CN204880159U - 催化燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种催化燃烧装置，属于废气末端治理技术领域。该催化燃烧装置包括催化反应塔，设置于该催化反应塔内的低温催化剂层和高温催化剂层，所述催化反应塔设有气体入口和气体出口，所述低温催化剂层和高温催化剂层由气体入口端向气体出口端依次设置。该装置通过低温催化剂层和高温催化剂层的同时设置，既可以避免VOCs经过第一层催化剂时被催化燃烧导致后面放置的催化剂高温烧结失活，又可以充分利用低温催化燃烧时产生的热量，无需再将VOCs气体加热至较高的温度，因此降低了能耗。

Description

催化燃烧装置
技术领域
本实用新型涉及废气末端治理技术领域，特别是涉及一种催化燃烧装置。
背景技术
挥发性有机物是常见的室内外空气中普遍存在的一类污染物。所谓挥发性有机物，英文名称为VolatileOrganicCompounds(VOCs)，美国ASTMD3960-98标准将VOCs定义为任何能参加大气光化学反应的有机化合物。1989年世界卫生组织(WHO)对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为，熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称。VOCs主要成分大致可分为9类：芳香烃、饱和脂肪烃、不饱和脂肪烃/环烷烃、萜烯类、脂肪醇类、醛/酮类、脂肪酸类、脂类以及卤代烃类等，荷兰学者Edwards等2001年在对赫尔辛基居室和工作场所的有机污染物调查中共检测到了323种挥发性有机化合物。
VOCs的控制技术基本分为两大类。第一类是预防性措施，以更换设备、改进工艺技术、防止泄漏乃至消除VOCs排放为主。这是人们所期望的，但是以目前的技术水平，向环境中排放和泄露不同浓度的有机废气是不可避免的，这时就必须采用第二类技术。第二类技术为控制性措施，以末端治理为主。末端控制技术包含两类，第一类是非破坏性方法，即采用物理方法将VOCs回收；第二类是通过生化反应将VOCs氧化分解为无毒或低毒物质的破坏性方法。常用的控制技术分为：回收技术和消除技术，其中，回收技术又分为吸附技术、吸收技术、冷凝技术和膜技术；消除技术又分为燃烧技术、光催化降解、生物降解和等离子体技术；而燃烧技术又细分为直接燃烧和催化燃烧。
目前，末端治理技术中，催化燃烧由于起燃温度低、去除率高，安全稳定、运行成本低等优点而得到推广应用。催化燃烧实际上为完全的催化氧化，即在催化剂作用下，使废气中的有害可燃组分完全氧化为CO2和H2O等。由于绝大部分有机物均具有可燃烧性，因此催化燃烧法已成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。又由于很大一部分有机化合物具有不同程度的恶臭，因此催化燃烧法也是消除恶臭气体的有效手段之一。与其他种类的燃烧法相比，催化燃烧法具有如下特点：催化燃烧为无火焰燃烧，安全性好；要求的燃烧温度低，大部分烃类和CO在300-450℃之间即可完成反应，故辅助燃料消耗少；对可燃组分浓度和热值限制较小。但是，为延长催化剂的使用寿命，不允许废气中含有尘粒和雾滴。
常规催化燃烧技术中，在催化反应塔中只放置低温催化剂或只放置高温催化剂。只放置低温催化剂的反应器，VOCs经过第一层催化剂时被催化燃烧，气体温度上升会导致后面放置的催化剂高温烧结失活。而只放置高温催化剂的反应器，反应之前需将VOCs气体加热至较高的温度，因此能耗较大。而且，高温催化剂的反应温度为400℃左右，接近大部分VOCs的自燃温度，易引起爆炸。这样的处理效果有限、能耗较大，既不经济也不环保。
并且，工厂排放的废气中VOCs的含量是实时变化的，且变化幅度较大。现有催化反应塔出口气体的温度会随着入口气体中VOCs的浓度急剧变化，这样既不安全又不利于热量回收。当入口气体中VOCs的浓度较高时，催化反应塔出口气体的温度随之升高，这样会缩短设备使用寿命，若遇易燃物质泄漏可能引起大火或爆炸。而当入口气体中VOCs的浓度较低时，催化反应塔出口气体的温度随之降低，可用于回收的热量不足，需额外补充热量才能维持反应继续进行，增加运行成本。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种催化燃烧装置，该催化燃烧装置既能够避免由于气体温度过高导致的催化剂高温烧结失活，又不需额外的加热，具有能耗低的优点。
一种催化燃烧装置，包括催化反应塔，设置于该催化反应塔内的低温催化剂层和高温催化剂层，所述催化反应塔设有气体入口和气体出口，所述低温催化剂层和高温催化剂层由气体入口端向气体出口端依次设置。
上述催化燃烧装置，在催化反应塔内同时设有低温催化剂层和高温催化剂层，含有VOCs的污染气体经加热器预热至200～300℃后到达低温催化层，在低温催化剂的作用下发生催化燃烧，去除约90％的VOCs并释放热量使气体温度升至350～400℃。升温后的气体经过高温催化层时进一步被高温催化剂催化燃烧，去除剩余的VOCs。通过上述过程，既可以避免VOCs经过第一层催化剂时被催化燃烧导致后面放置的催化剂高温烧结失活，又可以充分利用低温催化燃烧时产生的热量，无需再将VOCs气体加热至较高的温度，因此降低了能耗。
在其中一个实施例中，所述催化燃烧装置还包括蓄热层，所述蓄热层设置于气体出口和高温催化剂层之间。采用蓄热层，当催化反应塔入口气体VOCs含量较高时，VOCs气体经催化燃烧后放热量较大，流经蓄热层时气体温度较高，部分热量会被蓄热层吸收，使气体温度降低。而当催化反应塔入口气体VOCs含量较低时，VOCs气体经催化燃烧后放热量较小，流经蓄热层时气体温度较低，此时蓄热层会释放热量使气体温度升高。因此，蓄热层的存在使催化反应塔出口的气体温度较为平稳。这样既便于利用外部换热器进行热量回收，又不会因催化剂反应塔出口气体温度过高产生不安全因素。
在其中一个实施例中，所述蓄热层和高温催化剂层之间设有第一分布空腔。该分布空腔的设置，便于气体重新分布均匀后再进入蓄热层，提高了蓄热效率。
在其中一个实施例中，所述高温催化剂层和低温催化剂层之间设有第二分布空腔。该分布空腔的设置，便于气体重新分布均匀后再进入高温催化剂层，提高了高温催化反应效率。
在其中一个实施例中，所述催化燃烧装置还包括气体分布板，所述气体分布板上设有若干均匀分布的分布孔，所述气体分布板设置于低温催化剂层和气体入口之间，且所述低温催化剂层和气体分布板之间设有第三分布空腔。采用上述设置，便于气体充分混合均匀后再进入低温催化剂层，提高了低温催化反应效率。
在其中一个实施例中，所述催化燃烧装置还包括臭氧分布器，所述臭氧分布器包括用于输入臭氧的输入管路和与该输入管路连通的臭氧喷头，所述臭氧喷头设置于高温催化剂层和气体出口之间。反应时通入适量的臭氧，利用臭氧的强氧化性进一步降低VOCs的含量，进一步提高了VOCs的燃烧处理效果。
在其中一个实施例中，所述臭氧喷头由若干个均匀分布的喷口组成。通过多个均匀分布的喷口向催化反应塔中提供臭氧，可以提高臭氧的混合效果，进而提高臭氧的氧化效果。
在其中一个实施例中，所述催化燃烧装置还包括蓄热层，所述蓄热层设置于气体出口和高温催化剂层之间，且所述蓄热层和高温催化剂层之间设有第一分布空腔，所述臭氧喷头设置于该第一分布空腔内。将臭氧喷头置于该第一分布空腔内，使气体经过臭氧的进一步氧化后再进入蓄热层并由气体出口排出，使废气得到充分处理。
在其中一个实施例中，所述蓄热层由蓄热陶瓷制成。将蓄热层由高性能蓄热陶瓷制成，具有蓄热效果好的特点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本实用新型的一种催化燃烧装置，通过低温催化剂层和高温催化剂层的同时设置，既可以避免VOCs经过第一层催化剂时被催化燃烧导致后面放置的催化剂高温烧结失活，又可以充分利用低温催化燃烧时产生的热量，无需再将VOCs气体加热至较高的温度，因此降低了能耗。
并且，该催化燃烧装置中还加入了蓄热层，该蓄热层的存在使催化反应塔出口的气体温度较为平稳。这样既便于利用外部换热器进行热量回收，又不会因为催化剂反应塔出口气体温度过高产生不安全因素。
而且，该催化燃烧装置中还加入了臭氧分布器，利用臭氧的强氧化性进一步降低VOCs的含量，进一步提高了VOCs的燃烧处理效果。
附图说明
图1为实施例1中催化燃烧装置的结构示意图；
图2为实施例2中催化燃烧装置的结构示意图；
图3为实验例中催化反应塔内各层VOCs浓度的变化图；
图4为实验例中实施例1和实施例3气体出口温度变化示意图。
其中：100.催化反应塔；110.气体入口；120.气体出口；200.气体分布板；300.低温催化剂层；400.高温催化剂层；500.蓄热层；600.第一分布空腔；700.第二分布空腔；800.第三分布空腔；910.输入管路；920.臭氧喷头；921.喷口；
1.催化反应塔气体入口处VOCs浓度；
2.经过低温催化剂层后VOCs浓度；
3.经过高温催化剂层后VOCs浓度；
4.经过臭氧氧化后VOCs浓度；
5.实施例2的催化燃烧装置气体出口处温度；
6.实施例1的催化燃烧装置气体出口处温度。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种催化燃烧装置，如图1所示，图中箭头表示气体流通方向。该催化燃烧装置包括催化反应塔100，设置于该催化反应塔100内的气体分布板200、低温催化剂层300、高温催化剂层400和蓄热层500，所述催化反应塔100设有气体入口110和气体出口120，所述气体分布板200、低温催化剂层300、高温催化剂层400和蓄热层500由气体入口端向气体出口端依次设置。
所述蓄热层500由蓄热陶瓷制成，具有蓄热效果好的特点。
所述蓄热层500和高温催化剂层400之间设有第一分布空腔600，所述高温催化剂层400和低温催化剂层300之间设有第二分布空腔700。
所述气体分布板200上设有若干均匀分布的分布孔，所述气体分布板200设置于低温催化剂层300和气体入口110之间，且所述低温催化剂层300和气体分布板200之间设有第三分布空腔800。
本实施例的催化燃烧装置的工作原理如下：
含有VOCs的污染气体经加热器预热至200～300℃后首先经过气体分布板在第三分布空腔中充分混匀，使气流更加均匀，之后到达低温催化剂层，在低温催化剂的作用下发生催化燃烧，去除约90％-95％的VOCs并释放热量使气体温度升至350～400℃。升温后的气体通过第二分布空腔重新分布均匀后，经过高温催化剂层时进一步被高温催化剂催化燃烧，去除剩余的VOCs，此时VOCs含量为反应塔入口的0.5％-1％。然后气体通过第一分布空腔重新分布均匀后，经过蓄热层时部分热量被高性能蓄热陶瓷体吸收，之后经催化反应塔的气体出口进入外置的换热器回收热量。经换热器回收的热量可将含有VOCs的气体从室温加热至260℃，气体受热后再进入催化反应塔内反应，往复循环。
因此，当整个系统开启后，可以实现自身的热平衡，无需再提供外部热源，具有能耗低、运行成本低的优点。
实施例2
一种催化燃烧装置，如图2所示，图中箭头表示气体流通方向，该催化燃烧装置在实施例1催化燃烧装置的基础上增加了臭氧分布器，所述臭氧分布器包括用于输入臭氧的输入管路910和与该输入管路910连通的臭氧喷头920，所述臭氧喷头920设置于高温催化剂层400和蓄热层500之间。
并且，所述臭氧喷头920由若干个均匀分布的喷口921组成。
本实施例的催化燃烧装置的工作流程如下：
含有VOCs的污染气体经加热器预热至200～300℃后首先经过气体分布板在第三分布空腔中充分混匀，使气流更加均匀，之后到达低温催化剂层，在低温催化剂的作用下发生催化燃烧，去除约90％-95％的VOCs并释放热量使气体温度升至350～400℃。升温后的气体通过第二分布空腔重新分布均匀后，经过高温催化剂层时进一步被高温催化剂催化燃烧，去除剩余的VOCs，此时VOCs含量为反应塔入口的0.5％-1％。然后气体在第一分布空腔中与通入的臭氧混合均匀，并在臭氧的作用下进一步氧化，剩余VOCs气体被臭氧完全氧化消除，到达出口时VOCs的浓度约为0.5-1mg/Nm3，完全满足排放要求。随后经过蓄热层时部分热量被高性能蓄热陶瓷体吸收，之后经催化反应塔的气体出口进入外置的换热器回收热量。经换热器回收的热量可将含有VOCs的气体从室温加热至260℃，气体受热后再进入催化反应塔内反应，往复循环。
与实施例1的催化燃烧装置相比，本实施例的催化燃烧装置中还加入了臭氧分布器，利用臭氧的强氧化性进一步降低VOCs的含量，进一步提高了VOCs的燃烧处理效果。
实施例3
一种催化燃烧装置，与实施例1中的催化燃烧装置基本相同，区别仅在于：在本实施例的催化燃烧装置中并无蓄热层。
实验例
采用上述实施例1-3的催化燃烧装置对含VOCs的污染气体进行处理，监测处理过程中催化反应塔内各层VOCs的浓度，结果如图3所示。并监测气体出口处的温度，结果如图4所示。
从图3中可以看出，当含有VOCs的气体进入催化反应塔后首先经低温催化剂层催化燃烧，可以去除约90-95％的VOCs；剩余气体经高温催化剂层时进一步被催化燃烧，此时VOCs含量为反应塔入口的0.5-1％；之后剩余气体还可进一步被臭氧氧化消除，到达催化反应塔的气体出口时VOCs的浓度约为0.5-1mg/Nm3，完全满足排放要求。
从图4中可以看出，工厂排放的气体中VOCs的浓度会在一定范围内波动，如图中标号1曲线所示，因此催化燃烧时释放的热量会随着催化反应塔气体入口VOCs浓度的变化而变化。塔内若无蓄热层，催化反应塔气体出口的气体温度也会随催化反应塔气体入口VOCs浓度的变化忽高忽低，如图中标号5曲线所示(即实施例3)，这样既不安全又不利于热量回收。而在催化反应塔内设置蓄热层的实施例1，可利用蓄热陶瓷良好的蓄热性能进行热量缓冲，使催化反应塔气体出口温度趋于平稳，如图中标号6曲线所示(即实施例1)，即设置蓄热层后催化反应塔气体出口温度波动较小。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种催化燃烧装置，其特征在于，包括催化反应塔，设置于该催化反应塔内的低温催化剂层和高温催化剂层，所述催化反应塔设有气体入口和气体出口，所述低温催化剂层和高温催化剂层由气体入口端向气体出口端依次设置。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，还包括蓄热层，所述蓄热层设置于气体出口和高温催化剂层之间。
3.根据权利要求2所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述蓄热层和高温催化剂层之间设有第一分布空腔。
4.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述高温催化剂层和低温催化剂层之间设有第二分布空腔。
5.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，还包括气体分布板，所述气体分布板上设有若干均匀分布的分布孔，所述气体分布板设置于低温催化剂层和气体入口之间，且所述低温催化剂层和气体分布板之间设有第三分布空腔。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，还包括臭氧分布器，所述臭氧分布器包括用于输入臭氧的输入管路和与该输入管路连通的臭氧喷头，所述臭氧喷头设置于高温催化剂层和气体出口之间。
7.根据权利要求6所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述臭氧喷头由若干个均匀分布的喷口组成。
8.根据权利要求6所述的催化燃烧装置，其特征在于，还包括蓄热层，所述蓄热层设置于气体出口和高温催化剂层之间，且所述蓄热层和高温催化剂层之间设有第一分布空腔，所述臭氧喷头设置于该第一分布空腔内。
9.根据权利要求2或8所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述蓄热层由蓄热陶瓷制成。
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