УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕТУЧЕГО ОРГАНИЧЕСКОГО ОТРАБОТАННОГО ГАЗА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛЕТУЧЕГО ОРГАНИЧЕСКОГО ГАЗА
DEVICE FOR RAPID PROCESSING OF VOLATILE ORGANIC EXHAUST GAS AND METHOD FOR TREATING VOLATILE ORGANIC GAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройству и способу для обработки органического отработанного газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
3
Источником летучих органических соединений (volatile organic compounds - VOC) вне помещения является сжигание топлива, а также промышленные отработанные газы, выхлопные газы двигателей автотранспорта, фотохимическое загрязнение и т.д., возникающее в ходе коммуникации и транспортировки; в помещении источником являются, главным образом, продукты горения при сжигании угля и природного газа и т.д., дым от курения, отопления и приготовления пищи и т.д., а также выделение из строительных и отделочных материалов, мебели, домашнего оборудования, моющих средств и организма человека и т.д. При внутренней отделке помещений VOC могут выделяться из красок, покрытий и клея. Вообще, краска характеризуется содержанием VOC 0,4-1,0 мг/м. Из-за высокой летучести VOC 90% VOC могут, как правило, выделяться из краски за 10 часов после покраски, VOC из растворителя выделяются на 25% от общего количества во время сушки краски на воздухе.
3
3
VOC представляют очевидную опасность; когда концентрация VOC внутри помещения превышает определенную величину, люди вскоре начинают испытывать головную боль, тошноту, рвоту, слабость в конечностях, а в тяжелых случаях даже могут страдать от тика, комы, потери памяти. VOC действительно разрушают печень, почки, мозг и нервную систему человека. Следовательно, загрязнению VOC внутри помещений во многих странах уделяют серьезное внимание. Влияние VOC на здоровье человека заключается, главным образом, в раздражении глаз и дыхательного тракта, возникновении кожной аллергии, головных болей, фарингалгии и слабости, а также в том, что VOC содержат большое количество канцерогенных веществ. В документе «Принципы контроля за загрязнением среды в помещениях при строительстве гражданских зданий», недавно изданном в Китае, содержание VOC в воздухе помещений стало важным показателем для оценки того, является ли качество воздуха в жилых помещениях надлежащим или нет. Как указано в данном документе, содержание VOC составляет 0,5 мг/м для гражданского строительства класса I и 0,6 мг/м для гражданского строительства класса II.
2
В настоящее время способы, широко используемые для регулирования содержания летучих органических газов, можно ориентировочно разделить на две категории: одна включает, так называемые, неразрушающие способы (процесс извлечения), в том числе обычные способы, такие как способ адсорбции активированным углем (который можно соотнести с соответствующим способом, раскрываемым в заявке на патент Китая № 200710028462.4), способ конденсации (который можно соотнести со способом, раскрываемым в заявке на патент Китая № 201120148948.3), способ абсорбции раствором (который можно соотнести со способом, раскрываемым в заявке на патент Китая № 201110341724.9), что достигается, вообще, путем изменения физических условий, таких как давление, температура и т.д. во время определенного процесса с целью обогащения или выделения летучего органического газа; другая категория включает, так называемые, разрушающие способы (процесс разложения), главным образом, такие обычные способы, как способ прямого пиролиза (который можно соотнести со способом, раскрываемым в заявке на патент Китая № 200810039311.3) и фотокаталитический способ (который можно соотнести со способом, раскрываемым в заявке на патент Китая № 201210112303.3), в ходе которых VOC химически преобразуют в СО, воду и неорганические вещества с малой токсичностью или нетоксичные. Условия процесса и технические требования в различных способах обработки летучего органического газа определяют различные области применения, а также преимущества и недостатки этих способов. Например, недостатком способа конденсации являются большие капиталовложения, высокие эксплуатационные расходы и т.д. на обработку летучего органического газа; вообще, он подходит только для обработки высококонцентрированного летучего органического газа с небольшим количеством воздуха. Способ адсорбции дает хороший эффект при обработке летучего органического газа с низкой концентрацией, но требует частой регенерации адсорбента. Способ прямого пиролиза подходит для обработки высококонцентрированного летучего органического газа, так как рабочая температура обычно достигает 800-1200°С, и поэтому характеризуется высокой стоимостью энергопотребления. Фотокаталитический способ находится еще на стадии лабораторных исследований из-за низкой производительности и скорости обработки.
Способ микроволнового катализа является новой экологичной технологией, основанной на непосредственной и селективной передаче энергии, необходимой для химической реакции, к реакционноспособным молекулам или атомам посредством диэлектрических потерь микроволн внутри материалов. Реакция микроволнового катализа основана на использовании определенного волнопоглощающего вещества, такого как железосодержащий оксид металла, карбид кремния или активированный уголь и т.д., которое поглощает микроволновую энергию, обеспечивая, тем самым, быстрое увеличение температуры на поверхности вещества с целью осуществления химической реакции. Принцип катализа состоит в том, что из-за присутствия слабых связей и поврежденных позиций на поверхности катализатора, при микроволновом облучении ассиметричная микроструктура катализатора обеспечивает быстрое увеличение температуры катализатора благодаря многократной вибрации в электромагнитном волновом поле, в результате чего внешняя электронная оболочка становится более активной и легче вступает в окислительно-восстановительную реакцию с реакционноспособным материалом; при этом на поверхности образуются высокотемпературные участки, и когда молекулы вступают в контакт с этими высокотемпературными участками, происходит химическая реакция. Путем надлежащего регулирования времени облучения и мощности излучения можно регулировать температуру катализатора. Кроме того, селективность нагревания микроволновым излучением приводит к тому, что в кристаллической решетке создается термическое напряжение вследствие разных коэффициентов расширения для разных компонентов, ведущее к образованию между частицами ограничивающих разрывов или трещин и, таким образом, увеличивающее площадь реакционной поверхности катализатора, то есть к оптимизации массо- и теплопереноса.
3
3
x
Широко используемым и чуть ли не универсальным материалом является материал АВО-типа, в котором ион в позиции А представляет собой ион щелочного металла, щелочноземельного металла и редкоземельного металла с большим радиусом, расположенный в центре тетракайдекаэдра, образованного из 12 атомов кислорода; ион в позиции В представляет собой ион переходного металла с меньшим радиусом, расположенный в центре октаэдра, образованного из 6 атомов кислорода. Ион в позиции В определяет каталитическую активность соединения типа перовскита, ион в позиции А является важным фактором, влияющим на структуру соединения и валентность иона в позиции В. Когда ион в позиции А или В заменен другим ионом с отличающейся валентностью, электронейтральность соединения поддерживается посредством образования кислородных вакансий или смешанной валентности. Образование кислородных вакансий или изменение валентности иона в позиции В обеспечивает соединению более высокую активность. Этот класс материалов обладает, главным образом, магнитными, электрическими, каталитическими свойствами, проницаемостью для кислорода, измерительными и другими свойствами и уже широко используется в качестве различных магнитных материалов, ферроэлектрических материалов, пьезоэлектрических материалов, твердых электролитов, проницаемых для кислорода мембран и мембран для отделения кислорода, твердооксидных топлив, аккумуляторных электродов, биодатчиков, сверхпроводниковых материалов, катализаторов химических и фотохимических реакций. В качестве катализатора, в частности в качестве катализатора для реакции горения S. Royer и др., указывают в Journal of Applied Catalysis, что катализатор АВО-типа является хорошим катализатором реакции полного окисления СО, NO в выхлопных газах автомобилей.
3
Соединения АВО-типа получают различными способами, изготавливая материалы с различными свойствами. В настоящее время материалы с указанными функциями получают, главным образом, способами, которые в широком смысле можно разделить на два класса: сухой способ и влажный способ. К сухим способам относятся, преимущественно, высокотемпературный твердофазный способ, способ механического размола для прямых или косвенных реакций, способ пиролиза для комплексных соединений; ко влажным способам относятся, преимущественно, золь-гель способ, гидротермический способ, способ совместного осаждения, микроэмульсионный способ, способ самовоспламенения, распылительная сушка, замораживание-сушка и т.д. Широко используемыми способами являются высокотемпературный твердофазный, гидротермический и золь-гель способы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей, решаемой посредством настоящего изобретения, является обеспечение устройства для быстрой обработки летучего органического отработанного газа, отличающегося высокой производительностью, энергоэффективностью, экологичностью и простотой конструкции, а также способа для обработки летучего органического газа с использованием этого устройства.
Для решения поставленной технической задачи в настоящем изобретении применены следующие технические решения.
Устройство настоящего изобретения для быстрой обработки летучего органического отработанного газа включает устройство предварительной обработки, предназначенное для устранения кислотности, устранения щелочности и удаления пыли, микроволновой реактор и абсорбционное устройство, соединенные последовательно газоподводящей трубой, при этом воздушный насос, онлайн-детектор летучего органического соединения и газовый расходомер расположены на газоподводящей трубе между устройством предварительной обработки и микроволновым реактором; микроволновой реактор включает комбинацию цилиндров, а также по меньшей мере одну комбинацию магнетрона и волноводной трубки, с которой соединена комбинация цилиндров; комбинация цилиндров включает внутренний цилиндр и наружный цилиндр, с которым жестко соединен внутренний цилиндр, при этом внутренний цилиндр представляет собой проницаемую для волны керамическую трубку, а наружный цилиндр - цилиндр из нержавеющей стали с гладкой отполированной внутренней поверхностью; магнетрон соединен с волноводной трубкой, которая, в свою очередь, соединена с наружным цилиндром; слой наполнителя расположен внутри внутреннего цилиндра, между внутренним цилиндром и наружным цилиндром находится слой изолирующей алюмосиликатной ваты, предназначенный для поддержания температуры полости; алюминиевая пленка расположена на верхнем и нижнем концах наружного цилиндра с целью предотвращения утечки микроволнового излучения; газоподводящая труба снаружи от онлайн-детектора летучего органического соединения соединена с нижним впуском для газа внутреннего цилиндра, верхний впуск   для газа внутреннего цилиндра соединен с впуском для газа абсорбционного устройства.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, верхняя часть внутреннего цилиндра жестко соединена с верхней крышкой наружного цилиндра посредством уплотненного блока и посадочного места; нижнее соединение между наружным цилиндром и внутренним цилиндром герметизировано уплотнительным кольцом и разделителем; барьерная пластина, удерживающая слой наполнителя и нижнюю крышку, расположена в нижней части внутреннего цилиндра и снабжена множеством круглых отверстий; нижняя цилиндрическая обечайка расположена снизу барьерной пластины, в нижней части нижней цилиндрической обечайки расположен фланец.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, соединение между наружным цилиндром и волноводной трубкой герметизировано листовым миканитом, предотвращающим попадание пыли из полости в магнетрон, при этом магнетрон находится на расстоянии по меньшей мере 20 см от края микроволновой полости, направление волн в волноводной трубке обеспечивается с использованием чистой меди или серебра с гальваническим покрытием.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, устройство предварительной обработки включает влажное или сухое абсорбционно-промывочное устройство и пылеуловитель циклонного типа или пылеуловитель с рукавными фильтрами.
6
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве онлайн-детектора летучего органического соединения используется устройство онлайн-мониторинга TVOC (total volatile organic compounds - всех летучих органических соединений) или устройство раннего предупреждения для конкретного взрывоопасного летучего органического соединения; диапазон мониторинга устройства онлайн-мониторинга VOC или TVOC составляет 0-10 частей на миллион.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве микроволнового реактора использован микроволновый генератор 915 МГц или 2,45 ГГц, 0-400 кВт; микроволновой реактор используется в режиме с одной трубкой или множеством трубок.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве абсорбционного устройства используется колонна жидкостной абсорбции или абсорбер со слоем твердого поглотителя; конденсатор или теплообменник расположены на трубе напротив абсорбционного устройства, при этом конденсатор представляет собой трубчатый или ребристый конденсатор.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, газоподводящая и газоотводящая труба микроволнового реактора изготовлены из жаропрочного и коррозионностойкого материала.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, слой наполнителя образован из микроволнового катализатора, который получен посредством следующих стадий:
(1) растворение 100 г оксида кальция в 500 мл раствора хлорида трехвалентного железа с массовой долей 5-30%, гомогенное смешивание при скорости вращения 100-300 об/мин, аэрация путем барботирования воздуха с расходом 100-500 мл/мин, регулирование и стабилизация рН раствора раствором NaOH до 8-10, прекращение перемешивания, пока не растворилась смолистая масса, и раствор не превратился в суспензию;
(2) гомогенное смешивание суспензии, полученной на стадии (1), с порошкообразным карбидом кремния в массовом отношении 5:1;
(3) проведение в отношении продукта, полученного на стадии (2), фильтрации под давлением и обезвоживания с использованием ленточного фильтр-пресса и получение фильтровального осадка;
(4) гранулирование фильтровального осадка, полученного на стадии (3), и термообработка в печи при 80-120°С в течение 12-14 ч с получением катализаторного полуфабрикатного продукта;
2
(5) помещение катализаторного полуфабрикатного продукта, полученного на стадии (4), в обычную высокотемпературную муфельную печь в условиях барботирования газообразным N, где катализаторный полуфабрикатный продукт нагревают вместе с печью, температуру в которой поддерживают равной 900-1500°С в течение 4-6 часов, после чего охлаждают вместе с печью до комнатной температуры, получая микроволновой катализатор.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, порошкообразный карбид кремния характеризуется размером частиц более 300 меш.
2
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, барботирование газообразным N проводят с расходом 60-300 мл/мин.
Способ обработки летучего органического газа с использованием устройства настоящего изобретения для быстрой обработки летучего органического отработанного газа включает следующие стадии:
1) сушка парообразного VOC в качестве имитируемого отработанного газа сушильным агентом, представляющим собой хлорид кальция или оксид кальция, при этом в случае кислого или щелочного отработанного газа его подвергают предварительной влажной или сухой абсорбционно-промывочной обработке и удалению пыли;
2) пропускание указанного прошедшего обработку отработанного газа в микроволновой реактор для проведения реакции каталитического пиролиза. Микроволновой реактор снабжен микроволновым катализатором, при этом катализатор образован главным образом ферритом кальция, при этом во время воздействия микроволнового излучения температуру микроволнового катализатора регулируют путем регулирования мощности микроволнового излучения в диапазоне 0-400 кВт, время пребывания газа в реакторе, составляющее для VOC 1-3 с, регулируют путем регулирования его расхода;
3) проведение онлайн-мониторинга газа на входе и выходе микроволнового реактора с целью определения эффективности обработки в реакторе, расхода газа, времени пребывания газа с тем, чтобы гарантировать, что выпускаемый газ соответствует определенному стандарту.
Принцип настоящего изобретения можно пояснить следующим образом. Микроволновое нагревание достигается, главным образом, путем преобразования энергии микроволнового излучения во внутреннюю энергию подлежащего нагреванию материала благодаря его свойству поглощать излучение, таким образом, микроволновое нагревание является селективным в силу различия волнопоглощающих свойств различных материалов. На основании проведенных ранее исследований известно, что полярные молекулы обладают более значительными волнопоглощающими свойствами, поскольку структура полярной молекулы c положительной и отрицательной полярностью, обособленно находящимися на двух концах молекулы, создает микроэлектрический момент. Наличие такого электрического момента облегчает движение молекулы в микроволновом поле. Находясь в микроволновом поле, молекулы, обладающие электрическим моментом, постоянно переходят из конфигурации ориентации в конфигурацию релаксации и обратно как в переменном электрическом поле, и поскольку взаимодействие электрических сил между собственной полярностью молекул приводит к взаимному отталкиванию или притяжению, молекулы при таком взаимодействии притяжения или отталкивания испытывают значительное трение из-за возросшей кинетической энергии, тем самым, преобразуя кинетическую энергию во внутреннюю энергию, результатом чего является нагревание материала. На основании указанных свойств молекул в микроволновом поле, микроволновой катализатор используют для ускорения разложения газообразных молекул VOC и нагревания катализатора, тем самым, обеспечивая эффект быстрого пиролиза и повышая степень удаления VOC.
Вначале VOC адсорбируется на специальном микроволновом катализаторе, который является ненасыщенным, однако, при быстром росте температуры VOC разлагается и десорбируется с центров адсорбции специального микроволнового катализатора. Когда температура специального микроволнового катализатора достигает критического значения для пиролиза VOC, происходит каталитический пиролиз, а когда в специальном микроволновом катализаторе достигается равновесие между скоростями адсорбции и десорбции VOC в ходе обработки, система фиксирует стабильную скорость удаления VOC после каталитического пиролиза VOC, при этом экспериментально измеренное равновесное время составляет 5-8 мин.
Положительные результаты, получаемые благодаря использованию технических решений, описанных выше, следующие.
1. Настоящим изобретением предусматривается наличие комбинации внутреннего цилиндра и наружного цилиндра, а также наличие магнетрона и волноводной трубки, таким образом, посредством каталитического способа с использованием импульсной энергии, подводимой микроволновым излучением, может быть проведена обработка как летучего органического отработанного газа с высокой концентрацией, так и летучего органического газа с низкой концентрацией за счет каталитического свойства микроволнового излучения и адсорбции на катализаторе в условиях, когда температура органического газа намного ниже, чем температура каталитического сжигания, поэтому обеспечивается высокая эффективность очистки, низкое энергопотребление и отсутствие вторичного загрязнения. Конструкция устройства настоящего изобретения относительно проста и обеспечивает хорошую очистку и высокую эффективность.
2. Катализатор настоящего изобретения прост в изготовлении, для которого нужны легкодоступные исходные материалы. В ходе изготовления может быть синтезирован поликристаллический или крупнозернистый твердый материал, характеризующийся достаточной спекаемостью; кроме этого, феррит кальция и карбид кремния, образующиеся в результате термообработки, обладают высокой диэлектрической постоянной и достаточными волнопоглощающими свойствами. Преимуществами использования катализатора настоящего изобретения для микроволнового разложения летучих органических соединений являются быстрый рост температуры, высокий каталитический эффект и достаточная эффективность реакции разложения. Материал, используемый в настоящем изобретении, характеризуется высокой стабильностью в качестве каталитического материала и обладает более высокой стойкостью к отравлению катализатора, чем традиционные материалы на основе благородных металлов. Этот катализатор характеризуется некоторым превосходством с точки зрения термической, химической и структурной стабильности и проявляет более высокую каталитическую активность.
3. Стадия воздействия микроволновым излучением в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает подвод к молекулам VOC значительного количества энергии, достаточного для разрушения молекулярных связей и, таким образом, осуществления каталитического разложения. Специальный микроволновой катализатор обладает значительной способностью поглощать энергию микроволнового излучения и обеспечивать местное нагревание до высокой температуры, благодаря которому возможен каталитический пиролиз VOC.
4. Специальный микроволновой катализатор обладает адсорбционной способностью, позволяющей обогащать летучий органический газ с низкой концентрацией, равновесие адсорбции/десорбции VOC специальным микроволновым катализатором можно регулировать путем регулирования его температуры.
5. Способ быстрого микроволнового каталитического пиролиза, используемый в настоящем изобретении, характеризуется высокой эффективностью обработки летучего органического газа как с высокой, так и с низкой концентрацией. По сравнению с обычным окислительным пиролизом время обработки заметно уменьшено, температура реакции снижена, скорость разложения увеличена. Следовательно, данный способ отличается высокой эффективностью очистки, низким энергопотреблением и отсутствием вторичного загрязнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой технологическую схему быстрой обработки летучего органического газа с использованием микроволнового катализатора.
Фиг. 2 представляет собой схематичное изображение микроволнового реактора настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой схематичное изображение посадочного места.
Фиг. 4 представляет собой схематичный вид сверху посадочного места.
Фиг. 5 представляет собой схематичное изображение нижней крышки.
Фиг. 6 представляет собой схематичное изображение барьерной пластины.
Фиг. 7 представляет собой увеличенное схематичное изображение размещения круглых отверстий на части А барьерной пластины.
Фиг. 8 представляет собой увеличенное схематичное изображение части В на фиг. 2.
Фиг. 9 представляет собой увеличенное схематичное изображение части С на фиг. 2.
На которых: 7 - комбинация цилиндров, 8 - магнетрон, 9 - волноводная трубка, 10 - нижняя крышка, 11 - кольцевое уплотнение, 12 - разделитель, 13 - винт, 14 - слой наполнителя, 15 - алюминиевая пленка, 16 - слой изолирующей алюмосиликатной ваты, 17 - внутренний цилиндр, 18 - уплотненный блок, 19 - посадочное место, 20 - фиксирующий болт, 21 - фиксирующая гайка, 22 - верхняя крышка, 23 - барьерная пластина, 24 - верхняя цилиндрическая обечайка, 25 - контактная площадка, 26 - опорная пластина, 27 - нижняя цилиндрическая обечайка, 28 - фланец, 29 - плоское уплотнение, 30 - наружный цилиндр
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее настоящее изобретение описано подробно в сочетании с фигурами и конкретными вариантами его осуществления. Указанные выше цели, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из полного и ясного описания технических решений настоящего изобретения в сочетании с конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения в дальнейшем в этом документе; очевидно, что описанные варианты осуществления являются лишь частью вариантов осуществления настоящего изобретения, а не всеми возможными вариантами его осуществления. Все другие варианты осуществления, которые могут быть получены специалистами на основании описанных вариантов осуществления настоящего изобретения без какого-либо творчества, входят в объем защиты настоящего изобретения.
Обратимся к фиг. 1. Способ обработки летучего органического газа посредством каталитического пиролиза путем микроволнового нагревания в соответствии с настоящим изобретением осуществляют следующим образом.
1.1 Парообразный VOC в качестве имитируемого отработанного газа сначала пропускают через устройство предварительной обработки, где газ сушат хлоридом кальция или оксидом кальция, а в случае кислого или щелочного отработанного газа его подвергают влажной или сухой абсорбционно-промывочной обработке и удалению пыли в реальных окружающих условиях. В качестве устройства предварительной обработки может быть использовано влажное или сухое абсорбционно-промывочное устройство или пылеуловитель циклонного типа, или пылеуловитель с рукавными фильтрами, при этом влажное или сухое абсорбционно-промывочное устройство используется для устранения кислотности, а пылеуловитель циклонного типа или пылеуловитель с рукавными фильтрами используется для удаления пыли. На основании свойств органического отработанного газа в устройстве предварительной обработки осуществляют удаление кислого или щелочного газа и пыли и т.д. с целью предотвращения порчи устройства.
1.2 Прошедший обработку отработанный газ направляют в микроволновой реактор на каталитический пиролиз посредством всасывания воздушным насосом, при этом в реакторе имеется микроволновой катализатор.
1.3 Во время облучения микроволновым излучением температура микроволнового катализатора находится в определенном соотношении с мощностью микроволнового излучения, таким образом, температуру микроволнового катализатора регулируют путем регулирования мощности микроволнового излучения в диапазоне 0-400 кВт. Для прошедшего обработку отработанного газа, направляемого в микроволновой реактор, время пребывания газа в реакторе, обычно составляющее для VOC 1-3 с, регулируют посредством регулирования его расхода.
1.4 На входе и выходе микроволнового реактора при помощи онлайн-детектора отбирают пробы газа с целью определения эффективности обработки в реакторе, расхода газа, времени пребывания газа с тем, чтобы гарантировать, что выпускаемый газ соответствует определенному стандарту.
Вначале VOC адсорбируется на специальном микроволновом катализаторе, который является ненасыщенным, однако, при быстром росте температуры VOC разлагается и десорбируется с центров адсорбции специального микроволнового катализатора. Когда температура специального микроволнового катализатора достигает критического значения для пиролиза VOC, происходит каталитический пиролиз, а когда в специальном микроволновом катализаторе достигается равновесие между скоростями адсорбции и десорбции VOC в ходе обработки, система фиксирует стабильную скорость удаления VOC после каталитического пиролиза VOC, при этом экспериментально измеренное равновесное время составляет 5-8 мин. Температуру микроволнового катализатора определяют при помощи термопары и инфракрасного термометра, соответственно, на входе, выходе и в реакционном центре микроволнового реактора.
Как показано на фиг. со 2 по 9, устройство настоящего изобретения для быстрой обработки летучего органического отработанного газа включает устройство 1 предварительной обработки, предназначенное для устранения кислотности, устранения щелочности и удаления пыли, микроволновой реактор 5 и абсорбционное устройство 6, соединенные последовательно газоподводящей трубой, при этом воздушный насос 2, онлайн-детектор 3 летучего органического соединения и газовый расходомер 4 расположены на газоподводящей трубе между устройством 1 предварительной обработки и микроволновым реактором 5; микроволновой реактор включает комбинацию 7 цилиндров, а также по меньшей мере одну комбинацию магнетрона 8 и волноводной трубки 9, с которой соединена комбинация 7 цилиндров.
Комбинация цилиндров 7 включает внутренний цилиндр 17 и наружный цилиндр 30, с которым жестко соединен внутренний цилиндр 17. Внутренний цилиндр 17 и наружный цилиндр 30 соосны, внутренний цилиндр 17 представляет собой проницаемую для волны керамическую трубку, а наружный цилиндр 30 - цилиндр из нержавеющей стали с гладкой отполированной внутренней поверхностью. Магнетрон 8 соединен с волноводной трубкой 9, которая, в свою очередь, соединена с наружным цилиндром 30. Слой 14 наполнителя расположен внутри внутреннего цилиндра 17, между внутренним цилиндром 17 и наружным цилиндром 30 находится слой изолирующей алюмосиликатной ваты 16, предназначенный для поддержания температуры полости. Алюминиевая пленка 15 расположена на верхнем и нижнем концах наружного цилиндра 30 с целью предотвращения утечки микроволнового излучения.
Газоподводящая труба снаружи от онлайн-детектора 3 летучего органического соединения соединена с нижним впуском для газа внутреннего цилиндра, верхний впуск   для газа внутреннего цилиндра 17 соединен с впуском для газа абсорбционного устройства 6.
Верхняя часть внутреннего цилиндра 17 жестко соединена с верхней крышкой 22 наружного цилиндра посредством уплотненного блока 18 и посадочного места 19; нижнее соединение между наружным цилиндром 30 и внутренним цилиндром 17 герметизировано уплотнительным кольцом 11 и разделителем 12. Барьерная пластина 23, удерживающая слой наполнителя и нижнюю крышку 10, расположена в нижней части внутреннего цилиндра 17 и снабжена множеством круглых отверстий. Нижняя крышка 10 включает плоское уплотнение 29 и нижнюю цилиндрическую обечайку 27, расположенные снизу барьерной пластины 23, в нижней части нижней цилиндрической обечайки 27 расположен фланец 28. Верхняя часть барьерной пластины 23 соединена с плоским уплотнением 29 посредством опорной пластины 26. Посадочное место 19 включает верхнюю цилиндрическую обечайку 24 и контактную площадку 25, находящуюся снаружи нижней части верхней цилиндрической обечайки 24.
Соединение между наружным цилиндром 30 и волноводной трубкой 9 герметизировано листовым миканитом, пригодным для предотвращения попадания пыли из полости в магнетрон 8, при этом магнетрон 8 находится на расстоянии по меньшей мере 20 см от края микроволновой полости (то есть полости, образованной наружным цилиндром 30 и внутренним цилиндром 17), так как температура полости в ходе эксперимента увеличивается, необходимо определенное расстояние, позволяющее исключить воздействие высокой температуры на работу магнетрона. Направление волн в волноводной трубке 9 (иными словами, возбуждение полости) обеспечивается с использованием чистой меди или серебра с гальваническим покрытием.
В качестве микроволнового реактора использован микроволновый генератор 915 МГц или 2,45 ГГц и 0-400 кВт; микроволновой реактор используется в режиме с одной трубкой или множеством трубок, при этом во внутренний цилиндр 17 добавляют обеспечивающий энергию каталитический материал. Обычный одиночный магнетрон обладает мощностью 0,5-1,5 кВт. Из-за ограниченности энергии одну трубку, как правило, используют в аппаратуре малой мощности, такой как микроволновые печи, микроволновые ферментационные печи, а множество трубок обычно используют в промышленных печах большой мощности. Материал с большой способностью поглощения излучения в качестве обеспечивающего энергию материала добавляют в расчете на микроволновую реакцию в мульти-режиме (режим с одним магнетроном назван «моно-режим», а режим со множеством магнетронов назван «мульти-режим») с целью быстрого каталитического разложения летучих органических соединений.
Для онлайн-мониторинга газа, как описано выше, используется онлайн-детектор летучего органического соединения, каковым является устройство онлайн-мониторинга TVOC.
6
В качестве онлайн-детектора летучего органического соединения могут быть использованы выпускаемые серийно приборы, такие как газовый детектор TVOC (с цифровым дисплеем и дистанционным управлением) производства Qingdao Lubo Weiye Environmental Technology Co., Ltd. Диапазон мониторинга устройства онлайн-мониторинга VOC или TVOC составляет 0-10 частей на миллион.
Материал с большой способностью поглощения излучения, используемый в соответствии с настоящим изобретением в качестве обеспечивающего энергию материала и микроволнового катализатора, готовят, например, следующим образом. Трихлорид трехвалентного железа и оксид кальция, представляющие собой исходные материалы, измельчают и размалывают до порошкообразного состояния. Готовят раствор трихлорида трехвалентного железа с массовой долей 5-30% и растворяют 100 г оксида кальция в 500 мл указанного раствора трихлорида трехвалентного железа, при этом в растворе появляется темно-коричневая смолистая масса. Через раствор пропускают воздух с расходом 100-500 мл/мин при помощи воздушного насоса с целью аэрации, при этом производят перемешивание до гомогенного состояния при помощи мешалки со скоростью вращения 100-300 об/мин. рН раствора регулируют и стабилизируют раствором NaOH в диапазоне 8-10, когда раствор превращается в суспензию, перемешивание прекращают.
Полученную суспензию гомогенно смешивают с порошкообразным карбидом кремния в массовом отношении 5:1 и подвергают фильтрации под давлением с использованием ленточного фильтр-пресса, полученный фильтровальный осадок сушат в печи при 80-120°С в течение 12-14 ч. Затем проводят его термообработку при температуре 900-1400°С в течение 4-6 часов в условиях барботирования газообразным азотом с расходом 300 мл/мин, при этом барботирование газообразным азотом служит для предотвращения контакта катализатора с воздухом во время термообработки. Прошедший термообработку продукт пропускают через сито 16-20 меш, получая специальный микроволновой катализатор с размером частиц 0,9 мм. Ленточный фильтр-пресс ARBYL-500 от компании Ridongbeite используют в качестве ленточного пресс-фильтра, как описано в настоящем изобретении, а в качестве высокотемпературной муфельной печи используют печь коробчатого типа GWL-600XB производства Luoyang Guoju.
3
3
В качестве способа приготовления описанного катализатора применяют высокотемпературный твердофазный способ, в соответствии с которым оксиды переходных металлов - оксид трехвалентного железа и оксид кальция - тщательно смешивают и подвергают термообработке с получением оксида кальция-железа, CaFeO, который обладает замечательными характеристиками в качестве соединения АВО-типа. И феррит кальция, и карбид кремния, полученные в результате термообработки, обладают высокой диэлектрической постоянной, хорошими волнопоглощающими свойствами во время разложения летучих органических соединений и высокой каталитической эффективностью в отношении вступающих в реакцию молекул.
Микроволновой катализатор настоящего изобретения отличается простым способом приготовления и легкодоступными исходными материалами. При его приготовлении может быть синтезирован поликристаллический или крупнозернистый твердый материал с достаточной спекаемостью; кроме этого, феррит кальция и карбид кремния, образующиеся в результате термообработки, обладают высокой диэлектрической постоянной и достаточными волнопоглощающими свойствами. Преимуществами использования катализатора настоящего изобретения для микроволнового разложения летучих органических соединений являются быстрый рост температуры, высокий каталитический эффект и достаточная эффективность реакции разложения. Материал, используемый в настоящем изобретении, характеризуется высокой стабильностью в качестве каталитического материала и обладает более высокой стойкостью к отравлению катализатора, чем традиционные материалы на основе благородных металлов. Этот катализатор характеризуется некоторым превосходством с точки зрения термической, химической и структурной стабильности и проявляет более высокую каталитическую активность.
Пример 1. Приготовление микроволнового катализатора
Трихлорид трехвалентного железа и оксид кальция, представляющие собой исходные материалы, измельчили и размололи до порошкообразного состояния. Приготовили раствор трихлорида трехвалентного железа с массовой концентрацией 25%, в 500 мл указанного раствора трихлорида трехвалентного железа растворили 100 г оксида кальция, при этом в растворе появилась темно-коричневая смолистая масса. При помощи воздушного насоса через раствор пропускали воздух с расходом 300 мл/мин с целью аэрации, при этом производили перемешивание до гомогенного состояния при помощи мешалки со скоростью вращения 200 об/мин. рН раствора довели раствором NaOH до рН=10, когда раствор превратился в суспензию, перемешивание прекратили.
2
3
Полученную суспензию гомогенно смешали с порошкообразным карбидом кремния с размером частиц 300 меш в массовом отношении 5:1 и подвергли фильтрации под давлением с использованием ленточного фильтр-пресса, полученный фильтровальный осадок высушили в печи при 120°С в течение 12 ч. Полученный фильтровальный осадок поместили в обычную высокотемпературную муфельную печь с барботированием газообразным N, фильтровальный осадок катализатора нагревали вместе с печью, температуру в которой поддерживали равной 900°С в течение 6 часов, после чего охладили вместе с печью до температуры 26°С. Прошедший термообработку продукт пропустили через сито 16-20 меш, получив специальный микроволновой катализатор с размером частиц 0,9 мм. Нагревание вместе с печью при барботировании газообразным азотом служило для предотвращения контакта катализатора с кислородом воздуха во время термообработки. Катализатор использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу ацетона, при этом раствор ацетона нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией 8000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ацетона. В условиях, когда температура составляла 950°С, мощность микроволнового излучения была равна 500 Вт, расход газа был равен 100 мл/мин, время пребывания ацетона - 2 с, степень удаления ацетона достигала 95,8%, после реакции изменения структуры и морфологии катализатора не обнаружено. Микроволновое излучение генерировали с использованием микроволнового реактора 915 МГц.
Пример 2. Приготовление микроволнового катализатора
Трихлорид трехвалентного железа и оксид кальция, представляющие собой исходные материалы, измельчили и размололи до порошкообразного состояния. Приготовили раствор трихлорида трехвалентного железа с массовой концентрацией 10%, в 500 мл указанного раствора трихлорида трехвалентного железа растворили 100 г оксида кальция. При помощи воздушного насоса через раствор пропускали воздух с расходом 400 мл/мин с целью аэрации, при этом производили перемешивание до гомогенного состояния при помощи мешалки со скоростью вращения 150 об/мин. рН раствора довели раствором NaOH до рН=8. Цвет раствора сначала стал светлее, затем темнее, а когда раствор, наконец, превратился в суспензию, перемешивание прекратили.
3
Полученную суспензию гомогенно смешали с порошкообразным карбидом кремния с размером частиц 300 меш в массовом отношении 5:1 и подвергли фильтрации под давлением с использованием ленточного фильтр-пресса, полученный фильтровальный осадок высушили в печи при 80°С в течение 14 ч. Высушенный фильтровальный осадок поместили в обычную высокотемпературную муфельную печь с целью термообработки при 1400°С 4 часа, после чего охладили вместе с печью до 26°С. Прошедший термообработку продукт пропустили через сито 16-20 меш, получив специальный микроволновой катализатор с размером частиц 0,9 мм. Этот катализатор использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу ацетона, при этом раствор ацетона нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией 7000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ацетона. В условиях, когда температура составляла 950°С, мощность микроволнового излучения была равна 500 Вт, расход газа был равен 100 мл/мин, время пребывания ацетона - 2 с, степень удаления ацетона достигала 94,1%, после реакции изменения структуры и морфологии катализатора не обнаружено.
Пример 3. Приготовление микроволнового катализатора
3
Микроволновой катализатор приготовили так же, как в примере 1, за исключением того, что этот катализатор использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу ксилола, при этом раствор ксилола нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией 14000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ксилола. В условиях, когда мощность микроволнового излучения установили равной 750 Вт, расход газа составлял 800 мл/мин, время пребывания ксилола - 2 с, степень удаления ксилола - 94,7%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал определенному стандарту.
Пример 4. Приготовление микроволнового катализатора
3
Микроволновой катализатор приготовили так же, как в примере 1, за исключением того, что этот катализатор использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу этилацетата, при этом раствор этилацетата нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией 7000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и этилацетата. В условиях, когда мощность микроволнового излучения установили равной 750 Вт, расход газа составлял 100 мл/мин, время пребывания этилацетата - 2 с, степень удаления этилацетата - 99,8%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал национальному стандарту на выброс загрязняющих веществ.
Сравнительный пример 1. Приготовление микроволнового катализатора
2
3
2
3
Катализатор с размером частиц 0,9 мм приготовили с использованием в качестве исходного материала FeO, затем его использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу ацетона, как в примере 1. В условиях, когда температура составляла 950°С, мощность микроволнового излучения была равна 600 Вт, время пребывания ацетона - 2 с, степень разложения составила 77,2% при катализе FeO в качестве катализатора.
Сравнительный пример 2. Приготовление микроволнового катализатора
2
2
Катализатор с размером частиц 0,9 мм приготовили с использованием в качестве исходного материала TiO, затем его использовали в эксперименте по микроволновому каталитическому пиролизу ацетона, как в примере 1. В условиях, когда температура составляла 950°С, мощность микроволнового излучения была равна 600 Вт, время пребывания ацетона - 2 с, степень разложения составила 82,7% при катализе TiO в качестве катализатора.
2
3
2
Как видно из результатов, полученных в примерах и сравнительных примерах, микроволновой катализатор настоящего изобретения обладает значительной способностью разложения летучих органических соединений, при этом степень разложения превосходит полученную для FeO и TiO.
Пример 5. Обработка летучего органического газа путем каталитического пиролиза с микроволновым нагреванием
3
3
В отработанном газе, выбрасываемым фармацевтическим предприятием в Hebei, содержание ацетона составляло 4000-8000 мг/м. Раствор ацетона нагревали с целью испарения имитируемого летучего органического газа с концентрацией ацетона 5000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ацетона. В условиях, когда мощность микроволнового излучения поддерживали равной 150 Вт, а расход газа составлял 200 мл/мин, добавили микроволновой катализатор, полученный в примере 1. После обработки в устройстве настоящего изобретения степень удаления ацетона составила 93,3%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал национальному стандарту на выброс загрязняющих веществ.
Пример 6. Обработка летучего органического газа путем каталитического пиролиза с микроволновым нагреванием
3
Раствор ацетона нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией ацетона 8000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ацетона. В условиях, когда мощность микроволнового излучения поддерживали равной 750 Вт, а расход газа составлял 100 мл/мин, добавили микроволновой катализатор, полученный в примере 2. После обработки в устройстве настоящего изобретения степень удаления ацетона составила 96,5%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал национальному стандарту на выброс загрязняющих веществ.
Пример 7. Обработка летучего органического газа путем каталитического пиролиза с микроволновым нагреванием
3
Раствор ксилола нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией ксилола 14000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и ксилола. В условиях, когда мощность микроволнового излучения поддерживали равной 750 Вт, а расход газа составлял 800 мл/мин, добавили микроволновой катализатор, полученный в примере 3. После обработки в устройстве настоящего изобретения степень удаления ксилола составила 94,7%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал национальному стандарту на выброс загрязняющих веществ.
Пример 8. Обработка летучего органического газа путем каталитического пиролиза с микроволновым нагреванием
3
Раствор этилацетата нагревали с целью испарения имитируемого отработанного газа с концентрацией этилацетата 7000 мг/м путем регулирования соотношения воздуха и этилацетата. В условиях, когда мощность микроволнового излучения поддерживали равной 750 Вт, а расход газа составлял 100 мл/мин, добавили микроволновой катализатор, полученный в примере 4. После обработки в устройстве настоящего изобретения степень удаления этилацетата составила 99,8%, указывая, что выпускаемый газ соответствовал национальному стандарту на выброс загрязняющих веществ.
Приведенное выше описание раскрываемых примеров позволяет специалистам в данной области воплощать и применять настоящее изобретение. Различные модификации этих примеров очевидны специалистам, а раскрываемый в настоящем документе общий принцип может быть осуществлен в других примерах, не выходящих за рамки существа или объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не ограничивается данными поясняемыми примерами, напротив, его следует трактовать в самом широком диапазоне, согласующемся с принципом и элементами новизны, раскрываемыми в настоящем документе.