CN110898666A - 高浓度含氮有机废气催化净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高浓度含氮有机废气催化净化装置，所述装置是采用催化燃烧+选择性催化还原法为原理的一体化装置，利用常规的VOCs催化剂及SCR催化剂即能够有效地对高浓度含氮有机物进行处理，并使尾气排放完全达到排放标准。同时，所述装置利用废气氧化后所释放的热量对后续进入装置的废气进行预热升温，运行费用低。

Description

高浓度含氮有机废气催化净化装置
技术领域
本发明是挥发性有机废气（VOCs）处理装置中的一种，尤其涉及高浓度含氮有机废气催化燃烧+选择性催化还原一体化处理装置，它属于大气污染治理技术领域。
背景技术
含氮有机废气一般具有恶臭剧毒，会对环境造成严重污染，同时对人体有较大的毒性。含氮有机废气是工业排放中一类常见有机污染物，主要包括脂肪胺类、醇胺类、酰胺类、脂环胺类、芳香胺类等污染物，如含有：三甲胺、三乙胺、正丁胺、苯胺、硝基苯、N ,N-二甲基甲酰胺、乙腈、丙烯腈中的一种或几种的挥发性有机废气，常见于石油化工、煤化工、精细化工和医药等行业的含氮有机废气排放。
对于高浓度有机废气，目前市面上的主流控制技术为直接燃烧或催化燃烧，这也是治理最为彻底的方法，但含氮有机废气在燃烧过程中不可避免的会产生氮氧化物（NOx），有效的处理方法是在燃烧过程尽量抑制氮氧化物的产生或者在燃烧后增加脱硝装置以去除氮氧化物。如专利CN208295930U公开了一种新型含氮有机废气蓄热式焚烧处理装置，其原理是废气经过焚烧炉高温分解，通过控制风机，控制燃烧室气体氧含量及燃烧温度，以满足低氮氧化物转化率要求。该装置能耗高，效果没有给出，对于高浓度含氮有机废气则并不能保证出口污染物达标排放。专利CN110030567A公开了一种有机废气催化燃烧一体化装置，他是利用一种含氮有机物催化燃烧催化剂来抑制氮氧化物的产生。该方法的关键是使用性能优异的特定催化剂材料，在实现含氮有机废气高效降解的同时控制二次污染物NOx的生成。但实际市面上该类催化剂极少，未见有运用成功的案例。专利CN202675299U公开了一种含氮有机废物的焚烧处理装置，包括串联的含氮有机废物的燃烧装置和选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction)处理装置。通过高温焚烧方法分解含氮有机废物，再采用还原法去除烟气中的氮氧化物。虽然该装置可有效降低NOx排放，但系统装置复杂，投资费用及运行费用均较高，对于小风量工况场合则极其不经济，限制了其更广泛的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高浓度含氮有机废气催化净化装置，所述装置是采用催化燃烧+选择性催化还原法为原理的一体化装置，利用常规的VOCs催化剂及SCR催化剂即能够有效地对高浓度含氮有机物进行处理，并使尾气排放完全达到排放标准。同时，所述装置利用废气氧化后所释放的热量对后续进入装置的废气进行预热升温，运行费用低。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
高浓度含氮有机废气催化净化装置，包括壳体及依次设置在壳体内的换热器、加热室、催化燃烧室、喷氨格栅、催化还原室；所述壳体外侧设置有废气入口、洁净空气出口、还原气入口、VOCs催化剂填装口、SCR催化剂填装口；所述废气入口与所述换热器冷侧入口相连，所述换热器冷侧出口与所述加热室入口相连，所述加热室出口与所述催化燃烧室入口相连，所述催化燃烧室出口与所述催化还原室入口相连，所述催化还原室出口与所述换热器热侧入口相连，所述换热器热侧出口与所述洁净空气出口相连；所述喷氨格栅设置于所述催化燃烧室与所述催化还原室之间的风道上，并均匀分布整个风道断面，所述喷氨格栅与所述还原气入口相连；所述VOCs催化剂填装口与所述催化燃烧室出口相连，所述SCR催化剂填装口与所述催化还原室入口相连。
进一步的，所述壳体采用型钢制作整体式框架，所述框架内侧与内置设备之间空隙填充有保温棉，所述框架外侧设置外护板。
进一步的，所述换热器以热侧介质流向上进下出为基准时，冷侧介质流向为右进右出。
进一步的，所述加热室按介质流向方向分别设置电加热器、阻火器，所述电加热器及所述阻火器的安装口均位于所述壳体的侧面。
进一步的，所述催化燃烧室内按介质流向方向分别设置整流格栅、VOCs催化剂层，所述VOCs催化剂层层数不少于2层，且相邻层之间间隔不小于200mm。
所述VOCs催化剂中的活性组分为贵金属Pt和/或Pd。
进一步的，所述催化还原室按介质流向方向分别设置整流格栅、SCR催化剂层，所述SCR催化剂层层数不少于2层，且相邻层之间间隔不小于200mm。
所述SCR催化剂中的活性组分为V2O5和/或TiO2。
进一步的，所述还原气入口所接入的还原气体为NH3和/或CO(NH2)2与空气的混合物。
进一步的，所述VOCs催化剂填装口及所述SCR催化剂填装口均位于所述壳体顶面，并且设有可拆卸盖板，所述盖板为内外两层钢板，所述内外两层钢板之间填充有保温棉。
本发明的有益效果至少有以下几点。
所述催化净化装置，组合了催化燃烧技术和选择性催化还原技术为一体，其内置VOCs催化剂及SCR催化剂均为常规通用型，取材方便，成本易控制，两种技术在行业内均是公认的成熟可靠技术，尾气排放可完全达标，实现了VOCs及NOx的双功能净化效果。
所述催化净化装置，先将高浓度含氮有机废气催化燃烧，燃烧后的废气温度与SCR选择性催化还原法工作温度高度重合，可直接进行选择性催化还原反应，相较于采用单独催化燃烧设备+单独SCR催化还原设备，可节省废气升温所消耗能源，同时，在所述装置内置换热器的作用下，利用废气本身的反应热来预热升温后续进入的废气，从而维持反应的自平衡，具有热回收效率高、运行能耗低的特点。
所述催化净化装置，内部模块化设计，整体撬装，结构紧凑，占地面积小，可成套制作好再运输至现场，减少了单元配管衔接，降低了生产及现场安装成本。
附图说明
图1为本发明的主视图（去除侧边壳体）。
图2为本发明的左视图（去除侧边壳体）。
图3为本发明的俯视图（去除顶部壳体）。
图4为本发明的局部剖视图。
附图中各部分标记如下（箭头指向示意介质流向方向）：
1-壳体；2-换热器；3-加热室；3-1-电加热器；3-2-阻火器；4-催化燃烧室；4-1-整流格栅；4-2-VOCs催化剂层；5-喷氨格栅；6-催化还原室；6-1-整流格栅；6-2-SCR催化剂层；a-废气入口；b-洁净空气出口；c-还原气入口；d-VOCs催化剂填装口；e-SCR催化剂填装口；T1-加热室入口温度测点；T2-燃烧室入口温度测点；T3-燃烧温度测点；T4-燃烧后温度测点；T5-还原后温度测点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行阐述，以使本发明的优点和特征更容易被本领域技术人员所理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。
实施例：见图1-图4，本发明的高浓度含氮有机废气催化净化装置，包括壳体1及依次设置在壳体内的换热器2、加热室3、催化燃烧室4、喷氨格栅5、催化还原室6；壳体1外侧设置有废气入口a、洁净空气出口b、还原气入口c、VOCs催化剂填装口d、SCR催化剂填装口e；废气入口a与换热器2冷侧入口相连，换热器2冷侧出口与加热室3入口相连，加热室3出口与催化燃烧室4入口相连，催化燃烧室4出口与催化还原室6入口相连，催化还原室6出口与换热器2热侧入口相连，换热器2热侧出口与洁净空气出口b相连；喷氨格栅5设置于催化燃烧室4与催化还原室6之间的连通风道上，并均匀分布整个风道断面，喷氨格栅5与还原气入口c相连；VOCs催化剂填装口d与催化燃烧室4出口相连，SCR催化剂填装口e与催化还原室6入口相连。
具体的，壳体1采用型钢制作整体式框架，框架外侧设置外护板，框架内侧与内置设备之间空隙填充有保温棉，可以减少装置在运行过程中的热量损失。
具体的，换热器2采用气-气板式换热器，其结构为：以热侧介质流向上进下出为基准时，冷侧介质流向为右进右出；作用是回收反应热用来加热升温进入装置的有机废气，使其温度达到装置需要的反应温度。
具体的，见图1，加热室3按介质流向方向分别设置电加热器3-1、阻火器3-2；电加热器3-1用于装置开机预热及运行过程中的辅助加热；阻火器3-2属于安全配置，用于阻止火焰传播和扩散，当废气回火时，阻火器内金属丝网器壁效应转化为热能使火焰熄灭，阻止可燃气体火焰的蔓延和防止回火而引起爆炸。
具体的，见图1或图4，催化燃烧室4内按介质流向方向分别设置整流格栅4-1、VOCs催化剂层4-2，VOCs催化剂层数设2层，上层VOCs催化剂层为可拆卸，方便VOCs催化剂填装，2层催化剂之间间隔300mm，可起到均流作用，达到更好的处理效果。
具体的，VOCs催化剂层4-2是以不锈钢钢格栅为支撑，上面规整布列一定数量的蜂窝式VOCs催化剂，其活性组分为贵金属Pt和/或Pd；含氮有机废气在一定的温度下，经VOCs催化剂的作用，氧化分解成二氧化碳、水、氮气及氮氧化物，并且释放出热量；该催化剂的使用条件为：空速大于10000h-1并且小于40000h-1，使用温度为180-450℃，废气浓度小于混合气体四分之一爆炸下限，在以上条件下，污染物转化效率大于98%。
具体的，见图4，催化还原室6按介质流向方向分别设置整流格栅6-1、SCR催化剂层6-2，SCR催化剂层设2层，上层SCR催化剂层及整流格栅6-1为可拆卸，方便SCR催化剂填装，2层催化剂之间间隔300mm，可起到均流作用，达到更好的处理效果。
具体的，SCR催化剂层6-2是以不锈钢钢格栅为支撑，上面规整布列一定数量的蜂窝式SCR催化剂，其活性组分为V2O5和/或TiO2；含氮氧化物气体在一定温度下与还原气充分混合，再经SCR催化剂的作用，还原成氮气和水；该催化剂的使用条件为：空速大于4000h-1并且小于15000h-1，使用温度为300-420℃，在以上条件下，污染物转化效率大于95%。
具体的，见图1，还原气入口c所接入的还原气体为NH3和/或CO(NH2)2与空气的混合物；还原气体的制备气源取自于催化燃烧室4出口的高温气体（未示出），将其与还原剂NH3充分混合后引至还原气入口c，如此可进一步降低还原气制备所需能耗。
具体的，见图4， VOCs催化剂填装口d及SCR催化剂填装口e均位于壳体1的顶面位置，并且设有可拆卸盖板，该盖板为内外两层钢板，两层钢板之间填充有保温棉，减少装置运行过程中的热量损失；SCR催化剂填装口e的盖板上还设置有卸爆片，该卸爆片属于被动安全配置，当催化燃烧室4内压力超过设计值时，爆破片单向破裂，内部压力快速排空，保证装置安全。
见图1和图4，本发明还包括设置在壳体1侧面的加热室入口温度测点T1、燃烧室入口温度测点T2、燃烧温度测点T3、燃烧后温度测点T4、还原后温度测点T5；具体实施时，各测温点均安装有温度传感器，并实时将监测信号反馈至装置配套控制系统。
下面描述本发明的工作过程，具体包含以下步骤。
步骤1：通入本装置设计风量30%的新鲜空气对装置进行吹扫，清除装置内可能残余的废气。
步骤2：步骤1持续2分钟后，开启电加热器3-1对装置进行预热。控制系统根据燃烧室入口温度测点T2的监测值与预热温度设定值（可设、可调）的差值PID自动调节电加热器3-1的启停，维持催化燃烧室4入口的温度在设定温度，其目的是将装置内置催化剂升温至理想工作温度并持续一段时间，以活化催化剂。当还原后温度测点T5的监测值达到设定的预热完成温度值（可设、可调），转入下一个步骤。
步骤3：关闭新鲜空气补充同时通入装置设计风量30%的废气，并在设定时间内逐渐加大至需处理的废气量；高浓度含氮有机废气从废气入口a进入换热器2冷侧入口，经换热一次升温后从换热器2冷侧出口流出进入加热室3，经电加热器3-1二次升温（视温度情况）再经阻火器3-2进入催化燃烧室4，废气在催化燃烧室4内被氧化分解并释放出大量热量；控制系统根据燃烧温度测点T3的监测值与设定的催化燃烧温度值（可设、可调）的差值PID自动调节补充至废气中的新鲜空气量，以调节废气浓度，维持催化燃烧温度在设定温度。
步骤4：控制系统根据实际监测的NOx浓度值与NOx排放限值的差值PID自动调节进入还原气入口c的还原气浓度，差值大则增大浓度，差值小则减小浓度；流出催化燃烧室4的高温气体经喷氨格栅5的作用，与还原气充分混合，然后进入催化还原室6；NOx在催还还原室6内被选择性催化还原成氮气和水，废气得以净化，较洁净的高温气体再从换热器2热侧入口进入，用于加热升温由冷侧入口进入的低温废气，洁净气体最终以较低的温度从换热器2热侧出口经洁净空气出口b排出装置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是采用本发明说明书及附图内容所作出的等同替换或等效变换形成的结构装置，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，包括壳体（1）及依次设置在壳体内的换热器（2）、加热室（3）、催化燃烧室（4）、喷氨格栅（5）、催化还原室（6）；所述壳体（1）外侧设置有废气入口（a）、洁净空气出口（b）、还原气入口（c）、VOCs催化剂填装口（d）、SCR催化剂填装口（e）；所述废气入口（a）与所述换热器（2）冷侧入口相连，所述换热器（2）冷侧出口与所述加热室（3）入口相连，所述加热室（3）出口与所述催化燃烧室（4）入口相连，所述催化燃烧室（4）出口与所述催化还原室（6）入口相连，所述催化还原室（6）出口与所述换热器（2）热侧入口相连，所述换热器（2）热侧出口与所述洁净空气出口（b）相连；所述喷氨格栅（5）设置于所述催化燃烧室（4）与所述催化还原室（6）之间的风道上，并均匀分布整个风道断面，所述喷氨格栅（5）与所述还原气入口（c）相连；所述VOCs催化剂填装口（d）与所述催化燃烧室（4）出口相连，所述SCR催化剂填装口（e）与所述催化还原室（6）入口相连。
2.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述壳体（1）采用型钢制作整体式框架，所述框架内侧与内置设备之间空隙填充有保温棉，所述框架外侧设置外护板。
3.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述换热器（2）结构为：以热侧介质流向上进下出为基准时，冷侧介质流向为右进右出。
4.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述加热室（3）按介质流向方向分别设置电加热器（3-1）、阻火器（3-2），所述电加热器（3-1）及所述阻火器（3-2）的安装口均位于所述壳体（1）的侧面。
5.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述催化燃烧室（4）内按介质流向方向分别设置整流格栅（4-1）、VOCs催化剂层（4-2），所述VOCs催化剂层层数不少于2层，且相邻层之间间隔不小于200mm。
6.根据权利要求5所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述VOCs催化剂中的活性组分为贵金属Pt和/或Pd。
7.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述催化还原室（6）按介质流向方向分别设置整流格栅（6-1）、SCR催化剂层（6-2），所述SCR催化剂层层数不少于2层，且相邻层之间间隔不小于200mm。
8.根据权利要求7所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述SCR催化剂中的活性组分为V2O5和/或TiO2。
9.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述还原气入口（c）所接入的还原气体为NH3和/或CO(NH2)2与空气的混合物。
10.根据权利要求1所述的高浓度含氮有机废气催化净化装置，其特征在于，所述VOCs催化剂填装口（d）及所述SCR催化剂填装口（e）均位于所述壳体（1）顶面，并且设有可拆卸盖板，所述盖板为内外两层钢板，所述内外两层钢板之间填充有保温棉。
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