专利名称：化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法及装置。制备以γ-Al2O3作为载体的Mn3O4蜂窝状氧化催化剂，吸附化工腈化反应工艺中产生的废气中的氨气及有机气体，并使之经催化氧化反应转化为CO2、O2和N2，达到废气处理的效果。
背景技术：
在化工腈化过程中，会排出大量的含有氨气、间二甲苯等具有强烈气味的剧毒气体。这些气体对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。浓度过高时除腐蚀作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏停搏和呼吸停止。被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时可能发生呼吸道刺激症状。
除此之外，这些气体在低浓度时具有特殊的气味，人们将它们归入恶臭气体的行列，人的感观对其极其敏感，嗅觉阈值低者能达到0.0001mg/m3，只要排放或泄漏少量这类物质就能在很大范围内引起恶臭污染。我国于1993年正式颁布了《恶臭污染物排放标准》(GB14554-1993)，并于1996年正式颁布了《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)，规定了排放指标。
含氨废气防治技术的发展经历了一个过程，即从最初的水洗喷淋法逐步发展到今天的微生物法、活性炭吸附法等。常见的处理方法有水洗喷淋、药液清洗、微生物、活性炭等方法。水洗喷淋法实际上是污染物的转移，洗脱下来的污染物依然需要进一步的处理；药液清洗法处理效果好，但成本高、容易引起二次污染；活性炭吸附法同样面临处理成本和二次污染的问题；微生物法虽然安全但处理量小、产生的污泥量大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法及装置，开发高性能的催化材料，采用催化氧化方法，对有毒、易燃的化工腈化废气中的有机物和氨气进行无害化处理，经济、安全、有效，并不会对环境造成二次污染。
为实现这样的目的，本发明从催化材料的设计、催化性能提高和实际应用的角度展开研究，根据污染控制与催化燃烧反应与过程的热动力学与工程特点，制备采用γ-Al2O3作为载体的Mn3O4蜂窝状氧化催化剂，并将其填充于处理装置的电加热催化氧化管中，采用二级电加热催化氧化方式，控制反应温度和时间，使废气中的氨气及有机气体首先吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，进而在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，有效脱除氨气、挥发性有机物类物质。
本发明设计的化工腈化反应工艺废气的低温催化处理装置，包括热交换器、两级电加热催化氧化管、两级电加热控制系统、无极调速风机以及出气管，两级电加热催化氧化管采用电加热室和催化氧化室为一体的竖式结构，热交换器的内通道进口连接进气口流量计，热交换器的内通道出口连接一级电加热催化氧化管的底部，一级电加热催化氧化管的上部连接二级电加热催化氧化管的底部，一级电加热催化氧化管和二级电加热催化氧化管的出口同时与热交换器的外通道进口连接，一级电加热催化氧化管采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置一级电加热系统温度计，一级电加热催化氧化管的薄壁金属管及温度计连接一级电加热控制系统；二级电加热催化氧化管采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置二级电加热系统温度计，二级电加热催化氧化管的薄壁金属管及温度计连接二级电加热控制系统；热交换器的外通道出口经无极调速风机连接到出气管，在无极调速风机前设置压力计。
本发明装置工作时，启动电加热催化氧化管的开关，将催化氧化管中的催化剂逐渐加热并将其控制在催化氧化反应的温度(180-220℃)。废气气流通过热交换器自然冷却，并使进气的温度提高，在此废气被催化剂氧化为无害的水、氮气和二氧化碳而使废气净化。废气催化氧化后产生大量的热，这部分热能可降低电加热的能耗。净化后的气体通过出气口排出。整个装置的吸附过程采用负压操作，可避免有机废气在操作间的溢出。
本发明所采用的催化剂采用γ-Al2O3作为载体，由Mn3O4粉按一定比例在制备过程中混合而得。将催化剂填充于处理装置的电加热催化氧化管中，采用二级电加热催化氧化方式，即可有效进行废气处理。
本发明的化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法具体如下1、催化剂的制备取Al2O3、Na(OH)同时浸没在蒸馏水中，其中Na/Al摩尔比为1.1-1.2，充分搅拌并维持反应温度在65-70℃，反应1小时后在室温(10-30℃)中放置24小时，使溶液产生沉淀；将上述沉淀物真空过滤后用质量浓度0.1-0.5％的氨水洗涤，然后用质量浓度0.5-5％的硝酸溶解，硝酸用量与沉淀物的质量比3-6∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为9-10；将质量比占悬浮液的1-3％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤，然后在70-105℃下干燥12-24小时，升温至350-360℃干燥1-2小时，600-650℃干燥2-3小时，然后自然冷却至室温(10-30℃)，得到以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂，用于填充化工腈化反应废气处理装置中采用的电加热催化氧化管。
2、低温催化处理化工腈化反应废气将上述制备得到的氧化催化剂填充废气处理装置中的两级电加热催化氧化管；将氧气含量的体积比大于9％的化工腈化反应废气引入处理装置，首先经热交换器加热到100-150℃，然后进入一级电加热催化氧化管，通过一级电加热催化氧化管内置的电加热装置进一步加热到180-220℃，使废气中的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，然后废气进入二级电加热催化氧化管；在二级电加热催化氧化管内，使废气中未反应的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上；并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，废气温度因反应放热达到300-400℃；然后将废气引入热交换器，与进口废气进行热交换后温度降低至100℃以下，经出气管直接排空。
本发明具有显著的技术效果。制备的催化材料的催化活性高、热稳定性好且抗烧结、不易中毒；蜂窝状γ-Al2O3催化剂载体具有良好的动力学性能，克服了颗粒活催化剂载体床层阻力大的缺点；方法采用吸附—催化氧化—脱附原理，反应温度低，安全可靠，节能高效，特别适合大流量、变浓度、多组份的腈化废气的治理。本发明的废气处理装置结构紧凑，长时间连续运行催化层不发生分层；同时对污染物处理彻底，对于脱除氨气、挥发性有机物类物质的去除率均可达到90％以上，同时不会对环境形成二次污染。
图1为本发明废气处理装置的结构示意图。
图1中，1为进气口流量计，2为热交换器，3为一级电加热催化氧化管，4为一级电加热控制系统，5为一级电加热系统温度计，6为二级电加热催化氧化管，7为二级电加热控制系统，8为二级电加热系统温度计，9为热交换器出口的压力计，10为无极调速风机，11为出气管。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明采用的化工腈化反应工艺废气的低温催化处理装置主要由两级电加热催化氧化管和两套电加热控制系统组成，其中两级电加热催化氧化管采用电加热室和催化氧化室为一体的竖式结构。图1为本发明废气处理装置的结构示意图。如图1所示，废气处理装置由进气口流量计1、热交换器2、一级电加热催化氧化管3、一级电加热控制系统4、一级电加热系统温度计5、二级电加热催化氧化管6，二级电加热控制系统7，二级电加热系统温度计8，热交换器出口的压力计9、无极调速风机10、出气管11组成。
热交换器2的内通道进口连接进气口流量计1，热交换器2的内通道出口连接一级电加热催化氧化管3的底部，一级电加热催化氧化管3的上部连接二级电加热催化氧化管6的底部，一级电加热催化氧化管3和二级电加热催化氧化管6的出口同时与热交换器2的外通道进口连接。一级电加热催化氧化管3采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置一级电加热系统温度计5，一级电加热催化氧化管3的薄壁金属管及温度计5连接一级电加热控制系统4。二级电加热催化氧化管6具有与一级电加热催化氧化管3相同的结构，即二级电加热催化氧化管6采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置二级电加热系统温度计8，二级电加热催化氧化管6的薄壁金属管及温度计8连接二级电加热控制系统7。热交换器2的外通道出口经无极调速风机10连接到出气管11，在无极调速风机10前设置压力计9。
本发明的电加热控制系统4和7分别控制一级电加热催化氧化管3及二级电加热催化氧化管6电加热的开启。
本发明装置的工作流程如下启动电加热催化氧化管的开关，将催化氧化管反应器中的催化剂逐渐加热并将其控制在催化氧化反应的温度(180-220℃)。废气气流通过热交换器2自然冷却，并使进气的温度提高，在此废气被催化剂氧化为无害的水、氮气和二氧化碳而使废气净化。无极调速风机10的转速根据热交换器出口压力计9的指示调节，以此来保证处理系统内微负压。废气催化氧化后产生大量的热，这部分热能可降低电加热的能耗。净化后的气体通过出气管11排出。
本发明所采用的催化剂采用γ-Al2O3作为载体，由Mn3O4粉按一定比例在制备过程中混合而得。首先取Al2O3、Na(OH)倒入蒸馏水中进行反应，然后将反应后静置的沉淀物真空过滤、洗涤后溶解于0.7％的硝酸中，加入NaOH调节溶液pH值，再加入Mn3O4粉的混合物，然后过滤制蜂窝，经三次升温干燥后自然冷却至室温得到所需催化剂。该催化剂具有低温处理特性，能高效率实现有机物矿化处理。
催化剂制备好以后填入图1所示的两级电加热催化氧化管3和6，打开电加热控制系统4和7，加热后使反应温度为180-220℃，即可有效处理化工腈化废气。
实施例1取Al2O3600克、320克Na(OH)(Na/Al比1.20)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在65℃反应1小时，在25摄氏度的环境温度中放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用质量浓度为0.1％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为0.7％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比3∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为10.0；将质量比占悬浮液1％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在105℃下干燥12小时，升温至360℃干燥1.5小时，650℃干燥2.5小时，然后自然冷却至室温，得到所需以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，打开电加热控制系统4和7，加热后使处理腈化废气的一级、二级电加热催化氧化管的反应温度均为200℃。将氧气含量的体积比大于9％的化工腈化反应废气引入处理装置，首先经热交换器2加热到100-150℃，然后进入一级电加热催化氧化管3，通过一级电加热催化氧化管内置的电加热装置进一步加热到200℃，使废气中的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，然后废气进入二级电加热催化氧化管6；在二级电加热催化氧化管内，废气中未反应的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上；并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，废气温度因反应放热达到300-400℃；然后将废气引入热交换器2，与进口废气进行热交换后温度降低至100℃以下，经出气管11直接排空。
具体处理结果如下，其中废气在催化剂上的接触时间与催化剂填充量有关。
表1.处理结果
实施例2取Al2O3600克、320克Na(OH)(Na/Al比1.20)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在70℃反应1小时，在20℃的环境温度中放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用0.3％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为2％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比4∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为9；将质量比占悬浮液1％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在90℃下干燥20小时，升温至350℃干燥2小时，600℃干燥2.5小时，然后自然冷却至室温，得到所需以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，打开电加热控制系统4和7，加热后使处理腈化废气的一级、二级电加热催化氧化管的反应温度均为180℃。将氧气含量的体积比大于9％的化工腈化反应废气引入处理装置，首先经热交换器2加热到100-150℃，然后进入一级电加热催化氧化管3，通过一级电加热催化氧化管内置的电加热装置进一步加热到180℃，使废气中的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，然后废气进入二级电加热催化氧化管6；在二级电加热催化氧化管内，废气中未反应的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上；并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，废气温度因反应放热达到300-400℃；然后将废气引入热交换器2，与进口废气进行热交换后温度降低至100℃以下，经出气管11直接排空。
具体结果如下表2.处理结果
实施例3取Al2O3600克、293克Na(OH)(Na/Al比1.10)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在65℃反应1小时，在室温下放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用质量浓度为0.5％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为5％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比6∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为10.0；将质量比占悬浮液3％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在70℃下干燥24小时，升温至360℃干燥1.5小时，600℃干燥3小时，然后自然冷却至室温，得到所需以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，打开电加热控制系统4和7，加热后使处理腈化废气的一级、二级电加热催化氧化管的反应温度均为200℃。将氧气含量的体积比大于9％的化工腈化反应废气引入处理装置，首先经热交换器2加热到100-150℃，然后进入一级电加热催化氧化管3，通过一级电加热催化氧化管内置的电加热装置进一步加热到200℃，使废气中的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，然后废气进入二级电加热催化氧化管6；在二级电加热催化氧化管内，废气中未反应的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上；并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，废气温度因反应放热达到300-400℃；然后将废气引入热交换器2，与进口废气进行热交换后温度降低至100℃以下，经出气管11直接排空。
具体结果如下
表3.处理结果(氨)
实施例4取Al2O3600克、320克Na(OH)(Na/Al比1.20)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在65℃反应1小时，在25摄氏度的环境温度中放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用质量浓度为0.1％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为0.7％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比3∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为10.0；将质量比占悬浮液2％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在105℃下干燥12小时，升温至360℃干燥1.5小时，650℃干燥2.5小时，然后自然冷却至室温，得到所需以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，处理过程中的温度控制同实施例1。
具体处理结果如下表4.处理结果(氨)
实施例5取Al2O3600克、320克Na(OH)(Na/Al比1.20)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在65℃反应1小时，在25摄氏度的环境温度中放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用质量浓度为0.1％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为0.7％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比为5∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为10.0；将质量比占悬浮液3％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在105℃下干燥12小时，升温至360℃干燥1.5小时，650℃干燥2.5小时，然后自然冷却至室温，得到以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，处理过程中的温度控制同实施例1。
具体结果如下表5.处理结果
实施例6取Al2O3600克、320克Na(OH)(Na/Al比1.20)同时倒入1000克蒸馏水中，充分搅拌并维持反应温度在65℃反应1小时，在25摄氏度的环境温度中放置24小时，使溶液产生沉淀；将沉淀物真空过滤后用质量浓度为0.1％的氨水洗涤，然后充分溶解于质量浓度为0.7％的硝酸中，硝酸用量与沉淀物的质量比为6∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为10.0；将质量比占悬浮液3％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤制蜂窝，然后在105℃下干燥12小时，升温至360℃干燥1.5小时，650℃干燥2.5小时，然后自然冷却至室温，得到以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
将上述制备得到的氧化催化剂填入图1所示的废气处理装置中的两级电加热催化氧化管，处理过程中的温度控制同实施例2。
处理结果如下表6.处理结果
权利要求
1.一种化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法，其特征在于包括如下步骤1)催化剂的制备取Al2O3、Na(OH)同时浸没在蒸馏水中，其中Na/Al摩尔比为1.1-1.2，充分搅拌并维持反应温度在65-70℃，反应1小时后在10-30℃中放置24小时，使溶液产生沉淀；将上述沉淀物真空过滤后用质量浓度0.1-0.5％的氨水洗涤，然后用质量浓度0.5-5％的硝酸溶解，硝酸用量与沉淀物的质量比为3-6∶1，得到悬浮液；在悬浮液中加入NaOH，调节溶液pH值为9-10；将质量比占悬浮液的1-3％的Mn3O4粉加入上述悬浮液，充分混合后立即过滤，然后在70-105℃下干燥12-24小时，升温至350-360℃干燥1-2小时，600-650℃干燥2-3小时，然后自然冷却至10-30℃，得到以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂；用于填充化工腈化反应废气处理装置中采用的两级电加热催化氧化管；2)低温催化处理化工腈化反应废气将上述制备得到的氧化催化剂填充废气处理装置中的两级电加热催化氧化管；将氧气含量的体积比大于9％的化工腈化反应废气引入处理装置，首先经热交换器(2)加热到100-150℃，然后进入一级电加热催化氧化管(3)，通过一级电加热催化氧化管内置的电加热装置进一步加热到180-220℃，使废气中的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上，并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，然后废气进入二级电加热催化氧化管(6)；在二级电加热催化氧化管内，使废气中未反应的氨气及有机气体吸附在蜂窝状γ-Al2O3载体上；并在载体上负载的Mn3O4催化触媒作用下与废气中的氧气发生催化氧化反应，废气温度因反应放热达到300-400℃；然后将废气引入热交换器(2)，与进口废气进行热交换后温度降低至100℃以下，经出气管(11)直接排空。
2.一种化工腈化反应工艺废气的低温催化处理装置，其特征在于包括热交换器(2)、两级电加热催化氧化管(3、6)、两级电加热控制系统(4、7)、无极调速风机(10)以及出气管(11)；两级电加热催化氧化管(3、6)采用电加热室和催化氧化室为一体的竖式结构；热交换器(2)的内通道进口连接进气口流量计(1)，热交换器(2)的内通道出口连接一级电加热催化氧化管(3)的底部，一级电加热催化氧化管(3)的上部连接二级电加热催化氧化管(6)的底部，一级电加热催化氧化管(3)和二级电加热催化氧化管(6)的出口同时与热交换器(2)的外通道进口连接，一级电加热催化氧化管(3)采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置一级电加热系统温度计(5)，一级电加热催化氧化管(3)的薄壁金属管及温度计(5)连接一级电加热控制系统(4)；二级电加热催化氧化管(6)采用薄壁金属管，管内充填氧化催化剂并设置二级电加热系统温度计(8)，二级电加热催化氧化管(6)的薄壁金属管及温度计(8)连接二级电加热控制系统(7)；热交换器(2)的外通道出口经无极调速风机(10)连接到出气管(11)，在无极调速风机(10)前设置压力计(9)。
3.根据权利要求2的化工腈化反应工艺废气的低温催化处理装置，其特征在于所述电加热催化氧化管(3)内充填的氧化催化剂为以蜂窝γ-Al2O3作为载体的Mn3O4的氧化催化剂。
全文摘要
本发明涉及一种化工腈化反应工艺废气的低温催化处理方法及装置，制备采用γ－Al
文档编号B01J23/16GK101053769SQ20071003731
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月8日 优先权日2007年2月8日
发明者杨骥 申请人:上海交通大学