CN111921532A - VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法 - Google Patents

VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法，催化氧化装置，包括：换热器，其设置有若干换热管，每个换热管内填充有所述催化剂；锅炉，所述换热器安装于锅炉的尾部，换热管与锅炉尾部内壁之间围成换热器的壳程；换热管的进口与VOCs废气源连接，出口与锅炉的燃料入口连接。处置VOCs废气的催化氧化装置充分利用现有锅炉的烟气余热，提供废气被催化氧化反应需要的温度，废气中VOCs被催化氧化释放的热，提升了锅炉助燃气体温度，被锅炉利用，提高了锅炉热效率。

Description

VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法
技术领域
本发明属于VOCs(挥发性有机物)废气处理与净化技术领域，尤其涉及VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
人造板生产企业在废气方面的污染主要存在干燥、热压、锯切、砂光等工序。在干燥、热压工序产生的废气污染物主要是游离甲醛、游离酚类、非甲烷总烃；锯切、砂光工序产生的粉尘。
人造板生产尾气中产生的颗粒物如果是木粉尘，企业采用旋风分离器、袋式除尘器进行回收利用，不能利用的除尘后产生的木粉可以通过气力输送系统引至工厂热能中心的锅炉烧掉，处理效率能达到99％以上。随着人造板行业排放要求越来越苛刻，如要求通过相关治理手段和设备，实现颗粒物排放浓度≤10mg/m3，甲醛排放浓度≤5mg/m3，酚类排放浓度≤10mg/m3，非甲烷总烃排放浓度≤50mg/m3。人造板生产尾气中的气态有机污染物处理技术有吸收、吸附、燃烧法等。前面两种处理技术是将废气污染物从气相转移到液相或固相载体中，降低了废气中污染物含量。相比其它处理工艺，燃烧法适用于成分复杂、高浓度的VOCs气体，具有处理成本低、处理效率较高、处理彻底等优点。对于高风量低浓度挥发性有机废气，可采用浓缩处理后焚烧，即吸附浓缩/脱附焚烧技术。
如果将这些VOCs废气浓度低、排放量大的废气直接作为助燃风通入锅炉中，发明人发现，可能会存在以下问题：1、安全风险：因为没有相应的安全措施，或者安全措施配备不足，如可燃气体浓度检测仪、安全联锁、补新风措施、紧急切断阀、旁路系统等，当废气浓度超出爆炸极限或者高浓度气团过来后，容易发生闪爆事故；如果出现锅炉熄火或者是锅炉生产与废气排放不同步的情况，风险会更高。2.达标风险：VOCs废气治理的复杂性远远超过烟气治理、异味控制，将废气作为助燃气通入锅炉，没有足够的保证治理效果的措施，无法保证废气充分燃烧，尤其是对分子结构比较稳定、分子量比较大或者瞬时浓度比较高的情况，达标更加不可控。3.技术风险：锅炉的设计都是通过锅检所批复的，如果引入废气，热值发生变化，不仅污染物得不到根治，可能对锅炉正常燃烧产生影响。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供VOCs废气催化氧化催化剂、其制备方法、催化氧化装置及方法。
为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种VOCs废气催化氧化催化剂，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 10％-15％，CeO2 0.5％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
第二方面，本发明提供所述VOCs废气催化氧化催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将镍触媒浸渍于铈盐溶液中，超声浸渍，浸渍完成后，将铈盐溶液加热蒸干；
将干燥后的镍触媒高温煅烧，得到催化剂。
第三方面，本发明提供一种催化氧化装置，包括：
换热器，其设置有若干换热管，每个换热管内填充有所述催化剂；
锅炉，所述换热器安装于锅炉的尾部，换热管与锅炉尾部内壁之间围成换热器的壳程；
换热管的进口与VOCs废气源连接，出口与锅炉的燃料入口连接。
第四方面，本发明提供一种VOCs废气催化氧化方法，包括如下步骤：
VOCs废气从换热管内部流过，锅炉尾部的高温烟气自换热管的外侧流过，对VOCs废气进行加热，被加热后的VOCs废气流经催化剂填料时，废气中的VOCs被催化氧化；
经催化氧化后的废气作为助燃气体被风机输送至锅炉中。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
1、处置VOCs废气的催化氧化装置充分利用现有锅炉的烟气余热，提供废气被催化氧化反应需要的温度，废气中VOCs被催化氧化释放的热，提升了锅炉助燃气体温度，被锅炉利用，提高了锅炉热效率。
2、废气中VOCs经高效催化氧化，进而作为助燃气体，经历锅炉燃烧，VOCs分解更加彻底，通过对排放的烟气测试，无初始VOC成分。
3、处置VOCs废气催化氧化装置，无需改变锅炉本体结构，作为锅炉烟气余热利用装置增设，无需增加燃气助燃或电加热，大大减少了废气处理工艺设备和投入。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的催化氧化装置与锅炉系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的催化氧化装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的拉西环状催化剂的结构示意图。
其中，1、风机；2、燃料；3、锅炉本体；4、含有VOCs的废气；5、锅炉烟气；6、催化氧化装置；7、催化氧化后的废气；8、拉西环状催化剂，9、排管；10、正视剖面图；11、横截面图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种VOCs废气催化氧化催化剂，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 10％-15％，CeO2 0.5％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
在一些实施例中，VOCs废气催化氧化催化剂，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 12％-15％，CeO2 1％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
该废气催化氧化催化剂具有较高的催化氧化效率，进而可以有效提高VOCs废气的处理效率。
第二方面，本发明提供所述VOCs废气催化氧化催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将镍触媒浸渍于铈盐溶液中，超声浸渍，浸渍完成后，将铈盐溶液加热蒸干；
将干燥后的镍触媒煅烧，得到催化剂。
在一些实施例中，所述镍触媒为拉西环状镍触媒。
在一些实施例中，所述铈盐溶液的浓度为0.005-0.01mol/L。
进一步的，镍触媒与铈盐溶液的质量比为1:8-12。
进一步的，超声浸渍的温度为40～85℃，时间为5-30min。
进一步的，超声的功率密度为100-200W/L，超声频率为20-40kHz。
在一些实施例中，将铈盐溶液加热蒸干的温度为80-90℃。
在一些实施例中，采用程序升温的方式进行煅烧。
进一步的，程序升温速率为5～10℃/min，升温至540-560℃后，维持4-5h。
第三方面，本发明提供一种催化氧化装置，包括：
换热器，其设置有若干换热管，每个换热管内填充有所述催化剂；
锅炉，所述换热器安装于锅炉的尾部，换热管与锅炉尾部内壁之间围成换热器的壳程；
换热管的进口与VOCs废气源连接，出口与锅炉的燃料入口连接。
在一些实施例中，所述催化剂为拉西环状结构。
第四方面，本发明提供一种VOCs废气催化氧化方法，包括如下步骤：
VOCs废气从换热管内部流过，锅炉尾部的高温烟气自换热管的外侧流过，对VOCs废气进行加热，被加热后的VOCs废气流经催化剂填料时，废气中的VOCs被催化氧化；
经催化氧化后的废气作为助燃气体被风机输送至锅炉中。
在一些实施例中，VOCs废气被高温烟气加热后的温度为150-450℃。
在一些实施例中，单位时间单位体积催化剂填料处理的VOCs废气的空速为10000～100000h-1。
实施例1
采用的拉西环状Z204镍触媒尺寸：外径D19mm×高h19mm×内径d9mm，堆密度：1.10-1.15kg/L，化学组分重量百分含量：NiO≥14.00％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，其余为Al2O3。将该拉西环状Z204镍触媒与0.005mol/L硝酸铈溶液按照重量比1:10混合浸渍，在85℃施加超声浸渍，超声频率为20kHz，功率密度为200W/L，时间为10min，并加热维持85℃将水分蒸干；将其取出后放置焙烧炉中进行高温煅烧，升温程序为：从室温以5℃/min升温速率升至550℃并维持5h，待自然冷却后，得到催化剂填料。催化剂填料中，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 10％-15％，CeO2 0.5％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
将制备的催化剂填料填充至换热管中，并将组装而成的换热器安装于锅炉尾部，将换热器的进口与废气源连接，换热器的出口与锅炉连接。
实施例2
某人造板企业对应工序热压和干燥，产生的有机废气排放量6000m3/h，处理前甲醛浓度48mg/m3，将装有拉西环状填料的换热器布置于燃用生物质的蒸汽锅炉(DZL4-1.25-M)尾部，确保废气流过催化剂时工作温度为300～450℃，空速比(GHSV)为30000h-1，填装0.2m3的催化剂，经该装置处理后，催化氧化后的废气、锅炉烟气均检测不到挥发性有机物。
实施例3
将某人造板企业无组织排放废气收集，经旋风分离器、袋式除尘器除去颗粒物，进入催化氧化装置6、然后进入锅炉燃烧器送风机1，参与锅炉内燃烧，形成的烟气经脱硝、布袋式除尘器，然后经烟筒排放。如图1，催化氧化装置6布置于锅炉尾部烟气温度150～450℃区域，含有VOCs废气4进入催化氧化装置6，催化氧化后的废气7通入锅炉送风机1，参与炉内燃烧后，成为锅炉烟气5。催化氧化装置结构如图2，排管9可采用0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti材质或0Cr17Ni7Al材质抗氧化钢管，内装有拉西环状催化剂填料8。拉西环状催化剂结构如图3，正视剖面图10，截面图11，其中外径D为19mm，高h为19mm，内径d为9mm。
实施例4
某企业采用供热锅炉型号：DZL4-1.25-AⅡ，鼓风机型号：XF45.25-12No4，风压626-1000Pa，风量：4527-9588m3/h；引风机型号：YGY4-18，风压3881-4057Pa，风量11000-17000m3/h，送风机风量在6100m3/h，制胶产生的有机废气排放量5000m3/h，处理前甲醛浓度349mg/m3。确保废气流过催化剂时工作温度为300-450℃，空速比(GHSV)为20000h-1，填装0.25m3的催化剂，经该装置处理后，催化氧化后的废气、锅炉烟气均检测不到挥发性有机物。
实施例5
某人造板企业采用燃气锅炉型号：WNS6-1.25，工序热压和干燥产生的挥发性有机废气排放量7000m3/h，处理前甲醛浓度45mg/m3，制胶产生的挥发性有机废气排放量5000m3/h，处理前甲醛浓度352mg/m3。将热压干燥产生的7000m3/h低浓度挥发性有机废气作为助燃空气参与锅炉燃烧，将制胶产生5000m3/h高浓度的挥发性有机废气通入锅炉尾部的催化氧化装置，废气流过催化剂时工作温度为300-450℃，空速比(GHSV)为30000h-1，拉西环状填料的填装体积0.2m3，经该工艺处理后，催化氧化后的废气、锅炉烟气均检测不到挥发性有机物。
实施例6
采用的拉西环状Z204镍触媒尺寸：外径D19mm×高h19mm×内径d9mm，堆密度：1.10～1.15kg/L，化学组分重量百分含量：NiO≥14.00％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，其余为Al2O3。将该拉西环状Z204镍触媒与0.005mol/L硝酸铈溶液按照重量比1:8混合浸渍，在85℃浸渍24h，并加热维持85℃将水分蒸干；将其取出后放置焙烧炉中进行高温煅烧，升温程序为：从室温以5℃/min升温速率升至550℃并维持5h，待自然冷却后，得到催化剂填料。催化剂填料中，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 13％-14％，CeO2 0.5％-1％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
将制备的催化剂填料填充至换热管中，并将组装而成的换热器安装于锅炉尾部，将换热器的进口与废气源连接，换热器的出口与锅炉连接。
某人造板企业制胶产生的挥发性有机废气排放量5000m3/h，处理前甲醛浓度352mg/m3，将该高浓度的挥发性有机废气通入锅炉尾部的催化氧化装置，废气流过催化剂时工作温度为150-280℃，空速比(GHSV)为30000h-1，拉西环状填料的填装体积0.2m3，经该工艺处理后，催化氧化后的废气挥发性有机废气甲醛降低为71mg/m3。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种VOCs废气催化氧化催化剂，其特征在于：按质量百分数计，由以下组分组成：NiO10％-15％，CeO2 0.5％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
2.根据权利要求1所述的VOCs废气催化氧化催化剂，其特征在于：VOCs废气催化氧化催化剂，按质量百分数计，由以下组分组成：NiO 12％-15％，CeO21％-2％，SiO2≤0.20％，Fe2O3<1％，CaO<1％，余量为Al2O3。
3.权利要求1或2所述VOCs废气催化氧化催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将镍触媒浸渍于铈盐溶液中，超声浸渍，浸渍完成后，将铈盐溶液加热蒸干；
将干燥后的镍触媒煅烧，得到催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述镍触媒为拉西环状镍触媒。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述铈盐溶液的浓度为0.005-0.01mol/L；
进一步的，镍触媒与铈盐溶液的质量比为1:8-12；
进一步的，超声浸渍的温度为40～85℃，时间为5-30min；
进一步的，超声的功率密度为100-200W/L，超声频率为20-40kHz。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：将铈盐溶液加热蒸干的温度为80-90℃；
在一些实施例中，采用程序升温的方式进行煅烧；
进一步的，程序升温速率为5～10℃/min，升温至540-560℃后，维持4-5h。
7.一种催化氧化装置，其特征在于：包括：
换热器，其设置有若干换热管，每个换热管内填充有权利要求1或2所述催化剂；
锅炉，所述换热器安装于锅炉的尾部，换热管与锅炉尾部内壁之间围成换热器的壳程；
换热管的进口与VOCs废气源连接，出口与锅炉的燃料入口连接。
8.根据权利要求7所述的催化氧化装置，其特征在于：所述催化剂为拉西环状结构。
9.一种VOCs废气催化氧化方法，其特征在于：包括如下步骤：
VOCs废气从换热管内部流过，锅炉尾部的高温烟气自换热管的外侧流过，对VOCs废气进行加热，被加热后的VOCs废气流经催化剂填料时，废气中的VOCs被催化氧化；
经催化氧化后的废气作为助燃气体被风机输送至锅炉中。
10.根据权利要求9所述的VOCs废气催化氧化方法，其特征在于：VOCs废气被高温烟气加热后的温度为150-450℃；
进一步的，单位时间单位体积催化剂填料处理的VOCs废气的空速为10000～100000h-1。
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