CN108295619A - 低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置和处理方法，包括分子筛转轮吸附浓缩机构和微波反应器，分子筛转轮吸附浓缩机构包括具有吸附区、脱附区和冷却区分子筛转轮，在动力装置的驱使下，分子筛转轮具有依次经过吸附区、脱附区和冷却区的转动，微波反应器包括填充有高介电材质的微波催化剂层的透波陶瓷管。本发明所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，在过程中催化燃烧产生的热量可维持微波反应器所需的反应温度，降低运营成本，提高企业收益，同时采用具有高介电材质的微波催化剂，一方面可增强微波催化剂内部传热特性，改善积碳现象，另一方面过渡金属催化和微波自身催化形成协同催化效应，提高反应效率。

Description

低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，特别涉及一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置。本发明还涉及一种应用于低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置的处理方法。
背景技术
VOCs(挥发性有机物)对人类健康的危害很明显，浓度超过一定浓度时，人们会感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力，严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退，同时VOCs也是形成雾霾的主要前驱物质。现有技术在对废气进行VOCs净化时，通常是采用燃烧法，即在高温富氧情况下将VOCs燃烧生成二氧化碳和水蒸汽的方法，而一般可分为直接燃烧和催化燃烧，催化燃烧能利用催化剂开辟新型反应通道，降低反应温度，是常见的VOCs处理工艺。研究表明有机废气中VOCs浓度与催化燃烧工艺的运营成本有关。低浓度有机废气处理需要高额的运营成本，并呈现有机物浓度越高，运营成本越低的规律。通常情况下在废气浓度较高(≥1.5g/m3)时，除系统本身消耗外还可以再回收利用大量的废气燃烧废热，而当废气浓度≥5g/m3，回收的热量两至三年就可收回投资；当废气浓度≥10g/m3，回收的热量一至两年就可收回投资，由此可见，在安全浓度范围内，有机物浓度浓度越高对催化燃烧工艺越有利。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，以提高有机废气的处理效果，并具有较好的实用性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，包括：
分子筛转轮吸附浓缩机构，所述分子筛转轮吸附浓缩机构包括分子筛转轮，以及以将所述分子筛转轮顺序分隔成吸附区、脱附区和冷却区的气体分隔板，在动力装置的驱使下，所述分子筛转轮具有依次经过吸附区、脱附区和冷却区的转动；
微波反应器，所述微波反应器包括具有容纳腔的外壳体，固定设于所述容纳腔内并填充有高介电材质的微波催化剂层的透波陶瓷管，以及设于所述容纳腔内的至少一组磁控管和波导管，所述透波陶瓷管经由脱附管道与吸附区构成气体循环通道，于所述循环通道上设置有对所述循环通道内的气体进行预热的换热部。
进一步的，所述分子筛转轮的分子筛孔径为3-15埃米。
进一步的，所述微波反应器的微波频率为915MHz，微波功率为6-120KW。
进一步的，所述微波催化剂层为铁酸钙或碳化硅。
进一步的，所述微波催化剂层为基体负载过渡金属氧化物
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，通过设置分子筛转轮吸附浓缩机构和微波反应器，从而在使用时可对废气进行过滤并将吸附在分子筛上的有机组分解析浓缩得到浓缩废气，然后将浓缩废气透波陶瓷管内进行催化燃烧，在过程中催化燃烧产生的热量可维持微波反应器所需的反应温度，降低运营成本，提高企业收益，同时采用具有高介电材质的微波催化剂，可增强微波催化剂内部传热特性，改善积碳现象。
本发明还提供了一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法，该方法包括：
a、分子筛浓缩处理：将废气通入分子筛进行过滤吸附，将吸附在分子筛上的有机组分解析浓缩得到浓缩废气，未被吸附的气体经检测合格后排入大气；
b、微波催化处理：经步骤a中得到的浓缩废气经预热后引入到透波陶瓷管内进行催化燃烧得到燃烧废气，燃烧废气经检测合格后排入大气。
进一步的，所述脱附区的脱附温度为120-180℃。
进一步的，所述透波陶瓷管的工作温度为240-400℃，通过控制浓缩废气的流速来控制流经透波陶瓷管中的停留时间，停留时间为07-1.5s。
进一步的，所述废气和浓缩废气中的VOCs浓度比为1:3-1:10。
进一步的，在b步骤中，所述废气经由换热部预热后通入至透波陶瓷管内。
本发明所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法与低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置相对于现有技术所具有的有益效果相同，故在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一所述的微波反应器的结构示意图；
附图标记说明：
1-分子筛转轮吸附浓缩机构，101-分子筛转轮，1011-吸附区，1012-脱附区
1013-冷却区，102-气体分隔板，2-微波反应器，201-外壳体，2011-容纳腔，202-微波催化剂层，203-透波陶瓷管，204-磁控管，205-波导管，3-废气进管，4-吸附风机，5-废气出管，6-烟囱，7-第一连接管道，8-脱附风机，9-冷却管道，10-第二连接管道，11-控制室，12-脱附管道，1201-通道进口，1202-通道出口，13-换热部，14-排放管道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例涉及一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，如图1所示其包括分子筛转轮吸附浓缩机构1和微波反应器2，其中分子筛转轮吸附浓缩机构1包括分子筛转轮101，以及以将分子筛转轮101顺序分隔成吸附区1011、脱附区1012和冷却区1013的气体分隔板102，在图中未示出的动力装置的驱使下，该分子筛转轮101具有依次经过吸附区1011、脱附区1012和冷却区1013的转动。
上述的结构中，其中分子筛转轮101呈圆盘状，内部结构为蜂窝结构而具有较小的风阻和较高的吸附能力，且本实施例中分子筛转轮101的分子筛孔径为3-15埃米。本实施例中动力装置为旋转电机，在布置时可将旋转电机的动力输出轴与分子筛转轮101的转动轴线平行设置，并通过皮带传动即可，分子筛转轮101的转速可设置为1-10r/h。本实施例中气体分隔板102的数量为三个，将分子筛转轮101分隔为相互隔离为上述的吸附区1011、脱附区1012和冷却区1013，其中吸附区1013占分子筛转轮较大的面积，而脱附区1012和冷却区1013占用较小的面积，同时，本实施例中可在气体分隔板102与分子筛转轮101的壳体内壁之间填装耐高温、耐腐蚀的密封材质，以防止各区之间串风。
本实施例中分子筛转轮吸附浓缩机构的工作过程为，废气进入到吸附区1011并经由吸附区过滤吸附处理后产生的达标的干净气体经烟囱排入大气；当分子筛转轮101进入到脱附区1012时进入脱附阶段，高温气体对分子筛转轮101进行废气脱附，使得分子筛恢复吸附功能；当分子筛转轮转轮101转动至冷却区1013时，低温空气进入到冷却区1013对分子筛进行降温处理，通过调节分子筛转轮101的转速可调节浓缩废气的浓缩比例。上述结构中分子筛转轮及工作原理均为现有结构，在此不再赘述。
具体结构上，本实施例中在吸附区1011的进口侧经由废气进管3连接有吸附风机4，而吸附区1011的出口侧经由废气出管5连接有烟囱6，在吸附风机4的作用下废气进入到吸附区1011，在吸附区1011过滤处理后产生的达标的干净气体经废气出管5排出至烟囱6内后排入大气。本实施例中在脱附区1012的进口侧和出口侧分别经由第一连接管道7与下文所述的微波反应器的脱附管道12连通，并在第一连接管道7上设置有脱附风机8，由微波反应器产生的高温气体可经由第一连接管道7而进入脱附区1012中以参与脱附。本实施例中冷却区1013的进口侧经由冷却管道9与与废气进管3连接，而冷却区1013的出口侧则经由第二连接管道10与上述的第一连接管道7连接，即废气进管3中的一部分废气进入到吸附区1011，另一部分废气经由冷却管道9进入到冷却区1013内，并经由与第一连接管道7内的气体混合后参与脱附作业，最后进入到微波反应器内进行催化燃烧。此外，当废气进管3内的废气温度较低时，冷却管道9也可不开启冷却功能。
如图2所示，本实施例中微波反应器2包括具有容纳腔2011的外壳体201，固定设于容纳腔2011内并填充有微波催化剂层202的透波陶瓷管203，以及设于容纳腔2011内的至少一组磁控管204和波导管205，并在微波反应器的一侧设置控制室11。本实施例中外壳体201可为不锈钢制成，并可在透波陶瓷管203和外壳体101之间的容纳腔2011内填充图中未示出保温的硅酸铝保温棉，以防止热量损失，本实施例中催化剂层202为高介电材质、并为基体负载过渡金属氧化物，如可采用铁酸钙或碳化硅，采用具有高介电材质的微波催化剂，可增强微波催化剂内部传热特性，改善积碳现象，同时过渡金属催化和微波催化形成协同催化效应，提高反应效率。
本实施例中磁控管204与波导管205连通后与容纳腔2011连通，且磁控管204与容纳腔2011的外边缘的距离可设置为20-40cm，通过将磁控管204与容纳腔2011保持一定距离设置，可避免高温对磁控管204造成的影响，本实施例中波导管205可采用纯铜或者镀银波导(或叫激励腔)。
本实施例中所述微波反应器的微波频率为915MHz，微波功率为6-120KW，并可采用单管或多管组合方式。而为了便于透波陶瓷管203与上述的第一连接管道7连通，本实施例中将透波陶瓷管203串联脱附管道12上，该脱附通道12的通道进口1201和通道出口1202分别与上述的第一连接管道7连接成用于脱附的气体循环通道，且该脱附管道12还经由排放管道14与烟囱6连接，即在微波反应器内燃烧后的气体一部分经由第一连接管道7进入到脱附区1012内继续参加脱附作业，另一部分则经由烟囱6排出，当然，若微波反应器内燃烧后的气体量达不到脱附作业的要求，还可在第一连接管道7上设置图中未示出的气体补充管道，以补入干净空气。
本实施例中在脱附管道12上设置有对气体循环通道内的气体进行预热的换热部13，如图2所示，本实施例中换热部13可为套装于透波陶瓷管203上游的脱附管道12上的换热管，该换热管的进气口和出气口则串联于透波陶瓷管203下游的脱附管道12，通过换热部13对浓缩废气进行预热，并通过图中未示出的热量收集装置将多余的热量进行收集即可，该换热部还可选用其它现有结构，在此不再赘述。
实施例二
本实施例涉及一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法，该方法包括：
a、分子筛浓缩处理：控制脱附区1012的脱附温度为120-180℃，控制分子筛转轮101转速3-6r/h，通过吸附电机4将风速100m/h、TVOC(室内有机气态物质，下同)浓度500ppm的废气通入吸附区1011进行过滤吸附，未被吸附的气体经检测合格后经由废气出管5排入烟囱6，将吸附在分子筛上的有机组分通过脱附风机8解析浓缩6倍得到TVOC浓度3000ppm的浓缩废气；
b、微波催化处理：将微波反应器的微波功率控制为6KW，控制透波陶瓷管203内的工作温度为240-400℃，经步骤a中得到的浓缩废气经换热部13预热至260℃后经由脱附通道12引入到透波陶瓷管203内，并通过控制浓缩废气的流速以使得浓缩废气在透波陶瓷管203内的停留时间为07-1.5s，浓缩废气催化燃烧得到燃烧废气，燃烧废气经检测合格后经由排放管道14排入烟囱6，测定燃烧废气的TVOC浓度≤10ppm，小于排放标准。
实施例三
本实施例涉及一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法，该方法包括：
a、分子筛浓缩处理：控制脱附区1012的脱附温度为120-180℃，控制分子筛转轮转速10r/h，通过吸附电机4将风速100m/h、TVOC浓度150ppm的废气通入吸附区1011进行过滤吸附，未被吸附的气体经检测合格后经由废气出管5排入烟囱6，将吸附在分子筛上的有机组分通过脱附风机8解析浓缩10倍得到TVOC浓度1500ppm的浓缩废气；
b、微波催化处理：将微波反应器的微波功率控制为12KW，控制透波陶瓷管203内的工作温度为240-400℃，经步骤a中得到的浓缩废气经换热部13预热至260℃后经由脱附通道12引入到透波陶瓷管203内，并通过控制浓缩废气的流速以使得浓缩废气在透波陶瓷管203内的停留时间为07-1.5s，浓缩废气催化燃烧得到燃烧废气，燃烧废气经检测合格后经由排放管道14排入烟囱6，测定燃烧废气的TVOC浓度≤7ppm，小于排放标准。
实施例四
本实施例涉及一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法，该方法包括：
a、分子筛浓缩处理：控制脱附区1012的脱附温度为120-180℃，控制分子筛转轮转速分别为6r/h、10r/h或20r/h，通过吸附电机4将风速100m/h、TVOC浓度150ppm的废气通入吸附区1011进行过滤吸附，未被吸附的气体经检测合格后经由废气出管5排入烟囱6，将吸附在分子筛上的有机组分通过脱附风机8解析浓缩10倍得到TVOC浓度1500ppm的浓缩废气；
b、微波催化处理：将微波反应器的微波功率控制为6-120KW，控制透波陶瓷管203的工作温度为240-400℃，经步骤a中得到的浓缩废气经换热部13预热至260℃后经由脱附通道12引入到透波陶瓷管203内，并通过控制浓缩废气的流速以使得浓缩废气在透波陶瓷管203内的停留时间为07-1.5s，浓缩废气催化燃烧得到燃烧废气，燃烧废气经检测合格后经由排放管道14排入烟囱6，经测定分子筛转轮101转速10r/h比6r/h时的吸附效率高15.3％，控制转轮转速20r/h时吸附效率比为10r/h时下降8％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于包括：
分子筛转轮吸附浓缩机构(1)，所述分子筛转轮吸附浓缩机构(1)包括分子筛转轮(101)，以及以将所述分子筛转轮(101)顺序分隔成吸附区(1011)、脱附区(1012)和冷却区(1013)的气体分隔板(102)，在动力装置的驱使下，所述分子筛转轮(1)具有依次经过吸附区(1011)、脱附区(1012)和冷却区(1013)的转动；
微波反应器(2)，所述微波反应器(2)包括具有容纳腔(2011)的外壳体(201)，固定设于所述容纳腔(2011)内并填充有高介电材质的微波催化剂层(202)的透波陶瓷管(203)，以及设于所述容纳腔(2011)内的至少一组磁控管(204)和波导管(205)，所述透波陶瓷管(203)经由脱附管道(12)与吸附区(1011)构成气体循环通道，于所述气体循环通道上设置有对所述气体循环通道内的气体进行预热的换热部(13)。
2.根据权利要求1所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述分子筛转轮(101)的分子筛孔径为3-15埃米。
3.根据权利要求1所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述微波反应器的微波频率为915MHz，微波功率为6-120KW。
4.根据权利要求1所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述微波催化剂层(202)为铁酸钙或碳化硅。
5.根据权利要求1所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述微波催化剂层(202)为基体负载过渡金属氧化物。
6.一种低浓度有机废气的微波催化燃烧处理方法，其特征在于：该方法基于如权利要求1至5中任一项所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其包括以下步骤：
a、分子筛浓缩处理：将废气通入分子筛进行过滤吸附，将吸附在分子筛上的有机组分解析浓缩得到浓缩废气，未被吸附的气体经检测合格后排入大气；
b、微波催化处理：经步骤a中得到的浓缩废气预热后引入到透波陶瓷管内进行催化燃烧得到燃烧废气，燃烧废气经检测合格后排入大气。
7.根据权利要求6所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述脱附区(1012)的脱附温度为120-180℃。
8.根据权利要求6所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述透波陶瓷管(203)的工作温度为240-400℃，通过控制浓缩废气的流速来控制流经透波陶瓷管(203)中的停留时间，停留时间为07-1.5s。
9.根据权利要求6所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：所述废气和浓缩废气中的VOCs浓度比为1:3-1:10。
10.根据权利要求6所述的低浓度有机废气的微波催化燃烧处理装置，其特征在于：在b步骤中，所述废气经由换热部(13)预热后通入至透波陶瓷管(203)内。
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