一种挥发性有机污染物净化装置及方法与流程

本发明涉及空气污染处理领域，具体涉及一种将甲醛、苯、co等室内有机挥发物经催化反应转变为无害气体的装置及其使用方法。

背景技术：

汽车尾气、工业废气中的颗粒物是雾霾产生的重要原因。除了颗粒物，燃烧不完全产生的co极易与人体血液中的血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，削弱了血液对人体组织的供氧能力，当人体吸入超过0.3％的co时，短时间内即可使人死亡；而碳氢化合物(hc)包括多种成分的未燃烃、醛类，对血液和呼吸道有毒害，多环芳香烃(pah)及其衍生物还有致癌作用。

对空气造成污染的不仅包括工业废气和汽车尾气，还包括装潢、烤漆等过程释放的甲醛。甲醛可刺激鼻、眼睛和咽喉，导致头痛、皮肤损伤，以及胃和食管烧灼感。甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。

去除甲醛、苯、co等有害挥发物是人们一直关注的热点。目前比较常见的处理方式是通过吸附来去除有害挥发物，例如，采用活性炭、光触媒、空气净化器等去除甲醛。但是活性炭吸附饱和时间短，超过一定周期存在二次释放的危险。光触媒利用紫外线将甲醛分解，大量使用紫外线对人体会造成不同程度的伤害。空气净化器与活性炭有着相似的缺点，并且对于除甲醛外的其它有机挥发物吸附效果不明显，同时吸附剂的用量过大会导致二次污染。为此，国内外出现了利用催化氧化反应处理甲醛、co等有机挥发物的设备。其中，有的通过配制一定的溶液来吸附有害挥发物，进而通过化学反应去除有害物质；有的则通过集中捕获颗粒物后进行燃烧去除。但这些设备都存在一定弊端：反应效率低下；配制的溶液容易过期；需要定期更换颗粒物过滤滤芯；反应条件苛刻等。因此，限制了其量产使用。

为解决吸附效率低以及反应条件苛刻等问题，中国专利cn101450315a中提出了一种室内空气净化装置，该空气净化装置包括控制系统、引风系统、吸附系统及催化燃烧系统，可通过吸附、解析以及催化燃烧，对多种挥发性有机污染物进行无害化处理。但该装置在处理污染物过程中无法连续吸入外界空气，在利用继电器控制吸附段和催化燃烧段的运行时间间隔，因其时间继电器没有反馈系统，无法计算循环次数，导致存在净化不完全，或者净化循环次数过多，浪费时间与电能等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种挥发性有机污染物净化装置及方法，从而有效的将甲醛、co等有害的有机挥发物通过催化氧化使其转化为无害物质。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种挥发性有机污染物净化装置，包括氧化催化器、引风机、导流管以及净化调节组件，所述氧化催化器包括壳体、设置在壳体外侧的加热套体以及间隔排布在壳体内的催化载体，导流管的一端与壳体的进风端相连，导流管的另一端与引风机相连，净化调节组件包括设置在壳体出风端的用于检测有机挥发物浓度(即反应后的残留量)的传感器以及与该传感器、引风机和加热套体分别相连的控制器。

优选的，所述净化调节组件还包括与上述控制器相连的用于分别检测氧化催化器壳体的进风端、出风端的氧气浓度的传感器(以便于控制器获取氧化催化器内氧气的反应速率)。

优选的，所述净化调节组件还包括与上述控制器相连的用于检测氧化催化器壳体的内部温度的传感器。

优选的，所述加热套体包括与上述控制器相连的电热带(电热带设置在壳体上)以及用于分隔电热带与外界的隔热材料。

优选的，所述导流管选自连接在引风机的出风侧与氧化催化器壳体的进风端之间的通道直径逐渐缩小的变径管。

优选的，所述引风机和氧化催化器通过肋板支撑于地面，便于在室内安装，氧化催化器壳体的进风端和出风端分别设置有用于将该壳体与外界隔离的开关(例如，阀门等)。

优选的，所述控制器根据氧化催化器内氧气的反应速率和/或有机挥发物的残留量，对引风机风速和/或加热套体的温度进行闭环反馈调节。

一种挥发性有机污染物净化方法，包括以下步骤：

1)将上述挥发性有机污染物净化装置置于室内，然后利用加热套体对氧化催化器进行预热，预热完毕后启动引风机；

2)将外界气体(通常为存在有机挥发物污染的待净化气体)吸入经过预热后的氧化催化器，并对流过氧化催化器内部的气体通过一定温度和压力控制下的催化反应进行净化(参照有机挥发物浓度)后排出氧化催化器。

优选的，所述步骤1)之前，利用未被有机挥发物污染的气体对用于检测氧化催化器壳体出风端(排出气体)的有机挥发物浓度的传感器进行标定。

优选的，所述步骤1)中，经过预热后，先利用吸入氧化催化器的一定体积的待净化气体，对用于检测氧化催化器壳体的进风端、出风端的氧气浓度的传感器，按照催化反应(净化)前后该气体在氧化催化器内(具体为对应的进风端、出风端)的氧含量(氧气浓度)差进行标定，然后转至步骤2)。

优选的，所述步骤2)中，若氧化催化器壳体的进风端、出风端的氧气浓度差大于氧化催化器进风端、出风端用于检测氧气浓度的传感器的对应标定结果，则调节引风机风速，使流经氧化催化器的气体中的有机挥发物反应完全(即达到净化效果)；若氧化催化器壳体的进风端、出风端的氧气浓度差小于等于对应的标定结果，则调节引风机风速和加热套体温度，使流经氧化催化器的气体中的有机挥发物反应完全。

本发明的有益效果体现在：

本发明在氧化催化器中对待净化气体中的氧气进行吸附，使其在气体流动过程中同时与有机挥发物充分反应，不仅使装置的结构更为紧凑，而且可以对空间内进行不间断的气体净化，净化效率高，应用范围广泛。

进一步的，通过设置检测反应前后氧气浓度的传感器，以及对引风机、加热套体的控制，有利于提高催化反应的控制精度和净化效率。

进一步的，通过对传感器进行标定，既有利于提高净化速度，降低反应条件苛刻程度，也有利于提高通用性，降低净化成本。

附图说明

图1是本发明实施例中挥发性有机污染物净化装置的俯视图(控制面板未显示)；

图2是催化器氧化反应控制系统框架图；

图3是催化器氧化反应控制流程图；

图4是本发明实施例中挥发性有机污染物净化装置的左视图；

图5是本发明实施例中挥发性有机污染物净化装置的立体图；

图6是本发明实施例中挥发性有机污染物净化装置的剖视图(a-a)；

图中：1.引风机，2.导流管，3.碳氢化合物传感器，4.氧传感器，5.温度传感器，6.控制传输线，7.控制面板，8.支撑肋板，9.电热带，10.催化载体，11.隔热板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

(一)挥发性有机污染物净化装置的结构

参见图1、图4及图5，为更好的净化空气，减少有机挥发物对环境和人体的危害，本发明提出了一种挥发性有机污染物净化装置，所述净化装置主要包括一个管壳式氧化催化器，该氧化催化器以蓬松状的氧化铝作为载体，有效吸附空气中的氧气，并通过附着在载体上的金属催化剂(负载催化剂的载体称为催化载体)，将排放到空气中的碳氢化合物(例如，甲醛)、co等未完全氧化的有机污染物在一定温度和压力下快速地与吸附在催化载体上的氧气进行化学反应，生成无污染的h2o和co2。主要发生的反应如下：

co+o2→co2

hmcn+o2→h2o+co2

由于氧化催化器对反应温度和压力有一定要求，将氧化催化器与电热带9、引风机1安装在一起，从而为氧化反应提供可控的反应条件。所述引风机1的出风侧安装有导流管2(导流管2可采用通道直径逐渐缩小的变径管，以便降低所述净化装置的噪声和振动以及提供较大的风压调节范围，从而提高氧化催化器对有机污染物的处理效率)，导流管2的出口端焊接有法兰盘，该法兰盘与氧化催化器的进气通道规格相同，以便与焊接在氧化催化器进气通道端部的法兰盘连接，在导流管2与氧化催化器进气通道的法兰盘之间可填充石棉垫片，防止所述净化装置因使用中温度过高而发生密封不严，避免导流管2中的气体发生泄漏。与安装催化载体位置相对应的氧化催化器壳体的外部预留空间，以便将电热带9缠绕在该壳体的外侧，从而可以对壳体内部进行加热，为了充分利用电热带9加热产生的热量，可以将电热带9与外界用真空隔热板11进行隔离，例如，利用真空隔热板11将氧化催化器壳体上的电热带9进行覆盖并包裹密封严实，形成圆筒状的隔热层，减少对周围环境的散热。所述引风机1以及氧化催化器的进、出气通道处安装有支持肋板8，有利于装置整体受力均匀，从而提高运转的稳定性。为了方便操作控制，在氧化催化器出气通道内安装有用于检测有机挥发物是否残留的碳氢化合物传感器3(简称hc传感器)，在管壳(即氧化催化器壳体)内部安装有用于检测反应温度的温度传感器5；在氧化催化器进、出气通道内还安装有氧传感器4，通过进、出气通道处氧气浓度变化可判断反应速率。利用控制传输线6将各传感器与固定在隔热层上的控制面板7连接。

参见图2，所述氧化催化器可以通过以上安装在内部的各传感器进行反馈调节，即将各传感器的信号输入控制面板7的控制器中，该控制器的输出信号通过对电流的控制，实现电热带9加热温度以及引风机1风速的闭环控制，从而提高反应效率，可以在将吸入氧化催化器的空气中含有的有害的有机挥发物经氧化反应生成为无害的物质的同时连续输出净化后的空气。

上述挥发性有机污染物净化装置的操作流程如下：打开控制面板7上的电源开关，引风机1、电热带9、各传感器以及控制器开始工作，等待电热带9对氧化催化器内部进行加热，直至达到反应所需温度，此时待净化的气体(例如，空气)经过引风机1吸入导流管2，然后进入氧化催化器工作区域(即内部填充催化载体的区域)，气体通过氧化催化器内部时在载体的催化作用下，使一同吸入的氧气和有机挥发物发生氧化反应，净化后的气体沿着氧化催化器出气通道排出，完成一次循环(即从外部吸入的气体于催化器内部净化后再排出至外部)。

(二)挥发性有机污染物净化装置的控制

打开电源开关时，由于氧化催化器初始温度较低，需进行热机，此时控制器只控制电热带9工作，引风机1停止工作，当氧化催化器内部温度达到一定数值后，控制器控制引风机1工作，此时净化正式开始，外部气体被送入氧化催化器内部。温度传感器5继续监测氧化催化器内部的温度，hc传感器监测有机挥发物，氧传感器4监测反应前后氧含量差；监测数据汇入控制器进行反馈，由控制器针对不同类情况进行调节控制。同时可以手动选择调节各部分工作情况(如引风机是否转动等)。

所述调节控制流程参见图3，初始输入量为热机温度值，当热机温度值大于设定值(参照反应温度)后控制器开始调节温度和风速大小：

情况一、当氧传感器4监测的反应前后(即氧化催化器进、出风通道)氧含量差值较预定值偏大，hc传感器监测结果为无数值时，控制器通过调节，使温度保持不变，风速增大。这是因为反应前后氧含量差值大表明反应比较完全，吸入的氧气大部分在氧化催化器内部发生了反应，而有机挥发物去除殆尽。此时保持反应温度不变并提高风速，可以使氧化催化器中的氧气更加充分的利用，增大净化效率。

情况二、当氧传感器4监测的反应前后氧含量差值较预定值偏大，hc传感器监测结果为有数值时，控制器通过调节，使温度保持不变，风速减小。这是因为吸入的氧气虽然绝大部分发生了反应，但排出的气体仍然存在有机挥发物残留，说明吸入气体中的有机挥发物含量较高，导致部分有机挥发物来不及发生反应就被排出。此时降低风速可以增加有机挥发物在氧化催化器中的停留时间，从而增大净化效率。

情况三、当氧传感器4监测的反应前后氧含量差值较预定值偏小(或相等时)，hc传感器监测结果为有数值时，控制器通过调节，使温度增大，风速减小。这是因为吸入的氧气只有少部分与有机挥发物发生了反应，反应不完全。此时提高反应温度，并增加有机挥发物在氧化催化器中的停留时间，从而增大净化效率。当温度达到某一限值(一般大于热机温度设定值)时，控制器不再使温度进一步上升，从而防止氧化催化器因过热而发生危险。

情况四、当氧传感器4监测的反应前后氧含量差值接近0，hc传感器监测结果为无数值时，控制器通过调节，使温度减小，风速减小。这是因为吸入的氧气虽然少量发生了反应，但是排出的气体并没有明显的有机挥发物残留，说明气体中的有机挥发物净化完全。此时伴随降低温度、风速，控制面板7上的指示灯亮起，并发出警报声，提示关闭电源开关，若在一定时间间隔(例如，3分钟)内无操作，则控制器自动关闭电源。

控制器输入信号在对比时所参照的数值应预先进行标定，从而提高控制精度，防止判断失误。对于hc传感器的标定：将hc传感器置于无污染的清洁空气中通电放置，记录数值；当测试时，氧化催化器出气通道处的检测结果小于等于该数值的100％-120％(例如，105％)时显示“无”，反之则显示“有”。对于氧传感器的标定：将一定量的有机挥发物与空气混合、加热进行催化反应，直到有机挥发物完全反应、无剩余，此时检测氧气含量，计算与反应前的氧气含量的差值，选取差值的65％-75％(例如，70％)作为预定值，待净化气体变化时，一般应重新进行标定。

(三)效能实验

用安装调试好的设备进行测试，测试时，在具有密封空间的烤漆房(实验点)中测量甲醇浓度，然后将安装调试好的设备运转一段时间，设备停机后再次测量密闭空间的甲醛浓度。氧化催化反应温度介于200-300℃之间。

表1.装置所用材料型号以及规格

所述设备具体参照表1进行安装，其中，氧化催化器内布置了具有多个贯通通道的吸附床(参见图6)，吸附床内填充催化载体10。

具体测试步骤如下：在两个规格为5000×5000×2500mm的烤漆房进行一定时间的喷漆生产，使烤漆房内部空气温度保持恒定后，将甲醛自测盒放入两个烤漆房，30-40分钟后取出，测得其空气中的甲醛浓度。将设备放入其中一个烤漆房(另一个烤漆房做对比参照，在净化一定时间后对比两个烤漆房甲醛浓度值)，尽量避免与外界进行空气流动。首先进行设备标定，开机预热(即热机)后，进入标定模式，使氧化催化器吸入一定量的烤漆房内的空气，记录进气通道处氧传感器的检测数值，用阀门关闭进出气通道(此时没有进气压力)，使吸入的空气在氧化催化器内部发生反应，直至控制面板上hc传感器的监测结果显示“无”，记录出气通道处氧传感器的检测数值，计算两个检测数值的差值并输入预定值。标定结束后，设备开始工作，氧化催化器通过反馈调节控制，直到烤漆房内的有机挥发物(例如，甲醛)净化完成，然后再次利用甲醛自测盒测得烤漆房内甲醛浓度，并计算氧化催化器工作效率。

初始测量两个烤漆房中甲醛浓度值为0.5mg/m³和0.48mg/m³，测试后甲醛浓度值分别为0.1mg/m³和0.42mg/m³，期间工作2小时，经过对比可知，其中12.5％的甲醛为自然挥发。据此计算，催化器工作效率为每小时转换16.875mg/m³，较高的转换效率可以满足工作需求，同时，有利于节省时间和资源。

(四)应用

本发明提出的挥发性有机污染物净化装置可在任何含有有机挥发物的室内进行应用。不受环境温度影响，净化效率高，在某些室内环境下使用效果更明显。例如，产生甲醛较多的烤漆房，烤漆过程由于空气被加热，流通差，进一步增加了室内有害气体浓度，利用上述挥发性有机污染物净化装置可以有效对烤漆房密闭空间进行空气净化，而且排出气体具有一定温度，可以保证密闭空间维持较高温度值，有利于烤漆房生产。再例如，冬天装修房屋时室内温度较低，不利于通风，室内甲醛长期滞留，导致家具及地板等缝隙吸附有害物质，无法短期排出，利用上述挥发性有机污染物净化装置可以有效净化室内空气，并提高室内温度，避免缝隙吸附有害物质。再例如，北方农村利用火炉取暖，煤炭在火炉中发生不完全燃烧会产生co，如烟囱口在下雪时发生部分堵塞，影响通风，将有部分烟气发生倒吸，排入室内，密闭空间中co浓度上升到一定程度，会对人体健康产生危害，利用上述挥发性有机污染物净化装置可以有效降低室内co浓度，并提高室内温度。