CN113019083A - VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs方法 - Google Patents

VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及挥发性有机物VOCs处理技术领域，公开了VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs的方法，该装置包括过滤除尘模块、低温等离子体协同吸附催化一体化模块、微循环模块、进气路和出气路，VOCs经过过滤除尘模块后进入一个低温等离子体协同吸附催化一体化模块进行预吸附，通过进气路通入空气或氧气，启动低温等离子体发生装置，VOCs在等离子体和吸附剂、催化剂三者协同作用下转换为CO2和H2O，未处理完全的VOCs进入相邻的低温等离子体协同吸附催化一体化模块进行二次处理，多个低温等离子体协同吸附催化一体化模块可以间歇进行预吸附和处理，处理后的气体通过出气路排出。本装置和处理工艺的耗能低，处理效率高，适于大规模工业推广使用。

Description

VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs 方法
技术领域
本发明涉及挥发性有机物VOCs处理技术领域，具体而言，是VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs方法。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)是大气污染物的主要来源，在石化、焦化、制药、印刷、涂装等行业的生产、运输、存储过程中均存在VOCs的逸散、排放。VOCs对人体及生活环境造成危害，如苯系物、烯烃、含氯含氮有机化合物具有“致癌、致畸、致突变”作用；醛类具有刺激性、甚至诱发白血病，肝肾功能衰竭；几乎全部VOCs都对呼吸系统不利。此外VOCs中烯烃、芳烃、烷烃等具有较高的生成臭氧潜势，可导致光化学烟雾以及二次有机气溶胶的生成。
大风量低浓度有机废气的排放在工业生产中较为常见，当废气回收价值低或不需要进行回收时，常采用吸附浓缩与催化燃烧技术相结合的工艺进行处理。但是催化燃烧技术一般需要使用温度为300-500℃才能完成对VOCs的催化氧化，使用温度高，能耗较高。
等离子体是物质存在的一种基本形态，是由各种带电粒子和中性粒子组成的集合体，包括电子、正离子、原子、光子、自由基、激发态分子、基态分子等，因其正负离子所带电荷相等，整体呈电中性，所以被称为等离子体。低温等离子体的特点是同时拥有高能电子和接近于室温的其他粒子，因此利用低温等离子体技术可以在较低温度(甚至室温)下活化气体分子。介质阻挡放电技术(DBD)可以产生大量低温等离子体，废气中的VOCs污染物可以无差别地与等离子体中的活性基团发生反应，最终转化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)等物质，达到废气净化之目的。近年来，基于等离子体装置简单、即时开闭、对VOCs无选择性、脱除效率高等优点，低温等离子体技术作为一种处理有机废气的有效方法得到了广泛应用。低温等离子体技术最大的不足是持续性放电导致整个工艺能耗过高，且存在能量利用率低、CO2矿化率有待提高的问题。
低温等离子体以空气或氧气作为放电介质时会有臭氧(O3)产生，若O3未被充分及时利用，将导致二次污染物如O3、氮氧化物(NOx)的生成。
低温等离子体技术与吸附催化技术相结合能够有效解决等离子体技术现存的上述问题，可以广泛应用。CN107042039A公开了一种介质阻挡放电低温等离子体协同催化处理有机废气的装置及处理方法，该发明将等离子体从发生装置中引出至反应腔中，与有机废气在反应腔内进行反应，等离子体不能及时被利用(电子激发态物质通常在10-7s左右便释放光子失活)，等离子体内活性粒子的复合几率增加，降低了利用率。
CN108970348A公开了一种低温等离子体发生器和低温等离子体处理污染物的方法及其应用，该发明对污染物进行间歇式低温等离子体放电，相邻两次低温等离子体放电的时间间隔为0.1s—50s，由于时间间隔短，低温等离子体发生器需长期运行，能耗较高。CN108355486A公开了低温等离子体协同催化装置，该发明的催化模块布置在等离子体发生装置的上风向，催化剂与低温等离子体发生装置分开放置，不能充分及时利用催化剂与低温等离子体，起到最佳协同作用。CN107042039A、CN108970348A、CN108355486A均涉及低温等离子体与催化剂的协同作用，但都将催化剂和等离子体发生装置分开布置，不能及时充分地使二者起到协同作用，导致耗能增加，处理效率低下。CN105797579A公开了一种等离子体协同介孔催化处理VOCs的工艺，将废气送入低温等离子体介孔催化反应器中，但该过程受到催化剂结构以及吸脱附时间限制，需控制废气的流量，无法满足工业大流量废气的处理需求。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的是提供VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置及其处理VOCs的方法，将等离子体发生装置和催化剂一体化集成，生成的低温等离子体能够及时与催化剂接触，共同处理VOCs，起到最佳协同作用，并且有效降低能耗。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，包括低温等离子体协同吸附催化一体化模块、分别与所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块连接的过滤除尘模块、进气路、出气路和微循环模块。
所述过滤除尘模块包括过滤除尘罐和装于所述过滤除尘罐内的除尘填料；
优选的，所述的除尘填料为玻璃纤维、多孔陶瓷材料中的一种。
所述过滤除尘模块用于除去有机废气中的粉尘。
所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块包括腔体、位于所述腔体内的低温等离子体发生装置和位于所述低温等离子体发生装置内的吸附催化剂。
所述腔体可开闭，以便更换低温等离子体发生装置和吸附催化剂；
优选的，所述腔体材质为聚四氟乙烯或偏四氟乙烯。
所述低温等离子体发生装置为等离子体管，包括管体、位于所述管体内部的高压电极和缠绕在所述管体外壁的低压电极。
优选的，所述高压电极使用胶塞密封处理；
优选的，所述低压电极均匀缠绕在管体外壁。
所述低温等离子体发生装置用于产生高化学活性粒子，放电方式为介质阻挡放电(DBD)，所述管体即为阻挡介质；
优选的，所述管体为石英玻璃、陶瓷、刚玉中的一种。
所述吸附催化剂为颗粒状，填充在所述管体内，等离子体管产生的低温等离子体可以立即与吸附催化剂接触，协同作用处理VOCs。
优选的，所述吸附催化剂为分子筛颗粒或活性炭颗粒。
进一步的，所述吸附催化剂包括吸附剂和催化剂组分。
更进一步的，所述吸附剂为分子筛或活性炭，所述催化剂组分为铁、钴、镍、铜、锰、铈中的单金属氧化物或复合金属氧化物。
所述吸附催化剂用于吸附VOCs中的有害物质，并在低温等离子体发生装置运行过程中协同催化脱除所吸附的有害物质。
所述管体上设有废气进口和废气出口。
所述微循环模块包括位于所述过滤除尘模块与所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块之间的进气阀、位于相邻两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块之间的串联阀、位于所述过滤除尘模块与进气路之间的并联阀和位于低温等离子体协同吸附催化一体化模块与串联阀之间的出气阀。
所述并联阀和所述串联阀之间通过管道连接。
所述废气进口与所述进气阀连接，所述废气出口与所述出气阀连接。
所述微循环模块用于气路切换，改变相邻低温等离子体协同吸附催化一体化模块的联通、断联状态，以及相邻低温等离子体协同吸附催化一体化模块处理有机废气后尾气的二次处理。
本发明同时提供VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置处理VOCs的方法，VOCs经过所述过滤除尘模块后进入第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块进行预吸附，吸附饱和后，打开并联阀，再通过进气路通入空气或氧气，同时启动等离子体发生装置产生高化学活性粒子，VOCs在等离子体和吸附催化剂的协同作用下转换为CO2和H2O。
经过第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块未完全分解的VOCs、残余的高化学活性粒子和/或O3通过微循环模块进入相邻的第二低温等离子体协同吸附催化一体化模块中进一步处理。
第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块处理VOCs过程中，第二低温等离子体协同吸附催化一体化模块可同时进行预吸附。
本发明的技术优点在于，低温等离子体发生装置与吸附催化剂一体集成，刚产生的高活性等离子体即可与吸附催化剂一起协同作用，处理VOCs，等离子体利用率高，降低等离子体发生装置的耗能；设置多个低温等离子体协同吸附催化一体化模块，可以使不同模块间歇进行吸附、催化，适用于工业大流量的VOCs处理。本发明的装置和处理工艺耗能低，处理效率高，适于大规模工业推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为低温等离子体协同吸附催化一体化模块结构示意图。
图中：1-过滤除尘模块；2a、2b-低温等离子体协同吸附催化一体化模块；3a、3b-进气阀；4-并联阀；5-串联阀；6-进气路；7-出气路；8a、8b-出气阀；21-高压电极；22-废气进口；23-吸附催化剂；24-管体；25-低压电极；26-废气出口；27-腔体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，包括低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b，与低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b分别连接的过滤除尘模块1、进气路6、出气路7，还包括位于低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b之间的微循环模块。
过滤除尘模块1包括过滤除尘罐，过滤除尘罐内装有材质为玻璃纤维的除尘填料。
如图2所示，低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b包括腔体27、位于腔体27内的低温等离子体发生装置和位于低温等离子体发生装置内的吸附催化剂23。
腔体27材质为聚四氟乙烯，可开闭。
低温等离子体发生装置为等离子体管，包括管体24、位于管体24内部的高压电极21和均匀缠绕在管体24外壁的低压电极25。
高压电极21使用胶塞密封处理，管体24材质为石英玻璃。
吸附催化剂23为分子筛颗粒，包括分子筛的吸附剂和氧化铜的催化剂组分，吸附催化剂23填充在管体24内。
管体24上设有废气进口22和废气出口26。
如图1所示，微循环模块包括位于过滤除尘模块1与低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b之间的进气阀3a、3b、位于相邻两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b之间的串联阀5、位于过滤除尘模块1与进气路6之间的并联阀4和位于低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b与串联阀5之间的出气阀8a、8b。
并联阀4和串联阀5之间通过管道连接。
废气进口22与进气阀3a、3b连接，废气出口26与出气阀8a、8b连接。
本装置处理VOCs的方法为：关闭进气阀3b、出气阀8a、8b、串联阀5和并联阀4，使两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a和2b处于不连通状态，将VOCs通过过滤除尘模块1进行除尘，除尘后的VOCs从废气进口22进入低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a进行预吸附，吸附饱和后，打开并联阀4，通过进气路6通入空气，空气通过废气进口22进入低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a，同时启动低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a的等离子体发生装置产生高化学活性粒子，被低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a预吸附的VOCs在等离子体和吸附催化剂23的协同作用下转换为CO2和H2O，关闭进气阀3a和并联阀4，打开出气阀8a，使处理后的气体从废气出口26经出气阀8a，最后从出气路7排出。
如低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a处理后，出气路检测到未完全分解的VOCs，本装置还可以进行二次处理，具体方法为：VOCs经低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a处理后，关闭出气阀8a，打开串联阀5、并联阀4、进气阀3b，使低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a和2b联通，低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a内未完全分解的VOCs、残余的高化学活性粒子和/或O3通过废气进口22入低温等离子体协同吸附催化一体化模块2b中进行吸附，关闭并联阀4、串联阀5，通过进气路6通入空气，启动低温等离子体协同吸附催化一体化模块2b的等离子体发生装置产生高化学活性粒子，等离子体与吸附催化剂23的协同作用对低温等离子体协同吸附催化一体化模块2b吸附的气体进行二次处理，打开出气阀8b，二次处理后的气体通过出气路7排出。
如所需处理的VOCs气体流量较小，则可使两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b间歇运行，从而有效降低低温等离子体发生装置连续工作能耗高的问题。具体方法为：关闭进气阀3a、3b、出气阀8a、8b、串联阀5和并联阀4，使两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a和2b处于不连通状态，将VOCs通过过滤除尘模块1进行除尘，打开进气阀3a，使除尘后的VOCs进入一个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a进行预吸附，吸附饱和后，打开并联阀4，通过进气路6通入空气，启动低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a的等离子体发生装置产生高化学活性粒子，对吸附的VOCs进行处理。此时，关闭进气阀3a，打开进气阀3b，使经过过滤除尘模块1除尘后的VOCs进入低温等离子体协同吸附催化一体化模块2b进行预吸附，吸附饱和后，启动低温等离子体协同吸附催化一体化模块2b的等离子体发生装置产生高化学活性粒子，对吸附的VOCs进行处理。通过两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块2a、2b交替进行吸附和处理，提高处理效率，降低能耗。

Claims (10)

1.VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，包括低温等离子体协同吸附催化一体化模块、分别与所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块连接的过滤除尘模块和进气路。
2.根据权利要求1所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块包括腔体、位于所述腔体内的低温等离子体发生装置和位于所述低温等离子体发生装置内的吸附催化剂。
3.根据权利要求2所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述低温等离子体发生装置为等离子体管，包括管体、位于所述管体内部的高压电极和缠绕在所述管体外壁的低压电极。
4.根据权利要求3所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述吸附催化剂填充在所述管体内。
5.根据权利要求4所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置还包括微循环模块，所述微循环模块包括位于所述过滤除尘模块与所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块之间的进气阀、位于相邻两个低温等离子体协同吸附催化一体化模块之间的串联阀、位于所述过滤除尘模块与进气路之间的并联阀和与所述低温等离子体协同吸附催化一体化模块相连的出气阀，所述并联阀和所述串联阀通过管道连接。
6.根据权利要求5所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述管体上设有废气进口和废气出口，所述废气进口与所述进气阀连接，所述废气出口与所述出气阀连接。
7.根据权利要求4所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置，其特征在于，所述腔体可开闭。
8.使用权利要求1-7任一项所述的VOCs低温等离子体协同吸附催化一体化装置处理VOCs的方法，其特征在于，VOCs经过所述过滤除尘模块后进入第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块进行预吸附，吸附饱和后，打开并联阀，通过进气路通入空气或氧气，同时启动所述第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块的等离子体发生装置产生高化学活性粒子，VOCs在等离子体和吸附催化剂的协同作用下转换为CO2和H2O。
9.根据权利要求8所述的处理VOCs的方法，其特征在于，打开串联阀，未处理完全的VOCs、残余的高化学活性粒子和/或O3经所述第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块的废气出口通过微循环模块进入第二低温等离子体协同吸附催化一体化模块中进行二次处理。
10.根据权利要求8所述的处理VOCs的方法，其特征在于，所述第一低温等离子体协同吸附催化一体化模块处理VOCs过程中，第二低温等离子体协同吸附催化一体化模块同时进行预吸附。
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