CN105688596B - 一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置 - Google Patents

一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置 Download PDF

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Abstract

一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置，涉及利用物理方法进行分离。该多组分VOCs吸附冷凝回收装置,可以实现对工业排放的多组分VOCs气体进行吸附去除，同时以原位脱附的方式对饱和吸附剂进行再生利用，以分级冷凝的工艺将多组分VOCs分离回收。该结构对VOCs气体采用了除湿、预冷的前处理工艺，提高了装置吸附净化能力；以氮气作为吹脱气，增强了脱附效果，延长了吸附剂使用寿命，且氮气在工艺中循环使用，降低了设备运行成本；同时将VOCs冷凝时制冷机组产生的废热回收利用，减少了装置的能源消耗。该结构可广泛应用于石化、化工、喷涂、制药、包装印刷等行业，具有VOCs处理效率高、运行成本低、能源消耗小的特点。

Description

一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置
技术领域
本发明涉及利用物理方法进行分离的装置，特别涉及一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置。
背景技术
工业企业排放的挥发性有机物(VOCs)能够对人类健康及大气环境造成极大危害。其既可以直接破坏人体的呼吸、消化系统，也可以与大气中的NOx发生光化学反应，引发深层次的环境问题。
目前VOCs的处理技术包括销毁和回收利用两大类。销毁技术是直接通过生化反应将VOCs分解为二氧化碳和水，主要包括生物处理、催化燃烧、臭氧氧化、光催化等，这些方法通常运行成本高、能源消耗大。而回收利用技术是在不破坏有机分子结构的前提下，通过一系列物理方法，对VOCs进行捕集、浓缩、收集利用，主要包括冷凝、溶液吸收、吸附和膜分离等，此类技术同样存在处理效率低、有效周期短、二次污染严重等问题。
将上述技术优化组合是克服各自缺点的一种有效办法，在众多的组合技术中，VOCs吸附冷凝回收技术由于工艺简单、经济性好、相对成熟而得到了广泛应用。该方法首先采用活性炭等吸附剂对VOCs进行吸附净化，一旦吸附剂饱和，需定期更换，同时将饱和吸附剂运送至冷凝回收装置中，用蒸汽或热空气对其吹脱，将VOCs从吸附剂中脱附出来，然后通过深度冷凝，液化收集VOCs，实现回收利用。然而此过程存在如下问题：(1)吸附与冷凝回收过程分离，需要人工更换吸附剂，并负责饱和吸附剂运输；(2)吸附在常温下进行，吸附剂吸附量少，使用效率低；(3)用蒸汽吹脱再生的吸附剂，还需要干燥才能使用，且使用寿命大幅度减小；而用热空气吹脱出的VOCs可能处于爆炸极限，存在安全隐患，(4)该技术仅能回收单一组分VOCs，无法实现多组分VOCs分离收集；(5)冷凝过程中产生的废热没有有效利用，能源效率低。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置，其结构合理、安全可靠。
本发明所采用的技术方案是：一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置，包括吸附系统、VOCs脱附冷凝收集系统及制冷系统，其技术要点是，包括用于对废气进行预冷、除湿处理的带有多个吸附剂固定床的吸附系统；与吸附系统连接的用于在吸附系统进行吸附的同时对含有饱和吸附剂的吸附固定床进行脱附回收的VOCs脱附冷凝收集系统，VOCs脱附冷凝收集系统同时与为它提供冷凝回收的制冷系统连接。
所述的吸附系统由离心风机、干燥塔、预冷器、第一吸附剂固定床组成，预冷器一路输出端连接第一吸附剂固定床，吸附剂固定床与外界大气相通；或吸附系统由离心风机、干燥塔、预冷器、第二吸附剂固定床组成，预冷器一路输出端连接第二吸附剂固定床，第二吸附剂固定床与外界大气相通。
所述的预冷器为风机盘管式换热器。
所述的VOCs脱附冷凝收集系统包括依次连接在一起的氮气发生器、氮气控制阀、制冷机组蒸发器组、循环风机、制冷机组冷凝器、及第一逆流换热器、第二逆流换热器、管道加热器、第一吸附剂固定床、第二吸附剂固定床、第一冷却风机、第二冷却风机组成，其中，制冷机组冷凝器的一路输出端连接第一逆流换热器、制冷机组冷凝器的另一路输出端连接第二逆流换热器，二者均连接管道加热器，管道加热器的一路输出端经第一吸附剂固定床后连接至第一冷却风机，再与制冷机组蒸发器组相连，管道加热器的另一路输出端经第二吸附剂固定床后连接至第二冷却风机，再与制冷机组蒸发器组相连。
所述的制冷系统包括由制冷机组冷凝器、膨胀阀、三通阀组、流量开关组、预冷器、压缩机依次连接组成的第一制冷回路，及由制冷机组冷凝器、膨胀阀、三通阀组、流量开关组、制冷机组蒸发器组、压缩机依次连接在一起组成的第二制冷回路；两制冷回路共用压缩机、膨胀阀与制冷机组冷凝器。
所述的第一逆流换热器和第二逆流换热器为螺旋板换热器。
所述的制冷机组蒸发器组由多个串联的套管式换热器组成，在每个套管式换热器底部均设有用于收集液态VOCs的排液口。
本发明的优点及有益效果是：该多组分VOCs吸附冷凝回收装置,可以实现对工业排放的多组分VOCs气体进行吸附去除，同时以原位脱附的方式对饱和吸附剂进行再生利用，以分级冷凝的工艺将多组分VOCs分离回收。该结构对VOCs气体采用了除湿、预冷的前处理工艺，提高了装置吸附净化能力；以氮气作为吹脱气，增强了脱附效果，延长了吸附剂使用寿命，且氮气在工艺中循环使用，降低了设备运行成本；同时将VOCs冷凝时制冷机组产生的废热回收利用，减少了装置的能源消耗。该结构可广泛应用于石化、化工、喷涂、制药、包装印刷等行业，具有VOCs处理效率高、运行成本低、能源消耗小的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例多组分VOCs吸附冷凝回收装置结构示意图；
图中序号说明如下： 1废气、2离心风机、3干燥塔、4预冷器、5三通阀、6三通阀、7三通阀、8三通阀、9-1吸附剂固定床、9-2吸附剂固定床、10管道加热器、11三通阀、12三通阀、13三通阀、14三通阀、15-1逆流换热器、15-2逆流换热器、16制冷机组冷凝器、17循环风机、18制冷机组蒸发器、19四通阀、20氮气控制阀、21氮气发生器、22-1冷却风机、22-2冷却风机、23压缩机、24膨胀阀、25三通阀组、26流量开关组，26-1流量开关、26-2流量开关、26-3流量开关。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施方式对本发明作详细说明， 以下描述仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。
本实施例中的多组分VOCs吸附冷凝回收装置，包括吸附系统、VOCs脱附冷凝收集系统及制冷系统，以与预冷器4一路输出端连接的吸附剂固定床9-1（或吸附剂固定床9-2）为核心组件，并对废气进行预冷、除湿处理的吸附系统；与预冷器4另一路输出端连接的用于在吸附系统进行吸附的同时对含有饱和吸附剂的吸附固定床9-2（或吸附固定床9-1）进行脱附回收的VOCs脱附冷凝收集系统，VOCs脱附冷凝收集系统同时与为它提供冷凝回收的制冷系统连接。
其中，吸附系统由离心风机2、干燥塔3、预冷器4、吸附剂固定床9-1组成，预冷器4一路输出端经三通阀5的5a接口、5b接口、三通阀7的7a接口、7c接口连接吸附剂固定床9-1，吸附剂固定床9-1经三通阀11与外界大气相通，其工作过程如下：
VOCs废气1由离心风机2抽入本实施例的回收装置，经过干燥塔3除湿减少水分竞争吸附，经预冷器4降温提高吸附剂吸附能力，再依次经过三通阀5的5a接口、5b接口、三通阀7的7a接口、7c接口，流入吸附剂固定床9-1，被吸附净化后，洁净的气体由三通阀11的11a接口、11c接口排出至大气环境，完成净化过程。
本实施例中的VOCs脱附冷凝收集系统包括依次连接在一起的氮气发生器21、氮气控制阀20、四通阀19、制冷机组蒸发器组18、循环风机17、制冷机组冷凝器16、逆流换热器15-2、管道加热器10、吸附剂固定床9-2、冷却风机22-2，其中制冷机组冷凝器16的输出端经三通阀14的14a接口、14b接口经逆流换热器15-２的15-2a接口、15-2b接口、三通阀13的13b接口、13a接口与管道加热器10连接，管道加热器10经三通阀8的8a接口、8c接口、三通阀6的6b接口、6c接口后连接吸附剂固定床9-2，吸附剂固定床9-2经三通阀12的12a接口、12b接口连接逆流换热器15-2的15-2c接口，逆流换热器15-2的15-2d出口经冷却风机22-2、四通阀19的19c接口、19d接口连接至制冷机组蒸发器组18。当吸附剂固定床9-1用于吸附废气，而吸附剂固定床9-2已处于饱和状态时，利用上述回路实现对吸附剂固定床9-2中VOCs的脱附冷凝收集。
本实施例中，当吸附剂固定床9-1达到饱和、吸附剂固定床9-2吹脱后，将吸附剂固定床9-2作为吸附剂，此时，废气1由离心风机2抽入本实施例的回收装置，经过干燥塔3除湿减少水分竞争吸附，经预冷器4降温提高吸附剂吸附能力，再依次经过三通阀5a接口、5c接口、三通阀6的6a接口、6c接口，流入吸附剂固定床9-2，被吸附净化后，洁净的气体由三通阀12的12a接口、12c接口排出至大气环境，完成净化过程。
此时，对吸附剂固定床9-1进行VOCs的脱附冷凝收集的回路为：
包括依次连接在一起的氮气发生器21、氮气控制阀20、四通阀19、制冷机组蒸发器18、循环风机17、制冷机组冷凝器16、逆流换热器15-1、管道加热器10、吸附剂固定床9-1、冷却风机22-1组成，其中制冷机组冷凝器16的输出端经三通阀14的14a接口、14c接口经逆流换热器15-1的15-1a接口、15-1b接口、三通阀13的13c接口、13a接口与管道加热器10连接，管道加热器10经三通阀8的8a接口、8b接口、三通阀7的7b接口、7c接口后连接吸附剂固定床9-1，吸附剂固定床9-1经三通阀11的11a接口、11b接口连接逆流换热器15-1的15-1c接口，逆流换热器15-1的15-1d出口经冷却风机22-1、四通阀19的19a接口、19d接口后连接至制冷机组蒸发器组18。
本实施例中，VOCs脱附冷凝收集系统的工作过程为，以对含有饱和吸附剂的吸附剂固定床9-2进行脱附冷凝回收为例加以说明：首先将氮气发生器21产生的氮气，通过氮气控制阀20吹入系统。氮气经四通阀19的19b接口、19d接口流向制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1，再通过循环风机17、制冷机组冷凝器16、三通阀14的14a接口、14b接口、逆流换热器15-2的15-2a接口、15-2b接口、三通阀13的13b接口、13a接口、管道加热器10、三通阀8的8a接口、8c接口、三通阀6的6b接口、6c接口、吸附剂固定床9-2、三通阀12的12a接口、12b接口、逆流换热器15-2的15-2c接口、15-2d接口、冷却风机22-2，流回至四通阀19的19c接口，使装置充满氮气。此时关闭氮气控制阀20，利用循环风机17维持氮气循环流动。随后将本实施例中的装置调整到开启模式，此状态下制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1暂停供冷，制冷系统仅保持预冷器4正常工作，同时冷却风机22-2不运行，氮气从制冷机组冷凝器16中回收制冷时产生的热量，再由管道加热器10加热至脱附VOCs所需的温度；随后系统进入正常工作模式，此状态下制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1开启供冷，并打开冷却风机22-2，氮气依次流经制冷机组冷凝器16、逆流换热器15-2的15-2a接口、15-2b接口、管道加热器10，三次升温达到VOCs脱附温度，将VOCs从吸附剂中解析，再依次流经逆流换热器15-2c接口、15-2d接口、冷却风机22-2和制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1依次降温，最终将VOCs冷凝回收。制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1底部设有排液口用于收集液态VOCs。
本实施例中的制冷系统包括由制冷机组冷凝器16、膨胀阀24、三通阀组25、流量开关组26、预冷器4、压缩机23、依次连接组成的第一制冷回路，及由制冷机组冷凝器16、膨胀阀24、三通阀组25、流量开关组26、制冷机组蒸发器组18、压缩机23依次连接在一起组成的第二制冷回路，两制冷回路共用压缩机23、膨胀阀24与制冷机组冷凝器16。
其中预冷器４为风机盘管式换热器；逆流换热器15-1、15-2为螺旋板换热器。制冷机组蒸发器组18为3个串联的套管式换热器，其底部设有排液口，用于收集液态VOCs。
制冷系统的工作过程为：当VOCs脱附冷凝收集系统处于启动模式时，通过阀组25的控制，使冷媒仅在预冷器4、压缩机23、制冷机组冷凝器16、膨胀阀24、流量开关26-4中循环制冷，而不流向制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1；当VOCs脱附冷凝收集系统处于正常工作模式时，阀组25全部开启，制冷机组蒸发器18-3、18-2、18-1与预冷器4同时循环制冷，对VOCs进行冷凝回收，通过流量开关组26控制冷媒在各用冷终端的流量，实现冷量不同分布，使各制冷机组蒸发器达到不同制冷温度，将不同组分VOCs冷却分离。例如，控制流量开关26-3、流量开关26-2、流量开关26-1三者的流量比例为6:4:3时，可以分别在制冷机组蒸发器18-3、制冷机组蒸发器18-2、制冷机组蒸发器18-1中得到间二甲苯、甲苯与苯。
当本实施例中的装置处理净化的VOCs以苯系物为主时，吸附系统干燥塔中的干燥剂可以选择用无水CaCl2、无水MgSO4或无水Na2SO4；当系统处理净化的VOCs含有醇、酚胺、酰胺、醛、酮、酯时，吸附系统干燥塔中的干燥剂可以选择用无水MgSO4或无水Na2SO4；
当本实施例中的装置选用活性炭作为吸附剂时，吸附VOCs量达到自身质量分数的25%时，需要再生；当装置选用活性炭纤维作为吸附剂时，吸附VOCs量达到自身质量分数的50%时，需要再生；当装置选用分子筛作为吸附剂时，吸附VOCs量达到自身质量分数的30%时，需要再生。
本实施例以含有两个吸附剂固定床、冷凝回收三种VOCs的装置为例。实际过程中，吸附剂固定床可以进行扩展，同时通过改变制冷机组蒸发器数量可以回收多组分VOCs。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种多组分VOCs吸附冷凝回收装置，包括吸附系统、VOCs脱附冷凝收集系统及制冷系统，包括用于对废气进行预冷、除湿处理的带有多个吸附剂固定床的吸附系统；与吸附系统连接的用于在吸附系统进行吸附的同时对含有饱和吸附剂的吸附固定床进行脱附回收的VOCs脱附冷凝收集系统，VOCs脱附冷凝收集系统同时与为它提供冷凝回收的制冷系统连接；
所述的吸附系统由离心风机、干燥塔、预冷器、第一吸附剂固定床组成，预冷器一路输出端连接第一吸附剂固定床，吸附剂固定床与外界大气相通；或吸附系统由离心风机、干燥塔、预冷器、第二吸附剂固定床组成，预冷器一路输出端连接第二吸附剂固定床，第二吸附剂固定床与外界大气相通；
当部分吸附剂固定床处于吸附状态时，其它吸附剂固定床为待机或为脱附再生状态；
其特征在于，所述的VOCs脱附冷凝收集系统包括依次连接在一起的氮气发生器、氮气控制阀、制冷机组蒸发器组、循环风机、制冷机组冷凝器、及第一逆流换热器、第二逆流换热器、管道加热器、第一吸附剂固定床、第二吸附剂固定床、第一冷却风机、第二冷却风机组成，其中，制冷机组冷凝器的一路输出端连接第一逆流换热器、制冷机组冷凝器的另一路输出端连接第二逆流换热器，二者均连接管道加热器，管道加热器的一路输出端经第一吸附剂固定床后连接至第一冷却风机，再与制冷机组蒸发器组相连，管道加热器的另一路输出端经第二吸附剂固定床后连接至第二冷却风机，再与制冷机组蒸发器组相连。
2.如权利要求1所述的多组分VOCs吸附冷凝回收装置，其特征在于，所述的制冷机组蒸发器组由多个串联的套管式换热器组成，在每个套管式换热器底部均设有用于收集液态VOCs的排液口。
3.如权利要求1所述的多组分VOCs吸附冷凝回收装置，其特征在于，所述的第一逆流换热器或第二逆流换热器，在氮气发生器吹入纯净氮气时，对纯净的吹脱氮气进行预热处理；在VOCs脱附冷凝过程中，对含有VOCs的吹脱氮气进行冷却处理。
4.如权利要求1所述的多组分VOCs吸附冷凝回收装置，其特征在于，所述的VOCs脱附冷凝收集系统，获取经吸附系统中干燥塔除湿处理、预冷器冷却处理后的多组分VOCs；同时，氮气发生器产生氮气，将氮气作为吹脱气体，当氮气充满系统管路后，停止供应氮气，已产生的氮气在风机作用下在多组分VOCs吸附冷凝回收过程中循环使用；
氮气充满管路后，启动VOCs脱附冷凝收集系统，此状态下制冷机组蒸发器暂停供冷，制冷系统仅保持预冷器正常工作，同时冷却风机不运行，氮气从制冷机组冷凝器中回收制冷时产生的热量，再由管道加热器加热至脱附VOCs所需的温度；
VOCs脱附冷凝收集系统进入正常工作模式，此状态下制冷机组蒸发器开启供冷，并打开冷却风机，氮气依次流经制冷机组冷凝器、第一或第二逆流换热器、管道加热器，三次升温达到VOCs脱附温度，将VOCs从第一或第二吸附剂固定床中解析；再依次流经第一或第二逆流换热器、冷却风机和制冷机组蒸发器三次降温，最终将VOCs冷凝回收。
5.如权利要求1所述的多组分VOCs吸附冷凝回收装置，其特征在于，所述的制冷系统包括由制冷机组冷凝器、膨胀阀、三通阀组、流量开关组、预冷器、压缩机依次连接组成的第一制冷回路，及由制冷机组冷凝器、膨胀阀、三通阀组、流量开关组、制冷机组蒸发器组、压缩机依次连接在一起组成的第二制冷回路；两制冷回路共用压缩机、膨胀阀与制冷机组冷凝器。
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