CN108079780A - 一种分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业有机废气处理技术领域，特别涉及一种分子筛‑臭氧联用处理有机废气的装置及方法。有机废气通入装置的预处理器预处理后，气体通入分子筛吸附装置内对有机挥发化合物(VOC)进行吸附，而后气体进入固定床反应器在臭氧的作用下进行催化氧化进而实现对废气中的机污染物进行去除。本发明不仅提高了有机废气的处理效率，还实现了吸附剂的原位再生，解决了传统废气吸附材料再生困难、再生成本和能耗高的问题，既确保了废气的净化效率，又节能环保。

Description

一种分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置及方法
技术领域
本发明涉及工业有机废气处理技术领域，特别涉及一种分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置及方法。
背景技术
工业有机废气是大气污染物的主要来源之一，其排放不仅使大气环境质量下降，而且给人类健康带来极为严重的危害。长期在有机化合物污染的环境下，可引起慢性中毒，导致全身无力、瞌睡、皮肤瘙痒等；重者损害肝脏和神经系统以致昏迷；苯和二甲苯还能损害人体免疫系统，以至引发白血病。美国环保署所列的有毒气体排放物清单(TRI)中的25种气体，有18种是有机污染物。因此，有机废气的治理事关国民健康、社会稳定和经济可持续性发展，具有重要的意义。
目前，围绕有机废气比较普遍的处理方法包括燃烧法、吸附法、吸收法、低温等离子体法、微生物法及光催化法等。但这些技术均存在一定局限性，不能完全满足日益严格的工业废气气体排放标准以及人民群众对改善空气质量的迫切要求。例如，燃烧法运行成本高，且不完全燃烧时还会产生有毒有害气体，造成二次污染；吸附法存在吸附剂易吸附饱和的缺陷；吸收法需要选择合适的化学剂，对化学剂反应条件要求较苛刻；等离子体法对有机废气的去除效率较高,但污染物降解不彻底且产生NOx等有害副产物，有爆炸风险等；生物法投资和运行费用较低，但运行操作复杂、微生物易受外界影响，且占地面积较大；光催化技术存在反应速率慢、光子效率低和催化剂易失活等缺陷制约其应用；催化氧化法的脱除效率高、起燃温度低、安全性好，但存在催化剂失活的问题。因此，非常有必要开发出一种高效简便、价格适中的有机废气处理新技术。
臭氧具有强氧化性，在理想反应条件下，臭氧可把环境中大多数单质和化合物氧化到最高氧化态，对有机物有强烈的氧化降解作用。因此，将臭氧氧化技术应用在有机废气处理中具有很好的前景。尽管如此，单一的臭氧氧化技术仍然具有很大的局限性。一是臭氧与有机物的反应选择性差，不能氧化一些难降解的有机物，如氯仿等；二是单一的臭氧氧化技术不能将有机物彻底分解为CO2和H2O，难以达到较高的去除效果，其产物常常为羧酸类有机物，如：一元醛、二元醛、一元羧酸、二元羧酸等有机小分子。
因此，怎样将臭氧氧化技术应用于处理有机废气中还需进一步的研究和开发。
发明内容
本发明目的在于提供一种分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种分子筛-臭氧处理有机废气的装置，装置包括预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器4和臭氧发生器7；所述预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器4依次通过管路相连，臭氧发生器7通过带有气阀门的管路分别与分子筛吸附装置3、固定床反应器4相连。
所述预处理器1侧壁的一侧设有进气口，预处理器1的出气口通过带有引风机2的管路与分子筛吸附装置3进气口相连。
所述固定床反应器4顶端设有排气管道，加热装置(电加热器)5设置于固定床反应器内部，并插设有温度传感器6进行控温。
一种利用权利要求1所述的分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，有机废气通入装置的预处理器预处理后，气体通入分子筛吸附装置内对有机挥发化合物(VOC)进行吸附，而后气体进入固定床反应器在臭氧的作用下进行催化氧化进而实现对废气中的机污染物进行去除。
所述在分子筛吸附装置内进行吸附处理的废气通入固定床反应器后向分子筛吸附装置内通入臭氧对其内的吸附剂的原位再生。
具体为：
(1)有机废气经收集进入预处理器，对废气进行预处理，拦截废气中的油滴、颗粒物、腐蚀性气体等；
(2)预处理过的有机废气进入分子筛吸附装置，利用分子筛内吸附剂吸附废气中的VOC；
(3)脱附后的有机废气经管路进入固定床反应器的催化氧化区，经升温后与臭氧发生器生成的臭氧在催化剂存在下进行催化氧化反应，去除有机污染物。
所述分子筛为Y分子筛和/或X分子筛。
所述催化剂为：以纳米分子筛为载体，以金属Mn、Co、Fe或其金属氧化物其中一种或几种的组合为活性组分，纳米分子筛为ZSM-5，SBA-15或MCM-41中的一种或两种混合物。
所述固定床内部反应温度为30-400℃，体积空速范围为8000-80000h-1，臭氧浓度为50-2000ppm，有机物浓度为100-3000ppm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明将分子筛吸附与臭氧催化氧化联用，进行处理有机废气，极大的提高了有机废气的脱除效率，使有机废气的净化更为彻底。
(2)本发明处理方法中所使用的预处理装置，可根据废气特点，选择合适的预处理方法，防止油滴、粉尘污染或堵塞催化剂，防止酸性气体腐蚀设备；另在催化氧化反应区设有电加热器，可提高反应温度，以提高有机废气去除率。
(3)本发明处理方法利用臭氧的强氧化性，使其在催化剂作用下产生更多的有强氧化能力的中间产物，如羟基自由基，大幅度提高了臭氧氧化效率，扩大了臭氧氧化的适用范围，能够去除绝大部分有机污染物；催化臭氧氧化反应降低了有机废气被完全氧化的温度区间。
(4)本发明将臭氧送入分子筛吸附装置使分子筛得到原位再生，解决了传统吸附法中吸附剂再生困难、再生成本和能耗高，且再生不彻底容易产生二次污染等问题。
附图说明
图1是本发明提供的分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置组成示意图；其中，1、预处理器；2、引风机；3、分子筛吸附装置；4、固定床反应器；5、加热装置；6、温度传感器；7、臭氧发生器；8、气阀门；9、排气管道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。
本发明中有机废气经收集进入预处理器，对废气进行预处理，拦截废气中的油滴、颗粒物、腐蚀性气体等；预处理过的有机废气进入分子筛吸附装置，利用分子筛优异的吸附性能将VOC分子吸附；脱附后的有机废气进入催化氧化区，该区域为装填有催化剂层的固定床反应器，经升温后与臭氧发生器生成的臭氧进行催化氧化反应，将有机物氧化为CO2和H2O；生成的臭氧不但可以催化氧化有机废气，也可进入上述记载的分子筛吸附装置，实现吸附剂的原位再生，使其始终保持良好的吸附能力，吸附系统不间断运行。本发明不仅提高了有机废气的处理效率，还实现了吸附剂的原位再生，解决了传统废气吸附材料再生困难、再生成本和能耗高的问题，既确保了废气的净化效率，又节能环保。
实施例1
分子筛-臭氧联用处理有机废气的装置，如图1所示，主体由预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器5和臭氧发生器7组成。所述预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器4依次通过管路相连，臭氧发生器7通过带有气阀门的管路分别与分子筛吸附装置3、固定床反应器4相连。所述预处理器1侧壁的一侧设有进气口，预处理器1的出气口通过带有引风机2的管路与分子筛吸附装置3进气口相连。所述固定床反应器4顶端设有排气管道9，加热装置(电加热器)5设置于固定床反应器内部，并将温度传感器6插入固定床反应器4内部。
通过上述装置进行废气处理的工艺流程如下：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的油滴、颗粒物、酸性腐蚀气体和雾滴。预处理器1为除油器、吸收塔、除尘器中的一种或几种的组合。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入分子筛吸附装置3。
(3)脱附后的气体进入固定床反应器4，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，经加热装置5升温后再由反应器内的催化剂进行催化氧化反应，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
(4)臭氧发生器7生成的臭氧经另一气路进入分子筛吸附装置3，实现吸附剂的原位再生，使其始终保持良好的吸附能力，系统不间断运行。
实施例2
某股含低浓度苯系物的有机废气，其有机废气组成为单组分的苯，有机废气流量为1m3/h，预处理器1为除尘器；其中，分子筛吸附装置3中的分子筛为USY；固定床反应器4中的催化剂以ZSM-5为载体，活性组分为MnO2，负载量为5％，催化剂采用浸渍法将活性组分负载在载体上，具体方法为：配置适当浓度的醋酸锰水溶液作为前驱体，将ZSM-5分子筛等体积浸渍于醋酸锰水溶液中，室温静置12小时后于100℃烘箱内烘干，马弗炉540℃焙烧6小时，即得到所述的MnO2/ZSM-5催化剂。
采用上述实施例记载的装置进行处理有机废气，具体步骤为：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的悬浮性颗粒物。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入内设有分子筛的分子筛吸附装置3，利用分子筛USY对废气中VOC进行吸附。
(3)脱附后的气体经管路进入固定床反应器4的催化氧化区，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，于30℃下气体中的苯与臭氧反应，而后经加热装置5升温至90℃以上，与反应器内的催化剂进行催化氧化反应，去除有机污染物，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
其中，臭氧与苯的浓度分别为70ppm和200ppm，体积空速为80000h-1，30℃下苯与臭氧即可反应，且净化效率达到75％。进一步提高反应温度至90℃以上，苯的净化效率可达到95％以上。
(4)在分子筛吸附装置内进行吸附处理的废气通入固定床反应器后，臭氧发生器7生成的臭氧经另一气路进入分子筛吸附装置3，实现吸附剂的原位再生，使其始终保持良好的吸附能力，系统不间断运行。
实施例3
某股含低浓度苯系物的有机废气，其有机废气组成为单组分的苯，有机废气流量为1m3/h，预处理器1为除尘器；其中，分子筛吸附装置3中的分子筛为实施例2中步骤(4)原位再生后的分子筛；固定床反应器4中的催化剂以ZSM-5为载体，活性组分为MnO2，负载量为5％，催化剂采用浸渍法将活性组分负载在载体上，具体方法为：配置适当浓度的醋酸锰水溶液作为前驱体，将ZSM-5分子筛等体积浸渍于醋酸锰水溶液中，室温静置12小时后于100℃烘箱内烘干，马弗炉540℃焙烧6小时，即得到所述的MnO2/ZSM-5催化剂。
采用上述实施例记载的装置进行处理有机废气，具体步骤为：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的悬浮性颗粒物。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入内设有分子筛的分子筛吸附装置3，利用实施例2中原位再生后的分子筛对废气中VOC进行吸附。
(3)脱附后的气体经管路进入固定床反应器4的催化氧化区，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，于30℃下气体中的苯与臭氧即可反应，而后经加热装置5升温至90℃以上，与反应器内的催化剂进行催化氧化反应，去除有机污染物，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
其中，臭氧与苯的浓度分别为70ppm和200ppm，体积空速为80000h-1，30℃下苯与臭氧即可反应，且净化效率达到78％。进一步提高反应温度至90℃以上，苯的净化效率可达到96.9％以上。原位再生后吸附剂仍始终保持良好的吸附能力，保证了系统不间断运行。
实施例4
某股含低浓度苯系物的有机废气，其组成为苯和甲苯的混合气，有机废气流量为1.5m3/h,预处理器1为除尘器和吸收塔；其中，分子筛吸附装置3中的分子筛为13X和USY的混合物；固定床反应器4中的催化剂以MCM-41为载体，活性组分为Co3O4，负载量为5％，催化剂采用浸渍法将活性组分负载在载体上，负载方法与实施例2相同，得到所述的Co3O4/MCM-41催化剂。
采用上述实施例记载的装置进行处理有机废气，具体步骤为：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的悬浮颗粒物和酸性腐蚀气体。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入内设有分子筛的分子筛吸附装置3，利用分子筛13X和USY混合物对废气中VOC进行吸附。
(3)脱附后的气体进入固定床反应器4的催化氧化区，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，于40℃下气体中的苯与臭氧即可反应，而后经加热装置5升温至120℃以上，与反应器内的催化剂进行催化氧化反应，去除有机污染物，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
其中，臭氧与苯系物的浓度分别为1000ppm和1500ppm，体积空速为20000h-1，50℃下苯与臭氧即可反应，且苯和甲苯净化效率分别达到72％和81％。进一步提高反应温度至120℃以上，苯和甲苯的净化效率均可达到96.5％以上。
实施例5
某股含低浓度苯系物的有机废气，其组成为苯和甲苯的混合气，有机废气流量为2m3/h,预处理器为除尘器和除油器的组合；其中，分子筛吸附装置中的分子筛为13X；固定床反应器4中的催化剂以SBA-15为载体，活性组分为Fe，负载量为5％，负载方法与实施例2相同。得到所述的Fe/SBA-15催化剂。
采用上述实施例记载的装置进行处理有机废气，具体步骤为：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的雾滴、油滴和悬浮颗粒物。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入内设有分子筛的分子筛吸附装置3，利用分子筛13X对废气中VOC进行吸附。
(3)脱附后的气体进入固定床反应器4的催化氧化区，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，于35℃下气体中的苯与臭氧即可反应，而后经加热装置5升温至50℃以上，与反应器内的催化剂进行催化氧化反应，去除有机污染物，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
其中，臭氧与苯系物的浓度分别为1500ppm和2500ppm，体积空速为10000h-1，当反应温度升至150℃以上，苯和甲苯的净化效率分别能够到达97％和98％。上述同股含苯有机废气，采用同类型处理装置及催化剂，当不采用臭氧时，反应温度需提高到250-320℃，苯的净化效率约为75％-87％，甲苯的净化效率约为83％-96％。
实施例6
某股含低浓度苯系物的有机废气，其组成为单组分苯，有机废气流量为2.5m3/h，预处理器1为除油器和吸收塔；其中，分子筛吸附装置3中的分子筛为USY；固定床反应器4中的催化剂以ZSM-5/SAB-15为载体，活性组分为MnO2-Co3O4，负载量为5％，催化剂采用浸渍法将活性组分负载在载体上，负载方法与实施例2相同，得到所述的催化剂。
采用上述实施例记载的装置进行处理有机废气，具体步骤为：
(1)有机废气经收集进入预处理器1，对废气进行预处理，拦截废气中的油滴、雾滴和酸性腐蚀性气体。
(2)经步骤(1)预处理过的有机废气经引风机2增压后进入内设有分子筛的分子筛吸附装置3，利用分子筛USY对废气中VOC进行吸附。
(3)脱附后的气体进入固定床反应器4的催化氧化区，与臭氧发生器7送入固定床反应器4的臭氧混合，于30℃下气体中的苯与臭氧即可反应，而后而后经加热装置5升温至150℃以上，与反应器内的催化剂后进行催化氧化反应，去除有机污染物，反应后的气体经排气管道9排出，最终达到去除有机污染物的目的。
其中，臭氧与苯系物的浓度分别为2000ppm和3000ppm，体积空速为50000h-1，当反应温度升至150℃以上，苯和甲苯的净化效率分别能够到达96％和97％。上述同股含苯有机废气，采用同类型处理装置及催化剂，当不采用臭氧时，反应温度需提高到300-350℃，苯的净化效率约为70％-80％，甲苯的净化效率约为65％-76％。
(4)在分子筛吸附装置内进行吸附处理的废气通入固定床反应器后，臭氧发生器7生成的臭氧经另一气路进入分子筛吸附装置3，实现USY分子筛的原位再生，继续循环使用，仍具有良好的吸附能力，系统不间断运行，当反应温度升至150℃以上，苯和甲苯的净化效率分别能保持85％和90％。
以上列举具体实施例中的效果数据显示，本发明对苯系物具有较高的净化效率，且降解产物中未检测到如：一元醛、二元醛、一元羧酸、二元羧酸等羧酸类有机小分子，彻底解决了单一臭氧氧化技术中存在的有机废气去除效果差、降解不彻底等问题。

Claims (9)

1.一种分子筛-臭氧处理有机废气的装置，其特征在于，装置包括预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器4和臭氧发生器8；所述预处理器1、分子筛吸附装置3、固定床反应器4依次通过管路相连，臭氧发生器8通过带有气阀门的管路分别与分子筛吸附装置3、固定床反应器4相连。
2.按权利要求1利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置，其特征在于，所述预处理器1侧壁的一侧设有进气口，预处理器1的出气口通过带有引风机2的管路与分子筛吸附装置3进气口相连。
3.按权利要求1利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置，其特征在于，所述固定床反应器4顶端设有排气管道，加热装置5设置于固定床反应器内部，并插设有温度传感器6。
4.一种利用权利要求1所述的分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：有机废气通入装置的预处理器预处理后，气体通入分子筛吸附装置内对有机挥发化合物(VOC)进行吸附，而后气体进入固定床反应器在臭氧的作用下进行催化氧化进而实现对废气中的机污染物进行去除。
5.按权利要求4所述的利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：所述在分子筛吸附装置内进行吸附处理的废气通入固定床反应器后向分子筛吸附装置内通入臭氧对其内的吸附剂的原位再生。
6.按权利要求4所述的利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：
(1)有机废气经收集进入预处理器，对废气进行预处理，拦截废气中的油滴、颗粒物、腐蚀性气体等；
(2)预处理过的有机废气进入分子筛吸附装置，利用分子筛内吸附剂吸附废气中的VOC；
(3)脱附后的有机废气经管路进入固定床反应器的催化氧化区，经升温后与臭氧发生器生成的臭氧在催化剂存在下进行催化氧化反应，去除有机污染物。
7.按权利要求4或6所述的利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：所述分子筛为Y分子筛和/或X分子筛。
8.按权利要求6所述的利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：所述催化剂为：以纳米分子筛为载体，以金属Mn、Co、Fe或其金属氧化物其中一种或几种的组合为活性组分，纳米分子筛为ZSM-5，SBA-15或MCM-41中的一种或两种混合物。
9.按权利要求6所述的利用分子筛-臭氧处理有机废气的装置进行处理有机废气的方法，其特征在于：所述固定床内部反应温度为30-400℃，体积空速范围为8000-80000h-1，臭氧浓度为50-2000ppm，有机物浓度为100-3000ppm。
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