一种净化汽车及相关领域涂装废气的吸附浓缩-预热式催化燃烧系统及其净化方法

摘要

本申请涉及一种净化汽车及相关领域涂装废气的吸附浓缩-预热式催化燃烧系统及其净化方法，包括了废气进风口、湿式过滤器、活性炭吸附装置、热交换器、催化燃烧装置、进气口、补风口、采样口、温度探测器、在线监测仪、变频风机以及排气筒；所述集气口收集挥发性有机废气，经湿式过滤器过滤后进入活性炭吸附装置，吸附净化后的废气经排风机利用排气筒高空达标排放；催化燃烧系统经预热后，活性炭吸附的挥发性有机物被热空气加热脱附后输送到催化燃烧室进行低温催化氧化分解，有机物经充分燃烧后分解为无害化的CO

说明书

技术领域

本申请涉及一种净化汽车及相关领域涂装废气的吸附浓缩-预热式催化燃烧 系统(或装置)和方法，属于大风量、低浓度和多组分的有机废气污染控制领 域。

背景技术

挥发性有机物(Volatileorganiccompounds，VOCs)通常是指在25℃时，饱 和蒸汽压大于133Pa的有机化合物，其主要成分为烃类、卤代烃类、氧烃类、 硫烃类、氮烃类、芳香烃和多环芳烃。

在汽车及相关领域的涂装工段，来自喷漆室、晾置室、调漆间、面漆污水 处理间的废气，为低浓度、大流量常温废气，成分复杂，污染物的主要组成为 芳香烃、醇醚类和酯类等有机溶剂，排放浓度变化大，不易溶于水、含酸或碱 的特点而难以处理。

目前针对VOCs的常规处理方法，包括冷凝法、吸收法、燃烧法等工艺不 能适应汽车及相关领域涂装废气大风量、低浓度、组分复杂和水溶性差等特点； 活性炭吸附法，能够满足低浓度、大气量的VOCs废气净化，活性炭很容易吸 附饱和，更换吸附剂的费用昂贵并且吸附饱和后的活性炭需作为一种危险废物 处理；因此，利用活性炭吸附浓缩，并配置一套催化燃烧器进行活性炭脱附再 生，避免了频繁更换活性炭带来的劳动强度和活性炭的更换与处置费用。

吸附浓缩+脱附再生+催化燃烧法结合处理VOCs废气的传统装置有两种运 行方式：(1)直排式，直接将脱附后的有机废气输送到换热器和催化燃烧室进行 燃烧降解，该方法的不足在于系统启动初期由于催化燃烧室的温度较低，部分 有机废气由于不能充分燃烧而生成有害中间产物，或未经燃烧被直接排放；(2) 内循环式，脱附后的有机废气燃烧后循环进入到活性炭吸附装置作为脱附气进 行脱附，该方法的不足之处在于循环气体可能会造成活性炭吸附装置内部有机 废气浓度过高，导致爆炸等安全隐患。

发明内容

基于上述问题，本申请旨在提供一种适用于汽车及相关领域(如家电、电 子、军工、化工等领域)涂装废气的净化系统(或装置)和方法，该净化系统 (或装置)和方法可大幅度提高挥发性有机废气的净化率，同时使系统的安全 隐患降到最低，节能环保。

为达到以上目的，本申请是这样实现的。

一种适用于净化汽车及相关领域涂装废气的吸附浓缩+预热式催化燃烧系 统，所述系统主要包括：湿式过滤器2、活性炭吸附装置3、热交换器7和热交 换器11、催化燃烧装置12、辅助电加热装置14；

其中，废气进风口1设置于湿式过滤器2上；湿式过滤器2经管道D1与活 性炭吸附装置3连接；活性炭吸附装置3经管道D3、三通管E2、管道D4与热 交换器11连接；热交换器11经管道D5与热交换器7连接；热交换器7经管道 D7、三通管E1、管道D9与活性炭吸附装置3连接；热交换器7经管道D7、三 通管E1、管道D8、三通管E2、管道D4与热交换器11连接；热交换器11与催 化燃烧装置12相连；催化燃烧装置12上设置辅助电加热装置14；热交换器7 上设置有脱附气体进风口8、排放管道D6；活性炭吸附装置3上设置有排放管 道D2；三通管E1连接管道D7、D8、D9；三通管E2连接管道D3、D8、D4。

优选，所述系统还包括电动风阀F1-F3；其中，管道D3上设置有电动风阀 F3；管道D8上设置有电动风阀F2；管道D9上设置有电动风阀F1。

优选，所述系统还包括变频风机4、变频风机9和排气筒5；变频风机4经 管道D2与活性炭吸附装置3连接；变频风机9经管道D6与热交换器7连接； 变频风机4和变频风机9都与排气筒5连接。

优选，所述系统还包括温度探测器T1-T4和在线监测仪10；其中，温度探 测器T1设置于活性炭吸附装置3上；温度探测器T2设置于管道D7上；温度 探测器T3设置于管道D4上；温度探测器T4设置于催化燃烧装置12之上；在 线监测仪10设置于排气筒5上。

优选，所述系统还包括补冷风口6、防爆口13、采样口15；其中，补冷风 口6设置于活性炭吸附装置3上；防爆口13设置于催化燃烧装置12之上；采 样口15设置于管道D4之上。

优选，所述热交换器为接触式热交换器；所述活性炭吸附装置可并联设置 两个以上。

所述系统中的涂装废气，经湿式过滤器过滤后进入活性炭吸附装置，吸附 净化后的气体经排风机和排气筒排放；在催化燃烧系统启动初期先使用小风量 预热循环，使催化燃烧装置中的催化燃烧室达到挥发性有机物燃烧所需要的温 度(350～400℃)；活性炭吸附的挥发性有机物被热空气加热脱附后输送到催化 燃烧室进行燃烧降解，有机物经低温催化氧化分解为无害化的CO₂和H₂O等物 质后进行高空排放。催化燃烧室燃烧挥发性有机物产生的热能经两个热交换器 的作用，加热后续进入的脱附气体和后续进入催化燃烧室的挥发性有机物。

催化燃烧原理是利用挥发性有机物所含碳、氢等可燃组分的性质，借助催 化剂降低燃烧所需的活化能，使挥发性有机物在较低的起燃温度条件下发生无 焰燃烧，并氧化分解为CO₂和H₂O等无害物质，同时放出大量热能；这些热能 先通过热交换器传递给进入催化燃烧室的挥发性有机物使之预热，接着再通过 另一个热交换器传递给脱附气体进风口引入的空气，利用热空气加热脱附活性 炭吸附装置中活性炭所吸附的挥发性有机物，使活性炭再生。

由于传统的催化燃烧设备没有经过预热，在催化燃烧系统启动初期达不到 挥发性有机物燃烧所需要的温度，从而导致废气排放浓度超标的问题。而预热 式催化燃烧的原理是，在催化燃烧系统启动初期，使用空气循环加热/换热使催 化燃烧设备在挥发性有机物进入前达到其所需的燃烧温度(如，350～400℃)。 预热式催化燃烧方式能使挥发性有机物充分燃烧，提高净化效率，避免排放浓 度超标的问题。

所述催化燃烧装置主体箱上设置有防爆口，可保障催化燃烧装置的安全； 装置内部还设置有辅助电加热装置，当脱附气温度低于脱附所需温度(如， 60～90℃)时使用该电加热装置进行辅助加热。

所述系统还设置有温度探测器，分别位于活性炭吸附装置、脱附空气管道、 脱附废气管道和催化燃烧装置，用于监测系统温度；所述活性炭吸附装置上还 设置有补风口，当吸附装置内部温度过高时可补充冷N₂保证装置的安全性；脱 附废气管道上还设置有采样口，可检测脱附废气浓度。

所述系统采用的风机为变频风机，在系统启动初期采用小风量空气循环使 催化燃烧室预热到挥发性有机物燃烧所需要的温度(350～400℃)，当开始燃烧 挥发性有机物之后根据需要调节到设定风量。

所述热交换器为接触式换热，相此传统的混流箱换热方式，其换热后的气 体温度更均匀，更能精确的控制气体温度；所述热交换器和活性炭吸附装置之 间通过高精密电动风阀进行连接，以便于气体流量的控制，可通过控制风阀调 节进入催化燃烧装置的有机废气浓度。

一种净化汽车及相关领域涂装废气的方法，其特征在于该方法包括如下步 骤；

A1)吸附净化：通过废气进气口将挥发性有机废气进行集中收集后进入活 性炭吸附装置，经活性炭吸附，净化后的气体直接排放；

在该步骤中，活性炭吸附装置可设置两个以上循环使用。

A2)预热：在该步骤中，催化燃烧装置运行的初期，关闭脱附管道上的阀 门，使用空气进行循环加热和热交换，预热催化燃烧装置使燃烧室内温度达到 挥发性有机物燃烧所需要的温度(350～400℃)；

A3)催化燃烧：活性炭吸附的挥发性有机物质被热空气加热脱附后输送到 催化燃烧装置，经催化氧化分解为无毒无害的CO₂和H₂O等物质后进行高空排 放。

脱附所使用的脱附气由催化燃烧后产生的热能通过热交换器将空气进行加 热得到，当脱附气低于脱附所需的温度(60～90℃)时，应开启催化燃烧设备中 的辅助电加热装置。

本申请中，脱附浓缩的VOCs经管道D3、三通管E2、管道D4进入热交换 器11后，被加热(热量来自于催化燃烧装置12的燃烧室燃烧后的气体)，然后 进入催化燃烧装置12的燃烧室进行燃烧净化，废气燃烧完将热量传递利用后排 放；其中一部分热量经热交换器11用于预热后续进入热交换器11的浓缩VOCs， 另一部分热量经热交换器7用于加热经脱附气体进风口8进入热交换器7的空 气。

经脱附气体进风口8进入热交换器7的空气被加热达到脱附有机物所需的 温度(60-90℃)后，部分经管道D7、E1、D9进入吸附箱体进行脱附。

其中，热交换器7、11的热量全部来源于燃烧后气体的热量。热交换器7 的主要作用是加热冷空气用于脱附；热交换器11的主要作用是预热浓缩VOCs， 以便减少燃烧需要的额外加热能量，达到节能的目的；催化燃烧装置12为最终 净化装置，通过燃烧将浓缩的VOCs分解为无害物质。

本申请的有益效果如下：

(1)能高效稳定的净化汽车及相关领域涂装废气；

(2)预热式的启动方式可保证挥发性有机废气的充分燃烧，避免了系统启 动初期因燃烧不充分而产生的有害中间产物，以及浓度超标排放问题；

(3)通过高精度电动风阀的调节，可控制进入活性炭吸附装置的脱附气体 量，以及进入催化燃烧设备的有机废气的浓度；

(4)相比混流箱，采用热交换器的换热方式能更精确的控制气体温度，且 经换热加热后的气体温度更均匀，避免了混流换热不均匀可能出现的脱附气体 超温进而引起的安全隐患；

(5)湿式过滤器能有效的避免采用干式过滤器时，频繁更换滤料的劳动强 度和费用；

(6)活性炭吸附装置的补冷氮气装置，可防止温度过高可能导致的安全隐 患；

(7)系统采用变频风机，可分别根据预热和催化燃烧阶段的具体需求调节 合适的风量；

(8)整个净化系统运行连续性强，可实现24小时不间断稳定运行，且保 证稳定的净化效率；

(9)本申请应用广泛，可应用于包括装备制造、石油化工、喷涂喷漆、包 装印刷等多种行业，尤其适用于汽车及相关生产领域。

附图说明

图1为本申请所述净化系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本申请作进一步说明，但本申请保护范 围并不限于所述内容。

如图1所示，本申请适用于净化汽车及相关领域涂装废气的吸附浓缩+预热 式催化燃烧装置，主要包括：湿式过滤器2、活性炭吸附装置3、热交换器7和 热交换器11、催化燃烧装置12、辅助电加热装置14、电动风阀F1-F3、温度探 测器T1-T4、在线监测仪10、变频风机4和9、补冷风口6、防爆口13、采样口 15、三通管E1-2、管道D1-9、排气筒5；

其中，废气进风口1设置于湿式过滤器2上；湿式过滤器2经管道D1与活 性炭吸附装置3连接；活性炭吸附装置3经管道D3、三通管E2、管道D4与热 交换器11连接；热交换器11经管道D5与热交换器7连接；热交换器7经管道 D7、三通管E1、管道D9与活性炭吸附装置3连接；热交换器7经管道D7、三 通管E1、管道D8、三通管E2、管道D4与热交换器11连接；热交换器11与催 化燃烧装置12相连；催化燃烧装置12上设置辅助电加热装置14；热交换器7 上设置有脱附气体进风口8、排放管道D6；活性炭吸附装置3上设置有排放管 道D2；三通管E1连接管道D7、D8、D9；三通管E2连接管道D3、D8、D4。 管道D3上设置有电动风阀F3；管道D8上设置有电动风阀F2；管道D9上设置 有电动风阀F1。温度探测器T1设置于活性炭吸附装置3上；温度探测器T2设 置于管道D7上；温度探测器T3设置于管道D4上；温度探测器T4设置于催化 燃烧装置12之上；在线监测仪10设置于排气筒5之上。变频风机4经管道D2 与活性炭吸附装置3连接；变频风机9经管道D6与热交换器7连接。补冷风口 6设置于活性炭吸附装置3上；防爆口13设置于催化燃烧装置12之上；采样口 15设置于管道D4之上。变频风机4与变频风机9都与排气筒5连接。

本申请所述净化系统能够净化的挥发性有机废气包括苯及苯系物、醇类、 醛类、酯类、酮类等，能充分的将有机物燃烧分解为CO₂和H₂O等无害物质。

主要操作步骤如下：

(1)吸附净化阶段

废气进风口1收集废气，经湿式过滤器2过滤，经管道D1输送到活性炭吸 附装置3进行吸附净化，净化后的气体经管道D2、变频风机4由排气筒5进行 高空排放。在该步骤中，活性炭吸附装置可设置两个以上循环使用。

(2)预热阶段

在催化燃烧系统启动初期，关闭风阀F1和F3进行催化燃烧系统预热。调 节风机9使小风量空气经脱附气体进风口8进入热交换器7，开启风阀F2，空 气经管道D7、D8、D4输送到热交换器11和催化燃烧装置12，开启辅助电加热 装置14使空气加热，加热后的空气经热交换器11将热能传递给后续进入热交 换器11的空气，然后经管道D5进入热交换器7，再经热交换器7将热能传递 给新进入热交换器7的空气，随后经管道D6、排风机9和排气筒5进行高空排 放。该阶段须使催化燃烧装置12内温度达到挥发性有机废气燃烧所需要的温度 (350～400℃)。

(3)催化燃烧阶段

在催化燃烧系统预热到需要温度(350～400℃)后开启风阀F1-F3进行有机废 气的催化燃烧净化。经脱附气体进风口8进入到热交换器7的空气被加热到一 定温度(60～90℃)，该热空气经分流，一部分作为脱附空气，通过管道D7、三 通管E1、风阀F1、管道D9进入活性炭吸附装置3，将挥发性有机物从活性炭 上热脱附下来；当脱附气体低于脱附所需的温度(60～90℃)时，开启催化燃烧 装置12中的辅助电加热装置14；另一部分经脱附气体进风口8进入到热交换器 7且被加热的空气作为稀释气通过管道D7、三通管E1、风阀F2、管道D8、三 通管E2进入到管道D4，与经活性炭吸附装置3、管道D3、风阀F3、三通管 E2的脱附废气在管道D4中混合，使脱附废气稀释，混合气体经管道D4、热交 换器11预热后进入催化燃烧装置12被分解为CO₂和H₂O等无害化物质，净化 后的气体依次经过热交换器11和7，将热量分别传递给进入热交换器11的混合 气体和进入热交换器7的空气，降温后的气体经管道D6、排风机9和排气筒5 进行高空排放。

系统还可以控制进入催化燃烧装置的废气浓度，具体方法为：脱附有机废 气的浓度控制由风阀F1和F2进行调节控制；当调节F1为小流量、F2为大流 量时，脱附下来的挥发性有机物更少，且稀释空气更多，则脱附管道中的有机 废气浓度会降低；反之则浓度升高。

经测试，当本申请专利所述系统的净化更加完全。

此较例一

当采用传统非预热式催化燃烧方法，其他设备与本申请相同时，避免不了 系统在启动阶段出现的有机成分燃烧不完全，排放超标的问题。

由此可知，本申请专利所述的预热式催化燃烧系统在运行模式上优于传统 非预热式催化燃烧系统。

本申请适用于装备制造、石油化工、喷涂喷漆、包装印刷等多种行业，尤 其适用于汽车及相关领域的涂装废气。

以上所述仅为本申请较佳实施例之一，并不用以限制本申请，凡在本申请 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的 保护范围之内。