CN111773900B - 应用于工业废气中可挥发有机化合物的在线检测净化装置 - Google Patents

Abstract

应用于工业废气中可挥发有机物的在线检测净化装置，包括进气口，与进气口气路相连的吸附净化单元，与吸附净化单元气路相连的光催化反应器，与光催化反应器气路相连的气量控制泵，与气量控制泵气路相连的微型预浓缩器，以及通过三通阀分别与微型预浓缩器气路相连的排气口与检测单元，工业废气从进气口进入至吸附净化单元中，经吸附净化单元净化处理后再进入光催化反应器，工业废气经过光催化反应后经过气量控制泵，通过在气量控制泵设定相应的流速以及时间，排入至微型预浓缩器内，最终形成预浓缩状态的工业废气，通过调整三通阀的工作状态，来让工业废气流入检测单元或从排气口排出。

Description

应用于工业废气中可挥发有机化合物的在线检测净化装置

技术领域

本发明涉及工业废气处理领域，尤其是一种针对可挥发有机化合物的净化装置。

背景技术

工业涂装行业喷漆工艺所产生的喷漆废气，挥发性有机化合物(VOCs)排放量占整个工业源的20％以上，对空气造成严重污染。挥发性有机物(VOCs)是指参与大气光化学反应的有机化合物，包括非甲烷烃类(烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等)、含氧有机物(醛、酮、醇、醚等)、含氯有机物、含氮有机物、含硫有机物等，是形成臭氧(O₃)和细颗粒物(PM_2.5)污染的重要前驱物，是大气污染防控的重点。喷漆废气主要成分为三苯(苯、甲苯、二甲苯)、酯类、醚类、酮类等挥发性有机物，会对人体免疫系统、神经系统造成危害。大部分企业因缺乏有效处理技术或无法承受环保设备投资，没有对喷漆废气做处理，而直接排放到空气中。这不仅加剧了大气环境污染，又危害人体健康。

鉴于单一的处理技术经济成本不占优势且效果不理想，如单一的物理吸收法处理效率难以突破80％，对这种低浓度大风量的废气治理方法和治理设备技术开发亟待解决。目前治理设备一般没有在线检测仪表控制，VOC减排仍不明显，有机副产品对环境影响也不明确，治理设备效果存在很大争议。而挥发性有机化合物(VOCs)的分析是现场环境监测和有毒化学物质检测的重要组成部分。但由于挥发性有机化合物气体含量低(<100ppb)，难以定量检测，因此预浓缩是必要的，以克服各种气体传感器的检测限制。目前已有的微预浓缩器由于需要较高解吸温度和显著压降的缺点，存在传感能力低、运营成本高的问题。因此，如何研发一种净化程度高，定量检测结果准确，智能化程度高的净化装置成为了急需解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，包括进气口，与进气口气路相连的吸附净化单元，与吸附净化单元气路相连的光催化反应器，与光催化反应器气路相连的气量控制泵，与气量控制泵气路相连的微型预浓缩器，以及通过三通阀分别与微型预浓缩器气路相连的排气口与检测单元，工业废气从进气口进入至吸附净化单元中，经吸附净化单元净化处理后再进入光催化反应器，工业废气经过光催化反应后经过气量控制泵，通过在气量控制泵设定相应的流速以及时间，排入至微型预浓缩器内，最终形成预浓缩状态的工业废气，通过调整三通阀的工作状态，来让工业废气流入检测单元或从排气口排出。

采用了上述结构后，通过设置吸附净化单元来对工业废气中的可挥发有机化合物进行第一次吸附净化，之后，在经过光催化反应器，依靠光催化反应器中的光催化剂来对可挥发有机化合物进行光催化反应，从而进一步降低一定体积内可挥发性有机化合物的含量，然后接上一个具有相对体积的浓缩器，通过浓缩器来增加检测的准确性，从而克服挥发性有机化合物气体含量低，无法定量检测的技术问题，最后再根据需求，手动操作三通阀，来让检测单元进行检测或从排气口排出。这样的方式相较简单的采用吸附净化或光催化净化而言，净化效果更加的好。并且增加了检测单元，这样设置可以根据需求随时检测工业废气在经过净化后，可挥发性有机化合物在其内的含量，从而调整相应的反应试剂或吸附装置的结构。

作为本发明的进一步改进，所述吸附净化单元为旋风流化床，为下部筒体上部锥体结构，包括外壳体，外壳体内设置有空腔，所述空腔内填充设有吸附剂，空腔中部挖空，并密封连接有电离模块，所述电离模块包括加有高压电流的放电极以及采用接地设置的接地极。所述放电极为设置于空腔中部的氧化铝管，所述接地极为将氧化铝管包围的不锈钢条，所述氧化铝管的上、下两端接交流电源，所述不锈钢条一端接地，所述吸附剂为填充于空腔内的Y型沸石，并且Y型沸石在工业废气进气状态下运动呈流化状态，所述工业废气进气口设置于外壳体下端一侧，并且外壳体上端一侧还设置有出气口，所述出气口一侧设置有电连接管，并通过电连接管分别串联用于指示放电特性的高压探头以及示波器。

采用了上述结构后，流化床由氧化铝管作为介电屏障，流化床中轴由不锈钢条作为接地电极，由不锈钢管作为一个高压电极附着在氧化铝管的外表面。以y型沸石作为吸附剂填充流化床，用玻璃过滤器固定，吸附剂在气流注入后呈流化状态。采用交流变压器供给高压电。通过数码示波器、高压探针和电压探针指示放电特性。进气和尾气使用气质联用色谱分析仪,用于分析有机副产品。发射光谱仪用于分析等离子体放电区释放的光谱。采用旋风流化床大大提高可挥发有机化合物的吸附效率，将工业废气电离形成低温等离子体并与吸附协同工作，可大大提高可挥发有机化合物的净化效率。

作为本发明的进一步改进，所述吸附净化单元与光催化反应器之间的气路上设置有通气阀以及防火阀，所述光催化反应器由若干个相互间隔排列并用于容纳光催化剂的石英玻璃管组成，所述石英玻璃管上端与下端均设置有将工业废气均匀分布于石英玻璃管内的石质玻璃过滤器，所述光催化剂主要成分为二氧化钛，并以复合凝胶为载体，复合凝胶由酚醛树脂、2-丙醇等有机溶剂混合、低温干燥、煅烧等处理后制备而成，单个石英玻璃管两侧均设置有紫外线灯，并且单个石英玻璃管与紫外线灯以及将上述两者相互容纳的腔体组成一个光催化氧化反应单元，腔体两侧外壁上设置有供工业废气进入以及排出至下一个腔体的通气孔，相邻两个腔体之间相互隔开并通过通气孔及折线形管路进行气路连接，所述石质玻璃管竖向设置，并且两端开口紧贴于两侧通气孔处。

采用了上述结构后，反应器的中心放置一个石英玻璃管，填充光催化剂，在上、下部安装石质玻璃过滤器，使进入的空气均匀分布，防止催化剂颗粒的析出。光催化剂主要成分为TiO2，以复合凝胶为载体，复合凝胶由酚醛树脂、2-丙醇等有机溶剂混合、低温干燥、煅烧等处理后制备而成。为了产生湿度，一部分过滤过的气体通过含有蒸馏水的冲击器，另一部分通过干燥的路径进入腔体。用注射泵将高纯度质量比的液体甲苯以不同体积注入干燥气流中。污染空气与湿空气在腔体中混合后，流速为0.5L/min的污染空气连续进入光反应器。折线形管路利于增加气体停留时间充分进行光催化氧化反应。

作为本发明的进一步改进，所述微型预浓缩器包括吸附室以及微型加热器，所述吸附室内壁设置有金属有机框架，所述金属有机框架内嵌金属泡沫作为吸附剂进行填充，所述微型加热器设置于吸附室内，并对吸附室内腔进行加热。所述检测单元包括氢火焰离子化检测器以及将氢火焰离子化检测器与微型预浓缩器系统连接的熔融石英毛细管，所述微型预浓缩器与检测单元之间的管路之中还设置有转子流量计。所述吸附剂置于50立方厘米的吸附室内，在工业废气流入微型预浓缩器后，微型预浓缩器的出口方向设置吸附模式和脱附模式，在吸附模式下，将气体通过转子流量计，并统计每次进气流量后注入到微型预浓缩器中，在室温下用金属有机疏松体吸附工业废气中的可挥发有机物，通过三通阀将从微型预浓缩器出口设置到排气口位置，将剩余气体通过排气口排放，在脱附模式下，通过微型预浓缩器的吸附室自带的微型加热器进行加热升温，通过三通电磁阀将脱附而出的可挥发有机物转向氢火焰离子化检测器。

采用了上述结构后，微型预浓缩器由以金属有机框架内嵌金属泡沫为材料的吸附剂填充，由硅片上的吸附室、微加热器和远程终端系统组成，吸附室为矩形腔结构。可挥发有机物注入通过控制器、电磁阀和便携型泵控制，电池驱动便携型泵同时具有吹气和抽气功能，取代传统的推泵和抽气泵。便携式泵外壳塑料材质，微控制器用于控制气流速度和总运行时间，设定时间结束时，泵自动关闭，在没有监控的情况下可进行不同样品间的精确抽样。机身上有用于调节气流速度的按钮，并保存设置的速度值。所有选择的配置可以在数字显示屏看到，因此使用非常直观。便携式泵包括出气口、开关、数字显示、配置面板和USB充电端口等部件。配置面板有三个输入按钮(对应于触控开关)，可设置时间、流速等多种功能，其中印刷电路板连接所有电子元件，包括数字显示器、微控制器、触觉开关、电机和电池。带有一个手动三通电磁阀，使用一个熔断器石英毛细管，将微型预浓缩器与氢火焰离子化检测器系统连接。

附图说明

图1所示为旋风流化床电离电路示意图；

图2所示为在线检测净化装置气路连接结构示意图；

图3所示为旋风流化床结构示意图；

图4所示为光催化反应器结构示意图；

图5所示为预浓缩器结构示意图。

1—进气口，2—吸附净化单元，3—光催化反应器，4—气量控制泵，5—微型预浓缩器，6—检测单元，7—排气口，8—防火阀，9—转子流量计，10—三通阀，21—外壳体，22—Y型沸石，23—氧化铝管，24—不锈钢条，25—出气口，26—电连接管，27—高压探头，28—示波器，31—石英玻璃管，32—紫外线灯，33—通气孔，51—吸附室，52—微型加热器，53—金属有机框架，61—氢火焰离子化检测器，62—熔融石英毛细管如图1-图3所示，包括进气口1，与进气口1气路相连的吸附净化单元2，与吸附净化单元2气路相连的光催化反应器3，与光催化反应器3气路相连的气量控制泵4，与气量控制泵4气路相连的微型预浓缩器5，以及通过三通阀10分别与微型预浓缩器5气路相连的排气口7与检测单元6，工业废气从进气口1进入至吸附净化单元2中，经吸附净化单元2净化处理后再进入光催化反应器3，工业废气经过光催化反应后经过气量控制泵4，通过在气量控制泵4设定相应的流速以及时间，排入至微型预浓缩器5内，最终形成预浓缩状态的工业废气，通过调整三通阀的工作状态，来让工业废气流入检测单元2或从排气口6排出。通过设置吸附净化单元2来对工业废气中的可挥发有机化合物进行第一次吸附净化，之后，在经过光催化反应器3，依靠光催化反应器3中的光催化剂来对可挥发有机化合物进行光催化反应，从而进一步降低一定体积内可挥发性有机化合物的含量，然后接上一个具有相对体积的浓缩器，通过浓缩器来增加检测的准确性，从而克服挥发性有机化合物气体含量低，无法定量检测的技术问题，最后再根据需求，手动操作三通阀，来让检测单元进行检测或从排气口排出。这样的方式相较简单的采用吸附净化或光催化净化而言，净化效果更加的好。并且增加了检测单元，这样设置可以根据需求随时检测工业废气在经过净化后，可挥发性有机化合物在其内的含量，从而调整相应的反应试剂或吸附装置的结构。

所述吸附净化单元2为旋风流化床2，为下部筒体上部锥体结构，包括外壳体21，外壳体21内设置有空腔，所述空腔内填充设有吸附剂22，空腔中部挖空，并密封连接有电离模块，所述电离模块包括加有高压电流的放电极23以及采用接地设置的接地极24。所述放电极23为设置于空腔中部的氧化铝管23，所述接地极24为将氧化铝管23包围的不锈钢条24，所述氧化铝管23的上、下两端接交流电源，所述不锈钢条一端接地，所述吸附剂22为填充于空腔内的Y型沸石22，并且Y型沸石22在工业废气进气状态下运动呈流化状态，所述工业废气进气口设置于外壳体下端一侧，并且外壳体21上端一侧还设置有出气口25，所述出气口25一侧设置有电连接管26，并通过电连接管26分别串联用于指示放电特性的高压探头27以及示波器28。流化床由氧化铝管作为介电屏障，流化床中轴由不锈钢条作为接地电极，由不锈钢管作为一个高压电极附着在氧化铝管的外表面。以y型沸石作为吸附剂填充流化床，用玻璃过滤器固定，吸附剂在气流注入后呈流化状态。采用交流变压器供给高压电。通过数码示波器、高压探针和电压探针指示放电特性。进气和尾气使用气质联用色谱分析仪,用于分析有机副产品。发射光谱仪用于分析等离子体放电区释放的光谱。采用旋风流化床大大提高可挥发有机化合物的吸附效率，将工业废气电离形成低温等离子体并与吸附协同工作，可大大提高可挥发有机化合物的净化效率。

所述吸附净化单元2与光催化反应器3之间的气路上设置有通气阀7以及防火阀8，所述光催化反应器3由若干个相互间隔排列并用于容纳光催化剂的石英玻璃管31组成，所述石英玻璃管31上端与下端均设置有将工业废气均匀分布于石英玻璃管内的石质玻璃过滤器，所述光催化剂主要成分为二氧化钛，并以复合凝胶为载体，复合凝胶由酚醛树脂、2-丙醇等有机溶剂混合、低温干燥、煅烧等处理后制备而成，单个石英玻璃管31两侧均设置有紫外线灯32，并且单个石英玻璃管31与紫外线灯32以及将上述两者相互容纳的腔体组成一个光催化氧化反应单元，腔体两侧外壁上设置有供工业废气进入以及排出至下一个腔体的通气孔，相邻两个腔体之间相互隔开并通过通气孔33及折线形管路进行气路连接，所述石质玻璃管竖向设置，并且两端开口紧贴于两侧通气孔处。反应器的中心放置一个石英玻璃管，填充光催化剂，在上、下部安装石质玻璃过滤器，使进入的空气均匀分布，防止催化剂颗粒的析出。光催化剂主要成分为TiO2，以复合凝胶为载体，复合凝胶由酚醛树脂、2-丙醇等有机溶剂混合、低温干燥、煅烧等处理后制备而成。为了产生湿度，一部分过滤过的气体通过含有蒸馏水的冲击器，另一部分通过干燥的路径进入腔体。用注射泵将高纯度质量比的液体甲苯以不同体积注入干燥气流中。污染空气与湿空气在腔体中混合后，流速为0.5L/min的污染空气连续进入光反应器。折线形管路利于增加气体停留时间充分进行光催化氧化反应。

所述微型预浓缩器5包括吸附室51以及微型加热器52，所述吸附室51内壁设置有金属有机框架53，所述金属有机框架内嵌金属泡沫作为吸附剂进行填充，所述微型加热器52设置于吸附室51内，并对吸附室51内腔进行加热。所述检测单元6包括氢火焰离子化检测器61以及将氢火焰离子化检测器与微型预浓缩器5系统连接的熔融石英毛细管62，所述微型预浓缩器5与检测单元6之间的管路之中还设置有转子流量计9。所述吸附剂置于50立方厘米的吸附室内，在工业废气流入微型预浓缩器后，微型预浓缩器的出口方向设置吸附模式和脱附模式，在吸附模式下，将气体通过转子流量计9，并统计每次进气流量后注入到微型预浓缩器中，在室温下用金属有机疏松体吸附工业废气中的可挥发有机物，通过三通阀10将从微型预浓缩器出口设置到排气口位置，将剩余气体通过排气口排放，在脱附模式下，通过微型预浓缩器的吸附室自带的微型加热器进行加热升温，通过三通电磁阀将脱附而出的可挥发有机物转向氢火焰离子化检测器。微型预浓缩器由以金属有机框架内嵌金属泡沫为材料的吸附剂填充，由硅片上的吸附室、微加热器和远程终端系统组成，吸附室为矩形腔结构。可挥发有机物注入通过控制器、电磁阀和便携型泵控制，电池驱动便携型泵同时具有吹气和抽气功能，取代传统的推泵和抽气泵。便携式泵外壳塑料材质，微控制器用于控制气流速度和总运行时间，设定时间结束时，泵自动关闭，在没有监控的情况下可进行不同样品间的精确抽样。机身上有用于调节气流速度的按钮，并保存设置的速度值。所有选择的配置可以在数字显示屏看到，因此使用非常直观。便携式泵包括出气口、开关、数字显示、配置面板和USB充电端口等部件。配置面板有三个输入按钮(对应于触控开关)，可设置时间、流速等多种功能，其中印刷电路板连接所有电子元件，包括数字显示器、微控制器、触觉开关、电机和电池。带有一个手动三通电磁阀，使用一个熔断器石英毛细管，将微型预浓缩器与氢火焰离子化检测器系统连接。

Claims (4)

1.应用于工业废气中可挥发有机物的在线检测净化装置，其特征在于：包括进气口，与进气口气路相连的吸附净化单元，与吸附净化单元气路相连的光催化反应器，与光催化反应器气路相连的气量控制泵，与气量控制泵气路相连的微型预浓缩器，以及通过三通阀分别与微型预浓缩器气路相连的排气口与检测单元，工业废气从进气口进入至吸附净化单元中，经吸附净化单元净化处理后再进入光催化反应器，工业废气经过光催化反应后经过气量控制泵，通过在气量控制泵设定相应的流速以及时间，排入至微型预浓缩器内，最终形成预浓缩状态的工业废气，通过调整三通阀的工作状态，来让工业废气流入检测单元或从排气口排出，所述微型预浓缩器包括吸附室以及微型加热器，外部金属有机框架凹进形成吸附室腔，所述吸附室内嵌多孔状金属有机疏松体作为吸附剂进行填充，所述微型加热器设置于吸附室内，并对吸附室内腔进行加热，所述检测单元包括氢火焰离子化检测器以及将氢火焰离子化检测器与微型预浓缩器系统连接的熔融石英毛细管，所述微型预浓缩器与检测单元之间的管路之中还设置有转子流量计，所述吸附剂置于50立方厘米的吸附室内，在工业废气流入微型预浓缩器后，微型预浓缩器的出口方向设置吸附模式和脱附模式，在吸附模式下，将气体通过转子流量计，并统计每次进气流量后注入到微型预浓缩器中，在室温下用金属有机疏松体吸附工业废气中的可挥发有机物，通过三通阀将从微型预浓缩器出口设置到排气口位置，将剩余气体通过排气口排放，在脱附模式下，通过微型预浓缩器的吸附室自带的微型加热器进行加热升温，通过三通电磁阀将脱附而出的可挥发有机物转向氢火焰离子化检测器。

2.根据权利要求1所述的应用于工业废气中可挥发有机物的在线检测净化装置，其特征在于：所述吸附净化单元为旋风流化床，为下部筒体上部锥体结构，包括外壳体，外壳体内设置有空腔，所述空腔内填充设有吸附剂，空腔中部挖空，并密封连接有电离模块，所述电离模块包括加有高压电流的放电极以及采用接地设置的接地极。

3.根据权利要求2所述的应用于工业废气中可挥发有机物的在线检测净化装置，其特征在于：所述放电极为设置于空腔中部的氧化铝管，所述接地极为将氧化铝管包围的不锈钢条，所述氧化铝管的上、下两端接交流电源，所述不锈钢条一端接地，所述吸附剂为填充于空腔内的Y型沸石，并且Y型沸石在工业废气进气状态下运动呈流化状态，所述工业废气进气口设置于外壳体下端一侧，并且外壳体上端一侧还设置有出气口，所述出气口一侧设置有电连接管，并通过电连接管分别串联用于指示放电特性的高压探头以及示波器。

4.根据权利要求1或3所述的应用于工业废气中可挥发有机物的在线检测净化装置，其特征在于：所述吸附净化单元与光催化反应器之间的气路上设置有通气阀以及防火阀，所述光催化反应器由若干个相互间隔排列并用于容纳光催化剂的石英玻璃管组成，所述石英玻璃管上端与下端均设置有将工业废气均匀分布于石英玻璃管内的石质玻璃过滤器，所述光催化剂主要成分为二氧化钛，并以复合凝胶为载体，复合凝胶由酚醛树脂、2-丙醇有机溶剂混合、低温干燥、煅烧处理后制备而成，单个石英玻璃管两侧均设置有紫外线灯，并且单个石英玻璃管与紫外线灯以及将上述两者相互容纳的腔体组成一个光催化氧化反应单元，腔体两侧外壁上设置有供工业废气进入以及排出至下一个腔体的通气孔，相邻两个腔体之间相互隔开并通过通气孔及折线形管路进行气路连接，所述石英玻璃管竖向设置，并且两端开口紧贴于两侧通气孔处。

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