一种声光耦合环隙光催化流化床降解 VOCs 装置 技术领域 ：
本发明属于气固流化床反应器领域， 涉及一种声光耦合环隙光催化流化床降解 VOCs 装置， 适于处理居室、 写字间、 大型超市、 隧道等场所 VOCs 气态污染物的装置。 背景技术 ：
美国环保署 (EPA) 关于室内空气品质 (Indoor air quality， IAQ) 的一系列长期 调查结果显示， 在许多民用和商用建筑中， 污染物的浓度水平是室外浓度的数倍至十倍， 在 新的建筑中甚至超过 100 倍， 然而现代人平均有 90％的时间在室内度过， 这表明室内空气 质量对人类健康的影响远较室外空气重要。1987 年， 美国 EPA 证实了室内空气污染是最大 的环境危机之一。因此， IAQ 问题引起了广泛的关注， 已经成为建筑环境领域内的一个研 究热点。目前， 引起 IAQ 恶劣的主要原因有两个 ： 一是通风量的不足， 20 世纪初， 人们已开 始采用通风的方法来改善室内空气环境， 后来制冷空调系统的出现为人们创造了舒适的室 内环境， 但由于 70 年代的全球能源危机， 使得制冷空调系统这一能源消耗大户面临严重考 验， 节能降耗成为空调系统设计的关键环节， 节能措施之一就是减少入室新风量 ； 二是合成 建筑材料和装修材料的大量使用， 20 世纪 70 年代以后， 化工和材料工业迅速发展， 出现了 大量的人工合成材料作为建筑材料和装修材料， 而这些材料会释放有害气体如甲醛、 苯、 甲 苯、 乙醇和氯仿等， 室内空气环境的恶化导致建筑内的人们有不舒适的感觉， 头晕、 烦躁、 恶 心甚至产生疾病， 已经引起了以下三种主要病症 ： 病态建筑综合症 (SBS)、 与建筑有关的疾 病 (BRI) 以及多种化学污染物过敏症 (MCS)。
对室内环境的清化， 传统的处理技术如吸附、 通风、 过滤、 燃烧等对这些低浓度污 染物处理存在费用颇高或效果欠佳等问题。 光催化技术是一种利用光生强氧化剂将有机污 染物彻底氧化成 H2O、 CO2 等小分子的高级氧化技术， 该技术具有反应条件温和， 设备简单， 易于操作， 且对低浓度污染物或气相污染物有很好的去除效果等优点 ； 另外， 具有催化剂材 料易得， 运行成本低， 可利用太阳光作为催化光源等优点， 是一种非常有前景的污染治理技 术。光催化流化床反应器是将光催化技术嫁接在流化床反应器上而设计的一种新型反应 器， 与传统的光催化板式结构或整体式结构反应器相比， 具有光照面积大， 反应物与催化剂 颗粒表面接触效果好， 传质效率高， 催化剂可循环利用等优点， 因此具有较高的气体污染物 去除率。催化剂颗粒的可再生性， 提高了反应器的使用价值， 但是纳米二氧化钛催化剂属 Geldart C 类颗粒， 存在强烈的范德华作用力， 导致颗粒流化时产生严重的颗粒团聚和沟流 现象， 甚至难于流化。为了克服气固两相间接触较差的状况和稳定流态化， 采用振动场、 磁 场或声场辅助流化， 以破碎颗粒团聚和消除沟流， 实现 C 类粘附性颗粒的稳定流化。同时， 外场还可以减小颗粒的最小流化速度和颗粒的扬析量。 发明内容 ：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点， 寻求设计一种以低浓度 VOCs 与空 气混合气作为流化气体， 紫外灯安装于流化床的轴线， 利用声场破碎纳米光催化剂颗粒团聚， 强化光催化环隙流化床反应器的紫外光、 反应物和催化剂的有效接触， 达到催化反应器 连续、 高效降解多种室内 VOCs 的效果 ； 提供一种声场与光辐照耦合气固光催化环隙流化床 降解 VOCs 的装置， 以实现居室、 写字间、 大型超市等场所气态污染物的处理， 不会造成二次 污染， 解决了光催化板式结构、 管式结构和整体式结构反应器的光照面积小， 传质效率低的 瓶颈问题， 改善传统流化床中纳米催化剂颗粒流化存在的沟流、 扬析严重、 操作气速高和耗 能大甚至难以流化等技术问题， 通过优化床层高度、 气体流量和声场的频率和声压级以及 其他操作参数 ( 气体湿度、 污染物的浓度和种类、 光强、 气流入口分布孔尺度、 催化剂的用 量和粒度 )， 实现气态污染物的去除效果。
为了实现上述目的， 本发明的结构主体包括气体出口、 气体入口、 进气口预分布 板 ( 内环 ) 与催化剂颗粒挡板 ( 外环 )、 有机玻璃管、 石英玻璃管、 紫外灯、 反应器进气分布 板、 灯管安装底座、 测试端口、 扬声器、 风机、 气体配置装置、 声波放大器和信号发生器， 以及 气体收集室、 气体预混合室、 进气通道、 环隙流化床反应区和气体分布室 ； 各器件或构件经 过原理可靠性组合构成柱状嵌套式结构的光催化降解气态污染物 VOCs 装置或反应器 ； 气 体出口位于反应器气体收集室的顶部中心位置， 气体入口穿过气体收集室侧壁连接于反应 器气体预混合室的侧壁位置 ； 气体预混合室嵌套在气体收集室内 ； 整体式环形多孔板集成 进气分布板与催化剂颗粒挡板， 催化剂颗粒挡板与气体收集室和气体预混合室器壁固定 ； 整体式环形多孔板内环为进气预分布多孔板， 确保气体和声波均匀进入流化体系， 外环为 催化剂颗粒挡板， 确保催化剂颗粒不随载气流出反应器 ； 石英玻璃管同轴嵌套于有机玻璃 管内， 石英玻璃管和有机玻璃管上端分别与催化剂颗粒挡板内周和外周边缘对齐相接， 石 英玻璃管与有机玻璃管下端分别与环形气体分布多孔板式的反应器进气分布板的内外边 缘相接， 构成的柱状环形区域为流化床反应区， 催化剂颗粒填充于反应区内 ； 紫外灯位于石 英玻璃管的中轴线上， 紫外灯的灯管上端电源插座固定在整体式环形气体多孔板式的反应 器进气分布板的中心处， 下端电源插座固定于气体预分布室的底部中心位置， 便于安装与 拆卸， 采用弹簧套筒安装体系固定 ； 紫外灯与石英玻璃管构成的柱状环形区域为气体进入 反应器的进气通道， 进气通道与气体预分布室连通 ； 环形气体分布多孔板式的反应器气体 分布板内环直径为 160-220mm， 外环直径为 200-260mm， 板面开孔直径为 3-5mm， 开孔率为 3-5％ ； 测试端口位于有机玻璃管侧壁， 用于测定床层压力和颗粒流速 ； 扬声器安装于气体 预分布室的底部， 距离分布板为 8-15mm， 并与声波放大器、 信号发生器直接相连， 声波放大 器与信号发生器均置于流化床体系之外 ； 进气预分布室位于流化床反应器进气口预分布板 下方， 能使流化气体均匀进入分布板， 进气预分布室正下方底部安装声场发生系统， 通过声 波信号发生器发射声波对催化剂颗粒进行扰动产生粉碎作用， 实现颗粒的均一稳定的聚式 流态化 ； 整体结构采用环隙结构， 避免光照不匀而造成催化剂颗粒利用率低下问题， 反应区 设计为环形结构， 其厚度在 20-80mm 之间。
本发明由声波信号发生器、 石英玻璃管、 有机玻璃管、 紫外灯、 催化剂颗粒和气体 分布板组成同轴体系， 以紫外灯管轴心线为中心， 依次将石英玻璃管、 有机玻璃管嵌套， 紫外灯的灯管与石英玻璃管之间的环形空隙为进气通道， 石英玻璃管与有机玻璃管之间 的环形空隙为流化床反应区域 ； 流化床底部的气体预分布室底部位置安装扬声器， 声压 级 SPL 为 100-160dB， 声波频率范围为 30-120Hz ； 紫外灯功率为 25-40W， 辐射最大波长为 254-365nm ； 用来激发半导体材料 - 纳米二氧化钛光催化剂 (P25)， 产生具有强氧化性能的羟基自由基或超氧负离子等 ； 活性物质对吸附在催化剂表面的气态污染物分子进行光催化 氧化， 使其最终完全降解为没有污染的小分子物质， 如 CO2 和 H2O 等 ； 在石英玻璃管与有机玻 璃管之间的流化床反应区内填充活性炭颗粒负载的纳米二氧化钛光催化剂， 通入的待处理 气流作为流化介质实现流态化， 确保催化剂颗粒与光、 污染物气体分子充分接触， 达到光催 化降解的效果 ； 由信号发生器、 声波放大器和扬声器组合而成的声场发生系统组合式安装 于反应器进气分布板的底部， 声波透过反应器进气分布板后对催化剂颗粒产生扰动作用， 粉碎颗粒团聚。
本发明与现有技术相比具有操作区域宽， 操作可靠简便， 催化剂颗粒再生简单， 对 气态污染物氧化选择性小， 处理效果好， 能耗小， 解决了普通流化床存在的颗粒流化过程中 存在的聚团严重、 沟流和扬析等技术问题， 实现稳定流化等突出优点， 同时， 反应器可串联 或并联使用， 并可根据环境空间大小， 设计尺寸不同的反应器， 广泛适宜于大型场所或高浓 度 VOCs 场所以及家庭居室。 附图说明 ：
图 1 为本发明的整体结构原理示意图。 具体实施方式 ：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
实施例 ：
本实施例的结构主体包括气体出口 13、 气体入口 14、 进气口预分布板 ( 内环 ) 与 催化剂颗粒挡板 ( 外环 )1、 有机玻璃管 3、 石英玻璃管 4、 紫外灯 2、 反应器进气分布板 5、 灯 管安装底座 6、 测试端口 12、 扬声器 7、 风机 8、 气体配置装置 9、 声波放大器 11 和信号发生 器 10， 以及气体收集室工、 气体预混合室 II、 进气通道 III、 环隙流化床反应区 IV 和气体 分布室 V ； 各器件或构件经过原理可靠性组合构成柱状嵌套式结构的光催化降解气态污染 物 VOCs 装置或反应器 ； 本装置的功能结构 ： 气体出口 13 位于反应器气体收集室 I 的顶部 中心位置， 管径 气体入口 14， 穿过气体收集室 I 侧壁， 连接于反应器气体预混合室 II 的侧壁位置， 管径 气体预混合室 II 嵌套在气体收集室 I 内 ； 整体式环形多孔板 集成了进气分布板 5 与催化剂颗粒挡板 1， 催化剂颗粒挡板 1 与气体收集室 I 和气体预混 合室 II 器壁固定 ； 整体式环形多孔板内环为进气预分布多孔板， 直径 板面 开孔直径 开孔率 3-5％， 确保气体和声波均匀进入流化体系， 外环为催化剂颗粒挡 板， 直径 200-260mm， 板面开孔直径 开孔率 3-5％， 确保催化剂颗粒不随载气流出反 应器 ； 有机玻璃管 3 管径 高 800-1800mm ； 石英玻璃管 4 管径 高 800-1800mm， 厚度为 5-8mm ； 石英玻璃管 4 同轴嵌套于有机玻璃管 3 内， 石英玻璃管 4 和 机玻璃管 3 上端分别与催化剂颗粒挡板 1 内周和外周边缘对齐相接， 石英玻璃管 4 与有机 玻璃管 3 下端分别与环形气体分布多孔板式的反应器进气分布板 5 的内外边缘相接， 构成 的柱状环形区域为流化床反应区， 将催化剂颗粒填充于反应区内 ； 紫外灯 2 的功率 25W， 最 大发射波长 254-365nm， 长度 650-1400mm， 位于石英玻璃管 4 的中轴线上， 紫外灯 2 的灯管 上端电源插座固定在整体式环形气体多孔板式的反应器进气分布板 5 的中心处， 下端电源 插座固定于气体预分布室 V 的底部中心位置， 为便于安装与拆卸， 采用弹簧套筒安装体系固定 ； 紫外灯 2 与石英玻璃管 4 构成的柱状环形区域为气体进入反应器的进气通道 III， 进 气通道 III 与气预分布室 V 连通 ； 环形气体分布多孔板式的反应器气体分布板 5， 内环直 径 外环直径 板面开孔直径 开孔率 3-5％ ； 测试端口 12 位于有机玻璃管侧壁， 用于测定床层压力和颗粒流速 ； 扬声器 7 安装于气体预分 布室 V 的底部， 距离分布板为 8-15mm， 并与声波放大器 11、 信号发生器 10 直接相连， 声波放 大器 11 与信号发生器 12 均置于流化床体系之外。
本实施例的气体配置装置 9 由气体发生器和气体混合装置组成， 待预配处理气体 由风机 8 驱动， 从气体入口 14( 管径 管路材料为四氟乙烯 ) 进入气体预混合室 II， 穿过进气口预分布板 1( 直径 160mm， 板面开孔直径 开孔率 3％ ) 依次进入紫外灯 2 与 石英玻璃管 4 形成的柱状环形进气通道 III 和气体预分布室 V， 再穿过环形的反应器进气分 布板 5( 内环直径 外环直径 开孔直径 开孔率 3％ )， 到达有机玻璃管 3 与石英玻璃管 4 形成的柱状环形的环隙流化床反应区 IV ； 催化剂颗粒填充于上述反应区 内， 在紫外灯 2( 功率 25W， 最大能量辐射波长 254nm) 的辐照下， 产生具有强氧化性能的羟基 自由基或超氧负离子等， 活性物质对吸附在催化剂表面的 VOCs 分子进行光催化氧化， 最终 完全降解为没有污染的小分子物质， 如 CO2 和 H2O 等 ； 处理后的气体穿过出气口催化剂颗粒 开孔率 4％ ) 进入气体收集室 I， 经气体出口 13( 管 挡板 ( 直径 200mm， 板面开孔直径 径 ) 流出 ； 测试端口 12 用于测定床层压力和颗粒流速 ； 声场发生系统在开机 同时打开， 不断将声波通过反应器进气分布板 5 的开孔空隙作用于催化剂颗粒， 实现稳定 聚团流化的效果。
本实施例的气体分布室和气体收集室的作用是保障气体流动的均一性， 从而保证 流化床内颗粒的流化均匀性， 气体的进出口须设计在中轴线上 ； 石英管应对 254-365nm 之 间的紫外光吸收极少， 其厚度越小越好 ； 在有机玻璃管内壁上涂覆反光材料有利于光的利 用， 防止对外产生辐射， 造成对环境的危害 ； 光传递与气体流速有密切关系， 根据具体情况 设定操作气速以确保流化区域具有较高的空隙率和光传递效率 ； 气体分布板的设计使声波 和流化气体均一有效进入流化区域， 防止催化剂颗粒的泄露， 在分布板上层附加 1-2 层丝 网； 如果待处理气体含有颗粒物杂质， 须在进气预分布室内设计过滤层， 防止堵塞气体分布 板孔 ； 声场的频率和声压级的控制根据具体的颗粒和催化剂的填料量决定， 以确保聚团颗 粒尺寸的均一化分布， 消除流化过程中存在的沟流和流化死区等不良现象。
本实施例适于居室、 写字间、 大型超市等场所处理 VOCs 气态污染物， 以纳米二氧 化钛为催化剂 ( 颗粒粒径 10-20nm) 和普通透明硅胶颗粒 ( 颗粒粒径 20-50μm) 按照一定比 例混合， 处理居室和公共场所等的 VOCs 污染物， 效果佳， 同时也可节约大量的催化剂用量。 采用本实施例的装置进行光催化降解低浓度的苯气体， 结果表明， 催化剂用量 100g， 室温条 3 件下苯的初始浓度为 80mg/m 降解率可达 95％以上， 与未加声场的装置比较， 不仅降解率提 高了 10％左右， 而且流化效果明显改善， 扬析明显减小。