本发明涉及一种高效处理vocs有机废气的催化氧化装置和方法。
背景技术：
挥发性有机化合物(vocs)是继so2、nox之外又一重要污染物，给环境和生活带来沉重压力。我国vocs存在排放量大、来源复杂等特点，涂装、印刷、化工等行业相继颁布了vocs排放标准，以消减vocs排放。催化-氧化是去除vocs的有效手段，在加热及催化剂作用下将vocs氧化为无害化的h2o和co2。
催化-氧化的核心是co(catalyticoxidation)反应器和催化剂，直接决定系统的处理效率和能耗，常规co反应器，催化剂单元堆砌而成催化剂床层，催化剂床层采用多层布置。反应器存在效率低，结构复杂、体积大，催化剂安装和更换不便，气流、温度分布的均匀性差等缺点，同时存在密封性差、易形成短流，导致co反应器处理效率低。为了提高设备去除效率，优化气流、温度分布和回收热能，现有技术公开了一些方法和策略。
专利cn204285486公开了一种处理定型机废气的装置，将静电除尘器和催化模块组合，静电除尘器去除废气中的颗粒物，核心单元催化氧化模块去除废气中的vocs，蜂窝状催化剂组装成催化剂床层，反应器结构复杂，气体分布均匀性差。专利cn205461796公开了一种高效处理有机废气vocs的装置，采用催化-燃烧法，反应器内部为催化剂填料层，装填层级不等的纳米孔、稀土分子筛高效催化剂，系统的净化效率>99％。但颗粒状催化剂导致阻力增大，不利于气流分布，易形成短流和局部负荷增加，此外，反应热不易扩散，易引起催化剂床层温度升高，进而导致催化剂出现烧结、失活。cn107583409公开了一种新型voc处理系统，采用沸石分子筛转轮+催化燃烧模式，沸石分子筛转轮为吸附-浓缩段，催化-燃烧反应器包括催化板和换热器，催化板设置3-5层，催化板出口气体进入换热器，用于加热分子筛转轮脱附气体，以降低能耗。但存在气流分布不均，对波动适应性差。cn107497291公开了一种燃烧式voc处理装置，将吸附、预热和催化燃烧集成在一体，主要是利用废气燃烧产生的热量对进入催化燃烧系统的废气进行预热，降低能耗，未对反应器进行优化。
现有用于vocs处理的催化-氧化反应器，其特征在于反应器为一长方体腔体，催化床是由催化剂单体经堆砌方式组装，反应器需要设置复杂的变径接头、转换阀门等，制作成本大。此外，还存在设备体积大、气流分布不均、反应器结构复杂、催化剂安装、再生和更换不便等。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题和不足，本发明提供一种高效处理vocs有机废气的催化氧化装置和方法，其中高效处理vocs有机废气的催化氧化装置所包括的催化-氧化反应器由多个独立的单管反应器组合而成，有效克服传统反应器存在的缺点。
本发明解决上述问题的技术方案如下：一种高效处理vocs有机废气的催化氧化装置包括干式过滤器(1)、阻火器(2)、换热器(3)、加热器(4)和催化-氧化反应器，其中，所述干式过滤器(1)与所述阻火器(2)相连，所述阻火器(2)与所述换热器(3)的冷端入口相连，所述换热器(3)的冷端出口与所述加热器(4)相连，所述加热器(4)与所述催化-氧化反应器相连，所述催化-氧化反应器与所述换热器(3)的热端入口相连，且所述换热器(3)的热端出口与烟囱(11)相连。
进一步，所述干式过滤器(1)的一端通过进气电动阀(v1)与废气排放端或吸附浓缩脱附端相连，且所述干式过滤器(1)的另一端与所述阻火器(2)相连；所述换热器(3)的冷端出口与所述加热器(4)的入口相连，且所述加热器(4)的出口通过膨胀节(5)与所述催化-氧化反应器相连；所述换热器(3)的热端出口通过引风机(10)与烟囱(11)相连。
进一步，所述催化-氧化反应器由气体分配箱(6)、催化器模块(7)和气体混合箱(8)构成，所述气体分配箱(6)的入口通过膨胀节(5)与所述加热器(4)的出口相连，所述气体分配箱(6)的出口通过快换卡箍(12)与所述催化器模块(7)的入口相连，所述催化器模块(7)的出口通过快换卡箍(12)与所述气体混合箱(8)的入口相连，且所述气体混合箱(8)的出口与所述换热器(3)的热端入口相连。
在本发明中，快换卡箍的结构为u型结构，其依靠u型结构自身上下所具有的向外延伸的卡片挂在所述气体分配箱(6)的出口和所述气体混合箱(8)的入口处，便于随时取放更换。
进一步，所述气体分配箱(6)上连接有紧急排气阀(ev1)和压力控制器(p1)。
所述紧急排气阀(ev1)和所述压力控制器(p1)可以防止反应过快而导致催化器模块(7)内压力升高。
进一步，所述催化器模块(7)由至少一个单管反应器(71)并列组装构成，所述单管反应器(71)由催化剂单体(711)、耐火密封衬垫(712)、筒体(713)、保温层(714)和反应器外壳(715)构成，其中所述催化剂单体(711)安装在所述筒体(713)内，所述催化剂单体(711)和所述筒体(713)之间有所述耐火密封衬垫(712)，所述筒体(713)与所述反应器外壳(715)之间填充有耐火保温材料构成的保温层(714)。
在本发明中，所述催化器模块(7)采用至少一个单管反应器(71)并列组装成催化床层，其具有以下有益效果：1、催化剂负荷均匀，密封性好；2、催化剂起燃快，利用率高，并可以保持优异的催化活性；3、模块化设计，方便催化剂的维护、再生和更换。
进一步，所述单管反应器(71)中安装1-4块所述催化剂单体(711)，且所述单管反应器(71)具有单管反应器进气口(72)和单管反应器出气口(73)，其中所述单管反应器进气口(72)与所述气体分配箱(6)相连，且所述单管反应器出气口(73)与所述气体混合箱(8)相连。
在本发明中，所述催化剂单体(711)可以是但不限于圆柱体形状、正方体形状或者长方体形状，优选为圆柱体形状，可以得到更好的催化剂利用率。进一步，当所述单管反应器(71)中安装2-4块所述催化剂单体(711)时，两个相邻的所述催化剂单体(711)之间的距离为30-100mm。
在本发明中，两个相邻的所述催化剂单体(711)之间的距离为30-100mm，在此范围内可以使气体进行更好的二次混合，从而使催化剂负荷均匀。对于所述催化剂单体(711)的安装来说，每个催化剂单体(711)用一个密封衬垫单独封装，即封装一个带密封衬垫的催化剂单体(711)，然后以30-100mm的间隔封装后续的催化剂单体(711)。
进一步，所述催化剂单体(711)的横截面的直径为7.5-30英寸，且每个所述催化剂单体(711)的层高度为3-20英寸。
在本发明中，当所述催化剂单体(711)的横截面的直径为7.5-30英寸，且每个所述催化剂单体(711)的层高度为3-20英寸时，催化剂在高负荷下具有优异的催化活性，低的压降。具体尺寸规格可由voc废气的处理量和要求而定。
进一步，所述加热器(3)与所述催化-氧化反应器之间设置有催化剂补冷系统，所述催化剂补冷系统由补冷空气电动阀(v2)和冷却风机(9)构成，所述补冷空气电动阀(v2)的一端通过冷却风机(9)与所述催化-氧化反应器的入口相连，且所述补冷空气电动阀(v2)的另一端与大气相通。
在本发明中，所述催化剂补冷系统设置在所述催化-氧化反应器的入口处，为了防止高温、过热引起催化剂烧结，具体地，所述催化剂补冷系统可以位于膨胀节(5)的上方或者下方。
进一步，所述阻火器(2)和所述换热器(3)的冷端入口之间连接有换热器冷端入口温度控制器(t30)，所述换热器(3)的冷端出口和所述加热器(4)入口之间靠近所述换热器(3)的冷端出口处连接有换热器冷端出口温度控制器(t31)，所述换热器(3)的冷端出口和所述加热器(4)入口之间靠近所述加热器(4)入口处连接有加热器入口温度控制器(t40)，所述加热器(4)出口和所述催化-氧化反应器入口之间连接有加热器出口温度控制器(t41)，所述催化-氧化反应器入口处连接有催化器模块入口温度控制器(t70)，且所述催化-氧化反应器出口处连接有催化器模块出口温度控制器(t71)。
进一步，所述高效处理vocs有机废气的催化氧化方法包括以下步骤：将含有挥发性有机化合物的有机废气经干式过滤器(1)用于去除废气中的粉尘和颗粒物；经过去除废气中的粉尘和颗粒物后的有机废气经阻火器(2)后进入换热器(3)；经换热后进入加热器(4)，当加热器出口温度控制器(t41)监测到的温度与加热器入口温度控制器(t40)监测到的温度的差值δt＝t41-t40>预设温度时，开启加热器(4)对换热后的有机废气进行加热；加热后有机废气进入催化-氧化反应器进行催化氧化；所述催化氧化后的有机废气依次经换热器(3)和烟囱排放到大气中。
在本发明中，所述补冷空气电动阀(v2)和所述冷却风机(9)的开启和关闭通过所述催化器模块入口温度控制器(t70)进行控制。所述加热器出口温度控制器(t41)用于测定催化-氧化反应器入口的气体温度，所述加热器入口温度控制器(t40)用于测定加热器(4)入口的气体温度，所述加热器出口温度控制器(t41)和所述加热器入口温度控制器(t40)共同用于控制加热器(4)的运行。经过加热器(4)加热后的气体，在进入催化-氧化反应器之前用所述催化器模块入口温度控制器(t70)控制，如果所述催化器模块入口温度控制器(t70)监测到的温度高于设定值，则开启所述催化剂补冷系统。
采用上述技术方案用于vocs有机废气的催化-氧化净化的装置，废气相继经换热器预热、加热器加热后进入催化-氧化反应器，有效利用了催化反应热，降低了能耗；催化-氧化反应器采用单管反应器并列组装构成，废气经气体分配箱后均匀进入各单管反应器，优化了气流、温度均匀性，提高了催化剂利用率；单管反应器与气体分配箱、气体混合箱通过快换卡箍连接，方便催化模块的安装、维护和更换；单管反应器尺寸和数量可根据废气流量自由调整、组装，可实现批量化制作；催化剂单体利用耐火密封衬垫封装在筒体内，提高了单管反应器密封性，避免短流引起效率降低。
综上所述，本发明改善了催化-氧化反应器结构，在提高装置可靠性的同时降低了能耗，保证催化剂利用率和装置对废气的净化效率，装置在运行过程中，入口vocs有机废气浓度为0.5-6g/m3，反应空速sv＝5k-30kh-1，装置对vocs的去除效率可达99.5％以上。
附图说明
图1是本发明高效处理vocs有机废气的催化氧化装置的结构示意图；
图2是本发明中单管反应器正视示意图；
图3是图2中剖面的结构示意图；
图4是本发明中催化剂筒体剖面结构示意图。
在图1至图4中，各标号所代表的部件列表如下
1、干式过滤器，2、阻火器，3、换热器，4、加热器，5、膨胀节，6、气体分配箱，7、催化器模块，71、单管反应器，711、催化剂，712、耐火密封衬垫，713、筒体，714、保温层，715、反应器外壳，72、单管反应器进气口，73、单管反应器排气口，8、气体混合箱，9、补冷风机，10、引风机，11、烟囱，12、快换卡箍
v1、进气电动阀，v2、补冷空气电动阀，ev1、紧急排气阀，p1、压力控制器
t30、换热器冷端入口温度控制器，t31、换热器冷端出口温度控制器，t40、加热器入口温度控制器，t41、加热器出口温度控制器，t70、催化器模块入口温度控制器，t71、催化器模块出口温度控制器
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
图1是本发明高效处理vocs有机废气的催化氧化装置的结构示意图，包括干式过滤器1、阻火器2、换热器3、加热器4和催化-氧化反应器，其中，所述干式过滤器1的一端通过进气电动阀v1与废气排放端或吸附浓缩脱附端相连，且所述干式过滤器1的另一端与所述阻火器2相连；所述阻火器2与所述换热器3的冷端入口相连，所述换热器3的冷端出口与所述加热器4的入口相连，且所述加热器4的出口通过膨胀节5与所述催化-氧化反应器相连，所述催化-氧化反应器与所述换热器3的热端入口相连，且所述换热器3的热端出口通过引风机10与烟囱11相连。
其中，换热器3用于催化-氧化反应热的回收利用，加热器4用于加热预热(预热即是在系统运行后，加热器4加热后的气体经催化氧化反应得到反应热，利用换热器3回收热量对废气进行预热)后的废气以达到催化剂起燃温度。所述装置入口设有阻火器2，防止火焰回窜引发安全事故，在阻火器前段设有干式过滤器1，用于去除废气中的粉尘和颗粒物，防止颗粒物在设备、催化剂表面沉积而引起腐蚀和堵塞。
所述催化-氧化反应器由气体分配箱6、催化器模块7和气体混合箱8构成，所述气体分配箱6的入口通过膨胀节5与所述加热器4的出口相连，所述气体分配箱6的出口通过快换卡箍12与所述催化器模块7的入口相连，所述催化器模块7的出口通过快换卡箍12与所述气体混合箱8的入口相连，且所述气体混合箱8的出口与所述换热器3的热端入口相连。
其中，气体分布箱6与催化模块7中的单管反应器71通过快换卡箍12连接，用于将加热后的废气均匀分布，废气均匀进入单管反应器71中，提高催化剂利用率。
所述催化器模块7出口设有气体混合箱8，与催化模块7通过快换卡箍12连接，用于汇集单管反应器71出口的废气，以提高换热器3的换热效率。
所述催化器模块7由至少一个单管反应器71并列组装构成，所述单管反应器71由催化剂单体711、耐火密封衬垫712、筒体713、保温层714和反应器外壳715构成，其中所述催化剂单体711安装在所述筒体713内，所述催化剂单体711和所述筒体713之间有所述耐火密封衬垫712，所述筒体713与所述反应器外壳715之间填充有耐火保温材料构成的保温层714。
所述催化器模块7由若干独立的单管反应器71并列组装构成，单管反应器71的内部设置有voc氧化催化剂(如采用10.5寸x4寸+10.5寸x6寸催化剂，或13寸x6寸+2x13寸x4寸)，废气中的vocs物种在一定条件下(如二甲苯在sv＝30000h-1，浓度为6g/m3，温度280℃时，转化率高于99％)可被充分氧化，生成h2o和co2。催化-氧化反应过程中会产生大量反应热，经换热器3换热后用于加热废气，装置运行过程中仅需少量能量输入。
所述单管反应器71是用耐火密封衬垫712将催化剂单体711封装在筒体713内，筒体713外部依次设有保温层714和反应器外壳715，单管反应器71中安装1-4块催化剂单体711，催化剂单体711的直径为7.5-30英寸，催化剂单体711的高度为3-20英寸。
所述催化器模块7还设有压力控制器p1和紧急排气阀ev1，防止反应过快而导致催化器模块内压力升高。
所述加热器3与所述催化-氧化反应器之间设置有催化剂补冷系统，所述催化剂补冷系统由补冷空气电动阀v2和冷却风机9构成，所述补冷空气电动阀v2的一端通过冷却风机9与所述催化-氧化反应器的入口相连，且所述补冷空气电动阀v2的另一端与大气相通。所述膨胀节5和催化-氧化反应器入口之间设有补冷风机9和补冷电磁阀v2，用于调控进入催化器模块7的气体的温度，防止温度过高而对催化剂造成损害。
所述换热器3的冷端入口和冷端出口分别设有温度控制器t30和t31，加热器4的入口和出口分别设有温度控制器t40和t41，催化器模块7的入口和出口分别设有温度控制器t70和t71，分别用于控制设备单元入口和出口的温度，从而维持设备单元的废气参数。
所述阻火器2和所述换热器3的冷端入口之间连接有换热器冷端入口温度控制器t30，所述换热器3的冷端出口和所述加热器4入口之间靠近所述换热器3的冷端出口处连接有换热器冷端出口温度控制器t31，所述换热器3的冷端出口和所述加热器4入口之间靠近所述加热器4入口处连接有加热器入口温度控制器t40，所述加热器4出口和所述催化-氧化反应器入口之间连接有加热器出口温度控制器t41，所述催化-氧化反应器入口处连接有催化器模块入口温度控制器t70，且所述催化-氧化反应器出口处连接有催化器模块出口温度控制器t71。
本发明高效处理vocs有机废气的催化氧化方法包括以下步骤：将含有挥发性有机化合物的有机废气经干式过滤器1用于去除废气中的粉尘和颗粒物；经过去除废气中的粉尘和颗粒物后的有机废气经阻火器2后进入换热器3；经换热后进入加热器4，当加热器出口温度控制器t41监测到的温度与加热器入口温度控制器t40监测到的温度的差值δt＝t41-t40>预设温度(预设温度的具体值取决于不同的催化氧化反应条件)时，开启加热器4对换热后的有机废气进行加热；加热后有机废气经膨胀节5进入催化-氧化反应器的气体分配箱6，然后进入催化器模块7进行催化氧化后经气体混合箱8排出；排出后的气体依次经换热器3和烟囱排放至大气中。其中，设定所述催化器模块入口温度控制器t70监测到的温度<400℃，且设定所述催化器模块出口温度控制器t71监测到的温度<600℃，当t70监测到的温度>400℃或t71监测到的温度>600℃时，开启催化剂补冷系统，同时减小加热器4的输出功率，其中当换热器冷端入口温度控制器t30监测到的温度>预设温度(预设温度的具体值取决于不同的催化氧化反应条件)时，增加引风机10的转速，当换热器冷端出口温度控制器t31监测到的温度<加热器入口温度控制器t40监测到的温度时，加热器入口温度控制器t40控制加热器4的运行，当换热器冷端出口温度控制器t31监测到的温度>加热器入口温度控制器t40监测到的温度时，换热器冷端出口温度控制器t31控制加热器4的运行。
有机废气经上述换热、加热、催化-氧化过程之后，主要vocs有机污染物得到彻底分解，清洁气体排放到大气中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。