一种臭氧联合光激发过氧化物的VOCs净化系统及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种臭氧联合光激发过氧化物的挥发性有机化合物（VolatiIe Organic Compounds，VOCs)净化系统及方法，属于大气污染物控制领域。
【背景技术】
[0002] VOCs是挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds)的英文缩写，VOCs通过 呼吸道和皮肤进入人体后，能给人的呼吸、血液、肝脏等器官造成暂时性和永久性病变。工 业生产中会产生各种有机物废气，主要包括各种烃类、醇类、醛类、酸类、酮类和胺类等，这 些有机废气会造成大气污染，危害人体健康。
[0003] 随着经济的快速发展和人们环保意识的提高，尾气中VOCs脱除问题越来越受到 人们的关注。同时国家也制定了相应的法律法规对VOCs的排量作了严格的限制。研宄开 发VOCs的高效脱除技术已成为世界各国关注的热点问题。
[0004] 国内外研宄人员对废气中VOCs脱除问题作了大量的研宄并开发了多种VOCs脱除 方法。按照脱除的基本原理，废气VOCs脱除方法主要包括冷凝回收法、吸收法、直接燃烧 法、催化燃烧法和吸附法等。
[0005] 冷凝回收法适用于有机废气浓度高、温度低、风量小的工况，需要附属冷冻设备， 主要应用于制药、化工行业，而印刷企业较少采用，应用范围受到局限。
[0006] 吸收法常用的是物理吸收，即将废气引入吸收液净化，待吸收液饱和后经加热、解 析、冷凝回收。这种方法适用于大气量、低温度、低浓度的废气，但需配备加热解析回收装 置，设备体积大、投资较高。
[0007] 直接燃烧法是利用燃气或燃油等辅助燃料燃烧，将混合气体加热，使有害物质在 高温作用下分解为无害物质。该方法工艺简单、投资小，适用于高浓度、小风量的废气，但对 安全技术、操作要求较高。
[0008] 催化燃烧法是把废气加热经催化燃烧转化成无害无臭的二氧化碳和水，这种方法 起燃温度低、节能、净化率高、操作方便、占地面积少、适用于高温或高浓度的有机废气，但 催化剂容易中毒失活，稳定性差，如专利（ZL201410007192. 9)提出了一种可有效脱除VOCs 的分子筛/二氧化钛负载铜锰铈的催化剂制备方法及相应的脱除工艺，但该专利申请提出 的催化剂制备方法非常复杂，吸收剂稳定性不高，需要定期的再生和活化。
[0009] 活性炭吸附法脱除效率可达95%，设备简单、投资小，但活性炭更换频繁，增加了装 卸、运输、更换等工作程序，导致运行费用增加。
[0010] 专利（ZL 201410247572. X)提出了一种利用吸附、冷凝和膜分离相结合的VOCs 脱除方法及工艺，但该方法工艺复杂，应用成本高，尤其是尾部的膜分离技术不稳定，难以 工业应用。
[0011] 专利（ZL201210263021.3)提出了一种基于吸附、脱附、精馏和渗透汽化分离的 VOCs脱除方法和工艺，但该方法同样具有工艺复杂和应用成本高等不足。
[0012] 因此，到目前为止，尽管有多种VOCs脱除技术被开发和利用，但每一种技术几乎 都有应用范围的限制和有诸多缺点。因此，继续开发更加经济有效的VOCs脱除技术具有重 要的现实意义。
【发明内容】
[0013] 本发明涉及一种臭氧预氧化联合光激发过氧化物的VOCs净化系统。主要设有除 尘器、冷却器、光化学雾化床反应器、气体分布喷嘴、紫外灯管、雾化喷嘴、循环泵、颗粒物过 滤装置、加料塔、喷淋管道、分烟道、总烟道、除雾器以及产物后处理系统。来自排放源的 VOCs在烟道中先被臭氧预氧化为有机中间体。紫外光激发过氧化物产生硫酸根和羟基自由 基进一步氧化VOCs以及被臭氧氧化产生的有机中间体，最终分解产物是无害的0) 2和H 20。 该系统能够高效脱除烟气中的VOCs，且脱除过程无二次污染，是一种具有广阔应用前景的 新型VOCs净化系统。
[0014] 为实现以上目的，本发明采用的实施方案如下： 本发明提供 一种臭氧预氧化联合光激发过氧化物的VOCs净化系统，其特征在于，所述系统包括除 尘器、冷却器、臭氧发生器、光化学雾化床反应器、气体分布喷嘴、循环泵、颗粒物过滤装置、 加料塔、喷淋管道、总烟道、除雾器以及产物后处理系统； 所述烟气入口 b与除尘器连接； 所述除尘器出口连接冷却器；冷却器与气体分布喷嘴连接；所述气体分布喷嘴通过烟 道连接入光化学雾化床反应器内； 所述冷却器与气体分布喷嘴之间的烟气入口 e连通臭氧发生器； 所述加料塔与颗粒物过滤装置相连接，经过循环泵通过喷淋管道接入光化学雾化床反 应器； 其中所述光化学雾化床反应器内设置有紫外灯管、雾化喷嘴和分烟道； 所述紫外灯管环状均匀分布在灯管布置线上，所述灯管布置线为多圈，围绕光化学雾 化床反应器中轴线呈同心环状布置，每相邻两圈之间等距； 所述雾化喷嘴位于紫外灯管之间，且与分烟道位于同一直线上，该直线与光化学雾化 床反应器中轴线垂直，所述雾化喷嘴在垂直方向等间距布置，根据光化学雾化床反应器高 度设置多级雾化喷嘴。
[0015] 所述光化学雾化床反应器分有两个出口，一个烟气出口 c位于光化学雾化床反应 器上端，是总烟道，总烟道内设置有除雾器；另一个产物出口 d位于光化学雾化床反应器下 端，连接产物后处理系统。
[0016] 所述产物后处理系统包括溶液循环泵、中和塔和蒸发结晶塔，所述产物出口 d通 过溶液循环泵接入中和塔，中和塔与蒸发结晶塔相连；所述中和塔上端设置有入口 e ;所述 蒸发结晶塔设置有一个进口 f和2个出口 g和h，进口 f和出口 g位于蒸发结晶塔上端，出 口 h位于蒸发结晶塔下端。
[0017] 所述光化学雾化床反应器的横截面为圆形(见图3)，纵截面为矩形(见图4)，横截 面直径A或纵截面边长可根据空塔气速和总烟气流量来计算。
[0018] 紫外灯管之间设有雾化喷嘴(具体布置见图2,图3和图4)，雾化喷嘴根据光化学 雾化床反应器最佳高度B通常需要设置多级喷雾，设置级数根据现场情况确定，但要保证 雾化覆盖无死角，且设置的雾化喷嘴在垂直方向采用等间距布置(见图2中的E)。雾化喷嘴 喷出的液滴雾化粒径如果太大则会导致气液接触面积太小，污染物脱除效率下降，故雾化 喷嘴喷出的雾化溶液粒径通常不大于20微米。光化学雾化床反应器的烟道采用先分烟道 再总烟道的两段布置形式，目的是防止气流发生偏斜，影响脱除效果(见图2)。
[0019] 采用电子自旋共振技术检测后发现，紫外光有效辐射强度设置的太低将无法生成 足够浓度的自由基氧化脱除污染物，但紫外光辐射强度太高将会导致系统的能耗大幅度提 高，降低系统的经济性。因此，紫外光有效辐射强度为1〇μ w/cm2- 30〇μ W/cm2。紫外线有 效波长如果选择太短，则紫外光在反应器内的传播距离太短，单位功率下的污染物处理量 大大降低，无法满足基本的处理要求，但紫外光波长如果选择的太长，紫外光子的能量将明 显降低，低能量的紫外光子无法破坏过氧化物的分子键，从而无法产生足够浓度的自由基 氧化脱除污染物。经过综合的检测分析后发现，紫外线有效波长为150nm-365nm。
[0020] 其中所述光化学雾化床反应器最佳空塔气速是0. 3m/s_6. Om/s ; 其中所述光化学雾化床反应器最佳高度为2m-6m ; 光化学雾化床反应器的横截面为圆形(见图3)，纵截面为矩形(见图4)，圆形截面直径 A或矩形截面边长可根据空塔气速和总烟气流量来计算。
[0021] 由于光化学雾化床反应器的空塔气速太高，污染物的停留时间太短，无法充分反 应，脱除效率低，但如果空塔气速太低，则反应器体积庞大，投资和运行成本太高。根据发明 人的计算和测试表明，光化学雾化床反应器最佳空塔气速是〇. 3m/s-6. Om/s。光化学雾化床 反应器的高度太低，污染物的停留时间短，同样无法充分反应，降低污染物的脱除效率低， 但如果高度太高，则反应器体积庞大，投资和运行成本也将大大曾高。发明人的计算和测试 表明，光化学雾化床反应器最佳高度B位于2m-6m之间(见图2)。
[0022] 其中所述紫外灯管最佳长度比光化学雾化床反应器的最佳高度至少短0.2m; 进一步选择紫外灯管最佳长度与光化学雾化床反应器最佳高度之间的最佳距离为 0. 2m-〇. 6m ； 其中所述分烟道垂直高度至少应当比紫外灯管最佳长度高〇. 3m ; 为了防止紫外灯管过长干扰气体雾化喷嘴均匀布气，紫外灯管最佳长度D通常比光化 学雾化床反应器的最佳高度B至少短0. 2m，但两者之间的差距也不宜太大，否则无法充分 利用反应器空间，进而造成反应器空间的浪费。发明人的研宄表明，紫外灯管最佳长度D与 光化学雾化床反应器最佳高度B之间的最佳距离控制在0. 2m-0. 6m范围之内较为合理(见 图2)。为了便于从反应器顶部抽出紫外灯管维修或更换，分烟道垂直高度C至少应当比紫 外灯管最佳长度D高0. 3m (见图2)。
[0023] 其中所述紫外灯管的横向布置间距和纵向布置间距的最佳间距为3cm-25cm ; 紫外灯管之间的间距如果太大，则会导致光化学雾化床反应器内的紫外光强度无法满 足激发要求，但如果紫外灯管之间的间距设置的太小，即太过密集，则光源系统的投资和运 行费用将大大增加，同时还会大大增加系统的流动阻力，提高循环泵和风机的功耗。根据发 明人的计算和实验发现，紫外灯管的布置间距H (圆形截面，见图3)和I (矩形截面，见图 4)的最佳间距为3cm_25cm之间。
[0024] 其中所述所述加料塔中装有过氧化物溶液。
[0025] 本发明还提供一种臭氧预氧化联合光激发过氧化物的VOCs净化方法，其特征在 于，按照以下步骤进行： (1) 来自排放源(从烟气入口 b接入）的烟气经除尘器除尘和冷却器降温后，再由气体 分布喷嘴布风后进入光化学雾化床反应器； (2) 来自加料塔的过氧化物溶液