本發(fā)明涉及光催化反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器及光催化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的快速發(fā)展和居民生活水平的大幅提高，產(chǎn)生了的大量工業(yè)廢水和生活污水，這些廢水的超標(biāo)排放對人類及動植物的生活環(huán)境造成了極大危害，尤其是高濃度難降解污染物廢水的處理問題日漸成為世界各國研究的難點(diǎn)和焦點(diǎn)。
以傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)對難降解的廢水進(jìn)行處理往往難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，如現(xiàn)有的生物處理方法，對可生化性差、相對分子質(zhì)量從幾千到幾萬的物質(zhì)處理較困難；對高級催化氧化技術(shù)進(jìn)行研究將是今后處理高濃度難降解廢水的發(fā)展方向之一，其可將高濃度難降解廢水直接礦化或通過氧化提高污染物的可生化性，同時還在環(huán)境類激素等微量有害化學(xué)物質(zhì)的處理方面具有很大的優(yōu)勢，能夠使絕大部分有機(jī)物完全礦化或分解，具有很好的應(yīng)用前景。
而在高級催化氧化技術(shù)當(dāng)中，光催化氧化分解技術(shù)又是當(dāng)今世界公認(rèn)的最前沿最有效的處理技術(shù)。
所謂光催化反應(yīng)，就是在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激分子躍遷至激發(fā)態(tài)，然后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，或者變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。光催化氧化技術(shù)利用紫外光激發(fā)氧化將o3、h2o2等氧化劑與光輻射相結(jié)合，以產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·oh)為特點(diǎn)，在高溫高壓、電、聲、光輻照、催化劑等反應(yīng)條件下，使難降解的大分子有機(jī)物氧化成氧化成co2、h2o、礦物鹽、低毒或無毒的小分子物質(zhì)，無二次污染
光催化氧化技術(shù)具有如下優(yōu)勢：
(1)反應(yīng)條件溫和、氧化能力強(qiáng)；
(2)在染料廢水、表而活性劑、農(nóng)藥廢水、含油廢水、氰化物廢水、制藥廢水、有機(jī)磷化合物、多環(huán)芳烴等廢水處理中，都能有效地進(jìn)行光催化反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為無機(jī)小分子，達(dá)到完全無害化的目的；
(3)光催化氧化反應(yīng)對許多無機(jī)物，如cn-、au(cn)2-、i-、scn-、cr2o72-、hg(ch3)2、hg2+等的去除也有廣闊的應(yīng)用前景；
(4)可以破壞氰化物，以及電鍍常用的各種有機(jī)螯合劑和添加劑，而達(dá)無害化;
(5)可以除去各種水中或氣體中的微生物、細(xì)菌和霉菌;
(6)不僅可以破壞稀溶液(廢水)中的有機(jī)物，而且可以破壞濃溶液(槽液)中的有機(jī)物;
(7)是一種非常清潔的干處理法，不會引入任何其他物質(zhì)到體系中;
(8)能徹底破壞有機(jī)物而使其轉(zhuǎn)化為co2排出，處理的深度比其他方法高;
盡管光催化氧化技術(shù)盡管有很多優(yōu)勢，但其在國內(nèi)還處于研究階段，傳統(tǒng)的光催化氧化反應(yīng)裝置適合工業(yè)化大批量處理污染物的非常少，技術(shù)上還有很多缺陷，主要有以下幾個方面：
（1）紫外光的吸收范圍較窄，光能利用率較低，其效率還會受催化劑性質(zhì)、紫外線波長和反應(yīng)器的限制;
（2）光催化氧化需要解決透光度的問題，因?yàn)槟承U水(如印染廢水)中的一些懸浮物和較深的色度都不利于光線的透過，會影響光催化效果;
（3）單根燈管功率較小，一般為300～500w中低壓汞燈，很少使用到3kw,反應(yīng)器結(jié)構(gòu)多為立式圓筒形或箱形，有的設(shè)備在反應(yīng)器內(nèi)裝有攪拌裝置，且單臺設(shè)備內(nèi)部裝有多根uv燈管，攪拌強(qiáng)烈的情況下燈管很容易松動和破裂，氧化效果不均勻；
（4）如果廢水處理量大，那么設(shè)備數(shù)量及燈管數(shù)量將大幅度增加，裝置占地面積和投資也相應(yīng)大幅度增大；
（5）燈管使用壽命較短，多為2000小時以下，更換頻繁，無法大規(guī)模進(jìn)行廢水處理；
（6）多用于科研試驗(yàn)或中試用，工業(yè)化廢水處理領(lǐng)域很少有報(bào)道使用大功率光催化反應(yīng)器，也很少有進(jìn)行大規(guī)模廢水處理的裝置；
（8）光催化反應(yīng)時間普通較長，同一批廢水，有的處理時間達(dá)6小時以上；
（9）uv燈管外部的燈套易結(jié)垢，影響紫外光的照射，清洗頻繁；
申請?zhí)枮閏n02156875.8、cn201610874502.6、cn201220573548.1、cn201310150989.x等的專利文件公開了幾種光催化反應(yīng)裝置，其或光利用率低處理量小、或處理能力很有限、或適應(yīng)性較窄，均不適應(yīng)于大規(guī)模且長期穩(wěn)定的處理廢水。
授權(quán)公告號為cn201016094y的中國實(shí)用新型專利公開了一種水平漩流固定化催化劑懸浮載體光催化反應(yīng)器，其包括一個水平設(shè)置的柱狀反應(yīng)器，將紫外燈管設(shè)置在反應(yīng)器的軸線位置，并采用漩流進(jìn)料，使得帶有催化劑的懸浮載體以紫外燈管為軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，水流的流向與載體運(yùn)動方向相垂直，該催化反應(yīng)器處理速度快，占地面積小，但其紫外光源處沒有設(shè)置保護(hù)裝置，易結(jié)垢損壞，維修頻繁，嚴(yán)重影響了水處理效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是要提供一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器及光催化系統(tǒng)，用于處理難降解的工業(yè)廢水和生活污水，可將高濃度有毒有害廢水中有機(jī)污染物分解成co2和水等無害小分子，同時可以除臭、脫色及殺菌消毒，從而達(dá)到凈化廢水的目的，并可通過并聯(lián)、串聯(lián)或其組合的矩陣化操作方式提高污水的處理規(guī)模。
且本申請所述光催化反應(yīng)器的催化光源得到足夠的保護(hù)，又沒有降低光照催化的效率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器，包括一個具有催化反應(yīng)部的臥式反應(yīng)器殼體、設(shè)置在所述催化反應(yīng)部內(nèi)的催化光源，反應(yīng)器殼體還包括有設(shè)置在催化反應(yīng)部側(cè)部的漩流發(fā)生部，在臥式的反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有位于所述催化光源外的透光套管。
催化光源和透光套管作為一個整體參與反應(yīng)器的拆裝，通常情況下不再進(jìn)行拆分。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述催化反應(yīng)部為圓柱狀，所述透光套管被固定在反應(yīng)器殼體上并進(jìn)行可靠的保護(hù)和密封。
本發(fā)明所述反應(yīng)器為臥式圓筒形，鞍座支撐，各分段之間用法蘭連接，凹凸面密封，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊；流經(jīng)反應(yīng)器內(nèi)的廢水全部在紫外光有效的照射范圍之內(nèi)；且采用漩流的進(jìn)料方式，能夠增強(qiáng)廢水催化氧化效果，解決uvc燈管外部的燈套易結(jié)垢清洗頻繁的問題，流體進(jìn)入旋流發(fā)生室后在壓力作用下，改變流動狀態(tài)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場，同時，在摩擦力作用下，有粘性的物質(zhì)或細(xì)微雜質(zhì)顆粒幾乎不粘結(jié)反應(yīng)器內(nèi)部；
所述催化光源采用uvc燈管的高壓汞燈，所述透光套管為高透光性的石英玻璃制成，管內(nèi)通惰性氣體或者抽真空；
本反應(yīng)器的催化光源為單根額定功率12kw高壓uvc汞燈，發(fā)光效率高，能產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外線，波長范圍200～280nm，正常情況下燈管使用壽命達(dá)5000小時以上；而高透光石英玻璃燈套，紫外光透過率達(dá)90%以上，且耐腐蝕，耐高溫，耐壓，高絕緣，熱膨脹系數(shù)小，提高了透光率；
所述反應(yīng)器殼體的內(nèi)外部都靜電接地；
所述高壓汞燈的功率可在0~12kw范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，燈管功率并可根據(jù)被處理物的量及工藝指標(biāo)可擴(kuò)展；
透光套管的兩端通過密封函進(jìn)行隔水密封，惰性氣體保護(hù)組件或真空管道的氣管自光源穿過管箱頂部引出到氣體緩沖罐上；此措施是為了最大限度地利用紫外光能，燈管工作過程，紫外光幾乎不損失。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述漩流發(fā)生部的數(shù)量為兩個，分別設(shè)置在所述催化反應(yīng)部的兩側(cè)端，所述漩流發(fā)生部的外端還設(shè)置有與其密封連接的管箱，至少所述催化光源和透光套管的一端通過密封組件密封穿出漩流發(fā)生部并處于管箱內(nèi)。
管箱、光催化反應(yīng)器和漩流發(fā)生部連接成一個完整的整體。
當(dāng)光催化反應(yīng)器與旋流發(fā)生部和管箱組裝好后，催化光源沿反應(yīng)器水平中心軸線穿過，兩端等間距，然后安裝填料密封函，各部件安裝精度公差控制在要求范圍內(nèi)；
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述催化光源與透光套管之間形成有光源保護(hù)區(qū)，至少所述透光套管的一端從反應(yīng)器殼體內(nèi)密封導(dǎo)出所述催化光源的外接導(dǎo)線，以及連通所述光源保護(hù)區(qū)的氣體導(dǎo)管。
管箱內(nèi)部安裝有通風(fēng)散熱部件并開有通風(fēng)格柵窗，上部開有惰性氣體進(jìn)出管或真空管道，下部開有通風(fēng)管；所述光源保護(hù)區(qū)通過內(nèi)充惰性氣體或抽真空來實(shí)現(xiàn)對光源的保護(hù)。
密封組件內(nèi)裝有耐腐蝕耐高溫軟填料；光催化反應(yīng)器的外殼根據(jù)實(shí)際情況選擇鈦材、不銹鋼、碳素鋼中的一種，或者采用非金屬材料。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述密封組件與所述催化光源的連接處還設(shè)置有絕緣隔熱組件；密封組件是耐腐蝕耐高溫耐老化抗氧化材質(zhì)的o形圈，而絕緣隔熱組件是填充四氟石棉盤根，在壓蓋的壓緊力作用下，可達(dá)到完全無泄漏。
為了解決燈管絕緣隔熱問題，在燈管兩端設(shè)計(jì)了絕緣隔熱套。因uvc高壓汞燈管在工作過程表面溫度達(dá)500～900℃，若不進(jìn)行有效的絕緣隔熱和降溫，必然造成燈管兩端過熱燒壞。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的漩流發(fā)生部由包括與管箱相連的連接密封法蘭以及與催化反應(yīng)部相連接的旋流發(fā)生板、外側(cè)殼體構(gòu)成，所述外側(cè)殼體上開設(shè)有物料進(jìn)口和或物料出口；所述管箱內(nèi)設(shè)置有能沿所述反應(yīng)器殼體軸向運(yùn)動并鎖定的定位調(diào)節(jié)盤。
在反應(yīng)器使用之前，實(shí)現(xiàn)通過定位調(diào)節(jié)盤調(diào)整催化光源的位置；
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述催化光源位于反應(yīng)器殼體內(nèi)的催化反應(yīng)部，所述催化反應(yīng)部上設(shè)置有壓力感應(yīng)器、光感應(yīng)器和溫度感應(yīng)器。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述催化反應(yīng)部的側(cè)壁上還設(shè)置有觀察窗、下部設(shè)置有放凈口，以便于停車或檢修時排凈反應(yīng)器內(nèi)部殘液。
觀察窗采用可過濾紫外光的有色鏡片制作而成，能夠觀察反應(yīng)器內(nèi)水流狀態(tài)、燈管工作狀態(tài)以及光化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)，且?guī)缀跄苋窟^濾掉紫外線，只允許少部分可見光通過，減少紫外光對人體傷害。
為了便于維修或零部件更換，反應(yīng)器主要構(gòu)件對稱分布于反應(yīng)器兩側(cè)，管箱內(nèi)操作空間充裕，所有連接件安裝簡便，維修方便。
本反應(yīng)器不僅能用于工業(yè)企業(yè)有毒有害廢水處理，也可用于有毒有害廢氣處理、殺菌消毒、城市河道污水處理、生活廢水處理等多個領(lǐng)域。
一種光催化反應(yīng)系統(tǒng)，包括一個熱交換器和與之連通的料液供給部，所述料液供給部包括用以混合物料的攪拌裝置和將物料輸送至漩流發(fā)生部內(nèi)以產(chǎn)生漩流的輸料裝置，所述熱交換器同時連通反應(yīng)器殼體的物料出口。
熱交換器可降低廢水經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的熱能和光的輻射熱能，使得維持光催化氧化反應(yīng)在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行；
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述料液供給部包括一個循環(huán)水箱，所述循環(huán)水箱上設(shè)置有料液入口和料液出口，內(nèi)部設(shè)置上述攪拌裝置；所述料液出口與循環(huán)泵通過管路相連接，所述循環(huán)泵出口處設(shè)置有調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)水流量
所述循環(huán)水箱上設(shè)置有催化劑和氧化劑的進(jìn)料口；
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述熱交換器與所述光催化反應(yīng)器之間的管路上設(shè)置有水流感應(yīng)器。
裝有水流感應(yīng)器，是為了方便對廢水催化氧化過程進(jìn)行全程監(jiān)控，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)嚴(yán)重缺水時，系統(tǒng)自動切斷電源；
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，還包括一個用于控制調(diào)節(jié)光催化反應(yīng)系統(tǒng)各參數(shù)的自動控制系統(tǒng)。
所述自動控制系統(tǒng)采用dcs系統(tǒng)或plc系統(tǒng)。
反應(yīng)器上所有溫度、壓力、水流、光感等檢測組件與plc或dcs控制系統(tǒng)連鎖。
實(shí)際操作時，廢水和氧化劑、催化劑等根據(jù)水質(zhì)情況，按一定比例先后加入到循環(huán)水箱內(nèi)，攪拌均勻。開啟循環(huán)泵，根據(jù)廢水中污染物cod、toc等指標(biāo)情況，調(diào)節(jié)循環(huán)泵調(diào)節(jié)閥的開啟量大小或選擇對應(yīng)的循環(huán)泵流量和揚(yáng)程。廢水沿漩流發(fā)生部的底部切線進(jìn)入，改變流道后進(jìn)入主反應(yīng)室進(jìn)行光催化氧化反應(yīng)。反應(yīng)后的廢水沿反應(yīng)器另一個漩流發(fā)生部頂部切線口流出，同時帶走催化光源工作過程產(chǎn)生的輻射熱能和化學(xué)反應(yīng)熱，避免了由于溫度過高導(dǎo)致燈管破損，還可防止紫外燈破裂后汞流入廢水處理系統(tǒng)中造成汞中毒。
經(jīng)催化氧化反應(yīng)后的廢水溫度升高，當(dāng)廢水流經(jīng)熱交換器時與自來水進(jìn)行間壁式換熱，將反應(yīng)后的廢水溫度降下來，再次流到循環(huán)水箱內(nèi)。如此周而復(fù)始，直至催化氧化后的指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求。廢水在循環(huán)水箱內(nèi)連續(xù)加料、連續(xù)出料，出料口有擋板，防止廢水未經(jīng)催化氧化而排出。反應(yīng)器外部或內(nèi)部，還設(shè)計(jì)有溫度、壓力、光感應(yīng)器、ph計(jì)等檢測元件與plc或dcs控制系統(tǒng)連鎖，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化自動廢水處理。
本反應(yīng)器工藝上與雙氧水氧化、臭氧氧化、fenton氧化等其他高級氧化技術(shù)聯(lián)合使用；
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
（1）單臺設(shè)備燈管數(shù)量最少，功率大、紫外光強(qiáng)烈、且燈管功率可擴(kuò)展；
（2）催化氧化能力強(qiáng)、污染物去除率高；
（3）光能利用效率高；
（4）燈管透光度高、使用壽命長；
（5）傳熱傳質(zhì)效率高；
（6）溫度恒定、壓力恒定；
（7）高溫部件和高電壓高電流部件絕緣隔熱效果好；
（8）結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小；
（9）操作簡便，遠(yuǎn)程控制，可間歇又可連續(xù)化自動化操作，管理費(fèi)和人工成本低；
（10）設(shè)備主體及各部件耐腐蝕、耐高溫；
（11）檢測與控制點(diǎn)完整齊全，主要零部件都有保護(hù)措施；
（12）制造成本低，安裝維修方便，主要易損件更換方便，安全可靠；
（13）不易堵塞，不易粘結(jié)，清洗容易；
（14）操作彈性空間大，適應(yīng)性廣；
（15）具有很高的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。
附圖說明
圖1為光催化反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：催化光源1、漩流發(fā)生部2、透光套管3、管箱4、密封組件5、絕緣隔熱組件6、定位調(diào)節(jié)盤7、催化反應(yīng)部8、壓力感應(yīng)器81、光感應(yīng)器82、溫度感應(yīng)器83、觀察窗84、放凈口85、熱交換器a、料液供給部b、循環(huán)水箱b-1、循環(huán)泵b-2、料液調(diào)節(jié)閥b-3、水流感應(yīng)器c、自動控制系統(tǒng)d。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
實(shí)施例1：參考圖1，一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器，包括一個圓柱狀的臥式反應(yīng)器殼體、設(shè)置在所述反應(yīng)器殼體內(nèi)部并固定在管箱4處法蘭的催化光源1，所述反應(yīng)器殼體的中部具有一個催化反應(yīng)部8，所述催化反應(yīng)部8的兩端通過法蘭連接有漩流發(fā)生部2；
所述反應(yīng)器殼體的下端設(shè)置有用于支撐的支腳；
所述催化光源1為單根額定功率12kw高壓uvc汞燈，位于高透光性的石英玻璃制成的透光套管3內(nèi)；
所述的漩流發(fā)生部2由包括與管箱4相鄰的連接密封法蘭以及與催化反應(yīng)部8相連接的旋流發(fā)生板、外側(cè)殼體構(gòu)成，所述外側(cè)殼體上開設(shè)有物料進(jìn)口和或物料出口；
管箱4設(shè)置在兩個所述漩流發(fā)生部2的外端，所述催化反應(yīng)部8與所述管箱4通過法蘭密封連接；
所述燈套與旋流發(fā)生部用填料函密封，密封處設(shè)置有o形圈制成的密封組件5和填充石棉四氟盤根制成的綜合密封圈。
所述管箱4內(nèi)設(shè)置有沿所述反應(yīng)器殼體軸向運(yùn)動并定位的定位調(diào)節(jié)盤7，用于調(diào)節(jié)催化光源1的位置。
催化反應(yīng)部8上設(shè)置有與自動控制系統(tǒng)相連的壓力感應(yīng)器81、光感應(yīng)器82和溫度感應(yīng)器83，還設(shè)置有位于側(cè)面的觀察窗84和位于底面的放凈口85。
實(shí)施例2：參考圖1，一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器，與實(shí)施例1的不同之處在于：管箱4中還包括惰性氣體進(jìn)出管道，惰性氣體通過進(jìn)氣管道通入所述透光套管3內(nèi)的光源保護(hù)區(qū)中。
實(shí)施例3：參考圖1，一種超大功率旋流管式光催化反應(yīng)器，與實(shí)施例1的不同之處在于：管箱4中還包括真空管道，該真空管道通與催化光源1燈管和透光套管2內(nèi)的光源保護(hù)區(qū)連通，使透光套管2內(nèi)保持真空狀態(tài)。
實(shí)施例4：參考圖1，一種光催化反應(yīng)系統(tǒng)，包括一個熱交換器a、料液供給部b、設(shè)置在所述熱交換器a與所述光催化反應(yīng)器之間的水流感應(yīng)器c，以及用于控制調(diào)節(jié)光催化反應(yīng)系統(tǒng)各參數(shù)的plc自動控制系統(tǒng)d，廢水或待處理料液在所述料液供給部b內(nèi)經(jīng)混合后輸送至光催化反應(yīng)器的漩流發(fā)生部2內(nèi)產(chǎn)生漩流，經(jīng)催化反應(yīng)后流出所述光催化反應(yīng)器，再經(jīng)所述熱交換器a換熱后流入料液供給部b循環(huán)處理或排出。
所述料液供給部b包括一個循環(huán)水箱b-1，所述循環(huán)水箱b-1上設(shè)置有料液入口和料液出口，內(nèi)部設(shè)置有攪拌裝置；所述料液出口與循環(huán)泵b-2通過管路相連接，所述循環(huán)泵b-2出口處設(shè)置有調(diào)節(jié)閥b-3。
實(shí)施例5：參考圖1，一種光催化反應(yīng)系統(tǒng)，與實(shí)施例1的不同之處在于：所述自動控制系統(tǒng)d為dcs控制系統(tǒng)。