CN110479093A - 一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置及其工作方法，处理装置包括：进气系统、与所述进气系统连通的催化系统以及安全系统：所述安全系统包含至少以下一个系统：第一安全系统：所述第一安全系统为设置在所述进气系统与所述催化系统之间的用于调节VOCs浓度的吸附装置；第二安全系统：所述第二安全系统为设置在所述进气系统出口的与所述进气系统连通的第一排气系统。本发明通过安全系统的设置解决浓度瞬间过高的安全隐患，且通过催化系统内催化剂的分布防止气流偏流偏温，使得VOCs催化反应系统安全平稳高效运行，确保达标排放。

Description

一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置及其工作方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置及其工作方法。
背景技术
有机废气，又称VOCs(Volatile Organic Compounds)挥发性有机物，是指任何能参加大气光化学反应的有机化合物。对人体健康有巨大影响。当居室中的VOCs达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。
VOCs的末端控制技术包含两类，即回收技术和销毁技术。回收技术是通过物理的方法，改变温度、压力或采用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来富集分离有机污染物的方法，主要包括冷凝、吸收、吸附和膜分离等技术。回收的挥发性有机物可以直接或经过简单纯化后返回工艺过程再利用，以减少原料的消耗。销毁技术是通过化学或生化反应，用热、光、催化剂或微生物等将有机化合物转变成为二氧化碳和水等无毒害和无机小分子化合物的方法，主要包括高温焚烧、催化燃烧、生物氧化、低温等离子体破坏和光催化氧化等技术。
销毁技术多种多样，总归是将有机物转化为H2O和CO2，该过程中，有机物的燃烧热定要引起VOCs的温升，所以销毁技术对VOCs的浓度要求较高，过高的浓度必然引起高温。催化氧化技术作为焚烧技术的一种，相对起燃温度较低，无明火产生，相对热力氧化技术更安全一些。然则对进气浓度的要求依然严格，如在环境保护标准《大气污染治理工程技术导则》HJ2000-2010中第6.4.5.1条明确“进入催化燃烧装置的有机废气浓度应控制在其爆炸下限的25％以下。对于混合有机化合物，其控制浓度根据不同化合物的浓度比例和其爆炸下限值进行计算与校核”；无独有偶，在环境保护标准《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》HJ2027-2013中第4.2条提到“进入催化燃烧装置的废气中有机物的浓度应低于其爆炸极限下限的25％。当废气中有机物的浓度高于其爆炸极限下限的25％时，应通过补气稀释等预处理工艺使其降低到其爆炸极限下限的25％后方可进行催化燃烧处理”，同时该标准第4.3条对混合物的爆炸极限下限做了说明“对于含有混合有机化合物的废气，其控制浓度P应低于最易爆组分或混合气体爆炸极限下限值的25％，即P＜min(Pe，Pm)×25％，Pe为最易爆组分爆炸极限下限值(％)，Pm为混合气体爆炸极限下限值，按照下式进行计算：
Pm＝(P1+P2+…+Pn)/(V1/P1+V2/P2+…+Vn/Pn)
式中：
Pm——混合气体爆炸极限下限值，％；
P1，P2，…，Pn——混合有机废气中各组分的爆炸极限下限值，％；
V1，V2，…，Vn——混合有机废气中各组分所占的体积百分数，％
n——混合有机废气中所含有机化合物的种数”。
实际过程中，VOCs中所含有机物的体积百分数都在变化，所以一般取Pe为最易爆组分爆炸极限下限值(％)，即爆炸极限下限的最低值为混合物的爆炸极限下限，常见有机物的爆炸极限及燃烧温升如下表：
由上表可见，常见有机物的爆炸下限基本在40～80g/m3，则爆炸极限下限25％在10～20g/m3，混合物的爆炸极限下限值可取值10g/m3。浓度为1g/m3有机物燃烧转化为H2O和CO2，给VOCs带来的温度升高基本在30℃左右，10g/m3的温升为300℃左右，所以对于无焰燃烧的催化氧化工艺来说，进气浓度的波动对催化反应室的温度影响很大，高浓度(＞10g/m3)的有机物进气不仅会引起反应室的高温升，还会带来安全隐患。而实际情况是，气源情况不稳定，浓度瞬间波动到爆炸下限的1/4的情况有可能发生，如见面预处理装置故障，或者生产工艺出现巨大波动，引起气源浓度瞬间升高，造成安全隐患。而由于催化反应室造成的内部催化剂床层有气体短路，板式换热器冷侧热侧窜气等原因，会造成催化反应后进入排空筒的气体不能达标，而违规排放。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置，用来解决由于安全隐患和尾气不能达标排放的问题。本发明还提供了一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置，包括进气系统、与所述进气系统连通的催化系统以及安全系统：
所述安全系统包含至少以下一个系统：
第一安全系统：所述第一安全系统为设置在所述进气系统与所述催化系统之间的用于调节VOCs浓度的吸附装置；
第二安全系统：所述第二安全系统为设置在所述进气系统出口的与所述进气系统连通的第一排气系统；
第三安全系统：所述第三安全系统为设置于所述进气系统出口的阻火器。
进一步地，所述第一安全系统为不设解析系统的吸附装置，吸附装置内填充有削峰剂，削峰剂在VOCs进气浓度高时，削峰剂吸附部分高浓度有机溶剂，在VOCs进气浓度低时，削峰剂释放部分浓度有机溶剂，减小进入VOCs催化反应系统的浓度波动，消除安全隐患；
进一步地，削峰剂为疏水分子筛，解决高浓度(浓度＞VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％，约10g/m3)由于气动阀门没有及时切换瞬间进入催化反系统的安全隐患。所述催化系统的进口处设置有用于VOCs加热的加热系统。所述加热系统的气体出口与所述催化系统的进口连接。
所述加热系统的进口设置有换热系统，所述换热系统的冷侧进口与所述进气系统连通，所述换热系统的冷侧出口与所述加热系统的进口连通。
进一步地，换热系统为高效气气换热器，该换热器为全焊式板式换热器，解决冷热气流可能的短路情况。
所述催化系统的出口与所述换热系统的热侧进口连通，所述换热系统的热侧出口连接有第二排气系统。所述用于调节VOCs浓度的吸附装置为填充有削峰剂的吸附装置。
所述换热系统的进口处设置有配风系统。
优选地，所述配风系统为变频风机，和催化反应室中的温度传感器联锁变频，使得催化温度得到平稳控制，确保催化反应安全高效运行
所述催化系统内装填有贵金属催化剂，所述贵金属催化剂分三层抽屉式码放，解决气流偏流偏温现象，确保反应后气体达到国家排放标准。
所述进气系统包括VOCs进气管以及与所述进气管出口连通的引风机，所述引风机为第一变频风机，与设置于VOCs进气管的压力传感器联锁，最优地，控制总管压力低于500pa；所述第三安全系统为引风机后面设置的双向防爆阻火器。
所述配风系统为配风机，所述配风机为第二变频风机，和催化系统中的温度传感器联锁变频，使得催化温度得到平稳控制，确保催化反应安全高效运行。
优选地，本发明所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，包括进气系统，所述进气系统的出口与第一安全系统的进口连通，所述第一安全系统的出口与所述换热系统的冷侧进口连通，所述换热系统的冷侧出口与所述加热系统连通，所述加热系统的出口与所述催化系统的进口连通，所述催化系统的出口与所述换热系统的热侧进口连通，所述换热系统的热侧出口与所述第二排气系统连通；
和/或所述换热系统的进口处设置有配风系统；
和/或在所述进气系统出口设置有所述进气系统连通的第二安全系统；
和/或第三安全系统：所述第三安全系统为设置于所述进气系统出口的阻火器。
更优选地，本发明所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，包括进气系统，催化系统、安全系统、换热系统、加热系统以及第二排气系统；所述安全系统包括第一安全系统、第二安全系统以及第三安全系统；
所述进气系统的出口与第一安全系统的进口连通，所述第一安全系统的出口与所述换热系统的冷侧进口连通，所述换热系统的冷侧出口与所述加热系统连通，所述加热系统的出口与所述催化系统的进口连通，所述催化系统的出口与所述换热系统的热侧进口连通，所述换热系统的热侧出口与所述第二排气系统连通；
所述进气系统出口设置有所述进气系统连通的第二安全系统，所述进气系统与所述第二安全系统进口之间设置有第一气体旁路，所述第一气体旁路上设置有控制第一气体旁路启闭的第一阀门。
所述进气系统与第一安全系统之间通过第一气体主路连通，所述第一气体主路上设置有控制第一气体主路启闭的第二阀门；
所述第一安全系统与所述换热系统之间还设置有配风系统；
所述第一安全系统为不设解析系统的吸附装置，所述第二安全系统为设置在所述进气系统出口的与所述进气系统连通的第一排气系统。
进一步地，所述安全高效的VOCs催化氧化处理装置还包括第四安全系统：所述第四安全系统为连通所述催化反应系统与第二排空系统的第二气体旁路，所述第二气体旁路上设置有爆破片。优选地，所述爆破片为压力式机械爆破片。
当催化反应室压力高于设定值时，该压力式机械爆破片开启，自动泄压至第二排气系统。
进一步地，所述催化反应室的出口与第二排气系统之间设置有第三气体旁路，所述第三气体旁路上设置有第三阀门。
当进入热系统的有机废气温度高于设定值时，打开第三阀门，从催化系统的热气体分流一部分直接进入第二排气系统。
进一步地，所述加热系统的进口设置有温度传感器，当检测到进入加热系统的气体温度高于设定值时，自动关闭加热系统。
本发明采用第一排气系统和第二排气系统分开设置、引风机和配风机分开设置、以及利用第一安全系统解决气源浓度瞬时过高引起的安全隐患；本发明的换热系统中的换热器为全焊式板式换热器以及催化反应室内装填的贵金属催化剂分三层抽屉式码放解决气流的短路和偏流现象，确保系统尾气高效达标排放。
上述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置的工作方法，包括以下步骤：
当处理装置含有第一安全系统：
VOCs通过进气系统增压后，进入第一安全系统进行VOCs浓度调节，在VOCs进气浓度高时，吸附部分高浓度有机废气，在VOCs进气浓度低时，释放部分浓度有机废气，减小进入催化系统的浓度波动；经过第一安全系统的VOCs进入催化系统，将VOCs中的有机溶剂催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体排放；
当处理装置包含第二安全系统：
VOCs通过进气系统增压后，VOCs进入催化系统，将VOCs中的有机溶剂催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体排放，当进气浓度高于VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％(约10g/m3)或者催化反应室温度过高时，关闭进气系统与催化系统之间的进气通道，打开进气系统与第二安全系统之间的连接，VOCs通过第二安全系统排出；
当处理装置包含换热系统：
经催化系统转化的VOCs达标气体进入换热系统的热侧，与进气系统送入换热系统冷侧的VOCs换热降温，降温后的达标气体通过排气系统排放。
有益效果：(1)本发明设置了第一安全系统，用于调节VOCs进气浓度，解决气源来气浓度波动引起的系统温升以和安全隐患，尤其是解决高浓度(浓度＞VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％，约10g/m3)由于气动阀门没有及时切换瞬间进入催化系统的安全隐患；(2)本发明设置有第一排气系统，当进气浓度高于VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％(约10g/m3)或者催化反应室温度过高时，自动关闭进入催化系统的进气管路，打开与进气系统连的第一排气系统排放，消除安全隐患；(3)本发明的换热系统中的换热器为全焊式板式换热器，解决冷热气流可能的短路情况；(4)本发明的催化系统中的装填的贵金属催化剂分三层抽屉式码放，解决气流偏流偏温现象；(5)本发明的配风系统中的配风机和催化系统中的温度传感器联锁变频，使得催化温度得到平稳控制，确保催化反应安全高效运行；(6)本发明设置的换热系统，将经过催化系统转化的达标气体与从进风系统进入的非达标的VOCs换热，节省系统能耗；(7)本发明进气系统的引风机和配风系统的配风机分开设置，引风机与上游收集管网的压力连锁控制，配风机和催化反应室的四个温度传感器的最高温度连锁控制，且当引风机故障停机时，配风机可用作降温风机使用。
附图说明
图1是本发明的处理装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1：本发明所述的一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置，包含进气系统1、与进气系统1连通的安全系统2、与安全系统2连通的换热系统3、与换热系统3连通的加热系统4、与加热系统4连接的催化系统5以及第二排气系统6。
本实施例中进气系统1包括用于VOCs送入的进气管11以及与进气管11出口连通的引风机12，引风机为第一变频风机，与设置于VOCs进气管的压力传感器联锁，控制总管压力低于设定的压力值，如设定该压力值为500pa。
本实施例中，安全系统2由第一安全系统21组成，进气系统1的出口设置有第一气体主路13，第一气体主路13的出口与第一安全系统21连接，第一气体主路13上设置有控制第一气体主路启闭的第二阀门131，本实施例中，第二阀门为气动蝶阀。第一安全系统21的出口与换热系统3连接，具体地，第一安全系统21为不设解析系统的吸附装置，吸附装置内部填充有疏水分子筛作为削峰剂，削峰剂在VOCs进气浓度高时削峰剂吸附部分高浓度有机废气，在VOCs进气浓度低时，削峰剂释放部分浓度有机废气，减小进入VOCs催化反应系统的浓度波动，消除安全隐患，本实施例中通过第一安全系统的设计，可以解决高浓度(浓度＞VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％，约10g/m3)由于气动阀门没有及时切换瞬间进入催化系统的安全隐患。
为了进一步提高系统的安全性，利用第一安全系统21与第二安全系统22共同组成安全系统，具体为：进气系统1的出口设置有第一气体旁路14，第一气体旁路14与第二安全系统22连接，本实施例中，第二安全系统22为与第一气体旁路14连通的排空筒，第一气体旁路14上设置有控制第一气体旁路启闭的第一阀门141，本实施例中，第一阀门为气动蝶阀。
当进气浓度高于VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％(约10g/m3)或者催化反应室温度过高，高于设定值时(如＞450℃)时，自动关闭进气的第二阀门131，打开紧急排气的第一阀门141，使得VOCs从紧急排空筒中排出。
本实施例中，还可以在引风机12后面加装双向防爆轰阻火器作为第三安全系统23。
本实施例中的换热系统3的冷测进口与第一安全系统21的出口连接，本实施例中的换热系统3为高校气气换热器，该换热器为全焊式板式换热器，解决冷热气流可能的短路情况。
本实施例中的加热系统4的进口与换热系统3的冷侧出口连接，本实施例中的加热系统4为电加热器。
本实施例中催化系统5的进口与加热系统4的出口连接，本实施例中的催化系统5为催化反应室，催化反应室内装填的贵金属催化剂分三层抽屉式码放，解决气流偏流偏温现象，确保反应后气体达到国家排放标准。
催化系统5的出口与换热系统3的热侧进口连通，使得经过催化系统5转化的高温气体与进气系统送入的气体在换热系统3中换热降温。
第二排气系统6的进口与换热系统3的热侧出口连通，本实施例中的第二排气系统为排空筒，从换热系统3的热侧出口输出的经过降温后的达标气体排空筒安全排放。
在第一安全系统21与换热系统之间设置有配风系统7，本实施例中，配风系统7为配风机，配风机为第二变频风机，和催化反应室中的温度传感器联锁变频，控制催化反应温度，使得催化温度得到平稳控制，确保催化反应安全高效运行。
本实施例的处理装置的工作方法为：
VOCs通过进气系统增压后，进入第一安全系统进行VOCs浓度调节，在VOCs进气浓度高时，吸附部分高浓度有机废气，在VOCs进气浓度低时，释放部分浓度有机废气，减小进入催化系统的浓度波动；经过第一安全系统的VOCs进入催化系统，将VOCs中的有机溶剂催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体排放；
VOCs通过引风机增压后，通过第一安全系统，减小进入VOCs催化系统的浓度波动，VOCs进入换热器冷侧入口，初步换热加热，然后进入加热器加热至VOCs的起燃温度240℃，进入催化反应室将VOCs中的有机废气催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体，放热将达标VOCs气体加热至360℃左右，最后进入换热器的热侧进口，使得达标气体在换热器内与进气换热降温，降温后的达标气体约120℃通过第二排气系统安全排放；
当进气浓度高于VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％(约10g/m3)或者催化反应室温度过高时，关闭引风机与第一安全系统之间的第一阀门，打开进气系统与第二安全系统之间的第二阀门，VOCs通过第二安全系统排出。
实施例2：本实施例为在实施例1的基础上优化的处理装置：
该处理装置设置有第四安全系统24，本实施例中第四安全系统为在催化反应系统5与第二排空系统6之间设置有第二气体旁路241，第二气体旁路上设置有爆破片242，本实施例中为压力式机械爆破片。
当催化反应室压力高于设定值时，如催化反应室压力高于5kpa，该压力式机械爆破片开启，自动泄压至第二排气系统6。
催化反应室的出口与第二排气系统之间设置有第三气体旁路51，第三气体旁路51上设置有第三阀门52。
当进入热系统的有机废气温度高于设定值时，如有机废气温度高于240℃，打开第三阀门52，从催化系统的热气体分流一部分直接进入第二排气系统6。
加热系统4的进口设置有温度传感器41，当检测到进入加热系统4的气体温度高于设定值时，自动关闭加热系统。
应用例1：将设备用于处理丙酮有机废气1000Nm3/h。
进气丙酮废气浓度为4g/m3，有时会瞬时达到12g/m3。启动配风机，打开电加热器，待出口温度达到240℃后，此时电机热自动关闭，打开进气气动蝶阀B，关闭紧急排气气动蝶阀A，启动引风机并与总管压力传感器连锁，催化氧化反应器温度与配风变频风机自动连锁，温度控制在300～400℃，最佳温度为340℃，系统稳定运行，在排气筒处取样气冷却检测，结果为42mg/m3，系统稳定达标排放。
应用例2：将设备用于处理苯有机废气2000Nm3/h。
进气苯废气浓度为3g/m3，有时会瞬时达到9g/m3。启动配风机，打开电加热器，待出口温度达到220℃后，此时电机热自动关闭，打开进气气动蝶阀B，关闭紧急排气气动蝶阀A，启动引风机并与总管压力传感器连锁，催化氧化反应器温度与配风变频风机自动连锁，温度控制在300～400℃，最佳温度为320℃，系统稳定运行，在排气筒处取样气冷却检测，结果为3mg/m3，系统稳定达标排放。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，包括：进气系统、与所述进气系统连通的催化系统以及至少包含以下一个系统：
第一安全系统：所述第一安全系统为设置在所述进气系统与所述催化系统之间的用于调节VOCs浓度的吸附装置；
第二安全系统：所述第二安全系统为设置在所述进气系统出口的与所述进气系统连通的第一排气系统；
第三安全系统：所述第三安全系统为设置于所述进气系统出口的阻火器。
2.根据权利要求1所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述催化系统的进口处设置有用于VOCs加热的加热系统。
3.根据权利要求2所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述加热系统的进口设置有换热系统，所述换热系统的冷侧进口与所述进气系统连通，所述换热系统的冷侧出口与所述加热系统的进口连通。
4.根据权利要求3所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述催化系统的出口与所述换热系统的热侧进口连通，所述换热系统的热侧出口连接有第二排气系统。
5.根据权利要求1所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述用于调节VOCs浓度的吸附装置为填充有削峰剂的吸附装置。
6.根据权利要求3所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述换热系统的进口处设置有配风系统；和/或所述配风系统包括配风机，所述配风机为变频风机，和催化系统中的温度传感器联锁变频。
7.根据权利要求3所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述催化系统内装填有贵金属催化剂，所述贵金属催化剂分三层抽屉式码放。
8.根据权利要求1所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述进气系统包括VOCs进气管以及与所述进气管出口连通的引风机，所述引风机为变频风机，与设置于VOCs进气管的压力传感器联锁。
9.根据权利要求6所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置，其特征在于，所述催化反应系统与第二排空系统设置有第二气体旁路，所述第二气体旁路上设置有爆破片；和/或所述催化反应室的出口与第二排气系统之间设置有第三气体旁路，所述第三气体旁路上设置有第三阀门。
10.如权利要求1-9任一所述的安全高效的VOCs催化氧化处理装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
当处理装置含有第一安全系统：
VOCs通过进气系统增压后，进入第一安全系统进行VOCs浓度调节，在VOCs进气浓度高时，吸附部分高浓度有机废气，在VOCs进气浓度低时，释放部分浓度有机废气，减小进入催化系统的浓度波动；经过第一安全系统的VOCs进入催化系统，将VOCs中的有机溶剂催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体排放；
当处理装置包含第二安全系统：
VOCs通过进气系统增压后，VOCs进入催化系统，将VOCs中的有机溶剂催化焚烧为CO2和H2O，处理成达标气体排放，当进气浓度高于VOCs中有机溶剂爆炸下限的25％或者催化反应室温度过高时，关闭进气系统与催化系统之间的进气通道，打开进气系统与第二安全系统之间的连接，VOCs通过第二安全系统排出；
当处理装置包含换热系统：
经催化系统转化的VOCs达标气体进入换热系统的热侧，与进气系统送入换热系统冷侧的VOCs换热降温，降温后的达标气体通过第二排气系统排放。
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