CN109364739B - 一种废气VOCs的连续去除工艺及其专用装置 - Google Patents

一种废气VOCs的连续去除工艺及其专用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废气VOCs的连续去除工艺及其专用装置，该装置包括气体吹扫装置、除雾装置、电解液循环装置、TOC检测分析装置、工控机和至少两个并联使用的结构相同的吸附‑降解‑再生一体化装置；所述吸附‑降解‑再生一体化装置包括壳体、设在壳体内的吸附‑降解‑再生单元和设在壳体上的废气入口、吹扫气体入口、电解液进口、电解液出口和排气口；废气入口连通废气VOCs，吹扫气体入口连通气体吹扫装置，电解液进口和电解液出口连通电解液循环槽，排气口连通TOC检测分析装置，工控机与TOC检测分析装置相连。本发明可实现吸附、降解有机废气连续化；所用电解质溶液、活性炭可以循环和重复利用，无二次污染，更为经济高效。

Description

一种废气VOCs的连续去除工艺及其专用装置
技术领域
本发明属于废气净化技术领域，具体涉及一种废气VOCs的连续去除工艺及其专用装置。
背景技术
挥发性有机物(volatile organic compounds，简称VOCs)是指在常温下饱和蒸气压超过70.91Pa、常压下沸点在50～260℃范围间的具有挥发性的有机化合物。VOCs种类繁多，包括芳香烃、脂肪烃、卤代烃、醛醇酯醚类以及四氢呋喃等，工业源作为VOCs最主要的排放源头，涉及行业广泛，包括建筑装饰业、造纸业、采矿业、金属电镀业、纺织业、油漆制造业、汽车工业等。VOCs具有持久性和积累性，可生成光化学烟雾和二次污染物，造成臭氧层的破坏，而且严重危害着人体健康。
吸附法是一种利用吸附剂孔状结构的巨大表面积对VOCs进行吸附的方法，对于浓度为300～5000ppm的有机废气具有较高脱除效率，吸附法设备简单，使用灵活。活性炭因其具有发达的微孔体系和比表面积，且成本低廉，是吸附法的常用吸附剂。但吸附剂饱和后需要进行更换或再生。如果仅吸附不再生，会产生比较多废活性炭危险固废；如果用蒸汽/热空气再生，虽然能延长活性炭更换周期，减少废活性炭危险固废的产生量，但再生过程会产生再生液危险固废，导致企业危废处置费用增加的同时，也增加了危废环境风险。
电催化氧化技术作为环境工程领域内应用最广泛的电化学方法，该方法是在外加电场作用下，通过阳极反应直接降解有机污染物，或利用在电极反应产生的各种羟基自由基(·OH)、臭氧、H2O2、次氯酸根、氯气和原子氧等强氧化剂中间产物使污染物被降解。
VOCs控制技术虽然种类繁多，但各有其优缺点，如果综合考虑技术、经济等各方面要求，单纯利用一种控制技术往往难以达到满意的效果。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种废气VOCs的连续去除工艺，实现VOCs废气活性炭吸附去除、活性炭电催化降解自身吸附的有机物，从而实现活性炭吸附、降解、再生一体化，减少吸附剂频繁更换产生的废活性炭，消除活性炭吸附再生过程产生的再生液等二次污染物。本发明的另一目的是提供一种上述废气VOCs的连续去除工艺的专用装置。
技术方案：为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种废气VOCs的连续去除工艺，过程如下：
1)吸附-降解-再生一体化装置A的吸附：VOCs有机废气先通过吸附-降解-再生一体化装置A的废气入口进入活性炭粒子群被吸附除去，废气通过除雾器去除电解液雾滴后，通过TOC在线检测达标后排放；当VOCs排放超过TOC在线检测单元设定的限值时，切换废气入口至吸附-降解-再生一体化装置B；
2)吸附-降解-再生一体化装置A的降解和再生，吸附-降解-再生一体化装置B的吸附：向吸附VOCs后的吸附-降解-再生一体化装置A泵入电解液，在外加直流电的作用下，吸附的有机物进行电催化降解，同时实现活性炭粒子群的再生；再生一段时间后，将电解液放入电解液循环槽，然后通入压缩空气吹干活性炭中电解液，等待下一个周期的VOCs吸附处理；
同时，吸附-降解-再生一体化装置B进行有机废气吸附处理，当VOCs排放超过TOC在线检测单元设定的限值时，再切换至吸附-降解-再生一体化装置A；
3)吸附-降解-再生一体化装置B的降解和再生：向吸附VOCs后的吸附-降解-再生一体化装置B泵入电解液，在外加直流电的作用下，吸附的有机物进行电催化降解，同时实现活性炭粒子群的再生；再生一段时间后，将电解液放入电解液循环槽，然后通入压缩空气吹干活性炭中电解液，等待下一个周期的VOCs吸附处理；
4)步骤1)、步骤2)、步骤3)连续重复，反复进行吸附、降解、再生，实现VOCs有机废气连续化处理。
所述的吸附-降解-再生一体化装置A与吸附-降解-再生一体化装置B结构相同。
所述的废气VOCs的连续去除工艺，电解液为水或浓度为0.01～0.30mol·L-1NaCl溶液。
所述的废气VOCs的连续去除工艺的专用装置，包括气体吹扫装置、电解液循环装置、除雾装置、TOC检测分析装置、工控机、以及至少两个并联使用的结构相同的吸附-降解-再生一体化装置；所述的吸附-降解-再生一体化装置包括壳体、设在壳体内的吸附-降解-再生单元和设在壳体上的废气入口、吹扫气体入口、电解液进口、电解液出口以及排气口；废气入口连通废气VOCs，吹扫气体入口连通气体吹扫装置，电解液进口和电解液出口连通电解液循环装置，排气口连通除雾装置，除雾装置连通TOC检测分析装置，工控机与TOC检测分析装置相连。
所述吸附-降解-再生单元包括电催化反应器，在电催化反应器中填充有活性炭，活性炭在吸附阶段充当VOCs的吸附剂；在降解再生阶段，充当粒子群电极的作用，电催化降解其吸附的有机物，同时实现有机物降解和吸附剂的再生。
所述气体吹扫装置包括压缩机、缓冲罐、压力计；缓冲罐压力设定值为100～200Kpa，当缓冲罐压力低于设定值，压缩机自动启动，向缓冲罐泵入压缩空气，压力达到或者超过压力设定值，压缩机自动停止工作。
所述的除雾装置设有除雾器，所述除雾器内填充介质为玻璃纤维。
在所述的除雾器上设有除雾器出液口，通过玻璃纤维去除的雾滴形成的溶液通过出液口进入电解液循环槽，实现电解液的循环使用。
所述检测分析装置包括依次连接的检测探头和TOC检测仪，设定TOC在线检测设备限值低于废气VOCs排放标准限值，当出气口TOC检出浓度超过检测设备的设定限值时，与检测分析装置相连的工控机报警，即切换吸附-降解-再生一体化装置A/B。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明采用活性炭粒子群电极吸附结合电催化氧化的方式，废气VOCs在粒子群电极吸附后，导入电解质溶液，通过电催化氧化降解吸附的有机废气，实现活性炭吸附、降解、再生一体化；
(2)本发明通过检测分析单元对活性炭吸附饱和、降解再生时间进行控制，实现吸附降解有机废气连续化；
(3)本发明装置电催化降解所使用的电解液为水或NaCl溶液，无毒害作用，且有机物降解过程产生的废电解液可以循环利用，不产生二次污染。
(4)本发明可根据有机废气气量和污染物排放要求变更电催化反应器数量，所用活性炭经再生处理后，可再次用于对废气VOCs的吸附，可以实现吸附材料的重复利用，减少吸附材料频繁更换产生的废活性炭，消除活性炭吸附再生过程产生的再生液等二次污染物，更为经济高效。
附图说明
图1是废气VOCs的连续去除工艺的专用装置结构示意图；
图2是实施例2不同NaCl电解质溶液浓度对再生活性炭吸附效果的影响结果图；
图3是实施例3不同改性粒子群电极对再生活性炭吸附效果的影响结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，为废气VOCs的连续去除工艺的专用装置，主要设备包括气体吹扫装置、电解液循环装置、除雾装置、TOC检测分析装置、工控机以及两个并联使用的结构相同的活性炭吸附-降解再生一体化装置，分别为活性炭吸附-降解-再生一体化装置A11(简称装置A11)和活性炭吸附-降解-再生一体化装置B28(简称装置B28)。
活性炭吸附-降解-再生一体化装置A11包括壳体，在壳体壁侧边下部设装置进气口(为废气VOCs和压缩空气吹扫共用)和电解液出液口，在壳体壁侧边上部设装置A11电解液进液口10，在壳体顶部装置出气口12，在壳体内由下往上依次设有气体分布器5和电催化反应单元；电催化反应单元由至少1组单元反应器组成，视装置尺寸和处理废气的实际需要而定，如5组、7组、9组等；单元反应器包括正极导电板9、负极导电板6和粒子群电极7，正、负极导电板沿吸附-降-再生一体化装置轴向方向并行放置，负极导电板6围绕在正极导电板9周围，两者之间由粒子群电极7填充。气体吹扫装置包括空气缓冲罐34、压力计35、空气泵39以及对应的管道和控制阀门(总出气口控制阀13、装置出气控制阀14、外加空气进气控制阀①32、外加空气进气控制阀②33、外加空气进气控制阀37、空气总进气口38等)，空气缓冲罐34上设压力计35，与空气泵39相连，使用压缩空气吹扫。电解液循环装置包括恒流泵1、外加电解液添加口24、电解液循环槽25、电解液26以及对应的配套管路和控制阀门(电解液进水控制阀①8、装置A电解液排放控制阀23、电解液储槽出水控制阀27、电解液进水控制阀②30、装置B电解液排放控制阀36等)；在电解液循环槽25内存储电解液26，恒流泵1、电解液添加口24、电解液储槽出水控制阀27均与电解液循环槽25相连。TOC检测分析装置包括TOC检测探头16以及对应的配套管路和控制阀门(有机废气进气控制阀①4、总出气口控制阀13、装置出气控制阀14、有机废气进气控制阀②31、外加空气进气控制阀①32、外加空气进气控制阀②33、外加空气进气控制阀37、空气总进气口38等)。工控机包括相互连接的计算机主机40和显示器41。除雾装置包括除雾器进气口17、除雾器出气口18、除雾器19、滤料20、除雾器滤液排口21以及对应的配套管路和控制阀门(滤液排放控制阀22等)；除雾器进气口17、除雾器出气口18、除雾器滤液排口21均与除雾器19相连，在除雾器19内设滤料20。
在废气进气口与电催化反应器之间设置有气体分布器5，可以均匀布气；两个吸附-降解-再生一体化装置的出气口12均与除雾器19的进气口17相联通，通过除雾器19中玻璃纤维滤料20去除尾气中夹带的电解液雾沫；在空气泵39的作用下，空气通过进气口38送入空气缓冲罐34，缓冲罐内空气通过两个空气进气控制阀分别与吸附-降解-再生一体化装置相连，并经过气体分布器5扩散至电催化反应器。除雾器19出气口18与气体总出气口15相连，出气口内设置有TOC检测探头16与计算机主机40相连，将检测数据实时显示于显示器41。
待处理的VOCs废气由废气总进气口进入吸附-降解-再生一体化装置A11，通过气体分布器5进入由粒子群电极7填充的电催化反应器，经吸附净化后的气体通过除雾器19后通过出气口18再由总出气口15排出，设定TOC在线检测设备限值低于废气VOCs排放标准限值，当出气口15中TOC检出浓度超过检测设备的设定限值时，与检测装置相连的工控机报警，即切换吸附-降解-再生一体化装置B。关闭废气控制阀①4，打开废气进气控制阀②31，VOCs废气进入吸附-降解-再生一体化装置B28，通过气体分布器5进入装置电催化反应器。同时，打开电解液进液控制阀①8，电解质溶液在恒流泵1的作用下由电解液循环槽通过电解液总进液口2及装置A电解液进液口10进入装置A11，淹没电催化反应器，通过外加直流电或脉冲供电，吸附于活性炭的VOCs在粒子群电极7与导电板构成的微电池的电极反应作用下得到降解。打开外加空气控制阀②33，空气经过气体分布器5扩散至装置A11中，活性炭中残留的电解质残液随空气脱除，活性炭得到再生，通过对活性炭吸附饱和、降解再生时间进行控制，装置A和装置B可交替运行，实现吸附降解VOCs废气连续化。
电解液可以循环使用，吸附-降解-再生一体化装置A11中活性炭再生结束后，打开装置A电解液排放控制阀23，装置A内电解液通过出液口排入电解液循环槽25，电解液排空后，关闭电解液进液控制阀①8和排放控制阀23。
同理，当吸附-降解-再生一体化装置B28进行电催化反应时，打开电解液储槽排放控制阀27和电解液进液控制阀②30，在恒流泵1的作用下，电解液通过装置B电解液进液口29进入吸附-降解-再生一体化装置B28的电催化反应器，电催化反应结束之后，打开装置B电解液排放控制阀36，电解质溶液可以循环使用排入电解液循环槽25中，等待下次活性炭再生时使用。装置A11内活性炭再生后，在空气泵的作用下，外界空气通过管道进入空气缓冲罐34，并打开空气进气阀②33，空气通过气体分布器5进入装置电催化反应器，对装置A内再生后的活性炭进行吹扫。
实施例1
某农药生产企业产生的含VOCs废气，其主要成分为正丙胺184.28mg/m3、甲苯178.07mg/m3、二氯乙烷130.55mg/m3、甲醇19.26mg/m3、丙酮9.26mg/m3、其他有机杂质6.44mg/m3。设备和工艺主要操作技术参数为：两个并联使用吸附-降解-再生一体化装置，内设置有由9组单元反应器组成的电催化反应器，正极导电板由9根长150cm的Ti电极组成，正极导电板间距为20cm，负极导电板为外面包裹绝缘膜的不锈钢网，电极网孔为0.2cm×0.2cm。正极导电板和负极导电板与筒体轴向方向并行放置，负极导电板围绕在正极导电板周围，极板间距取5cm。正负极导电板之间由直径为0.5cm的活性炭粒子群电极填充。设置直流电压15v，电流100A/m2，气体流量50m3/h，NaCl溶液浓度为0.15mol·L-1，并控制电解液浓度为30℃。通过废气VOCs的连续去除工艺的专用装置处理后的VOCs废气净化效率在92％以上，且出气口在线检测TOC检出浓度低于废气VOCs排放标准限值。对吸附后的活性炭进行降解再生，再生后活性炭对VOCs废气净化效率仍在91％以上。
实施例2
本实施例所用废气、装置结构及控制条件同实施例1，区别在于所用NaCl溶液浓度不同。活性炭电极吸附饱和后，在不同浓度NaCl溶液条件下经过30min电催化再生，再以活性炭吸附VOCs废气的饱和时间来考察辅助电解质的浓度对活性炭吸附VOCs废气效果的影响，实验结果如图2所示。由图2可知，在辅助电解质溶液浓度增大的情况下，再生后的活性炭粒子群电极对VOCs废气的吸附饱和时间逐渐变长，由于电解液的用量增加直接提高电极反应的电导率，增加传质速度，进而提高吸附于活性炭上的VOCs降解效率。但当电解质溶液浓度达到0.15mol·L-1后，再继续增大浓度，吸附饱和时间提高不明显，高浓度电解质溶液使得电极反应器降解过程副反应加剧，导致电流效率下降，进而影响到VOCs的降解效率。
实施例3
本实施例所用废气、装置结构及控制条件同实施例1，区别在于所用活性炭分别经过Fe、Mn、Co改性，并以未经改性的活性炭作为对照。将所有活性炭电极吸附饱和后，经过30min电催化再生，再以VOCs废气吸附饱和的时间来考察不同改性的粒子群电极电催化再生性能，实验结果如图3所示。由图3可知，相比未负载金属氧化物的活性炭粒子群电极(GAC)以及单组分(Fe/GAC、Mn/GAC、Co/GAC)或复合金属氧化物(Fe-Co/GAC、Fe-Mn/GAC、Mn-Co/GAC)粒子电极，Mn-Co/GAC粒子群电极再生效果最好，再次吸附达到饱和的时间最长。

Claims (6)

1.一种废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，过程如下：
1）吸附-降解-再生一体化装置A的吸附：VOCs有机废气先通过吸附-降解-再生一体化装置A的废气入口进入活性炭粒子群被吸附除去，废气通过除雾器去除电解液雾滴后，通过TOC在线检测达标后排放；当VOCs排放超过TOC在线检测单元设定的限值时，切换废气入口至吸附-降解-再生一体化装置B；
2）吸附-降解-再生一体化装置A的降解和再生，吸附-降解-再生一体化装置B的吸附：向吸附VOCs后的吸附-降解-再生一体化装置A泵入电解液，在外加直流电的作用下，吸附的有机物进行电催化降解，同时实现活性炭粒子群的再生；再生一段时间后，将电解液放入电解液循环槽，然后通入压缩空气吹干活性炭中电解液，等待下一个周期的VOCs吸附处理；
同时，吸附-降解-再生一体化装置B进行有机废气吸附处理，当VOCs排放超过TOC在线检测单元设定的限值时，再切换至吸附-降解-再生一体化装置A；
3）吸附-降解-再生一体化装置B的降解和再生：向吸附VOCs后的吸附-降解-再生一体化装置B泵入电解液，在外加直流电的作用下，吸附的有机物进行电催化降解，同时实现活性炭粒子群的再生；再生一段时间后，将电解液放入电解液循环槽，然后通入压缩空气吹干活性炭中电解液，等待下一个周期的VOCs吸附处理；
4）步骤1）、步骤2）、步骤3）连续重复，反复进行吸附、降解、再生，实现VOCs有机废气连续化处理；
废气VOCs的连续去除工艺的专用装置，包括气体吹扫装置、除雾装置、电解液循环装置、TOC检测分析装置、工控机、以及并联使用的结构相同的吸附-降解-再生一体化装置；所述的吸附-降解-再生一体化装置包括壳体、设在壳体内的吸附-降解-再生单元和设在壳体上的废气入口、吹扫气体入口、电解液进口、电解液出口以及排气口；废气入口连通废气VOCs，吹扫气体入口连通气体吹扫装置，电解液进口和电解液出口连通电解液循环槽，排气口连通除雾装置，除雾装置连通TOC检测分析装置，工控机与TOC检测分析装置相连；
所述吸附-降解-再生单元包括电催化反应器，在电催化反应器中填充有活性炭，活性炭在吸附阶段充当VOCs的吸附剂；在降解再生阶段，充当粒子群电极的作用，电催化降解其吸附的有机物，同时实现有机物降解和吸附剂的再生。
2.根据权利要求1所述的废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，电解液为水或浓度为0.01~0.30 mol·L-1 NaCl溶液。
3.根据权利要求1所述的废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，所述气体吹扫装置包括压缩机、缓冲罐、压力计；缓冲罐压力设定值为100~200Kpa，当缓冲罐压力低于设定值，压缩机自动启动，向缓冲罐泵入压缩空气，压力达到或者超过压力设定值，压缩机自动停止工作。
4.根据权利要求1所述的废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，所述的除雾装置设有除雾器，所述除雾器内填充介质为玻璃纤维。
5.根据权利要求4所述的废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，在所述的除雾器上设有除雾器出液口，通过玻璃纤维去除的雾滴形成的溶液通过出液口进入电解液循环槽，实现电解液的循环使用。
6.根据权利要求1所述的废气VOCs的连续去除工艺，其特征在于，所述检测分析装置包括依次连接的检测探头和TOC检测仪，设定TOC在线检测设备限值低于废气VOCs排放标准限值，当出气口TOC检出浓度超过检测设备的设定限值时，与检测分析装置相连的工控机报警，即切换吸附-降解-再生一体化装置A/B。
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