可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置的制作方法

本实用新型属于废气处理领域，具体涉及一种可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置。

背景技术：

VOCs废气治理技术包括直接冷凝法、燃烧法(包括蓄热催化燃烧法和直接燃烧法)和吸脱附-冷凝回收法，这些方法都存在各自的优缺点。目前来说，直接燃烧法和直接冷凝法主要用在高浓度的VOCs的环境，特别适合用于冷凝温度点与室温环境相接近的气体组份。吸脱附-冷凝技术、吸脱附-催化燃烧技术主要用在低浓度的VOCs(一般15-200ppm)的气体环境，但吸脱附过程对吸附剂要求较高，特别是吸附剂在吸附过程中要对VOCs具有很好气固相吸附作用，在较高的温度下(80-120℃)又要具有很好的脱附能力。

目前，在VOCs净化工程中使用较多的是催化燃烧法，该方法的催化燃烧过程中，有毒的VOCs在催化剂表面催化作用下变成了无毒的二氧化碳和水。因此，催化燃烧方法可以对VOCs进行无害化环境友好的净化处理。

目前环保净化中使用最多的是蓄热式的催化燃烧装置(简称RCO)，该装置在低VOCs浓度下，将低浓度的VOC浓缩成高浓度的VOC，再经过催化燃烧-换热过程，在催化剂表面发生催化作用，高浓度的有毒VOC氧化成无毒害的二氧化碳和水，该装置在设计运行中需要考虑到热能利用和气体浓缩过程。但对催化燃烧产生的废气进行余热回收的问题一直是工程的热点问题。

申请号为CN201510798973.9的专利申请中，将催化燃烧后的高温气进行换热，形成热循环，用于加热吸附床。申请号为CN201710560961.1的专利申请中，将混合气分为两部分，一部分进行催化燃烧，剩余部分与各级催化燃烧段出口的混合气进行换热，用于吹扫吸附后的床层，但实际操作中容易存在温度过高的问题，容易将吸附床中的吸附剂吹裂或者粉化。申请号为CN201510909146.2的专利申请中，采用热空气将吸附剂中的高浓度VOC吹扫出系统，经过催化燃烧进行高温排放，但体系中不存在换热过程，因此热能耗用间接提高了设备装置的成本。

蓄热式催化燃烧工艺设计中一般只考虑到蓄热和催化燃烧过程，换热过程只是在蓄热体中进行，或者在装置内部进行换热，很多VOCs排放工艺(比如喷漆行业有机废气、涂料生产有机废气)中，生产商为了降低生产成本，急需将蓄热式催化燃烧过程中多余的热量进行回收利用，以便降低后续生产工艺的热能需求。

蓄热式催化燃烧工艺设计中，目前只对催化燃烧本身的反应热通过蓄热体的换热实现热量的交换，但在该过程中，高浓度VOCs催化燃烧放出的大量热能存在热量的排放浪费现象。

技术实现要素：

发明目的：本实用新型的目的是提供一种能够对蓄热-催化燃烧后的高温气体进行余热回收，适合用于后续生产工艺急需热能、降低生产成本的场合下使用的RCO-换热一体化的可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置。

技术方案：本实用新型提供一种可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置，包括蓄热催化部分、换热部分和废气输送部分；蓄热催化部分包括三个以上蓄热式催化燃烧床，蓄热式催化燃烧床包括加热组件、储热材料和燃烧催化剂层；换热部分包括外壳、设置在外壳中的U型换热器和U型换热器固定装置；换热部分的外壳与每个蓄热式催化燃烧床分别相连并通过换热多孔分布板隔开；废气输送部分与每个蓄热式催化燃烧床分别相连。

优选地，蓄热式催化燃烧床一端设置有入口和出口，另一端与换热部分相连并通过换热多孔分布板隔开；蓄热式催化燃烧床从设有入口和出口的一端到与换热部分相连的另一端依次设置有进气多孔分布板、加热组件和燃烧催化剂层，加热组件间隙设置有储热材料；优选地，加热组件为电热丝，储热材料分布在电热丝间隙；燃烧催化剂层包括燃烧催化剂，燃烧催化剂为常用的VOCs燃烧催化剂。

上述换热多孔分布板和进气多孔分布板为多孔板，换热多孔分布板和进气多孔分布板上的孔可使VOCs通过而拦截填料和催化剂等固体物质。

上述换热部分还包括保温层；U型换热器中设置有三层以上相互平行设置的U型换热管层，每层U型换热管层包括至少三根U型换热管，每层U型换热管层中，U型管之间的间距至少为1cm，上下两层U型换热管层之间的间距至少为1cm。U型换热管的沿伸方向与蓄热式催化燃烧床中废气流动方向垂直；U型换热管的材质可以是不锈钢、铜质、铁质；U型换热管的单侧长度大于蓄热催化部分的长度，U型管的排布方式可以是列排式、横排式、斜排式。

U型换热器用于流动冷却介质。U型换热器设置有冷却流体入口和冷却流体出口，冷却流体入口和冷却流体出口与U型换热管之间采用多孔板密封焊接连接，多孔板的孔与U型换热管的冷却流体入口和冷却流体出口对应设置，多孔板的孔径大小、排布与U型管尺寸、排布相同，冷却流体入口和冷却流体出口关于VOCs蓄热式催化燃烧装置前后对称设置。

U型换热管固定装置为多孔网板，U型换热管从多孔网板的孔中穿过，多孔网板对U型换热管起到支撑作用，金属多孔网板的网孔边长尺寸至少为0.5cm，金属多孔网板与换热部分外壳的连接方式可以是焊接连接式或螺纹拧紧式，金属多孔网板的材质可以是不锈钢、铁质、铜制；U型换热管的沿伸方向与多孔网板垂直，外壳与U型换热管的间隙填充有导热材料，导热材料可以为丝球结构或丝网结构，材质可以是不锈钢、铁或铜。

废气输送部分包括风机、进气管和出气管，进气管与蓄热式催化燃烧床的入口通过电磁阀相连，出气管与蓄热式催化燃烧床的出口通过电磁阀相连。

本实用新型的工作原理是：通过加热组件对蓄热催化部分中的一个或多个蓄热式催化燃烧床(记作蓄热式催化燃烧床A)中的储热材料进行加热；打开蓄热式催化燃烧床A的入口并将其出口关闭，打开蓄热催化部分中的另外一个或几个蓄热式催化燃烧床(记作蓄热式催化燃烧床B)的出口并将其入口关闭，通过打开的入口向蓄热式催化燃烧床A中输送一定浓度的VOCs废气，该一定浓度的VOCs废气在蓄热式催化燃烧床A中被加热蓄热后的储热材料加热，然后进入燃烧催化剂层进行催化燃烧反应，形成高温二氧化碳和水蒸气，形成的高温二氧化碳和水蒸气进入换热部分的外壳和U型换热器之间的空隙，与U型换热器中的冷却流体进行换热，然后进入蓄热式催化燃烧床B，流过蓄热式催化燃烧床B中的储热材料时将储热材料加热，然后从蓄热式催化燃烧床B的出口流出，进入废气输送部分排出。

经过一段时间后，关闭蓄热式催化燃烧床A的入口和蓄热式催化燃烧床B的出口，打开蓄热式催化燃烧床B的入口和蓄热式催化燃烧床C的出口，向蓄热式催化燃烧床B中输入一定浓度的VOCs废气，重复上一段中描述的VOCs废气在催化燃烧床A、换热部分和蓄热式催化燃烧床B中的催化燃烧反应和换热反应。

在以上过程中，催化燃烧反应产生的高温二氧化碳和水蒸气不仅可加热换热部分的管程中的冷却流体，还可以加热打开了出口的蓄热式催化燃烧床中的储热材料，为被加热了储热材料的蓄热式催化燃烧床接下来的催化燃烧反应提供热量。按照以上操作，通过切换废气输送部分的阀体，对蓄热催化部分中的蓄热式催化燃烧床的入口和出口进行轮流切换，从而对U型换热器管程中的流体进行连续流动换热，二氧化碳和水蒸气从废气输送部分流出可以用于后续的生产工艺。催化燃烧后的二氧化碳和水蒸气也通过加热水介质进行回收利用。此装置在热量的回收上，具有很好的优势，另外在使用成本上也得到降低。

有益效果：本实用新型的VOCs蓄热式催化燃烧装置解决了蓄热-催化燃烧后的高温气体的余热回收问题，对热量进行重新回收利用，适合用于后续生产工艺急需热能、降低生产成本的场合下使用；本实用新型的VOCs蓄热式催化燃烧装置在处理高浓度的VOCs废气方面具有很好的优势，在处理风量5000m³/h、浓度1000ppm的甲苯废气时，对甲苯的净化率为99％，冷却气的气量为2500m³/h，冷端换热介质的温升为100℃(环境温度为25℃)，催化燃烧出口温度为400℃，净化后的废气温度为150℃，U型换热器的热量回收率为15％。

附图说明

图1为可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置的正面结构示意图；

图2为可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置的U型换热器的俯视图。

其中1、U型换热器；1’、保温层；2、多孔网板；3、导热材料；4、多孔板；5、板孔；6、壳体；7、燃烧催化剂；8、电热丝连接端；9、储热材料；10、电热丝；11、电磁阀；11’、出气管，12、电磁阀；13、电磁阀；14、电磁阀；15、电磁阀；16、电磁阀；17、风机；18、进气管；19、进气多孔分布板；19’、换热多孔分布板；20、冷却流体出口流体流动方向；21、冷却流体出口；22、冷却流体入口；23、冷却流体入口流体流动方向。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种可热量回收利用的VOCs蓄热式催化燃烧装置，包括蓄热催化部分、换热部分和废气输送部分。

蓄热催化部分包括蓄热式催化燃烧床A、蓄热式催化燃烧床B和蓄热式催化燃烧床C，蓄热式催化燃烧床A、B和C在壳体6底端设置有入口和出口，顶端分别与换热部分相连并通过换热多孔分布板19’隔开。蓄热式催化燃烧床A、B和C从底端到顶端依次设置有进气多孔分布板19、电热丝10和燃烧催化剂层7，燃烧催化剂为常见的VOCs燃烧催化剂，电热丝10的间隙设置有储热材料9。上述换热多孔分布板19’和进气多孔分布板19为多孔板，换热多孔分布板19’和进气多孔分布板19上的孔可使VOCs通过而拦截填料和催化剂等固体物质。

换热部分包括外壳、保温层、设置在外壳中的U型换热器1和多孔网板2，U型换热器1和外壳之间填充有导热材料3，导热材料3可以为丝球结构或丝网结构，材质可以是不锈钢、铁或铜。U型换热器中设置有三层以上相互平行设置的U型换热管层，每层U型换热管层包括至少三根U型换热管，每层U型换热管层中，U型管之间的间距至少为1cm，上下两层U型换热管层之间的间距至少为1cm。U型换热管的沿伸方向与蓄热式催化燃烧床中废气流动方向垂直；U型换热管的材质可以是不锈钢、铜质、铁质；U型换热管的单侧长度大于蓄热催化部分的长度，U型管的排布方式可以是列排式、横排式、斜排式。U型换热管从多孔网板2的孔中穿过，多孔网板2对U型换热管起到支撑作用，多孔网板2的网孔边长尺寸至少为0.5cm，多孔网板2与换热部分外壳的连接方式可以是焊接连接式或螺纹拧紧式，多孔网板2的材质可以是不锈钢、铁质、铜制；U型换热管的沿伸方向与多孔网板2垂直。

U型换热器设置有冷却流体入口22和冷却流体出口21，冷却流体入口22和冷却流体出口21与U型换热管之间采用多孔板4密封焊接连接，多孔板4的板孔5的孔径大小、排布与U型管尺寸、排布相同，冷却流体入口22和冷却流体出口21关于VOCs蓄热式催化燃烧装置前后对称设置。

废气输送部分包括风机17、进气管18和出气管11’，进气管18与蓄热式催化燃烧床A的入口通过电磁阀16相连，进气管18与蓄热式催化燃烧床B的入口通过电磁阀14相连，进气管18与蓄热式催化燃烧床C的入口通过电磁阀12相连，出气管11’与蓄热式催化燃烧床A的出口通过电磁阀15相连，出气管11’与蓄热式催化燃烧床B的出口通过电磁阀13相连，出气管11’与蓄热式催化燃烧床C的出口通过电磁阀11相连。

在具体进行VOCs废气处理时，通过蓄热式催化燃烧床A中的电热丝10对分散在电热丝10间隙的储热材料9进行加热；打开电磁阀16并关闭电磁阀15，从而打开蓄热式催化燃烧床A的入口并将其出口关闭，通过打开电磁阀13并将电磁阀14关闭从而打开蓄热式催化燃烧床B的出口并将其入口关闭，关闭电磁阀11和电磁阀12从而关闭蓄热式催化燃烧床C的入口和出口。通过打开的入口向蓄热式催化燃烧床A中输送一定浓度的VOCs废气，该一定浓度的VOCs废气在蓄热式催化燃烧床A中被加热蓄热后的储热材料9加热，然后进入燃烧催化剂层7进行催化燃烧反应，形成高温二氧化碳和水蒸气，形成的高温二氧化碳和水蒸气进入换热部分的外壳和U型换热器1之间的空隙，与U型换热器1中的冷却流体进行换热，然后进入蓄热式催化燃烧床B，流过蓄热式催化燃烧床B中的储热材料9时将储热材料9加热，然后从蓄热式催化燃烧床B的出口流出，进入废气输送部分排出。U型换热器1中的冷却流体的流动方向如图1中箭头23、20方向所示。

经过一段时间后，通过调节电磁阀的打开或关闭从而关闭蓄热式催化燃烧床A的入口和蓄热式催化燃烧床B的出口，打开蓄热式催化燃烧床B的入口和蓄热式催化燃烧床C的出口，向蓄热式催化燃烧床B中输入一定浓度的VOCs废气，重复上一段中描述的VOCs废气在催化燃烧床A、换热部分和蓄热式催化燃烧床B中的催化燃烧反应和换热反应，即，通过打开的入口向蓄热式催化燃烧床B中输送一定浓度的VOCs废气，该一定浓度的VOCs废气在蓄热式催化燃烧床B中被加热蓄热后的储热材料9加热，然后进入燃烧催化剂层7进行催化燃烧反应，形成高温二氧化碳和水蒸气，形成的高温二氧化碳和水蒸气进入换热部分的外壳和U型换热器1之间的空隙，与U型换热器1中的冷却流体进行换热，然后进入蓄热式催化燃烧床C，流过蓄热式催化燃烧床C中的储热材料9时将储热材料9加热，然后从蓄热式催化燃烧床C的出口流出，进入废气输送部分排出。

在以上过程中，催化燃烧反应产生的高温二氧化碳和水蒸气不仅可加热换热部分的管程中的冷却流体，还可以加热打开了出口的蓄热式催化燃烧床中的储热材料，为被加热了储热材料的蓄热式催化燃烧床接下来的催化燃烧反应提供热量。按照以上操作，通过切换废气输送部分的阀体，对蓄热式催化燃烧床A、B和C的入口和出口进行轮流开关，从而对U型换热器管程中的流体进行连续流动换热，二氧化碳和水蒸气从废气输送部分流出可以用于后续的生产工艺。催化燃烧后的二氧化碳和水蒸气也通过加热水介质进行回收利用。此装置，在热量的回收上，具有很好的优势，另外在使用成本上也得到降低。