一种光催化氧化处理酸性气体的装置的制作方法

1.本实发明涉及酸性气体的净化处理领域，尤其涉及一种光催化氧化处理酸性废气的工艺和装置，其中的酸性废气是工业生产过程中产生的含硫化氢、氰化氢等酸性废气。


背景技术：

2.随着工业化的不断发展，环境污染情况愈发严重，工业废气废水、汽车尾气、医用垃圾、生活垃圾等使得大气、水体、土壤环境每况愈下，环境污染的预防与治理已经成为各国最为关注的焦点之一。目前，环境污染治理方法众多，比较常用的方法有物理化学法、生化降解法、电化学处理法、光催化降解法等。
3.光催化是一种具有成本效益的高级氧化技术，特别针对持久性有毒气体污染物，通过催化剂在光照条件下将其降解成co2和h2o等无机小分子，从而实现绿色处理。光催化过程中，半导体催化剂吸收高于其禁带宽度的光能后，价带中的电子受激发，形成电子/空穴对，在电场作用下，电子与空穴发生分离，并与吸附在催化剂表面的o2或者h2o发生反应形成活性氧自由基，这些活性氧自由基能氧化大多数的酸性污染物。tio2、zno和zns等因其满价带空导带的特殊电子结构而作为光催化剂，用于氧化还原和电子转移过程中。其中tio2因其化学稳定性高、耐腐蚀，且具有较深的价带能级，催化活性好，无毒无害和成本较低而成为最为广泛应用的光催化材料，酸性物降解过程中光催化剂不消耗，可重复利用，无二次污染，还可以利用太阳光，高效又经济环保。
4.中国专利cn202460470u公开了一种光催化废气处理器，包括紫外灯和过滤介质，其特点在于：包括壳体，所述壳体的两端分别设有进气和出气口，所述过滤介质是负载纳米tio2光催化剂的活性炭纤维，所述气体内部自进气口至出气口之间设置多层过滤介质。由于设置多层纳米活性炭纤维过滤介质，导致风压损失大，处理量小。同时设置的纳米活性炭纤维透光性差，导致紫外灯与酸性废气接触时间短，对有毒废气的降解时间不足，废气分解效率低。
5.中国专利cn203916427u公开了一种光催化废气处理系统，包括预过滤构件、紫外灯和箱体，其特点在于：包括壳体，所述壳体的两端分别设有进气和出气口，所述预过滤构件为活性炭纤维过滤板，所述箱体为立方形，内部安装紫外灯管及紫外灯支架，箱体内壁有tio2涂层，紫外灯管安装方向与气流方向一致。该装置风压损失小，处理量大。但仅在箱体内壁涂敷tio2，导致催化剂与废气接触时间短，对废气的降解时间不足，废气分解效率低。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供一种光催化处理酸性废气装置，在该处理工艺中酸性气体首先引入喷淋式气体吸收塔，初步降低气体中有害物的浓度，然后在光催化反应箱体中，气体与催化剂充分接触并有效反应，最后进入填料式吸附塔，实现气体中污染物的深度处理。
7.本技术的光催化氧化处理酸性气体的装置，包括：
8.喷淋式气体吸收塔、光催化反应箱体和填料式吸附塔，所述喷淋式气体吸收塔的第一出气口与所述光催化反应箱体的第二进气口连接，所述光催化反应箱体的出第二气口与所述填料式吸附塔的第三进气口连接，所述喷淋式气体吸收塔内设置喷淋段，所述光催化反应箱体的中部沿气体流动方向依次设有至少一个第一列管反应区和至少一个灯光区，每个第一列管反应区靠近所述第二进气口的一端均设有气体分布板；
9.所述光催化反应箱体还设有一膨胀扩张段，所述膨胀扩张段靠近第二进气口的一端；
10.在靠近光催化反应箱体的进气口的一端的光催化反应箱体的底部设有排污口，在靠近光催化反应箱体的出气口的一端的光催化反应箱体的顶部设有排气阀；
11.所述填料式吸附塔内填装吸附性填料。
12.于一些实施例中，所述光催化反应箱体内至少一个灯光区的远离所述第二进气口一端还设置有至少一个第二列管反应区，所述第一列管反应区和第二列管反应区内均匀安装有呈水平布置且与气体流动方向一致的气体反应列管，所述气体反应列管是由透光性材料制成，所述第一列管反应区和第二列管反应区的气体反应列管的内壁和/或外壁上部分或全部涂覆光催化剂，所述第二列管反应区和第二列管反应区所在的光催化反应箱体的内壁上部分或全部涂覆光催化剂。
13.于一些实施例中，所述透光性材料为玻璃、石英、水晶、塑料或有机玻璃，所述光催化剂为纳米级的tio2催化剂，所述气体反应列管的横截面为圆形、三角形、菱形、方形或椭圆形。
14.于一些实施例中，所述第一列管反应区和/或第二列管反应区内，所述第一列管反应区的气体反应列管之间的横截面积之和与所述第二列管反应区的气体反应列管的横截面积之和相等。
15.于一些实施例中，所述灯光区内安装有作为光源的灯管，所述灯管包括紫外灯管、汞灯管、氙灯管、led灯管中的至少一种。
16.于一些实施例中，所述灯管为防爆型灯管。
17.于一些实施例中，所述气体分布板是一均匀分布有多个微孔的板，所述微孔的直径为0.5～10mm，所述气体分布板的安装方向与光催化反应箱体内气体流动方向之间具有一角度。
18.本发明所述的光催化氧化处理酸性废气的装置相对于现有的光催化氧化设备具有以下优点：
19.(1)处理的酸性废气首先进过碱液喷淋式气体吸收塔，可以去除大部分酸性污染物，降低后续光催化处理负荷；减少气体中颗粒物并调节气体中有一定的水分含量，更有利于光催化反应的进行，且采用喷淋塔吸收气体压降低；
20.(2)本发明的列管反应区与灯光区相邻，灯光照射到整个列管反应区，光、催化剂和废气三者接触更充分的时间延长，有利于光催化反应的进行；
21.(3)反应气体通过列管反应区过程中，流动阻力更小，设备压降低；
22.(4)所述气体反应列管是由透光性材料(如石英)制成，透光性好，有利于提高光照射强度；并且，所述第气体反应列管的内壁和/或外壁上部分或全部涂覆光催化剂，所述第一和第二列管反应区的壳体的内壁上部分或全部涂覆光催化剂，使光催化剂与光、废气的
接触更充分，因此可以有效地提高酸性废气的处理效率。
23.(5)污染气体排放前采用吸附处理，为气体达标排放提供可靠的保障，同时污染气体进入填料式吸附塔之前，采用喷淋吸收、光催化氧化降解，更大程度上降低了污染物浓度，减少吸附塔的处理负荷，有利于延长吸附材料使用周期。
附图说明
24.图1为本发明的光催化反应箱的正视图；
25.图2为本发明的光催化反应箱的正视剖视图；
26.图3为图1沿a—a剖面线的剖视图；
27.图4为本发明的光催化氧化处理酸性气体装置的结构示意图。
28.附图标记如下：
29.100、光催化反应箱体；
30.1、膨胀扩张段；
31.2、检修门；
32.3、观察窗；
33.4、光催化反应箱体的壳体；
34.5、排气阀；
35.6、支座；
36.7、支撑板；
37.8、二氧化钛涂层；
38.9、气体反应列管；
39.10、灯管支架；
40.11、紫外灯管；
41.12、排污口；
42.13、气体分布板；
43.14、灯光区；
44.15-1、第一列管反应区；
45.15-2、第二列管反应区；
46.16、列管固定架；
47.17、第二进气口；
48.18、第二出气口；
49.19、喷淋式气体吸收塔；
50.20、除沫丝网；
51.21、循环泵；
52.22、填料式吸附塔；
53.23、吸附性填料；
54.24、引风机。
具体实施方式
55.有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下：下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。
56.本发明提供一种光催化氧化处理酸性废气的装置，包括喷淋式气体吸收塔、光催化反应箱体和填料式吸附塔，所述喷淋式气体吸收塔的第一出气口(图中未标出)与所述光催化反应箱体的第二进气口17连接，所述光催化反应箱体的第二出气口18与所述填料式吸附塔的第三进气口连接。所述光催化反应箱体的第二出气口18与所述填料式吸附塔的第三进气口之间还连接一引风机24，该喷淋式气体吸收塔为立式塔体，气体由喷淋式气体吸收塔的下部进入，内部设置两段喷淋，两段喷淋分别位于不同位置处,其中一层喷淋头位于喷淋式气体吸收塔中部，另外一层喷淋头位于喷淋式气体吸收塔的上部，喷淋式气体吸收塔的出气口设置除沫丝网。
57.喷淋式气体吸收塔可以为两段喷淋吸收，气体与喷淋液逆流接触，喷淋式气体吸收塔的顶部设置除沫丝网，分离喷淋式气体吸收塔内的气体中的雾沫，以改善后续工艺的操作条件，气体经过吸收后进入光催化反应箱体，所述反应箱体为卧式立方体，一端设有第二进气口17，另一端设有第二出气口18，该第二进气口17和第二出气口18分别设置在该反应箱体的相对两端，在光催化反应箱体内完成催化反应后进入填料式吸附塔，实现酸性气体的深度去除。
58.所述喷淋式气体吸收塔的顶部的除沫丝网可以是一层或多层，除沫丝网的材质可以是不锈钢、塑料等耐酸碱腐蚀材质。喷淋式气体吸收塔使用的喷淋液可以为水溶性的碱性物料；所述光催化反应箱体的中部沿进气口至出气口的方向依次设有至少一个第一列管反应区15-1和至少一个灯光区，每个列管反应区靠近第二进气口17的一端均设有气体分布板；该光催化反应箱体靠近所述第二进气口17的一端还设有膨胀扩张段；所述光催化反应箱体靠近第二进气口17的一端的底部设有排污口，在光催化反应箱体靠近第二进气口17的一端底部，便于污物。所述反应箱体靠近出气口的一端的顶部设有排气阀5，靠近第二出气口18的一端顶部的排气阀5，便于需要的时候排气或进水冲洗等。
59.本发明所述的光催化氧化处理酸性废气的装置，填料式吸附塔内的吸附介质可以填装一层或多层，吸附材料可以是活性炭或/和分子筛等。所述的酸性气体可以是硫化氢、氰化氢等。其中优选的是，喷淋式气体吸收塔内设置两段喷淋，所述的吸收塔顶部的除沫丝网是三层，除沫丝网材质优选pp塑料；所述的喷淋碱性物料可以为氢氧化钠或/和氢氧化钾等，优选氢氧化钠，其使用的质量浓度为0～30％，优选质量浓度为0.5～10.0％。所述的喷淋式气体吸收塔，液/气比一般选择3～15，优选10～14。
60.于另一实施例中，所述光催化反应箱体内至少一个灯光区的远离所述第二进气口17一端还设置有至少一个第二列管反应区15-2，所述第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2内均匀安装有呈水平布置且与气体流动方向一致的气体反应列管，所述气体反应列管是由透光性材料制成，所述第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2的气体反应列管的内壁和/或外壁上部分或全部涂覆光催化剂，所述第二列管反应区15-2和第二列管反应区15-2所在的光催化反应箱体的内壁上部分或全部涂覆光催化剂，所述光催化剂为纳米级的tio2催化剂。
61.所述填料式吸附塔内填装吸附性填料，该吸附性填料可以是活性炭或/和分子筛，优选活性炭，所述吸附性填料可以分一层或多层布置，优选一层布置。所述填料式吸附塔可以选择立式放置也可以横卧式放置，更进一步，所述填料式吸附塔内的填料可以是活性炭也可以是分子筛或多种吸附材料的混合物，所述的活性炭吸附材料的外型可以是颗粒状也可以是棒状、球状或其他形状。所述吸附塔内气体的宏观流动方向可以是曲线型。在一些实施例中，喷淋式气体吸收塔内可以装填一定量的填料，增加气、液相接触面积，提高吸收效果。
62.本发明所述的光催化反应箱体，外型可以是方形、圆形、椭圆形，其中优选的是方形，光催化反应箱体的材质可以是不锈钢、碳钢、玻璃纤维，其中优选的是不锈钢。所述透光性材料为玻璃、石英、水晶、塑料或有机玻璃，所述气体反应列管的横截面为圆形、三角形、菱形、方形或椭圆形。所述第一列管反应区15-1和/或第二列管反应区15-2内，所述第一列管反应区15-1的气体反应列管之间的横截面积之和与所述第二列管反应区15-2的气体反应列管的横截面积之和相等，以使光催化反应箱体内气体更均匀分布和流动，从而使气体中的污染物与光催化剂能接触充分。
63.所述紫外灯光区内安装有作为光源的灯管，所述灯管包括紫外灯管11、汞灯管、氙灯管、led灯管中的至少一种。其中优选的是紫外灯，所述灯管为防爆型灯管，所述灯管布置方向与气体流动方向可以是垂直布置。在一些实施例中，所述灯光区中，前端的灯管应靠近前端的气体分布板，后端的灯应靠近后端的气体分布板，以使光能较好的照射在涂敷有光催化剂的气体分布管内外壁上，所述前端、后端是根据气体流动方向定义。
64.更进一步，在一些实施例中，作为另一种光催化反应箱体内，列管反应区和灯光区的布置方式，例如可以设置两个列管反应区和一个灯光区14，所述光催化反应箱体内可以串联设置两个列管反应区，所述两个列管反应管区的中部分别安装设置灯光区14，例如串联设置两个列管反应区分别为第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2，灯光区14为紫外灯光区，所述灯光区14安装在第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2之间。所述灯管布置方向与气体流动方向一致。在一些实施例中，所述列管反应区内均匀安装布置有与气体流动方向一致的石英材质的气体反应列管，所述灯光区14内均匀安装布置有灯管，石英材质的气体反应列管内、外表面以及光催化反应箱体内表面均涂敷纳米二氧化钛光催化剂。
65.气体分布板位于每个列管反应区的前部，保障气体均匀进入该列管反应区(即光催化反应区)。其中优选的是，所述气体分布板是一均匀分布有多个微孔的板，例如该气体分布板是一块均匀分布有若干微孔的方形钢板，气体分布板的面积与光催化反应箱体的横截面的面积可以等大，安装方向与装置内气体流动方向可以垂直。所述微孔的直径为0.5～10mm，所述气体分布板的安装方向与光催化反应箱体内气体流动方向之间具有一定的角度。其中优选的是，所述微孔的直径为1.0～5.0mm，所述角度可以为90
°
。本发明所述的光催化反应箱体，其中优选的是，所述光催化反应箱体的设有第二出气口18的一端高于设有第二进气口17的一端，形成0.5～1.0％的坡度，在光催化反应箱体底部安装两个可调节高度的支座，使光催化反应箱体靠近第二出气口18的一端高于设有第二进气口17的一端，使安装后的光催化反应箱体有0.5～1.0％的坡度，保障装置在清洗或有其他液体物料存在后，可以顺利排出。
66.本发明所述的光催化反应箱体，其中优选的是，所述第一和/或第二列管反应区15-2内串联有至少一个灯光区14，该灯光区14为一紫外灯光区，该紫外灯光区内灯管安装方向与气体流动方向一致。本发明所述的光催化反应箱体，其中优选的是，所述紫外灯光区、所述第一列管反应区15-1和所述第二列管反应区15-2的所对应的光催化反应箱体的内壁上均设有检修门，所述检修门上设有观察窗。本发明所述的光催化反应箱体，其中优选的是，所述光催化反应箱体为立方体。所述填料式吸附塔可为立式放置也可以呈卧式放置，优选立式放置。
67.在一些实施例中，吸附塔内可以在不同的填料层中分别填装活性炭和分子筛，增强吸附效果。
68.在一些实施例中，吸附塔内可以仅装填分子筛或活性炭。
69.为此，本发明还提供一种光催化氧化处理酸性废气的方法，包括以下步骤：
70.(1)将含酸性废气与空气、水蒸气混合得到混合气体，混合气体中酸性气体的含量为3～3000mg/nm3、o2的体积含量为2～20％，混合气体的湿度为10～60％(v)；
71.(2)将混合气体送入上述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，此时装置内压力为5～50kpa，温度为0～90℃，光照强度为1000～10000lx。
72.本发明所述的光催化氧化处理酸性废气的方法，其中，所述装置内压力优选为5～30kpa，温度优选为15～35℃。
73.酸性废气浓度测定方法：按照北京市“大气污染物综合排放标准”db11/501-2017要求进行。
74.本发明所述的光催化氧化处理酸性废气的方法，可以将含硫化氢、氰化氢的酸性废气去除率达到97％以上。
75.酸性气体的去除率按照公式(1)计算：
[0076][0077]
式中：
[0078]a‑‑‑‑
酸性气体的去除率，％；
[0079]
w1
‑‑‑‑
酸性气体处理前浓度，mg/nm3；
[0080]
w2
‑‑‑‑
酸性气体处理后浓度，mg/nm3。
[0081]
下面结合附图对本发明作进一步描述：
[0082]
参见图1、图2、图3和图4所示，图1为本发明光催化箱的正视图，图2为本发明光催化反应箱的正视剖视图，图3为图1沿a—a剖面线的剖视图，图4为本发明光催化反应装置。
[0083]
本发明第一实施例提供的光催化氧化处理酸性废气的装置，主要由喷淋式气体吸收塔19、光催化反应箱体100和填料式吸附塔22构成。当酸性废气从喷淋式气体吸收塔19下部进入，经过喷淋吸收后，气体经过除沫丝网20后，从光催化反应箱体100的左侧进入，该光催化反应箱体100的左端设有第二进气口17，右端设有第二出气口18，该光催化反应箱体100的中部沿气体流动方向依次设置有第一列管反应区15-1、灯光区14、第二列管反应区15-2，每个列管反应区靠近第二进气口17的一端均设有气体分布板13，该光催化反应箱体
100靠近该第二进气口17的一端设有膨胀扩张段，该光催化反应箱体100靠近该第二进气口17的一端底部设有排污口12，该光催化反应箱体100靠近该第二出气口18的一端顶部设有排气阀5；气体从该光催化反应箱体100处理后从第二出气口18进入风机24，经过风机24加压后进入填料式吸附塔22底部，气体经过吸附段23后排出。
[0084]
该实施例中，每个列管反应区靠近第二进气口17的一端均设有气体分布板13，气体分布板13能够防止气体流动过程形成“短路”，使待处理废气均匀进入列管反应区；其中，气体分布板13是一均匀分布有多个微孔的板，微孔的直径为1.0～5.0mm，且气体分布板的安装方向与光催化反应箱体内气体流动方向垂直。
[0085]
当然本发明不限于此，酸性废气也可以从该光催化反应箱体100的侧部例如右侧进入，将第二进气口17和第二出气口18分别设置在该光催化反应箱体100的右端和左端，此时其他部件也随之变换。
[0086]
在该实施例中，在光催化反应箱体100底部安装两个可调节高度的支座6，使光催化反应箱体靠近其出气口的一端高于另一端，使安装后的光催化反应箱体有0.8％的坡度，保障装置在清洗或有其他液体物料存在后，可以顺利排出。
[0087]
该实施例中，第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2内均匀安装有呈水平布置且与气体流动方向一致的气体反应列管9，气体反应列管9之间相互平行，气体反应列管9由石英制成，且气体反应列管9的内壁和外壁上全部涂覆有光催化剂纳米tio2光催化剂形成二氧化钛涂层8，第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2所对应的光催化反应箱体100的壳体4的内壁上全部涂覆有光催化剂纳米tio2光催化剂形成二氧化钛涂层8。
[0088]
该实施例中，每个列管反应区的两端均设置支撑板7，用于支撑气体反应列管9，每根气体反应列管9的两端均设有列管固定架16，用于固定每根气体反应列管9，且有利于气体反应列管9的更换维护；
[0089]
该实施例中，第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2内，气体反应列管9的横截面为圆形，第一列管反应区15-1的气体反应列管9之间的横截面面积之和与第二列管反应区15-2气体反应列管9的横截面面积之和相等，保障待处理气体在管内与管间均匀分布流动，提高废气的处理效果；
[0090]
该实施例中，灯光区14内安装数根紫外灯管11，每个灯管在该区域内部并列、平行、均匀排列，灯管安装方向与气体流动方向呈垂直状态，每个灯管均安装在灯管支架10上；灯光区14内两端的灯管应尽量靠近各自邻近的列管反应区，以增加列管反应区内光的强度，提高废气处理效果；灯管支架10以及该光催化反应箱体100的内部均涂敷纳米tio2催化剂，提高废气与催化剂接触面积；
[0091]
该实施例中，灯光区14、第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2对应的光催化反应箱体100的壳体上均设有检修门2，检修门2上设置观察窗3。其中，灯光区14对应设置的观察窗3，便于观察紫外灯管的运行状况以及灯管维修；第一列管反应区15-1和第二列管反应区15-2对应设置的观察窗3，在设备运行过程中如果气体流动压降升高，气体流动阻力较大时可以由该观察窗3观察，或者通过观察窗3，可以发现反应列管外表面是否有大量沉积物，当反应列管外表面有大量沉积物后可以打开检修门3，清洗反应列管外壁和内壁，当然必要时也可打开灯光区14的检修门3进入设备内部清洗，产生的废水可以通过设备底部排污口12排出；
[0092]
该实施例中，光催化反应箱体100靠近第二出气口18的一端的顶部设置排气阀5，以便在装置开车初期进行惰性气体置换，在装置运行过程中进行惰性气体排出，辅助列管外侧沉积物的清洗等。
[0093]
以下具体实施例是对本发明的具体说明，实施例和对比例所述的“％”指体积百分含量。
[0094]
实施例1：
[0095]
将含对硫化氢废气与一定量的空气、水蒸气混合，混合气体中硫化氢含量为20mg/nm3，o2为18％(v)、气体湿度20％，压力为50kpa，送入第一实施例所述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，在温度为35℃，光催化反应箱体内紫外光照强度为5000lx条件下，含硫化氢废气处理结果见表1数据。
[0096]
实施例2：
[0097]
将含硫化氢废气与一定量的空气、水蒸气混合，控制混合气体中硫化氢含量为3000mg/nm3，o2为10％(v)、气体湿度60％，压力为5kpa，送入第一实施例所述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，在温度为35℃，光催化反应箱体内汞灯光照强度为7000lx条件下，含硫化氢废气处理结果见表1数据。
[0098]
实施例3：
[0099]
将含硫化氢废气与一定量的空气、水蒸气混合，控制混合气体中硫化氢含量为500mg/nm3，o2为2％(v)、气体湿度40％，压力为30kpa，送入第一实施例所述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，在温度为15℃，光催化反应箱体内氙灯光照强度为1000lx条件下，含硫化氢废气处理结果见表1数据。
[0100]
实施例4：
[0101]
将含氰化氢废气与一定量的空气、水蒸气混合，控制混合气体中氰化氢含量总计为10mg/nm3，o2为12％(v)、气体湿度50％，压力为20kpa，送入第一实施例所述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，在温度为35℃，光催化反应箱体内氙灯光照强度为3000lx条件下，含氰化氢废气处理结果见表1数据。
[0102]
实施例5：
[0103]
将含氰化氢废气与一定量的空气、水蒸气混合，控制混合气体中氰化氢含量为300mg/nm3，o2为12％(v)、气体湿度20％，压力为5kpa，送入第一实施例所述的光催化氧化处理酸性废气的装置内，在温度为35℃，光催化反应箱体内氙灯光照强度为1000lx条件下，含氰化氢废气处理结果见表1数据。
[0104]
表1
[0105]
项目气体的去除率/％实施例198.2实施例299.5实施例398.9实施例497.3实施例598.6
[0106]
由以上表1数据可知，本发明实施例的光催化处理装置，酸性废气的去除率达到97％以上，实现有毒气体的深度去除，满足达标排放的要求。
[0107]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的保护范围。