CN217425194U - 一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于VOCs催化氧化技术领域，提供了一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，包括生成VOCs气体的VOCs发生模块；生成水蒸气的水蒸气发生模块；气体混合模块：包括气体静态混合器、温湿度传感器、VOCs气体浓度检测仪、信号转换中心以及PLC控制中心；PLC控制中心通过温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪对混合预处理过程中的VOCs气体浓度、湿度及温度进行实时检测与自动控制；用于催化氧化反应的催化反应模块；对催化氧化反应后的气体进行冷凝、干燥以及组分浓度检测的尾气处理模块。本实用新型实现了对催化氧化反应气体的温度、湿度及浓度的高精度和高稳定性的实时检测和智能化控制，进而提升VOCs催化氧化效率和反应的稳定性。

Description

一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置

技术领域

本实用新型涉及VOCs催化氧化技术领域，尤其涉及一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置。

背景技术

挥发性有机化合物(VOCs，Volatile Organic Compounds)是一类通常在101kPa时沸点低于373.15K的有机化合物，而新的研究表明，VOCs已经成为我国大部分地区光化学烟雾形成的决定性前驱物。VOCs种类很多，是有机化工、石油化工、涂料、制药、制鞋、油漆、印刷、电子等行业排放的最常见的有机污染物。

目前VOCs废弃处理技术主要包括生物处理法、吸附法、脉冲电晕法、冷凝法、膜分离法、光催化氧化法和氧化法。其中冷凝发主要适合回收顶挥发性和高浓度的有机物，一般用于各种净化方法的前处理阶段。吸附法是处理低浓度VOCs的有效方法之一，它是通过吸附剂对VOCs进行吸附净化，但因吸附脱附工序较复杂，且吸附剂的费用较高，限制了其广泛应用。氧化法包括热力燃烧法和催化燃烧法。其中催化氧化技术可以降低VOCs的活化能，从而降低氧化反应温度，使得有机物废气在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，即可实现催化氧化反应。

大量研究表明，催化剂在实际工业中催化燃烧VOCs应用时，其活性会受到水蒸气浓度的影响。废气中的水蒸气主要来自于以下两个方面：其一是废气吸收环境大气中的水蒸气(自身所包含的水分)，二是直接燃烧或催化燃烧反应过程中产生的水蒸气。水蒸气对催化剂活性的影响通常具有双面性：加入适量的水可以促进催化剂表面氯物种的去除，从而抑制含氯副产物的形成，提高催化剂的活性，但加入过量的水，水分子的氢氧根离子会与VOCs分子在催化剂表面活性位上产生竞争吸附，覆盖催化剂表面活性位点，从而降低了催化剂活性。总之，在VOCs催化燃烧过程中，反应气体的氛围是非常关键的因素。因此，在工业应用的VOCs催化燃烧处理设计中，水蒸气的影响是不能忽视的。

而VOCs进气质量浓度、温度以及气体中水蒸气含量(湿度)是影响催化剂活性的主要因素。但由于原有的VOCs催化氧化装置只是通过一定流量的载气将VOCs气体和水蒸气从发生器中带出，反应气体进行混合升温预处理之后，进入到催化氧化反应装置中，未进行智能化调控，从而使得产生的反应气体的浓度、湿度、温度等均存在稳定较差的问题，从而使得VOCs催化氧化评价准确度降低，影响催化效果的判定。

实用新型内容

因此，针对上述现有技术中VOCs催化氧化装置存在VOCs气体浓度、温度及湿度控制不佳、自动化水平低的技术问题，本实用新型专利对VOCs催化氧化装置中的气体发生系统、气体混合系统进行了系统性的改进，以实现对催化氧化反应气体的温度、湿度及浓度的高精度和高稳定性的实时检测和智能化控制，进而提升VOCs催化氧化效率和反应的稳定性。

具体的，主要通过以下技术方案来实现：

一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，包括：

VOCs发生模块：包括第一推进器、第一注射针和VOCs发生器，通过所述第一推进器和第一注射针将VOCs注射到VOCs发生器里，生成VOCs气体；

水蒸气发生模块：包括第二推进器、第二注射针和水蒸气发生器，通过所述第二推进器和第二注射针将水注射到水蒸气发生器里，生成水蒸气；

气体混合模块：包括气体静态混合器、温湿度传感器、VOCs气体浓度检测仪、信号转换中心以及PLC控制中心，设置于所述气体静态混合器内部的所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪分别与所述信号转换中心输入端连接，其输出端与所述PLC控制中心连接，所述信号转换中心用于将所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪传回的检测数据信号转化为电信号并反馈给所述PLC控制中心；所述生成的VOCs气体和水蒸气在气体静态混合器中进行混合预处理，所述PLC控制中心通过所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪对混合预处理过程中的VOCs气体浓度、湿度及温度进行实时检测与自动控制；所述第一推进器远离所述第一注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第一注射针的进口端连接，所述第一注射针的出口端与VOCs发生器进口端连接，所述VOCs发生器出口端与所述气体静态混合器的进气端连接；所述第二推进器远离所述第二注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第二注射针的进口端连接，所述第二注射针的出口端与水蒸气发生器进口端连接，所述水蒸气发生器出口端与所述气体静态混合器的进气端连接；

催化反应模块：所述催化反应模块的进气端与所述气体静态混合器的出气端连接，用于将混合预处理后的气体进行催化氧化反应；

尾气处理模块：所述催化反应模块的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接，所述尾气处理模块用于对催化氧化反应后的气体进行冷凝、干燥以及组分浓度检测。

优选地，所述VOCs发生模块还包括恒温箱，第一推进器和第一注射针设置于所述恒温箱内部，所述第一注射针的出口端通过毛细管穿过所述恒温箱与恒温箱外的VOCs发生器进口端连接。

优选地，所述催化反应模块具体包括：微型固定床加热炉，设置于所述微型固定床加热炉中的内径为12mm的石英玻璃管，所述石英玻璃管内置一石英砂芯板，所述石英玻璃管中还放置有催化剂，在催化剂上下两侧均放置钝化过的石英棉，在所述微型固定床加热炉内部靠近催化剂上方还设置有温度传感器，所述温度传感器的头端靠近催化剂上方的位置；所述石英玻璃管的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接。

优选地，所述石英玻璃管的出气端包括第一出气端和第二出气端；所述尾气处理模块包括第一尾气处理装置和第二尾气处理装置；所述第一出气端与所述第一尾气处理装置的进气口连接，所述第二出气端与所述第二尾气处理装置的进气口连接；所述第一尾气处理装置包括冷凝瓶、冷阱、干燥管和尾气检测装置，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述尾气检测装置连接；所述第二尾气处理装置包括红外光谱检测仪和气相色谱质谱仪，用于对尾气中有机组分进行检测。

优选地，所述气体静态混合器内还装有温度控制仪，用于控制催化反应过程中催化温度和升温速率的调节。

优选地，所述装置还包括一冷凝系统，该冷凝系统包括冷凝瓶、冷阱和干燥管，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述催化反应模块的进气端连接，所述冷凝瓶的进气端与所述气体静态混合器的出气端连接，在所述气体静态混合器的出气端与所述冷凝瓶的进气端之间连接的管道中还设置一阀门，当所述冷凝系统中的气体形成稳定流后，关闭该管道阀门。

优选地，所述装置还包括空气存储系统和氮气存储系统，用作产生载气，通过一定流量的载气将产生的VOCs气体和水蒸气带出，通入到所述气体混合模块中进行混合预处理。

本实用新型专利相较于现有技术具有以下有益效果：

对VOCs催化氧化装置中的气体发生系统、气体混合系统进行了系统性的改进，在所述气体静态混合器内部设置所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪，实时检测用于催化氧化的反应气体的温湿度和浓度，并利用PLC自动化控制系统，通过与设定最优值做比较，对VOCs发生模块和水蒸气发生模块的推进器和注射针的推进速度、温度控制仪进行控制，使其对反应气体的温度、湿度和浓度做出调整，从而实现对反应气体的温度、湿度和浓度自动化整体控制，形成具有持续、均匀、稳定的温度、湿度和浓度的反应气体流进入到催化反应模块，使得催化反应更稳定，提升VOCs催化氧化评价准确度。

附图说明

1、图1为本实用新型实施例提供的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置的结构示意图；

附图标识：

1-进气口，2-质量流量计，3-恒温箱，4-第一推进器，5-第一注射针，41-第二推进器，51-第二注射针，6-VOCs发生器，61-水蒸气发生器，7-超均匀气体静态混合室，8-温湿度传感器，9-VOCs气体浓度检测仪，10-信号转换器，11-PLC控制中心，12-冷凝瓶，13-冷阱，14-微型固定床加热炉，15-石英砂芯板，16-石英玻璃管，17-温度传感器，18-开关控制阀，19-尾气检测装置，20-蠕动泵，21-干燥管，22-气袋。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本实用新型的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。

如图1所示，本实用新型公开了一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，包括

VOCs发生模块：包括第一推进器4、第一注射针5和VOCs发生器6，通过所述第一推进器和第一注射针将VOCs注射到VOCs发生器里，生成VOCs气体。

水蒸气发生模块：包括第二推进器41、第二注射针51和水蒸气发生器61，通过所述第二推进器和第二注射针将水(优选去离子水)注射到水蒸气发生器里，生成水蒸气。

所述VOCs发生模块、水蒸气发生模块、空气存储系统和氮气存储系统共同组成气体发生系统，空气存储系统和氮气存储系统用于产生载气，由进气口1进入，并通过质量流量计2控制载气的流量。当VOCs发生模块产生VOCs气体后，由一定流量的载气将其带出，通入气体混合模块；当水蒸气发生模块产生水蒸气后，由一定流量的载气将其带出，通入气体混合模块。关于载气的流量控制此处不作限定，以实际应用场景进行适应性设置。

气体混合模块：包括超均匀气体静态混合室7、温湿度传感器8、VOCs气体浓度检测仪9、信号转换器10、PLC控制中心11、开关控制阀18。

设置于所述超均匀气体静态混合室7内部的所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪分别与所述信号转换器输入端连接，其输出端与所述PLC控制中心连接，所述信号转换器用于将所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪传回的检测数据信号转化为电信号并反馈给所述PLC控制中心；所述生成的VOCs气体和水蒸气在超均匀气体静态混合室7中进行混合预处理，所述PLC控制中心通过所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪对混合预处理过程中的VOCs气体浓度、湿度及温度进行实时检测，包括状态检测、数据采集、数值给定、控制运行和人机接口。具体的，主要由PLC(可编程序控制器)、过程检测仪表、人机接口设备组成。运用计算机系统、通讯设备的远程信号传输、处理和储存，对多组分VOCs催化氧化系统进行智能调控。过程检测仪表包括：温湿度检测仪、温度传感仪和VOCs浓度检测仪。

所述PLC控制中心接收到所述信号转换器反馈的电信号时，通过将实时检测数据与反应气体的温度、湿度和浓度与预先设定值最优值做对比，将调节信号反馈给执行器，执行器对被控对象第一推进器4和第二推进器41、温度控制仪(用于控制催化反应过程中催化温度和升温速率的调节)进行控制。具体的，通过控制第一推进器4和第二推进器41的推进速度来控制VOCs气体的浓度以及水蒸气浓度，以及，通过温度控制仪调节气体温度，从而实现对反应气体湿度、浓度以及温度的自动化整体控制，从而形成具有持续、均匀、稳定的温度、湿度和浓度的反应气体流进入到催化反应模块，使得催化反应更稳定，提升VOCs催化氧化评价准确度。具体的，判断检测的反应气体的温度、湿度和浓度是否在预先设定的最优值范围内，若否，则调节第一推进器4和第二推进器41的推进速度来控制VOCs气体的浓度以及水蒸气浓度，以及，通过温度控制仪调节气体温度，直至判断到检测的反应气体的温度、湿度和浓度在预先设定的最优值范围内，若是，则保持第一推进器4和第二推进器41的推进速度，同时保持气体温度范围值，以满足检测的反应气体的温度、湿度和浓度在预先设定的最优值范围内。

需要说明的是，所述第一推进器远离所述第一注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第一注射针的进口端连接，所述第一注射针的出口端与VOCs发生器进口端连接，所述VOCs发生器出口端与所述超均匀气体静态混合室7的进气端连接；所述第二推进器远离所述第二注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第二注射针的进口端连接，所述第二注射针的出口端与水蒸气发生器进口端连接，所述水蒸气发生器出口端与所述超均匀气体静态混合室7的进气端连接。超均匀气体静态混合室7为内部装有依据不同角度放置的混合元件的静态混合装置，该混合元件可为金属或者陶瓷。

催化反应模块：所述催化反应模块的进气端与所述气体静态混合器的出气端连接，用于将混合预处理后的气体进行催化氧化反应；

尾气处理模块：所述催化反应模块的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接，所述尾气处理模块用于对催化氧化反应后的气体进行冷凝、干燥以及组分浓度检测。

需要说明的是，VOCs发生器6和水蒸气发生器61由高精控温的微型加热器和具有稳流、混气功能的气化管组成。由推进器输送过来的液体，经气化管中的稳流元件，使其流出保持连续性，避免了传统滴入式气化方式，提高了所生成VOCs、水蒸气等气体浓度的稳定性。此外，气化管内部装有具有钝化后的混合粒子，可在短时间内迅速混匀所生成气体组分，提高浓度稳定性。

在一个优选地实施例中，所述VOCs发生模块还包括恒温箱3，第一推进器和第一注射针设置于所述恒温箱内部，所述第一注射针的出口端通过毛细管穿过所述恒温箱与恒温箱外的VOCs发生器进口端连接。将第一推进器和第一注射针设置于所述恒温箱中，避免有机液体的体积受环境改变的影响。

在一个优选地实施例中，催化反应模块包括微型固定床加热炉14，设置于所述微型固定床加热炉中的内径为12mm的石英玻璃管16，所述石英玻璃管内置一石英砂芯板15，所述石英玻璃管中还放置有催化剂，在催化剂上下两侧均放置钝化过的石英棉，防止催化剂反应过程中产生的残渣及其它杂质进入到石英管的细口处，堵塞反应气体通道，也可以防止玻璃衬管内壁被碳化后的样品及其它杂质覆盖，经常更换石英棉，对玻璃衬管具有保护作用。

在管式加热炉石英管的内部还放置有温度传感器17，其头端临近催化剂上方，以更好地反映和控制催化温度。

所述石英玻璃管的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接。

在一个优选地实施例中，所述石英玻璃管16的出气端包括第一出气端和第二出气端；所述尾气处理模块包括第一尾气处理装置和第二尾气处理装置；所述第一出气端与所述第一尾气处理装置的进气口连接，所述第二出气端与所述第二尾气处理装置的进气口连接。

所述第一尾气处理装置包括冷凝瓶12、冷阱13、干燥管21和尾气检测装置19，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述尾气检测装置连接；所述第二尾气处理装置包括红外光谱检测仪和气相色谱质谱仪，用于对尾气中有机组分进行检测。

具体的，通过控制开关控制阀18，可控制气体直接进入红外光谱检测仪和气相色谱质谱仪(GC-MS)，即第二尾气处理装置进行反应尾气的组分检测。也可控制将石英管中催化氧化反应的尾气通过带有阀门控制的管路进入到第一尾气处理装置，将反应尾气中的水蒸气冷凝收集后，进入干燥管进行干燥，干燥后的气体再进入尾气检测装置19进行浓度检测，尾气检测装置19可以包括CO和CO2浓度检测仪，C12和HCI浓度检测仪，实现对尾气中的C12和HCl浓度、CO和CO2浓度进行检测。另外，还包括蠕动泵20和气袋22，蠕动泵20用于推动压缩反应尾气进入第一尾气处理装置中，气袋22用于回收组分检测评价不合格的尾气，避免污染环境。

在一个优选地实施例中，所述装置还包括一冷凝系统，该冷凝系统包括冷凝瓶12、冷阱13和干燥管21，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述催化反应模块的进气端连接，所述冷凝瓶的进气端与所述超均匀气体静态混合室7的出气端连接，在所述超均匀气体静态混合室7的出气端与所述冷凝瓶的进气端之间连接的管道中还设置一开关控制阀18，当所述冷凝系统中的气体形成稳定流后，关闭该管道的开关控制阀18。

在一个优选地实施例中，从恒温箱3出来的气体管路和超均匀气体静态混合室7出口端相连的气体管路均用伴热带包裹。

本实用新型专利利用PLC自动控制系统，可以预先有效调节反应气体的温度、湿度和浓度，解决了传统VOCs发生系统中浓度及温湿度调节滞后所引起的催化氧化反应不稳定问题，使反应氛围的调节更加方便、快捷、准确，使催化燃烧反应更加稳定、高效；实现了多组分VOCs的催化氧化的智能评价，尾气检测系统中可对多组分VOCs催化氧化尾气进行检测与分析。

本实用新型的工作原理及使用流程如下：安装好该装置后即可对催化剂催化氧化多组分VOCs做评价分析。VOCs和去离子水分别通过第一推进器4(优选为高精密注射针)和第二推进器41以一定流量分别注射到VOCs发生器6和水蒸气发生器61中，产生VOCs气体和水蒸气分别由一定流量的干燥空气将其带出。上述两路气体均通入到超均匀气体静态混合室7中，进行催化反应前反应气体的预处理。第一推进器4(优选为高精密注射针)和第二推进器41分别与PLC控制中心11相连接，第一注射针5通过管道穿过恒温干燥箱3与恒温干燥箱外的VOCs发生器6进口端相连，VOCs发生器6出口端通过带开关控制阀18的管道与超均匀气体静态混合室7进气端相连。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，包括：

VOCs发生模块：包括第一推进器、第一注射针和VOCs发生器，通过所述第一推进器和第一注射针将VOCs注射到VOCs发生器里，生成VOCs气体；

水蒸气发生模块：包括第二推进器、第二注射针和水蒸气发生器，通过所述第二推进器和第二注射针将水注射到水蒸气发生器里，生成水蒸气；

气体混合模块：包括气体静态混合器、温湿度传感器、VOCs气体浓度检测仪、信号转换中心以及PLC控制中心，设置于所述气体静态混合器内部的所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪分别与所述信号转换中心输入端连接，其输出端与所述PLC控制中心连接，所述信号转换中心用于将所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪传回的检测数据信号转化为电信号并反馈给所述PLC控制中心；所述生成的VOCs气体和水蒸气在气体静态混合器中进行混合预处理，所述PLC控制中心通过所述温湿度传感器和VOCs气体浓度检测仪对混合预处理过程中的VOCs气体浓度、湿度及温度进行实时检测与自动控制；所述第一推进器远离所述第一注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第一注射针的进口端连接，所述第一注射针的出口端与VOCs发生器进口端连接，所述VOCs发生器出口端与所述气体静态混合器的进气端连接；所述第二推进器远离所述第二注射针的一端与PLC控制中心连接，另一端与所述第二注射针的进口端连接，所述第二注射针的出口端与水蒸气发生器进口端连接，所述水蒸气发生器出口端与所述气体静态混合器的进气端连接；

催化反应模块：所述催化反应模块的进气端与所述气体静态混合器的出气端连接，用于将混合预处理后的气体进行催化氧化反应；

尾气处理模块：所述催化反应模块的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接，所述尾气处理模块用于对催化氧化反应后的气体进行冷凝、干燥以及组分浓度检测。

2.如权利要求1所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述VOCs发生模块还包括恒温箱，第一推进器和第一注射针设置于所述恒温箱内部，所述第一注射针的出口端通过毛细管穿过所述恒温箱与恒温箱外的VOCs发生器进口端连接。

3.如权利要求1所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述催化反应模块具体包括：微型固定床加热炉，设置于所述微型固定床加热炉中的内径为12mm的石英玻璃管，所述石英玻璃管内置一石英砂芯板，所述石英玻璃管中还放置有催化剂，在催化剂上下两侧均放置钝化过的石英棉，在所述微型固定床加热炉内部靠近催化剂上方还设置有温度传感器，所述温度传感器的头端靠近催化剂上方的位置；

所述石英玻璃管的出气端与所述尾气处理模块的进气端连接。

4.如权利要求3所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述石英玻璃管的出气端包括第一出气端和第二出气端；所述尾气处理模块包括第一尾气处理装置和第二尾气处理装置；所述第一出气端与所述第一尾气处理装置的进气口连接，所述第二出气端与所述第二尾气处理装置的进气口连接；所述第一尾气处理装置包括冷凝瓶、冷阱、干燥管和尾气检测装置，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述尾气检测装置连接；所述第二尾气处理装置包括红外光谱检测仪和气相色谱质谱仪，用于对尾气中有机组分进行检测。

5.如权利要求1所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述气体静态混合器内还装有温度控制仪，用于控制催化反应过程中催化温度和升温速率的调节。

6.如权利要求1所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述装置还包括一冷凝系统，该冷凝系统包括冷凝瓶、冷阱和干燥管，所述冷凝瓶置于冷阱中并与所述干燥管相连，所述干燥管的出口端与所述催化反应模块的进气端连接，所述冷凝瓶的进气端与所述气体静态混合器的出气端连接，在所述气体静态混合器的出气端与所述冷凝瓶的进气端之间连接的管道中还设置一阀门，当所述冷凝系统中的气体形成稳定流后，关闭该管道阀门。

7.如权利要求1所述的一种多组分VOCs催化氧化的智能评价装置，其特征在于，所述装置还包括空气存储系统和氮气存储系统，用作产生载气，通过一定流量的载气将产生的VOCs气体和水蒸气带出，通入到所述气体混合模块中进行混合预处理。

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