CN108413419B - 一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法，包括腔体、微波源、微波打散器、载体、进气口和出气口，所述微波源设置于腔体外部，其中微波打散器设置于腔体内部顶端，所述载体填充于腔体内部，其中腔体一侧面设有进气口，另一侧面设有出气口，所述载体上均匀分布有微体积高温发热体，其中微体积高温发热体包裹有催化剂。本发明可通过选择使用或不使用催化剂，或者改变催化剂种类，或选择采用多种催化剂组合的方法，适用于不同废气处理的应用场合，以达到对多种废气的高效、综合性、无害化处理，在废气处理领域具有巨大的应用潜力。

Description

一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法
技术领域
本发明属于环保技术领域的环保设备，特别是一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法。
背景技术
大气环境是指生物赖以生存的空气的物理、化学和生物学特性。人类在生活或工农业生产过程中排出的氨、二氧化硫、一氧化碳、氮化物、氟化物、挥发性有机物等有害气体可改变原有空气的组成，并引起污染，造成全球气候变化，破坏生态平衡。随着我国工业化的发展，大气环境也受到了影响，为了我国可持续发展，国家环保部牵头持续加大了大气污染的治理力度，大气污染防治涉及环境规划管理、能源利用、污染防治等许多方面，虽然各地区(或城市)的大气污染特征、条件以及大气污染综合防治的方向和重点不尽相同，但目前的难点都在于开发出性价比高、运行成本和运维成本都低的废气处理设备，以适应我国目前制造业环境治理承受力较弱的特点。
目前现有的废气治理技术很多，传统的低成本处理方法如：活性炭吸附法、光氧催化法、微生物治理法、UV光氧化法等处理效果不稳定且很难达标；蓄热燃烧法(RTO)和催化燃烧法(RCO)作为目前高效的有机废气治理技术，具有分解效率高(三室RTO分解效率可达到99％以上)、热效率高(≥95％)的优点，可处理大风量中低浓度废气等特点。但这两种方法都需要将整个废气加热到较高温度，其中RTO为700-900℃，RCO为200-400℃，导致相关设备能耗水平很高，运行成本负担很重。加之这些设备的核心部件均由欧、美、日本等国家掌握，导致设备价格和运维成本也很高，从而限制了其在国内中小企业的广泛应用，因此，研发一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法很有市场前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种微波催化燃烧废气处理装置及载体的制备方法，克服了现有蓄热燃烧和催化燃烧废气处理设备耗能高、结构复杂的缺点；克服了现有UV等离子体设备处理效果差和会产生臭氧排放的缺点。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种微波催化燃烧废气处理装置，包括腔体、微波源、微波打散器、载体、进气口和出气口，所述微波源设置于腔体外部，其中微波打散器设置于腔体内部顶端，所述载体填充于腔体内部，其中腔体一侧面设有进气口，另一侧面设有出气口。
优选的，所述载体上均匀分布有微体积高温发热体，其中微体积高温发热体包裹有催化剂。
优选的，所述载体构成空间分布均匀的多孔网状透气结构，用于支撑微体积发热体及其上催化剂均匀细密地分布在腔体内部空间中，所述载体为不吸收微波的介质材料，具体为聚四氟乙烯、石英玻璃、多孔玻璃、多孔陶瓷或石英织物。
优选的，所述载体由石英玻璃棒和聚四氟乙烯网制成，将石英玻璃棒均匀的插入聚四氟乙烯网中，所述石英玻璃棒的直径为6mm，长度为50cm。
优选的，所述微体积高温发热体为具有微波吸收性能的材料，具体为SiC、石墨、炭黑或铁氧体，其中微体积高温发热体的粒径范围为：1um～20mm。
优选的，所述催化剂包括MnO、MnO2、TiO2、CuO，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1。
优选的，所述微波源包括电源、磁控管和波导管，其中电源连接磁控管，所述磁控管连接波导管，所述微波源的功率为：0.5kW～200kW，频率为：300MHz～300GHz，所述微波源的数量为：1～1000个。
优选的，所述微波打散器为可旋转的风扇状金属搅拌器，所述搅拌器旋转时对微波进行各个方向的反射，使微波能量均匀分布在腔体内。
优选的，所述腔体为用金属板材制作的密封结构，其中腔体的尺寸为1000mm×1000mm×1000mm，所述进气口和出气口的直径为200mm的圆形孔。
优选的，一种如上所述的微波催化燃烧废气处理装置载体的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：准备好MnO、MnO2、TiO2、CuO、0.5mm的SiC、直径6mm长度50cm的石英玻璃棒、聚四氟乙烯网和水凝胶粉，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1；
(2)催化剂制浆：用水做分散剂，分别将MnO、MnO2、TiO2、CuO加入水中混合，并加入SiC，然后再加入水凝胶粉，并搅拌混合均匀；
(3)微体积高温发热体包浆：将石英玻璃棒一根根逐一浸入步骤(2)的混合物中；
(4)载体制作：将包浆后的石英玻璃棒沥干后拿出，并逐一均匀安装在聚四氟乙烯网上；
(5)涂覆：将水凝胶和淀粉用水稀释后，将载体浸湿，利用液体的粘性，将MnO、MnO2、TiO2、CuO分布在的载体表面；
(6)微波烧结：将载体放入腔体中，打开微波源进行烧结，SiC吸收微波以后，温度会快速上升，将水分蒸发，水凝胶粉被分解，MnO、MnO2、TiO2、CuO附着在SiC的表面，SiC附着在石英玻璃棒的表面。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明利用物质吸收微波性能差异很大的特点，设计出本发明所述微波催化燃烧废气处理装置，在腔体中安置有表面包覆有催化剂的微体积高温发热体的载体，载体不吸收微波能，只负责将其上附着的微体积高温发热体均匀分布在微波腔体的空间中，工作时在微波作用下微体积高温发热体被加热到较高温度，在高温及分布在微体积高温发热体外部的催化剂的共同作用下，将进入腔体的废气进行无害化处理；
(2)本发明可通过选择使用或不使用催化剂，或者改变催化剂种类，或选择采用多种催化剂组合的方法，适用于不同废气处理的应用场合，以达到对多种废气的高效、综合性、无害化处理，在废气处理领域具有巨大的应用潜力；
(3)本发明结构简单、操作方便、设计合理、处理废气量大、节约资源，并且环境友好。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
图2、本发明的载体示意图；
图3、本发明的载体制备工艺图。
附图标记说明：
1-腔体，2-微波源，3-微波打散器，4-载体，5-微体积高温发热体，6-催化剂，7-进气口，8-出气口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图1～3所示，本发明公开了一种微波催化燃烧废气处理装置，包括腔体1、微波源2、微波打散器3、载体4、进气口7和出气口8，所述微波源2设置于腔体1外部，其中微波打散器3设置于腔体1内部顶端，所述载体4填充于腔体1内部，其中腔体1一侧面设有进气口7，另一侧面设有出气口8。
如图2所示，优选的，所述载体4上均匀分布有微体积高温发热体5，其中微体积高温发热体5包裹有催化剂6。
如图1、2所示，优选的，所述载体4构成空间分布均匀的多孔网状透气结构，用于支撑微体积发热体5及其上催化剂6均匀细密地分布在腔体1内部空间中，所述载体4为不吸收微波的介质材料，具体为聚四氟乙烯、石英玻璃、多孔玻璃、多孔陶瓷或石英织物。
优选的，所述载体4由石英玻璃棒和聚四氟乙烯网制成，将石英玻璃棒均匀的插入聚四氟乙烯网中，所述石英玻璃棒的直径为6mm，长度为50cm。
优选的，所述微体积高温发热体5为具有微波吸收性能的材料，具体为SiC、石墨、炭黑或铁氧体，其中微体积高温发热体5的粒径范围为：1um～20mm。
优选的，所述催化剂6包括MnO、MnO2、TiO2、CuO，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1。
优选的，所述微波源2包括电源、磁控管和波导管，其中电源连接磁控管，所述磁控管连接波导管，所述微波源的功率为：0.5kW～200kW，频率为：300MHz～300GHz，所述微波源的数量为：1～1000个。
如图1所示，优选的，所述微波打散器3为可旋转的风扇状金属搅拌器，所述搅拌器旋转时对微波进行各个方向的反射，使微波能量均匀分布在腔体内。
优选的，所述腔体1为用金属板材制作的密封结构，其中腔体的尺寸为1000mm×1000mm×1000mm，所述进气口7和出气口8的直径为200mm的圆形孔。
如图3所示，一种如上所述的微波催化燃烧废气处理装置载体的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：准备好MnO、MnO2、TiO2、CuO、0.5mm的SiC、100根直径6mm长度50cm的石英玻璃棒、聚四氟乙烯网和水凝胶粉，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1；
(2)催化剂制浆：用水做分散剂，分别将MnO、MnO2、TiO2、CuO加入水中混合，并加入SiC，然后再加入水凝胶粉，并搅拌混合均匀；
(3)微体积高温发热体包浆：将石英玻璃棒一根根逐一浸入步骤(2)的混合物中；
(4)载体制作：将包浆后的石英玻璃棒沥干后拿出，并逐一均匀安装在聚四氟乙烯网上；
(5)涂覆：将水凝胶和淀粉用水稀释后，将载体浸湿，利用液体的粘性，将MnO、MnO2、TiO2、CuO分布在的载体表面；
(6)微波烧结：将载体放入腔体中，打开微波源进行烧结，SiC吸收微波以后，温度会快速上升，将水分蒸发，水凝胶粉被分解，MnO、MnO2、TiO2、CuO附着在SiC的表面，SiC附着在石英玻璃棒的表面。
实施例二
如图1～3所示，本发明公开了一种微波催化燃烧废气处理装置，包括腔体1、微波源2、微波打散器3、载体4、进气口7和出气口8，所述微波源2设置于腔体1外部，其中微波打散器3设置于腔体1内部顶端，所述载体4填充于腔体1内部，其中腔体1一侧面设有进气口7，另一侧面设有出气口8。
如图2所示，优选的，所述载体4上均匀分布有微体积高温发热体5，其中微体积高温发热体5包裹有催化剂6。
如图1、2所示，优选的，所述载体4构成空间分布均匀的多孔网状透气结构，用于支撑微体积发热体5及其上催化剂6均匀细密地分布在腔体1内部空间中，所述载体4为不吸收微波的介质材料，具体为聚四氟乙烯、石英玻璃、多孔玻璃、多孔陶瓷或石英织物。载体本身不吸收、不反射微波，不会影响腔体内部微波场的传播，同时载体本身具有耐高温、抗腐蚀和导热能力极差的特点，以利于微体积高温发热体因吸收微波能量产生的温升不被传导走且在工作过程中能长时间保持稳定。
优选的，所述载体4由石英玻璃棒和聚四氟乙烯网制成，将石英玻璃棒均匀的插入聚四氟乙烯网中，所述石英玻璃棒的直径为6mm，长度为50cm。
优选的，所述微体积高温发热体5为具有微波吸收性能的材料，具体为SiC、石墨、炭黑或铁氧体，其中微体积高温发热体5的粒径范围为：1um～20mm。微体积高温发热体为体积很小的颗粒、纤维状材料，可通过吸收腔体内部的微波能使其温度保持在100～1000摄氏度范围内，其中微体积高温发热体5可通过粉碎相应的矿石制作，也可通过物理或化学方法人工合成得到，采用平均粒径为0.8mm的SiC作为微体积高温发热体效果最佳。
优选的，所述催化剂6包括MnO、MnO2、TiO2、CuO，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1。催化剂为对各种废气分解过程起催化作用物质，根据化学成分可分为金属类、金属氧化物类和无机盐类，可根据不同的用途选用单一型或多种类复合型催化剂。
优选的，所述微波源2包括电源、磁控管和波导管，其中电源连接磁控管，所述磁控管连接波导管，所述微波源的功率为：0.5kW～200kW，频率为：300MHz～300GHz，所述微波源的数量为：1～1000个。具体选用西安因变光电科技有限公司的YB-MP1000P微波电源1台，磁控管为韩国三星公司的OM75P1000W 2.4GHz磁控管1台，波导管采用BJ26一体成型波导管。
如图1所示，优选的，所述微波打散器3为可旋转的风扇状金属搅拌器，所述搅拌器旋转时对微波进行各个方向的反射，使微波能量均匀分布在腔体内。微波打散器的搅拌器驱动电机采用格兰仕微波炉配件SM-16T搅拌电机，叶片选用直径200mm的304不锈钢三叶搅拌机器叶片。
优选的，所述腔体1为用金属板材制作的密封结构，其中腔体的尺寸为1000mm×1000mm×1000mm，所述进气口7和出气口8的直径为200mm的圆形孔。进气口7用来流入要处理的废气，出气口8用于排放处理完的废气。
优选的，所述金属板材包括不锈钢、铝板、铝合金板、铁皮、钢板、铜板等。
本发明的工作原理如下：
本发明利用物质吸收微波性能差异很大的特点，设计出包括腔体1、微波源2、微波打散器3、载体4、微体积高温发热体5、催化剂6、进气口7和出气口8组成的微波催化燃烧废气处理装置，在腔体1中安置有表面包覆有催化剂6的微体积高温发热体5的载体4，载体4不吸收微波能，只负责将其上附着的微体积高温发热体5均匀分布在腔体1的空间中，工作时微波源2产生的微波通过波导管输送到腔体1内部，微波打散器3旋转对微波具有各个方向的反射，使微波能量均匀分布在腔体1内，将分布在载体4表面的微体积高温发热体5加热到较高温度，在高温及分布在微体积高温发热体5外部的催化剂6的共同作用下，将从进气口7进入腔体1的废气进行无害化处理，该装置也可通过选择使用或不使用催化剂，或者改变催化剂种类，或选择采用多种催化剂组合的方法，适用于不同废气处理的应用场合，以达到对多种废气的高效、综合性、无害化处理，在废气处理领域具有巨大的应用潜力。
本发明可通过催化剂的改变灵活用于硫氧化物、氮氧化物、恶臭气体、挥发性有机物和臭氧等几乎所有废气种类的处理。
本发明结构简单、操作方便、设计合理、处理废气量大、节约资源，并且环境友好。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (4)

1.一种微波催化燃烧废气处理装置，其特征在于：包括腔体、微波源、微波打散器、载体、进气口、出气口，所述微波源设置于腔体外部，微波打散器设置于腔体内部顶端，所述载体填充于腔体内部，腔体的一侧设置有进气口，另一侧设置有出气口；其中，所述微波源包括电源、磁控管和波导管，所述电源连接磁控管，所述磁控管连接波导，所述微波源的功率为：0.5kW～200kW，频率为：300MHz～300GHz，所述微波源的数量为：1～1000个；所述载体所述载体上均匀分布有微体积高温发热体，所述微体积高温发热体包裹有催化剂；所述载体构成空间分布均匀的多孔网状透气结构，用于支撑微体积发热体及其上催化剂均匀细密地分布在腔体内部空间中，所述载体为不吸收微波的介质材料；所述载体由石英玻璃棒和聚四氟乙烯网制成，将石英玻璃棒均匀的插入聚四氟乙烯网中，所述石英玻璃棒的直径为6mm，长度为50cm；所述微体积高温发热体为具有微波吸收性能的材料，具体为SiC、石墨、炭黑或铁氧体，其中微体积高温发热体的粒径范围为：1um～20mm；所述催化剂包括MnO、MnO2、TiO2、CuO，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1。
2.根据权利要求1所述的一种微波催化燃烧废气处理装置，其特征在于：所述微波打散器为可旋转的风扇状金属搅拌器，所述搅拌器旋转时对微波进行各个方向的反射，使微波能量均匀分布在腔体内。
3.根据权利要求1所述的一种微波催化燃烧废气处理装置，其特征在于：所述腔体为用金属板材制作的密封结构，其中腔体的尺寸为1000mm×1000mm×1000mm，所述进气口和出气口的直径为200mm的圆形孔。
4.一种用于权利要求1所述的微波催化燃烧废气处理装置的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)备料：准备好MnO、MnO2、TiO2、CuO、0.5mm的SiC、直径6mm长度50cm的石英玻璃棒、聚四氟乙烯网和水凝胶粉，其中MnO、MnO2、TiO2、CuO的重量比为1:1:1:1；
(2)催化剂制浆：用水做分散剂，分别将MnO、MnO2、TiO2、CuO加入水中混合，并加入SiC，然后再加入水凝胶粉，并搅拌混合均匀；
(3)微体积高温发热体包浆：将石英玻璃棒一根根逐一浸入步骤(2)的混合物中；
(4)载体制作：将包浆后的石英玻璃棒沥干后拿出，并逐一均匀安装在聚四氟乙烯网上；
(5)涂覆：将水凝胶和淀粉用水稀释后，将载体浸湿，利用液体的粘性，将MnO、MnO2、TiO2、CuO分布在的载体表面；
(6)微波烧结：将载体放入腔体中，打开微波源进行烧结，SiC吸收微波以后，温度会快速上升，将水分蒸发，水凝胶粉被分解，MnO、MnO2、TiO2、CuO附着在SiC的表面，SiC附着在石英玻璃棒的表面。
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