一种废气治理设备及其应用的制作方法

专利2022-05-10  5



1.本发明属于环保领域,尤其涉及一种废气治理设备及其应用。


背景技术:

2.工业领域生产过程中很多工段如烟草加工、污水治理、食品加工废水处理等会产生含低浓度vocs异味气体,这些臭气往往包括vocs、无机物、硫化氢、氨气、醇醚类等成分,若扩散到周围的大气中会危害居民健康,引起不适感,造成因工业排放异味问题引发的环境投诉问题频发,高效除异味治理技术逐步得到越来越多的关注。
3.低温等离子技术是新兴的一种含低浓度vocs异味气体处理方法,传统的低温等离子技术是将低温等离子体发生器置于含低浓度vocs异味气体中,在常温常压条件下即可产生大量高能电子、羟基和氧自由基、臭氧等具有强氧化性的活性粒子,使vocs异味分子发生电离、解离,然后引发一系列复杂的物理、化学反应,使复杂大分子(vocs)污染物转变为无毒或低毒性的小分子,该技术因具有运行管理方便、工艺流程简单等诸多优点获得了广泛应用。
4.近年来,注入式低温等离子技术也获得了广泛的研究与应用,例如:公开号为cn103055674a的专利公开了一种注入式低温等离子体废气处理系统,包括风机、空气过滤器、加热器、低温等离子体高压反应箱、电控柜及废气收集管道连接的一体化适配器,通过风机注入低温等离子体高压反应箱产生低温等离子体后通过单侧注入一体化适配器与原废气收集管混合;公告号为cn205109348u的专利公开了一种注入式低温等离子反应装置,包括低温等离子发生器、文丘里反应腔、空气净化器等,通过文丘里结构实现等离子体的注入。但这些注入式低温等离子技术目前普遍存在着降解率有限、稳定性较差、注入效果差导致等离子体发生湮灭等问题,亟待解决。


技术实现要素:

5.有鉴于此,本发明的目的在于提供一种废气治理设备及其应用,本发明提供的废气治理设备的降解率高、稳定性好、等离子体利用率高、混合效果优。
6.本发明提供了一种废气治理设备,包括:
7.废气治理通道;
8.所述废气治理通道沿其轴线相对的两侧壁面沿垂直于废气运动方向开设有若干个等离子体注入孔,两侧壁面上开设的所述等离子体注入孔的孔位相互对称;每个所述等离子体注入孔的出气端均设置有半圆管型挡板;所述半圆管型挡板的直径大于等离子体注入孔的孔径,其底端固定于废气治理通道的内壁,顶端指向与对应等离子体注入孔相对称的等离子体注入孔;所述半圆管型挡板的凸面为迎风面;
9.与所述等离子体注入孔的进气端相连通的注入式低温等离子体发生装置;
10.和设置于所述废气治理通道内的催化剂层;沿废气运动方向,所述催化剂层位于所述等离子体注入孔的下游。
11.优选的,所述注入式低温等离子体发生装置的低温等离子体发生器为双介质阻挡放电反应器。
12.优选的,所述废气治理通道内设置的半圆管型挡板至少具有两种不同的长度,相邻和/或相对称的等离子体注入孔处的半圆管型挡板的长度不同。
13.优选的,所述废气治理通道内设置的半圆管型挡板由两种长度的半圆管型挡板组成,相邻和相对称的等离子体注入孔处的半圆管型挡板按长度交错排布。
14.优选的,所述半圆管型挡板的凹面覆盖有绝缘层。
15.优选的,所述绝缘层的材料为陶瓷。
16.优选的,沿垂直于废气运动的方向,所述废气治理通道的截面为正方形。
17.优选的,所述催化剂层中填装的催化剂以蜂窝陶瓷为载体,以贵金属单质与过渡金属氧化物的复合物为活性组分。
18.本发明提供了一种废气治理方法,在上述技术方案所述的废气治理设备中进行,包括以下步骤:
19.将异味废气通入所述废气治理通道的废气进口,并启动所述注入式等低温离子体发装置的低温等离子体发生器,产生的低温等离子体通过所述等离子体注入孔注入到所述废气治理通道内;
20.所述异味废气在废气治理通道内流动并与注入的低温等离子体混合反应,之后再进入所述催化剂层中催化降解,得到净化气体。
21.优选的,所述异味废气在废气治理通道内的流速为5~14m/s;
22.所述低温等离子体在废气治理通道内的流速为15~30m/s。
23.与现有技术相比,本发明提供了一种废气治理设备及其应用。本发明提供的废气治理设备包括:废气治理通道;所述废气治理通道沿其轴线相对的两侧壁面沿垂直于废气运动方向开设有若干个等离子体注入孔,两侧壁面上开设的所述等离子体注入孔的孔位相互对称;每个所述等离子体注入孔的出气端均设置有半圆管型挡板;所述半圆管型挡板的直径大于等离子体注入孔的孔径,其底端固定于废气治理通道的内壁,顶端指向与对应等离子体注入孔相对称的等离子体注入孔;所述半圆管型挡板的凸面为迎风面;与所述等离子体注入孔的进气端相连通的注入式低温等离子体发生装置;和设置于所述废气治理通道内的催化剂层;沿废气运动方向,所述催化剂层位于所述等离子体注入孔的下游。该设备在运行是的主要工作流程如下:空气通过注入式低温等离子体发生装置后形成高浓度低温等离子体,然后通过对称布置的等离子体注入孔进入废气治理通道内,并与废气治理通道内的异味废气充分混合反应,促进异味废气中异味组分的裂解;之后反应后的混合气再进入催化剂层中,在催化剂的作用下进一步发生降解反应,实现对异味废气中异味组分的高效去除。在本发明提供的设备中等离子体发生器不与原废气直接接触,提升了等离子反应器的稳定性;同时,通过对称设计的等离子体注入孔和设置在等离子体注入孔出气端的半圆管型挡板,防止了等离子体向下游烟道的边缘集中导致混合不均匀,延长了等离子体内自由基、臭氧、高能电子的寿命,并促进了等离子体与异味气体的充分混合和接触;进一步的,通过催化剂层的设置,利用催化剂具有的多孔结构和活性位点,不仅可以有效利用等离子体产生的
·
oh和
·
o等瞬态活性基团,而且低温等离子体产生的o3也可在催化剂层进一步降解有机污染物分子,进一步提升异味治理效果。综合来看,本发明提供的废气治理设备降
解率高、稳定性好、等离子体利用率高、混合效果优,具有十分广阔的市场前景。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的废气治理设备的正视图;
26.图2是本发明实施例提供的废气治理设备的左视图;
27.图3是本发明实施例提供的废气治理设备在等离子体注入孔处的局部放大图;
28.图4是本发明实施例提供的等离子体在废气治理设备内烟气通道剖面的等离子速度分布模拟结果图;
29.图5是本发明实施例提供的等离子体在催化剂层气流断面的浓度场模拟结果图;
30.图6是本发明提供的传统低温等离子注入器的结构示意图。
具体实施方式
31.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、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
32.本发明提供了一种废气治理设备,包括:
33.废气治理通道;
34.所述废气治理通道沿其轴线相对的两侧壁面沿垂直于废气运动方向开设有若干个等离子体注入孔,两侧壁面上开设的所述等离子体注入孔的孔位相互对称;每个所述等离子体注入孔的出气端均设置有半圆管型挡板;所述半圆管型挡板的直径大于等离子体注入孔的孔径,其底端固定于废气治理通道的内壁,顶端指向与对应等离子体注入孔相对称的等离子体注入孔;所述半圆管型挡板的凸面为迎风面;
35.与所述等离子体注入孔的进气端相连通的注入式低温等离子体发生装置;
36.和设置于所述废气治理通道内的催化剂层;沿废气运动方向,所述催化剂层位于所述等离子体注入孔的下游。
37.参见图1~3,图1是本发明实施例提供的废气治理设备的正视图,图2是本发明实施例提供的废气治理设备的左视图,图3是本发明实施例提供的废气治理设备在等离子体注入孔处的局部放大图(左图为正视图,右图为左视图);其中,1为废气治理通道,2为等离子体注入孔,3为半圆管型挡板,3

1为半圆管型短挡板,3

2为半圆管型长挡板,4为注入式低温等离子体发生装置,4

1为低温等离子体发生器,5为催化剂层。
38.本发明提供的废气治理设备包括废气治理通道1、等离子体注入孔2、半圆管型挡板3、注入式等离子体发生装置4和催化剂层5。
39.在本发明提供的废气治理设备中,废气治理通道1为异味废气进行与等离子体混合反应以及催化降解的场所,其一端设置有废气进口,另一端设置有出气口。在本发明中,
废气治理通道1沿垂直于废气运动方向的截面的形状优选为正方形,截面的边长优选为200~500mm,具体可为200mm、230mm、250mm、270mm、300mm、320mm、350mm、370mm、400mm、420mm、450mm、470mm或500mm;废气治理通道1从废气进口到出气口的总长度优选为5~10m,具体可为5m、5.5m、6m、6.5m、7m、7.5m、8m、8.5m、9m、9.5m或10m。
40.在本发明提供的废气治理设备中,等离子体注入孔2为等离子体进入废气治理通道1内腔的入口,其个数为若干个;若干个等离子体注入孔2沿垂直于废气运动的方向开设在废气治理通道1沿其轴线相对的两侧壁面上,两侧壁面上开设的等离子体注入孔2的孔位相互对称。在本发明中,等离子体注入孔2的孔径优选为10~50mm,具体可为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm;相邻两个等离子体注入孔2的孔距优选为20~100mm,具体可为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm或100mm。在本发明中,单侧壁面上等离子体注入孔2的个数优选为10~50个,具体可为10个、15个、18个、20个、25个、28个、30个、35个、38个、40个、45个、48个或50个。在本发明中,通过对称设置的等离子体注入孔2可实现低温等离子体的对称双向注入,不但可大幅降低产生等离子体的运动行程和时间,保证
·
oh自由基等活性粒子的使用寿命,而且还有利于等离子体与原废气的均匀混合。
41.在本发明提供的废气治理设备中,半圆管型挡板3设置在废气治理通道1的内腔中,位于每一个等离子体注入孔2的出气端,半圆管型挡板3的直径大于等离子体注入孔2的孔径,其底端固定于废气治理通道1的内壁,顶端指向与对应等离子体注入孔2相对称的等离子体注入孔;半圆管型挡板3的凸面为迎风面,即半圆管型挡板3遮挡在对应等离子体注入孔2的前半个圆弧上。在本发明中,半圆管型挡板3的直径与等离子体注入孔2的孔径的差值优选为2~10mm,具体可为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。在本发明中,通过半圆管型挡板3的设置,一方面可以阻挡来流气体对等离子体的直接冲击作用,防止等离子体向下游烟道的边缘集中导致混合不均匀;另一方面由于采用的是直径稍大的半圆结构,可以很好地减少等离子与挡板管壁的接触造成的等离子体湮灭效应。
42.在本发明提供的废气治理设备中,废气治理通道1内设置的半圆管型挡板3优选为至少具有两种不同的长度,相邻和/或相对称的等离子体注入孔2处的半圆管型挡板3的长度不同;更优选的,废气治理通道1内设置的半圆管型挡板3由两种长度的半圆管型挡板组成,相邻和相对称的等离子体注入孔2处的半圆管型挡板3按长度交错排布,如图3所示,废气治理通道1内设置的半圆管型挡板由半圆管型短挡板3

1和半圆管型长挡板3

2组成,在相邻和相对称的等离子体注入孔2处半圆管型短挡板3

1和半圆管型长挡板3

2交错排布;半圆管型短挡板3

1的长度优选为50~200mm,具体可为50mm、70mm、100mm、120mm、150mm、170mm或200mm;半圆管型长挡板3

2的长度优选为50~200mm,具体可为50mm、70mm、100mm、120mm、150mm、170mm或200mm。在本发明中,通过采用不同长度的半圆管型挡板3交错布置,能够更有利于注入式等离子体与异味废气的充分混合,提高催化剂截面上等离子体的分布均匀性,从而更有利于与废气的均匀混合反应和后续的催化反应。
43.在本发明提供的废气治理设备中,半圆管型挡板3的凹面(即,内表面)优选覆盖有绝缘层;所述绝缘层的材料优选为陶瓷;所述绝缘层的厚度优选为0.2~0.5mm,具体可为0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm。在本发明中,通过设置绝缘层,能够进一步减少等离子体的湮灭损失。
44.在本发明提供的废气治理设备中,注入式低温等离子体发生装置4用于产生低温等离子体并将其注入到等离子体注入孔2中,注入式低温等离子体发生装置4的一端设置有空气进口,腔体内设置有低温等离子体发生器4

1,另一端与等离子体注入孔2相连通。在本发明中,由于等离子体注入孔2对称开设在废气治理通道1的壁面两侧,因此优选设置两个注入式低温等离子体发生装置4,每个注入式低温等离子体发生装置4与废气治理通道1壁面一侧的等离子体注入孔2相连通。在本发明中,低温等离子体发生器4

1优选为双介质阻挡放电反应器,更优选为具有较低阻力的极排式双介质阻挡放电反应器。
45.在本发明提供的废气治理设备中,催化剂层5设置于废气治理通道1内,沿废气运动方向,其位于等离子体注入孔2的下游,用于对完成与等离子体混合反应的气体进行催化降解。在本发明中,催化剂层5沿垂直于废气运动方向的截面的形状优选为正方形,截面的边长优选为500~1000mm,具体可为500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm或1000mm;催化剂层5的厚度优选为200~600mm,具体可为200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm或600mm。在本发明中,催化剂层5中填装的催化剂优选以蜂窝陶瓷为载体,以贵金属单质与过渡金属氧化物的复合物为活性组分;所述贵金属单质优选为pt;所述贵金属单质在催化剂中的负载量优选为0.1~1wt%,具体可为0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%或1wt%;所述过渡金属氧化物包括但不限于铁氧化物(feox)和/或锰氧化物(mnox);所述铁氧化物在催化剂中的负载量优选为0.5~2wt%,具体可为0.5wt%、0.7wt%、1wt%、1.2wt%、1.5wt%、1.7wt%或2wt%;所述锰氧化物在催化剂中的负载量优选为1~3wt%,具体可为1wt%、1.2wt%、1.5wt%、1.7wt%、2wt%、2.3wt%、2.5wt%、2.7wt%或3wt%。
46.本发明还提供了一种在上述技术方案所述的废气治理设备中进行废气治理的方法,包括以下步骤:
47.将异味废气通入废气治理通道1的废气进口,并启动注入式低温等离子体发装置4的低温等离子体发生器4

1,产生的低温等离子体通过等离子体注入孔2注入到废气治理通道1内;
48.所述异味废气在废气治理通道1内流动并与注入的低温等离子体混合反应,之后再进入催化剂层5中催化降解,得到净化气体。
49.在本发明提供的废气治理方法中,所述废气优选为含vocs的异味气体;所述异味废气在废气治理通道1内的流速优选为5~14m/s,具体可为5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s或14m/s;所述低温等离子体在废气治理通道1内的流速优选为15~30m/s,具体可为15m/s、16m/s、17m/s、18m/s、19m/s、20m/s、21m/s、22m/s、23m/s、24m/s、25m/s、26m/s、27m/s、28m/s、29m/s或30m/s。在本发明中,可通过调整等离子体注入孔2的孔径大小来控制低温等离子体的流速,通过将所述低温等离子体的流速在15~30m/s范围内,能够有效减少等离子的湮灭,提高等离子体的利用效率。
50.在本发明提供的废气治理方法中,进入催化剂层5中进行催化降解的空速优选为8000~40000h
‑1,具体可为8000h
‑1、10000h
‑1、12000h
‑1、15000h
‑1、20000h
‑1、25000h
‑1、30000h
‑1、35000h
‑1或40000h
‑1。
51.本发明提供的技术方案通过使等离子体发生器不与原废气不直接接触,提升了等离子反应器的稳定性;同时,通过对称设计的等离子体注入孔和设置在等离子体注入孔出
气端的半圆管型挡板,防止了等离子体向下游烟道的边缘集中导致混合不均匀,延长了等离子体内自由基、臭氧、高能电子的寿命,并促进了等离子体与异味气体的充分混合和接触;进一步的,通过催化剂层的设置,利用催化剂具有的多孔结构和活性位点,不仅可以有效利用等离子体产生的
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oh和
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o等瞬态活性基团,而且低温等离子体产生的o3也可在催化剂层进一步降解有机污染物分子,进一步提升异味治理效果。综合来看,本发明提供的技术方案降解率高、稳定性好、等离子体利用率高、混合效果优,具有十分广阔的市场前景。
52.为更清楚起见,下面通过以下实施例进行详细说明。
53.实施例1
54.一种注入式低温等离子体催化异味治理设备,其结构如图1~3所示,具体包括:废气治理通道1、等离子体注入孔2、半圆管型挡板3、注入式等离子体发生装置4和催化剂层5。
55.在本实施例中,废气治理通道1的一端设置有废气进口,另一端设置有出气口;废气治理通道1的截面形状为正方形(370mm
×
370mm);废气治理通道1从废气进口到出气口的总长度为6m。
56.在本实施例中,多个等离子体注入孔2沿垂直于废气运动的方向开设在废气治理通道1沿其轴线相对的两侧壁面上,两侧壁面上开设的等离子体注入孔2的孔位相互对称;在本实施例中,等离子体注入孔2的孔径为15mm,相邻孔的孔距为25mm,单侧壁面的孔数为18个。
57.在本实施例中,半圆管型挡板3设置在废气治理通道1的内腔中,位于每一个等离子体注入孔2的出气端,半圆管型挡板3的直径为18mm,其底端固定于废气治理通道1的内壁,顶端指向与对应等离子体注入孔2相对称的等离子体注入孔;半圆管型挡板3的凸面为迎风面,即半圆管型挡板3遮挡在对应等离子体注入孔2的前半个圆弧上。如图3所示,废气治理通道1内设置的半圆管型挡板由半圆管型短挡板3

1和半圆管型长挡板3

2组成,半圆管型短挡板3

1的长度为100mm,半圆管型长挡板3

2的长度为200mm,在相邻和相对称的等离子体注入孔2处半圆管型短挡板3

1和半圆管型长挡板3

2交错排布。
58.在本实施例中,注入式低温等离子体发生装置4的一端设置有进入空气进口,腔体内设置有低温等离子体发生器4

1,另一端与等离子体注入孔2相连通,低温等离子体发生器4

1为具有较低阻力的极排式双介质阻挡放电反应器。
59.在本实施例中,催化剂层5设置于废气治理通道1内,沿废气运动方向,其位于等离子体注入孔2的下游;催化剂层5沿垂直于废气运动方向的截面为700mm
×
700mm,催化剂层5的厚度为400mm;催化剂层5中填装的催化剂以蜂窝陶瓷为载体,以贵金属单质pt、过渡金属氧化物feox、mnox复合形成活性组分,在该催化剂中,pt的负载量为0.5wt%,feox负载量为1wt%、mnox负载量为1.5wt%。
60.实施例2
61.对实施例1提供的注入式低温等离子体催化异味治理设备进行cfd模拟实验,采用的是fluent软件,主要进行规模为5000m3/h废气治理通道空间的速度场分布和浓度场分布的模拟,并以浓度相对标准偏差为指标,对其浓度均匀性进行评价,具体结果如图4~5所示,图4是本发明实施例提供的等离子体在废气治理设备内烟气通道剖面的等离子速度分布模拟结果图,图5是本发明实施例提供的等离子体在催化剂层气流断面的浓度场模拟结果图。
62.通过图4得知,实施例1提供的注入式低温等离子体催化异味治理设备的等离子分布比较均匀,没有明显的贴壁现象,说明等离子混合效果较好,通过图5可知,实施例1提供的注入式低温等离子体催化异味治理设备催化剂层横截面积上浓度相对偏差仅为2.5%,说明该设备的浓度均匀性良好。
63.对比例1
64.一种注入式低温等离子体催化异味治理设备,其与实施例1所述设备的区别仅在于,低温等离子体的注入结构不同;
65.在本对比例中,低温等离子体的注入结构如图6所示,图6是本发明提供的传统低温等离子注入器的结构示意图,其中左图为正视图,右图为左视图;更具体来说,所述注入结构采用左右两侧对称等离子注入管道,等离子通过3根φ48mm管道注入,管道中央为封堵结构,且在管道背风面两排等离子通孔(每根管12个φ15mm通孔),等离子通孔喷射方向与烟气流呈45
°
夹角。
66.在保证等离子喷射流速与实施例2相同的情况下对本对比例提供的注入式低温等离子体催化异味治理设备进行cfd模拟实验,进行规模为5000m3/h废气治理通道空间的速度场分布和浓度场分布的模拟,实验结果为:催化剂横截面积上浓度相对偏差为7.1%。
67.实施例3
68.以除臭效率为指标,分别对实施例1和对比例1所提供的设备的异味气体治理效果进行评价:
69.1)实验条件:
70.废气种类食品行业污水厌氧池废气废气量4300m3/h臭度值5000~10000(无量纲)注入功率4.5kw催化剂空速22000h
‑171.2)本发明设备的异味气体治理实验结果:
72.项目注入功率4.5kw原始臭度5495处理后臭度1738除臭效率68.4%
73.3)传统结构低温等离子注入器 催化的实验结果:
74.项目注入功率4.5kw原始臭度5495处理后臭度3090除臭效率43.8%
75.可以看出,相同功率条件下,采用实施例1所述结构的设备,综合除臭性能提升25%。
76.以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。
转载请注明原文地址: https://doc.8miu.com/read-1350134.html

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