CN108636110A - 吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置及方法，装置包括依次连接的进气管、第一气管、吸附单元、第二气管和排气管；进气管各排气管上均设有开关阀；还包括等离子体发生单元和解吸废气处理单元；等离子体发生单元连接空气通入支管，空气通入支管上设有空气开关阀，等离子体发生单元通过第五气管及第五气管上设有的抽气压缩泵机构与排气管连接，排气管连接有尾气处理单元；吸附单元内设有吸附剂和催化剂。本发明的吸附剂脱附再生效果更好，对VOCs降解效率更高，尾气中有害物质、活性物质更少；避免了高浓度废气直接由低温等离子体发生单元处理存在燃爆风险的问题，避免了催化剂置于低温等离子体发生单元中空间受限、副产物多的问题。
Description
技术领域
本发明属于废气的化学净化技术领域，具体涉及一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置及方法。
背景技术
挥发性有机污染废气（以下简称VOCs废气），多产生于工业生产过程中，如油漆生产、化纤行业、金属涂装、化学涂料、制鞋制革、胶合板制造、轮胎制造等工业生产过程，其中含有大量的挥发性有机化合物（VOCs），主要包括丙酮、甲苯、苯酚、二甲基苯胺、甲醛、正己烷、乙酸乙酯、乙醇等，是常见的大气污染物，危害着接触人群的身体健康。
当前，VOCs治理有两类基本技术，一类是回收技术，处理的基本思路是对排放的VOCs废气进行吸收、过滤、分离，然后进行提纯等处理，再资源化循环利用。另一类是销毁技术，处理的基本思路是通过化学反应，把排放的VOCs废气分解化合转化为其他无毒无害的物质。回收技术和销毁技术也可以对应区分为非破坏性处理和破坏性处理。
销毁技术主要有燃烧法、生物降解技术、光催化氧化法等。其中，燃烧法虽具有处理效率高、处理彻底等优点，但当废气中含有Cl、S、N等元素，燃烧法会产生HCl、SOx、NOx等有害气体，造成二次污染；生物降解法对成分复杂的废气或难以降解的VOCs去除效果较差；光催化氧化法的热力发生以及要求VOCs废气的停留时间较长，形成的副产物容易沉积在光催化剂表面从而降低VOCs的去除效率。
回收技术主要有吸收法、冷凝法、膜分离法和吸附法等。吸收法本身存在吸收剂损耗，吸收VOCs后的废液容易造成二次污染和下游设备腐蚀；冷凝法需低温和高压，设备费用和操作费用高，且VOCs回收率不高；膜分离法虽结构简单，但关键部件膜的价格较高、处理速度慢、维护困难，目前尚未得到大规模工业应用；
吸附法是目前使用最广泛的VOCs废气处理法，利用活性炭对VOCs废气进行吸附净化处理，净化率可达95%以上，设备简单、投资少，但需要经常更换饱和吸附的活性炭。饱和吸附的活性炭未经处理投放存在二次污染，或统一经过过热蒸汽反吹以实现脱附再生，但又存在处理成本高且存在污染转移的问题；频繁进行吸附、解吸操作，增加了运行费用，还不能实现连续作业。
低温等离子处理法是较新的处理方法，也逐渐应用于VOCs废气处理领域。等离子体是宏观上呈现电中性的电离气体，是由大量的带电粒子（包含自由电子、带正电的离子和带负电的离子，也可以存在中性粒子）组成的非束缚态宏观体系，是继固态、液态、气态之后物质存在的第四态；当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体，放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子及气体温度很低，整个混合体呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体拥有的高电子能量、低离子及气体温度这一非平衡特性对化学反应非常有利，具有反应条件温和、响应迅速、适用范围广等特点，低温等离子体降解污染物正是利用这些高能电子、自由基等活性粒子短时间内无选择性地破坏VOCs的分子结构，并发生后续的各种反应以达到降解VOCs的目的，将VOCs降解为CO2、H2O和其它无害气体产物。但在实际应用中，单独使用等离子体技术常会碰到能耗高和副产物难以控制的技术瓶颈。为此，国内外学者提出了等离子体联合催化的方法，该方法利用等离子体与催化剂之间的协同效应，可实现等离子体在室温条件下对催化剂的活化，在提高VOCs降解效率的同时降低反应能耗；另外，催化剂的加入可更好地利用等离子体中的活性物质，催化剂的高选择性可抑制副产物的生成，促使VOCs分子向CO2和H2O的深度氧化；但联合催化的使用有待具体实施的进一步优化。
现有技术：CN 105983295 A一种低温等离子体协同吸附处理工业废气方法，是吸附剂和低密度低温等离子体单元的串联来二次处理VOCs废气，再通过热风脱附并经高密度低温等离子体单元来处理热脱附废气，从结构和原理上提高了处理效果，促进了吸附剂的循环使用，解决了需要更换吸附剂、饱和吸附的吸附剂未经处理投放存在二次污染、脱附再生又存在处理成本高和污染转移的问题，实现了连续作业。但其对VOCs废气的处理效果以及对吸附剂的脱附效果还可以进一步提高，还有热风脱附的高浓度废气遇到低温等离子体中的带电离子容易引发爆炸的问题需要解决，且没有针对低温等离子体单元产生的活性物质（如臭氧）的处理措施。
CN 105521705 A一种低温等离子体协同催化治理有机废气的方法，和CN101797476 A一种基于低温等离子体与活性炭作用的废气处理装置，原理都是将催化剂固设在低温等离子体发生装置中，再串联吸附剂来二次处理VOCs废气。将催化剂置于低温等离子体发生装置内部，除了可利用放电等离子体中的长寿命活性物质对VOCs进行降解外，还可充分利用瞬态活性物质对VOCs进行有效降解，降解效率较高，但存在因低温等离子体发生装置内部空间有限，于其内填充催化剂的数量有限，且存在副产物O3和NOx比较多的缺点，虽然串联了吸附剂来二次处理，但没有针对吸附剂热脱附再生处理的措施，吸附剂脱附再生的效果较差。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置及方法，以取得吸附剂的脱附再生效果更好，对VOCs降解效率更高，尾气中的有害物质、活性物质更少的效果；避免解吸时的高浓度废气直接由低温等离子体发生单元处理容易产生毒性更强的聚合物且存在燃爆风险的问题，避免催化剂置于低温等离子体发生单元中空间受限、副产物多的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，包括依次连接的进气管、第一气管、吸附单元、第二气管和排气管；所述进气管上设有进气开关阀，所述排气管上设有排气开关阀；还包括等离子体发生单元；所述等离子体发生单元连接空气通入支管，所述空气通入支管上设有空气开关阀Ⅰ，所述等离子体发生单元还通过第五气管及所述第五气管上依次设有的抽气压缩泵机构和第五开关阀Ⅱ与排气管连接第二气管的一端连接，所述排气管连接有尾气处理单元。
所述尾气处理单元内设有多层活性物质分解催化剂。
本发明包括了吸附单元和等离子体发生单元；仅打开进气开关阀和排气开关阀，使本装置处于吸附处理阶段，VOCs废气经吸附单元和尾气处理单元后排出；吸附剂饱和吸附或趋近饱和吸附后，关闭进气开关阀和排气开关阀，打开空气开关阀Ⅰ和第五开关阀Ⅱ，打开抽气压缩泵机构，使本装置处于O3降解处理阶段，此时等离子体发生单元与吸附单元形成密闭的串联支路，通过控制供给等离子体发生单元的电压和频率使其产生特定浓度的长寿命活性物质O3；而O3在抽气压缩泵机构的作用下，将在吸附单元内形成高气压环境，实现高气压条件下O3对吸附剂所吸附的VOCs的降解，同时实现吸附剂的原位脱附再生；由于VOCs被吸附剂所吸附，使降解处理过程更加集中有效；当降解达到要求后关闭空气开关阀Ⅰ、第五开关阀Ⅱ和抽气压缩泵机构，打开排气开关阀，吸附单元中的高压气体经尾气处理单元进一步分解处理气体中残余的活性物质后排出，尾气中的有害物质、活性物质更少；高气压条件下O3对VOCs的降解效果更好，也使吸附剂的原位脱附再生效果进一步提高；吸附剂不再需要经常更换，避免了饱和吸附的吸附剂未经处理投放存在二次污染或统一脱附再生处理成本高且存在污染转移的问题。
作为明显变形，第五气管也可以直接连接在吸附单元上，本发明不作限制。本装置处于吸附处理阶段时也可以关闭排气开关阀，打开第五开关阀Ⅱ和空气开关阀Ⅰ并在空气通入支管另外连接一尾气处理单元以形成吸附单元与等离子体发生单元串联处理VOCs废气的形式从而提高处理效果，因为VOCs废气经吸附单元后能满足排放要求，所以，本发明不作上述限制。
进一步完善上述技术方案，所述吸附单元内设有吸附剂和催化剂Ⅰ。
所述吸附剂包括活性炭，所述催化剂Ⅰ包括贵金属催化剂或/和过渡金属催化剂。优选将催化剂Ⅰ附着于活性炭表面。
这样，将催化剂Ⅰ置于吸附单元，用于与等离子体发生单元产生的长寿命活性物质O3在高气压条件下协同降解VOCs，提高对VOCs的降解效率，缩短时间，减低能耗，同时避免了催化剂Ⅰ置于低温等离子体发生单元中空间受限、副产物多的问题。
进一步地，所述等离子体发生单元通过第三气管与进气管连接第一气管的一端连接，所述第三气管上设有第三开关阀Ⅱ，第三开关阀Ⅱ与等离子体发生单元之间的第三气管管段上连接有空气供应单元，所述等离子体发生单元与抽气压缩泵机构之间的第五气管管段上设有第五开关阀Ⅰ，所述第五气管上与所述第五开关阀Ⅰ、抽气压缩泵机构和第五开关阀Ⅱ并联有第四气管；
还包括解吸废气处理单元；所述解吸废气处理单元通过第六气管与第三开关阀Ⅱ和进气管之间的第三气管管段连接，通过第七气管与所述第四气管连接；所述第六气管上设有第六开关阀，等离子体发生单元与第七气管之间的第四气管管段上设有第四开关阀Ⅰ，等离子体发生单元和第四开关阀Ⅰ之间的第四气管管段与第六开关阀和解吸废气处理单元之间的第六气管管段之间连接有第八气管，所述第八气管上设有第八开关阀；
所述第二气管上设有第二开关阀，第二开关阀与吸附单元之间的第二气管管段上连接有氮气供应单元。
这样，由于高气压条件下O3协同催化降解吸附剂上的VOCs后仍存在VOCs残留，为使吸附剂深度脱附再生，在O3降解处理阶段后，可增加加热解吸处理阶段。在前述O3降解处理阶段中，当高气压条件下 O3协同催化降解VOCs达到要求并经排气开关阀排出高压气体后，关闭第二开关阀，打开第六开关阀和第八开关阀，打开第二气管上的氮气供应单元和空气供应单元，再对吸附单元进行加热，使本装置处于加热解吸高浓度废气处理阶段，通过专门设置的解吸废气处理单元来处理吸附剂经加热解吸出的高浓度易燃易爆废气，保证操作安全，避免高浓度废气直接由低温等离子体单元处理容易产生毒性更强的聚合物且存在燃爆风险的问题；其中氮气的供入是为吸附剂加热解吸提供脱附气体，促进脱附。
作为明显变形，第六气管也可以连接在进气管或第一气管上，第七气管也可以连接在第五气管或排气管或第二开关阀与排气管之间的第二气管管段上，本发明不作限制。
由于O3协同催化降解低浓度VOCs废气的效果有限，所以，当加热解吸出的废气中含有的VOCs浓度较低，即加热解吸出低浓度废气时，关闭第六开关阀和第八开关阀，打开第三开关阀Ⅱ和第四开关阀Ⅰ，使本装置处于加热解吸低浓度废气处理阶段，通过控制供给等离子体发生单元的电压和频率使其产生特定浓度的等离子体瞬态活性物质，在等离子体发生单元内通过瞬态活性物质对加热解吸出的低浓度废气进行高效降解。通过不同的气路对应的进行加热解吸高浓度废气处理和加热解吸低浓度废气处理，进一步提高了吸附剂的原位脱附再生效果和VOCs废气的综合降解效果。
进一步地，所述吸附单元连接有温控单元，所述温控单元包括冷却机构和加热机构，所述吸附单元还连接有温度检测模块和气压检测模块。
这样，可通过冷却机构在吸附处理阶段和O3降解处理阶段对吸附单元进行降温，以保证吸附处理阶段对VOCs废气的吸附处理效果，保证O3降解处理阶段对VOCs废气的O3协同催化降解效果；通过加热机构的设置便于在加热解吸处理阶段对吸附单元进行加热使吸附剂解吸；通过气压检测模块可在O3降解处理阶段对吸附单元中的气压进行阈值控制，以保证高气压条件下O3协同催化降解VOCs的效果；通过温度检测模块可将各阶段中吸附单元所需温度进行有效控制。
进一步地，第六气管与进气管之间的第三气管管段上设有降温机构。
这样，通过降温机构对加热解吸出的废气进行降温，以保证后续VOCs的降解处理效果。
进一步地，降温机构与进气管之间的第三气管管段上还设有第三开关阀Ⅰ，第七气管与排气管之间的第四气管管段上还设有第四开关阀Ⅱ，所述第七气管上设有第七开关阀；所述空气通入支管连接在第三开关阀Ⅱ与等离子体发生单元之间的第三气管管段上。
这样，使气流在装置中的流向更简短，避免进入并滞留在尽头端封闭的气路中；空气通入支管连接在第三气管上可减少设于等离子体发生单元上的接口。
进一步地，所述等离子体发生单元内设有高压电极，所述高压电极连接高压电源模块；所述解吸废气处理单元内设有催化剂Ⅱ和紫外辐照机构；所述氮气供应单元包括制氮机构和氮气开关阀，所述空气供应单元包括空气泵机构和空气开关阀Ⅱ。
所述催化剂Ⅱ包括贵金属催化剂或/和过渡金属催化剂。
这样，解吸废气处理单元内设有催化剂Ⅱ和紫外辐照机构，其结合等离子体发生单元产生的长寿命活性物质O3，在解吸废气处理单元内对加热解吸出的高浓度废气进行O3协同催化和紫外辐照降解；设置氮气开关阀和空气开关阀Ⅱ是为了在制氮机构和空气泵机构不工作时将对应的开关阀关闭，避免装置内的气流漏出。
进一步地，各机构、开关阀以及模块均连接信号收发模块，所述信号收发模块连接于计算机。
这样，计算机通过信号收发模块控制各开关阀的开闭以控制装置中的气流流向，根据废气的处理阶段，控制冷却机构、加热机构、制氮机构、空气泵机构、抽气压缩泵机构、降温机构以及高压电源模块的开闭；根据废气的处理阶段，计算机通过信号收发模块和高压电源模块控制供给高压电极的电压和频率使其在不同阶段产生不同的活性物质；结合气压检测模块的实时监控反馈控制抽气压缩泵机构的实时启动或暂停，以保证高气压条件下O3催化降解活性炭所吸附VOCs的气压阈值；结合温度检测模块的实时监控反馈控制冷却机构或加热机构的实时启动或暂停，以达到保证吸附效果、O3协同催化降解效果或加热解吸效果的目的。
本发明同时涉及一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的设备，包括至少两个上述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，所有进气管共同连接于一总进气管，所有排气管共同连接于一尾气处理单元，所有信号收发模块共同连接于一计算机。
这样，可使部分吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置处于O3降解处理阶段或加热解吸处理阶段时，部分吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置处于吸附处理阶段，以保证废气的连续性处理，且适用于大流量废气的处理，适用性强。
本发明同时还涉及一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的方法，包括如下步骤：
1）吸附处理阶段；利用吸附单元内的吸附剂对VOCs废气中的挥发性有机化合物进行吸附；
2）O3降解处理阶段；吸附剂饱和吸附后，将等离子体发生单元放电产生的O3通入吸附单元，在高气压条件下利用O3协同吸附单元内的催化剂Ⅰ对吸附剂所吸附的挥发性有机化合物进行降解以实现吸附剂的脱附再生；
3）加热解吸高浓度废气处理阶段：采用加热方式对经步骤2）后的吸附剂进行解吸以实现吸附剂的深度脱附再生；将加热解吸出的高浓度挥发性有机化合物气体通入解吸废气处理单元，同时通入等离子体发生单元放电产生的O3，利用O3协同解吸废气处理单元内的催化剂Ⅱ和紫外辐照对高浓度挥发性有机化合物气体中的高浓度挥发性有机化合物进行降解；
4）加热解吸低浓度废气处理阶段：将加热后期解吸出的低浓度挥发性有机化合物气体通入等离子体发生单元并利用等离子体发生单元放电产生的瞬态活性物质对低浓度挥发性有机化合物气体中的低浓度挥发性有机化合物进行降解。
本方法基于上述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置而进行时，
步骤1）吸附处理阶段的操作包括：打开进气开关阀、第二开关阀和排气开关阀，打开冷却机构，将VOCs废气从进气管通入，经吸附单元和尾气处理单元后排出；
步骤2）O3降解处理阶段的操作包括：关闭进气开关阀和排气开关阀，打开空气开关阀Ⅰ、第五开关阀Ⅰ和第五开关阀Ⅱ，打开抽气压缩泵机构以使等离子体发生单元与吸附单元形成密闭的串联支路，等离子体发生单元放电产生O3，在抽气压缩泵机构的作用下在吸附单元内形成高气压环境，实现高气压条件下利用O3协同吸附单元内的催化剂Ⅰ对吸附剂所吸附的挥发性有机化合物的降解；
降解达到要求后，关闭空气开关阀Ⅰ、第五开关阀Ⅰ和第五开关阀Ⅱ，关闭抽气压缩泵机构和冷却机构，打开排气开关阀，使吸附单元中的高压气体经尾气处理单元排出；
步骤3）加热解吸高浓度废气处理阶段的操作包括：关闭第二开关阀，打开氮气开关阀、第三开关阀Ⅰ、空气开关阀Ⅱ、第六开关阀、第七开关阀、第八开关阀和第四开关阀Ⅱ，打开制氮机构、加热机构、降温机构、空气泵机构和紫外辐照机构；将加热解吸出的高浓度挥发性有机化合物气体通入解吸废气处理单元，等离子体发生单元放电产生的O3在解吸废气处理单元内协同催化剂Ⅱ和紫外辐照对高浓度挥发性有机化合物进行降解后再经尾气处理单元排出；
步骤4）加热解吸低浓度废气处理阶段的操作包括：关闭第六开关阀、第七开关阀和第八开关阀，打开第三开关阀Ⅱ和第四开关阀Ⅰ；将加热后期解吸出的低浓度挥发性有机化合物气体通入等离子体发生单元并利用等离子体发生单元放电产生的瞬态活性物质对低浓度挥发性有机化合物进行降解后再经尾气处理单元排出。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在吸附处理后利用等离子体发生单元放电产生的长寿命活性物质O3，在高气压条件下协同催化集中降解VOCs，使降解效果更好，效率更高，吸附剂的原位脱附再生效果更好；另外还通过加热解吸的方式对未被O3协同催化降解的残留VOCs进行解吸并降解，进一步实现吸附剂的深度脱附再生。
2、本发明将加热解吸处理阶段分为两段进行，将解吸出的高浓度废气通入解吸废气处理单元进行O3协同催化和紫外辐照降解，避免了燃爆风险；将解吸出的低浓度废气通入等离子体发生单元利用等离子体瞬态活性物质降解，避免了O3协同催化降解低浓度废气能力有限的问题，使VOCs废气的综合处理效果更好。
3、本发明设置的尾气处理单元针对性地处理排出气流中的活性物质，使处理更彻底，尾气中的有害物质、活性物质更少，满足排放要求。
4、本发明的催化剂Ⅰ置于吸附单元中，催化剂Ⅱ置于解吸废气处理单元中，解决了催化剂置于低温等离子体发生单元中空间受限、处理废气过程中副产物多的问题；经高气压条件下协同催化降解处理后的吸附剂在下一轮的吸附处理中的吸附效果更好，取得了预想不到的技术效果。
5、本发明能实现连续性处理，适应性强；通过计算机实时控制，有效减低能耗；自动化程度高，减少人工投入，避免工作人员中毒的风险。
附图说明
图1-实施例吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置的结构示意图；
图2-实施例吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置的气管示意图（用于示意各气管的标记，为便于辨别，图中将各气管之间的连接处断开）；
图3-实施例吸附协同低温等离子体催化处理废气的设备的结构示意图；
其中，进气管10，第一气管1，第二气管2，第三气管3，第四气管4，第五气管5，第六气管6，第七气管7，第八气管8，排气管9，
计算机11，信号收发模块12，
等离子体发生单元21，高压电源模块22，第三开关阀Ⅰ23，降温机构24，空气泵机构25，空气开关阀Ⅱ26，空气开关阀Ⅰ27，第三开关阀Ⅱ28，第六开关阀29，第五开关阀Ⅰ210，抽气压缩泵机构211，第五开关阀Ⅱ212，第八开关阀213，第四开关阀Ⅰ214，解吸废气处理单元215，第七开关阀216，第四开关阀Ⅱ217，
吸附单元31，进气开关阀32，冷却机构33，加热机构34，温度检测模块35，气压检测模块36，氮气开关阀37，制氮机构38，第二开关阀39，排气开关阀310，
尾气处理单元41。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
参见图1、图2，吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，包括依次连接的进气管10、第一气管1、吸附单元31、第二气管2和排气管9；所述进气管10上设有进气开关阀32，所述排气管9上设有排气开关阀310；还包括等离子体发生单元21；所述等离子体发生单元21通过第三气管3与进气管10连接第一气管1的一端连接，通过第五气管5及第五气管5上依次设有的第五开关阀Ⅰ210、抽气压缩泵机构211和第五开关阀Ⅱ212与排气管9连接第二气管2的一端连接；所述第三气管3上设有第三开关阀Ⅰ23和第三开关阀Ⅱ28，其中第三开关阀Ⅰ23靠近进气管10端，第三开关阀Ⅱ28靠近等离子体发生单元21；所述第三开关阀Ⅱ28与等离子体发生单元21之间的第三气管3管段上连接空气通入支管的一端；空气通入支管的另一端与外界大气环境直接相通，且空气通入支管上设有空气开关阀Ⅰ27；所述第五气管5上与所述第五开关阀Ⅰ、抽气压缩泵机构和第五开关阀Ⅱ并联有第四气管4；所述第四气管4靠近排气管9的一端上设有第四开关阀Ⅱ217，靠近等离子体发生单元21的一端上设有第四开关阀Ⅰ214；所述排气管9连接有尾气处理单元41。还包括解吸废气处理单元215；所述解吸废气处理单元215通过第六气管6与第三开关阀Ⅱ28和第三开关阀Ⅰ23之间的第三气管3管段连接，通过第七气管7与第四开关阀Ⅰ214和第四开关阀Ⅱ217之间的第四气管4管段连接；所述第六气管6上设有第六开关阀29，所述第七气管7上设有第七开关阀216，所述第二气管2上设有第二开关阀39，第二开关阀39与吸附单元31之间的第二气管2管段上连接有氮气供应单元。
第三开关阀Ⅱ28与等离子体发生单元21之间的第三气管3管段上还连接有空气供应单元，等离子体发生单元21和第四开关阀Ⅰ214之间的第四气管4管段与第六开关阀29和解吸废气处理单元215之间的第六气管6管段之间连接有第八气管8，所述第八气管8上设有第八开关阀213。
第六气管6与第三开关阀Ⅰ23之间的第三气管3管段上设有降温机构24。
所述氮气供应单元包括制氮机构38和氮气开关阀37，所述空气供应单元包括空气泵机构25和空气开关阀Ⅱ26。
所述吸附单元31连接有温控单元，所述温控单元包括冷却机构33和加热机构34，所述吸附单元31还连接有温度检测模块35和气压检测模块36；所述等离子体发生单元21内设有高压电极，所述高压电极连接高压电源模块22；各机构、开关阀以及模块均连接信号收发模块12，所述信号收发模块12连接于计算机11。
所述尾气处理单元41内设有多层活性物质分解催化剂；所述吸附单元31内设有吸附剂和催化剂Ⅰ，所述吸附剂包括活性炭，所述催化剂Ⅰ包括贵金属催化剂或/和过渡金属催化剂，优选将催化剂Ⅰ附着于活性炭表面；所述解吸废气处理单元215内设有催化剂Ⅱ和紫外辐照机构，所述催化剂Ⅱ包括贵金属催化剂或/和过渡金属催化剂，所述紫外辐照机构也与信号收发模块12连接。
所述活性炭可使用颗粒活性炭、活性炭纤维、蜂窝炭或/和其它适用型活性炭。
本发明同时提供一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的方法，包括如下步骤：
1）吸附处理阶段；利用吸附单元内的吸附剂对VOCs废气中的挥发性有机化合物进行吸附；
2）O3降解处理阶段；吸附剂饱和吸附后，将等离子体发生单元放电产生的O3通入吸附单元，在高气压条件下利用O3协同吸附单元内的催化剂Ⅰ对吸附剂所吸附的挥发性有机化合物进行降解以实现吸附剂的脱附再生；
3）加热解吸高浓度废气处理阶段：采用加热方式对经步骤2）后的吸附剂进行解吸以实现吸附剂的深度脱附再生；将加热解吸出的高浓度挥发性有机化合物气体通入解吸废气处理单元，同时通入等离子体发生单元放电产生的O3，利用O3协同解吸废气处理单元内的催化剂Ⅱ和紫外辐照对高浓度挥发性有机化合物气体中的高浓度挥发性有机化合物进行降解；
4）加热解吸低浓度废气处理阶段：将加热后期解吸出的低浓度挥发性有机化合物气体通入等离子体发生单元并利用等离子体发生单元放电产生的瞬态活性物质对低浓度挥发性有机化合物气体中的低浓度挥发性有机化合物进行降解。
本方法可基于上述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置而进行，
使用上述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置进行VOCs废气处理的过程分为三个阶段，吸附处理阶段、O3降解处理阶段以及加热解吸处理阶段，其中，加热解吸处理阶段又分为加热解吸高浓度废气处理阶段和加热解吸低浓度废气处理阶段。具体操作包括：
吸附处理阶段：计算机11通过信号收发模块12控制打开进气开关阀32、第二开关阀39和排气开关阀310，为防止吸附剂吸附过程中的吸附放热、热量蓄积而引起吸附剂发生着火，计算机11通过信号收发模块12控制打开冷却机构33，并结合温度检测模块35的实时监控反馈控制冷却机构33的实时启动或暂停（其余各机构、开关阀处于关闭状态）；将已预处理的VOCs废气从进气管10通入，经吸附单元31和尾气处理单元41后排出。
O3降解处理阶段：吸附剂饱和吸附或趋近饱和吸附后，计算机11通过信号收发模块12控制关闭进气开关阀32和排气开关阀310，打开空气开关阀Ⅰ27、第五开关阀Ⅰ210和第五开关阀Ⅱ212，打开抽气压缩泵机构211，通过高压电源模块22控制供给等离子体发生单元21的电压和频率使其发生气体放电产生O3；此时等离子体发生单元21与吸附单元31形成密闭的串联支路，O3在抽气压缩泵机构的作用下，将在吸附单元31内形成高气压环境，实现高气压条件下O3协同催化降解VOCs，同时实现吸附剂的原位脱附再生；为使吸附单元31中的气压达到预定的安全阈值，计算机11通过信号收发模块12并结合气压检测模块36的实时监控反馈控制抽气压缩泵机构211的实时启动或暂停；为防止高气压条件下O3协同催化降解VOCs时产热过高、热量蓄积，冷却机构33和温度检测模块35仍处于工作状态。当O3协同催化降解VOCs达到要求后，计算机11通过信号收发模块12控制关闭空气开关阀Ⅰ27、第五开关阀Ⅰ210和第五开关阀Ⅱ212，关闭抽气压缩泵机构211，打开排气开关阀310，使吸附单元31中的高压气体经尾气处理单元41排出。
加热解吸高浓度废气处理阶段：在前述O3降解处理阶段中，当吸附单元31中的高压气体经尾气处理单元41排出并恢复至大气压时，计算机11通过信号收发模块12控制关闭第二开关阀39，打开氮气开关阀37、第三开关阀Ⅰ23、空气开关阀Ⅱ26、第六开关阀29、第七开关阀216、第八开关阀213和第四开关阀Ⅱ217，关闭冷却机构33，打开制氮机构38、加热机构34、降温机构24和空气泵机构25；计算机11通过信号收发模块12并结合温度检测模块35的实时监控反馈控制加热机构34的实时启动或暂停，对吸附剂进行加热脱附以实现吸附剂的深度脱附再生；此时高压电源模块22仍处于工作状态，等离子体发生单元21发生气体放电产生的O3在解吸废气处理单元215内协同催化剂Ⅱ和紫外辐照对加热解吸出的高浓度废气进行高效降解，再经尾气处理单元41后排出；制氮机构38供入氮气为吸附剂加热解吸提供脱附气体，促进脱附；空气泵机构25为等离子体发生单元21的气体放电提供工作气体。
加热解吸低浓度废气处理阶段：当加热解吸出的废气中含有的VOCs浓度低于等离子体燃爆下限，即加热解吸出低浓度废气时，计算机11通过信号收发模块12控制关闭第六开关阀29、第七开关阀216和第八开关阀213，打开第三开关阀Ⅱ28和第四开关阀Ⅰ214；此时制氮机构38、加热机构34、温度检测模块35、降温机构24和空气泵机构25仍处于工作状态，加热解吸出的低浓度废气进入等离子体发生单元21；计算机11通过信号收发模块12和高压电源模块22控制供给等离子体发生单元21的电压和频率使其产生特定浓度的等离子体瞬态活性物质，利用瞬态活性物质对VOCs进行高效降解，再经尾气处理单元41后排出。
装置进行下一循环的VOCs废气处理前，关闭所有机构及开关阀，使本装置复位至初始工作状态。
优选地，在O3降解处理阶段后，加热解吸高浓度废气处理阶段前可以增加氮气吹扫过程，氮气吹扫过程操作为：在O3降解处理阶段中，当吸附单元31中的高压气体经尾气处理单元41排出并恢复至大气压时，计算机11通过信号收发模块12控制关闭第二开关阀39，打开氮气开关阀37、第三开关阀Ⅰ23、第六开关阀29、第七开关阀216和第四开关阀Ⅱ217，关闭冷却机构33，打开制氮机构38，促使装置内的气体被吹扫排出。对应的，后续的加热解吸高浓度废气处理阶段操作为：计算机11通过信号收发模块12控制打开空气开关阀Ⅱ26和第八开关阀213，打开加热机构34、降温机构24和空气泵机构25。
优选地，为便于装置进入下一循环的VOCs废气处理过程，在加热解吸低浓度废气处理阶段后，还可以设置吸附单元31的降温过程，吸附单元31的降温过程操作为：计算机11通过信号收发模块12控制关闭加热机构34，打开冷却机构33，并结合温度检测模块35的实时监控反馈控制冷却机构33使吸附单元31降温至吸附剂的正常吸附温度。
参见图3，本发明同时还提供一种吸附协同低温等离子体催化处理废气的设备，包括两个上述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，两装置的进气管10连接于同一总进气管10，两装置的排气管9连接于同一尾气处理单元41，两装置的信号收发模块12共同连接于计算机11。
本设备可进行VOCs废气的连续处理，其具体操作包括：当其中一个吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置处于吸附处理阶段时，另一个吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置则处于O3降解处理阶段或加热解吸处理阶段；两装置的具体处理过程与前述相同，此处不再赘述。
前文所述的已预处理的VOCs废气，其预处理包括降温处理、除尘处理、除湿处理以及避免催化剂中毒（失效）的杂质成分处理。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，包括依次连接的进气管、第一气管、吸附单元、第二气管和排气管；所述进气管上设有进气开关阀，所述排气管上设有排气开关阀；还包括等离子体发生单元；其特征在于：所述等离子体发生单元连接空气通入支管，所述空气通入支管上设有空气开关阀Ⅰ，所述等离子体发生单元还通过第五气管及所述第五气管上依次设有的抽气压缩泵机构和第五开关阀Ⅱ与排气管连接第二气管的一端连接，所述排气管连接有尾气处理单元。
2.根据权利要求1所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：所述吸附单元内设有吸附剂和催化剂Ⅰ。
3.根据权利要求2所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：所述等离子体发生单元通过第三气管与进气管连接第一气管的一端连接，所述第三气管上设有第三开关阀Ⅱ，第三开关阀Ⅱ与等离子体发生单元之间的第三气管管段上连接有空气供应单元，所述等离子体发生单元与抽气压缩泵机构之间的第五气管管段上设有第五开关阀Ⅰ，所述第五气管上与所述第五开关阀Ⅰ、抽气压缩泵机构和第五开关阀Ⅱ并联有第四气管；
还包括解吸废气处理单元；所述解吸废气处理单元通过第六气管与第三开关阀Ⅱ和进气管之间的第三气管管段连接，通过第七气管与所述第四气管连接；所述第六气管上设有第六开关阀，等离子体发生单元与第七气管之间的第四气管管段上设有第四开关阀Ⅰ，等离子体发生单元和第四开关阀Ⅰ之间的第四气管管段与第六开关阀和解吸废气处理单元之间的第六气管管段之间连接有第八气管，所述第八气管上设有第八开关阀；
所述第二气管上设有第二开关阀，第二开关阀与吸附单元之间的第二气管管段上连接有氮气供应单元。
4.根据权利要求3所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：所述吸附单元连接有温控单元，所述温控单元包括冷却机构和加热机构，所述吸附单元还连接有温度检测模块和气压检测模块。
5.根据权利要求4所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：第六气管与进气管之间的第三气管管段上设有降温机构。
6.根据权利要求5所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：降温机构与进气管之间的第三气管管段上还设有第三开关阀Ⅰ，第七气管与排气管之间的第四气管管段上还设有第四开关阀Ⅱ，所述第七气管上设有第七开关阀；所述空气通入支管连接在第三开关阀Ⅱ与等离子体发生单元之间的第三气管管段上。
7.根据权利要求6所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，其特征在于：所述等离子体发生单元内设有高压电极，所述高压电极连接高压电源模块；所述解吸废气处理单元内设有催化剂Ⅱ和紫外辐照机构；所述氮气供应单元包括制氮机构和氮气开关阀，所述空气供应单元包括空气泵机构和空气开关阀Ⅱ。
8.吸附协同低温等离子体催化处理废气的设备，其特征在于：包括至少两个如权利要求1～7中任一项所述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置，所有进气管共同连接于一总进气管，所有排气管共同连接于一尾气处理单元。
9.吸附协同低温等离子体催化处理废气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）吸附处理阶段；利用吸附单元内的吸附剂对VOCs废气中的挥发性有机化合物进行吸附；
2）O3降解处理阶段；吸附剂饱和吸附后，将等离子体发生单元放电产生的O3通入吸附单元，在高气压条件下利用O3协同吸附单元内的催化剂Ⅰ对吸附剂所吸附的挥发性有机化合物进行降解以实现吸附剂的脱附再生；
3）加热解吸高浓度废气处理阶段：采用加热方式对经步骤2）后的吸附剂进行解吸以实现吸附剂的深度脱附再生；将加热解吸出的高浓度挥发性有机化合物气体通入解吸废气处理单元，同时通入等离子体发生单元放电产生的O3，利用O3协同解吸废气处理单元内的催化剂Ⅱ和紫外辐照对高浓度挥发性有机化合物气体中的高浓度挥发性有机化合物进行降解；
4）加热解吸低浓度废气处理阶段：将加热后期解吸出的低浓度挥发性有机化合物气体通入等离子体发生单元并利用等离子体发生单元放电产生的瞬态活性物质对低浓度挥发性有机化合物气体中的低浓度挥发性有机化合物进行降解。
10.根据权利要求9所述吸附协同低温等离子体催化处理废气的方法，其特征在于：本方法基于权利要求7所述的吸附协同低温等离子体催化处理废气的装置而进行，
步骤1）吸附处理阶段的操作包括：打开进气开关阀、第二开关阀和排气开关阀，打开冷却机构，将VOCs废气从进气管通入，经吸附单元和尾气处理单元后排出；
步骤2）O3降解处理阶段的操作包括：关闭进气开关阀和排气开关阀，打开空气开关阀Ⅰ、第五开关阀Ⅰ和第五开关阀Ⅱ，打开抽气压缩泵机构以使等离子体发生单元与吸附单元形成密闭的串联支路，等离子体发生单元放电产生O3，在抽气压缩泵机构的作用下在吸附单元内形成高气压环境，实现高气压条件下利用O3协同吸附单元内的催化剂Ⅰ对吸附剂所吸附的挥发性有机化合物的降解；
降解达到要求后，关闭空气开关阀Ⅰ、第五开关阀Ⅰ和第五开关阀Ⅱ，关闭抽气压缩泵机构和冷却机构，打开排气开关阀，使吸附单元中的高压气体经尾气处理单元排出；
步骤3）加热解吸高浓度废气处理阶段的操作包括：关闭第二开关阀，打开氮气开关阀、第三开关阀Ⅰ、空气开关阀Ⅱ、第六开关阀、第七开关阀、第八开关阀和第四开关阀Ⅱ，打开制氮机构、加热机构、降温机构、空气泵机构和紫外辐照机构；将加热解吸出的高浓度挥发性有机化合物气体通入解吸废气处理单元，等离子体发生单元放电产生的O3在解吸废气处理单元内协同催化剂Ⅱ和紫外辐照对高浓度挥发性有机化合物进行降解后再经尾气处理单元排出；
步骤4）加热解吸低浓度废气处理阶段的操作包括：关闭第六开关阀、第七开关阀和第八开关阀，打开第三开关阀Ⅱ和第四开关阀Ⅰ；将加热后期解吸出的低浓度挥发性有机化合物气体通入等离子体发生单元并利用等离子体发生单元放电产生的瞬态活性物质对低浓度挥发性有机化合物进行降解后再经尾气处理单元排出。
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- 2018-06-15 CN CN201810623192.XA patent/CN108636110B/zh active Active
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