CN109621706B - 一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法，该系统包括气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元、热能回收单元和监测控制单元组成。本发明采用多种催化剂组合联用，能够明显提高对复杂成分VOCs的整体去除效果；增加自动控制开关在保证最佳电源参数不变的前提下，提高了系统在不同工况下的适应性；增添气体预处理单元，实现对煤化工废气中颗粒物的脱除，大大减轻了对后续处理单元的磨损；加入热能回收单元，对整个系统关键部位的温度进行监测和控制，使得在不同工况下，除尘器、催化剂等仍能够工作在最佳的温度范围内，同时对废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收利用，进一步提高了整体的能量利用效率。

Description

一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法
技术领域
本发明属于煤化工VOCs综合处理技术领域，具体涉及一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)指的是参与大气光化学反应的有机化合物，主要包括：烷烃、不饱和烃、苯系物、醇类、醛酮类、酯类、卤代烃等。其中相当一部分对人体具有较强的致畸、致癌和致突变作用，同时还在可吸入颗粒物(PM 2.5)、臭氧(O3)等二次污染物形成过程中发挥着重要的作用。鉴于VOCs的这些危害，国家正在积极寻求相关的控制手段。
目前，常见的VOCs控制方式大体可分为两类：一类是预防性控制措施，主要是通过更换原料、改进工艺过程和设备等手段从源头减少VOCs的产生；另一类是末端处理方法，即对已产生的VOCs进行治理。预防性控制措施是相对理想的控制方法，但受限于社会发展、资源条件以及生产技术等原因，很难实现。这使得末端处理成为了现阶段控制VOCs的主要方式。VOCs末端处理方法主要有回收法和降解法两种。回收法主要针对浓度较大且具备相当回收价值和潜力的VOCs，采用物理方法将其回收，主要包括：吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法等。降解法主要用于处理回收价值不大、回收难度过高的VOCs，采用生物化学方法将其氧化分解为CO2、H2O等无毒或低毒产物，主要有热力燃烧法、催化燃烧法、生物降解法、低温等离子体技术及光催化法等。然而，实际使用过程中发现：不同VOCs处理技术间存在较大差异，实际VOCs去除率普遍低于理论值，且运行过程中波动较大，难以真正实现VOCs的高效脱除；此外，各种VOCs处理技术在实际应用过程中受到了环境因素(空气湿度)、设计参数选取、废气成分、设备维护等诸多因素的影响，使得其潜在处理能力得不到充分发挥。
低温等离子体协同催化技术，结合低温等离子技术与催化燃烧技术的优势，通过气体放电(特别是电晕放电和介质阻挡放电)产生具有大量自由基的高活性低温等离子体激发低温催化氧化反应，使得装置不必工作在600℃左右的高温区，避免了可能因积温导致的催化剂烧结和耐高温材料的使用；另一方面，催化剂的加入强化了气体放电，增加了气体停留时间，大大减少了O3等有害副产物的生成，并可通过后置式催化剂实现副产物的进一步脱除。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法，实现煤化工VOCs综合处理与热能利用，针对煤化工废气固体颗粒物含量高、温度较高、成分复杂等问题，优化了现有低温等离子体协同催化装置结构，增添气体预处理、监测控制及热能回收单元，实现系统的灵活控制和废气高效净化。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，包括热能回收单元和监测控制单元，以及依次连接的气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元；其中，
气体预处理单元，用于脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压后，输送至低温等离子体协同催化单元；
低温等离子体协同催化单元，用于借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2无害物质，并输送至尾气后处理单元；
尾气后处理单元，采用催化剂将可能产生的有害副产物脱除，实现尾气达标排放；
热能回收单元，用于将气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；
监测控制单元，分别与气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元和热能回收单元相连，通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
本发明进一步的改进在于，气体预处理单元包括气体成分浓度传感器和流量传感器、前部换热器、第一温度传感器、除尘器和增压风机；气体成分浓度传感器和流量传感器设置在前部换热器的入口处，第一温度传感器设置在前部换热器的出口处，前部换热器的出口连接除尘器的入口，除尘器的出口连接增压风机的入口。
本发明进一步的改进在于，除尘器同时利用重力和惯性除尘，其中气体下行通道宽度L1小于上行通道宽度L2。
本发明进一步的改进在于，低温等离子体协同催化单元包括高频脉冲发生器以及依次设置的均流板、网状负极、带有强化放电尖端的网状正极、自动控制开关、中部温控换热器、倾斜蜂窝状催化剂和第二温度传感器；高频脉冲发生器的正极连接带有强化放电尖端的网状正极，负极连接网状负极；
废气经增压风机加压后，流经均流板进入低温等离子体协同催化单元进行反应，依次经过网状负极、带有强化放电尖端的网状正极和倾斜蜂窝状催化剂，进行催化氧化反应进而实现VOCs的脱除。
本发明进一步的改进在于，自动控制开关用于实现在不改变高频脉冲发生器工作特性前提下，适应不同负荷灵活控制参与协同催化反应的催化剂层数，节约能量。
本发明进一步的改进在于，倾斜蜂窝状催化剂由多种针对不同种类VOCs的催化剂组合而成，并且气体通道与催化剂层法线方向存在预设夹角，在增加停留时间和接触面积进而增强脱除效果的同时，通过多种催化剂的组合联用实现了对复杂成分VOCs的高效协同脱除。
本发明进一步的改进在于，尾气后处理单元包括后置式催化剂、后部排气换热器、第三温度传感器和气体成分浓度传感器；后置式催化剂设置在后部排气换热器的入口处，第三温度传感器和气体成分浓度传感器均设置在后部排气换热器的出口处。
本发明进一步的改进在于，热能回收单元包括由单向阀、通流阀和旁路阀组成的三套阀组，每套阀组中的单向阀分别设置在前部换热器的出口处、中部温控换热器的出口处以及后部排气换热器的出口处，每套阀组中的通流阀分别设置在前部换热器的入口处、中部温控换热器的入口处以及后部排气换热器的入口处，每套阀组中的旁路阀分别连接对应的单向阀和通流阀。
本发明进一步的改进在于，监测控制单元包括数据采集与分析控制计算机和风机变频器，数据采集与分析控制计算机与各类传感器、控制阀和电路开关相连，风机变频器与增加风机相连。
一种煤化工VOCs综合处理与热能利用方法，包括：废气进入气体预处理单元后，脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压后，输送至低温等离子体协同催化单元；低温等离子体协同催化单元，借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2无害物质，并输送至尾气后处理单元；尾气后处理单元采用催化剂将可能产生的有害副产物脱除，实现尾气达标排放；热能回收单元将气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；监测控制单元分别与气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元和热能回收单元相连，通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统及方法，包括气体预处理单元，低温等离子体协同催化单元，尾气后处理单元，热能回收单元和监测控制单元。其中，气体预处理单元旨在脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压；低温等离子体协同催化单元借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2等无害物质；尾气后处理单元采用催化剂将可能产生的O3等有害副产物脱除，实现尾气达标排放；热能回收单元将废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；监测控制单元通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
进一步，所述除尘器同时利用重力和惯性除尘，其中气体下行通道宽度L1小于上行通道宽度L2。相比之于等距排布，通过减小下行通道宽度，增加气体流速，增强颗粒受到的向下曳引力，进而增强颗粒速度和颗粒惯性，增强惯性除尘效果；与此同时，通过增大上行通道宽度，减小气体流速，减小颗粒所受向上的曳引力，进而降低气体挟带能力。
进一步，所述自动控制开关能够实现在不改变高频脉冲发生器工作特性前提下，适应不同负荷灵活控制参与协同催化反应的催化剂层数，节约能量。
进一步，所述倾斜蜂窝状催化剂是由多种针对不同种类VOCs的催化剂组合而成，并且气体通道与催化剂层法线方向存在预设夹角，在增加停留时间和接触面积进而增强脱除效果的同时，通过多种催化剂的组合联用实现了对复杂成分VOCs的高效协同脱除。
进一步，热能回收单元通过改变各个通流阀和旁路阀的开度可以实现对系统各部位温度的灵活调控，回收废气中多余的热量及催化反应生成的热量，提高系统整体的能源利用效率。
进一步，监测控制单元通过监测分析气体成分、浓度、流量及温度，改变阀门开度、风机转速进而控制系统在最佳温度浓度范围内运行，保证颗粒物和VOCs的综合高效脱除。具体来说，监测控制单元接收来自不同位置的温度、流量、成分和浓度信号，分布于各处的传感器原则上不能与催化剂、电极、换热器管直接接触，可视情况予以调整，但必须确保能够较为准确的获得该处或该处附近的被测量。
综上所述，本发明提供的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，脱除效率高，利用工作在相应最佳温度范围的多种不同催化剂对应去除不同种类VOCs；灵活性强，通过监测气体成分、浓度、流量，灵活变动风机转速和参与协同反应的催化剂层数；能量利用率高，通过热量回收单元对废气中多余的热量及催化反应生成的热量进行回收。
因此，本发明针对目前研究较少的煤化工VOCs处理技术，综合考虑其废气中含有大量颗粒物且温度较高的特点，以及有别于印刷、喷漆、制药等行业的VOCs处理要求，通过多单元的有机组合，改进已有低温等离子体协同催化装置结构，实现对煤化工VOCs的综合处理与热能利用。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图，其中，虚线表示信号传输线路，实线表示冷却水管路，监测点数目、除尘器内层数、催化剂层数和排布、换热管排数等并不局限于图中列举的具体数目、位置和组合。
附图标记说明：
1-1为气体成分浓度传感器和流量传感器，1-2为前部换热器，1-3为第一温度传感器，1-4为除尘器，1-5为增压风机，2-1为均流板，2-2为网状负极，2-3为带有强化放电尖端的网状正极，2-4为自动控制开关，2-5为中部温控换热器，2-6为倾斜蜂窝状催化剂，2-7为第二温度传感器，2-8为高频脉冲发生器，3-1为后置式催化剂，3-2为后部排气换热器，3-3为第三温度传感器，3-4为气体成分浓度传感器，4-1为单向阀，4-2为通流阀，4-3为旁路阀，5-1为数据采集与分析控制计算机，5-2为风机变频器。
具体实施方式
以下结合示意图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，包括气体预处理单元，低温等离子体协同催化单元，尾气后处理单元，热能回收单元和监测控制单元。其中，气体预处理单元旨在脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压；低温等离子体协同催化单元借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2等无害物质；尾气后处理单元采用催化剂将可能产生的O3等有害副产物脱除，实现尾气达标排放；热能回收单元将废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；监测控制单元通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
其中，气体预处理单元包括气体成分浓度传感器和流量传感器1-1、前部换热器1-2、第一温度传感器1-3、除尘器1-4和增压风机1-5；气体成分浓度传感器和流量传感器1-1设置在前部换热器1-2的入口处，第一温度传感器1-3设置在前部换热器1-2的出口处，前部换热器1-2的出口连接除尘器1-4的入口，除尘器1-4的出口连接增压风机1-5的入口。除尘器1-4同时利用重力和惯性除尘，其中气体下行通道宽度L1小于上行通道宽度L2。
低温等离子体协同催化单元包括高频脉冲发生器2-8以及依次设置的均流板2-1、网状负极2-2、带有强化放电尖端的网状正极2-3、自动控制开关2-4、中部温控换热器2-5、倾斜蜂窝状催化剂2-6和第二温度传感器2-7；高频脉冲发生器2-8的正极连接带有强化放电尖端的网状正极2-3，负极连接网状负极2-2；废气进入气体预处理单元，经前部换热器1-2回收热量，将温度调整到最佳工作温度范围，经除尘器1-4去除绝大部分颗粒物，随后废气经增压风机1-5加压后，流经均流板2-1进入低温等离子体协同催化单元进行反应，依次经过网状负极2-2、带有强化放电尖端的网状正极2-3和倾斜蜂窝状催化剂2-6，进行催化氧化反应进而实现VOCs的脱除。
自动控制开关2-4用于实现在不改变高频脉冲发生器2-8工作特性前提下，适应不同负荷灵活控制参与协同催化反应的催化剂层数，节约能量。倾斜蜂窝状催化剂2-6由多种针对不同种类VOCs的催化剂组合而成，并且气体通道与催化剂层法线方向存在预设夹角，在增加停留时间和接触面积进而增强脱除效果的同时，通过多种催化剂的组合联用实现了对复杂成分VOCs的高效协同脱除。
在一定条件下(特别是工况发生剧烈变动时)，协同催化反应过程中可能产生数量可观的O3等有害副产物，此时需要借助尾气后处理单元将副产物催化分解至达标后排放。具体的，尾气后处理单元包括后置式催化剂3-1、后部排气换热器3-2、第三温度传感器3-3和气体成分浓度传感器3-4；后置式催化剂3-1设置在后部排气换热器3-2的入口处，第三温度传感器3-3和气体成分浓度传感器3-4均设置在后部排气换热器3-2的出口处。
热能回收单元包括由单向阀4-1、通流阀4-2和旁路阀4-3组成的三套阀组，每套阀组中的单向阀4-1分别设置在前部换热器1-2的出口处、中部温控换热器2-5的出口处以及后部排气换热器3-2的出口处，每套阀组中的通流阀4-2分别设置在前部换热器1-2的入口处、中部温控换热器2-5的入口处以及后部排气换热器3-2的入口处，每套阀组中的旁路阀4-3分别连接对应的单向阀4-1和通流阀4-2。
监测控制单元包括数据采集与分析控制计算机5-1和风机变频器5-2，数据采集与分析控制计算机5-1与各类传感器、控制阀和电路开关相连，风机变频器5-2与增加风机1-5相连。
本发明提供的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用方法，包括：废气进入气体预处理单元后，脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压后，输送至低温等离子体协同催化单元；低温等离子体协同催化单元，借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2无害物质，并输送至尾气后处理单元；尾气后处理单元采用催化剂将可能产生的有害副产物脱除，实现尾气达标排放；热能回收单元将气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；监测控制单元分别与气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元和热能回收单元相连，通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
本发明所诉的实施方案，其核心思想是：针对不同的VOCs成分，通过控制电路开关，在反应器相应位置处产生低温等离子体激活特定的低温催化反应，实现对复杂成分VOCs的整体高效脱除，保持高的能量利用率。
所述实验方案，为了保证催化剂始终工作在各自最佳温度范围内，通过监测气流温度，调控通流阀及旁路阀开度，实现对催化剂层的温度控制。
所述实验方案，可通过调整通流阀和旁路阀开度，使系统在工况改变后仍能工作在最佳温度范围内，保证除尘效率和VOCs去除率，同时回收废气中及反应中产生的热量。
所述实验方案，可通过调整风机频率，使其在不同气体流量下保持较高的工作效率。

Claims (8)

1.一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，包括热能回收单元和监测控制单元，以及依次连接的气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元；其中，
气体预处理单元，用于脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压后，输送至低温等离子体协同催化单元；气体预处理单元包括气体成分浓度传感器和流量传感器(1-1)、前部换热器(1-2)、第一温度传感器(1-3)、除尘器(1-4)和增压风机(1-5)；气体成分浓度传感器和流量传感器(1-1)设置在前部换热器(1-2)的入口处，第一温度传感器(1-3)设置在前部换热器(1-2)的出口处，前部换热器(1-2)的出口连接除尘器(1-4)的入口，除尘器(1-4)的出口连接增压风机(1-5)的入口；
低温等离子体协同催化单元，用于借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2无害物质，并输送至尾气后处理单元；低温等离子体协同催化单元包括高频脉冲发生器(2-8)以及依次设置的均流板(2-1)、网状负极(2-2)、带有强化放电尖端的网状正极(2-3)、自动控制开关(2-4)、中部温控换热器(2-5)、倾斜蜂窝状催化剂(2-6)和第二温度传感器(2-7)；高频脉冲发生器(2-8)的正极连接带有强化放电尖端的网状正极(2-3)，负极连接网状负极(2-2)；
废气经增压风机(1-5)加压后，流经均流板(2-1)进入低温等离子体协同催化单元进行反应，依次经过网状负极(2-2)、带有强化放电尖端的网状正极(2-3)和倾斜蜂窝状催化剂(2-6)，进行催化氧化反应进而实现VOCs的脱除；
尾气后处理单元，采用催化剂将可能产生的有害副产物脱除，实现尾气达标排放；
热能回收单元，用于将气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；
监测控制单元，分别与气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元和热能回收单元相连，通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
2.根据权利要求1所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，除尘器(1-4)同时利用重力和惯性除尘，其中气体下行通道宽度L1小于上行通道宽度L2。
3.根据权利要求1所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，自动控制开关(2-4)用于实现在不改变高频脉冲发生器(2-8)工作特性前提下，适应不同负荷灵活控制参与协同催化反应的催化剂层数，节约能量。
4.根据权利要求1所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，倾斜蜂窝状催化剂(2-6)由多种针对不同种类VOCs的催化剂组合而成，并且气体通道与催化剂层法线方向存在预设夹角。
5.根据权利要求1所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，尾气后处理单元包括后置式催化剂(3-1)、后部排气换热器(3-2)、第三温度传感器(3-3)和气体成分浓度传感器(3-4)；后置式催化剂(3-1)设置在后部排气换热器(3-2)的入口处，第三温度传感器(3-3)和气体成分浓度传感器(3-4)均设置在后部排气换热器(3-2)的出口处。
6.根据权利要求5所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，热能回收单元包括由单向阀(4-1)、通流阀(4-2)和旁路阀(4-3)组成的三套阀组，每套阀组中的单向阀(4-1)分别设置在前部换热器(1-2)的出口处、中部温控换热器(2-5)的出口处以及后部排气换热器(3-2)的出口处，每套阀组中的通流阀(4-2)分别设置在前部换热器(1-2)的入口处、中部温控换热器(2-5)的入口处以及后部排气换热器(3-2)的入口处，每套阀组中的旁路阀(4-3)分别连接对应的单向阀(4-1)和通流阀(4-2)。
7.根据权利要求6所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，其特征在于，监测控制单元包括数据采集与分析控制计算机(5-1)和风机变频器(5-2)，数据采集与分析控制计算机(5-1)与各类传感器、控制阀和电路开关相连，风机变频器(5-2)与增加风机(1-5)相连。
8.一种煤化工VOCs综合处理与热能利用方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至7中任一项所述的一种煤化工VOCs综合处理与热能利用系统，包括：
废气进入气体预处理单元后，脱除废气中挟带的固体颗粒物，并通过风机增压后，输送至低温等离子体协同催化单元；低温等离子体协同催化单元，借助气体放电产生的低温等离子体激活低温催化氧化反应将VOCs氧化分解为H2O、CO2无害物质，并输送至尾气后处理单元；尾气后处理单元采用催化剂将可能产生的有害副产物脱除，实现尾气达标排放；热能回收单元将气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元和尾气后处理单元废气中多余的热量及催化反应生成的热量予以回收和集中，同时提高除尘器效果，控制催化反应器工作在最佳温度范围，回收的热量统一送至换热站；监测控制单元分别与气体预处理单元、低温等离子体协同催化单元、尾气后处理单元和热能回收单元相连，通过监测分析气体成分、浓度、温度和流量，控制风机、阀门和开关，使得整个系统保持高效运行。
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