及恶臭气体，它适用于不同浓度范围、成分复杂的各种有机废气处理。对于有机化工、涂料、绝缘材料等行业排放的低浓度、多成分，回收价值低的废气，采用吸附-催化燃烧法的处理效果更好。一般有机废气的转化率都在95％以上；(3)适应氧浓度范围大，净化效率高，无二次污染，且燃烧缓和，运转费用少，操作管理方便，可长周期运行，并可回收废热，降低处理成本。中国专利CN202036921 U公开了一种设有立式旋流式气体分离过滤一体机的RCO反应装置，该系统反应器壳体内设有上下分布的催化反应层和蓄热层，系统占地面积小、净化效率高，适用于有机废气特别是含有固体颗粒物杂质的有机废气的催化氧化处理。中国专利CN 102614740 A公开了一种汽车涂装生产线上有机废气处理工艺，该发明采用吸附转轮及催化燃烧处理含有VOCs废气，不需外能源、并能实现有机废气零排放，但气体处理量有限，吸附转轮制造复杂。中国专利CN 102519049 A公开了一种低能耗有害废气净化焚烧系统，该系统由废气净化焚烧、余热回收及烟气处理等单元组成，采用全新的蓄热焚烧方式，可低成本连续净化多种焚烧有害废气，具有蓄热体易清理不堵塞、有害废气全部焚烧达标排放等特点，但对于处理低浓度VOCs气体不经济。中国专利CN 104344409 A公开了一种处理含高浓度有机污染物废气的方法，将一体化RTO装置的一个燃烧室改进为二个一体化或分体式燃烧室装置，同时将其中的一个燃烧室的高温废气引出，结合燃烧室的外部余热回收装置，可实现第二高温燃烧室多余热能的回收，但该系统能耗较高。中国专利CN104474844 A公开了一种基于浓缩转轮和RTO的彩涂线废气处理及热回收方法及系统，该系统采用热能回收系统，吸附转轮的再加热只需要消耗热能回收系统的热量，不需要额外加热，节约大量的能量，但吸附转轮处理量较小、制造复杂。为此，本发明的目的是提供一种结构紧凑、高效的VOCs脱除气体净化系统。

发明内容

针对目前公开的脱除VOCs气体存在的能耗高，设备、系统复杂等特点，本发明提出一种工艺合理、节能高效、高度集成的脱除VOCs的气体净化系统。

通过将含VOCs气体引入转动式吸附-脱附床的吸附区，VOCs被吸附，得到新风A，之后新风A与部分返回装置的净化气混合并加热后，进入转动式吸附-脱附床的脱附区，将富集于吸附剂床层的VOCs脱附出；含VOCs的脱附气经加热后进入催化燃烧区(6)，将VOCs气体转化脱除，部分作为循环气返回装置，另一部分作为净化气输出装置。将上述相关单元操作集成到一个容器内，实现气体净化装置的高度集成。

本发明所述装置的转动式吸附-脱附床包括中心管(2)、内固定筒(1)、外转动筒(3)、上盖板(4)、下盖板(5)，上下两端开口的圆形内固定筒(1)中部设有一侧壁上带通孔的圆管，上下两开口端设有带通孔的孔板，圆管和内固定筒同轴，于圆管和内固定筒之间沿径向均匀设有n个挡板(n为≥2的偶数)，挡板与内固定筒的轴平行，挡板二端分别与内固定筒(1)内壁面和圆管外壁面密闭连接，n个挡板将内固定筒(1)分隔成n个相同的腔室，于腔室内装填有吸附剂；上下两端开口的圆形外转动筒(3)，外转动筒(3)中部固定有中心管(2)，外转动筒(3)与中心管(2)同轴，外转动筒内壁面上沿径向均匀设有n个条状隔板，隔板与外转动筒的轴平行，内固定筒(1)置于外转动筒(3)内，内固定筒(1)外壁面与隔板贴接，隔板实现将内固定筒(1)、中心管(2)穿置于圆管邻的腔室隔离；中心管(2)外壁面与圆管内壁面相贴接，中心管(2)沿径轴向均匀设置有n/2个开通孔区，实现与内固定筒(1)相间的腔室相通；外转动筒(3)的上下两开口端分别固定有上盖板(4)和下盖板(5)，下盖板(5)包括内部通孔区、中部环状区、外部环状区，外部环状区为同圆心均匀设置的n/2段弧形平板，n/2段弧形平板可构成半圆，中部环状区为同圆心均匀设置的n/2个扇形平板，n/2个扇形平板可构成一半圆环，弧形平板靠圆心的二个顶角与扇形平板远离圆心的二个顶角相连接、且扇形平板未处于弧形平板与内部通孔区之间，扇形平板靠圆心端面与内部通孔区固接，上盖板(4)包括内部圆形区、中部环状区、外部环状区，中部环状区为同圆心均匀设置的n/2个扇形平板，n/2个扇形平板可构成一半圆环，扇形平板远离圆心的端面与外部环状区固接，扇形平板靠圆心端面与内部圆形区固接；

这样内固定筒(1)各相间的腔室被分为两个区，即吸附区和脱附区，通过外固定筒(3)、上盖板(4)、下盖板(5)及中心管(2)的同步转动，实现吸附区和脱附区的切换；

引入的含VOCs气体，通过中心管(2)开孔区，沿径向方向进入内固定筒(1)的吸附区，将VOCs气体吸附，得到新风A；新风A沿内固定筒(1)四周径向方向进入外转动筒(3)，在外转动筒(3)与内固定筒(1)的环隙间自上向下流动，进入加热混合腔与循环气混合并被加热，之后自下而上进入内固定筒(2)的脱附区，将富集于吸附剂中的VOCs脱附出来，从脱附区的上部离开，进入催化燃烧预热腔，经加热后由催化燃烧床的下部进入催化燃烧区(6)，将VOCs氧化分解脱除，由催化燃烧区(6)上部离开，其中一部分作为循环气，经循环再生风机(12)增压后返回系统，另一部分作为净化气输出系统。

本发明中的VOCs气体通过催化燃烧转化或分解而脱除，所述的催化燃烧转化是指含VOCs的脱附再生气在装填催化燃烧催化剂床层上，VOCs氧化分解为CO₂和H₂O而脱除。

本发明中的催化燃烧催化剂活性成分为非贵金属氧化物、贵金属中的一种或二种以上在组成或装填方式上的组合。催化剂通过机械成型制得具有不同结构形状的催化剂，或将其负载在颗粒、陶瓷蜂窝、金属蜂窝、陶瓷或金属纤维等惰性载体上而制得；所述机械成型包括挤条、压片或滚球的成型方法。

本发明中所述的催化燃烧催化剂具有较宽的温度操作区间，脱除VOCs的反应温度为100℃～500℃；

本发明中的吸附剂，是将吸附剂材料通过挤条、压片、滚球等成型方法制成具有特定规格和构型的规整材料；或将吸附剂材料负载在惰性颗粒、陶瓷蜂窝、金属蜂窝、金属或陶瓷纤维表面制得；

本发明设计的脱除VOCs气体净化装置，可有效脱除VOCs气体，满足大气污染物综合排放的要求；此外，该气体净化装置，通过填充不同的催化剂和吸附剂材料，亦能够用于其他不同场合气体的净化。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明设计的脱除VOCs气体净化装置，可有效消除VOCs气体，满足大气污染物综合排放要求；

2.采用集成式气体净化装置，结构紧凑、重量轻、阻力降低，装置具有高的效率和经济性；

3.催化燃烧催化剂和吸附剂可以负载于陶瓷纤维等轻质材料表面，具有强的抗冲击性能；

4.吸附和催化燃烧脱除VOCs相结合，保证了净化气体出口VOCs脱除精度；

5.采用转动式吸附-脱附床，实现吸附/脱附交替运行，气体净化装置结构紧凑、操作灵活、成本低；

附图说明

图1为本发明的脱除VOCs气体净化装置流程示意图；

图2为本发明的集成式脱除VOCs气体净化装置结构示意图；

图3为本发明的内固定筒及外转动筒结构示意图；

图4为本发明的上盖板、下盖板结构示意图；

图5为本发明的吸附区流动示意图；

图6为本发明的脱附区流动示意图。

图例说明：

1-内固定筒；2-中心管；3-外转动筒；4-上盖板；5-下盖板；6-催化燃烧区；7-催化燃烧电加热器；8-脱附电加热器；9-进气管路；10-出气管路；11-循环管路；12-循环再生风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明所涵盖的范围。

此实施例中，转动吸附-脱附床的内固定筒(1)分为6个腔(分别为A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4、A5-B5、A6-B6)，其中A4-B4、A5-B5、A6-B6处于吸附区，A1-B1、A2-B2、A3-B3处于脱附区，含VOCs的新风自进气管路(9)进入中心管(2)，通过中心管(2)的开孔区进入内固定筒(1)的吸附区，并沿径向方向由内向外通过吸附区，在吸附区中VOCs被吸附剂吸附，之后进入外转动筒(3)与内固定筒(1)环隙中，并自上向下流动至脱附预热混合区中，与部分循环气混合，并通过脱附电加热器(8)预热之后，自下盖板(5)A1、A2、A3处进入内固定筒(1)的脱附区中，在脱附区中将富集于吸附剂之中的VOCs脱附出来，脱附气在脱附区自下向上流动，由上盖板(4)B1、B2、B3离开脱附区，进入催化燃烧预热区，通过催化燃烧电加热器(7)预热，之后由底部进入催化燃烧区(6)，在催化燃烧区(6)中脱附气中的VOCs在催化燃烧催化剂的作用下被氧化成CO₂和H₂O，并放出一定热量，之后一部分作为循环气由循环再生风机(12)增压，经循环管路(11)返回至脱附预热混合区，另一部分作为净化气由出气管路(10)排出气体净化装置。

当内固定筒(1)的吸附区吸附剂饱和时，外固定筒(3)、上盖板(4)、下盖板(5)及中心管(2)转动60度角，原吸附区A4-B4、A5-B5、A6-B6切换为脱附区，而原脱附区A1-B1、A2-B2、A3-B3切换为吸附区。这样反复交替实现VOC气体的吸附-脱附和催化燃烧，实现气体净化。

Claims (10)

1.一种脱除VOCs的气体净化装置，包括转动式吸附-脱附床，转动式吸附-脱附床包括中心管（2）、内固定筒（1）、外转动筒（3）、上盖板（4）、下盖板（5），上下两端开口的圆形内固定筒（1）中心设有一侧壁上带通孔的圆管，上下两开口端设有带通孔的孔板，圆管和内固定筒（1）同轴，于圆管和内固定筒（1）之间沿径向均匀设有n个挡板，n为≥2的偶数，挡板与内固定筒（1）的轴平行，挡板二端分别与内固定筒（1）内壁面和圆管外壁面密闭连接，n个挡板将内固定筒（1）分隔成n个相同的腔室，腔室内装填有吸附剂；上下两端开口的圆形外转动筒（3），外转动筒（3）中部固定有中心管（2），外转动筒（3）与中心管（2）同轴，外转动筒（3）内壁面上沿径向均匀设有n个条状隔板，隔板与外转动筒的轴平行，内固定筒（1）置于外转动筒（3）内，内固定筒（1）外壁面与隔板贴接，隔板实现将内固定筒（1）、中心管（2）穿置于圆管相邻的腔室隔离；中心管（2）外壁面与圆管内壁面相贴接，中心管（2）沿轴向均匀设置有n/2个开通孔区，实现与内固定筒（1）相间的腔室相通；外转动筒（3）的上下两开口端分别固定有上盖板（4）和下盖板（5），下盖板（5）包括内部通孔区、中部环状区、外部环状区，外部环状区为同圆心均匀设置的n/2段弧形平板，n/2段弧形平板可构成半圆，中部环状区为同圆心均匀设置的n/2个扇形平板，n/2个扇形平板可构成一半圆环，弧形平板靠圆心的二个顶角与扇形平板远离圆心的二个顶角相连接、且扇形平板未处于弧形平板与内部通孔区之间，扇形平板靠圆心端面与内部通孔区固接，上盖板（4）包括内部圆形区、中部环状区、外部环状区，中部环状区为同圆心均匀设置的n/2个扇形平板，n/2个扇形平板可构成一半圆环，扇形平板远离圆心的端面与外部环状区固接，扇形平板靠圆心端面与内部圆形区固接；这样内固定筒（1）各相间的腔室被分为两个区，即吸附区和脱附区，通过外固定筒（3）、上盖板（4）、下盖板（5）及中心管（2）的同步转动，实现吸附区和脱附区的切换；装置还包括一两端密闭的中空圆筒，转动式吸附-脱附床置于圆筒内，转动式吸附-脱附床的中心管（2）下端通过进气管路（9）与待处理气源相连，于圆筒内转动式吸附-脱附床下方设有脱附电加热器（8），于圆筒内转动式吸附-脱附床上方设有催化燃烧电加热器（7），于圆筒内催化燃烧电加热器（7）上方设有催化燃烧区（6），于圆筒上端设有出气口，出气口上设有出气管路（10），出气管路（10）上设有支路，支路通过循环管路（11）与圆筒内转动式吸附-脱附床下方的区域相连通，于循环管路（11）上设循环再生风机（12）。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述催化燃烧区（6）中的充填催化燃烧催化剂、将VOCs气体转化为CO₂和H₂O，催化燃烧催化剂活性成份为非贵金属氧化物、贵金属中的一种或二种以上在组成或装填方式上的组合。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：催化燃烧催化剂，催化剂为负载型，载体包括惰性颗粒、陶瓷蜂窝、金属蜂窝、金属或陶瓷纤维等；催化剂通过机械成型制得具有特定规格和构型的规整材料，或将金属氧化物和/或贵金属负载在惰性颗粒、陶瓷蜂窝、金属蜂窝、陶瓷纤维或金属纤维上制得；所述机械成型包括挤条、压片或滚球的成型方法。

4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述内固定筒（1）中的吸附剂为轻质的带孔吸附材料，吸附材料通过挤条、压片或滚球等成型方法制成具有特定规格和构型的规整材料；或将吸附材料负载在惰性颗粒、陶瓷蜂窝、金属蜂窝、金属或陶瓷纤维表面制得。

5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：催化燃烧区（6）下设置电加热器，作为必要的催化燃烧反应预热热源；内固定筒（1）下部设置电加热器，作为脱附再生的预热热源；电加热器为电加热丝和/或电加热棒。

6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的转动式吸附-脱附床，外转动筒（3）或内固定筒（1）可沿其轴线转动，通过外转动筒（3）或内固定筒（1）的周期转动，转动角度为360^o/腔室数量，实现吸附/脱附的交替切换。

7.一种采用权利要求1-6任一所述装置脱除VOCs的气体净化方法，其特征在于通过如下步骤实现：

1）向装置中引入的含VOCs的气体，通过中心管（2），沿径向方向进入内固定筒（1）的吸附区，将VOCs气体吸附，得到新风A；

2）新风A沿内固定筒（1）四周径向进入外转动筒（3），之后与循环管路（11）返回的循环气混合并加热，进入内固定筒（1）的脱附区；

3）脱附后的气体经加热后，进入催化燃烧区（6），脱除VOCs气体，部分气体经循环管路（11）返回装置，部分作为净化气输出。

8.根据权利要求7所述脱除VOCs的气体净化方法，其特征在于：

催化燃烧的反应温度为常温~700℃。

9.根据权利要求7所述脱除VOCs的气体净化方法，其特征在于：

催化燃烧的反应温度为100~500℃。

10.根据权利要求7所述脱除VOCs的气体净化方法，其特征在于：采用部分净化气作为循环气，与吸附床出口的工艺气混合作为脱附再生气。