CN109233928A - 一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置和方法，包括：液氧罐，其设有排气口；第一控制阀包括第一进气口和第一出气口，第一进气口与排气口相连；第二控制阀包括第二进气口和第二出气口，第二进气口与生物气体源相连；气体比例混合器，其包括进气端和出气端，进气端与第一出气口、第二出气口相连；氧化反应器，其内部设有反应腔，且氧化反应器上设有与反应腔相连通的第一入口端和第一出口端，第一入口端与气体比例混合器相连，反应腔内部设有紫外光灯管和二氧化钛薄片。该装置对于浓度低于50mg/Nm3硅氧烷的去除率可达90％以上；可以有效脱除生物质气体中的低浓度硅氧烷，去除成本低，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及生物气体处理设备领域，尤其涉及一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置和方法。
背景技术
生物气作为一种新型高效的可再生绿色能源,已开发沼气发电、沼气制热等资源化利用技术，生物气作为燃料，可减少温室气体、微小颗粒和氮氧化合物的排放，具有更广阔的发展空间和多重的经济环境效益。
生物气主要用于燃烧发电，有机硅的存在会严重破坏发动机，燃烧时硅氧烷会转化为微晶二氧化硅，使燃料催化剂和润滑油失活，沉积在燃烧室内壁和活塞、阀门等表面，阻碍热传导并导致发动机和部件的磨损，缩短设备维修时间间隔，减少设备使用寿命，严重影响生物气的高效利用。
垃圾填埋场或污泥厌氧消化产生的生物气的总硅氧烷浓度可高达200mg/Nm3。据英国环境机构报道，生物作为汽车燃料，挥发性甲基硅氧烷必须完全去除。如果用作引擎内部燃烧，发动机、微型涡轮机制造商要求挥发性甲基硅氧烷的含量低于20mg/Nm3。而用作车辆燃料的生物气中，还没有建立最低标准。
目前，工业中用于脱除生物气中硅氧烷的方法中以吸附和吸收法的脱出率较高，但也无法做到深度脱除，净化气中硅氧烷的浓度依然不可忽视。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本发明的一个目的在于提出一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，该装置对于浓度低于50mg/Nm3硅氧烷的去除率可达90％以上；可以有效脱除生物质气体中的低浓度硅氧烷，去除成本低，结构简单。
本发明的另一个目的在于提出一种具有上述用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置的方法。
根据本发明第一方面提出的一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，包括：液氧罐，其设有排气口；第一控制阀，所述第一控制阀包括第一进气口和第一出气口，所述第一进气口与所述排气口相连；第二控制阀，所述第二控制阀包括第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与生物气体源相连；气体比例混合器，其包括进气端和出气端，所述进气端与所述第一出气口、第二出气口相连；以及氧化反应器，其内部设有反应腔，且氧化反应器上设有与所述反应腔相连通的第一入口端和第一出口端，所述第一入口端与所述气体比例混合器相连，所述反应腔内部设有紫外光灯管和二氧化钛薄片，以将生物气体在氧化反应器内氧化反应并由第一出口端排出。
在该技术方案中，液氧罐中的氧气由其排气口流出并流至第一控制阀，并由第一控制阀的第一进气口流入，由第一出气口流出并流向气体比例混合器方向，同时生物质气体源由第二控制阀的第二进气口流入，并由第二出气口流出并流向气体比例混合器方向，氧气和生物气体源在气体比例混合器中充分混合，并由第一入口端流入氧化反应器的反应腔内，生物质气体中的硅氧烷与氧气在紫外光灯管的照射和二氧化钛的催化作用下降解为SiOX，X＝3～4；生物质气体中的硅氧烷得以去除，脱除硅氧烷的生物质气体由第一出口端流出。该装置可以有效脱除生物质气体中的低浓度硅氧烷，去除成本低，结构简单。
另外，根据本发明的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，还可以具有如下技术特征：
进一步地，还包括清洗装置，其包括：碱性储液罐，所述碱性储液罐包括进液口和出液口，所述进液口与所述氧化反应器的第二出口端相连；碱液泵，所述碱液泵包括泵入口和泵出口，所述泵入口与所述出液口相连，所述泵出口与所述氧化反应器的第二入口端相连；和第一通断阀和第二通断阀，所述第一通断阀设于所述进液口与所述第二出口端之间，所述第二通断阀设于所述泵出口与所述第二入口端之间。
进一步地，还包括气体流量控制系统，其分别与所述第一控制阀、第二控制阀电连接，以控制第一控制阀、第二控制阀的流量和开关。
进一步地，还包括气相色谱仪，所述气相色谱仪一端与生物气体源相连，其另一端与所述气体流量控制系统电相连。
优选地，所述二氧化钛薄片为多个，且沿着所述反应腔的长度方向间隔设置。
优选地，还包括第三通断阀和第四通断阀，所述第三通断阀设于所述气体比例混合器与所述第一入口端之间，所述第四通断阀与所述第一出口端相连。
优选地，所述紫外光灯管的两侧还连接有镇流器。
优选地，位于所述气相色谱仪与所述生物气源之间还设有第五通断阀。
优选地，所述液氧罐与所述第一控制阀的第一进气口之间还设有泄压阀。
根据本发明第二方面的一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的方法，包括如下步骤：
S10：对未处理的生物质气体进行检测分析其中氧气的浓度；
S20：根据步骤S10中检测结果将氧气和未处理的生物质气体混合，使得氧气的体积浓度为1％～3％；
S30：将混合后的气体进行氧化处理，使生物质气体中的硅氧烷在紫外线的照射和二氧化钛的催化作用下充分降解，将脱除硅氧烷的生物气体由排出。
通过上述用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的方法可以通过采用紫外光催化氧化降解生物质气中的硅氧烷，对于浓度低于50mg/Nm3硅氧烷的去除率可达90％以上。
附图说明
图1为用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置的结构示意图；
图2为图1中氧化反应器的结构示意图。
图中:液氧罐1；排气口11；第一控制阀2；第一进气口21；第一出气口22；第二控制阀3；第二进气口31；第二出气口32；气体比例混合器4；进气端41；出气端42；氧化反应器5；反应腔51；第一入口端511；第一出口端512；第二入口端513；第二出口端514；第三通断阀51A；第四通断阀51B；紫外光灯管52；灯座521；镇流器522；二氧化钛薄片53；清洗装置6；碱性储液罐61；进液口611；出液口612；碱液泵62；泵入口621；泵出口622；第一通断阀63；第二通断阀64；第六通断阀65；气体流量控制系统7；气相色谱仪71；第五通断阀72；泄压阀8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
根据本发明的一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，如图1、图2所示，包括：液氧罐1、第一控制阀2、第二控制阀3、气体比例混合器4和氧化反应器5。
液氧罐1，其设有排气口11；液氧罐1的作用是为氧化反应器5中的氧化反应提供充足的氧气。优选地，所述液氧罐1与所述第一控制阀2的第一进气口21之间还设有泄压阀8，通过设置泄压阀8可以使氧气罐保持不变的安全稳定压力，一旦超压，泄压阀8能充分打开及时泄压。
第一控制阀2，所述第一控制阀2包括第一进气口21和第一出气口22，所述第一进气口21与所述排气口11相连；也就是说，液氧罐1中的氧气由氧气罐流出并由第一进气口21进入第一控制阀2，而由第一出气口22流出，在此过程中第一控制阀2可以控制氧气由第一出气口22流出的流量大小。
第二控制阀3，所述第二控制阀3包括第二进气口31和第二出气口32，所述第二进气口31与生物气体源相连；也就是说，生物气体源中的生物质气体由第二进气口31进入第二控制阀3，而由第二出气口32流出，在此过程中第二控制阀3可以控制生物质气体由第二出气口32流出的流量大小。
气体比例混合器4，其包括进气端41和出气端42，所述进气端41与所述第一出气口22、第二出气口32相连；也就是说，液氧罐1中的氧气和生物质气体分别经由第一控制阀2的第一出气口22和第二控制阀3的第二出气口32汇聚于的进气端41，并由该进气端41进入气体比例混合器4中并进行混合形成混合气体，这可以为即将进入氧化反应器5中做准备。
氧化反应器5，如图2所示，其内部设有反应腔51，且氧化反应器5上设有与所述反应腔51相连通的第一入口端511和第一出口端512，所述第一入口端511与所述气体比例混合器4相连，所述反应腔51内部设有紫外光灯管52和二氧化钛薄片53，以将生物气体在氧化反应器5内氧化反应并由第一出口端512排出，具体地，在本发明的实施例中，在反应腔51的左右两端设有灯座521，紫外光灯管52水平安装在反应腔51两侧的灯座521上，而二氧化钛薄片53设置在反应腔51内，紫外光灯管52提供的光照强度为100-450W/m2，紫外光波长为220-280nm。反应腔51的内壁上安装有若干二氧化钛薄片53环，薄片的宽度为5cm，厚度为0.05-0.5mm。当混合气体中的硅氧烷在紫外光灯管52的照射和二氧化钛薄片53的催化作用下发生降解，脱除硅氧烷的生物质气体由反应腔51的第一出口端512流出。优选地，二氧化钛薄片53为多个，且沿着所述反应腔51的长度方向间隔设置，这样可以使硅氧烷反应更加充分均匀。优选地，所述紫外光灯管52的两侧还连接有镇流器522，镇流器522具有节能、延长灯管寿命，消除了频闪，发光更稳定等优点。
可以理解的是，液氧罐1中的氧气由其排气口11流出并流至第一控制阀2，并由第一控制阀2的第一进气口21流入，由第一出气口22流出并流向气体比例混合器4方向，同时生物质气体源由第二控制阀3的第二进气口31流入，并由第二出气口32流出并流向气体比例混合器4方向，氧气和生物气体源在气体比例混合器4中充分混合，并由第一入口端511流入氧化反应器5的反应腔51内，生物质气体中的硅氧烷与氧气在紫外光灯管52的照射和二氧化钛的催化作用下降解为SiOX，X＝3～4；生物质气体中的硅氧烷得以去除，脱除硅氧烷的生物质气体由第一出口端512流出。该装置可以有效脱除生物质气体中的低浓度硅氧烷，去除成本低，结构简单。
值得说明的是，经过氧化反应器5后的硅氧烷的生物质气体可以流向下一个处理工艺，当然也可以去往下一个氧化反应器5，也就是说，氧化反应器5可以为多个，且彼此串联连接，在整个硅氧烷脱除的过程中，控制氧化反应器5中的气体流速和气体流经氧化反应器5的个数，以确保生物质气体和氧气的混合气体的光照时间为5～65S，即可脱除生物质气体中的硅氧烷，本发明所述硅氧烷去除系统由一个或者多个氧化反应器5串联而成，其串联的个数由光照时间和混合气体流速共同决定。
由于在氧化反应器5内部降解产生的SiOX沉积在二氧化硅薄片上，使得二氧化硅薄片逐渐失去活性，从而影响硅氧烷的氧化反应；在本发明的一个实施例中，还包括清洗装置6，其包括：碱性储液罐61，所述碱性储液罐61包括进液口611和出液口612，所述进液口611与所述氧化反应器5的第二出口端514相连；碱液泵62，所述碱液泵62包括泵入口621和泵出口622，所述泵入口621与所述出液口612相连，所述泵出口622与所述氧化反应器5的第二入口端513相连；和第一通断阀63和第二通断阀64，所述第一通断阀63设于所述进液口611与所述第二出口端514之间，所述第二通断阀64设于所述泵出口622与所述第二入口端513之间；具体地，在碱液泵62和碱性储液罐61之间还设有第六通断阀65，以控制碱性储液罐61内的碱性储液罐61内的碱性液流向碱液泵62方向，在本发明的实施例中为NaOH溶液；当需要对氧化反应器5进行清洗时，首先打开第一通断阀63和第二通断阀64以及第六通断阀65，给碱液泵62通电，使其工作并将储液罐内的碱性溶液泵入氧化反应器5内，把碱性储液罐61中的pH值为10.3-13.5的NaOH溶液用碱液泵62抽入紫外光催化氧化反应器5中，使得失去活性的二氧化钛薄片53浸泡在NaOH溶液中20～80分钟，即可溶解沉积于二氧化钛薄片53上的SiOx，二氧化钛薄片53恢复活性，紫外光催化氧化降解生物气中硅氧烷的操作可继续进行；本发明通过碱液浸泡的方式可再生催化剂的活性，大大地节约了操作成本。一般在二氧化钛薄片53工作了400-700小时后需要进行清洗处理，碱性储液罐61中的pH值为12的NaOH溶液经碱液泵62由第二入口端513进入氧化反应器5中，使得失活的二氧化钛薄片53浸泡在NaOH溶液中20～80分钟，可安全溶解掉沉积于二氧化钛薄片53上的固体沉积物，二氧化钛薄片53恢复活性。
在本发明的一个实施例中，还包括气体流量控制系统7，其分别与所述第一控制阀2、第二控制阀3电连接，以控制第一控制阀2、第二控制阀3的流量和开关，具体地，还包括气相色谱仪71，所述气相色谱仪71一端与生物气体源相连，其另一端与所述气体流量控制系统7相连，位于所述气相色谱仪71与所述生物气源之间还设有第五通断阀72；在本发明的工作过程中，打开第五通断阀72，将生物质气通入气相色谱仪71中，由其检测生物质气体中的氧气的浓度，并将检测结果反馈给气体流量控制系统7，气体流量控制系统7发出指令给第一控制阀2和第二控制阀3，控制氧气和生物气进入气体比例混合器4的体积流量比。本发明所述气体比例混合器4中氧气的体积浓度为1～3％。
在本发明的一些实施例中，还包括第三通断阀51A和第四通断阀51B，所述第三通断阀51A设于所述气体比例混合器4与所述第一入口端511之间，所述第四通断阀51B与所述第一出口端512相连，设置第三通断阀51A和第四通断阀51B可以在清洗氧化反应器5时通过将第三通断阀51A和第四通断阀51B关闭从而可以将第一入口端511和第一出口端512封闭，使碱性液体不会由第一入口端511和第一出口端512流出。
本发明的一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置的工作原理如下：在正常进行脱除硅氧烷时，关闭清洗装置6，打开液压罐、第一控制阀2、第二控制阀3、气体比例混合器4、第三通断阀51A、第四通断阀51B、以及第五通断阀72、气相色谱仪71和气体流量控制系统7，首先生物质气体由第五通断阀72进入气相色谱仪71，由气相色谱仪71对生物质气体进行分析检测其中氧气的浓度，然后将检测结果反馈给气体流量控制系统7，由气体流量控制系统7发出指令给第一控制阀2和第二控制阀3，控制氧气和生物质气体进入气体比例混合器4的体积流量比，混合后的气体由第一入口端511流入氧化反应器5的反应腔51内，生物质气体中的硅氧烷与氧气在紫外光灯管52的照射和二氧化钛的催化作用下降解为SiOX，X＝3～4；生物质气体中的硅氧烷得以去除，脱除硅氧烷的生物质气体由第一出口端512流出；在进行清洗时，打开清洗装置6，关闭其他所有部件，首先打开第一通断阀63和第二通断阀64以及第六通断阀65，给碱液泵62通电，使其工作并将储液罐内的碱性溶液泵入氧化反应器5内，把碱性储液罐61中的pH值为10.3-13.5的NaOH溶液用碱液泵62抽入紫外光催化氧化反应器5中，使得失去活性的二氧化钛薄片53浸泡在NaOH溶液中20～80分钟，即可溶解沉积于二氧化钛薄片53上的SiOx，二氧化钛薄片53恢复活性，紫外光催化氧化降解生物气中硅氧烷的操作可继续进行；本发明通过采用紫外光催化氧化降解生物质气中的硅氧烷，对于浓度低于50mg/Nm3硅氧烷的去除率可达90％以上。
根据本发明第二方面的一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的方法，包括如下步骤：
S10：对未处理的生物质气体进行检测分析其中氧气的浓度；
S20：根据步骤S10中检测结果将氧气和未处理的生物质气体混合，使得氧气的体积浓度为1％～3％；
S30：将混合后的气体进行氧化处理，使生物质气体中的硅氧烷在紫外线的照射和二氧化钛的催化作用下充分降解，将脱除硅氧烷的生物气体由排出。
通过上述用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的方法可以通过采用紫外光催化氧化降解生物质气中的硅氧烷，对于浓度低于50mg/Nm3硅氧烷的去除率可达90％以上。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“上端”、“下”、“下端”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所示的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或者两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征与第二特征直接接触，或者第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体成型；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或者示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或者示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或者示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，包括：
液氧罐(1)，其设有排气口(11)；
第一控制阀(2)，所述第一控制阀(2)包括第一进气口(21)和第一出气口(22)，所述第一进气口(21)与所述排气口(11)相连；
第二控制阀(3)，所述第二控制阀(3)包括第二进气口(31)和第二出气口(32)，所述第二进气口(31)与生物气体源相连；
气体比例混合器(4)，其包括进气端(41)和出气端(42)，所述进气端(41)与所述第一出气口(22)、第二出气口(32)相连；以及
氧化反应器(5)，其内部设有反应腔(51)，且氧化反应器(5)上设有与所述反应腔(51)相连通的第一入口端(511)和第一出口端(512)，所述第一入口端(511)与所述气体比例混合器(4)相连，所述反应腔(51)内部设有紫外光灯管(52)和二氧化钛薄片(53)，以将生物气体在氧化反应器(5)内氧化反应并由第一出口端(512)排出。
2.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，还包括清洗装置(6)，其包括：
碱性储液罐(61)，所述碱性储液罐(61)包括进液口(611)和出液口(612)，所述进液口(611)与所述氧化反应器(5)的第二出口端(514)相连；
碱液泵(62)，所述碱液泵(62)包括泵入口(621)和泵出口(622)，所述泵入口(621)与所述出液口(612)相连，所述泵出口(622)与所述氧化反应器(5)的第二入口端(513)相连；以及
第一通断阀(63)和第二通断阀(64)，所述第一通断阀(63)设于所述进液口(611)与所述第二出口端(514)之间，所述第二通断阀(64)设于所述泵出口(622)与所述第二入口端(513)之间。
3.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，还包括气体流量控制系统(7)，其分别与所述第一控制阀(2)、第二控制阀(3)电连接，以控制第一控制阀(2)、第二控制阀(3)的流量和开关。
4.根据权利要求3所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，还包括气相色谱仪(71)，所述气相色谱仪(71)一端与生物气体源相连，其另一端与所述气体流量控制系统(7)电相连。
5.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，所述二氧化钛薄片(53)为多个，且沿着所述反应腔(51)的长度方向间隔设置。
6.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，还包括第三通断阀(51A)和第四通断阀(51B)，所述第三通断阀(51A)设于所述气体比例混合器(4)与所述第一入口端(511)之间，所述第四通断阀(51B)与所述第一出口端(512)相连。
7.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，所述紫外光灯管(52)的两侧还连接有镇流器(522)。
8.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，位于所述气相色谱仪(71)与所述生物气源之间还设有第五通断阀(72)。
9.根据权利要求1所述的用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的装置，其特征在于，所述液氧罐(1)与所述第一控制阀(2)的第一进气口(21)之间还设有泄压阀(8)。
10.一种用于去除生物气体中低浓度硅氧烷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：对未处理的生物质气体进行检测分析其中氧气的浓度；
S20：根据步骤S10中检测结果将氧气和未处理的生物质气体混合，使得氧气的体积浓度为1％～3％；
S30：将混合后的气体进行氧化处理，使生物质气体中的硅氧烷在紫外线的照射和二氧化钛的催化作用下充分降解，将脱除硅氧烷的生物气体由排出。
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