CN113967538A - 一种有机烟雾多污染物深度净化装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机烟雾多污染物深度净化装置及应用，特别适用于传统艾灸产生的烟雾的净化，属于烟气多污染物一体净化装置与技术领域，该装置主要是利用集气罩和离心泵将艾灸过程产生的过量烟雾进行收集，通过由无机滤网初滤+静电除油+低温催化+改性活性炭吸附组合工艺组成的一体化净化装置，使烟雾中粗颗粒物、焦油、VOCs和细颗粒物等烟气污染物依次得到深度净化，重点以实现艾灸过程无异味儿且不污染室内空气质量为目标，本发明所用的组合工艺按各种污染物不同性质将其在不同的处理单元进行净化，既可以提高污染物的净化效率，又可以降低处理系统堵塞风险从而提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于烟气多污染物净化技术领域，尤其涉及一种有机烟雾多污染物深度净化装置及其应用。
背景技术
艾灸是中医针灸学中重要的治疗方法之一，在中医疗法中有着非常重要的地位。艾灸过程中产生一定的烟雾，艾烟气体和成份复杂，普遍认为艾烟中含有多种挥发性成分，如氨水、乙醇、乙二醇、环己烯、甲基呋喃、丙酸和醋酸、水芹烯、侧柏醇、毕澄茄烯等，这些成分混合在一起形成艾烟的气味，同时艾烟中含有大量的苯酚、苯甲酸、2,4-二甲基苯酚、焦油和PM10等污染物，可大致分为三类：颗粒物、焦油、VOCs。因此，通过对艾灸过程产生的艾烟雾的收集和颗粒物、焦油、VOCs三类污染物协同净化，是现代艾灸推广应用过程中的重要环节。
对于室内空气PM10的净化，通常采用纤维过滤网去除。细纤维膜能够去除更细小的颗粒物，但对浓度较高的大颗粒烟气，会很快被堵塞，需要及时清理或更换，造成耗材成本高；由于艾灸烟气中存在不同粒径的颗粒物，而且含有的油类物质在低温下能够堵塞膜孔，使过滤网失去作用。因此，在艾灸烟气净化中，应将初过滤放在烟雾温度较高的阶段，且过滤网材料孔径不易过小。针对烟气中焦油的处理，采用催化分解和电捕技术。经过分析，艾灸烟雾更适宜于采用电捕技术净化焦油，其原理是高压电极输出的负高压释放负电荷，当含焦油烟气通过电场时，由于碰撞和离子的扩散使焦油荷电，然后在电场力的作用下，向沉淀极运动，最后附在沉淀极上，并沿沉淀极壁流至底部，除油效率能达到95%以上。对烟雾中VOCs的净化，常用的方法有臭氧氧化、等离子体、溶液吸收法、燃烧法、UV光催化法、催化法、吸附法等。艾灸烟雾VOCs中含有多种带有气味的多环芳烃有机物，宜采用催化或光催化+吸附过滤的组合工艺进行去除，因此，开发合适的催化材料、选择性能更好的活性炭吸附剂是关键所在。
据调查，目前市场上有十几种艾灸烟雾净化器，但总体上都是采用多层过滤，比如公开号为CN111359375A、CN105999970B、CN105709553B、CN103406325B的专利均是设置了水雾过滤、活性炭吸附等，最典型的是采用过滤棉+活性炭工艺，虽然能够去除大部分的颗粒物和焦油，但经常因为堵塞造成设备故障；对于含有异味儿的VOCs净化效果不佳，因此排放的烟气中仍能闻到气味。本发明在分析艾灸烟雾污染成分的基础上，设计无机滤网初滤+静电除油+低温催化+活性炭吸附组合工艺，可去除艾灸烟雾中多种污染物，达到净化室内环境的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机烟雾多污染物深度净化装置及其应用，主要是针对艾灸烟雾污染室内环境空气，现有净化装置只简单过滤烟尘而不能去除多种有机污染物，尤其是异味儿大等问题，利用无机滤网初滤+静电除油+低温催化+活性炭吸附，依次解决粗颗粒物、焦油、VOCs和细颗粒物等烟气污染物，重点以实现艾灸烟雾深度净化为目标。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种有机烟雾多污染物深度净化装置，包括箱体，所述箱体内部设有一块竖直的隔板，所述隔板将腔体分割为左腔体和右腔体，所述隔板顶部与箱体内部固定连接，隔板向下延伸至箱体底板上方且与底板表面留有一间隙，左腔体和右腔体通过该间隙相互联通，左腔体顶部设有一个气体进口，右腔体顶部设有一个气体出口，左腔体内部气体进口下部设有一个与左腔体截面相互匹配的无机滤网，所述无机滤网下方设有的腔体为静电除雾室，静电除雾室底部通过间隙出口将气体送入右腔体底部的热催化燃烧反应器中，所述热催化燃烧反应器出口将气体送入其顶部的活性炭吸附器内进行吸附，活性炭吸附器出口与离心风机进口联通，离心风机出口将洁净气体通过出口送出箱体外部。
进一步的，所述无机滤网孔径为2.5-10 μm，所述的无机滤网材质可以是不锈钢、陶瓷、玻璃纤维等。
进一步的，所述静电除雾室内腔体设有多个竖直的芒刺状金属电极，静电除雾室内腔体壁面和内部设有多个金属集尘板，多个芒刺状金属电极和金属集尘板沿着腔体顶部和底部竖直设置呈折流式多腔室结构，金属集尘板接电机正极，芒刺状金属电极接电极负极，集尘板间距为50-100 mm，芒刺状金属电极间距10-30 mm，电源为高压直流电源，输出电压在220-1000V可调。
进一步的，所述热催化燃烧反应器包括电加热器和位于其内部的催化剂，所述电加热器采用电加热与温控的方式温度在150-250 ℃，催化剂为CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石中的一种，所述催化剂为改性层状沸石催化剂，成品催化剂的外观为蜂窝状或波纹板状，所述催化剂中CoOx或MoO2含量为2-10%，FeOCl含量为5-15%，MCM-22沸石或ITQ-2沸石含量为75-93%。
进一步的，所述活性炭吸附器采用固定床反应器形式，活性炭需用5%高锰酸钾溶液浸泡处理，粒径为1-3mm。
进一步的，所述箱体的气体入口处还设有一个喇叭状的集气罩，便于对烟气进行收集。
进一步的，所述改性层状沸石催化剂的制备方法如下：首先，将MCM-22或ITQ-2沸石用0.04 M硝酸钠溶液冲洗，然后将冲洗以后的沸石在333 K下干燥12h，将沸石以固液质量比为1：150的比例浸入硝酸钴的水溶液中，硝酸钴的浓度为10 g/L，并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 M NH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，反应完成后，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8 h，然后将样品在823 K马弗炉中煅烧6 h，即合成了CoOx/MCM-22、CoOx/ITQ-2沸石；然后将固液质量比为1：100的CoOx/MCM-22或CoOx/ITQ-2沸石浸入FeCl3·6H2O溶液，FeCl3·6H2O溶液浓度为10g/L,并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 MNH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8h，然后将样品在523 K马弗炉中煅烧6 h，从而获得CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石；将上述反应中的硝酸钴替换成硝酸钼，即可得到MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石。
一种有机烟雾多污染物深度净化装置的应用，该装置用于含有颗粒物、焦油、VOCs的烟雾净化中，尤其是艾灸烟雾的净化，VOCs的去除率达到95%以上。
工作原理：1）利用集气罩和离心风机将艾灸过程产生的过量烟雾进行收集，收集后带有一定气压的烟雾首先通过无机滤网，将PM10和小部分焦油等大颗粒物进行初过滤与捕集，当入口压力增加30%以上或烟气流速降低50%以上时，需将无机滤网拆下清洗，压力恢复或烟气流速正常后重复使用。2）初滤后的烟雾进入到静电除雾室去除PM2.5及大部分焦油等细颗粒物，焦油等黏性物质沉积在电极板上，净化一定时间后将电极板取出清洗，干燥后重复使用；3）烟雾经过静电除雾室除去焦油后，进入热催化燃烧反应器，热催化燃烧反应器的温度由电加热器控制在150-250℃，利用催化剂将VOCs分解为H2O和CO2，催化剂工作一定时间后导致VOCs去除效率下降，需要再生或者更换，4）经过催化燃烧反应器净化后的烟雾中仍含有少量的气态污染物和细颗粒物，继续通入进高锰酸钾浸泡过的活性炭吸附器进一步净化烟雾，能够确保烟雾中污染物达到室内空气质量标准，异味儿得到消除，5）在整个处理流程中各工艺单元内均保持负压，即将离心风机放置于活性炭吸附器出口处，烟气压力在500-5000Pa可调，能够有效防止收集的烟雾未经过净化而通过各工艺单元连接处泄露；各工艺单元均为独立可拆卸。
本发明具有的优点是：
1.由于常规艾灸烟雾处理装置设置2-3层过滤，为了提高净化效果将过滤孔径减小导致过滤层易堵塞，本发明所开发的无机滤网初滤+静电除油+低温催化+活性炭吸附组合工艺，按各种污染物不同性质将其在不同的处理单元进行净化，既可以提高污染物的净化效率，又可以降低处理系统堵塞风险从而提高使用寿命；
2.本发明所使用的热催化燃烧反应器，在所研发的催化剂的作用下能够分解95%以上的VOCs，尤其是含有明显异味儿的有机物，从而消除所排烟雾中的异味儿；采用热催化燃烧反应器不会产生臭氧、羟基自由基等强氧化性活性物质，相比通常使用的紫外光、等离子体装置更安全；
3.由于艾灸烟气中存在不同粒径的颗粒物，而且含有的油类物质在低温下能够堵塞膜孔，使过滤网失去作用，因此，在艾灸烟气净化中，应将初过滤放在烟雾温度较高的阶段，且过滤网材料孔径不易过小，针对烟气中焦油的处理，采用催化分解和电捕技术，经过分析，艾灸烟雾更适宜于采用电捕技术净化焦油，其原理是高压电极输出的负高压释放负电荷，当含焦油烟气通过电场时，由于碰撞和离子的扩散使焦油荷电，然后在电场力的作用下，向沉淀极运动，最后附在沉淀极上，并沿沉淀极壁流至底部，除油效率能达到95%以上，对烟雾中VOCs的净化，常用的方法有臭氧氧化、等离子体、溶液吸收法、燃烧法、UV光催化法、催化法、吸附法等，艾灸烟雾VOCs中含有多种带有气味的多环芳烃有机物，宜采用催化或光催化+吸附过滤的组合工艺进行去除。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2为本发明开发的沸石催化剂的微观形貌图。
具体实施方式
如图所示，一种有机烟雾多污染物深度净化装置，包括箱体，所述箱体内部设有一块竖直的隔板，所述隔板将腔体分割为左腔体和右腔体，所述隔板顶部与箱体内部固定连接，隔板向下延伸至箱体底板上方且与底板表面留有一间隙即热催化燃烧反应器入口10，左腔体和右腔体通过该间隙相互联通，左腔体顶部设有一个气体进口1，右腔体顶部设有一个气体出口6，左腔体内部气体进口下部设有一个与左腔体截面相互匹配的无机滤网2，所述无机滤网2孔径为2.5-10 μm，所述的无机滤网材质可以是不锈钢、陶瓷、玻璃纤维等，所述无机滤网2下方设有的腔体为静电除雾室3，静电除雾室3顶部设有静电除雾室入口7，所述静电除雾室3内腔体设有多个竖直的芒刺状金属电极8，静电除雾室内腔体壁面和内部设有多个金属集尘板9，多个芒刺状金属电极8和金属集尘板9沿着腔体顶部和底部竖直设置呈折流式多腔室结构，金属集尘板9接电机正极，芒刺状金属电极接电极负极，集尘板间距为50-100 mm，芒刺状金属电极间距10-30 mm，电源为高压直流电源，输出电压在220-1000V可调；静电除雾室3底部通过间隙出口将气体送入右腔体底部的热催化燃烧反应器4中，所述热催化燃烧反应器4包括电加热器和位于其内部的催化剂，所述电加热器采用电加热与温控的方式温度在150-250 ℃，催化剂为CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石中的一种，所述催化剂为改性层状沸石催化剂，成品催化剂的外观为蜂窝状或波纹板状，所述催化剂中CoOx或MoO2含量为2-10%，FeOCl含量为5-15%，MCM-22沸石或ITQ-2沸石含量为75-93%；所述热催化燃烧反应器出口11将气体送入其顶部的活性炭吸附器5内进行吸附，所述活性炭吸附器采用固定床反应器形式，活性炭需用5%高锰酸钾溶液浸泡处理，粒径为1-3mm，活性炭吸附器出口12与离心风机13进口联通，离心风机出口将洁净气体通过出口6送出箱体外部；所述箱体的气体入口1处还设有一个喇叭状的集气罩，便于对烟气进行收集。
进一步的，所述改性层状沸石催化剂的制备方法如下：首先，将MCM-22或ITQ-2沸石用0.04 M硝酸钠溶液冲洗，然后将冲洗以后的沸石在333 K下干燥12h，将沸石以固液质量比为1：150的比例浸入硝酸钴的水溶液中，硝酸钴溶液浓度为10 g/L，并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 M NH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，反应完成后，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8 h，然后将样品在823 K马弗炉中煅烧6 h，即合成了CoOx/MCM-22、CoOx/ITQ-2沸石；然后将固液质量比为1：100的CoOx/MCM-22或CoOx/ITQ-2沸石浸入FeCl3·6H2O溶液，FeCl3·6H2O溶液浓度为10g/L,，并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 MNH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8h，然后将样品在523 K马弗炉中煅烧6 h，从而获得CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石；将上述反应中的硝酸钴替换成硝酸钼，即可得到MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石。
一种有机烟雾多污染物深度净化装置的应用，该装置用于含有颗粒物、焦油、VOCs的烟雾净化中，尤其是艾灸烟雾的净化，VOCs的去除率达到95%以上。
实验例1
某艾灸馆产生艾灸烟雾，由集气罩收集后，经测试烟雾中PM10浓度26mg/m3，PM2.5浓度15mg/m3，焦油含量32mg/m3，TVOCs浓度114mg/m3，
烟雾初始温度为90℃，采用本发明中组合工艺按如下步骤对烟气进行净化：（1）烟气流量2.0m3/min，垂直通过孔径为5μm的陶瓷膜滤网，膜前压力1500Pa；（2）烟雾经过滤网过滤后进入到静电除雾室，静电除雾室设置3个腔室，腔室间距60mm，每个腔室内有4根垂直固定的金属电极线，电源输出电压220V，电极线通过放电使烟雾中焦油及细颗粒物带负电荷，继而在电场力的作用下沉积在带正电荷的集尘板上从烟雾中分离；（3）烟气从静电除雾室出口进入热催化燃烧反应器，反应器中装入2%CoOx-5%FeOCl/MCM-22沸石催化剂，电加热器将反应器温度保持在200℃，烟气中TVOCs在催化剂的作用下分解为CO2和H2O随烟气排出；（4）经过催化燃烧反应器后的烟气继续通入活性炭吸附器进一步吸附去除污染物，确保烟气中异味儿得到消除，污染物达到室内空气质量标准。
通过对本处理系统前后烟气中污染物的对比测试，发现处理后的尾气中PM10浓度0.8mg/m3，PM2.5浓度0.6mg/m3，焦油含量1.4mg/m3，TVOCs浓度1.6mg/m3，去除率分别达到96.9%、96%、95.6%、98.6%。
实施例2
某餐馆产生餐厨油烟，由集气罩收集后，经测试烟雾中PM10浓度53mg/m3，PM2.5浓度35mg/m3，油雾含量147mg/m3，VOCs浓度98mg/m3，烟雾初始温度为75℃，采用本发明中组合工艺按如下步骤对烟气进行净化：（1）烟气流量4.5m3/min，垂直通过孔径为3.5μm的不锈钢滤网，不锈钢滤网前压力1800Pa；（2）烟雾经过滤网过滤后进入到静电除雾室，静电除雾室设置5个腔室，腔室间距40mm，每个腔室内有5根垂直固定的芒刺状金属电极线，电源输出电压220V，电极线通过放电使烟雾中油及细颗粒物带负电荷，继而在电场力的作用下沉积在带正电荷的集尘板上从烟雾中分离；（3）烟气从静电除雾室出口进入热催化燃烧反应器，反应器中装入5%MoO2-10%FeOCl/ITQ-2沸石催化剂，电加热器将反应器温度保持在250℃，烟气中VOCs在催化剂的作用下分解为CO2和H2O随烟气排出；（4）经过催化燃烧反应器后的烟气继续通入活性炭吸附器进一步吸附去除污染物，确保烟气中异味儿得到消除，污染物达到空气质量标准。
通过对本处理系统前后烟气中污染物的对比测试，发现处理后的尾气中PM10浓度1.3mg/m3，PM2.5浓度0.9mg/m3，油含量2.4mg/m3，TVOCs浓度0.9mg/m3，去除率分别达到97.5%、97.4%、98.4%、99.1%。
Claims (8)
1.一种有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：包括箱体，所述箱体内部设有一块竖直的隔板，所述隔板将腔体分割为左腔体和右腔体，所述隔板顶部与箱体内部固定连接，隔板向下延伸至箱体底板上方且与底板表面留有一间隙，左腔体和右腔体通过该间隙相互联通，左腔体顶部设有一个气体进口，右腔体顶部设有一个气体出口，左腔体内部气体进口下部设有一个与左腔体截面相互匹配的无机滤网，所述无机滤网下方设有的腔体为静电除雾室，静电除雾室底部通过间隙出口将气体送入右腔体底部的热催化燃烧反应器中，所述热催化燃烧反应器出口将气体送入其顶部的活性炭吸附器内进行吸附，活性炭吸附器出口与离心风机进口联通，离心风机出口将洁净气体通过出口送出箱体外部。
2.如权利要求1所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述无机滤网孔径为2.5-10 μm。
3.如权利要求2所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述静电除雾室内腔体设有多个竖直的芒刺状金属电极，静电除雾室内腔体壁面和内部设有多个金属集尘板，多个芒刺状金属电极和金属集尘板沿着腔体顶部和底部竖直设置呈折流式多腔室结构，金属集尘板接电机正极，芒刺状金属电极接电极负极，集尘板间距为50-100 mm，芒刺状金属电极间距10-30 mm。
4.如权利要求3所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述热催化燃烧反应器包括电加热器和位于其内部的催化剂，所述电加热器温度在150-250 ℃，催化剂为CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石中的一种，所述催化剂为改性层状沸石催化剂，成品催化剂的外观为蜂窝状或波纹板状，所述催化剂中CoOx或MoO2含量为2-10%，FeOCl含量为5-15%，MCM-22沸石或ITQ-2沸石含量为75-93%。
5.如权利要求4所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述活性炭吸附器采用固定床反应器形式，活性炭需用5%高锰酸钾溶液浸泡，粒径为1-3mm。
6.如权利要求5所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述箱体的气体入口处还设有一个喇叭状的集气罩。
7.如权利要求6所述的有机烟雾多污染物深度净化装置，其特征在于：所述改性层状沸石催化剂的制备方法如下：首先，将MCM-22或ITQ-2沸石用0.04 M硝酸钠溶液冲洗，然后将冲洗以后的沸石在333 K下干燥12h，将沸石以固液质量比为1：150的比例浸入硝酸钴的水溶液中，硝酸钴的浓度为10 g/L并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 M NH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，反应完成后，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8 h，然后将样品在823 K马弗炉中煅烧6 h，即合成了CoOx/MCM-22、CoOx/ITQ-2沸石；然后将固液质量比为1：100的CoOx/MCM-22或CoOx/ITQ-2沸石浸入FeCl3·6H2O溶液，FeCl3·6H2O溶液浓度为10g/L,并在室温下连续搅拌24h；再用0.1 M NH4OH溶液将混合物的pH值调节至10，用去离子水洗涤过滤样品，在333 K的烘箱中干燥8 h，然后将样品在523 K马弗炉中煅烧6 h，从而获得CoOx-FeOCl/MCM-22沸石、CoOx-FeOCl/ITQ-2沸石；将上述反应中的硝酸钴替换成硝酸钼，即可得到MoO2-FeOCl/MCM-22沸石、MoO2-FeOCl/ITQ-2沸石。
8.如权利要求1-7任一所述的有机烟雾多污染物深度净化装置的应用，其特征在于：该装置用于含有颗粒物、焦油、VOCs的烟雾净化中，尤其是艾灸烟雾的净化，VOCs的去除率达到95%以上。
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