CN109185902A - 基于二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧方法与装置 - Google Patents

基于二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置及方法，包括过滤器、催化陶瓷膜模块、真空泵、两差压控制器，所述催化陶瓷膜模块的管程内外壁均涂有超薄二维沸石催化剂层，所述过滤器的出口通过设有阀门的管路分别连接催化陶瓷膜模块的管程入口和壳程入口，所述催化陶瓷膜模块的管程出口和壳程出口通过设有阀门的管路连通大气，所述真空泵的入口通过阀门分别连接催化陶瓷膜模块管程入口和壳程入口，所述真空泵的出口连接所述过滤器的入口，所述两差压控制器分别用于检测所述催化陶瓷膜模块管程出入口之间、壳程出入口之间的压差。本发明燃烧效率高、环保能耗低、无二次污染，可反复利用，实现了气相有机污染物的催化燃烧过程。

Description

基于二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧方法与装置
技术领域
本发明涉及一种基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧方法与装置，属于废气净化领域。
背景技术
随着我国工业经济的快速发展，为社会带来了巨大的经济利益的同时，也排出了大量有害废气。挥发性有机化合物（VOCs）是空气主要污染物之一，包括烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳香烃等，主要来自石油化工、制药、印刷喷漆、机动车、等行业排放的废气。该类有机物废气会损害人体健康，对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，甚至造成急性或慢性中毒。而且会与大气中的NO2反应生成O3，使低空大气中O3浓度升高，破坏生态环境。因此，VOCs废气治理已经是迫在眉睫。
目前，我国传统的VOCs处理方法有吸附法、冷凝法和直接燃烧法等，但它们有易产生二次污染、能耗大、易受有机废气浓度和温度限制的缺点，而催化燃烧法能达到更好的处理效果。催化燃烧是典型的气固相催化反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低反应的活化能，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度下发生无焰燃烧并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量的热。有机废气催化燃烧与直接燃烧相比，具有起燃温度低、能耗低的显著特点；同时催化燃烧法处理有机废气的净化率高，一般都在95%以上；而且由于其燃烧温度低，能大量减少NOx的生成；催化燃烧法几乎可以处理所有的烃类有机废气，适用范围广。
气相有机污染物的催化燃烧过程中可能产生积碳，经过过滤器预处理的有机废气可能仍然存在少量灰尘，它们在催化燃烧过程中附着于催化剂表面，覆盖催化剂活性位点，会影响催化剂的催化作用。并且对于浓度较低的气相有机污染物，由于其浓度较低，难以维持持续燃烧。因此，有必要开发一种能克服以上问题的，基于超薄二维沸石催化剂的气相有机污染物催化燃烧方法及其装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种工艺简单、净化效率高、催化剂可反复充分利用的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机污染物催化燃烧方法及装置。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，包括过滤器、管壳式结构的催化陶瓷膜模块、真空泵、两差压控制器，所述催化陶瓷膜模块的管程内外壁均涂有超薄二维沸石催化剂层，所述过滤器的出口通过设有若干阀门的管路分别连接所述催化陶瓷膜模块的管程入口和壳程入口，所述催化陶瓷膜模块的管程出口和壳程出口通过设有阀门的管路连通大气，所述真空泵的入口通过阀门分别连接所述催化陶瓷膜模块管程入口和壳程入口，所述真空泵的出口连接所述过滤器的入口，所述两差压控制器分别用于检测所述催化陶瓷膜模块管程出入口之间、壳程出入口之间的压差值，用于监测催化陶瓷膜模块堵塞程度。
进一步地，所述的催化陶瓷膜模块包括设置有管程出入口之间和壳程出入口的陶瓷膜箱体，所述陶瓷膜箱体内并列设置有若干管内与管外均涂有超薄二维沸石催化剂层的陶瓷膜管，各陶瓷膜管的入口与所述陶瓷膜箱体管程入口相连接，各陶瓷膜管的出口与所述陶瓷膜箱体管程出口相连接。
进一步地，所述催化陶瓷膜模块下方设置有用于去除催化剂上附着的积碳的灼烧装置。
进一步地，所述过滤器的出口通过串联有第三阀门、第五阀门的管路连接所述陶瓷膜箱体的壳程入口。
进一步地，所述过滤器的出口通过设有第一阀门的管路连接所述催化陶瓷膜模块的管程入口。
进一步地，所述真空泵的入口与所述催化陶瓷膜模块的管程入口和壳程入口之间的管路上分别设置有第六阀门、第七阀门。
一种基于所述装置的气相有机物催化燃烧方法，包括步骤：
打开连接所述催化陶瓷膜模块管程入口和出口的阀门，其余阀门关闭；
将含有机污染物的烟气经通气管道输入过滤器，在过滤器内完成除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块的管程内时，烟气中的O2、N2、CO2、H2O渗透出去，留下高浓度有机污染物与管程内壁上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块的管程出口排出；
当差压控制器12检测到所述催化陶瓷膜模块管程入口和管程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵对所述催化陶瓷膜模块的管程进行疏通作业；
打开连接所述催化陶瓷膜模块壳程入口和壳程出口的阀门，除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块壳程内时，所述烟气中的O2、N2、CO2、H2O渗透出去，留下高浓度有机污染物与管程外壁上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块的壳程出口排出；
当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，对所述催化陶瓷膜模块管程内外壁的催化剂进行再生；
当催化剂完成再生后，打开连接所述催化陶瓷膜模块壳程入口和壳程出口的阀门，继续通入含有机污染物的烟气进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块的壳程出口排出；
当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵对所述催化陶瓷膜模块的壳程进行疏通作业；
改变通气方向，重复以上的步骤，即可实现通过催化燃烧连续处理气相有机污染物的过程。
进一步地，所述对所述催化陶瓷膜模块管程内外壁的催化剂进行再生具体包括：
停止通入含有机污染物的烟气，打开连接于所述催化陶瓷膜模块管程入口和管程出口处的阀门并通入新鲜的空气至所述催化陶瓷膜模块的管程和壳程，同时对所述催化陶瓷膜模块加热一定时间，使附着在所述催化陶瓷膜模块的管程内外壁的积碳和尘埃燃尽并吹出所述催化陶瓷膜模块。
进一步地，所述通过真空泵对所述催化陶瓷膜模块的管程进行疏通作业具体包括：关闭所述连接于催化陶瓷膜模块管程入口和管程出口处的阀门，打开连接于所述真空泵的入口与所述催化陶瓷膜模块的管程入口之间的阀门进行抽真空，完成后，关闭真空泵、于所述真空泵的入口与所述催化陶瓷膜模块的管程入口之间的阀门。
进一步地，所述通过真空泵对所述催化陶瓷膜模块的壳程进行疏通作业具体包括：
关闭连接于所述催化陶瓷膜模块的壳程入口和壳程出口处的阀门，打开位于所述真空泵的入口与催化陶瓷膜模块壳程入口之间的阀门进行抽真空，完成后，关闭真空泵、位于所述真空泵的入口与催化陶瓷膜模块壳程入口之间的阀门。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
（1）烟气先通入陶瓷膜管管内壁进行催化燃烧，通过差压控制器判断出催化陶瓷膜模块的积碳堵塞程度，当压差超过一定值时，再改变催化陶瓷膜模块的进气方向，使烟气反向吹扫陶瓷膜管管外壁进行催化燃烧，陶瓷膜管管内外的催化剂都得到了充分利用，增加了含有有机污染物的烟气的处理量，提升了催化燃烧效率，降低了废气处理的成本；
（2）O2、N2、CO2、H2O等大部分气体可渗透出去，留下高浓度的有机污染物，可以维持催化燃烧，催化燃烧过程不需要再额外加热；
（3）超薄二维沸石催化剂可降低有机废气燃烧的活化能，从而降低起燃温度，减少能耗，节约成本。另外，一般直接燃烧有机废气温度都会在600℃以上，易产生氮氧化物，而催化燃烧是没有明火的燃烧，一般低于350℃，不会有氮氧化物的生成，因此更为安全和环保；
（4）陶瓷膜模块下面设置有灼烧装置，用于去除催化剂上附着的积碳，催化剂恢复活性后，装置可以继续工作。
综合以上，本发明具有手段简便易行、净化效率高、环保效果好、可反复利用、燃烧效率高、环保效果好、能耗低、无二次污染、可广泛地适用于气相有机污染物的处理等优点，实现了气相有机污染物的催化燃烧过程，应用前景较广。
附图说明
图1是本发明基于超薄二维沸石催化剂的气相有机污染物催化燃烧装置结构示意图。
图2 是图1所示催化陶瓷膜管示意图。图中管内外均有超薄二维沸石催化剂的涂层。
图中：1-第一阀门；2-第二阀门；3-第三阀门；4-第四阀门；5-第五阀门；6-第六阀门；7-第七阀门；8-催化陶瓷膜模块；9-真空泵；10-过滤器；11-灼烧装置；12-第一差压控制器；13-陶瓷膜箱体；14-管内孔；15-管外壁；16-陶瓷膜管；17-第二差压控制器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例一
如图1所示，一种基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，包括过滤器10、管壳式结构的催化陶瓷膜模块8、真空泵9、第一差压控制器12、第二差压控制器17，所述催化陶瓷膜模块8的管程内外壁均涂有超薄二维沸石催化剂层；所述过滤器10的出口通过串联有第三阀门3、第五阀门5的管路连接所述陶瓷膜箱体13的壳程入口；所述过滤器10的出口还通过设有第一阀门1的管路连接所述催化陶瓷膜模块8的管程入口。所述催化陶瓷膜模块8的管程出口和壳程出口分别通过设有第二阀门2和第四阀门4的管路连通大气，所述真空泵9的入口分别通过设有第六阀门6、第七阀门7的管道连接所述催化陶瓷膜模块8管程入口和壳程入口，所述真空泵9的出口连接所述过滤器10的入口，所述第一差压控制器12、第二差压控制器17分别用于检测所述催化陶瓷膜模块8管程出入口之间、壳程出入口之间的压差值。
具体而言，所述的催化陶瓷膜模块8包括设置有管程出入口之间和壳程出入口的陶瓷膜箱体13，所述陶瓷膜箱体13内并列设置有若干管内14与管外15均涂有超薄二维沸石催化剂层的陶瓷膜管16，各陶瓷膜管16的入口与所述陶瓷膜箱体13管程入口相连接，各陶瓷膜管16的出口与所述陶瓷膜箱体13管程出口相连接。
另外，所述催化陶瓷膜模块8下方设置有用于去除催化剂上附着的积碳的灼烧装置11。
如图2所述，本实施例的陶瓷膜管16的管内孔14和管外壁15上均均涂有超薄二维沸石催化剂层，所述超薄二维沸石催化剂层可与过滤后的高浓度有机污染物进行催化燃烧。
实施例二
一种基于所述装置的气相有机物催化燃烧方法，包括步骤：
S1、打开连接所述催化陶瓷膜模块8管程入口和出口的第一阀门1和第二阀门2，其余阀门关闭；
S2、将含有机污染物的烟气经通气管道输入过滤器10，在过滤器10内完成除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块8的陶瓷膜管16内时，烟气中的O2、N2、CO2、H2O经陶瓷膜管16渗透出去，留下高浓度有机污染物与所述陶瓷膜管16的管内孔14壁上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块8的管程出口排出；
S3、当差压控制器12检测到所述催化陶瓷膜模块8管程入口和管程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵9对所述催化陶瓷膜模块8的各陶瓷膜管16进行疏通作业：
关闭所述连接于催化陶瓷膜模块8管程入口和管程出口处的第一阀门1和第二阀门2，打开连接于所述真空泵9的入口与所述催化陶瓷膜模块8的管程入口之间的第六阀门6进行抽真空，完成后，关闭真空泵9和第六阀门6；
S4、打开连接所述催化陶瓷膜模块8壳程入口和壳程出口的第五阀门5、第三阀门3、第四阀门4，除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块8壳程内(即所述陶瓷膜箱体13内)时，所述烟气中的O2、N2、CO2、H2O经所述陶瓷膜箱体13渗透出去，留下高浓度有机污染物与所述陶瓷膜管16的管外壁15上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块8的壳程出口排出；
S5、当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块8壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，对所述催化陶瓷膜模块8管程内外壁的催化剂进行再生：
停止通入含有机污染物的烟气，打开连接于所述催化陶瓷膜模块8管程入口和管程出口处的第一阀门1和第二阀门2并通入新鲜空气至所述催化陶瓷膜模块8的陶瓷膜管16和陶瓷膜箱体13内，同时启动灼烧装置11对所述催化陶瓷膜模块8加热一定时间，使附着在所述陶瓷膜管16内外壁的积碳和尘埃燃尽并吹出所述催化陶瓷膜模块8，恢复催化剂的催化活性；
S6、当催化剂完成再生后，停止通入新鲜空气，打开连接所述催化陶瓷膜模块8壳程入口和壳程出口的第五阀门5、第三阀门3、第四阀门4，继续通入含有机污染物的烟气进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块8的壳程出口排出；
S7、当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块8壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵9对所述催化陶瓷膜模块8的壳程进行疏通作业：
关闭连接于所述催化陶瓷膜模块8的壳程入口和壳程出口处的第五阀门5、第三阀门3、第四阀门4，打开位于所述真空泵9的入口与催化陶瓷膜模块8壳程入口之间的第七阀门7进行抽真空，完成后，关闭真空泵9、第七阀门7；
S8、改变通气方向，重复以上的步骤，即可实现通过催化燃烧连续处理气相有机污染物的过程。
综合以上，本发明通过调节管道上布置的阀门和真空泵9，控制气体流动、转变通气方向，从而使陶瓷膜管16管内外的催化剂都充分利用；所述催化陶瓷膜模块8下面设置有灼烧装置11，用于恢复除催化剂的催化活性。
本发明技术手段简便易行、净化效率高、环保效果好、可反复利用的优点，可广泛地适用于气相有机污染物的处理，应用前景较广。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：包括过滤器(10)、管壳式结构的催化陶瓷膜模块(8)、真空泵(9)、两差压控制器，所述催化陶瓷膜模块(8)的管程内外壁均涂有超薄二维沸石催化剂层，所述过滤器(10)的出口通过设有若干阀门的管路分别连接所述催化陶瓷膜模块(8)的管程入口和壳程入口，所述催化陶瓷膜模块(8)的管程出口和壳程出口通过设有阀门的管路连通大气，所述真空泵(9)的入口通过阀门分别连接所述催化陶瓷膜模块(8)管程入口和壳程入口，所述真空泵(9)的出口连接所述过滤器(10)的入口，所述两差压控制器(12)分别用于检测所述催化陶瓷膜模块(8)管程出入口之间、壳程出入口之间的压差值。
2.根据权利要求1所述的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：所述的催化陶瓷膜模块(8)包括设置有管程出入口之间和壳程出入口的陶瓷膜箱体(13)，所述陶瓷膜箱体(13)内并列设置有若干管内(14)与管外(15)均涂有超薄二维沸石催化剂层的陶瓷膜管(16)，各陶瓷膜管(16)的入口与所述陶瓷膜箱体(13)管程入口相连接，各陶瓷膜管(16)的出口与所述陶瓷膜箱体(13)管程出口相连接。
3.根据权利要求1所述的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：所述催化陶瓷膜模块(8)下方设置有用于去除催化剂上附着的积碳的灼烧装置(11)。
4.根据权利要求1所述的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：所述过滤器(10)的出口通过串联有第三阀门(3)、第五阀门(5)的管路连接所述陶瓷膜箱体(13)的壳程入口。
5.根据权利要求1所述的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：所述过滤器(10)的出口通过设有第一阀门(1)的管路连接所述催化陶瓷膜模块(8)的管程入口。
6.根据权利要求1所述的基于超薄二维沸石催化剂的气相有机物催化燃烧装置，其特征在于：所述真空泵(9)的入口与所述催化陶瓷膜模块(8)的管程入口和壳程入口之间的管路上分别设置有第六阀门(6)、第七阀门(7)。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述装置的气相有机物催化燃烧方法，其特征在于，包括步骤：
打开连接所述催化陶瓷膜模块(8)管程入口和出口的阀门，其余阀门关闭；
将含有机污染物的烟气经通气管道输入过滤器(10)，在过滤器(10)内完成除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块(8)的管程内时，烟气中的O2、N2、CO2、H2O渗透出去，留下高浓度有机污染物与管程内壁上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块(8)的管程出口排出；
当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块(8)管程入口和管程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵(9)对所述催化陶瓷膜模块(8)的管程进行疏通作业；
打开连接所述催化陶瓷膜模块(8)壳程入口和壳程出口的阀门，除尘后的烟气沿通气管道进入所述催化陶瓷膜模块(8)壳程内时，所述烟气中的O2、N2、CO2、H2O渗透出去，留下高浓度有机污染物与管程外壁上的超薄二维沸石催化剂层接触进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块(8)的壳程出口排出；
当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块(8)壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，对所述催化陶瓷膜模块(8)管程内外壁的催化剂进行再生；
当催化剂完成再生后，打开连接所述催化陶瓷膜模块(8)壳程入口和壳程出口的阀门，继续通入含有机污染物的烟气进行催化燃烧，生成的产物经所述催化陶瓷膜模块(8)的壳程出口排出；
当差压控制器检测到所述催化陶瓷膜模块(8)壳程入口和壳程出口间的压差超过设定阈值时，通过真空泵(9)对所述催化陶瓷膜模块(8)的壳程进行疏通作业；
改变通气方向，重复以上的步骤，即可实现通过催化燃烧连续处理气相有机污染物的过程。
8.根据权利要求7所述的气相有机物催化燃烧方法，其特征在于：所述对所述催化陶瓷膜模块(8)管程内外壁的催化剂进行再生具体包括：
停止通入含有机污染物的烟气，打开连接于所述催化陶瓷膜模块(8)管程入口和管程出口处的阀门并通入新鲜的空气至所述催化陶瓷膜模块(8)的管程和壳程，同时对所述催化陶瓷膜模块(8)加热一定时间，使附着在所述催化陶瓷膜模块(8)的管程内外壁的积碳和尘埃燃尽并吹出所述催化陶瓷膜模块(8)。
9.根据权利要求7所述的气相有机物催化燃烧方法，其特征在于：所述通过真空泵(9)对所述催化陶瓷膜模块(8)的管程进行疏通作业具体包括：关闭所述连接于催化陶瓷膜模块(8)管程入口和管程出口处的阀门，打开连接于所述真空泵(9)的入口与所述催化陶瓷膜模块(8)的管程入口之间的阀门进行抽真空，完成后，关闭真空泵(9)、于所述真空泵(9)的入口与所述催化陶瓷膜模块(8)的管程入口之间的阀门。
10.根据权利要求7所述的气相有机物催化燃烧方法，其特征在于：所述通过真空泵(9)对所述催化陶瓷膜模块(8)的壳程进行疏通作业具体包括：
关闭连接于所述催化陶瓷膜模块(8)的壳程入口和壳程出口处的阀门，打开位于所述真空泵(9)的入口与催化陶瓷膜模块(8)壳程入口之间的阀门进行抽真空，完成后，关闭真空泵(9)、位于所述真空泵(9)的入口与催化陶瓷膜模块(8)壳程入口之间的阀门。
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