CN208553746U

CN208553746U - 一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置

Info

Publication number: CN208553746U
Application number: CN201820713235.9U
Authority: CN
Inventors: 刘楠; 杨海龙; 李营营; 王湛秋; 古德宁; 刘杨; 赵继红
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2028-05-14

Abstract

本实用新型公开了一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，将气路控制装置、分布式光催化反应器、工艺参数监控等辅助装置进行集成。在通过PLC对输入有机废气进行精确控制；利用太阳能光电转化为光催化核心装置之一的紫外光源供电，降低反应器运行过程能耗；布置温控、泄漏检测等辅助装置提高有机废气处理过程安全性。解决了传统光催化反应器需额外提供能量、光能有效利用率低、控制精度有限、运行成本高，企业主难以接受等问题。本实用新型设计的光催化降解有机废气装置，将传统的供电方式转变为太阳能供电，均匀分布的反应管显著提高了紫外光能量利用效率，有机污染物降解效率大大提高。

Description

一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置

技术领域

本实用新型涉及环境污染治理设备领域，具体为一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置。

技术背景

随着工业化、城市化进程的快速推进，空气污染日趋严重，给人体健康带来严重危害。其中工业生产释放的含挥发性有机(volatile organic compounds,VOCs)废气造成的环境污染问题日益严重。VOCs可导致光化学烟雾，同时也是生成PM_2.5主要前驱物。它是石化、涂装、印刷、电子制造、制鞋、交通运输以及各类化工生产过程中废气排放的主要污染因子。对于上述行业中产生的高浓度(>2000mg·m^-3)含VOCs废气，宜采用吸附、冷凝等回收技术加以循环利用。对于中、低浓度(<1000mg·m^-3)含VOCs气体将其降解是较好的治理办法。常用的VOCs降解技术有燃烧、光催化、生物法、等离子体技术等。焚烧技术包括催化燃烧和高温焚烧装置。国外多采用吸附浓缩+蓄热催化燃烧(RCO)技术，净化效率高，运行稳定，但设备费用较高。等离子体技术降解有机废气，设备简单，管理方便，但易产生二次污染，对目标污染物降解不彻底的弊端。

光催化降解技术是作为光催化剂的半导体材料被激发出光生电子，利用催化剂的光催化活性，氧化吸附在催化剂表面的目标污染物，以实现VOCs的降解。常见的光催化剂主要有金属氧化物和金属硫化物，如TiO₂、Fe₂O₃和PbS等。由于TiO₂具有较高的催化活性，且价廉无毒，所以TiO₂是目前最常用的光催化剂之一。光催化技术尤其适于处理低浓度、大风量气体，可在保证净化效率的前提下，解决现有有机废气治理技术存在的二次污染、降解产物不彻底等问题，因此该工艺被认为是有机废气污染控制领域中极具发展前途的高新技术之一。

另外，光催化技术的核心之一是反应器，其将直接影响有机废气处理效率和甲方企业对该技术的接受程度。目前的光催化有机废气处理装置均存在：①运行成本昂贵，②光能利用效率低，③安全性能待提高，④反应控制精度有限等缺点，无法满足当前实验室和实际工程中有机废气处理需求。因此，开发和设计一种在高效降解有机废气的前提下反应控制精度高、运行成本低、光能利用效率高的光催化反应装置具有重要现实意义。

实用新型内容

为克服背景技术中现有光催化反应装置及技术中的不足，本实用新型提供了一种基于高效利用太阳能实现光电转化，自动精确控制进气流量的可高效降解挥发性有机污染物的分布式光催化废气处理装置及其使用方法，从而实现降低光催化技术运行成本的目的。

本实用新型提供如下技术方案：

一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，包括气路控制装置、与气路控制装置连接的分布式光催化反应器、与分布式光催化反应器连接的用于工艺参数监控的辅助装置；所述的分布式光催化反应器包括底部装有固定支架、内部装有夹套的反应器壳体，反应器壳体外包裹的太阳能光伏板，反应器壳体内部六根圆周分布的石英反应管，设置在分布式光催化反应器中心与太阳能光伏板相连的紫外光源，与太阳能光伏板相连的蓄电池，与紫外光源相连的应急交流电源接口；

所述的气路控制装置包括由PLC控制的三通电磁阀以及与三通电磁阀连接的气体质量流量计，用于精确控制进入分布式光催化反应器的待处理气体流量，气体质量流量计与①号石英反应管上口相连；

所述的分布式光催化反应器呈圆柱型，反应器壳体下部装有固定支架，反应器壳体内部设置有圆柱型夹套隔板，反应器壳体外壁的上部、下部分别对应设有进水管、出水管，可通入冷却循环水于反应器壳体与夹套隔板之间，从而为石英反应管和太阳能光伏板降温；反应器壳体内壁涂装反光材料，以利于太阳光利用效率的提高。

作为优先方案：所述的反应器壳体及其内部的六根反应管为石英材质。

作为优先方案：所述的反应器壳体顶部中心设置一个圆孔，用于装入紫外光源，周围圆周分布六个圆孔，用于固定石英反应管；所述反应器壳体底部均匀分布六个圆孔，与顶部六个圆孔相对应，用于固定石英反应管。

作为优先方案：所述的太阳能光伏板粘附于反应器壳体外壁，同时太阳能光伏板与蓄电池相连，以贮存光电转化过程产生的多余电能；蓄电池与PLC相连同时留有交流电源接口，当蓄电池因太阳能供电不足因素导致蓄电池电量小于20％时，则启动交流电源为其补充电量，当充电达到50％电量时则自动断电。

作为优先方案：紫外光源是采用20-25W紫外灯，20-25W紫外灯作为光源用于提供紫外光，与蓄电池相连的紫外灯放入上盖板中央圆孔，以便所有石英反应管中光催化剂均可接受光照。

作为优先方案：有机废气通过气路控制装置进入反应管中；六根反应管中均可填装或涂布不同类型催化剂，反应管可利用硅胶管针对不同类型废气及处理工艺要求采用并、串联连接方式，均匀分布的反应管可实现紫外光能量的有效利用。

作为优先方案：所述辅助装置包括数字时间控制器、智能数字温控器、压降传感器和有害气体泄漏报警器；上述辅助装置均通过线路与PLC相连，实时记录相关数据并可于PC端显示。

基于上述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，还提供一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置的使用方法，包括以下步骤：

a.根据分布式光催化反应器的需求，将分布式光催化反应器置于阳光下，通过加载不同类型催化剂，从而可处理不同浓度的含VOCs废气；

b.打开气体质量流量计，精确控制气源流量大小；接入气源，气体通过管路通过三通电磁阀进入质量流量计；根据质量流量计数据通过PLC调节气路控制单元，自动控制气体进入光催化反应管；

c.将制备的催化剂通过各石英反应管上口填加或涂布于各反应管中，填加填料高度约为反应管高度2/3；

d.组装分布式光催化反应器光电转化部分，将多晶硅太阳能光伏板粘附于反应器壳体外壁，同时太阳能光伏板与蓄电池相连，蓄电池同时与紫外灯管连接；

e.组装分布式光催化反应器管路，将6根反应管依次放入圆形固定套管中，分别编号为①-⑥，①号反应管上口为有机废气进气口，依次用硅胶管将6根反应管进行U型串联或组合并联；根据反应管组合方式设置⑥号反应管上口或下口为降解后废气出口；反应器壳体外壁的上部、下部分别对应设有进水管、出水管，可通入冷却循环水于反应器壳体与夹套隔板之间，反应器壳体内壁涂装反光材料；

f.辅助装置均设置于反应管路上；该辅助装置包括数字时间控制器、智能数字温控器、压降传感器和有害气体泄漏报警器；上述辅助装置均通过线路与PLC相连，实时记录相关数据并可于PC端显示；数字时间控制器用于设定系统运行的起止时间并反馈至PLC，则PLC可在相应时间控制三通电磁阀和蓄电池的启闭；当PLC收集到智能数字温控器监测反应管中温度数据超过设定值时，则反馈蓄电池降低紫外灯输出电流，并记录相关数据显示于PC端；当PLC收集到压降传感器监测反应管中压降数据超过设定值时，则反馈三通电磁阀和气体质量流量计临时减少进入反应管流量，并记录相关数据显示于PC端；当有害气体泄漏报警器监测到本装置周围环境空气中有毒有害物质浓度超过设定值时，自动报警并反馈PLC记录相关数据显示于PC端。

作为优先方案：所述的中试装置进口废气中VOCs浓度不超过1000mg·Nm^-3；所述的分布式光催化反应器中压降不超过1000Pa；有机废气处理最大风量300L·h^-1；反应温度条件为30-35℃。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型装置集气体流量精确控制、光电高效转化、废气反应均匀分布、温度、时间控制于一体，具有节能降耗，降低运行成本、精度高、安全性能优良等明显优势，解决了传统光催化反应器需额外提供能量、光能有效利用率低、控制精度有限、运行成本高，企业主难以接受等问题。总体来讲，本实用新型所提供的光催化反应器具有节能降耗，降低运行成本、安全性能高等优势，可满足实验室和企业有机废气处理需求，满足国内主要行业VOCs控制的相关要求。

附图说明

图1为本实用新型的整体装置示意图；

图2为图1中部分装置俯视图；

附图标注为：PLC(1)、三通电磁阀(2)、气体质量流量计(3)、①号石英反应管上口(4)、固定支架(5)、夹套隔板(6)、进水管(7)、出水管(8)、反光材料 (9)、反应管(10)、紫外灯管(11)、太阳能光伏板(12)、蓄电池(13)、交流电源接口(14)、催化剂(15)、数字时间控制器(16)、智能数字温控器(17)、压降传感器 (18)、有害气体泄漏报警器(19)、PC(20)、⑥号反应管上口(21)、⑥号反应管下口(22)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本实用新型做进一步说明：

整个系统的单元结构和连接需要再叙述一遍，结合附图1～2。

一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其使用方法包括以下步骤：

a.根据分布式光催化反应器的需求，将分布式光催化反应器置于阳光下，通过加载不同类型催化剂15，从而可处理不同浓度的含VOCs废气；

b.打开气体质量流量计3，精确控制气源流量大小；接入气源，气体通过管路通过三通电磁阀2进入质量流量计3；根据质量流量计3数据通过PLC1调节气路控制单元，自动控制气体进入光催化反应管10；

c.将制备的催化剂15通过各石英反应管10上口填加或涂布于各反应管10中，填加填料高度约为反应管10高度2/3；

d.组装分布式光催化反应器光电转化部分，将多晶硅太阳能光伏板12粘附于反应器壳体外壁，同时太阳能光伏板12与蓄电池13相连，蓄电池13同时与紫外灯管11连接；

e.组装分布式光催化反应器管路，将6根反应管10依次放入圆形固定套管中，分别编号为①-⑥，①号反应管上口4为有机废气进气口，依次用硅胶管将6根反应管10进行U型串联或组合并联；根据反应管10组合方式设置⑥号反应管上口21或下口22为降解后废气出口；反应器壳体外壁的上部、下部分别对应设有进水管7、出水管8，可通入冷却循环水于反应器壳体与夹套隔板6之间，反应器壳体内壁涂装反光材料9；

f.辅助装置均设置于反应管路上；该辅助装置包括数字时间控制器16、智能数字温控器17、压降传感器18和有害气体泄漏报警器19；上述辅助装置均通过线路与PLC1相连，实时记录相关数据并可于PC20端显示；数字时间控制器16用于设定系统运行的起止时间并反馈至PLC1，则PLC1可在相应时间控制三通电磁阀2和蓄电池13的启闭；当PLC1收集到智能数字温控器17监测反应管10中温度数据超过设定值时，则反馈蓄电池13降低紫外灯11输出电流，并记录相关数据显示于PC20端；当PLC1收集到压降传感器18监测反应管10中压降数据超过设定值时，则反馈三通电磁阀2和气体质量流量计3临时减少进入反应管10流量，并记录相关数据显示于PC20端；当有害气体泄漏报警器19监测到本装置周围环境空气中有毒有害物质浓度超过设定值时，自动报警并反馈PLC1记录相关数据显示于PC20端。

待评价光催化有机废气处理装置中的主要反应为：

所述的步骤b分布式光催化反应器中进口废气中VOCs浓度不超过1000mg·Nm^-3；

所述的分布式光催化反应器中压降不超过1000Pa；

有机废气处理最大风量300L·h^-1。

反应温度条件为30-35℃。

一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其设计制造方法包括以下步骤：

本光催化反应装置由气体控制单元、石英固定套管、石英反应管10、光电转化系统和辅助装置五部分组成。石英反应管10中填装或涂布光催化剂15，有机废气从中通过。石英固定套管用于封装石英反应管10，其中套管内壁设置夹层用于冷却水循环，外壁粘附多晶太阳能硅光伏板12。

气体控制单元由三通电磁阀2及其后接气体质量流量计3组成，气体质量流量计3(量程0-5L·min^-1)与①号反应管上口4相连，三通电磁阀2和气体质量流量计3均受PLC1控制。

石英固定套管包括管体和支架两部分。管体高370mm，底部支架高100mm。管体为双圆柱套管，外层外径d＝150mm，内径d＝120mm，外层壁厚d＝3mm，中间为夹套，夹层厚度d＝24mm，用于冷却水循环对反应器和光伏板12降温。壳体外壁上部和下部分别设有进水管7和出水管8。套管内层内壁涂装反光材料9。内层石英固定套管底部和顶部对应均匀开孔，开孔数目为6个，孔径d＝12mm。顶部中央开孔，开孔数目1个，孔径d＝44mm，用于放置紫外灯11光源。

石英反应管10管体长325mm，壁厚2mm。两端塑胶软管接口长20mm，接口管内径 d＝8mm，石英反应管10总长365mm。将6根反应管10依次放入圆形固定套管中，分别编号为①-⑥，①号反应管上口4为有机废气进气口，依次用硅胶管将6根反应管10进行U型串联或组合并联，⑥号反应管下口22为降解后废气出口。

光电转化系统中20W太阳能光伏板12粘附于反应器壳体外壁，同时太阳能光伏板12 与12V蓄电池13相连，以贮存光电转化过程产生的多余电能，20-25W紫外灯11作为光源用于提供紫外光，与12V蓄电池13相连的紫外灯11放入上盖板中央圆孔，以便所有石英反应管10中光催化剂15均可接受光照。12V蓄电池13同时留有交流电源接口14，以防天气等客观因素导致太阳能转化电能不足时亦不影响反应器正常工作。

辅助装置中数字时间控制器16和有害气体泄漏报警器19布置于固定套管，智能数字温控器17和压降传感器18分别布置于①号和⑥号反应管，数据记录分析于终端PC20，以实时监控本装置运行状态。

2.基于光电转化的分布式光催化废气处理装置安装调试

(a)向反应管10内填装光催化剂15；

(b)将光催化反应器与气源相连；

(c)连接相关压差计探头，温度探头等辅助装置；

(d)密封性试验，在较宽操作参数范围内检查光催化反应器漏气情况；

(e)启动光电转化系统；

(f)调试光催化废气处理装置内相关参数变化，使其达到最优工作条件。

3.动态尾气净化处理

实施例1

反应器为常温条件下，将分别含有412mg·Nm^-3和550mg·Nm^-3二甲苯和乙酸乙酯混合模拟废气200L·h^-1通入内置催化剂15的分布式光催化反应器内，运行5h，检测已净化的尾气，结果为：二甲苯和乙酸乙酯去除效率分别为78.4％和90.7％。

实施例2

反应器为常温条件下，将平均温度20℃含有241mg·Nm^-3甲硫醇模拟废气60L·h^-1通入内置催化剂15的分布式光催化反应器内，运行3h，检测反应器出口尾气，结果为：甲硫醇去除效率为78.4％。

实施例3

反应器为常温条件下，将平均温度20℃含有488mg·Nm^-3二甲苯模拟废气120L·h^-1通入内置催化剂15的分布式光催化反应器内，运行3h，检测反应器出口尾气，结果为：二甲苯去除效率为86.9％。

本实用新型所提供的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，将气路控制装置、分布式光催化反应器、工艺参数监控等辅助装置进行集成，从而实现了通过PLC1对输入有机废气进行精确控制；利用太阳能光电转化为光催化核心装置之一的紫外光源供电，降低反应器运行过程能耗；均匀分布的反应管10实现紫外光能量的有效利用；布置温控、泄漏检测等辅助装置提高有机废气处理过程安全性等。总体来讲，本实用新型所提供的光催发反应器具有节能降耗，降低运行成本、安全性能高等优势，可满足多种不同类型的实验和工程需求。

以上实施案例仅用于说明本实用新型的优选实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，包括气路控制装置、与气路控制装置连接的分布式光催化反应器、与分布式光催化反应器连接的用于工艺参数监控的辅助装置；所述的分布式光催化反应器包括底部装有固定支架(5)、内部装有夹套的反应器壳体，反应器壳体外包裹的太阳能光伏板(12)，反应器壳体内部六根圆周分布的石英反应管(10)，设置在分布式光催化反应器中心与太阳能光伏板(12)相连的紫外光源(11)，与太阳能光伏板(12)相连的蓄电池(13)，与紫外光源(11)相连的应急交流电源接口(14)；

所述的气路控制装置包括由PLC(1)控制的三通电磁阀(2)以及与三通电磁阀(2)连接的气体质量流量计(3)，用于精确控制进入分布式光催化反应器的待处理气体流量，气体质量流量计(3)与①号石英反应管上口(4)相连；

所述的分布式光催化反应器呈圆柱型，反应器壳体下部装有固定支架(5)，反应器壳体内部设置有圆柱型夹套隔板(6)，反应器壳体外壁的上部、下部分别对应设有进水管(7)、出水管(8)，可通入冷却循环水于反应器壳体与夹套隔板(6)之间，从而为石英反应管(10)和太阳能光伏板(12)降温；反应器壳体内壁涂装反光材料(9)，以利于太阳光利用效率的提高。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，所述的反应器壳体及其内部的六根反应管(10)为石英材质。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，所述的反应器壳体顶部中心设置一个圆孔，用于装入紫外光源(11)，周围圆周分布六个圆孔，用于固定石英反应管(10)；所述反应器壳体底部均匀分布六个圆孔，与顶部六个圆孔相对应，用于固定石英反应管(10)。

4.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，所述的太阳能光伏板(12)粘附于反应器壳体外壁，同时太阳能光伏板(12)与蓄电池(13)相连，以贮存光电转化过程产生的多余电能；蓄电池(13)与PLC(1)相连同时留有交流电源接口(14)，当蓄电池(13)因太阳能供电不足因素导致蓄电池(13)电量小于20％时，则启动交流电源为其补充电量，当充电达到50％电量时则自动断电。

5.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，紫外光源(11)是采用20-25W紫外灯，20-25W紫外灯作为光源用于提供紫外光，与蓄电池(13)相连的紫外光源(11)放入上盖板中央圆孔，以便所有石英反应管(10)中光催化剂(15)均可接受光照。

6.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，有机废气通过气路控制装置进入反应管(10)中；六根反应管(10)中均可填装或涂布不同类型催化剂(15)，反应管(10)可利用硅胶管针对不同类型废气及处理工艺要求采用并、串联连接方式，均匀分布的反应管(10)可实现紫外光能量的有效利用。

7.根据权利要求1所述的一种基于光电转化的分布式光催化废气处理装置，其特征在于，所述辅助装置包括数字时间控制器(16)、智能数字温控器(17)、压降传感器(18)和有害气体泄漏报警器(19)；上述辅助装置均通过线路与PLC(1)相连，实时记录相关数据并可于PC(20)端显示。