CN109579033A - 挥发性有机化合物的燃烧装置及其模拟检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种挥发性有机化合物的燃烧装置及其模拟检测装置和方法，包括：微波发射系统、催化燃烧室和催化床；催化燃烧室设置有废气入口和废气出口；催化床上设置有催化剂；催化床固定安装在催化燃烧室内，废气入口和废气出口处于催化床的两侧；微波发射系统包括微波发射装置；微波发射装置安装在催化燃烧室上，微波发射装置通过波导管与催化燃烧室相连通，微波发射装置发射的微波能够通过波导管进入催化燃烧器。本发明通过微波加热催化剂固定床，将VOCs废气高效催化氧化和矿化，可提高降解和矿化率，降低反应能耗。

Description

挥发性有机化合物的燃烧装置及其模拟检测装置和方法
技术领域
本发明属于大气污染治理技术领域，特别涉及一种挥发性有机化合物(VOCs)的燃烧装置及其模拟检测装置和方法。
背景技术
随着经济的发展和人们生活水平的提高，空气质量标准也越来越高，空气污染受到了国人越来越多的关注和政府的监管与限期治理。VOCs是挥发性有机化合物(volatileorganic compounds)的英文缩写，其具有较高蒸汽压、易燃易爆、常温常压下易挥发等特点。VOCs的来源比较广泛，一般分为固定源和移动源这两种。移动源主要是利用以石油产品为燃料的交通工具排放的尾气，例如汽车、轮船和飞机等交通工具；固定源的种类就相对较多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、粘合剂、制药、塑料和橡胶加工等。从环境角度来说，一些VOCs排入到大气中后，在紫外光的作用下与氮氧化合物等发生化学反应，生成臭氧和过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物，造成光化学烟雾现象。还有一些卤代烃类挥发性有机物(cvoc)挥发到大气中，消耗臭氧层中的臭氧，破坏臭氧层，从而造成臭氧层空洞，导致太阳辐射的紫外线对人体造成伤害VOCs废气不仅危害人体健康和产生光化学烟雾，而且还是二次有机气溶胶和PM2.5的前驱物，VOCs已成为一类重要的空气污染物。从对人体的角度来说，绝大多数的VOCs具有刺激性气味并且有一定的毒性，有些甚至具有致癌性，对人体产生极大的危害。催化燃烧是治理VOCs污染的一种相对较新的有效技术，具有设备简单、易于操作、反应温度低、降解效率高、运行稳定和维修方便等优点。催化燃烧法是在比直接燃烧法起燃温度要低的多的条件下(一般为150-300℃)进行的无火焰燃烧，将污染物分解为水和二氧化碳以及少量的副产物。催化燃烧在VOCs废气治理新技术研发和工业化应用中正越来越多地受到重视，本发明提出一种新型的VOCs催化燃烧装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种挥发性有机化合物的燃烧装置及其模拟检测装置和方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的燃烧装置通过微波加热催化剂固定床，将VOCs废气高效催化氧化和矿化，可提高降解和矿化率，降低反应能耗。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种挥发性有机化合物的燃烧装置，包括：微波发射系统、催化燃烧室和催化床；催化燃烧室设置有废气入口和废气出口；催化床上设置有催化剂；催化床固定安装在催化燃烧室内，废气入口和废气出口处于催化床的两侧；微波发射系统包括微波发射装置；微波发射装置安装在催化燃烧室上，微波发射装置通过波导管与催化燃烧室相连通，微波发射装置发射的微波能够通过波导管进入催化燃烧器。
进一步的，催化床上设置的催化剂为Cu-Mn-Ce/SiC蜂窝催化剂。
进一步的，微波发射系统包括：两个微波发射装置；两个微波发射装置分别安装在催化燃烧室的相对的两侧，每侧的微波功率为1040w～1300w；波导管与催化燃烧室之间设置有云母片。
进一步的，微波发射系统包括：电源装置和微波发射装置；微波发射装置包括：磁控管；电源装置包括：倍压整流电路；倍压整流电路的输出端与磁控管相连接；电源装置输出脉动直流阳极电压和3～4V的灯丝电压，用于为磁控管供电。
进一步的，微波发射装置发射的微波的传播方向与催化床上放置的催化剂的孔道方向一致。
进一步的，还包括：进气管道和出气管道；进气管道与废气入口相连通，出气管道与废气出口相连通；进气管道和出气管道均内衬金属丝网。
进一步的，催化床与催化燃烧室的内壁之间设置有密封保温装置，密封保温装置为采用锡箔纸包裹耐高温玻璃棉；催化燃烧室的内壁上设置有保温层。
一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测装置，包括：模拟进气系统、尾气吸收检测系统、温度检测装置及本发明的燃烧装置；模拟进气系统包括：压缩气泵、蒸发瓶和混合气缓冲瓶；压缩气泵通过气体管道与蒸发瓶的入口相连通，气体管道上设置有流量计；蒸发瓶的出口与混合气体缓冲瓶的入口相连通；混合气缓冲瓶的出口通过进气管道与废气入口相连通；废气入口处设置有混合气体采样口；蒸发瓶内设置有加热蒸发装置；
尾气吸收检测系统包括：尾气缓冲瓶、有机溶剂吸收瓶和碱液吸收瓶；废气出口通过出气管道与尾气缓冲瓶的入口相连通，尾气缓冲瓶的出口通过管道与有机溶剂吸收瓶的入口相连通；有机溶剂吸收瓶的出口与碱液吸收瓶的入口相连通，碱液吸收瓶的出口排空；废气出口处设置有尾气采样口；温度检测装置包括采集端和显示端；采集端设置在催化床处，显示端用于显示采集端采集的温度信息。
进一步的，温度检测装置的采集端为铠装热电偶，显示端为数字式控制仪表；铠装热电偶的信号输出端与数字式控制仪表的信号接收端相连接；铠装热电偶的数量为多个，分别设置安装在催化床的催化剂体内。
一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测方法，基于本发明的模拟检测装置，包括：
将预设量的空气和待测液态有机物置入蒸发瓶，通过蒸发瓶内的加热蒸发装置形成混合气体；混合气体经混合气体缓冲瓶进入燃烧装置；燃烧装置的废气出口排出的尾气进入尾气吸收检测系统；在混合气体采样口，通过气相色谱仪测量进气口处待测有机物浓度；在尾气采样口取样，用傅里叶红外光谱仪测量二氧化碳浓度；通过温度检测装置检测催化床预设位置的温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的装置利用微波加热替代传统的电加热等形式，可提高加热速度和能量转换效率；通过微波加热催化剂固定床，将VOCs废气高效催化氧化和矿化，可提高降解和矿化率，降低反应能耗。本发明特别适合于小气量和分散式排放VOCs废气的治理，可应用于涂装、橡胶和印刷包装等行业的VOCs废气治理，具有广阔的应用前景。
进一步的，波导管与催化燃烧室之间用耐高温且透波性能良好的云母片隔开，提高了加热速度和能量转换效率。
进一步的，本发明改变以往微波侧位辐照的加热方式，使微波传播方向与催化剂孔道方向一致，可增强微波穿透深度和能量的均匀分布转化，同时可避免催化剂因微波穿透损失而造成的局部高温烧结现象。
进一步的，设置密封保温装置中可防止微波能的泄漏和气体泄漏，可保护操作人员免受危害；催化燃烧室内壁贴附锡箔纸包裹高温棉的保温层，可减少热量损失和保证床层温度稳定。
进一步的，内衬金属丝网以防止微波泄漏，保护操作人员免受微波辐射危害。
本发明的模拟检测装置，可对挥发性有机化合物在燃烧装置内燃烧的情况进行模拟研究，对实际生产起到理论指导作用。
进一步的，催化剂床层温度采用铠装热电偶探针测温，圆头金属测温杆置身于催化剂体内或微小缝隙处，测温准确的同时避免了测温点的微波灼烧。
附图说明
图1是本发明实施例的一种微波辅助催化挥发性有机化合物的燃烧装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种微波辅助催化挥发性有机化合物的燃烧装置的主视结构示意图；
图3是本发明实施例的一种微波辅助催化挥发性有机化合物的燃烧装置的左视结构示意图；
图4是本发明实施例的一种微波辅助催化挥发性有机化合物的燃烧装置的俯视结构示意图；
图5是停留时间及初始浓度变化对甲苯催化燃烧降解率的影响曲线示意图；图5(a)是进气量Q＝16m3/h，初始浓度C0＝500mg/m3时的示意图；图5(b)是进气量Q＝16m3/h，初始浓度C0＝1000mg/m3时的示意图；
图6是本发明中微波辅助催化燃烧甲苯的降解与矿化曲线示意图；
图1至图4中，1废气入口；2废气出口；3微波发射装置；4催化床；5催化燃烧室；6铠装热电偶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图4，本发明的一种微波辅助催化挥发性有机化合物的燃烧装置，包括：微波发射系统、催化燃烧室和催化床4。
催化燃烧室设置有废气入口1和废气出口2，进气管道与废气入口1相连通，出气管道与废气出口2相连通；进气管道和出气管道均内衬金属丝网。催化床4上设置有催化剂，催化剂为Cu-Mn-Ce/SiC蜂窝催化剂；催化床4固定安装在催化燃烧室内，废气入口1和废气出口2处于催化床4的两侧。催化床4与催化燃烧室的内壁之间设置有密封保温装置，密封保温装置为采用锡箔纸包裹耐高温玻璃棉；催化燃烧室的内壁上设置有保温层。具体分析为，催化燃烧室包括密闭腔室，废气入口1和废气出口2均与密闭腔室相连通；通过废气入口1进入的催化燃烧室的废气穿过催化床4后经废气出口2流出。
微波发射系统包括：电源装置和两个微波发射装置3；每个微波发射装置3包括：磁控管；电源装置包括：倍压整流电路；倍压整流电路的输出端与磁控管相连接；电源装置输出脉动直流阳极电压和3～4V的灯丝电压，用于为磁控管供电。两个微波发射装置3分别安装在催化燃烧室的相对的两侧，每侧的微波功率为1040w～1300w，微波发射装置3通过波导管与催化燃烧室相连通，波导管与催化燃烧室之间设置有云母片，微波发射装置3发射的微波能够通过波导管进入催化燃烧器。微波发射装置3发射的微波的传播方向与催化床4上放置的催化剂的孔道方向一致。
本发明的一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测装置，包括：微波发射系统、催化燃烧室、VOCs废气进出口管道和检测口布置系统。微波发射系统包括独立分开的电源装置和磁控管发射装置,磁控管发射装置安装在催化燃烧室的两侧，通过矩形波导管将微波送至催化燃烧室；催化燃烧室为长方体结构，燃烧室一侧开有凹槽式不锈钢开关门，供催化剂装卸用；催化剂为吸波型蜂窝碳化硅载体负载过渡金属Cu-Mn-Ce催化活性组分；燃烧室顶部开测温孔，铠装热电偶6探针由燃烧室顶部的测温口垂直插入催化剂固定床中，温度由数控仪显示给出；VOCs废气进出口管道为不锈钢圆管。该催化燃烧装置安装方便、操作简单、投资成本低、处理效果稳定，特别适合于小气量和分散式排放VOCs废气的大气污染治理，可应用于涂装、橡胶和印刷包装等行业的工业企业VOCs废气治理。
本发明的一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测方法，基于本发明的模拟检测装置，包括：将预设量的空气和待测液态有机物置入蒸发瓶，通过蒸发瓶内的加热蒸发装置形成混合气体；混合气体经混合气体缓冲瓶进入燃烧装置；燃烧装置的废气出口2排出的尾气进入尾气吸收检测系统；在混合气体采样口，通过气相色谱仪测量进气口处待测有机物浓度；在尾气采样口取样，用傅里叶红外光谱仪测量二氧化碳浓度；通过温度检测装置检测催化床4预设位置的温度。
在催化燃烧技术中，提供氧化反应高温条件的加热设备目前主要为电阻炉，但热传导加热方式的电阻炉具有控制精度低、温度波动范围大、升降温过程缓慢和电转热效率低(40％左右)等缺点，造成目前应用广泛的蓄热式热力氧化(RTO)和蓄热式催化氧化(RCO)两种燃烧技术存在一次性投资成本大、运行费用高的缺点，从而对该技术的进一步推广应用造成了不利影响。从整体式蜂窝状催化剂的加热升温方式来说，采用微波加热替代了传统的电加热方式。传统电加热是由外及里的、无选择性的、传导式的加热方式，存在升降温速度慢、易烧结、散热损失大和能耗高等缺点。微波的选择性加热对催化剂材质提出了要求，但升降温迅速、无滞后性、内外同时加热、能量转化效率高以及其特有的偶极极化效应等优点而被科研工作者所关注。将微波加热应用于催化氧化，电磁波直接作用于活性组分而形成高温热点，污染物在热点处被催化氧化；微波偶极极化效应可有效降低极性有机物的反应活化能，从而有利于污染物的氧化分解。
实施例
本发明的一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测装置，包括：微波发射系统、催化燃烧室、VOCs废气进出口管道、尾气吸收和检测口布置系统。
微波发射系统安装在催化燃烧室的两侧，每侧的微波功率为1040w。催化燃烧室长×宽×高＝320×320×320mm，催化床4放置Cu-Mn-Ce/SiC蜂窝催化剂，催化床4四周采用锡箔纸包裹耐高温玻璃棉进行保温并防止VOCs废气未经催化氧化处理而逸出。VOCs废气进出口管道为不锈钢圆管，内衬金属丝网以防止微波泄漏。微波发射系统包括独立分开的电源装置和微波发射装置3。电源装置为普通220V交流供电，通过倍压整流电路系统转换成脉动直流阳极电压和约3～4V的灯丝电压为磁控管供电。微波发射装置3安装在本发明装置的两侧，磁控管在脉动直流高压作用下发射微波，然后通过矩形波导管将微波导入催化燃烧室，微波传播方向与催化剂孔道方向保持一致。
一种整体式Cu-Mn-Ce/SiC蜂窝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)催化剂载体的预处理：根据反应装置的形状与尺寸将蜂窝状载体切割成所需形状，用纯水冲洗干净后，放入盛有纯水的烧杯，置于超声波清洗器中10min以清除切割粉末和表面浮灰，以免影响接下来活性组分负载以及后续称重的准确性。将超声后的载体在110℃条件下烘干5h后，放入预先配制好的浓度为5％的稀硝酸溶液中，然后置于水浴锅中加热升温至80℃保持6h。请注意所需稀硝酸溶液的体积，要使载体完全浸没在溶液中以保证酸处理效果，考虑到加热保温过程中稀硝酸溶液有很大一部分会挥发变成蒸汽而逸走，从而导致酸处理溶液液面下降，不能使载体完全浸没于酸液中。此时应该做另外一组对照试验，即在烧杯中加入一定量的水，然后置于水浴锅中加热升温至80℃保持6h，时间结束后观测蒸发液体的体积，并以此为参考配置相应体积的稀硝酸溶液。选用硝酸预处理的目的是一方面酸处理可以进一步去除载体表面杂质；另一方面酸处理会腐蚀载体表面，从而提高堇青石或碳化硅载体的比表面积和孔容，进而增加催化剂活性组分的负载量。最后将预处理的催化剂基质用纯水洗至中性，在110℃条件下烘干5h备用。
(2)催化剂载体吸水率的测定：将步骤(1)所得已知质量(m1)的催化剂载体置于烧杯中，加入一定体积的纯水，密封室温静置24h后取出，用吹风机吹出载体孔道及表面水分，称重为m2(为保证试验的精确性，此步骤应由一个人单独完成，用吹风机应尽可能吹出载体孔道内壁因表面张力而附着的自由水分，同时称量操作应娴熟，尽量缩短称重时间，由于称量纸也具有一定的吸水性，吹风机吹扫后的催化剂基质还是会有一定量的水分附着，要尽量避免操作上的误差)，则此催化剂的吸水率M＝(m2-m1)/m1×100％。对于催化剂用量较大的试验，不能对每一块催化剂载体进行吸水率测定，应在同一批催化剂载体中选择具有代表性的3～5块，测定其吸水率，操作步骤如上所述，之后将得到的几个吸水率数据取平均值，这样就可以知道这批催化剂基质的吸水率。后续催化剂载体的吸水量可按如下方法计算：催化剂载体的质量为m，根据吸水率，计算得其吸水质量为M·m，由于水的密度为1g/mL，所以此载体的吸水体积即M·m，单位为mL。将此步骤所得载体在110℃条件下烘干5h备用。
(3)金属氧化物活性组分前驱液的制备：已知催化剂载体的质量，固定Cu与催化剂载体的质量比为2.5％，以Cu：Mn：Ce＝3：3：1的质量比准确称取Cu(NO3)2·3H2O试剂、50％Mn(NO3)2溶液以及Ce(NO3)3·6H2O试剂。在称量过程中，如果多次称量时应注意及时更换称量纸，由于Cu(NO3)2·3H2O试剂具有一定的吸水性，在空气中放置一段时间后就会因为吸水而变成粘稠团状，不易于准确称量其质量，也会有一部分粘附在称量纸上，影响实验称量的精确度。然后将按比例称好的三种化学试剂共同溶解至纯水中，其中纯水的体积为步骤(2)中所测得的催化剂载体的吸水体积M·m，同时取溶解系数1.35，即纯水的体积为1.35·M·m。溶解系数1.35是根据大量试验经验得出的，由于M·m是催化剂能吸收纯水的体积，而在三种试剂的溶解过程中会有一定量的水损失，故在此取系数1.35方能使得负载液体积更接近催化剂载体的原始吸水量。注意在溶解过程中一定要用磁力搅拌器进行搅拌，以保证试剂充分溶解来获得均匀的活性组分前驱液，为下一步试验做好准备工作。
(4)活性组分前驱体的负载：采用等体积浸渍法负载活性组分前驱体，步骤(3)中已按载体的吸水率制得活性组分前驱液，将步骤(2)所得催化剂载体缓慢浸入前驱液中，浸渍过程中先将载体A面朝下进行初次浸渍，待负载液由于虹吸作用浸过催化剂1/2高度时，翻转载体使得B面朝下进行二次浸渍，从而达到均匀吸收前驱液的目的，注意浸渍过程中应尽量避免将前驱液直接倾倒在催化剂载体上，此操作会大大降低活性组分前驱体在催化剂基质表面的负载均匀度，不利于后续过程中整体式催化剂的均匀升温，也对甲苯废气降解过程有一定的阻碍作用。前驱液吸收完全后，即可得到催化剂样品。
(5)催化剂的终处理：将步骤(4)所得负载活性组分前驱体的催化剂样品于室温下风干1h，直至样品表面无明显水痕，接着将其置于80℃烘箱中干燥5h烘干，得到的催化剂样品。对于金属氧化物为活性组分的催化剂，注意此过程烘干温度不得超过一定限值，当烘干温度超过110℃后，催化剂表面的一部分活性组分前驱体会因温度过高而发生氧化反应，使得催化剂整体呈黑色，有些位置则仍然呈淡蓝色，这是温度过高导致催化剂样品干燥不均匀所造成的。这样干燥后制备的整体式催化剂活性会降低，从而导致微波辅助催化燃烧甲苯废气的降解效果不理想。最后将干燥好的催化剂样品置于马弗炉中500℃下焙烧5h即可完成催化剂的终处理。
催化燃烧室为长方体结构；蜂窝状催化剂整齐有序地堆放在燃烧室中构成固定床催化燃烧室，气体从蜂窝孔道通过，微波传播与气体流动方向一致穿过催化剂的蜂窝孔道；催化剂为碳化硅载体/堇青石载体/分子筛载体分别负载过渡金属Cu-Mn-Ce催化活性组分，催化剂制备方法为等量浸渍法；燃烧室一侧开有凹槽式不锈钢开关门，供催化剂装卸用；燃烧室顶部开测温孔，选择一定的孔径和高度以保证微波不泄露。催化燃烧室内壁贴附锡箔纸包裹高温棉的保温层，以减少热量损失和保证床层温度稳定。
VOCs废气进出口管道为不锈钢圆管，内衬1～2mm圆孔的金属丝网，以防止微波泄漏；侧壁开8mm圆孔并焊接不锈钢管，橡胶塞封口，以作为VOCs废气进出口浓度的监测取样点。铠装热电偶由燃烧室顶部的测温口垂直插入催化剂固定床中，温度值由配套的数字式控制仪表显示给出。热电偶测温口处先用锡箔纸堵塞，然后用耐高温电胶布密封以防止气体泄露和漏波。
综上，针对工业生产过程中VOCs废气浓度低、气量变化大、有味有害和分散式排放的特点，本发明提出一种新型的微波辅助催化燃烧VOCs废气装置，通过微波加热催化剂固定床将VOCs废气高效催化氧化和矿化，以达到污染治理和达标排放的要求。本发明的微波辅助催化燃烧VOCs废气装置，进气口内部有一层金属丝网以防止微波漏能，气体由进气口进入到微波反应腔，进而进入到催化剂床区，在微波发生器作用下进行催化燃烧反应，反应之后的气体由出气口(内有金属丝网)进入到废气收集系统。装置运行时，使用热电偶6探针垂直插入床层中分别测量不同床层处的温度，微波传播方向与催化剂孔道方向一致，微波腔体与催化燃烧室合二为一，燃烧室采用保温措施以减少热量损失。微波加热具有条件温和、速度快、无滞后性、操作方便且能量转化效率高等优势，并且Cu-Mn-Ce/SiC催化剂在微波辐照下表现出了良好的催化活性。本发明的装置利用微波加热替代传统的电加热，波导管与催化燃烧室之间用耐高温且透波性能良好的云母片隔开，提高了加热速度和能量转换效率；催化燃烧反应空间与微波腔体合二为一，省去了单独的固定床反应器，简单、实用、安全、可靠；改变以往微波侧位辐照的加热方式，让微波传播方向与催化剂孔道方向一致，增强了微波穿透深度和能量的均匀分布转化，避免了催化剂因微波穿透损失而造成的局部高温烧结现象；催化剂床层温度采用铠装热电偶6探针测温，圆头金属测温杆置身于催化剂体内或微小缝隙处，测温准确的同时避免了测温点的微波灼烧。本发明的装置整体为不锈钢结构，VOCs废气进出口处金属丝网的安放、催化燃烧室的凹槽式开关门以及顶部测温处的开孔尺寸、高度及锡箔纸的堵塞均可有效防止微波能的泄漏，微波漏能仪的测试结果符合国家“作业场所微波辐射卫生标准”，从而保护操作人员免受微波辐射危害。本发明的装置微波功率连续可调、操作简单、安装方便、尺寸随气量变化可调，特别适合于小气量和分散式排放VOCs废气的治理，可应用于涂装、橡胶和印刷包装等行业的VOCs废气治理，具有广阔的应用前景。
实验过程
VOCs废气为模拟废气，首先使用压缩气泵使空气进入反应装置，并通过流量计对空气流量进行控制；与此同时，液态的甲苯通过微量注射泵进入蒸发瓶挥发并与计量空气汇合；汇合后的气体进入缓冲瓶进一步混合均匀，混合后的VOCs气体进入催化剂床层发生微波辅助催化燃烧反应，VOCs被氧化降解与矿化；反应后的尾气通过缓冲瓶后依次进入有机溶剂吸收瓶和碱液吸收瓶，充分吸收后排空；通过缓冲瓶是为了防止实验过程中意外事故时因管道负压造成尾气吸收液回流而对燃烧室造成不良影响；有机溶剂为无水乙醇和碱液为NaOH。催化剂床层温度由铠装热电偶与数显调节仪监测与显示，热电偶置于每层催化剂中心处，分别距反应床底部约4cm、12cm、20cm和28cm。进入催化燃烧反应装置前、后的VOCs气体通过气相色谱仪和傅里叶红外光谱仪进行目标物浓度定量分析和生成CO2浓度的定量测试。
实施例2
本发明的一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测方法，实验研究中，空气经压缩气泵进入反应装置，通过空气流量计计量气量为16m3/h后进入蒸发瓶；液体甲苯通过微量注射泵分别以5.0mL/h或10.0mL/h的速度注入蒸发瓶中挥发并与空气混合，使得进气口甲苯浓度分别控制在500mg/m3或1000mg/m3；实验使用电阻炉对蒸发瓶内的气体进行加热，蒸发瓶的高温使得液态甲苯能够完全挥发而与空气混合，混合后的气体进入缓冲瓶进一步混合均匀；混合均匀后的气体通过进气口进入微波辅助催化燃烧装置进行氧化反应。在气态甲苯进入和流出微波辅助催化燃烧装置的位置处分别设置气体取样点，实验开始后使用气相色谱仪测量进气口处甲苯浓度；热电偶置于催化剂床层内部且分别距床层底部约4cm、12cm、20cm、28cm处，从反应开始每隔10min记录一次温度，同时测量出气口处甲苯浓度；出气口处二氧化碳浓度每隔20min用傅里叶红外光谱仪进行测量；经过微波辅助催化燃烧后的尾气先进入到缓冲瓶，然后依次进入尾气吸收瓶，尾气吸收液分别是有机溶剂(无水乙醇)和无机碱液(NaOH溶液)。
图5(a)和图5(b)是在进气量Q＝16m3/h下，不同停留时间对不同初始浓度甲苯催化燃烧降解率的影响曲线。由图5可以看出，随着停留时间的增加，催化剂对甲苯的降解能力逐渐增强；当进气甲苯初始浓度为500mg/m3时，停留时间为2.03s时的甲苯降解率为74％，当停留时间增加到5.518s时甲苯的降解率达到98％；当进气甲苯初始浓度为1000mg/m3时，停留时间为2.03s时甲苯的降解为69％，当停留时间增加到5.518s时甲苯的降解率为87％。分析可知，随着气体在催化剂床区停留时间的增加，甲苯分子与催化剂活性位点接触的机会增加，从而使得甲苯降解率升高；甲苯初始浓度的增加使得其催化燃烧降解率有所下降，这是由于更多的甲苯分子竞争有限的活性位点所致。本研究中初始浓度变化对甲苯降解率的影响程度不如停留时间变化的影响大，停留时间是一大关键影响因素。
图6是甲苯初始浓度500mg/m3、进气量Q＝16m3/h条件下，微波辅助催化燃烧甲苯的降解与矿化效果图。由图6可知，在催化燃烧反应3h时，出气口甲苯浓度降为10mg/m3,甲苯的矿化率为77％；此时催化燃烧反应趋于稳定，甲苯的降解与矿化达到稳态。高的矿化率可有效减少有毒有害中间产物的生成，减轻二次污染和后续的处理工艺。原因分析为，首先在微波电磁场作用下微波偶极极化效应促进了甲苯分子键之间的振动，从而降低了反应活化能，促进了键断裂，使得中间产物进一步氧化分解，最终生成二氧化碳和水；其次催化剂中活性组分以多价态金属氧化物的形式存在，吸附氧和晶格氧的转化、金属价态的转化、更高催化活性尖晶石物种的形成以及羟基自由基等活性物种的生成等因素极大地促进了甲苯及过程产物的氧化降解。
催化燃烧法是利用催化剂将污染物的反应活化能降低，在催化剂表面发生剧烈的氧化还原反应。相比于直接燃烧法，催化燃烧法的起燃温度低，处理效率高，适用范围广且二次污染物极少，是非常具有发展前景的VOCs处理技术。微波加热区别于一般的热传导加热方式，电损耗所引起的加热，物质的介电常数越大，越迅速。它是利用处于微波场中的物质由于介相同功率下升温越快，功率越高升温相比于传统热传导的加热方式，微波加热有以下特点：由于不同的物质有不同的介电性质，处在微波场中的不同物质，在微波辐射下也会产生不同的反应。经过微波辐射后，介电常数高的物质每个分子都会受到电磁波的激发而整体都会加热，加热均匀。而传统的加热方式是通过热传导的方式来传递能量，通过温度梯度的差异来加热，这样就会造成加热不均匀的情况。由于微波加热是利用微波辐射后产生的高频振荡，以产生介电损耗而引起的反应过程，因此不需要热传导过程，使物料在微波辐射到的瞬间就会开始加热，因而具有瞬时性和无热惯性的特点，相比于传统的加热方式，减少了加热时间。微波加热的效果主要取决于物质的介电特性，介电常数越高，相同条件下微波的升温速率越快。所以将强吸波物质放入微波场中，它就会被加热，而不吸波的物质则不会被加热，这就提高了能源的利用效率。而常规电加热是通过热传导的方式对处于加热炉中的全部物质进行传热，没有选择性，从而造成了能源的浪费。因此，如果将微波技术用于现代的工业生产中，能够加速现代化生产的进行，对推动工业发展意义重大。
本发明利用微波加热替代传统电加热催化燃烧VOCs废气，在微波照射下VOCs的降解和矿化率明显提高，VOCs反应活化能下降而反应速率增加，同时也显著降低了反应能耗。

Claims (10)

1.一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，包括：微波发射系统、催化燃烧室(5)和催化床(4)；
催化燃烧室(5)设置有废气入口(1)和废气出口(2)；
催化床(4)上设置有催化剂；催化床(4)固定安装在催化燃烧室(5)内，废气入口(1)和废气出口(2)处于催化床(4)的两侧；
微波发射系统包括微波发射装置(3)；微波发射装置(3)安装在催化燃烧室(5)上，微波发射装置(3)通过波导管与催化燃烧室(5)相连通，微波发射装置(3)发射的微波能够通过波导管进入催化燃烧器。
2.根据权利要求1所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，催化床(4)上设置的催化剂为Cu-Mn-Ce/SiC蜂窝催化剂。
3.根据权利要求1所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，微波发射系统包括：两个微波发射装置(3)；
两个微波发射装置(3)分别安装在催化燃烧室(5)的相对的两侧，每侧的微波功率为1040w～1300w；
波导管与催化燃烧室(5)之间设置有云母片。
4.根据权利要求1所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，微波发射系统包括：电源装置和微波发射装置(3)；
微波发射装置(3)包括：磁控管；
电源装置包括：倍压整流电路；倍压整流电路的输出端与磁控管相连接；电源装置输出脉动直流阳极电压和3～4V的灯丝电压，用于为磁控管供电。
5.根据权利要求1所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，微波发射装置(3)发射的微波的传播方向与催化床(4)上放置的催化剂的孔道方向一致。
6.根据权利要求1所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，还包括：进气管道和出气管道；
进气管道与废气入口(1)相连通，出气管道与废气出口(2)相连通；进气管道和出气管道均内衬金属丝网。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种挥发性有机化合物的燃烧装置，其特征在于，
催化床(4)与催化燃烧室(5)的内壁之间设置有密封保温装置，密封保温装置为采用锡箔纸包裹耐高温玻璃棉；
催化燃烧室(5)的内壁上设置有保温层。
8.一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测装置，其特征在于，包括：模拟进气系统、尾气吸收检测系统、温度检测装置及权利要求1至7中任一项所述的燃烧装置；
模拟进气系统包括：压缩气泵、蒸发瓶和混合气缓冲瓶；压缩气泵通过气体管道与蒸发瓶的入口相连通，气体管道上设置有流量计；蒸发瓶的出口与混合气体缓冲瓶的入口相连通；混合气缓冲瓶的出口通过进气管道与废气入口(1)相连通；废气入口(1)处设置有混合气体采样口；蒸发瓶内设置有加热蒸发装置；
尾气吸收检测系统包括：尾气缓冲瓶、有机溶剂吸收瓶和碱液吸收瓶；废气出口(2)通过出气管道与尾气缓冲瓶的入口相连通，尾气缓冲瓶的出口通过管道与有机溶剂吸收瓶的入口相连通；有机溶剂吸收瓶的出口与碱液吸收瓶的入口相连通，碱液吸收瓶的出口排空；废气出口(2)处设置有尾气采样口；
温度检测装置包括采集端和显示端；采集端设置在催化床(4)处，显示端用于显示采集端采集的温度信息。
9.根据权利要求8所述的一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测装置，其特征在于，温度检测装置的采集端为铠装热电偶(6)，显示端为数字式控制仪表；铠装热电偶(6)的信号输出端与数字式控制仪表的信号接收端相连接；
铠装热电偶(6)的数量为多个，分别设置安装在催化床(4)的催化剂体内。
10.一种挥发性有机化合物燃烧的模拟检测方法，其特征在于，基于权利要求8或9所述的模拟检测装置，包括：
将预设量的空气和待测液态有机物置入蒸发瓶，通过蒸发瓶内的加热蒸发装置形成混合气体；混合气体经混合气体缓冲瓶进入燃烧装置；燃烧装置的废气出口(2)排出的尾气进入尾气吸收检测系统；
在混合气体采样口，通过气相色谱仪测量进气口处待测有机物浓度；在尾气采样口取样，用傅里叶红外光谱仪测量二氧化碳浓度；通过温度检测装置检测催化床(4)预设位置的温度。
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