CN110124485A - 一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置及工艺，装置包括卧式设置的反应器筒体，反应器筒体一端设置进气口、另一端设置出气口；所述反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置：过滤干燥模块；等离子体放电模块，包括若干水平设置的放电单元，所述放电单元包括陶瓷套筒、贴附于陶瓷套筒外壁的外电极金属网和贴附于陶瓷套筒内壁上的内电极金属网，所述陶瓷套筒为放电介质，所有的外电极金属网接高压电源，所有的内电极金属网接地；超声雾化模块；以及过滤吸附模块。本发明强化活性自由基的组合工艺对含挥发性有机物的工业废气进行净化处理的装置，其能够高效处理工业生产过程中产生的含有挥发性有机物(VOCs)的有机废气。

Description

一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置及工艺
技术领域
本发明涉及有机废气净化技术，具体是指采用强化活性自由基的组合工艺对有机工业废气进行净化处理的装置。
背景技术
众所周知，我国目前依然面临着非常严重的大气污染问题。例如公开号为CN108295631A的中国发明专利申请文献公开了一种采用气升式填料生物反应器处理有机废气的方法，气升式填料生物反应器，包括：塔体；内筒，沿塔体的轴向设置在塔体内部；填料区，位于塔体和内筒之间；微孔曝气器，与内筒的底部连接；进气口，设置在塔体的底部，并与微孔曝气器连接；出气口，设置在塔体的顶部；该方法包括：将菌种接种到无机盐培养液中培养，通入有机废气曝气驯化；将具有降解能力的微生物群落的营养液加入到气升式填料生物反应器中，体系pH值维持在6～7，体系温度在30±4℃，从进气口通入有机废气，有机废气在气升式填料生物反应器中停留处理，实现有机废气降解。
市面上也存在使用紫外光降解工艺，但是现有的紫外光降解有机废气处理工艺多为单一的紫外光解工艺，在利用紫外光光解含VOC的有机废气过程中，存在降解不彻底、尾气臭氧浓度较高易形成二次污染物的问题，且难以应对成分相对复杂的工业有机废气，不能满足当下日益严格的大气环境标准及要求。
过硫酸盐和过氧化氢作为强氧化剂，一直广泛应用于水处理领域中的有机污染物的去除。在有机废气处理领域，由于存在难以实现气液两相的均相反应以及二次污染等问题，上述强氧化剂并未得到广泛的应用。
发明内容
本发明提供的是一种强化活性自由基的组合工艺对含挥发性有机物的工业废气进行净化处理的装置，其能够高效处理工业生产过程中产生的含有挥发性有机物(VOCs)的有机废气。
一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置，包括卧式设置的反应器筒体，反应器筒体一端设置进气口、另一端设置出气口；所述反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置：
过滤干燥模块；
等离子体放电模块，包括若干水平设置的放电单元，所述放电单元包括陶瓷套筒、贴附于陶瓷套筒外壁的外电极金属网和贴附于陶瓷套筒内壁上的内电极金属网，所述陶瓷套筒为放电介质，所有的外电极金属网接高压电源，所有的内电极金属网接地；
超声雾化模块，包括超声雾化器和管壁开孔的输汽管网，所述超声雾化器设于反应器筒体外，所述输汽管网垂直于所述反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内；
以及过滤吸附模块。
陶瓷套筒内、外部通道、以及相邻放电单元间隙均为气体通道，经过过滤干燥后的气体从气体通道内穿过。
优选地，所述过滤干燥模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网。进一步优选地，所述过滤干燥网为由由活性炭及硅胶组成的过滤干燥网。过滤干燥网由活性炭及硅胶组成，用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥。
优选地，所述过滤吸附网为由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成的过滤吸附网过滤吸附网用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
优选地，所述输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管上均匀开设输汽孔。支管组成的管网网面垂直于反应器筒体轴线。
优选地，所述陶瓷套筒的内径为90～110mm；外径为120～140mm。进一步优选地，所述陶瓷套筒的内径为100mm；外径为130mm。优选地，相邻放电单元之间的间距为80～120mm。进一步优选为100mm。
优选地，所述放电单元由支撑架和环绕固定在支撑架外的固定板安装于反应器筒体内壁上，所述固定板与所述反应器筒体内壁固定，所述放电单元安装于支撑架上。
所述过滤吸附网吸附气凝胶后可直接取下清洗，更进一步优选地，所述过滤吸附网上方还可设置喷淋装置；下方设置积液槽。
本发明还提供一种利用所述有机废气降解装置进行有机废气降解的方法，包括：
待处理有机废气经进气口进入反应器筒体内，首先经过过滤干燥模块将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥；随后进入等离子体放电模块，等离子体放电产生的高能电子、自由基及臭氧对有机废气中的的VOC进行初步降解；随后进入超声雾化模块，超声雾化器将储存的混合溶液经超声雾化形成0.5～5μm范围内的雾滴，喷入反应器筒体内，与经初步降解后的VOCs充分接触并反应，所述混合溶液为过氧化氢和过硫酸盐的混合溶液；最后经过滤吸附模块，对尾气中的气凝胶进行吸附回收，净化气体由出气口排放。
优选地，混合液中的过氧化氢溶液的浓度与过硫酸盐溶液的浓度比为30∶1～50∶1；过硫酸盐溶液的质量百分浓度为0.5～1％。
优选地，所述等离子体放电模块的输入电压为5kV～8kV。
针对现有工艺技术中存在的不足，在单一工艺难以满足工业有机废气净化要求的基础上，本发明开发出了一套净化工业有机废气的组合工艺，将等离子体技术与超声雾化活化技术相结合，混合液经超声雾化后可与有机废气均匀混合，实现气液两相的反应物均相反应。在生成的具有强氧化性的羟基自由基和硫酸根自由基的作用下，最终可实现工业有机废气的高效降解。
本发明的反应机理如下：
S1.过滤干燥：有机废气首先经活性炭及硅胶过滤，将有机废气中的固液态颗粒物进行去除并干燥，随后进入低温等离子体模块；
S2.介质阻挡放电活化：该介质阻挡放电过程可以产生大量的高能电子、自由基、臭氧等，在此作用下有机废气中的大分子VOC可得到初步分解，部分小分子VOC可直接被氧化成CO2和H2O：
式中，a、b、c、d分别代表方程中反应物和产物的化学反应计量系数(下同)；
S3.超声波雾化活化：经超声波(ultrasonicwave)雾化器雾化后的混合溶液产生了大量的雾滴，在此过程中，部分过氧化氢和过硫酸盐形成了活性极强的羟基自由基与硫酸根自由基。与此同时，雾滴进入主反应装置后，与残余的放电过程产生的高能电子、自由基、臭氧等相互作用，产生大量的羟基自由基和氧自由基。上述具有强氧化性的活性基团与有机废气充分混合，其中的VOCs在上述活性基团的作用下发生强氧化反应最终生成CO2和H2O：
本发明的装置及工艺适用于含挥发性有机物(VOC)的工业有机废气的处理。进一步的，本发明适用的有机废气中VOC浓度不超过1000mg/m3。
本发明所述的介质阻挡放电模块内的所使用的输入电压为5～8kV的高压，分别加在内、外电极金属网上，介质阻挡放电过程可产生大量高能电子、自由基和臭氧等。
本发明所述的超声雾化模块中过硫酸盐溶液的浓度为0.5～1％(质量百分数)。过硫酸盐选用Na2S2O8、K2S2O8、(NH4)2S2O8；进一步的，本发明使用的过硫酸盐溶剂优选为(NH4)2S2O8。
本发明所述的过氧化氢雾化模块混合液中的过氧化氢溶液的浓度与过硫酸盐溶液的浓度比为30∶1～50∶1。过氧化氢为市售过氧化氢溶液。
本发明所述的雾化模块中的混合液经超声雾化器雾化后，可形成直径0.5～50μm的雾滴。当有气流通入雾化装置时，上述形成的雾滴可从输气管网上的均匀分布的气孔中排出，实现均匀布置。
本发明所使用的混合液，其可在高能等离子体的作用下迅速产生具有强氧化性的羟基自由基和硫酸根自由基。
本发明中的介质阻挡放电模块，在放电过程中能使空气中的氧气发生电离生成大量的臭氧。该部分臭氧可与过氧化氢分子相互作用，生成氧化活性极强的羟基自由基和氧自由基。根据待处理气体中VOCs的浓度，通过调节输入电压，进而控制臭氧的产量，实现臭氧的有效利用。
本发明所述的组合工艺装置中，前端和尾端分别布置有过滤干燥网和过滤吸附网。其中，前端的过滤干燥网由活性炭及硅胶组成，用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥；尾端的过滤吸附网用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用过氧化氢与过硫酸盐混合溶液，借助介质阻挡放电和超声雾化过程，产生大量的活性自由基并应用于有机废气的降解，开发出了一套可应对多种污染物并能实现高效降解的技术，克服了传统技术的单一、降解不彻底、可处理对象简单、尾气臭氧浓度高易形成二次污染等缺点。
附图说明
图1为本发明的一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置外观示意图(正视图)。
图2为本发明装置左视图。
图3是图2的A-A向视图。
图4是图3的B-B向视图。
图5是图3的C-C向视图。
图中所示附图标记如下：
101-过滤干燥网 201-外电极金属网 202-内电极金属网
203-放电介质 204-等离子体反应腔体 205-固定板
301-混合溶液 302-超声雾化器 303-输汽管网
304-输汽孔 401-过滤吸附网
5-反应器筒体 6-进气口 7-出气口
具体实施方式
如图1～图5所示，一种有机废气降解装置，包括卧式设置的反应器筒体5，反应器筒体一端开设进气口6、另一端开设出气口7，反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置过滤干燥模块、等离子体放电模块、超声雾化模块和过滤吸附模块。
过滤干燥模块为固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网101，过滤干燥网由活性炭及硅胶组成，用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥；过滤干燥网垂直于反应器筒体的轴线布置，气体穿过过滤干燥网的同时经过过滤干燥网去除有机废气中的固态颗粒并干燥。
等离子体放电模块包括若干水平布置的放电单元，每个放电单元由相互套叠的外层金属电极网201和内层金属电极网202组成，外层金属电极网与内层金属电极网之间为放电介质203，放电介质为陶瓷套筒，外电极金属网贴附于陶瓷套筒外壁上，内电极金属网贴附于陶瓷套筒内壁上，陶瓷套筒的内径为100mm，厚度为15mm。
所有的外电极金属网并联后连接高压电源，所有的内电极金属网并联后接地。气体由陶瓷套筒内、外部通道、以及相邻放电单元间隙通过。放电单元由支撑架和环绕在支撑架外的固定板205固定安装于反应器筒体内壁上，固定板与反应器筒体内壁固定，放电单元固定安装于支撑架上。
超声雾化模块包括超声雾化器302和输汽管网303，超声雾化器置于反应器筒体外，其容器内盛装混合溶液301，输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管形成管网状，如图5所示，输汽支管上均匀开设输汽孔304，整个管网网面垂直于反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内。
过滤吸附模块包括固定于反应器筒体内壁上的过滤吸附网401，由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成过滤吸附网。过滤吸附网用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
为方便清洗和更换，过滤干燥网和过滤吸附网均采用可拆卸安装方式，也可直接拆卸后清洗。为方便过滤吸附网的清洗，也可在过滤吸附网的前端或后端设置喷淋装置，喷头朝向吸附网的网面设置，对吸附网进行喷淋清洗，设置喷淋清洗时需设置配套的集水槽。
工艺流程如下：
(1)工业生产过程中产生的有机废气自进气口进入装置主体后，首先经过过滤干燥网101，将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥。
(2)随后进入介质阻挡放电模块，内外电极金属网间通过高压脉冲电源可施加5～8kV的高压，两金属网间为放电介质，在接通电源的情况下，放电产生大量的高能电子、自由基及臭氧等。高能电子、自由基及臭氧可对有机废气的VOC进行初步降解。
(3)随后进入超声雾化模块，该模块布置有超声雾化器302，其可将贮存箱内的混合溶液301经超声雾化后形成直径在0.5～5μm范围内的雾滴。超声过程中，部分分子形成具有强氧化性的自由基。经雾化后的雾汽进入输汽管网303，管内的雾滴可通过输汽孔304进入主反应装置。过氧化氢和过硫酸盐与系统中残余的高能电子、自由基和臭氧等一起被活化，生成大量强氧化性自由基，与经初步降解后的VOCs充分接触并反应，实现VOCs的高效去除。
(4)最后经过尾端的由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成过滤吸附网401，对尾气中的气凝胶进行吸附回收。
实施例1：
适用于涂装行业的有机废气的处理。该废气中主要含有芳香烃化合物及部分酯类化合物。其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s。运行介质阻挡放电模块，此时雾化模块未启用。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率为19.2％，矿化率为8.3％。
实施例2：
涂装行业收集的有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s，所用过氧化氢质量浓度为30％，过硫酸盐浓度1％，雾化量为5.0L/h。此时，运行超声雾化过氧化氢模块，关闭介质阻挡放电模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达31.8％，矿化率达23.6％。
实施例3：
涂装行业收集的有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s，所用过氧化氢质量浓度为30％，过硫酸盐浓度1％，雾化量为5.0L/h。同时运行介质阻挡放电和超声雾化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达99.5％，矿化率达97.6％。
实施例4：
涂装行业收集的有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为1500m3/h，装置停留时间6s，所用过氧化氢质量浓度为50％，过硫酸盐浓度1％，雾化量为5.0L/h。同时运行介质阻挡放电和超声雾化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达94.5％，矿化率达91.6％。
实施例5：
涂装行业收集的有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为2000m3/h，装置停留时间4.5s，所用过氧化氢质量浓度为50％，过硫酸盐浓度1％，雾化量为5.0L/h。同时运行介质阻挡放电和超声雾化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达91.8％，矿化率达88.5％。
经过上述实施例的综合对比可知，介质阻挡放电模块和超声雾化模块的同时运行，能够最大程度的生成并利用具有强氧化活性的自由基，能够显著提升整体的工艺性能。且当有机废气的处理气量控制在900m3/h以内时，有效去除效率能达到99％以上，可作为最佳实例参照使用。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种二联强化活性自由基的有机废气降解装置，包括卧式设置的反应器筒体，反应器筒体一端设置进气口、另一端设置出气口；其特征在于，所述反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置：
过滤干燥模块；
等离子体放电模块，包括若干水平设置的放电单元，所述放电单元包括陶瓷套筒、贴附于陶瓷套筒外壁的外电极金属网和贴附于陶瓷套筒内壁上的内电极金属网，所述陶瓷套筒为放电介质，所有的外电极金属网接高压电源，所有的内电极金属网接地；
超声雾化模块，包括超声雾化器和管壁开孔的输汽管网，所述超声雾化器设于反应器筒体外，所述输汽管网垂直于所述反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内；
以及过滤吸附模块。
2.根据权利要求1所述有机废气降解装置，其特征在于，所述过滤干燥模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网。
3.根据权利要求2所述有机废气降解装置，其特征在于，所述过滤干燥网为由由活性炭及硅胶组成的过滤干燥网。
4.根据权利要求1所述有机废气降解装置，其特征在于，所述过滤吸附模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤吸附网。
5.根据权利要求4所述有机废气降解装置，其特征在于，所述过滤吸附网为由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成的过滤吸附网。
6.根据权利要求1所述有机废气降解装置，其特征在于，所述输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管上均匀开设输汽孔。
7.根据权利要求1所述有机废气降解装置，其特征在于，所述放电单元由支撑架和环绕固定在支撑架外的固定板安装于反应器筒体内壁上，所述固定板与所述反应器筒体内壁固定，所述放电单元安装于支撑架上。
8.一种利用如权利要求1～7任一项权利要求所述有机废气降解装置进行有机废气降解的方法，其特征在于，包括：
待处理有机废气经进气口进入反应器筒体内，首先经过过滤干燥模块将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥；随后进入等离子体放电模块，等离子体放电产生的高能电子、自由基及臭氧对有机废气中的的VOC进行初步降解；随后进入超声雾化模块，超声雾化器将储存的混合溶液经超声雾化形成0.5～5μm范围内的雾滴，喷入反应器筒体内，与经初步降解后的VOCs充分接触并反应，所述混合溶液为过氧化氢和过硫酸盐的混合溶液；最后经过滤吸附模块，对尾气中的气凝胶进行吸附回收，净化气体由出气口排放。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，混合液中的过氧化氢溶液的浓度与过硫酸盐溶液的浓度比为30∶1～50∶1；过硫酸盐溶液的质量百分浓度为0.5～1％。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述等离子体放电模块的输入电压为5kV～8kV。
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