CN115523501A

CN115523501A - 一种节能催化燃烧废气净化装置

Info

Publication number: CN115523501A
Application number: CN202211209253.0A
Authority: CN
Inventors: 王芬; 王婵婵; 石建军; 杨秀淼; 赵雨涵
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2022-12-27

Abstract

本发明公开了一种节能催化燃烧废气净化装置，主要包括：废气抽入单元、筒体、换热单元、催化燃烧单元、压力保护单元。本发明的换热单元将废气换热管道与高温尾气换热管道设计为双螺旋结构并固定于换热油腔内，换热单元具有良好的储热和换热能力，辅助电加热器根据有机废气的预热温度灵活调整工作功率。催化燃烧单元设有第一催化燃烧床和第二催化燃烧床，将催化燃烧单元分为低活化能催化区和高活化能催化区，实现二次自供热。催化燃烧单元底部设有多孔式布风底盘可避免催化燃烧床的回火问题，第二催化燃烧室顶部与泄爆片、液封泄压水罐连通，避免催化燃烧单元超压爆炸问题。本发明具有节能高效、工作稳定、废气净化彻底的优点。

Description

一种节能催化燃烧废气净化装置

技术领域

本发明涉及废气净化技术领域，具体涉及一种节能催化燃烧废气净化装置。

背景技术

在石化、炼焦、涂装、印刷等行业的废气排放加剧了日益严峻的大气环境问题，当环境废气达到一定浓度时，人们会出现头痛、恶心、抽搐、昏迷等情况，长时间处于高浓度废气中将对人的肝脏、大脑和神经系统等造成严重损伤。中小型涂装、印刷等行业的废气主要成分是挥发性有机化合物，例如烷烃类、芳香烃类、酯类、醛类、酮类等，具有浓度低、组分复杂、起燃温度差异大的特点，目前主要的废气处理方式有：活性炭吸附技术、光催化氧化技术、直接燃烧技术、催化燃烧技术等。其中催化燃烧技术通过催化剂作用可降低有机废气的活化能，将起燃温度降低到200℃至400℃，节约能源消耗，并能显著减少热力型NO_x的生成，催化燃烧技术也因其节能、高效的优点而被广泛应用。

现有催化燃烧废气净化装置为了减少能耗，通常采用传统列管换热器、双蓄热体等方式对排放的高温尾气加以利用，在实际应用中存在换热稳定性不足、结构复杂、生产连续性不足等问题。另一方面，传统催化燃烧废气净化装置通常采用单组催化燃烧床，在处理多组分、活化能差异大的废气源时存在催化起燃所需温度高、二次污染排放等问题。中国专利CN201610741593.6《切换浓缩式蓄热催化燃烧有机废气处理系统》，设计了两组吸附模块装置，利用换向阀实现两个吸附模块蓄热、吸附的交替工作，较好的实现了尾气连续性蓄热回收，废气预热稳定性良好，而换向阀在切换工作模式时易引起管道脉冲振动及管道残留废气逃逸问题，也提高了设备成本及系统复杂性。中国专利CN200910105133.4《一种漆包机合理分配催化燃烧热能的方法和设备》利用外部热交换器较好的实现了余热的利用，而其他场景应用工况有机废气源存在成分、排放量和浓度等工况参数的波动，传统换热器的蓄热能力不足，其在波动工况下不能很好的将废气预热至催化燃烧温度，需辅助电加热器频繁介入，且二级催化室位于热交换器之后不利于高活化能组分的催化燃烧，存在二次污染物排放的风险。

发明内容：

本发明目的在于克服上述背景技术中提出的问题，提供一种节能催化燃烧废气净化装置。

本发明采用了如下技术方案：

一种节能催化燃烧废气净化装置，包括废气引入单元、筒体、换热单元、催化燃烧单元、压力保护单元。所述筒体内部设有第一腔体、第二腔体、第三腔体；所述第一腔体位于所述筒体的中心位置，第一腔体为圆柱体空腔结构；所述第一腔体外部为第二腔体，所述第二腔体为环形圆柱体空腔结构，所述第一腔体和第二腔体之间设有隔热层；所述第二腔体外部为第三腔体，所述第三腔体为环形圆柱体空腔结构，所述第二腔体与第三腔体之间为导热壁面，所述筒体外壁面有保温层。

所述催化燃烧单元位于所述筒体的第一腔体内，所述催化燃烧单元包含：布风底盘、辅助加热室、第一催化燃烧床、第一燃烧室、第二催化燃烧床、第二燃烧室；所述布风底盘包含布风底盘进风口、布风板、布风底盘出风口，所述布风底盘出风口并与第一腔体的底部连通；所述第一催化燃烧床位于第一腔体的中部，所述第二催化燃烧床位于第一腔体的上部；所述辅助加热室位于第一催化燃烧床与布风底盘之间，辅助加热室内设有辅助加热器及辅助加热室温度传感器，将有机废气加热至催化起燃温度；所述第一燃烧室位于第一催化燃烧床与第二催化燃烧床之间，第一燃烧室内设有第一燃烧室温度传感器及第一燃烧室压力传感器；所述第二燃烧室位于第二催化燃烧床上部，第二燃烧室内设有第二燃烧室温度传感器及第二燃烧室压力传感器；所述筒体顶部设有换热通道、压力保护通道、排空通道，第二燃烧室通过换热通道与换热单元连通，换热通道设有换热流量阀，第二燃烧室通过压力保护通道与压力保护单元连通。

所述换热单元包含废气换热管道、高温尾气换热管道、导热油腔、蓄热腔。所述导热油腔位于所述筒体的第三腔体，导热油腔内装有导热介质；所述蓄热腔位于所述筒体的第二环形腔体内，蓄热腔内装有块状或蜂窝状的蓄热体；所述废气换热管道和所述高温尾气换热管以双螺旋管道结构固定于导热油腔内部；所述废气换热管道上部设有废气换热管道进口，该废气换热管道进口与所述废气引入单元连通，所述废气换热管道下部设有废气换热管道出口，该废气换热管道出口与所述布风底盘进气口连通；所述高温尾气换热管道上部设有高温尾气换热管道进口，高温尾气换热管道进口与所述第二燃烧室的上部连通，所述高温尾气换热管道下部设有高温尾气换热管道出口，高温尾气换热管道出口与所述蓄热腔体的下部连通；所述蓄热腔体上部设有排空口，将低温尾气引出，所述筒体顶部的排空通道与排空口连通，排空通道设有排空流量阀；

所述防爆保护单元包含泄爆片、液封泄压管、液封泄压水罐，所述泄爆片与第二燃烧室通过压力保护通道连通；所述液封泄压管包含第一端、第二端，所述液封泄压管的第一端通过压力保护通道与第二燃烧室上部连通，所述液封泄压管的第二端位于液封泄压水罐液面之下。

所述废气引入单元包含：废气引入口、配空风机、多效过滤装置、引风机、废气组分浓度传感器、废气引出口、管道；所述多效过滤器的进口与废气引入口、配空风机连通；所述多效过滤装置出口与引风机连通；所述引风机与所述废气引出口通过管道连通，该管道上设有引入废气温度传感器、引入废气组分浓度传感器。

进一步地，所述第一催化燃烧床装填有第一催化剂，所述第一催化剂包括蜂窝状堇青石载体和负载于其上的第一活性组分组成；所述第一活性成分为过渡金属氧化物，优选Ce、Mn、Fe、Co基氧化物中的至少一种，负载量优选为0.05～30wt％。

进一步地，所述第二催化燃烧床装填有第二催化剂，所述第二催化剂包括蜂窝状氧化铝载体和负载于其上的第二活性组分组成；所述第二活性成分为贵金属单原子或金属氧化物，进一步的贵金属单原子或金属氧化物优选为Pd、Pt、Au基单原子或氧化物中的至少一种，负载量优选为0.03～5wt％。

进一步地，所述液封泄压管的第二端位于液封泄压水罐液面之下深度优选为20～80mm。

进一步地，所述导热腔体内的导热介质优选为耐高温苯基硅油。

进一步地，所述蓄热腔的蓄热体优选块状或蜂窝状的莫来石。

进一步地，所述多效过滤装置优选为挡板过滤器、袋式中效过滤器和玻璃纤维过滤器的组合。

与现有技术相比，本发明的有效益果如下：

1、本发明在将高温尾气换热管道、废气换热管道设计为双螺旋结构，并固定于导热油腔内，可对有机废气高效预热，正常运行过程中辅助电加热器不工作。利用蓄热体进一步回收低温尾气的余热，同时蓄热体和导热油具有良好的蓄热能力，因此本装置在余热利用效率及换热稳定性上优于传统换热器，具有节能高效、结构紧凑、缩减成本的优势。

2、本发明设有第一催化燃烧床和第二催化燃烧床，将催化燃烧单元分为低活化能催化区和高活化能催化区，低活化能废气组分在第一催化燃烧床完成氧化分解，其产生热量可将高活化能废气组分进一步加热至催化温度，提高有机废气在第二催化燃烧床的催化燃烧净化率，具有节能减排的益果。

3、本发明在废气引入单元对有机废气进行除尘、精确配空预处理，避免催化燃烧单元出现飞温、催化燃烧床堵塞等问题，设置了液封泄压、泄爆片双重压力保护措施，确保催化燃烧废气净化装置的安全稳定运行。

附图说明：

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中各标记为：100-废气引入单元；110-废气引入进口；120-配空风机；130-多效过滤器装置；131-挡板除尘器；132-滤袋除尘器；133-高效过滤器；140-引风机；150-管道；T₁-引入废气温度传感器；G₁-引入废气组分浓度传感器；160-废气引入出口；200-筒体；210-第一腔体；220-第二腔体；221-隔热夹层；230-第三腔体；300-换热单元；310-导热油腔；320-高温尾气换热管道；321-高温尾气换热管道进口；322-高温尾气换热管道出口；330-废气换热管道；331-废气换热管道进口；332-废气换热管道出口；340-蓄热腔体；341-蓄热腔体进口；342-蓄热体；343-排空口；T₆-排空尾气温度传感器；G₂-排空尾气组分浓度传感器；400-催化燃烧单元；410-布风底盘；411-布风底盘出风口；412-布风板；413-布风底盘进风口；T₂-辅助加热前温度传感器；420-辅助加热室；T₃-辅助加热后温度传感器；430-第一催化燃烧床；440-第一燃烧室；T₄-第一燃烧室温度传感器；P₁-第一燃烧室压力传感器；450-第二催化燃烧床；460-第二燃烧室；470-排空通道；471-排空阀门流量阀；480-换热通道；481-换热管道流量阀；T₅-第二燃烧室温度传感器；P₂-第二燃烧室压力传感器；500-压力保护单元；510-泄爆片；520-泄压管；521-泄压管进口；522-液封泄压管出口；530液封泄压水罐。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案及有益效果进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

某中小型喷涂车间，有机废气成分含量为：28.2％甲苯，26.4％异丁醇，14.8％二甲苯，正丁醇(4.6％),乙苯(7.4％)等，有机废气源的流量为1600m³/h，浓度为450～700mg/m³。

请参阅图1，为本发明一实施方式所述节能催化燃烧废气净化装置的结构示意图，包括废气引入单元100、筒体200、换热单元300、催化燃烧单元400、压力保护单元500。筒体200由内到外设有第一腔体230、第二腔体220、第三腔体210，第一腔体230为圆柱体空腔，第二腔体220为环形圆柱体空腔并包覆在第一腔体230外部，第二腔体220与第一腔体210之间设有隔热夹层221；第三腔体210为环形圆柱体空腔并包覆在第二腔体220的外部，筒体200的外表面包覆有隔热材料。废气换热管道330与高温尾气换热管320组成双螺旋结构并固定在导热油腔310内部，换热管道材质为304不锈钢，蓄热腔340位于所述筒体200的第二腔体220内，蓄热腔340通过圆柱导热面与导热油腔310隔离，蓄热腔340下部设有蓄热腔进气口322与高温尾气换热管道320下部所设的高温尾气换热管道出口322连通，将换热后低温尾气引入到蓄热腔340内，蓄热体342对尾气余热回收，蓄热腔340上部设有排空口343用于将低温尾气引出。催化燃烧单元400设置在筒体200的第一腔体230内，第一腔体230底部设有布风底盘410，预热后的有机废气自布风底盘进口413引入，经布风板412二次混合布风后，均匀的从布风底盘出口411引出到辅助加热室420。第一腔体230下部为辅助加热室420，辅助加热室420与布风底盘411连通，所设辅助电加热器H₁根据有机废气的预热温度调节工作功率，确保布风后的有机废气达到第一催化燃烧床430所需的起燃温度。第一催化燃烧床430下部与辅助加热室420连通，第一催化燃烧室440位于第一催化燃烧床430上部，第二催化燃烧床450下部通过第一催化燃烧室440与第一催化燃烧床430上部连通。第二催化燃烧室460位于与第二催化燃烧床450的上部，第一腔体230顶部设有换热管道480，用于将第二催化燃烧室460内净化后的高温尾气引到高温尾气换热管道320内。第一腔体230顶部设有排空通道470，在换热单元300超温或催化燃烧单元400超压时，可及时将高温尾气直接引到排空口343。

在废气引入单元100在引风机140之前设有在多效过滤装置130、配空风机120，引风机风量为2200m³/h，配空风机风量为500m³/h，均选用带变频器控制的离心风机。废气引入单元100将有机废气引入装置内部，进行精确配空、除尘预处理，可以有效的避免催化燃烧飞温及催化燃烧床灰尘堵塞问题。

筒体200集成了换热单元300、催化燃烧单元400等核心部件，筒体200为外部为直径2m、高度2.5m、壁厚3mm的壳体，利用碳钢板卷制焊接而成。第一腔体230内设有催化燃烧单元400，为直径1.1m、高度2.3m、厚度3mm的圆柱体空腔，材质为310S不锈钢。第二腔体220包覆在第一腔体230外部，为内径1.2m，外径1.5m、高度2.3m的环形圆柱体空腔，腔体材质为304不锈钢，第一腔体230和第二腔体220间设有隔热夹层221，隔离夹层221填充材料为硅酸铝玻璃纤维；第三腔体210包覆在第二腔体220外部，为内径1.5m，外径2m、高度2.3m的环形圆柱体空腔，腔体材质为304不锈钢；筒体200外部包覆有保温层，材质为硅酸铝玻璃纤维。将核心部件集成至筒体200，不仅结构紧凑，而且减少了管道数量及热量流失。

布风底盘出口411为阵列的若干通孔，可将有机废气均匀引到辅助加热室，同时可以防止催化燃烧床回火。

第一催化燃烧床430由蜂窝状堇青石载体和第一活性成分组成，第一活性组分为过渡金属氧化物，优选CeO₂、Fe₃O₄双金属氧化物双金属氧化物，总负载量优选为5wt％，第一催化燃烧床主要针对甲苯、二甲苯、烯烃等低活化能组分的有机废气催化燃烧，第一催化燃烧床430的催化起燃温度为210℃。第二催化燃烧床450由蜂窝状氧化铝载体和第二活性成分组成，第二活性组分为贵金属单原子，优选Pd基单原子，负载量优选为0.8wt％，第二催化燃烧床主要针对醇类、烷烃等高活化能组分的催化燃烧，第二催化燃烧床的催化起燃温度为320℃。催化燃烧单元400分为低活化能催化燃烧区和高活化能区，低活化能有机废气在第一催化燃烧床430及第一催化燃烧室440内氧化分解成小分子化合物，所产生的热量将有机废气高活化能组分提升至第二催化燃烧床所需的起燃温度，不仅具有节能的益果，也提高有机废气的催化燃烧净化率。

导热油腔310内装有液态耐高温导热硅油，作为高温尾气换热管320与废气换热管道330的导热介质。蓄热腔340内装有块状的蓄热体342，材质为莫来石。耐高温导热硅油与莫来石具有良好的储热能力，提高换热单元对有机废气预热的稳定性，可适应有机废气源存在浓度、组分的波动工况。

辅助电加热器H₁为8组600w加热电阻丝构成，根据辅助加热器前传感器T₂和辅助加热器前传感器T₃的温度值调节电阻丝的工作功率，主要用于开启前的预热，进入正常工作模式后，辅助电加热器H₁停止工作，仅靠换热单元即可将待处理有机废气预热至第一催化燃烧床催化起燃温度，实现系统自供热。

压力保护单元500通过第一腔体230顶部的通道与第二催化燃烧室460连通。泄爆片510规格DN400，材质304不锈钢，爆破压力0.01Mpa。液封泄压管522浸入泄压水管530下的液面深度为70mm，液封保护压力为700pa。

工作原理：

(1)预热阶段

打开配空风机120和引风机140将微量空气持续引入装置内，开启辅助电加热装置H1对第一催化燃烧床430、第二催化燃烧床450、高温尾气换热管道320、换热油腔310、蓄热腔体340等部件进行预热，当辅助电加热前温度传感器T₂温度大于120℃，第一催化燃烧室温度传感器T₄和第二催化燃烧室温度传感器T₅数值大于200℃，排空尾气温度传感器T₆数值大于80℃，完成催化燃烧单元和换热单元的预热流程。

(2)开机阶段

适当调大引风机140风量，缓慢调整空速至8000h^-1，引风机10负压作用下有机废气从废气引入进口110进入多效除尘装置130中完成除尘预处理；预处理后的有机废气通过管道150进入废气换热管道330；预热后的有机废气从布风底盘进口413引入，布风板412对有机废气进行二次混合布风，有机废气均匀的从布风底盘出口411进入催化燃烧床完成分级催化燃烧净化；净化后的高温尾气自第二催化燃烧室460引出到高温尾气换热管道320内，经导热硅油将余热传递给废气换热管道330内的有机废气，低温尾气引入到蓄热腔340，尾气余热经蓄热体342回收后由排空口343引出，排空口343后连通水冷塔。

(2)稳定阶段

稳定运行10分钟后，辅助电加热器停止工作，配空风机120基于引入废气组分浓度传感器G₁和排空尾气组分浓度传感器G₁的氧含量数值自动变频调控配空量。当辅助加热前温度传感器T₂、第二催化燃烧室温度传感器T₅超温时，关小换热管道流量阀481，调大排空流量阀471，将多余的高温尾气经排空口343直接引出。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种节能催化燃烧废气净化装置，包括废气引入单元、筒体、换热单元、催化燃烧单元、压力保护单元，其特征在于：

1)所述筒体内部设有第一腔体、第二腔体、第三腔体；所述第一腔体位于所述筒体的中心位置，第一腔体为圆柱体空腔结构；所述第一腔体外部为第二腔体，所述第二腔体为环形圆柱体空腔结构，所述第一腔体和第二腔体之间设有隔热夹层；所述第二腔体外部为第三腔体，所述第三腔体为环形圆柱体空腔结构，所述第二腔体与第三腔体之间为导热壁面，所述筒体外壁面包覆有保温层。

2)所述催化燃烧单元位于所述筒体的第一腔体内，所述催化燃烧单元包含：布风底盘、辅助加热室、第一催化燃烧床、第一燃烧室、第二催化燃烧床、第二燃烧室；所述布风底盘位于所述第一腔体内的底部，包含布风底盘进风口、布风板、布风底盘出风口，所述布风底盘进风口与所述换热单元连通，所述布风底盘出风口与辅助加热室连通；所述第一催化燃烧床位于第一腔体的中部，所述第二催化燃烧床位于第一腔体的上部；所述辅助加热室位于第一催化燃烧床与布风底盘之间，辅助加热室内设有辅助加热器及辅助加热室温度传感器，将有机废气加热至催化起燃温度；所述第一燃烧室位于第一催化燃烧床与第二催化燃烧床之间，第一燃烧室内设有第一燃烧室温度传感器及第一燃烧室压力传感器；所述第二燃烧室位于第二催化燃烧床上部，第二燃烧室内设有第二燃烧室温度传感器及第二燃烧室压力传感器；所述筒体顶部设有换热通道、压力保护通道、排空通道，第二燃烧室通过换热通道将高温尾气引出，所述换热管道上设有换热管道流量阀，第二燃烧室通过压力保护通道与压力保护单元连通。

3)所述换热单元包含废气换热管道、高温尾气换热管道、导热油腔、蓄热腔。所述导热油腔位于所述筒体的第三腔体内，导热油腔内装有导热介质；所述蓄热腔位于所述筒体的第二环形腔体内，蓄热腔内装有块状或蜂窝状的蓄热体；所述废气换热管道与所述高温尾气换热管为双螺旋管道结构并固定于导热油腔内部；所述废气换热管道上部设有废气换热管道进口，该废气换热管道进口与所述废气引入单元连通，所述废气换热管道下部设有废气换热管道出口，该废气换热管道出口与所述布风底盘进气口连通；所述高温尾气换热管道上部设有高温尾气换热管道进口，高温尾气换热管道进口通过所述换热通道与所述第二燃烧室的上部连通，所述高温尾气换热管道下部设有高温尾气换热管道出口，高温尾气换热管道出口与所述蓄热腔体的下部连通；所述蓄热腔体上部设有排空口，将低温尾气引出，所述筒体顶部的排空通道与排空口连通，排空通道上设有排空流量阀。

4)所述防爆保护单元包含泄爆片、液封泄压管、液封泄压水罐，所述泄爆片与第二燃烧室通过压力保护通道连通；所述液封泄压管包含第一端、第二端，所述液封泄压管的第一端通过压力保护通道与第二燃烧室上部连通，所述液封泄压管的第二端位于液封泄压水罐液面之下。

5)所述废气引入单元包含：废气引入口、配空风机、多效过滤装置、引风机、废气引出口、管道；所述多效过滤器的进口与废气引入口、配空风机连通，所述多效过滤装置出口与引风机连通，所述引风机与所述废气引出口通过管道连通，该管道上设有引入废气温度传感器、引入废气组分浓度传感器。

2.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于所述第一催化燃烧床装填有第一催化剂，所述第一催化剂包括蜂窝状堇青石载体和负载于其上的第一活性组分组成。

所述第一活性成分为过渡金属氧化物，优选Ce、Mn、Fe、Co基氧化物中的至少一种，负载量优选为0.05～30wt％。

3.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于所述第二催化燃烧床装填有第二催化剂，所述第二催化剂包括蜂窝状氧化铝载体和负载于其上的第二活性组分组成。

所述第二活性成分为贵金属单原子或贵金属氧化物，进一步的贵金属单原子或金属氧化物优选为Pd、Pt、Au基单原子或氧化物中的至少一种，负载量优选为0.03～5wt％。

4.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于液封泄压管的第二端位于液封泄压水罐液面之下的深度优选为20～80mm。

5.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于导热腔体内的导热介质优选为耐高温苯基硅油。

6.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于蓄热腔的蓄热体优选块状或蜂窝状的莫来石。

7.如权利要求1所述一种节能催化燃烧废气净化装置，其特征在于所述多效过滤装置优选为挡板过滤器、袋式中效过滤器和玻璃纤维过滤器的组合。