CN113792260A - 一种臭氧尾气回收循环利用系统及其使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种臭氧尾气回收循环利用系统及其使用方法和应用，所述系统包括依次连接的空分制氧装置、臭氧发生装置、臭氧反应装置和臭氧破坏装置，且所述臭氧破坏装置的出气通道连接所述空分制氧装置的进气通道；本公开提供的系统实现了臭氧尾气的原位再利用，提高了臭氧尾气中富含的氧气的利用率。同时本公开还提供了基于数学模型确定的该系统的使用方法，本公开提供的基于数学模型确定的使用方法实现了臭氧尾气‑氧气‑臭氧尾气的气体浓度平衡，为实现臭氧尾气循环再利用提供了具有普遍性的技术方案。
Description
技术领域
本公开涉及臭氧尾气回收利用技术领域，涉及一种臭氧尾气回收循环利用系统及其使用方法和应用，尤其涉及一种臭氧尾气回收循环利用系统和基于数学模型确定的该系统的使用方法和应用。
背景技术
工业应用的臭氧通常由大型臭氧发生器制备，若以氧气为气源，产生的臭氧含量约为10wt%，而其余90%为氧气；在使用时，由臭氧发生器产生的臭氧、氧气等混合气体在进入臭氧氧化装置后，产生的尾气经过臭氧破坏气候直接排放，造成了大量资源的浪费。目前针对臭氧尾气的研究多集中于尾气的分解，以防止臭氧造成二次污染。少数对于臭氧尾气的回收利用也基本上集中在臭氧尾气回用至生化段，作为生化曝气池的气源。
CN 210559612 U公开了一种回收臭氧尾气转变为氧气，用于生化池曝气的污水处理设备，但在维持生化池曝气池合适的DO范围时，富氧曝气相比于普通曝气，效果提升并不明显。CN 112161277 A公开了一种臭氧尾气回收利用于污泥焚烧的方法，将臭氧接触氧化后产生的尾气通入污泥焚烧系统，该方法具有特殊性，不具有在水厂推广的条件。
因此，需要研究一种具有普适性的，可以对臭氧尾气进行回收利用，降低废水臭氧氧化处理的运营成本的系统和方法。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种臭氧尾气回收循环利用系统及其使用方法和应用。
第一方面，本公开提供了一种臭氧尾气回收循环利用系统，所述系统包括依次连接的空分制氧装置、臭氧发生装置、臭氧反应装置和臭氧破坏装置，且所述臭氧破坏装置的出气通道连接所述空分制氧装置的进气通道。
本公开提供的臭氧尾气回收循环利用系统可以使臭氧尾气作为空分制氧装置的原料气，制氧后产生的富氧气体又经臭氧发生装置产生臭氧，供臭氧的氧化反应，即本公开提供的系统实现了臭氧尾气的原位再利用，提高了臭氧尾气中富含的氧气的利用率，有效节约臭氧氧化处理的成本，同时节约了臭氧发生所用的氧气购买、制备成本；同时本公开提供的系统具有普适性。
作为本公开的一种优选技术方案，所述系统还包括风机，所述风机的出风口通过第一送风通道与所述空分制氧装置的进气口相连，所述臭氧破坏装置的出气通道连接于所述第一送风通道。
所述风机用于首次开机提供原料气以及后续循环过程提供补充空气。所述风机可以使臭氧尾气与一定量的空气补充混合，混合气作为空分制氧装置的原料气进行后续的应用。
作为本公开的一种优选技术方案，所述空分制氧装置包括变压吸附制氧设备，所述变压吸附制氧设备采用的吸附剂为分子筛，优选为5A沸石分子筛或13X分子筛。
作为本公开的一种优选技术方案，所述臭氧破坏装置为两级臭氧淬灭装置，即催化剂型臭氧淬灭装置和热分解型臭氧淬灭装置。
由于现有的空分制氧装置所使用的原料气均为空气，目前并没有使用臭氧尾气作为原料气的空分制氧装置，而使用以空气为原料气的空分制氧装置的PSA空分模型显然无法满足应用要求；因此，本公开提供了一种在利用所述臭氧尾气回收循环利用系统时的PSA空分模型以及臭氧尾气循环利用的计算方法。
第二方面，本公开提供了一种基于数学模型确定的第一方面所述的系统的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：
（1）空分制氧装置首次开机，通入空气作为原料气，产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（2）富氧气体进入臭氧发生装置制备臭氧；
（3）含有臭氧的气体在臭氧反应装置内发生反应，然后反应尾气经臭氧破坏装置破坏，产生臭氧尾气；
（4）臭氧尾气与补充空气混合，得到混合气，然后通入空分制氧装置继续产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（5）依次循环步骤（2）~（4）。
在本公开中，由于空分制氧装置、臭氧发生装置、臭氧反应装置和臭氧破坏装置依次连接，所以空分制氧装置的产气流量（生产氧气量）与所述臭氧发生装置的进气量相同，所述臭氧发生装置的产气量（臭氧产量）与所述臭氧反应装置的所需臭氧量（进气量）相同，而臭氧尾破气量由臭氧反应器的氧化情况和氧化所需要的臭氧量决定。
因此，对于本公开提供的使用方法的参数确定方法如下：
作为本公开的一种优选技术方案，所述臭氧发生装置的进气量由臭氧反应装置需要的臭氧量决定，所述臭氧发生装置的氧气利用率为10%。
所述空分制氧装置的产气流量等于所述臭氧发生装置的进气量。
作为本公开的一种优选技术方案，当所述空分制氧装置以空气作为原料气时：
所述空分制氧装置的空气需要量由式I所示的数学模型决定：
式I；
Qi为空分制氧装置的空气需要量, Nm3/h；Qp为空分制氧装置的产气流量, Nm3/h；a为分子筛产气/空气系数；m为预处理耗气系数；
所述空分制氧装置的空气需要量指的是当原料气为空气时，空分制氧装置的进气量。
所述分子筛需要量由式II所示的数学模型决定：
式II；
Fn为分子筛需要量, t；q为单位分子筛产气量, Nm3/(t·h)；
所述空分制氧装置单罐体积由式III所示的数学模型决定：
式III；
Vfi为空分制氧装置单罐体积, m3；2表示空分制氧装置包括A、B两个罐；D为分子筛堆密度, t/m3。
在目前常用的空分制氧装置中，一般分为A、B两个罐，其中，A、B罐的吸附和解析过程交替进行，循环往复；即A罐吸附时，B罐处于解析的状态，当B罐处于吸附状态时，A罐处于解析的状态。
作为本公开的一种优选技术方案，当所述空气制氧装置以臭氧尾气与补充空气混合得到混合气作为原料气时：
所述空分制氧装置的混合气需要量（以混合气为原料气的进气量）由所述混合气的氧气浓度和所述空分制氧装置的空气需要量（以空气为原料气的进气量）决定。
所述空分制氧装置的额定进气量（空气需要量）以空气为原料气（氧气浓度为21%），当所述空分制氧装置以混合气（臭氧尾气与补充空气混合）为原料气时，需要根据混合气中的氧气浓度和额定进气量进行换算，使得所述空分制氧装置的额定需氧量（额定进气量中的进氧量）与所述混合气的进氧量（进气量中的氧气量）相同。
同时，本公开提供的混合气中的氧气浓度由臭氧尾气和补充空气的混合比例决定，而臭氧尾气中的氧气浓度可以监测得到。
当空分制氧装置的原料气为混合气时，得到的产气流量可以称为有效氧气产量，有效氧气产量与臭氧发生装置的进气量相同。
当所述空气制氧装置的吹扫气量≤再生耗氧量时，所述空气制氧装置的吸附时间由式IV所示的数学模型决定：
式IV；
其中，Qpo为有效氧气产量, Nm3/h；Qi为空分制氧装置的空气需要量, Nm3/h；m为预处理耗气系数；COI2为混合气中氧气浓度百分数；T2为吸附时间, h；Qno为分子筛的再生耗氧量, Nm3；
由式IV所示的数学模型可知，若空分制氧装置的进气流量稳定，即空分制氧装置的空气需要量稳定，则有效氧气产量Qpo仅与混合气的氧气浓度和吸附时间有关系，当混合气中的氧气浓度和有限氧气产量确认后，则可以确定吸附时间T2。
需要注意的是，在实际计算中，例如混合气中的氧气浓度为57%，则带入的数值为0.57，而不是57。
在实际应用过程中，当所述空气制氧装置的吹扫气量＞再生耗氧量时，所述空气制氧装置的吸附时间由式V所示的数学模型决定：
式V；
其中，0＜n≤1，n值的计算方法为实际进气量/吹扫气量。
作为本公开的一种优选技术方案，所述混合气中的氧气浓度由臭氧尾气与补充空气的混合比例决定，，臭氧尾气中的氧气含量由臭氧反应器氧化情况和氧化所需要的臭氧量决定。
本公开提供的基于数学模型确定的使用方法实现了臭氧尾气-氧气-臭氧尾气的气体浓度平衡，为实现臭氧尾气循环再利用提供了具有普遍性的技术方案。
第三方面，本公开提供了一种第一方面所述的系统在废水氧化处理中的应用。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
（1）本公开提供的系统实现了臭氧尾气的原位再利用，提高了臭氧尾气中富含的氧气的利用率；
（2）本公开提供的基于数学模型确定的使用方法解决了利用空气为原料气的空分制氧装置实现臭氧尾气制氧无参考数学模型的问题；
（3）本公开提供的基于数学模型确定的使用方法实现了臭氧尾气-氧气-臭氧尾气的气体浓度平衡，为实现臭氧尾气循环再利用提供了具有普遍性的技术方案；
（4）利用本公开提供的系统进行废水氧化处理时，有效节约臭氧氧化处理的成本，提高了处理效率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的臭氧尾气回收循环利用系统的结构示意图；
其中，1-风机；2-空分制氧装置；3-臭氧发生装置；4-臭氧反应装置；5-臭氧破坏装置。
图2为式IV和式V所示的数学模型的三维模拟图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种臭氧尾气回收循环利用系统。
如图1所示，本实施例的臭氧尾气回收循环利用系统包括依次连接的风机1、空分制氧装置2、臭氧发生装置3、臭氧反应装置4和臭氧破坏装置5；
其中，所述风机1的出风口通过第一送风通道与所述空分制氧装置2的进气口相连，所述臭氧破坏装置5的出气通道连接于所述第一送风通道。
其中，所述风机为多级风机；所述空分制氧装置采用变压吸附制氧设备，吸附剂采用5A沸石分子筛或13X分子筛；所述臭氧破坏装置采用两级臭氧淬灭装置，即催化剂型臭氧淬灭装置和热分解型臭氧淬灭装置。
当应用臭氧尾气回收循环利用系统时，原料气通过风机的出风口进入空分制氧装置的进气口，空分制氧装置产生氧气浓度在90%以上的富氧气体，富氧气体进入臭氧发生装置产生臭氧，含有臭氧的气体进入臭氧反应装置，进行氧化反应，例如处理污废水，然后未反应的气体通过臭氧破坏装置得到臭氧尾气，臭氧尾气通过臭氧破坏装置的出气通道和与出气通道相连的送风通道，在送风通道可以与补充空气混合，混合气进入空分制氧装置实现臭氧尾气的循环利用。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1提供的臭氧尾气回收循环利用系统的使用方法。
（1）空分制氧装置首次开机，通入空气作为原料气，产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（2）富氧气体进入臭氧发生装置制备臭氧；
（3）含有臭氧的气体在臭氧反应装置内发生反应，然后反应尾气经臭氧破坏装置破坏，产生臭氧尾气；
（4）臭氧尾气与补充空气混合，然后通入空分制氧装置继续产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（5）依次循环步骤（2）~（4）。
实施例3
本实施例提供了实施例2的使用方法中涉及的数学模型。
空分制氧装置所涉及的数学模型如下：
i. 空气需要量Qi, Nm3/h：
Qp为空分制氧装置的产气流量, Nm3/h；a为分子筛产气/空气系数；m为预处理耗气系数；
ii.分子筛需要量Fn, t：
q为单位分子筛产气量, Nm3/(t·h)；
iii.分子筛堆体积Vf, m3：
D为分子筛堆密度, t/m3；
iv.空分制氧装置单罐体积Vfi, m3：
v. 氮气保护吸附量Qni, Nm3：
CNO为空分产气氮气浓度百分数；CNI1为空气中氮气浓度百分数；T1为原料气为空气时的吸附时间, h；
且：
Fx为单位分子筛氮气饱和吸附量, Nm3/(t·min)；在计算时，需要将T1换算为min；
vi.再生耗氧量Qno, Nm3：
Fz为单位分子筛再生氧耗量, Nm3/(t·min)；在计算时，需要将T1换算为min；
当空分制氧装置原料气为臭氧尾气和补充空气混合得到的混合气时：
vii.混合气进气氧气流量Qio, Nm3/h：
COI2为混合气中氧气浓度百分数；
viii.混合气进气氮气吸附流量Qn, Nm3/h：
CNI2为混合气中氮气浓度百分数；Qpo为有效氧气产量, Nm3/h；COO为产气中的氧气浓度百分数；CNO为产气中的氮气浓度百分数；
ix.原料气为混合气的吸附时间T2：
x. 有效氧气产量Qpo, Nm3/h：
在实际应用过程中，空气制氧装置的吹扫气量较大时（吹扫气量＞再生耗氧量Qno时），实际的进气量为n×Qi，因此，所述空气制氧装置的有效氧气产量Qpo, Nm3/h：
其中，0＜n≤1。
图2为式IV和式V所示模型的三维模拟图，若实际吹扫气量较大时。若直接利用式IV进行计算，由图可知，则会导致计算结果偏大。
式IV；
式V；
在上述数学模型中，对于一个已知的空分制氧模型，其中的a、m、q、D、CNO、T1、Fx、Fz、COO均为已知值，同时，CNI1为78%，带入0.78计算。
在实际应用过程中，若臭氧尾气和补充空气的质量比确定，则COI2、CNI2均可以确定。
在实际应用过程中，空分制氧装置的产气流量、空气制氧装置的有效氧气产量均由臭氧发生装置的进气量决定，而臭氧发生装置的进气量由臭氧反应装置需要的臭氧量决定。
实施例4
本实施例提供了在应用实施例1提供的臭氧尾气回收循环利用系统时，气体成分浓度变化表，见表1：
假设臭氧反应器内所需要的臭氧量为A*10 Nm3（37 kg），则臭氧发生器的进气量为A*100 Nm3，即首次开机原料空气量为A*1100 Nm3，按照臭氧尾气和补充空气混合后的氧气浓度为57%计，本公开的臭氧尾气回收循环利用系统正常工作时需补充空气量为A*95.2Nm3。
注：在本实施例中，“A”表示“一份”。
表1
实施例5
本实施例为一次具体实验，提供了利用实施例3的数学模型计算得到的具体参数值。
在本实施例中，空分制氧装置所涉及的性能参数见表2：
表2
对于空分制氧装置，以空气为原料气时，设定产气流量Qp=6 Nm3/h，吸附时间T1为60 s（或1 min、0.0167 h）。
当Qp=6 Nm3/h时，Qi=66 Nm3/h，即空分制氧装置的空气需要量为66 Nm3/h（进气量）。
当Qp=6 Nm3/h，分子筛需要量Fn=0.1 t(吨)；此时，分子筛堆体积Vf=0.154 m3，空分装置单罐体积Vfi=0.77 m3。
该分子筛空分装置氮气饱和吸附量Qni=0.812 Nm3，再生耗氧量Qno=0.12 Nm3。
若臭氧尾气与补充空气混合后，混合气中的氧气含量为57%，以混合气为原料气，其空分制氧过程计算如下：
以57%氧气组分的混合气空分制氧时，空分进气氧气流量Qio=35.74 Nm3/h。
理想假设下，Qp=Qpo=35.74 Nm3/h，此时Qn=0.41 Nm3/min=24.6 Nm3/h。
吸附时间T2=118.8s，有效氧气产量Qpo=32.15 Nm3/h。
在进行实际应用时，由于吹扫气与实际进气量并不相同，实际进气量为n×Qi，取n为0.72，因此，计算得到T2=95s，Qpo=21.1 Nm3/h。
若令混合气中氧气浓度分别为30%、40%、50%、57%带入上述数学模型中进行计算，同时与中试得到的有效制氧量进行比较，结果见表3：
表3
由表3可知，模型计算的制氧量与中试试验制氧量基本吻合，尤其是混合气中氧气含量为57%时，误差极小，因此该模型可用于工程设计中空分系统的参数计算。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种臭氧尾气回收循环利用系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的空分制氧装置、臭氧发生装置、臭氧反应装置和臭氧破坏装置，且所述臭氧破坏装置的出气通道连接所述空分制氧装置的进气通道。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括风机，所述风机的出风口通过第一送风通道与所述空分制氧装置的进气口相连，所述臭氧破坏装置的出气通道连接于所述第一送风通道。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空分制氧装置包括变压吸附制氧设备，所述变压吸附制氧设备采用的吸附剂为分子筛，优选为5A沸石分子筛或13X分子筛。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述臭氧破坏装置为两级臭氧淬灭装置。
5.一种基于数学模型确定的权利要求1-4中的任一项所述的系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：
（1）空分制氧装置首次开机，通入空气作为原料气，产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（2）富氧气体进入臭氧发生装置制备臭氧；
（3）含有臭氧的气体在臭氧反应装置内发生反应，然后反应尾气经臭氧破坏装置破坏，产生臭氧尾气；
（4）臭氧尾气与补充空气混合，得到混合气，然后通入空分制氧装置继续产生氧气浓度在90%以上的富氧气体；
（5）依次循环步骤（2）~（4）。
6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述臭氧发生装置的进气量由臭氧反应装置需要的臭氧量决定，所述臭氧发生装置的氧气利用率为10%；
所述空分制氧装置的产气流量等于所述臭氧发生装置的进气量。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，当所述空分制氧装置以空气作为原料气时：
所述空分制氧装置的空气需要量由式I所示的数学模型决定：
式I；
Qi为空分制氧装置的空气需要量, Nm3/h；Qp为空分制氧装置的产气流量, Nm3/h；a为分子筛产气/空气系数；m为预处理耗气系数；
所述分子筛需要量由式II所示的数学模型决定：
式II；
Fn为分子筛需要量, t；q为单位分子筛产气量, Nm3/(t·h)；
所述空分制氧装置单罐体积由式III所示的数学模型决定：
式III；
Vfi为空分制氧装置单罐体积, m3；2表示空分制氧装置包括A、B两个罐；D为分子筛堆密度, t/m3。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，当所述空气制氧装置以臭氧尾气与补充空气混合得到混合气作为原料气时：
所述空分制氧装置的混合气需要量由所述混合气的氧气浓度和所述空分制氧装置的空气需要量决定；
所述空分制氧装置的产气流量为有效氧气产量；
当所述空气制氧装置的吹扫气量≤再生耗氧量时，所述空气制氧装置的吸附时间由式IV所示的数学模型决定：
式IV；
其中，Qpo为有效氧气产量, Nm3/h；Qi为空分制氧装置的空气需要量, Nm3/h；m为预处理耗气系数；COI2为混合气中氧气浓度百分数；T2为吸附时间, h；Qno为分子筛的再生耗氧量,Nm3；
当所述空气制氧装置的吹扫气量＞再生耗氧量时，所述空气制氧装置的吸附时间由式V所示的数学模型决定：
式V；
其中，0＜n≤1。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述混合气中的氧气浓度由臭氧尾气与补充空气的混合比例决定。
10.权利要求1-4中的任一项所述的系统在废水氧化处理中的应用。
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