用于VOCs去除的催化氧化装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920641359.5 (22)申请日 2019.05.07 (73)专利权人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园100号 (72)发明人 梁文俊刘迪任思达李坚 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 张慧 (51)Int.Cl. F23G 7/07(2006.01) (54)实用新型名称 一种用于VOCs去除的催化氧化装置 (57)摘要 本实用新型专利公开一种用于VOCs去除的 催化氧化装置。 该装置具体包括进气系统。

2、、 温控 系统、 管道系统、 催化系统、 出气系统和数采系 统。 通过该装置建立了甲苯在催化系统中转化的 实验平台， 得到催化作用和热力作用相互作用的 关键因素并在不降低甲苯转化率的前提下大幅 度降低反应器内温度和速度， 减少催化剂的烧 结。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 210921442 U 2020.07.03 CN 210921442 U 1.一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 包括进气系统、 温控系统、 管道系 统、 催化系统和数采系统， 所述进气系统包括空气压缩机(1)、 甲苯产生瓶(2)和混气罐(3)； 所述温控系统由多个温控仪组成； 所述管道系统包。

3、括进气管(5)以及下游管道、 放空管道和 转子流量计A、 转子流量计B、 质量流量计C， 所述转子流量计A和转子流量计B分别设在空气 压缩机(1)的出气管道和甲苯产生瓶(2)的进气管道上， 所述空气压缩机(1)和甲苯产生瓶 (2)的出气口均与混气罐(3)进气管相连通， 混气罐出气管与质量流量计入口相连通； 所述 催化系统包括反应器(4)、 栅板(6)、 多孔介质床层(7)、 加热炉盘(8)、 布热电偶(9)和铁丝 网； 所述数采系统包括温度采集系统和浓度采集系统。 2.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述催化系统 中， 栅板(6)和铁丝网设置在反应器(4)。

4、中腔体前端， 腔体中央设置负载催化剂的多孔介质 床层(7)， 多孔介质和铁丝网之间设置一个加热炉盘(8)， 热电偶(9)均匀分布在多孔介质床 层。 3.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述催化系统 中， 反应器入口直径20mm， 筒体直径80mm， 总长1267mm， 均流床层长为60mm， 位于反应器渐扩 入口段结束处， 即288mm处。 4.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述催化系统 中， 栅板间隙为10mm， 长度为60mm。 5.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述催化系。

5、统 中， 加热炉盘厚度为30mm。 6.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述催化系统 中， 催化剂床层长为150mm， 起始位置为558mm处。 7.如权利要求1所述的一种用于VOCs去除的催化氧化装置， 其特征在于， 所述多孔介质 床层(7)为负载了不同活性组分的不同孔隙率的多块催化剂组合而成， 并按照孔隙率从大 到小以0.8-0.8-0.6-0.6-0.4的顺序排列。 权利要求书 1/1 页 2 CN 210921442 U 2 一种用于VOCs去除的催化氧化装置 技术领域 0001 本实用新型涉及挥发性有机物的去除技术领域， 尤其是涉及甲苯催化氧化的。

6、装 置。 背景技术 0002 随着经济的发展， 各行各业向环境中排放了大量废气， 比如燃烧行业在生物质和 燃料燃烧的过程中会产生废气， 船、 车、 飞机等交通工具在使用过程中会产生废气， 石油化 工行业产品加工会排放尾气， 储存运输过程会排放尾气， 漆涂、 印刷、 电镀、 制药等等行业都 会排放出大量的废气， 挥发性有机物(VOCs)就存在于这些废气中， 随之一起排入环境中。 此 外， VOCs不仅会对环境造成污染， 同样还会对人体造成极大的危害。 主要表现在以下方面： (1)致癌致毒性。 许多有机溶剂， 如二甲苯、 甲苯、 酮等都有很大的毒性， 对人体器官及神经 系统都会一定的损害， 以甲苯。

7、为例， 甲苯对皮肤、 粘膜都有一定的刺激性， 对中枢神经系统 有麻醉作用。 短时间内吸入较高浓度甲苯可造成急性中毒， 轻者头晕恶心、 意识模糊， 重者 抽搐昏迷。 若是长时间接触还会引发神经衰弱， 月经异常等症状； (2)光化学烟雾、 有机气 溶胶。 VOCs在光的参与下， 会和大气中的其他氧化物发生一系列复杂的化学反应， 造成二次 污染。 VOCs还可以和大气中的臭氧、 氢氧自由基等发生多途径反应， 生成二次有机气溶胶。 (3)臭氧层破坏。 氟氯烃等卤代烃会导致臭氧层破坏， 使得致癌率升高， 对人类生存环境产 生极大影响。 (4) 气候改变。 (5)易燃易爆。 很多VOCs都易燃易爆， 给人。

8、身安全造成隐患。 并 且， 不同行业产生的VOCs含量不同， 性质不同， 因此保证处理无残余的前提下， 要保证使用 的技术能够完全适应一定浓度范围内的废气。 0003 实际上， 燃烧本身就是一种快速反应， 在催化燃烧过程中， 传热、 传质、 流动问题本 身已经相当复杂， 对于大多数有实际意义的传热、 传质、 流动问题， 必须采用实验研究或者 近似解法。 针对热力燃烧前人已经做出很多贡献， 例如分子形式最为简单的甲烷的热力燃 烧和催化燃烧机理已经发展的很是完全， 一些分子稍微复杂的例如甲苯， 其热力燃烧每一 步机理也都陆续有人发表完善， R. BOUNACEUR等人简化并优化了甲苯的燃烧反应机理。

9、， 李 书豪等人对1888个基元反应甲苯燃烧模型进行了简化， 但是其催化燃烧机理很少甚至没 有。 在实际应用中， 往往不是催化剂单独起作用， 反应放出的热量不能够被及时利用， 处理 气量可波动范围太小是目前面临的主要问题。 0004 综上， 目前对于催化燃烧研究主要还有以下几点不足： 一、 在反应器4中如何才能 将催化燃烧和热力燃烧更加充分的利用起来； 二、 如何才能在不损害催化剂的前提下得到 更高的转化效率。 实用新型内容 0005 为了解决上述问题， 本实用新型提供去除以甲苯为代表的挥发性有机物的装置， 通过明确在什么条件下催化燃烧和热力燃烧共同作用从而达到提高甲苯转化率。 0006 为实。

10、现上述技术目的， 达到上述技术效果， 本实用新型通过以下技术方案实现： 一 说明书 1/4 页 3 CN 210921442 U 3 种用于VOCs去除的催化氧化装置， 包括进气系统、 温控系统、 管道系统、 催化系统和数采系 统， 所述进气系统包括空气压缩机1、 甲苯产生瓶2和混气罐3， 所述管路系统包括进气管5以 及下游管道、 放空管道和转子流量计A、 转子流量计B、 质量流量计C， 所述转子流量计A和转 子流量计B分别设在空气压缩机1的出气管道和甲苯产生瓶2的进气管5道上， 所述空气压缩 机1和甲苯产生瓶2的出气口均与混气罐3进气管5相连通， 混气罐3出气管与质量流量计入 口相连通； 所。

11、述催化系统包括反应器4、 栅板6、 多孔介质床层7、 加热炉盘8和布热电偶9； 所 述反应器4中腔体前端添加栅板6和铁丝网， 腔体中央设置负载催化剂的多孔介质床层7， 多 孔介质床层7和栅板6之间设置一个加热炉盘8， 在多孔介质床层均匀分布热电偶9。 0007 进一步地， 所述催化系统包括反应器4、 均流床层、 多孔介质床层7、 加热炉盘8和热 电偶， 其中反应器4入口直径20mm， 筒体直径80mm， 总长1267mm， 均流床层长为60mm， 位于反 应器4渐扩入口段结束处， 即288mm处， 所述栅板6规格： 间隙为10mm， 长度为60mm， 通过栅板 6、 铁丝网的叠加使用使得该区域。

12、成为密集多孔区， 可以使反应器4内流场达到均匀， 其面积 加权均匀性指数可达0.9344， 标准差小至0.2127。 加热炉盘8放置在催化剂床层前， 厚度为 30mm， 以保证进入床层的气体被充分加热， 催化剂床层长为150mm， 起始位置为558mm处， 所 述多孔介质床层7为负载了不同活性组分的不同孔隙率的多块催化剂组合而成， 并按照孔 隙率从大到小以0.8-0.8-0.6-0.6-0.4的顺序排列。 从708mm处继续填充堇青石蓄热体 270mm， 热电偶在多孔介质床层均匀分布。 0008 进一步地， 所述数采系统包括温度采集、 浓度采集。 0009 进一步地， 所述温控系统为多个温控仪。

13、组合而成。 0010 进一步地， 所述管路系统均由胶皮管连接而成。 0011 本实用新型的有益效果是： 0012 1.建立了通过该装置建立了甲苯在催化系统中转化的实验平台， 可以通过控制孔 隙率控制温度从而控制热力反应的进行， 避免催化剂烧结； 0013 2.选择进口甲苯混和气体当量比为1， 可使甲苯催化转化率从85增加到 89， 并且催化床层入口与出口速度差缩小1倍， 温度差缩小275K。 附图说明 0014 图1为本实用新型公开的去除以甲苯为代表的挥发性有机物的装置结构示意图； 0015 图2为本实用新型公开的格栅结构优化反应器内流场的速度云图 0016 图3为本实用新型公开的反应器内格栅。

14、结构示意图； 0017 图4为本实用新型公开的催化多孔介质床层结构示意图； 0018 图5为本实用新型公开的反应器内炉盘放置的结构示意图； 0019 图6为本实用新型公开的反应器内温度差图。 0020 1.空气压缩机 2.甲苯产生瓶 3.混气罐 4.反应器 5.管路 6.栅板 7.多孔介质 床层 8.加热炉盘 9.热电偶 具体实施方式 0021 下面结合附图1-3对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述， 以使本实用新型的 优点和特征能更易于被本领域技术人员理解， 从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚 说明书 2/4 页 4 CN 210921442 U 4 明确的界定。 0022 为了能测试以。

15、甲苯为代表的挥发性有机物转化率的影响， 本实用新型公开一种用 于VOCs去除的催化氧化装置， 具体结构包括进气系统、 温控系统、 管道系统、 催化系统和数 采系统。 0023 所述催化系统包括反应器4、 栅板6、 多孔介质床层7、 多孔介质床层7和栅板6之间 设置的一个加热炉盘8和在多孔介质床层均匀分布热电偶9。 在反应器4腔体前端进气口设 置6厘米的格栅， 目的是为了均匀进入腔体的混合气体的气速， 由于入口较小， 直接释放进 入腔体， 容易造成浓度分布不均， 呈现中间高两边低的趋势， 不利于后期进入催化床层， 铁 丝网的叠加使用使得该区域成为密集多孔区， 使得气速快速均匀， 经测量压损在10。

16、Pa左右； 多孔介质床层7是负载有活性组分的多层催化剂， 载体为堇青石， 因为堇青石本身就有很好 的蓄热能力， 再负载上活性组分更有利于催化反应的进行， 并且不同孔隙率的催化剂进行 组合更有利于反应的进行； 加热炉盘8是为了给气体进行预热， 使其在进入催化床层时达到 反应所需温度。 0024 本新型中采用不同孔隙率催化剂的原因是： 在气体通过催化剂孔道时， 气体和孔 道表面负载的活性组分发生接触， 孔隙率高就代表着气体与活性组分接触几率高， 从而保 证转化效率高， 但是随着孔隙率的增高， 催化剂载体辐射衰减系数减少， 辐射穿透距离大， 反应达到的温度就越高， 但是催化剂都有一定的温度承受范围，。

17、 温度过高催化剂会失活， 因 此通过适当控制催化剂孔隙率来控制反应器 4内燃烧温度， 使得在催化剂多孔介质床层7 范围内起始温度能达到反应要求， 又不会过高， 从而对催化剂产生伤害， 在催化剂多孔介质 床层7后段能提供一定的温度使得催化反应正常进行， 在入口浓度过高， 催化反应不能将所 有甲苯转化时， 能提供足够的温度支撑在反应器4腔体后段进行空间燃烧， 并且在堇青石蓄 热体中进行空间燃烧， 同样可以起到降低燃烧温度的作用。 0025 具体测试方法主要分为两类： 分别是通过均一孔隙率催化剂床层进行甲苯转化率 的实验探究和通过渐变型孔隙率催化剂床层进行甲苯转化率实验的探究并借助成熟的CFD 模拟。

18、工具fluent18.1进行数值模拟； 0026 均一孔隙率催化剂床层进行甲苯转化率的实验探究又分为五个部分： 0027 1.在保证催化剂高效的催化性能的前提下， 确定甲苯催化反应能够发生的最低温 度； 0028 2.确定催化剂床层的安装位置： 由于气体由入口进入经铁丝网对流速进行一定调 整之后， 需要一定的空间来稳定， 而且在进入催化剂床层之前需要对气体预加热， 所以必须 确定催化剂床层的安装位置， 使得气体能够充分的发生反应； 0029 3.采用与第2部分相同的方式， 安装催化剂床层， 再经过多次试验确定加热炉盘8 的位置， 并进行安装； 0030 4.在第3部分确定的最利于反应的位置基础。

19、上， 调整甲苯入口浓度和速度， 研究在 不同浓度和速度的情况下， 催化剂床层出口浓度和反应器4出口甲苯浓度， 由于经过加热、 反应放热， 气体在管内扩散膨胀， 在中心线上浓度较大、 速度较大， 而在中心线两侧上速度 和浓度逐渐衰减， 通过调整蓄热段长度来再次均衡流速。 0031 对渐变型孔隙率催化剂床层进行甲苯转化率的实验中， 改变条件仅为催化剂床层 的孔隙率。 说明书 3/4 页 5 CN 210921442 U 5 0032 测试流程： 0033 由于甲苯气体具有较大的安全隐患， 所以在实验时要严格执行操作流程， 具体测 试流程如下： 0034 (1)按照实验要求， 连接安装好设备管道， 。

20、并检查各部位对接是否牢固， 保持各个 阀门处于关闭状态， 并检查控制系统是否能够正常运行并进行调试， 保证其处于正常工作 状态。 0035 (2)在进行均一孔隙率催化剂床层进行甲苯转化率的实验时， 要安装催化床层。 安 装好之后， 进行气密性检查。 0036 (3)确定准备工作完成后， 打开空气压缩机1、 温控系统以及数采系统。 人员远离设 备， 待运行稳定， 打开甲苯发生瓶， 再待运行稳定， 通过气相色谱仪进行检测出口气体成分 及含量， 在整个操作过程中， 实验人员要注意防护自身安全， 避免吸入甲苯气体。 0037 (4)当实验结束后， 立即关闭甲苯发生瓶， 同时关闭温控系统， 待系统慢慢降温， 并 对所收集的实验数据进行保存， 准备下一次实验。 0038 上所述仅为本实用新型的实施例， 并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡是利 用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换， 或直接或间接运用在其 他相关的技术领域， 均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 说明书 4/4 页 6 CN 210921442 U 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 7 CN 210921442 U 7 图4 图5 说明书附图 2/3 页 8 CN 210921442 U 8 图6 说明书附图 3/3 页 9 CN 210921442 U 9 。