CN116899388B - 一种微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置和方法，该装置包括进气管、塔式反应器和微纳米臭氧气泡产生元件，进气管包括进气主管和进气支管，分别延伸至塔式反应器的喷淋反应区和鼓泡反应区内，鼓泡反应区内设有曝气组件，微纳米臭氧气泡通过第一、第二微纳米臭氧气泡产生元件进入塔式反应器中。本发明装置，可以增加微纳米臭氧气泡与VOCs的反应时间，能够快速、彻底的去除废气中的VOCs，具有结构简单、占地面积小、处理效率高、去除效果好等优点，是一种性能优异且可以被广泛使用的新型VOCs废气净化装置，使用价值高，应用前景好。
Description
技术领域
本发明属于VOCs降解领域，涉及一种VOCs的降解装置和方法，具体涉及一种微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置和方法。
背景技术
挥发性有机污染物（VOCs）的来源途径众多，主要来源是工业生产制造，特征污染物主要包括苯系物、酯类、酮类等有机物，它们进入到大气中会造成大气污染，严重影响人类生活以及危害居民健康。因此，有效去除大气中的VOCs是现阶段急需解决的技术问题。
末端处理是快速有效治理VOCs废气的方法，主要分为回收法与降解法，其中回收法是指利用物理方法对VOCs进行回收，包括吸附、吸收、冷凝和膜分离等技术；降解法是通过生物或者化学的方法将VOCs降解成二氧化碳和水，包括蓄热燃烧、催化燃烧、生物降解、等离子体和光催化等技术，其中蓄热燃烧和催化燃烧是将VOCs废气当作燃料，在极高温度下燃烧氧化，降解率可达95%以上，但是存在催化剂失活、不适合处理自聚化合物等问题，而且运行温度较高，存在极大安全隐患；生物降解技术是利用微生物的生命活动以及代谢过程将VOCs降解，但是只能针对特定组分的VOCs，而且菌种维护成本较高；等离子体技术和光催化技术通过光能或者电能产生具有高能量的分子、原子、电子、离子对VOCs进行降解，但是市场普遍反映存在反应不完全，存在二次污染、对设备要求较高、能耗大等问题，因此，采用单一技术处理VOCs，难以获得较好的去除效果。
目前，有研究人员提出了一种基于物理吸附、催化氧化和光催化联合的VOCs处理装置，在处理腔中先利用由上而下自由降落的水或饱和吸收液对VOCs废气进行吸收，然后利用臭氧水机中产生的臭氧微气泡对水或吸收液中VOCs废气进行第一次降解，进一步的，继续将吸收有VOCs废气的水或吸收液通入到空化器中对废水中的污染物进行二次降解，最后VOCs废气经除雾层吸收水分后继续通入到光催化器中，将尾气中剩余的VOCs废气彻底降解为二氧化碳和水。然而，上述的VOCs处理装置仍然存在以下不足：（a）直接将VOCs废气通入到吸收池或喷淋头下方的反应腔室内，水或吸收液对VOCs废气的吸收效果差，难以高效的将VOCs废气转移到液相中，且容易造成处理腔内的气体多次向下移动（返混），不利于提高处理效率；（b）臭氧发生器独立设置在吸收池外部，且吸收池中吸附有VOCs废气的水或吸收液通过吸收池的出口通入到臭氧发生器中与臭氧微纳米气泡混合，仅用于降解水中所含有机物，并未直接将臭氧微纳米气泡与VOCs反应，结果是反应效率低。同时将臭氧发生器设置在吸收池外部，也会增加处理系统的占地面积，造成使用成本高，且不方便；（c）催化氧化单元、空化器设置在处理腔外部，不仅没有合理利用处理腔内部的空间，而且容易导致处理系统的占地面积明显增加，使用成本高且不方便，同时，若降低催化氧化单元、空化器设置的体积则必然会导致它们对VOCs废气的降解消化变差；（d）VOCs废气侧向进入处理厢后与喷淋头中的吸收液直接接触，不仅容易容易造成返混，而且不利于提高吸收液对VOCs废气的吸收效果，结果是通入到处理腔中的VOCs废气大部分在未进行任何处理便已经从出口排出，不仅会增加后续光催化器的负荷，也容易造成废气难以达标排放；（e）与处理腔出气口连通的光催化器和活性炭箱，均设置在处理腔外部，也会增加整个处理系统的占地面积，而且会显著增加设备制造成本和使用、维护成本。因此，获得一种结构简单、占地面积小、处理效率高、去除效果好的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，对于有效净化大气中的挥发性有机污染物具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种结构简单、占地面积小、处理效率高、去除效果好的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，包括进气管、塔式反应器和微纳米臭氧气泡产生元件；
所述进气管包括进气主管和进气支管；所述塔式反应器中由下而上依次为鼓泡反应区、喷淋反应区和深度催化反应区；所述微纳米臭氧气泡产生元件包括第一微纳米臭氧气泡产生元件和第二微纳米臭氧气泡产生元件；
所述进气主管的出气端设置在喷淋反应区内，所述进气支管的出气端设置在鼓泡反应区内；
所述鼓泡反应区内还设有曝气组件，所述曝气组件与所述进气支管的出口端连通，通过曝气组件将进气支管中的废气通入到塔式反应器中；
所述第一微纳米臭氧气泡产生元件的出口端设置在鼓泡反应区内；所述第二微纳米臭氧气泡产生元件的出口端设置在深度催化反应区内。
作为上述技术方案的进一步改进：所述进气主管内设有气体均布组件，所述气体均布组件起到导流作用，使VOCs废气在所述塔式反应器内的流动方向由径向流动转为轴向流动动，且在所述塔式反应器的横截面内均匀分布，减少气体与塔壁冲击。
作为上述技术方案的进一步改进：所述气体均布组件为多层导流板；所述导流板的两侧与进气主管的内壁连接；所述导流板的层数为2层～5层。
作为上述技术方案的进一步改进：所述导流板形状为平板、圆弧板、折线板、平板与圆弧板的组合板中至少一种。
作为上述技术方案的进一步改进：所述进气主管上还连通有臭氧进口。
作为上述技术方案的进一步改进：所述进气支管上设有止逆阀。
作为上述技术方案的进一步改进：所述进气支管上沿着气流方向依次设有第一增压风机和止逆阀。
作为上述技术方案的进一步改进：所述鼓泡反应区的高度为0.2m～1.5m。
作为上述技术方案的进一步改进：所述曝气组件包括气体分布元件和曝气元件，所述气体分布元件和曝气元件连通，所述气体分布元件与进气支管的出口端连通，所述曝气元件上布设有若干个曝气孔或微孔曝气器，所述曝气孔孔径为0.1μm～100μm，通过曝气孔或微孔曝气器将进气支管中的废气以曝气的形式通入到塔式反应器中。具体的，所述气体分布元件为环流式气体分布器、直管式气体分布器、旋流式式气体分布器中的至少一种，但不仅限于此；所述曝气元件为环流式曝气元件、直管式曝气元件、旋流式曝气元件中的至少一种，但不仅限于此。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡产生元件还包括第一气液分布元件，所述第一气液分布元件设在所述鼓泡反应区内。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第一气液分布元件和第一微纳米臭氧气泡产生元件连通；所述第一气液分布元件通过管道与供能设备的出口连通，其中供能设备为泵、压缩机、换能器中的一种或者多种，但不仅限于此。本发明中，通过供能设备供能，并在第一微纳米臭氧气泡产生元件的作用下，生成微纳米臭氧气泡，进而通过第一微纳米臭氧气泡产生元件的出口通入到塔式反应器的所述鼓泡反应区内。具体的，所述第一气液分布元件为环流式气液分布器、直管式气液分布器、旋流式气液分布器中的至少一种，但不仅限于此。
作为上述技术方案的进一步改进：所述曝气组件设置在所述第一微纳米臭氧气泡产生元件的下方、上方或者同一平面上。
作为上述技术方案的进一步改进：所述曝气组件和所述第一微纳米臭氧气泡产生元件之间的纵向距离为0～1.0m，具体是指曝气元件与第一微纳米臭氧气泡产生元件的出口之间的距离。
作为上述技术方案的进一步改进：所述鼓泡反应区内还设有用于调控液体温度的控温组件；所述控温组件为换热器、冷水机组、电加热器中的至少一种。
作为上述技术方案的进一步改进：所述喷淋反应区内设有气液分布组件，位于所述进气主管出口端的上方；所述气液分布组件的数量至少为1个。
作为上述技术方案的进一步改进：所述气液分布组件为多孔面板；所述多孔面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°；所述多孔面板的外周与塔式反应器的内壁连接；所述多孔面板中设有气液流动通道（即多孔面板中的通孔）；所述多孔面板达到至少2层时，各层所述多孔面板平行设置，相邻两层所述圆柱面板之间的间隔距离为1mm～20mm；所述多孔面板达到至少2层时，所述气液流动通道的孔径由下至上逐渐减小；所述气液流动通道的孔径为1mm～20mm。
作为上述技术方案的进一步改进：所述气液分布组件为多缝隙面板；所述多缝隙面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°；所述多缝隙面板的外周与塔式反应器的内壁连接；所述多缝隙面板包括至少一层圆柱面板；所述圆柱面板为由多根圆柱平行搭接在一起且圆柱之间留有缝隙（即气液流动通道）的圆柱层；所述多缝隙面板包括至少两层圆柱面板时，各层所述圆柱面板平行设置，相邻两层圆柱面板间隔1mm～20mm；所述多缝隙面板包括至少两层圆柱面板时，上下两层所述圆柱面板中的圆柱交错分布；所述多缝隙面板包括至少两层圆柱面板时，各层圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度由下而上逐渐减小；所述圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度为1mm～20mm。
作为上述技术方案的进一步改进：所述深度催化反应区内设有催化组件，位于所述第二微纳米臭氧气泡产生元件的下方；所述催化组件与塔式反应器同轴；所述催化组件的外周与塔式反应器的内壁连接；所述催化组件的数量至少为一个。
作为上述技术方案的进一步改进：所述催化组件包括承载元件、填料、催化剂；所述承载元件为支架结构；所述承载元件上设有填料层；所述填料层中的填料为规整调料、散装填料中的一种或者多种；所述填料层上面设置有催化剂层；所述催化剂层包括用于降解VOCs的催化物，所述催化物负载在载体上；所述载体包括氧化铝、疏水型分子筛、硅氧化物或活性炭材料中的至少一种。
作为上述技术方案的进一步改进：所述催化组件包括承载元件、催化剂；所述承载元件为支架结构；所述承载元件上设置有催化剂层；所述催化剂层包括用于降解VOCs的催化物，所述催化物负载在载体上；所述载体包括氧化铝、疏水型分子筛、硅氧化物或活性炭材料中的至少一种。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡产生元件还包括第二气液分布元件，所述第二气液分布元件设在所述深度催化反应区内。
作为上述技术方案的进一步改进：所述第二气液分布元件和第二微纳米臭氧气泡产生元件连通，所述第二气液分布元件通过管道与供能设备的出口连通，其中供能设备为泵、压缩机、换能器中的一种或者多种，但不仅限于此。本发明中，通过供能设备供能，并在第二微纳米臭氧气泡产生元件的作用下，生成微纳米臭氧气泡，进而通过第二微纳米臭氧气泡产生元件的出口通入到塔式反应器的深度催化反应区内。具体的，所述第二气液分布元件为环流式气液分布器、直管式气液分布器、旋流式气液分布器中的至少一种，但不仅限于此。
作为上述技术方案的进一步改进：所述深度催化反应区内还设有除雾组件，位于所述第二微纳米臭氧气泡产生元件的上方。
作为上述技术方案的进一步改进：所述除雾组件为除雾器，但不仅限于此。
本发明中，利用供能设备和微纳米臭氧气泡产生元件制备微纳米臭氧气泡，包括以下方式，但不仅限于此：采用溶气-释气法制备微纳米臭氧气泡时，所述供能设备为泵，所述微纳米臭氧气泡产生元件为带有节流孔、针阀等降压释气结构的器件；采用微孔爆气法制备微纳米臭氧气泡时，所述供能设备为压缩机，所述微纳米臭氧气泡产生元件为微孔管、微孔板等多孔器件；采用引气-散气法制备微纳米臭氧气泡时，所述供能设备为泵，所述微纳米臭氧气泡产生元件为带有文丘里管、自吸射流、叶轮旋流、被动旋流等结构的器件；采用超声/声压法制备微纳米臭氧气泡时，所述供能设备为能将电压信号转变为频率、幅值可控的周期性机械振荡或压力波的各类换能器，所述微纳米臭氧气泡产生元件为声压辅助微孔通气、声压雾化等系统或结构的器件。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种微纳米臭氧气泡处理VOCs的方法，采用上述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理废气中的VOCs。
作为上述技术方案的进一步改进：采用微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置对废气中的VOCs进行处理时，包括以下步骤：
开启微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，在深度催化反应区和鼓泡反应区产生微纳米臭氧气泡，将含有挥发性有机污染物的废气分成两部分，通过进气主管和进气支管分别输送到塔式反应器的喷淋反应区和鼓泡反应区；
从所述进气主管中通入的废气由下而上经过喷淋反应区和深度催化反应区进行氧化降解处理和催化降解处理，去除废气中的VOCs；
从所述进气支管中通入的废气通过曝气组件进入到鼓泡反应区进行曝气处理，去除废气中的VOCs和鼓泡反应区中的未降解有机物，再依次进入到喷淋反应区和深度催化反应区，继续进行氧化降解处理和催化降解处理。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：将臭氧通过进气主管通入到塔式反应器中，使塔式反应器中臭氧的浓度为20ppm～14000ppm。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：控制所述进气主管中废气的进气压力≤0.7MPa。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：控制所述进气支管中废气的进气压力为0.2MPa～0.8MPa。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：控制通入所述进气主管和进气支管中废气的流量比为1∶ 1～40∶1。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：维持进入所述第二微纳米臭氧气泡产生元件中流体介质的压力为0.1MPa～2.0MPa；
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：维持进入到深度催化反应区和鼓泡反应区的微纳米臭氧气泡液的流量比为1∶2～25∶1。
作为上述技术方案的进一步改进：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置运行过程中，还包括：开启控温组件，控制鼓泡反应区中液体的温度为1℃～50℃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，采用的进气管包括进气主管和进气支管，因而可将VOCs分成两部分分别输送到塔式反应器的喷淋反应区和鼓泡反应区中，由此可以提高塔式反应器对VOCs的处理效率和去除效果，具体来说：通过进气管的分流，可先将一部分VOCs通入到喷淋反应区，在喷淋反应区中，可利用微纳米臭氧气泡的氧化降解作用，完成对VOCs的第一次氧化处理，进一步的，未被去除的VOCs进入到深度催化反应区，可利用微纳米臭氧气泡和催化剂的共同作用，完成对VOCs的第二次氧化处理，即通过分流，使得进入到喷淋反应区和深度催化反应区的VOCs气量相对减少，因而更有利于实现塔式反应器对VOCs的有效去除；另一部分VOCs气体通过进气支管和曝气组件以曝气的方式进入到鼓泡反应区，同时，设置在鼓泡反应区的第一微纳米臭氧气泡产生元件，能够向鼓泡反应区中提供微纳米臭氧气泡，因而在微纳米臭氧气泡的作用下，能够对进入到鼓泡反应区的VOCs废气进行一次氧化处理，而且利用曝气组件的曝气作用，也能产生微纳米废气气泡，它能够与微纳米臭氧气泡一起产生羟基自由基等，因而在微纳米废气气泡和微纳米臭氧气泡的共同作用下能够对鼓泡反应区液体中未降解有机物（包括VOCs）进行一次氧化处理，最后，少量未被去除的VOCs废气可继续进入到喷淋反应区和深度催化反应区，根据需要还可进行两次氧化处理，即通过进气支管进入到塔式反应器中的VOCs废气，可完成三次氧化处理。更为重要的是，与常规塔式反应器不同，本发明中通过在塔式反应器的底部设置鼓泡反应区，并在曝气组件和第一微纳米臭氧气泡产生元件的共同作用下，可完成一部分VOCs废气的有效去除，因而可以有效降低塔式反应器中喷淋反应区内和深度催化反应区的运行负荷，由此使得塔式反应器能够在体积更小的情况下完成对废气中VOCs的有效去除；与此同时，本发明中，通过将各反应区设置在塔式反应器内部，能够有效降低整个装置的占地面积，全生命周期成本更低。本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，可以增加微纳米臭氧气泡与VOCs的反应时间，能够高效去除废气中的VOCs，其中VOCs去除率可达90%以上，VOCs矿化率可达85%以上，具有结构紧凑、占地面积小、处理效率高、去除效果好等优点，是一种性能优异且可以被广泛使用的新型VOCs废气净化装置，使用价值高，应用前景好。
（2）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，在进气主管内设置气体均布组件，利用气体均布组件对气流方向的调节作用，使VOCs废气在塔式反应器内的流动方向由径向流动转为轴向流动，由此可以有效改善VOCs废气在反应器内部的分散性，使流体均匀分散至整个反应器的横截面，减少VOCs气体与反应器内壁的碰撞，减少或防止气体在反应器内部形成返混，进而能够提高VOCs气体传质效率，以及促进VOCs气体与微纳米臭氧气泡的充分接触，有利于实现对VOCs气体的高效净化。
（3）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，采用的曝气组件和第一微纳米臭氧气泡产生元件均具有流体分布功能，因而可以利用曝气组件的曝气作用和第一微纳米臭氧气泡产生元件的气泡产生功能，在鼓泡反应区形成强烈的湍流运动，增加气液接触面积，提高气液混合效率，更有利于在除去液体中残留的有机污染物同时降解部分VOCs。同时，通过优化曝气组件和第一微纳米臭氧气泡产生元件之间的纵向距离为0～1.0m，更有利于实现塔式反应器的合理利用，而且通过优化曝气元件和第一微纳米臭氧气泡产生元件相对位置，能够产生更强烈的扰动，从而能够增强鼓泡反应区的湍流程度，有利于提高VOCs的处理效率和去除效果。
（4）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，在鼓泡反应区内还设有用于调控液体温度的控温组件，利用控温组件调节鼓泡反应区内液体的温度，更有利于提高微纳米废气气泡、微纳米臭氧气泡的传质效率，促进VOCs、未降解有机物与微纳米废气气泡、微纳米臭氧气泡之间的充分接触，更有利于实现对VOCs废气的高效净化。另外，通过优化鼓泡反应区的高度为0.2m～1.5m，不仅能够满足有效去除VOCs的实际需要，而且也有利于减小塔式反应器的体积。
（5）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，在喷淋反应区内设有气液分布组件，位于进气主管出口端的上方，通过在喷淋反应区内设置气液分布组件，可以增加VOCs与喷淋液中微纳米臭氧气泡的接触几率和反应时间，从而有利于实现微纳米臭氧气泡对VOCs的有效氧化；同时，在气液分布组件中设置的气液流动通道的孔径或缝隙宽度从下而上逐渐减小，带来的好处有：在重力作用下，微纳米臭氧气泡液下落至气液分布组件的上方，在小孔径/小缝隙和向上流动气体相互作用下，在气液组件表面形成液膜，使得VOCs废气能够在喷淋反应区均匀分布，与此同时，能够使VOCs废气与微纳米臭氧气泡充分接触反应，有利于实现微纳米臭氧气泡对VOCs的有效氧化。另外，气液分布组件与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°，有利于提高喷淋液的传质效率，进而使得喷淋液中的微纳米臭氧气泡能够与VOCs废气充分接触，实现高效净化。
（6）本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，将第二微纳米臭氧气泡产生元件设于深度催化反应区内，且位于催化组件的上方，这样的设置方式，使得催化组件不仅具有催化降解功能，而且还能促进喷淋液与VOCs废气的充分接触，提高微纳米臭氧气泡与VOCs的反应时间，确保催化组件能够高效净化VOCs废气，使得尾气直接达标排放。
（7）本发明还提供了一种微纳米臭氧气泡处理VOCs的方法，采用上述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理废气中的VOCs，能够更加高效的去除废气中的VOCs，具有工艺简单、操作方便、成本低、处理效率高、去除效果好、安全性高等优点，可以广泛用于净化VOCs废气。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例中微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中第一种曝气组件的结构示意图。
图3为本发明实施例中第二种曝气组件的结构示意图。
图4为本发明实施例中第一气液分布元件的结构示意图。
图例说明：
11、进气主管；111、气体均布组件；112、臭氧进口；12、进气支管；121、第一增压风机；122、止逆阀；21、鼓泡反应区；211、控温组件；212、冷却介质入口；213、冷却介质出口；22、喷淋反应区；221、气液分布组件；222、气液流动通道；23、深度催化反应区；231、催化组件；232、除雾组件；233、净气出口；31、曝气组件；311、气体分布元件；312、曝气元件；313、曝气孔；314、微孔曝气器；411、第一气液分布元件；412、第一微纳米臭氧气泡产生元件；51、第二气液分布元件；52、第二微纳米臭氧气泡产生元件；a、进气支管进气口；b、塔式反应器出液口；c、塔式反应器进液口。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例
如图1所示，本实施例的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，包括进气管、塔式反应器、微纳米臭氧气泡产生元件；进气管包括进气主管11和进气支管12；塔式反应器中由下而上依次为鼓泡反应区21、喷淋反应区22和深度催化反应区23；微纳米臭氧气泡产生元件包括第一微纳米臭氧气泡产生元件412和第二微纳米臭氧气泡产生元件52；进气主管11的出气端设置在喷淋反应区22内，进气支管12的出气端设置在鼓泡反应区21内；鼓泡反应区21内设有曝气组件31，曝气组件31与进气支管12的出口端连通；第一微纳米臭氧气泡产生元件412的出口端设置在鼓泡反应区21内，通过管道与供能设备（图中未示出）出口连通；第二微纳米臭氧气泡产生元件52的出口端设置在深度催化反应区（23）内，通过管道与供能设备（图中未示出）出口连通。
本实施例中，供能设备为气液混合泵。
本实施例中，塔式反应器的出液口b通过管道与供能设备进液口连通。
本实施例中，进气主管11内设有用于使VOCs废气在塔式反应器内的流动方向由径向流动转为轴向流动的气体均布组件111，具体的，气体均布组件111为多层导流板，导流板的两侧与进气主管11的内壁连接，导流板的数量为2~5层（在2～5层均可行，例如，数量可以为4层）。导流板形状为圆弧形。
本实施例中，进气主管11上设置有臭氧进口112，用于向进气主管11中输入臭氧。
本实施例中，进气支管12上沿着进气方向依次设有第一增压风机121和止逆阀122。
如图2所示，本实施例中，曝气组件31包括气体分布元件311和曝气元件312，气体分布元件311和曝气元件312连通；气体分布元件311与进气支管12的出气口连通；曝气元件312上布设有若干个微孔曝气器314，具体的，在该实施例中，气体分布元件311为环流式气体分布器，曝气元件312为直管式曝气元件。
如图3所示，在另一个实施例中，曝气组件31包括气体分布元件311和曝气元件312，气体分布元件311和曝气元件312连通；气体分布元件311与进气支管12的出气口连通；曝气元件312上布设有若干个曝气孔313，其中曝气孔的孔径为0.3μm，具体的，在该实施例中，气体分布元件311为环流式气体分布器，曝气元件312为直管式曝气元件。
如图4所示，本实施例中，微纳米臭氧气泡产生元件还包括第一气液分布元件411，第一气液分布元件411和第一微纳米臭氧气泡产生元件412连通；第一气液分布元件411经由管道与供能设备（图中未示出）出口连通。第一气液分布元件411为环流式气液分布器，第一微纳米臭氧气泡产生元件412采用旋流式输出结构，且该旋流式微纳米气泡产生元件向上倾斜20-40°，可以产生旋转式扰动，从而能够增强鼓泡反应区的湍流程度。
在另一个实施例中，第一气液分布元件411为环流式气液分布器，第一微纳米臭氧气泡产生元件412为直管式结构。
本实施例中，曝气组件31设置在第一微纳米臭氧气泡产生元件412的下方，且曝气组件31和第一微纳米臭氧气泡产生元件412的出口之间的纵向距离为0.3m。
在另一个实施例中，曝气组件31与第一微纳米臭氧气泡产生元件412设置在同一平面上。
本实施例中，鼓泡反应区21内还设有用于调控液体温度的控温组件211，控温组件211为盘管式换热器，也可以为夹套式换热器、螺杆式冷水机组、涡旋式冷水机组、离心式冷水机组中的其中一种。该控温组件211中冷却液通过冷却介质入口212进入到盘管中，经换热后从冷却介质出口213排出。
本实施例中，鼓泡反应区21的高度为0.6m。
本实施例中，喷淋反应区22内设有气液分布组件221，位于进气主管11出口端的上方；气液分布组件221的数量为1个，具体的，气液分布组件221也可以为多缝隙面板，多缝隙面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°，具体可以为80°，多缝隙面板的形状与塔式反应器的横截面形状相匹配，多缝隙面板的外周与塔式反应器的内壁连接，多缝隙面板包括3层圆柱面板，圆柱面板为由多根圆柱平行搭接在一起且圆柱之间留有缝隙（即气液流动通道222）的圆柱层；多缝隙面板中各层圆柱面板平行设置，相邻圆柱面板之间的间隔距离为1mm～20mm，具体可间隔10mm，相邻两层圆柱面板中的圆柱交错分布，在多缝隙面板中各层圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度由下而上逐渐减小，圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度为1 mm～20mm。
在另一个实施例中，气液分布组件221为多孔面板，多孔面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°，具体可以为84°，多孔面板的形状与塔式反应器的横截面形状相匹配，多孔面板的外周与塔式反应器的内壁连接，多孔面板中设有气液流动通道222（即多孔面板中的通孔），多孔面板的数量为2层，两层多孔面板之间的间隔距离为1 mm～20mm，具体可为12mm，气液流动通道222的孔径由下至上逐渐减小，气液流动通道222 的孔径为1 mm～20mm。
本实施例中，深度催化反应区23内设有1个催化组件231，位于第二微纳米臭氧气泡产生元件52的下方。
本实施例中，催化组件231为层状结构，催化组件231与塔式反应器同轴，催化组件231的形状与塔式反应器的横截面形状相匹配，催化组件231的外周与塔式反应器的内壁连接。
本实施例中，催化组件231包括承载元件、填料、催化剂，其中承载元件为支架结构；承载元件上设有填料层，填料层中的填料为规整调料、散装填料中的一种或者多种，具体的，填料为介孔球形颗粒，也可以为网状填料、拉西环中的一种；填料层上面设有催化剂层，催化剂层包括用于降解VOCs的催化物，催化物负载在载体上，其中载体为氧化铝，也可以是疏水型分子筛、硅氧化物或活性炭材料中的其中一种。
本实施例中，微纳米臭氧气泡产生元件还包括第二气液分布元件51，第二气液分布元件51和第二微纳米臭氧气泡产生元件52连通，第二气液分布元件51通过管道与供能设备（图中未示出）的出口连通。第二气液分布元件51包括环流式气液分布器、直管式气液分布器、旋流式气液分布器，具体的，本实施例中，采用的第二气液分布元件51为直管式气液分布器。本实施例中，能产生微纳米臭氧气泡的器件，均可作为第二微纳米臭氧气泡产生元件52。
本实施例中，深度催化反应区23内还设有除雾组件232，位于第二微纳米臭氧气泡产生元件52的上方，具体的，除雾组件232为除雾器。
本实施例中，塔式反应器的顶部设有净气出口233，净气出口233位于除雾组件232的上方。
本实施例中，还提供了一种采用微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理VOCs的方法，具体为采用上述本实施例中的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理VOCs废气，包括以下步骤：
开启微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，在深度催化反应区23和鼓泡反应区21产生微纳米臭氧气泡，将VOCs废气分成两部分，通过进气主管11和进气支管12分别通入到塔式反应器的喷淋反应区22和鼓泡反应区21，其中进气主管11和进气支管12中通入废气的体积比为5∶1。该步骤中，废气通过进气主管11进入到喷淋反应区22的过程中，还包括：将臭氧依次经由臭氧进口112、进气主管11输送到塔式反应器中，使塔式反应器中臭氧的浓度为10000ppm，同时控制进气主管11中废气进气压力≤0.7MPa。
从进气主管11通入的废气由下而上经过喷淋反应区22和深度催化反应区23进行氧化降解处理和催化降解处理，去除废气中VOCs。
从进气支管12通入的废气通过曝气组件31进入到鼓泡反应区21进行曝气处理，利用微纳米气泡产生的羟基自由基等对废气中的VOCs和液体中的未降解有机物进行氧化处理，去除废气中的VOCs和液体中的未降解有机物，未被去除的VOCs再依次进入到喷淋反应区22和深度催化反应区23，继续进行氧化降解处理和催化降解处理。
本实施例中，在微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，维持进入第二微纳米臭氧气泡产生元件52中流体介质的压力为0.1MPa～2.0MPa。
本实施例中，在微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，控制第二微纳米臭氧气泡产生元件52中输出的微纳米臭氧气泡液与第一微纳米臭氧气泡产生元件412中输出的微纳米臭氧气泡液的流量比为2∶1。
本实施例中，在微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，开启控温组件211，使鼓泡反应区21中液体的温度为30℃，开启第一增压风机，使进气支管12中废气的压力提高至0.2 MPa～0.8MPa。
本实施例中，VOCs废气为乙酸乙酯废气，风量为200m³/h，污染物初始浓度为226.05mg/m³，经过微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理后，废气出口浓度为21.58mg/m³，去除率为90.45%。可见，经本发明装置处理后的废气，符合相关排放标准。
本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置中，通过进气管的分流，可先将一部分VOCs废气通入到喷淋反应区，在喷淋反应区中，可利用微纳米臭氧气泡的氧化降解作用，对VOCs废气进行第一次氧化处理，进一步的，未被去除的VOCs进入到深度催化反应区，可利用微纳米臭氧气泡和催化剂的共同作用，对VOCs进行第二次氧化处理，即通过分流，使得进入到喷淋反应区和深度催化反应区的VOCs废气气量相对减少，因而更有利于实现塔式反应器对VOCs的有效去除；另一部分VOCs废气通过进气支管和曝气组件以曝气的方式进入到鼓泡反应区，同时，设置在鼓泡反应区的第一微纳米臭氧气泡产生元件，能够向鼓泡反应区中提供微纳米臭氧气泡，因而在微纳米臭氧气泡的作用下，能够对进入到鼓泡反应区的VOCs进行一次氧化处理，而且利用曝气组件的曝气作用，也能产生微纳米废气气泡，它能够与微纳米臭氧气泡一样产生羟基自由基等，因而在微纳米废气气泡和微纳米臭氧气泡的共同作用下能够对液体中未降解有机物（包括VOCs）进行一次氧化处理，最后，少量未被去除的VOCs可继续进入到喷淋反应区和深度催化反应区，根据需要可进行两次氧化处理，即通过进气支管进入到塔式反应器中的VOCs废气，可完成三次氧化处理。更为重要的是，与常规塔式反应器不同，本发明中通过在塔式反应器的底部设置鼓泡反应区，并在曝气组件和第一微纳米臭氧气泡产生元件的共同作用下，可完成一部分VOCs的有效去除，因而可以有效降低塔式反应器中喷淋反应区和深度催化反应区的运行负荷，由此使得塔式反应器能够在体积更小的条件下完成对废气中VOCs的有效去除；与此同时，本发明中，通过将各反应区设置在塔式反应器内部，能够有效降低整个装置的占地面积，全生命周期成本更低。本发明微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，可以增加微纳米臭氧气泡与VOCs的反应时间，能够快速、高效的去除废气中的VOCs，其中VOCs去除率可达90%以上，VOCs矿化率可达85%以上，具有结构简单、占地面积小、处理效率高、去除效果好等优点，是一种性能优异且可以被广泛使用的新型VOCs废气净化装置，使用价值高，应用前景好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，包括进气管、塔式反应器和微纳米臭氧气泡产生元件；
所述进气管包括进气主管（11）和进气支管（12）；所述塔式反应器中由下而上依次为鼓泡反应区（21）、喷淋反应区（22）和深度催化反应区（23）；所述微纳米臭氧气泡产生元件包括第一微纳米臭氧气泡产生元件（412）和第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）；
所述进气主管（11）的出气端设置在喷淋反应区（22）内，所述进气支管（12）的出气端设置在鼓泡反应区（21）内；所述进气主管（11）内设有用于使VOCs废气在所述塔式反应器（2）的流向由径向流动转为轴向流动的第二气体均布组件（111）；
所述鼓泡反应区（21）内设有用于产生微纳米废气气泡的曝气组件（31），所述曝气组件（31）与所述进气支管（12）的出口端连通；所述喷淋反应区（22）内设有气液分布组件（221），所述气液分布组件（221）位于所述进气主管（11）出口端的上方；所述气液分布组件（221）为多孔面板；所述多孔面板中设有气液流动通道（222）；所述多孔面板为至少2层，所述气液流动通道（222）的孔径由下至上逐渐减小；所述气液流动通道（222）的孔径为1mm～20mm；或者，所述气液分布组件（221）为多缝隙面板；所述多缝隙面板为至少两层圆柱面板，各层所述圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度由下而上逐渐减小；所述圆柱面板中圆柱之间的缝隙宽度为1mm～20mm；所述圆柱面板为由多根圆柱平行搭接在一起且圆柱之间留有缝隙的圆柱层；
所述第一微纳米臭氧气泡产生元件（412）的出口端设置在鼓泡反应区（21）内；所述第一微纳米臭氧气泡产生元件（412）与所述曝气组件（31）之间的纵向距离为0～1.0m；所述第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）的出口端设置在深度催化反应区（23）内。
2.根据权利要求1所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，所述气体均布组件（111）为多层导流板；所述导流板的层数为2层～5层；
所述进气主管（11）上还设有臭氧进口（112）；
所述进气支管（12）上沿着进气方向依次设有第一增压风机（121）和止逆阀（122）。
3.根据权利要求2所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，所述鼓泡反应区（21）的高度为0.2m～1.5m；
所述曝气组件（31）包括气体分布元件（311）和曝气元件（312），所述气体分布元件（311）和曝气元件（312）连通；所述气体分布元件（311）与进气支管（12）的出口端连通；所述曝气元件（312）上布设有若干个曝气孔（313）或者微孔曝气器（314）；所述曝气孔（313）的孔径为0.1μm～100μm；所述气体分布元件（311）为环流式气体分布器、直管式气体分布器、旋流式气体分布器中的至少一种；所述曝气元件（312）为环流式曝气元件、直管式曝气元件、旋流式曝气元件中的至少一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，所述气液分布组件（221）的数量至少为1个；
所述多孔面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°；所述多孔面板的外周与塔式反应器的内壁连接；所述多孔面板为至少2层，各层所述多孔面板平行设置，相邻两层所述多孔面板间隔1mm～20mm；
所述多缝隙面板与塔式反应器轴线的夹角为75°～90°；所述多缝隙面板的外周与塔式反应器的内壁连接；所述多缝隙面板为至少两层圆柱面板，各层所述圆柱面板平行设置，相邻两层所述圆柱面板之间的间隔距离为1mm～20mm；所述多缝隙面板为至少两层圆柱面板，相邻两层所述圆柱面板中的圆柱交错分布。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，所述深度催化反应区（23）内设有催化组件（231），位于所述第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）的下方；所述催化组件（231）与塔式反应器同轴；所述催化组件（231）的外周与塔式反应器的内壁连接；
所述催化组件（231）包括承载元件、填料、催化剂；所述承载元件为支架结构；所述承载元件上设有填料层；所述填料层中的填料为规整调料、散装填料中的一种或者多种；所述填料层上面设有催化剂层；所述催化剂层包括用于降解VOCs的催化物，所述催化物负载在载体上；所述载体包括氧化铝、疏水型分子筛、硅氧化物或活性炭材料中的至少一种；
或者，所述催化组件（231）包括承载元件、催化剂；所述承载元件为支架结构；所述承载元件上设有催化剂层；所述催化剂层包括用于降解VOCs的催化物，所述催化物负载在载体上；所述载体包括氧化铝、疏水型分子筛、硅氧化物或活性炭材料中的至少一种；
所述深度催化反应区（23）内还设有除雾组件（232），位于所述第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）的上方；
所述塔式反应器的顶部设有净气出口（233），所述净气出口（233）位于所述除雾组件（232）的上方。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，其特征在于，所述第一微纳米臭氧气泡产生元件（412）通过管道与供能设备出口连通；所述第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）通过管道与供能设备出口连通。
7.一种微纳米臭氧气泡处理VOCs的方法，其特征在于，采用权利要求1～6中任一项所述的微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置处理废气中的VOCs。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置对废气中的VOCs进行处理时，包括以下步骤：
开启所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置，在深度催化反应区（23）和鼓泡反应区（21）产生微纳米臭氧气泡，将VOCs废气分成两部分，通过进气主管（11）和进气支管（12）分别通入到塔式反应器的喷淋反应区（22）和鼓泡反应区（21）；
从所述进气主管（11）中通入的废气由下而上经过喷淋反应区（22）和深度催化反应区（23）进行氧化降解处理和催化降解处理，去除废气中的VOCs；
从所述进气支管（12）中通入的废气通过曝气组件（31）进入到鼓泡反应区（21）进行曝气处理，去除废气中的VOCs和鼓泡反应区（21）液体中的未降解有机物，再依次进入到喷淋反应区（22）和深度催化反应区（23），继续进行氧化降解处理和催化降解处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：将臭氧通过进气主管（11）通入到塔式反应器中，使塔式反应器中臭氧的浓度为20ppm～14000ppm；控制所述进气主管（11）中废气的进气压力≤0.7MPa；控制所述进气支管（12）中废气的进气压力为0.2MPa～0.8MPa；控制通入所述进气主管（11）和所述进气支管（12）中废气的流量比为1∶1～40∶1。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述微纳米臭氧气泡处理VOCs集成反应装置的运行过程中，还包括：维持进入所述第二微纳米臭氧气泡产生元件（52）中流体介质的压力为0.1MPa～2.0MPa；维持进入到深度催化反应区（23）和鼓泡反应区（21）的微纳米臭氧气泡液的流量比为1∶2～25∶1；控制鼓泡反应区（21）中液体的温度为1℃～50℃。
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