CN208194412U - 催化剂载体骨架及具有该骨架的催化反应床 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种催化剂载体骨架及具有该骨架的催化反应床。该催化剂载体骨架包括：形成有多个板型安装位的骨架主体，各个板型安装位依次相邻布置，多个板型安装位用于安装填充催化剂，相邻的催化剂之间间隔一个板型安装位；包裹于骨架主体上的外壳，外壳形成有相对布置的入口端和出口端；分别设置在未安装填充催化剂的板型安装位的入口端或出口端的多个密封挡板，各个密封挡板的两端与外壳之间均密封相接，多个密封挡板在入口端和出口端呈依次交替设置，以便让被净化的气体通过催化剂内部。应用本技术方案能解决现有技术中层叠堆积方式安装催化剂的载体骨架导致的催化剂利用效率低、风阻大能耗高、催化剂更换困难及无法原位脱附再生的问题。

Description

催化剂载体骨架及具有该骨架的催化反应床

技术领域

本实用新型属于臭气净化设备技术领域，尤其涉及一种催化剂载体骨架及具有该骨架的催化反应床。

背景技术

在臭气的净化设备及除臭设备中，传统的催化剂载体一般采用层叠堆积的方式进行设计、安装，这样的层叠堆积的安装方式使得处于进风端的催化剂的催化负荷较高，而处于出风端的催化剂则可能起不到催化作用，导致催化剂利用效率较低。同时，层叠堆积的安装方式还具有风阻大、能耗高、催化剂更换困难及无法原位脱附再生的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种催化剂载体骨架及具有该骨架的催化反应床，旨在解决现有技术中层叠堆积方式安装催化剂的载体骨架导致催化剂催化利用效率较低、风阻大能耗高、催化剂更换困难及无法原位脱附再生问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的，一种催化剂载体骨架，包括：骨架主体，骨架主体形成有多个板型安装位，各个板型安装位依次相邻布置，且相邻的两个板型安装位之间相互连通，多个板型安装位用于安装填充催化剂，且相邻的催化剂之间间隔一个板型安装位；外壳，外壳包裹于骨架主体上，外壳形成有相对布置的入口端和出口端；多个密封挡板，多个密封挡板分别设置在未安装填充催化剂的板型安装位的入口端或出口端，且各个密封挡板的两端与外壳之间均密封相接，且多个密封挡板在入口端和出口端呈依次交替设置，相邻两个密封挡板之间安装填充有催化剂。

进一步地，相邻的两个板型安装位之间通过格栅件相互连通设置。

进一步地，每个格栅件上间隔地设置有多个导向安装条，同一水平高度且位于同一板型安装位中的两个导向安装条形成支撑催化剂的承载轨道，且催化剂均由承载轨道的入口端进行依次填充安装。

进一步地，每个导向安装条与相应的格栅件上的相应栅条对应设置。

进一步地，催化剂载体骨架还包括多个催化剂固定挡条，多个催化剂固定挡条连接在入口端的相应骨架主体上，各催化剂固定挡条用于止挡相应的板型安装位中的催化剂。

进一步地，各个催化剂固定挡条的两端均通过螺栓连接于骨架主体上。

根据本技术方案的另一方面，提供了一种催化反应床。该催化反应床包括催化剂和前述的催化剂载体骨架，催化剂安装于催化剂载体骨架中，且相邻的两个板型安装位中的催化剂之间间隔一个板型安装位。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：气流从未安装填充催化剂并且入口端无密封挡板的板型安装位的入口进入，由于该板型安装位的出口端处连接了密封挡板而阻挡了气流直线流出，因而气流需要转而流通至相邻的板型安装位中的催化剂之后，并且流通至下一个未安装填充催化剂的板型安装位，才能从该板型安装位的出口端流出，其余依次类推。这样，提高了催化剂过风面积，降低了气流流动的速度，从而降低了风阻；大大提高了催化剂的利用效率；使得催化剂原位脱附再生成为可能。

附图说明

图1是本实用新型实施例的催化剂载体骨架的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的催化剂载体骨架的一个板型安装位与相应的催化剂之间的装配结构示意图；

图3是本实用新型实施例的催化反应床的分解结构示意图。

在附图中，各附图标记表示：

10、骨架主体； 11、板型安装位；

12、导向安装条； 20、外壳；

21、入口端； 22、出口端；

30、密封挡板； 40、催化剂固定挡条；

100、催化剂； 200、催化剂载体骨架。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示，本实施例的催化剂载体骨架包括骨架主体10、外壳20和多个密封挡板30，骨架主体10形成有多个板型安装位11，各个板型安装位11依次相邻布置，且相邻的两个板型安装位11之间相互连通，多个板型安装位11用于安装填充催化剂100，且相邻的催化剂100之间间隔一个板型安装位11，外壳20包裹于骨架主体10上，外壳20形成有相对布置的入口端21和出口端22，多个密封挡板30分别设置在未安装填充催化剂100的板型安装位11的入口端21或出口端22，且各个密封挡板30的两端与外壳20之间均密封相接，且多个密封挡板30在入口端和出口端呈依次交替设置，相邻两个密封挡板30之间安装填充有催化剂100。

应用该催化剂载体骨架200来安装催化剂100，装配形成催化反应床，并将催化反应床应用于垃圾房或垃圾转运站中，通过将垃圾房或垃圾转运站的空间气流混合臭氧一起流经通过催化反应床，从而利用催化反应床的吸附及催化作用，使得臭氧将臭气中有机组分氧化为CO₂和H₂O，无极组分氧化生成无毒无味的无机酸，多余的臭氧也催化分解生成O₂，消除了垃圾房或垃圾转运站中的臭味，改善垃圾房或垃圾转运站的空气环境。

本实施例的催化剂载体骨架200通过特别布置密封挡板30的位置，即在入口端21或出口端22未安装填充催化剂100的板型安装位11处交替安装多个密封挡板30。这样，气流从未安装填充催化剂100并且入口端21无密封挡板30的板型安装位11的入口进入，由于该板型安装位11的出口端22处连接了密封挡板30而阻挡了气流直线流出，因而气流需要转而流通至相邻的板型安装位11中的催化剂100之后，并且流通至下一个未安装填充催化剂100的板型安装位11(此板型安装位11的入口端处连接了密封挡板30而出口端处无密封挡板30)，才能从该板型安装位11的出口端22流出，其余依次类推。这样，提高了催化剂100过风面积，降低了气流流动的速度，从而降低了风阻；大大提高了催化剂100的利用效率；使得催化剂100原位脱附再生成为可能。

所有密封挡板30均采用结构尺寸一致的构件进行安装，并且此时每个板型安装位11对应的入口端21、出口端22的尺寸相同，并且每个密封挡板30的尺寸与对应的板型安装位11的入口端21或出口端22的尺寸相适配。此时，在入口端21处(沿A箭头方向数)，第一个板型安装位11对应的入口端位置未连接密封挡板30，并在第一个板型安装位11中安装填充催化剂100，并且在第一个板型安装位11的出口端处也无需连接密封挡板30；相邻的第二个板型安装位11的入口端位置连接密封挡板30，而第二个板型安装位11的出口端位置未连接密封挡板30，并且第二个板型安装位11中未安装填充催化剂100；然后在第三个板型安装位11的入口端处未连接密封挡板30并且出口端处也无需连接密封挡板30，并且第三个板型安装位11中安装填充催化剂100；在第四个板型安装位11的入口端处无需连接密封挡板30而在其出口端处连接密封挡板30，并且第四个板型安装位11中未安装填充催化剂100；在第五个板型安装位11的入口端处与出口端处均为连接密封挡板30，且第五个板型安装位11中安装填充催化剂100；……；依次相应进行安装直至完成。这样，当气流从入口端21流进相应的板型安装位11之后，气流则被相应的密封挡板30所阻挡，此时气流沿着A方向流动，气流穿过催化剂100，从而使得臭氧与臭气在催化剂100中进行充分反应。

外壳20在包裹骨架主体10而形成入口端21和出口端22的过程中，外壳20与第一个板型安装位和最后一个板型安装位之间分别形成一个间隔空间，该间隔空间既不安装密封挡板30，也不安装催化剂100，该间隔空间也作为入口端21的一部分而用于进风。

在本实施例中，相邻的两个板型安装位11之间通过格栅件相互连通设置，每个格栅件上间隔地设置有多个导向安装条12，同一水平高度且位于同一板型安装位11中的两个导向安装条12形成支撑催化剂100的承载轨道，且催化剂100均由承载轨道的入口端进行一次填充安装(本实施例的催化剂100是方形结构，每个承载轨道依次排列放置若干方形催化剂100，装配完成后，由入口端向出口端的直线方向上，各方形催化剂100是无法通风的；并且方形催化剂均为蜂窝材料，垂直于由入口端向出口端的直线方向上具有若干小孔隙能够通过气流，因而，各个小方块形催化剂100的气流方向垂直于由入口端向出口端的直线方向)。每个导向安装条12与相应的格栅件上的相应栅条对应设置，在本实施例中，各个导向安装条12与格栅件上的各个栅条一一对应设置，每个导向安装条12均采用角铁进行装配，如此便能够对各个方形催化剂100的边角进行承载止挡，使得催化剂100安装稳定。利用此种结构形式对催化剂100进行安装，便于催化剂的安装过程以及拆卸过程，方便对催化剂100进行维护。

具体地，本实施例的催化剂载体骨架还包括多个催化剂固定挡条40，多个催化剂固定挡条40连接在入口端21的相应骨架主体10上，优选地，各个催化剂固定挡条40的两端均通过螺栓连接于骨架主体10上，各催化剂固定挡条40用于阻挡相应的板型安装位11中的催化剂100。这样，当催化剂100装配到板型安装位11中之后，利用催化剂固定挡条40进行阻挡，催化剂100就被限定在板型安装位11内，即使在将催化剂载体骨架进行整体搬运的过程中，催化剂100始终稳定装配在板型安装位11中而不会脱离掉落，保证装配的稳定性。

如图3所示，根据本技术方案的另一方面，提供了一种催化反应床。该催化反应床包括催化剂100和前述的催化剂载体骨架200，多个催化剂100安装于催化剂载体骨架200中，且相邻的两个板型安装位11中的催化剂100之间间隔一个板型安装位11。本技术方案形成的催化反应床是一种蜂窝形催化剂载体，蜂窝形催化剂载体一般应用于承载催化剂对废气进行催化降解，具体地，蜂窝形催化剂载体即为本技术方案中形成的催化剂100的组成部分，其中，蜂窝形催化剂载体一般包括：蜂窝陶瓷、活性炭、硅胶、分子筛及其他多孔的气体吸附材料。

具体地，催化反应床采用的催化剂载体具有多孔结构，催化剂载体(即催化剂100中承载催化剂的载体结构)为蜂窝陶瓷、沸石分子筛、活性炭或硅胶中的一种。催化剂载体表面固载有贵金属-金属氧化物的催化剂，贵金属包括Ag、Pt、Pd中的至少一种，金属氧化物为Fe₂O₃、Co₂O、NiO、CuO、ZnO、MnO₂及Ag₂O中的至少一种。混合气体通过催化反应床时被催化剂载体的多孔结构吸附，在催化剂活性位发生催化氧化反应，臭氧在催化剂作用下催化分解产生活性氧原子O*，在水蒸气存在下同时产生OH*，O*和OH*都是强氧化性基团，能够将臭气中的无机组分(H₂S、NH₃和CS₂等)氧化生成生成H₂SO₃、H₂SO₄、HNO₃，将有机组分(VOCs)逐步降解为CO₂、H₂O。同时，臭氧抑菌发生设备产生的过量臭氧能够在催化反应床中催化分解生成洁净的O₂排放。具体地，O*和OH*的生成反应如下：

O₃+*→[O*]s+O₂

[O*]s+O₃→[O₂*]s+O₂

[O₂*]s→*+O₂

有水蒸气存在的时候：

H₂O+O*→2OH*

其中，*为催化剂的活性位。

需要说明的是，待处理的臭气通常包括：含硫或氮的无机物和挥发性的有机物(VOCs)。例如含硫或氮的无机物为硫化氢、氨气、二硫化碳等。挥发性的有机物(VOCs)包括：甲硫醇、甲硫醚、苯系物(苯、甲苯、二甲苯)、卤代烃(二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烯)、酮类(丙酮、丁酮)和脂类(乙酸乙酯)。通过将臭氧和臭气混合可以利用臭氧将臭气中的部分有机物进行催化氧化分解。

具体地，蜂窝载体的多孔结构可以吸附臭氧和臭气混合后的气体。在实际应用中，利用蜂窝载体吸附混合气体，再通过负载的催化剂对吸附的臭气和臭氧进行催化，促使其进行氧化反应。在催化过程中，催化剂使臭氧分解产生活性氧原子O*，在有水蒸气存在的情况下还可产生羟基自由基OH*，O*和OH*等强氧化性基团将吸附态的有机组分逐步降解为CO₂、H₂O；同时将H₂S、NH₃和CS₂等无机组分氧化生成稳定的CO₂、N₂、H₂O、SO₂和SO₃，进而反应生成H₂SO₃、H₂SO₄被永久吸附。反应产生的物质无毒无味，可以正常排放。

优选地，可以采用过量的臭氧，保证臭气与臭氧充分反应，剩余的臭氧可以在催化剂的作用下转化为氧气，使排放的气体不存在二次污染。

以下结合所选用的催化剂的种类及具体的反应过程，描述除臭原理：

1、催化剂为过渡金属氧化物

臭氧吸附在过渡金属氧化物催化剂的活性位后，催化分解产生一个O₂分子和一个表面活性氧原子[O*]，该活性氧原子再与其它O₃分子反应生成过氧物种[O₂*],这些表面氧物种具有极高的氧化性，能将VOCs降解成CO₂与H₂O。在有水蒸气存在的情况下还会产生羟基自由基OH*，羟基自由基的存在会促进VOCs的氧化，并能将残留在催化剂表面的部分中间产物消除，提高催化剂的反应活性。

具体反应方程式如下：

1)无水蒸气存在的时候

O₃+*→[O*]s+O₂；[O*]s+O₃→[O₂*]s+O₂；[O₂*]s→*+O₂

2)有水蒸气存在的时候

O₃+*→[O*]s+O₂；[O*]s+O₃→2O₂；H₂O+O*→2OH*；

OH*+O₃→HO₂*+O₂；O₃+HO₂*→HO+2O₂；

HO₂*+OH*→H₂O+O₂+*

如上所述，过渡金属氧化物作为催化剂主要起到催化臭氧分解产生活性氧物种的作用，而臭氧的催化分解则是有机物氧化的控速步骤。

过渡金属由于有多种价态的存在，具有较强的转移电子的能力，因此在催化臭氧氧化过程中也作为反应物参与氧化还原反应的电子转移，反应如下：

O₃+Mⁿ⁺→O^-+M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺+O₂

2、催化剂为贵金属-过渡金属氧化物催化剂

在负载过渡金属氧化物催化剂的同时附载贵金属作为催化助剂，能够提高反应活性，并提高产物的CO₂选择性。反应过程为：O₃(g)在过渡金属氧化物上分解生成[O*]a，VOC(g)吸附在贵金属上形成活化分子[VOC]a，强氧化性自由基[O*]a进而氧化[VOC]a为CO₂和H₂O。

为了便于理解，以下结合臭气中不同的气体种类说明除臭的机理：

1、O₃催化氧化去除氨：

臭氧催化氧化氨的反应方程式如下，在干气气氛下，臭氧催化分解产生的活性氧原子能够催化氨分解产生无臭味的N₂和N₂O。在有水蒸气存在时由·OH氧化NH₃生成N₂。

干气气氛：

O₃(g)→O(a)+O₂(g)；O(a)+NH₃(a)→NH₂(a)+OH(a)

O(a)+NH₂(a)→NH(a)+OH(a)；O(a)+NH(a)→N(a)+OH(a)；

2O(a)+NH(a)→NO(a)+OH(a)；NO(a)+O₃(g)→NO₂(a)+O₂(g)；

NH₂(a)+NO₂(a)→N₂(g)+H₂O(g)+O(a)；2OH(a)→H₂O(g)+O(a)；

N₂O和NH₄NO₃的形成过程：

2NO(a)→N₂O(g)+O(a)；N(a)+NO(a)→N₂O(g)；

2NH₃(a)+2NO₂(a)→NH₄NO₃(a)+N₂(g)+H₂O(g)

有水蒸气存在时：

·OH(a)+NH₃(a)→NH₂(a)+H₂O；·OH(a)+NH₂(a)→NH(a)+H₂O；

·OH(a)+NH(a)→N(a)+H₂O；2N(a)→N₂(g)

2、O₃催化氧化去除硫化氢：

硫化氢的氧化产物主要是SO₂和单质S，SO₂会进一步与H₂O反应生成H₂SO₄。体系中发生反应主要有：

H₂S+O₃→SO₂+H₂O；SO₂+O₃+3H₂O→3H₂SO₄；

H₂S+SO₂→2H₂O+2S；H₂S+6·OH→SO₂+4H₂O；

SO₂+2·OH→H₂SO₄

3、O₃催化氧化去除甲硫醚：

活性氧原子[O*]将甲硫醚分解为如CH₃CH₂OO-的中间产物，并进一步将其转化为稳定的产物：CO₂、SO₂、H₂O及H₂SO₄。

O₃+*→O₂*+O*；(CH₃)₂S+O*→(CH₃)₂SO；(CH₃)₂SO+O*→(CH₃)₂SO₂

(CH₃)₂S+*→CH₃S*+CH₃*；(CH₃)₂S+O*→CH₃SO*+CH₃*

CH₃SO*+O*→SO₂+CH₃*；SO₂+O₃+3H₂O→3H₂SO₄

CH₃*+O₂*→CH₂O+OH*；CH₂O+O*→HCOOH

HCOOH+O*→CO₂+H₂O

4、O₃催化氧化去除苯及苯系物：

臭氧在催化剂的作用下分解产生的表面氧物种[O*]能够将苯分子氧化生成激发态的中间产物，这个过程需要4.3eV(破坏C-H键)的能量：

C₆H₆+[O*]→中间产物

激发态的臭氧中间产物继续被活性氧原子氧化：

C₆H₆·+[O*]→O＝C·+·C＝C-C＝C-C＝O；或O＝C＝C·+·C＝C-C＝C；

其中，O＝C·或O＝C＝C·自由基继续被氧化为CO₂。

此外，在·OH存在的情况下，也会通过如下步骤被氧化：

C₆H₆·+·OH→C₆H₆-OH+·OH/[O*]→CO+CO₂+H₂O

甲苯的氧化原理与苯相类似，甲苯的共振结构与活性氧原子发生反应生成激发态的中间产物C₆H₆·和CH₂O，这个过程需要3.6eV(破坏C-C键)的能量。甲醛被继续氧化为CHO自由基进而氧化为CO2。C6H6·完全氧化的反应步骤与苯氧化过程类似。其反应步骤如下：

C₆H₆–CH₃→C₆H₆–CH₂+[O*]→C₆H₆·+CH₂O

5、O₃催化氧化去除卤代烃：

卤代烃中的卤素原子与碳原子形成的单键(C-X键)解离需要提供3.14eV～3.82eV能量。臭氧催化降解卤代烃的第一步激活反应与甲苯的激活反应类似，以C-X键的断裂开始。二氯甲烷、四氯乙烯和氯甲苯等卤代烃中卤素的主要产物为HCl和HClO。

通过负载有催化剂的蜂窝载体对臭气进行吸附缓冲(即臭气进入催化剂100中)，再通过总量足够冗余的臭氧在蜂窝载体负载的催化剂的催化作用下将臭气中的各种成分进行催化氧化分解，从而转化为无毒无臭的物质排放到大气中。冗余的臭氧在催化剂的作用下分解为清洁的氧气排放。该方法具有臭气降解速度快、转化率高、无二次污染、效果持久且易于再生循环使用等优势，另外还能够应对臭气浓度动态范围大的特点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种催化剂载体骨架，其特征在于，包括：

骨架主体(10)，所述骨架主体(10)形成有多个板型安装位(11)，各个所述板型安装位(11)依次相邻布置，且相邻的两个所述板型安装位(11)之间相互连通，多个所述板型安装位(11)用于安装填充催化剂(100)，且相邻的催化剂(100)之间间隔一个所述板型安装位(11)；

外壳(20)，所述外壳(20)包裹于所述骨架主体(10)上，所述外壳(20)形成有相对布置的入口端(21)和出口端(22)；

多个密封挡板(30)，所述多个密封挡板(30)分别设置在未安装填充所述催化剂(100)的所述板型安装位(11)的所述入口端(21)或所述出口端(22)，且各个所述密封挡板(30)的两端与所述外壳(20)之间均密封相接，且多个所述密封挡板(30)在所述入口端(21)和所述出口端(22)呈依次交替设置，相邻两个所述密封挡板(30)之间安装填充有催化剂(100)。

2.如权利要求1所述的催化剂载体骨架，其特征在于，相邻的两个所述板型安装位(11)之间通过格栅件相互连通设置。

3.如权利要求2所述的催化剂载体骨架，其特征在于，每个所述格栅件上间隔地设置有多个导向安装条(12)，同一水平高度且位于同一所述板型安装位(11)中的两个所述导向安装条(12)形成支撑所述催化剂(100)的承载轨道，且所述催化剂(100)均由所述承载轨道的入口端进行依次填充安装。

4.如权利要求3所述的催化剂载体骨架，其特征在于，每个所述导向安装条(12)与相应的所述格栅件上的相应栅条对应设置。

5.如权利要求3所述的催化剂载体骨架，其特征在于，所述催化剂载体骨架还包括多个催化剂固定挡条(40)，所述多个催化剂固定挡条(40)连接在所述入口端(21)的相应所述骨架主体(10)上，各所述催化剂固定挡条(40)用于止挡相应的所述板型安装位(11)中的所述催化剂(100)。

6.如权利要求5所述的催化剂载体骨架，其特征在于，各个所述催化剂固定挡条(40)的两端均通过螺栓连接于所述骨架主体(10)上。

7.一种催化反应床，其特征在于，所述催化反应床包括催化剂(100)和权利要求1至6中任一项所述的催化剂载体骨架(200)，所述催化剂(100)安装于所述催化剂载体骨架(200)中，且相邻的两个板型安装位(11)中的催化剂(100)之间间隔一个所述板型安装位(11)。