一种密封空间内低浓度VOCs的处理系统及基于该系统的处理方法与流程

一种密封空间内低浓度vocs的处理系统及基于该系统的处理方法
技术领域
1.本发明涉及挥发性有机气体处理技术领域，特别涉及一种密封空间内低浓度vocs的处理系统及基于该系统的处理方法。


背景技术：

2.vocs气体是具有挥发性的有害有机气体，该类气体是一种有毒、有害的致癌物质，其成分复杂、浓度也不稳定，vocs的释放能力不仅会在较长时间内持续，而且还会因不同的环境出现变化。
3.vocs中的典型组分如c6h6、c6h5ch3等具有较强的吸附性能以及腐蚀能力，对于某些重要战略武器等贮存以及精密设备的环境质量必须严格控制，例如在潜艇、空间站等场合。在密封环境(喷涂室等)下，不对密封空间内的有害其他进行处理，除影响精密仪器的使用外，长期处于狭小空间中进行作业的人员的健康也势必受到影响，且多数情况不可逆。因此，对密封环境下的有害气体处理至关重要。
4.vocs气体的处理方法包括热力燃烧(to)、催化燃烧(co)、含rto、rco及浓缩—催化燃烧技术。当前，浓缩—催化燃烧技术受地域环境的影响较小，其作为vocs处理的主流处理方式。对于热催化过程中多采用易获取的过渡金属制备催化剂，但研究表明催化剂的性能随着工作过程的进行往往不稳定，因为催化剂表面的有机物在高温条件下来不及被直接分解形成积碳，积碳具有较强的吸附能力，其与催化剂表面活性位结合在一起，进而降低其活性；过高的反应温度会使得催化剂表面的活性物发生转变，局部温度过高，复合氧化物金属催化剂的固溶体分布会出现变化，局部晶格缺陷会出现变化，催化剂综合性能大大降低。因此在使用过程中就需要频繁的更换催化剂，导致整个有害废气的运行形成相对较高。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种密封空间内低浓度vocs的处理系统及基于该系统的处理方法，解决了现有技术中浓缩—催化燃烧技术存在的催化剂更换频繁导致整个处理系统运行成本相对较高的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种密封空间内低浓度vocs的处理系统，包括废气浓缩单元与废气处理单元；
7.所述废气浓缩单元用于将密封空间的低浓度vocs集中吸收；
8.所述废气处理单元包括依次相通设置的催化床、高温干燥器与燃烧炉，
9.所述燃烧炉连接有用于提供氧气的供气子单元，
10.所述燃烧室通过带支管的高温管与催化床相通，所述高温管的支管与高温干燥器相通，
11.所述催化床通过带支路管道的进气管与废气处理单元相通，所述进气管的支路管道与与高温干燥器相通；
12.使用时，所述废气浓缩单元将vocs集中吸收后，所述废气处理单元将集中吸收的vocs在催化床内分解为一氧化碳与水，一氧化碳与水经高温干燥器干燥后进入燃烧炉氧化为二氧化碳。
13.进一步，所述废气浓缩单元包括依次相通设置的变频风机、常温干燥器及吸附床，所述变频风机的进气端通过带电动调节阀的管道与密封空间相通，所述吸附床通过带第二电磁阀的循环管与密封空间相通；
14.所述进气管与变频风机进气端相通，所述吸附床通过带第三电磁阀的进料管与催化床相通；
15.其中，所述密闭空间、循环管进料端分别设有第一浓度检测器与第二浓度检测器。
16.进一步，所述供气子系统包括与燃烧炉通过供气管相通设置的供气室，所述供气室用于储存含氧气体，所述供气管上设有第四电磁阀；
17.所述高温管上设有用于限制高温管及其支管开、合的第五电磁阀；
18.所述进气管上设有用于限制进气管与其支路管道开、合的第六电磁阀；
19.所述燃烧炉内设有燃烧系统，所述燃烧系统的进气端与供气管、高温干燥器相通，所述燃烧系统的排气端与高温管相通。
20.进一步，还包括控制单元，所述电动调节阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第一浓度检测器、第二浓度检测器、燃烧系统的程控器均与控制单元电信连接。
21.进一步，所述催化床内设置的催化剂为过渡金属负载型cumn催化剂。
22.进一步，所述吸附床内的吸附材料为氧化硅或活性炭。
23.进一步，所述常温干燥器内的干燥剂为无水氯化钙。
24.本发明还提供了一种基于密封空间内低浓度vocs的处理系统的处理方法，包括如下步骤：
25.1)废气吸附
26.s1：当第一浓度检测器检测的数据达到预设值，所述控制单元控制电动调节阀、第二电磁阀打开和第三电磁阀至第六电磁阀关闭，并控制变频风机工作，利用吸附床对密闭空间内的低浓度vocs进行集中吸附；
27.2)催化床预热
28.a1：在步骤s1的基础上，待第二浓度检测器检测的数据达到第一预设值，控制单元控制第四电磁阀、第五电磁阀打开，控制单元通过燃烧系统的程控器控制燃烧系统工作对导入的对含氧气体加热，加热后的气体对催化床、高温干燥器预热；
29.3)废气脱附及催化—燃烧
30.b1：在步骤a1的基础上，待第二浓度检测器温度检测器检测的数据达到第二预设值，控制单元控制第二电磁阀关闭、第六电磁阀开启，并控制电动调节阀工作减小该管道上的进气流量，加热后的气体对催化床、高温干燥器预热后与密封空间内空气中的氧气混合，经过变频风机进入吸附床，对吸附床集中吸收的废气进行脱附，脱附的废气与加热的空气一同进入催化床内催化得到一氧化碳和水蒸气；
31.b2：一氧化碳与水蒸气进入高温干燥室内干燥后进入燃烧系统内进行燃烧得到二氧化碳和水蒸气；
32.4)系统吹扫
33.c1：待第二浓度检测器检测检测的数据达到第三预设值，控制单元控制第二电磁阀开启，同时控制电动调节阀、第三电磁阀、第四电磁阀关闭，变频风机工作对系统内部吹扫，达到预设时间后，控制单元控制第二电磁阀、第五电磁阀及第六电磁阀关闭，完成密闭空间内的废气处理。
34.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
35.1、本发明更改了现有的废气处理方式，将vocs o2→
co2 h2o的处理步骤改为了vocs o2→
co h2o，co o2→
co2两个步骤，以此将处理系统分为了先收集后处理的两个单元，利用废气浓缩单元将密闭空间内浓度会随时间、空间四维变化的vocs转变为零维度恒定的vocs气流；然后再经过脱附将浓度含量稳定的vocs气流通过催化床将成分复杂的vocs氧化为成分单一的co，后续直接燃烧过程更加稳定，系统的稳定性得到了极大提升。
36.2、vocs的分解过程采用催化 燃烧相结合的方式分步控制，控制催化氧化的产物为co来降低有机物氧化过程的反应释放热，通过外部回热对催化过程进行控制，保证系统自热催化反应，保证系统运行的稳定性，减低对催化床内催化剂的影响。
37.3、不完全催化反应限制其反应释放热过于剧烈，通过控制催化床的反应温度维持系统所需的最佳反应温度，防止催化床温度变化过大，进而保证了催化剂长时间具备较高活性，烧结可能性降低，产生积碳几率下降，催化剂的使用寿命得到了延长，降低固定时间内催化剂的更换次数，进而降低系统的运行成本。
38.4、催化剂表面的反应过程的温度得到有效控制，浓度稳定的vocs保证了催化床中温度场的均匀度；反应路径的缩短降低了催化床的整体温度水平较低，使得催化剂的失活在很大程度上被避免，进而使催化剂寿命得到极大延长。
39.5、本系统及系统的使用方法可解决单独催化燃烧方案单次投入催化剂量大且寿命短的缺点；单独的催化燃烧(一步反应得到二氧化碳和水)虽然可节约一定能量，但是，vocs成份相对较复杂且采用一次性催化分解的反应步较多，势必要求催化剂表面的活性位点具有多样性，单位表面的活性位效率被降低，进而增加催化剂的用量与制备难度，研制成本较高且一次使用量较大；另外，复杂的反应步决定了催化剂表面经历着复杂的物理过程，表面工况波动较大加之过高的反应温度导致的催化剂表面烧蚀与积炭，其使用寿命大大被削弱。
附图说明
40.图1为本发明处理系统的连接示意图；
41.图2为本发明处理系统处于废气吸附过程的结构流程示意图；
42.图3为本发明处理系统处于催化床预热过程(同时进行废气吸附工作)的结构流程示意图；
43.图4为本发明处理系统处于废气脱附及催化—燃烧过程的结构流程示意图；
44.图5为本发明处理系统处于吹扫过程时的结构流程示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
46.实施例1
47.一种密封空间内低浓度vocs的处理系统，包括废气浓缩单元、废气处理单元与控制单元；废气浓缩单元用于将密封空间内的低浓度vocs气体进行浓缩吸附，浓缩吸附后的vocs气体再导入废气处理单元进行催化得到一氧化碳和水，然后一氧化碳和水再在废气处理单元中燃烧得到二氧化碳和水；控制单元用于控制废气浓缩单元与废气处理单元的进料、导料及设备启停等，以达到对密封空间内低浓度vocs处理的目的。
48.具体的，所述废气浓缩单元包括依次相通设置的变频风机、常温干燥器与吸附床，所述变频风机的进气端通过带电动调节阀的管道与密封空间相通，所述吸附床通过带第二电磁阀的循环管与密封空间相通；其中，所述密闭空间、循环管进料端分别设有第一浓度检测器与第二浓度检测器。
49.所述废气处理单元包括依次相通设置的催化床、高温干燥器与燃烧炉，所述催化床通过带第三电磁阀的管道与吸附床相通；所述燃烧炉内设有燃烧系统，燃烧系统的进气端与高温干燥器相通，且燃烧体系的进气端还连接有带第四电磁阀的供气管，供气管连接有供气室，供气室内可以通过空气压缩机导入压缩空气或直接存储预设氧气含量的气体，便于含氧气体进入燃烧系统内进行点火。燃烧系统的排气端通过带支管的高温管与催化床相通，所述高温管的支管与高温干燥器相通，所述高温管上设有用于限制高温管及其支管开、合的第五电磁阀。所述催化床通过带支路管道的进气管与废气处理单元相通，所述进气管的支路管道与与高温干燥器相通；所述进气管上设有用于限制进气管与其支路管道开、合的第六电磁阀，且所述进气管与变频风机进气端相通。
50.其中，在所述催化床内设有温度检测器，且所述电动调节阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第一浓度检测器、第二浓度检测器、燃烧系统的程控器、温度检测器均与控制单元电信连接。
51.该处理系统使用时：
52.1、对密闭空间内的低浓度vocs进行吸附：第一浓度检测器检测到密闭空间内的有害废气浓度达到需要处理的预设值时，控制单元控制电动调节阀、第二电磁阀打开，剩余所有阀门关闭，同时开启变频风机，变频风机工作将密闭空间内较低浓度的vocs气体经过吸附床吸附，干净的空气返回至密闭空间，以此将密闭空间内的vocs气体导出。
53.2、在吸附床吸附的有害气体时进行催化床的预热：控制单元根据第二浓度检测器检测的数据，该数据达到第一预设值时(例如vocs浓度上升至空间环境的5％)，此时，控制单元控制第四电磁阀、第五电磁阀开启，并控制燃烧系统的程控器控制燃烧系统工作对导入的含氧气体进行加热升温；升温后的气体经过催化床与高温干燥器并对两个设备进行预热并对催化床保温。
54.3、对吸附床吸附的有害气体进行脱附及催化 燃烧处理：当第二浓度检测器检测的数据达到第二预设值后(例如vocs浓度上升至空间环境的10％)，证明吸附床的吸附材料已经处于饱和状态，需进行脱附再生；此时，控制单元控制第二电磁阀关闭，并控制第三电磁阀及第六电磁阀开启，升温后的气体与密封空间内的氧气(空气中含有氧气)混合后经变频风机进入吸附床，高温气体使吸附床内吸附的有害气体脱附与高温气体形成混合气体；高温气体将吸附床吸附的vocs进行脱附并一同进入催化床内，在催化床内的特定催化剂、特定温度范围及较少的氧气含量下生成一氧化碳和水，然后再经过高温干燥器后在燃烧系
统内进行氧化，将一氧化碳氧化成二氧化碳，完成对废气的处理。
55.4、吹扫：待第二浓度检测器检测的数值为第三预设值后，证明吸附床内的有害废气基本完成脱附，此时，控制单元控制第二电磁阀开启，同时控制第三电磁阀与电控调节阀关闭，加大变频风机的进风量对系统进行吹扫；吹扫完成后，关闭第五电磁阀与第六电磁阀，等待下一个工作循环。
56.本系统中：通过吸附床对密闭空间内的有害气体吸附浓缩，使得废气浓度、组份的变化从时间与空间转化为零维均匀的vocs，进而保证了通过催化剂表面的vocs浓度均匀、稳定性，避免催化氧化过程催化剂表面出现局部过热。同时在该过程中还能将密封空间中的vocs含量限制于一定浓度以下，确保密封环境气体的安全性。
57.所述系统启停通过密封空间中vocs浓度大小作为依据，根据实际需求进行工作，具体决定条件为室内装修时间长短、所采用材料以及室内温度、湿度水平等因素共同决定，其最终表现形式为vocs产生量不同。
58.变频风机的使用既能限定含氧气体的进料流量，确保催化床在特定温度、特定催化剂反应时能将废气分解为一氧化碳和水，又能确保在吹扫过程中的大风量需求。
59.为确保在废气集中吸附过程中，对吸附床的影响更小，在所述常温干燥器内设有无水氯化钙干燥剂，干燥降低废气的湿度，避免采用高温干燥，进而保吸附床对废气吸附过程的最大化使用率。
60.为提高吸附床对废气的吸附效率，同时也能在高温气体的作用下进行脱附，本发明中所述吸附床内的吸附材料为氧化硅或活性炭。
61.由于本系统在催化床内的反应是对废气进行不完全氧化，因此，在催化床内设置了对一氧化碳具有较强选择性的过渡金属负载型cumn催化剂。
62.导入系统的待氧气的气体加热后对催化床和高温干燥器能进行预热，进入高温干燥器的含氧气体能与从催化床中出来的气流进行热交换，干燥器在干燥剂以及高温回热的作用下将产物中的水蒸气进行干燥并提高了气流的比焓，将产生的水蒸气去除的同时降低其进入燃烧系统中燃烧时所需的着火热。
63.经过干燥后的未完全氧化vocs经预热升温后，在燃烧系统中与含氧气体混合燃烧释放出大量的热。
64.同时，燃烧系统中加热的含氧气体能用于催化过程、气流干燥与加热过程所需能量。
65.含氧气体导入系统是为燃烧炉内的燃料能在有氧气存在的情况下对空气进行加热，高温烟气中的含氧量极低，所以，本系统中是通过调节电动调节阀导入密封空间内的氧气与高温烟气混合，用于调节进入吸附床内对vocs脱附的高温气体中的含氧量，确保高温气体将vocs脱附后一同进入催化床时，高温气体中有用于与vocs反应的氧气含量，便于vocs在催化剂的作用下生成一氧化碳和水。
66.本系统通过电动调节阀将密封空间内一定量的氧气与vocs在浓缩后脱附过程中进行混合，使有机物的氧化不完全；再结合具有较强选择性的催化剂，保证经过催化床后的vocs被氧化为co与水；同时，控制催化床的温度，避免反应过程生成co2；最后，通过对高温干燥后的气体中混入一定的含氧气体(压缩空气等)，提高混合气中的氧浓度，并通过常规的高温燃烧反应，在高温以及氧气充分的情况下可保证后续co被完全氧化，使得整个系统
能有效将vocs完全处理得到二氧化碳和水。
67.实施例2
68.本发明还提供了一种基于密封空间的低浓度vocs气体的处理系统的处理方法，包括如下步骤：
69.1)废气吸附
70.s1：当第一浓度检测器检测的数据达到预设值，所述控制单元控制电动调节阀、第二电磁阀打开和第三电磁阀至第六电磁阀关闭，并控制变频风机工作，利用吸附床对密闭空间内的低浓度vocs进行集中吸附；
71.2)催化床预热
72.a1：在步骤s1的基础上，待第二浓度检测器检测的数据达到第一预设值，控制单元控制第四电磁阀、第五电磁阀打开，控制单元通过燃烧系统的程控器控制燃烧系统工作对导入的对含氧气体加热，加热后的气体对催化床、高温干燥器预热；
73.3)废气脱附及催化—燃烧
74.b1：在步骤a1的基础上，待第二浓度检测器温度检测器检测的数据达到第二预设值，控制单元控制第二电磁阀关闭、第六电磁阀开启，并控制电动调节阀工作减小该管道上的进气流量，加热后的气体对催化床、高温干燥器预热后与密封空间内空气中的氧气混合，经过变频风机进入吸附床，对吸附床集中吸收的废气进行脱附，脱附的废气与加热的空气一同进入催化床内催化得到一氧化碳和水蒸气；
75.b2：一氧化碳与水蒸气进入高温干燥室内干燥后进入燃烧系统内进行燃烧得到二氧化碳和水蒸气；
76.4)系统吹扫
77.c1：待第二浓度检测器检测检测的数据达到第三预设值，控制单元控制第二电磁阀开启，同时控制电动调节阀、第三电磁阀、第四电磁阀关闭，变频风机工作对系统内部吹扫，达到预设时间后，控制单元控制第二电磁阀、第五电磁阀及第六电磁阀关闭，完成密闭空间内的废气处理。
78.值得注意的是：在处理系统运行过程中，看似将含氧气体加热后导入系统中，但并没有将系统(含密封空间)内的气体导出，但是，在系统持续运行过程中，系统中的气压也不会存在气压过大影响系统运行的问题。因为，密闭空间内产生的vocs也并非一次性放出，所以周围环境气压是需要很长时间才会有一定变化；另外，密封空间即便为空间站，空间站可以直接短时间往真空中排放，而密封空间为库房、储存室或喷涂室或潜艇空间时，库房、储存室会进行顶起检查，喷涂室会进料出料，潜艇在执行完任务后会上浮换气，密闭空间并非永久密闭，是有一定的时效性，用于vocs处理过程所补充的含氧气体(压缩空气)对整个系统在一段时间内的影响极小，几乎可忽略不计。同时，由于密封空间具有时效性，在整个反应过程中消耗的氧气也会进行补充，不影响密封空间内的设备或工作人员。
79.综上可以得出：1、本发明更改了现有的废气处理方式，将vocs o2
→
co2 h2o的处理步骤改为了vocs o2
→
co h2o，co o2
→
co2两个步骤，以此将处理系统分为了先收集后处理的两个单元，利用废气浓缩单元将密闭空间内浓度会随时间、空间四维变化的vocs转变为零维度恒定的vocs气流；然后再经过脱附将浓度含量稳定的vocs气流通过催化床将成分复杂的vocs氧化为成分单一的co，后续直接燃烧过程更加稳定，系统的稳定性得到了极大
提升。
80.2、vocs的分解过程采用催化 燃烧相结合的方式分步控制，控制催化氧化的产物为co来降低有机物氧化过程的反应释放热，通过外部回热对催化过程进行控制，保证系统自热催化反应，保证系统运行的稳定性，降低对催化床内催化剂的影响。
81.3、不完全催化反应限制其反应释放热过于剧烈，通过控制催化床的反应温度维持系统所需的最佳反应温度，防止催化床温度变化过大，进而保证了催化剂长时间具备较高活性，烧结可能性降低，产生积碳几率下降，催化剂的使用寿命得到了延长，降低固定时间内催化剂的更换次数，进而降低系统的运行成本。
82.4、催化剂表面的反应过程的温度得到有效控制，浓度稳定的vocs保证了催化床中温度场的均匀度；反应路径的缩短降低了催化床的整体温度水平较低，使得催化剂的失活在很大程度上被避免，进而使催化剂寿命得到极大延长。
83.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。