CN110292854A - 一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置与方法，属于喷涂行业中VOCs废气处理技术领域，包括反应筒体，反应筒体的下部设有气流进口，上部设有气流出口，还包括：双功能放电电极，上段为光滑放电功能电极，下段为芒刺放电功能电极；高压脉冲电源，加载在上述放电电极上使得筒体内气体被电离、激发产生等离子体；两层催化剂床，设置在反应筒体内，下床设有VOCs催化剂，上床设有副产物催化剂，工作时催化剂处于流化状态。将脉冲等离子体能量效率高及流化床催化传质强等优势有机地结合起来，充分发挥其协同效应，具有反应器结构新颖、降解效果好与能量效率高、基本无二次污染物等特点。

Description

一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置与方法

技术领域

本发明涉及喷涂行业中VOCs废气处理技术领域，具体地说，涉及一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置与方法。

背景技术

挥发性有机化合物(VOCs)是一种有机化合物，沸点为50-260摄氏度，饱和蒸气压大于133.32Pa。在室温下，它们以蒸气的形式存在，包括脂肪族，芳香族，含氧，含卤素，含氮的烃和磺基化合物等。VOCs的主要来源于人类活动，主要包括室外和室内来源：室外挥发性有机化合物主要来自燃料燃烧，运输，石化和精细化学工业(如涂装行业)。EPA(美国环境保护局)列出了188种有害空气污染物，其中100多种污染物是有毒的VOCs，包括卤代烃、腈类、胺类、硝基化合物和苯类。最常见的有毒挥发性有机化合物是苯、甲醇、卤代烃、醛、烷烃等，其中苯、甲醛、氯乙烯、三氯乙烯、1，3-丁二烯被IARC列为人类致癌物(国际癌症研究机构)。

VOCs会对环境产生危害。如涂装废气接排放大气，与NO_X在光照条件下产生光化学反应，在一定的条件下产生臭氧、过氧乙酰硝酸酯和醛类等光化学烟雾从而造成二次污染。由于大多数国家都施加了严格限制环境中挥发性有机化合物的条件，因此世界各地有许多研究计划正在开发有效的技术以满足严格的环境法规。

可以使用基于回收和破坏的方法来控制VOCs的排放。基于回收的技术包括吸收，吸附，膜分离。通过使用合适的溶剂吸收，可以从烟道气流中除去高浓度的VOCs，尤其是水溶性化合物。从吸收剂中处理VOCs和废溶剂是吸收过程面临的常见问题。物理或化学吸附是另一种技术，其中使用合适的吸附剂(活性炭，沸石，聚合物吸附剂等)来选择性地吸附VOCs。吸附方法仅在VOCs在烟道气流中高度稀释的情况下是经济的。不过吸附剂的高成本和吸附剂频繁再生的必要性是吸附过程的主要限制。使用在给定温度下增加系统压力或在给定压力下降低温度引起的冷凝可以除去VOCs。冷凝过程的一个限制是废冷却剂的处理。膜分离是除去VOCs的另一种可能的替代方法。硅橡胶膜是最常用的分离VOCs的膜。在生物过滤过程中，空气中的VOCs在固相反应器中被生物除去。在这种方法中，污染的湿气在过滤器的底部进料，空气中的污染物扩散到过滤颗粒表面上的湿的生物活性层(即生物膜)中。具有好氧细菌的生物膜降解目标污染物并产生CO₂，水和微生物生物质。膜和生物过滤方法都是昂贵的并且它们的操作和维护是昂贵的。

在基于破坏的方法中，VOCs被转化为二氧化碳和水。破坏过程可以是热催化或生物氧化。热氧化或热焚烧适用于以高流速和高浓度的VOCs。超过99％的VOCs可以通过热氧化燃烧，通常在高温下燃烧，这需要额外的耐燃料和耐温材料。不完全的热燃烧在焚烧炉烟道气中产生副产物，例如二噁英和一氧化碳。此外，由于热焚烧，形成了有害的副产物。

催化氧化是将VOCs氧化成CO₂、水和其他相对危害较小的化合物的最有效和经济上可行的技术之一。在这种方法中，VOCs在合适的催化剂存在下，在比热氧化过程低得多的温度(250-500℃)下被氧化。与其他非催化热氧化工艺相比，催化燃烧是一种热效更高的工艺，可用于稀释的低浓度VOCs(<1％v/v)废气处理。催化燃烧在较低的操作温度下进行，并且其启动燃料需求较低。因此，可以以低得多的燃料成本处理适量的污染空气。虽然催化氧化可以有效地应用于处理具有不同浓度的VOCs废气流，但它最适合于适度的流速和低浓度的VOCs。催化破坏VOCs的主要挑战之一是从大量可用的催化剂中选择合适的催化剂。由于它们的VOCs混合物的种类和性质多种多样，因此通常很难确定最佳催化剂。

由于涂装行业等工业溶剂产生的VOCs废气量大、浓度较低与波动大等，常规处理方法的单独使用都不同程度地存在着去除效率较低、运行费用较高和二次污染等问题，难以满足不断趋严的国家排放标准要求。因此，在工业VOCs废气处理过程中，急需解决的关键科技问题是如何高效、经济地去除VOCs和消除二次污染。

低温等离子体(NTP)能将多种VOCs转化为CO₂、H₂O等而被认为很有潜在应用前景。NTP主要包括介质阻挡放电法(DBD)、电子束照射法、滑动弧放电法、沿面放电法和电晕放电法等，可降解一种或多种VOCs，多种混合物更有利于单组份的催化降解。但由于等离子体氧化无选择性，导致单独NTP降解污染物过程不可控，常产生一些有害副产物(如O₃、NOx、HC(醛、低分子与气溶胶等))，造成二次污染而制约其实际应用，为此，在NTP反应系统中加入适当催化剂来提高降解效果与控制副产物。

在NTP协同催化剂降解VOCs过程中，NTP产生方式、催化剂位置、催化剂种类等将直接影响降解效果与产物成份。由于常规使用单一固定床催化，在靠近等离子体放电核心区域的催化剂表面易产生极化而引起电荷聚集，引发局部放电而降低传质效率、能量效率，而且气流阻力较大。单一固定床的NTP协同催化降解VOCs实验的比能量密度在60-3150J/L，能量效率不理想，传质效率和CO₂选择性不理想，二次污染和充填床阻力损失较大等问题而制约实际应用。

发明内容

本发明的目的为提供一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，可有效地解决工业VOCs废气污染问题，对改善大气环境、生产条件，促进生态文明建设，实现绿色发展具有重要现实意义。

本发明的另一目的为提供一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的方法，采用上述的装置实现。

为了实现上述目的，本发明提供的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置包括反应筒体，反应筒体的下部设有气流进口，上部设有气流出口，还包括：

双功能放电电极，上段为光滑放电功能电极，下段为芒刺放电功能电极；

高压脉冲电源，加载在上述放电电极上使得筒体内气体被电离、激发产生等离子体；

两层催化剂床，设置在反应筒体内，下床设有VOCs催化剂，上床设有副产物催化剂，工作时催化剂处于流化状态。

上述技术方案中，采用新型高效脉冲NTP耦合双流化床催化氧化技术降解VOCs，以提高降解效率、能量效率和CO₂选择性，消除二次污染物和减少反应器阻力损失。反应器的下床放置高效降解VOCs与分解O₃的催化剂，上床设置消解主要副产物的催化剂，借助等离子体与反应副产物中的HC来还原NO_x，分床分步降解VOCs以及副产物。将脉冲等离子体能量效率高及流化床催化传质强等优势有机地结合起来，充分发挥其协同效应，具有反应器结构新颖、降解效果好与能量效率高、基本无二次污染物等特点。

作为优选，反应筒体为圆柱形，其内径为400～600mm，长度为7000～8500mm。

作为优选，反应筒体的中心轴线处设有放电线。

作为优选，下床为芒刺点-面放电方式，上床为圆柱线-面放电方式。

作为优选，VOCs催化剂为CuMn、CuMnCe、CoMn和CuMnZr中的一种。

作为优选，副产物催化剂的原料为：Ce、Mn中掺杂Ag、Pt作为活性组分，选择Al₂O₃、分子筛作为载体，制备NTP协同分解副产物催化剂。

放电时会在催化剂的微孔中形成一些微放电，使得单位体积内的放电量增加，继而提高能量密度；催化剂受到高能电子的激发，在其表面能够形成局部的电离区域，使等离子体内部的活化能量增加，可减少外部能量的供应；催化剂也能改变电子的分布，促使电子向高能量水平转移，使等离子体产生更多的氧活性物种，从而提高对污染物的降解效果。

使用时，将VOCs废气由废气进口通入反应腔，同时高压脉冲电源器输出高压加载在放电极上，放电产生的高能电子激励气体中的O₂、N₂、H₂O等分子，产生具有强氧化能力O、·OH、·HO₂·等自由基或活性粒子，与VOCs分子在催化剂的表面进行反应，打破分子中的C-H、C＝C或C-C等化学键，使得VOCs分子被分解氧化，最终生成无害物质。VOCs首先经过下层床体，VOCs被吸附在催化剂的表面，VOCs在放电区域的停留时间增长，高能电子以及活性粒子与VOCs的接触碰撞机率增加，从而使得VOCs的降解效率增加。在等离子体和催化剂的共同作用下，VOCs分解产生NO_x等副产物，然后上述产物经过上层床体，副产物被吸附在催化剂的表面，在等离子体和副产物催化剂的共同作用下被分解，最后清洁气体从气体出口排出。

为了实现上述另一目的，本发明提供的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的方法使用了上述装置，并包括以下步骤：

(1)打开电源，将待处理的VOCs废气从气流进口进入反应筒体中；

(2)VOCs废气从反应筒体下部进入下层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下进行初步降解；

(3)步骤(2)产生的副产物HC与NO_x进入上层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下被氧化还原成无害气体；

(4)经处理后的VOCs废气从气流出口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的装置和方法拟采用点-面、线-面的脉冲放电耦合双流化床催化反应器，反应器的下床放置高效降解VOCs的催化剂，上床设置消解主要副产物的催化剂，借助等离子体与反应副产物中的HC来还原NO_x，工作时催化剂处于流化状态，分床分步降解VOCs以及副产物。它将脉冲等离子体能量效率高及流化床催化传质强等优势有机地结合起来，充分发挥其协同效应，具有反应器结构新颖、降解效果好与能量效率高、基本无二次污染物等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置包括：圆柱形反应筒体100(由上床101、下床102组成)、VOCs废气的气流进口103、气流出口104、流化床气循环风机辅助系统200、高压脉冲电源300(脉冲/直流)、供电参数检测系统400组成。

本实施例的圆柱形反应筒体100内径600mm，长度8000mm；高压脉冲电源300的额定电流/电压为100mA/80KV，高压脉冲电源300的负极端加载在放电极，另一端正极连接反应筒体的筒壁并接地，使反应腔内产生高能电子与离子、自由基等活性粒子(等离子体)。

本实施例装置使用时，将VOCs废气由气流进口103通入圆柱形反应筒体100内，同时高压脉冲电源300输出高压加载在放电极。VOCs废气从圆柱形反应筒体100下部进入下床102，在等离子体、催化剂共同作用下被基本降解；然后上一步产生的主要副产物HC与NO_x进入上床101，在等离子体、催化剂共同作用下被氧化还原，基本被消除；最后处理后的VOCs废气从气流出口104排出。当常温喷涂VOCs(二甲苯等)废气量4500m³/h，VOCs初始浓度为350-450mg/m³，工作电压76KV时，出口VOCs浓度能达标排放，基本无二次污染物。

本实施例的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的方法采用上述装置实现，包括以下步骤：

(1)打开电源，将待处理的VOCs废气从气流进口进入反应筒体中；

(2)VOCs废气从反应筒体下部进入下层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下进行初步降解；

(3)步骤(2)产生的副产物HC与NO_x进入上层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下被氧化还原成无害气体；

(4)经处理后的VOCs废气从气流出口排出。

Claims (7)

1.一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，包括反应筒体，所述反应筒体的下部设有气流进口，上部设有气流出口，其特征在于，还包括：

双功能放电电极，上段为光滑放电功能电极，下段为芒刺放电功能电极；

高压脉冲电源，加载在上述放电电极上使得筒体内气体被电离、激发产生等离子体；

两层催化剂床，设置在所述反应筒体内，下床设有VOCs催化剂，上床设有副产物催化剂，工作时催化剂处于流化状态。

2.根据权利要求1所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述的反应筒体为圆柱形，其内径为400～600mm，长度为7000～8500mm。

3.根据权利要求1所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述的反应筒体的中心轴线处设有放电线。

4.根据权利要求1所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述的下床为芒刺点-面放电方式，上床为圆柱线-面放电方式。

5.根据权利要求1所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述的VOCs催化剂为CuMn、CuMnCe、CoMn和CuMnZr中的一种。

6.根据权利要求1所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述的副产物催化剂的原料为：Ce、Mn中掺杂Ag、Pt作为活性组分，选择Al₂O₃、分子筛作为载体。

7.一种脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的方法，其特征在于，使用权利要求1～6中任一权利要求所述的脉冲等离子耦合双流化床催化降解VOCs的装置，包括以下步骤：

(1)打开电源，将待处理的VOCs废气从气流进口进入反应筒体中；

(2)VOCs废气从反应筒体下部进入下层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下进行初步降解；

(3)步骤(2)产生的副产物HC与NO_x进入上层催化剂床，在等离子体、催化剂共同作用下被氧化还原成无害气体；

(4)经处理后的VOCs废气从气流出口排出。