一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的方法
阅读说明：本技术 一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的方法 (Method for treating high-humidity organic waste gas by low-temperature catalytic ozone ) 是由 龙超 张健 邵琦 许博文 柳祎涵 胡雪玉 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的方法,属于废气处理领域。该方法首先将高湿度有机废气经吸水剂进行除湿处理,除湿后的有机废气经加热装置适当升温后与臭氧混合,在催化剂床层内发生降解反应,从而避免了大量水分与催化剂的直接接触,提高了有机废气的降解效率和催化剂的稳定性,保证了装置长期稳定运行；同时,具有一定温度的反应尾气被用于对吸水剂进行再生,热量得到充分利用,降低了能耗。(The invention discloses a method for treating high-humidity organic waste gas by low-temperature catalytic ozone, belonging to the field of waste gas treatment. The method comprises the steps of firstly, carrying out dehumidification treatment on high-humidity organic waste gas through a water absorbent, mixing the dehumidified organic waste gas with ozone after the organic waste gas is properly heated through a heating device, and carrying out degradation reaction in a catalyst bed layer, so that direct contact between a large amount of moisture and a catalyst is avoided, the degradation efficiency of the organic waste gas and the stability of the catalyst are improved, and the long-term stable operation of the device is ensured; meanwhile, reaction tail gas with a certain temperature is used for regenerating the water absorbing agent, so that heat is fully utilized, and energy consumption is reduced.)
技术领域
本发明属于有机废气治理技术领域，具体地涉及一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的方法。
背景技术
挥发性有机化合物(VOCs)对人类健康和环境造成严重危害，已被证明是形成臭氧、二次有机气溶胶和光化学烟雾的重要前体物。VOCs主要来源于交通运输、石油化工、工业喷涂、包装印刷、储油配送等行业或领域；无论是哪种排放源，VOCs的排放都具有浓度不稳定、多种类型共存、难以自然降解、易在环境中积累等特点，会对环境造成持续性的污染。
VOCs的去除方法有热催化氧化法、低温等离子体催化法、生物降解法、光催化法和吸附法等。近年来，催化臭氧氧化法受到广泛关注；与分子氧催化氧化相比，臭氧辅助催化能显著降低反应表观活化能，从而降低反应温度，并可减轻催化剂烧结和获得高稳定性(Wang et al.，2009，2011)。例如：公开日为2015年8月26日的中国发明专利201510279052.1，公开了一种真空紫外光协同臭氧催化氧化的废气处理方法和装置，该方法除了利用紫外光直接降解污染物外，还利用紫外灯产生的臭氧进一步氧化污染物，但紫外灯产生臭氧不稳定，且臭氧经过光催化剂层存在加速光催化剂失活的风险；中国实用新型专利CN 204485651U公开了一种吸附-臭氧催化伴随吸附材料原位再生处理系统，主要是利用活性炭、分子筛等吸附催化材料对有机废气进行吸附，然后通入臭氧进行再生；虽然设备结构简单，但存在臭氧残余二次污染，以及再生效率不高等缺陷。
虽然催化臭氧氧化法被认为是一种低温催化氧化处理有机废气的有效方法，但在实际应用过程中也面临着诸多挑战；1)环境温度下，VOCs矿化率不高，催化剂表面易积累有机副产物而导致催化剂失活；2)废气中普遍含有大量水分，过量水分的存在会大大降低VOCs的去除效率，并且也会加快催化剂的失活，严重影响催化剂稳定性和长期运行。
发明内容
针对现有低温催化臭氧处理有机废气存在的催化效率低、高湿度导致催化剂易失活、臭氧超标排放等问题，本发明提供一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的处理方法。首先将高湿度有机废气经吸水剂进行除湿处理，除湿后的有机废气经加热装置适当升温后与臭氧混合，在催化剂床层内发生降解反应，从而避免了大量水分与催化剂的直接接触，提高了有机废气的降解效率和催化剂的稳定性，保证了装置长期稳定运行；同时，具有一定温度的反应尾气被用于对吸水剂进行再生，热量得到充分利用，降低了能耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的系统，该系统包括第一除湿吸附塔和第二除湿吸附塔；所述的第一除湿吸附塔和第二除湿吸附塔的底端设有进气口，第一除湿吸附塔和第二除湿吸附塔顶部的输出端依次与气体混合器、加热器和固定床催化反应器的底端相连；固定床催化反应器顶端的输出端与第一除湿吸附塔和第二除湿吸附塔的底部输入端相连，第一除湿吸附塔和第二除湿吸附塔上部的输出端为净化后的气体；所述的气体混合器与臭氧发生装置相连。
本发明技术方案中：该方法包括以下步骤：
1)有机废气进入第一或第二除湿吸附塔除水；除水后的有机废气与臭氧发生装置产生的臭氧在气体混合器中混合均匀，之后进入加热器，控制气体温度在70～100℃，加热后的气体进入固定床催化反应器；
3)有机废气与臭氧发生装置产生的臭氧在臭氧氧化催化剂的作用下在固定床催化反应器中发生反应，将有机污染物氧化成CO2和H2O；净化后的气体上升进入臭氧分解催化剂床层，过量的臭氧可以被分解为氧气；然后带有余热的净化后气体进入第二或第一除湿吸附塔对吸湿剂进行再生，使其吸湿能力恢复。
本发明技术方案中：第一除湿吸附塔(1)和第二除湿吸附塔(2)中设有吸水剂，所述的吸水剂包括硅胶、氯化钙、高分子吸水树脂和吸水分子筛中的至少一种。
本发明技术方案中：除水后的有机废气相对湿度控制在5～20％之间。
本发明技术方案中：有机废气与臭氧发生装置产生的臭氧混合，臭氧发生装置出来的臭氧浓度控制在500～5000mg/m3。
本发明技术方案中：固定床催化反应器包括臭氧氧化催化剂床层和臭氧分解催化剂床层，臭氧分解催化剂床层位于臭氧氧化催化剂床层上方；床层中的层板结构每层厚度为10～30cm，层板间距为20～50cm。
本发明技术方案中：所述臭氧氧化催化剂床层的填料为负载型催化剂，其中活性组分中的金属元素为锰、铜、铈中的至少一种；载体采用粒径为2～8mm的活性氧化铝、二氧化硅或分子筛中的一种；活性组分中的金属元素的负载量为3～20％。
本发明技术方案中：所述臭氧分解催化剂床层的填料选用由二氧化锰、氧化铜、二氧化钛、三氧化二铁中的至少两种混合而成的金属氧化物催化剂，催化剂粒径为10～15mm。
在一些具体的技术方案中：所述臭氧分解催化剂床层的填料为摩尔比为1～5:1～5的二氧化锰和氧化铜混合而成的金属氧化物催化剂。
本发明的有益效果：
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明有效地解决了水蒸气导致臭氧氧化催化剂活性降低以及失活的问题，高湿度的有机废气经吸湿剂去除大量的水分，利于后端催化剂长期稳定运行。
(2)本发明对除湿后的气体温度进行检测控制，使有机废气与臭氧的混合气达到最佳温度进入固定床催化剂反应器，充分发挥催化剂的性能，避免了二次副产物附着于催化剂表面降低其催化活性和稳定性，节约了能耗，更加适合低温臭氧催化有机废气处理的工程应用。
(3)本发明中的固定床催化剂反应器中的催化剂床层采用多层设计，调节余地大，可根据实际废气和臭氧浓度，控制催化剂用量，进而有效提高催化降解效率，同时避免臭氧的超标排放。
(4)本发明充分利于带有余热的净化后气体对吸湿剂进行再生，吸湿剂可反复利用，降低了运行成本。
附图说明
图1为本发明的一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的净化方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的一种低温催化臭氧处理高湿度有机废气的工艺流程图；
其中1-除湿吸附塔1；2-除湿吸附塔2；3-气体混合器；4-臭氧发生装置；5-加热器；6-固定床催化反应器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例
如图1～2，一种用于处理污水厂含氯苯废气的臭氧催化处理有机废气的净化系统，该系统包括第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2；所述的第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2的底端设有进气口，第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2顶部的输出端依次与气体混合器3、加热器5和固定床催化反应器6的底端相连；固定床催化反应器6顶端的输出端与第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2的底部输入端相连，第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2上部的输出端为净化后的气体；所述的气体混合器3与臭氧发生装置4相连。
其中：第一除湿吸附塔1和第二除湿吸附塔2中设有吸水剂，吸水剂采用吸水分子筛；臭氧氧化催化剂床层所采用的催化剂为负载锰的SBA-15分子筛催化剂(锰的负载量为10％，载体的粒径为2～8mm)；臭氧分解催化剂床层的催化剂选用二氧化锰和氧化铜混合而成的金属氧化物催化剂(锰和铜的摩尔比为1:1，催化剂粒径为10～15mm)。固定床催化反应器包括臭氧氧化催化剂床层和臭氧分解催化剂床层，臭氧分解催化剂床层位于臭氧氧化催化剂床层上方；床层中的层板结构每层厚度为20cm，层板间距为30cm。
装置的操作方法：接通电源运行该系统，含氯苯的高湿度常温有机废气进入除湿吸附塔1中，经过吸水分子筛干燥，相对湿度低于15％，与臭氧发生器4制造的浓度为1000mg/m3的臭氧一同进入气体混合器3中混合经过加热器5，升温至80℃，然后进入固定床催化反应器6；臭氧在臭氧氧化催化剂床层的作用下将有机废气氧化成CO2和H2O，过量的臭氧在臭氧分解催化剂床层的作用下分解为氧气；吸水剂再生阶段，采用带有余热的净化后气体对已吸附饱和状态的第二除湿吸附塔中对吸湿剂进行再生，净化后的有机废气由净化气出口排出。
在本实施例1中，处理废气的流量为60m3/h，氯苯的浓度为100ppm左右，相对湿度为85％左右。含氯苯高湿度有机废气经过上述低温臭氧催化处理高湿度有机废气的系统，气体温度维持在80℃左右，氯苯的净化效率达到92％以上，净化后气体也检测不到臭氧存在。
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