CN107715688A - 一种VOCs废气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VOCs废气处理系统，属于废气处理技术领域，其中包括：填料塔、过滤组件；填料塔内包括清洗组件；填料塔的塔顶开有排风口，塔底形成有存液仓，存液仓存储有液体；填料塔的侧壁设有连通填料塔内部的废气口；清洗组件包括气泡发生器；废气口位于清洗组件和液体的液面之间；过滤组件一端与存液仓连接，另一端与气泡发生器连接。实现设备部件标准化，设备布局灵活，建设成本交底，具有非常可观的工业推广和应用价值，且VOCs废气处理率更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种废气处理系统，尤其涉及一种VOCs废气处理系统。
背景技术
随着我国工业和经济的快速发展，挥发性有机污染物(VOCs)已成为我国城市大气污染的主要原因，特别是近年来由于过度排放有机污染物导致的各类环境空气污染时间，严重破坏了大气环境，危害人类健康。
VOCs主要指毒害类的有机化合物，主要包括烃类、酮类、醛类、醇类、酯类苯和苯的同系物。其中以苯和苯的同系物危害性最大，能通过呼吸道和皮肤进入人体，造成呼吸道、血液、肝脏器官的病变。而VOCs又因其组分原因呈现出易燃易爆、有毒有害、治理难度大的特点。
而VOCs的重灾区主要源自于城市，分别为城市中的工业排放源和交通运输排放源两种。其中工业排放源的主要排放大户是化工行业、医药制造、印刷业、涉喷漆行业等。在相关政策的要求下，各类工业排放源会将自身产生的VOCs收集并处理。
但是，现有的VOCs治理技术存在以下缺陷：
如表1-1所示，目前主流的VOCs治理技术主要包括：燃烧发、冷凝法、吸附法、膜分离法、生物法、等离子法和光催化法等。但这些技术由于本身的局限性和相关政策的要求，均存在一定的不足，不能满足当前日益增长的环境需求。
处理工艺分析比较一览表
表1-1
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于一种提供VOCs废气处理系统，其能达到占地面积小、建设成本低且自动化治理效果稳定的效果。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种VOCs废气处理系统，包括：
填料塔、过滤组件；所述填料塔内包括清洗组件；所述填料塔的塔顶开有排风口，塔底形成有存液仓，所述存液仓存储有液体；所述填料塔的侧壁设有连通所述填料塔内部的废气口；所述清洗组件包括气泡发生器；所述废气口位于所述清洗组件和所述液体的液面之间；所述过滤组件一端与所述存液仓连接，另一端与所述气泡发生器连接。
进一步地，所述填料塔还包括设置在所述存液仓一侧并与所述存液仓连通的辅助液箱；所述辅助液箱与所述过滤组件连接；所述填料塔的塔底还设有由所述填料塔塔底一侧往所述辅助液箱方向向下倾斜的倾渣斜坡。
进一步地，所述废气口连接有气管，所述气管一端与外部废气源连通，另一端形成所述废气口；所述气管从所述填料塔的外部伸入所述填料塔内，并使所述废气口延伸至所述填料塔的塔体中心；所述气管位于所述填料塔内部的部分形成有朝液体方向弯折的弯折部，以使所述废气口朝向所述液体的液面。
进一步地，所述清洗组件还包括有用于拦截大颗尘粒的第一填料层以及用于催化分解有机气体的第二填料层，所述第二填料层位于所述第一填料层的上方；所述气泡发生器包括微气泡发生器以及空化泡发生器，所述微气泡发生器位于所述第一填料层和所述第二填料层之间，所述空化泡发生器位于所述第二填料层的上方；所述过滤组件分别与所述微气泡发生器和所述空化泡发生器连接。
进一步地，所述微气泡发生器为多个，多个所述微气泡发生器均匀分部在所述第一填料层的上方且喷头均朝向所述第一填料层；所述空化泡发生器为多个，多个所述空化泡发生器均匀分布在所述第二填料层的上方且喷头均朝向所述第二填料层。
进一步地，所述微气泡发生器和所述空化泡发生器均连接有供气系统。
进一步地，所述清洗组件与所述废气口之间设有旋流板。
进一步地，所述清洗组件与所述排风口之间设有除沫装置。
进一步地，所述过滤组件包括过滤器以及缓冲液箱；所述过滤器一端与所述存液仓连接，另一端与所述缓冲液箱一侧连接；所述缓冲液箱与外部水源连接，且另一侧与所述清洗组件连接。
进一步地，所述填料塔的塔顶逐渐收窄形成所述排风口；所述填料塔的外部设有风机；所述风机的进风口与所述排风口采用管道连接。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的VOCs废气处理系统能对含VOCs废气处理过程中实现全自动控制处理，通过废气口对填料塔内排入含VOCs废气，含VOCs废气经塔底的液体进行初步清洁，即，VOCs中的部分可黏附于液体的物质(如漆雾)会被液体所黏附，随后经塔体内的清洗组件过滤清洗并且进行传质，过滤组件则连通塔底，将液体进行清洗过滤后重新输送至清洗组件为清洗组件提供液源。气泡发生器所具有的空化技术，对含VOCs废气的处理过程无火花、无静电、无燃爆风险，且设备运行稳定，其处理效率相对于现有的VOCs废气处理技术更高。
附图说明
图1为本发明VOCs废气处理系统结构示意图。
图中：10、填料塔；20、过滤组件；30、风机；40、观察人孔；11、排风口；12、存液仓；13、废气口；14、清洗组件；15、辅助液箱；16、倾渣斜坡；17、供气系统；18、旋流板；19、除沫装置；131、气管；132、弯折部；141、第一填料层；142、第二填料层；143、微气泡发生器；144、空化泡发生器；21、过滤器；22、缓冲液箱；23、过滤泵；24、高压泵。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示的一种VOCs废气处理系统，其相对于现有的VOCs废气处理技术处理效果更加稳定，且建设成本更低，该VOCs废气处理系统包括：填料塔10、过滤组件20；其中，填料塔10内包括用于对废气进行过滤清洁的清洗组件14；填料塔10的塔顶开有用于排出经清洗过滤后的气体的排风口11，塔底形成有存液仓12，存液仓12存储有液体，优选的，液体一般为水，也可根据实际需求，搭配或引入其他功能性液体，以实现相关功能性作用。如氧化性药剂，去粘性药剂，絮凝沉淀药剂，除锈药剂，清洗药剂等；填料塔10的侧壁设有连通填料塔10内部的废气口13；清洗组件14其中包括气泡发生器；废气口13位于清洗组件14和液体的液面之间；过滤组件20一端与存液仓12连接，另一端与气泡发生器连接。
本发明实施过程中，废气从废气口13处进入填料塔10塔体内，废气击打填料塔10底部的水面，随后废气中大部分可黏附于水的物质(如漆雾)会因惯性作用黏附于水面，废气再形成扰流，均匀向上流动，经过清洗组件14被过滤清洗，其中，气泡发生器因空化技术的存在，会产生大量的气泡，利用大量的气泡对废气中的颗粒物进行捕捉，使废气得到彻底的清洗过滤，最后从填料塔10顶部的排风口11排出。
作为优选的实施方式，填料塔10还设有设置在存液仓12一侧并与存液仓12连通的辅助液箱15；辅助液箱15与过滤组件20连接，作为填料塔10的辅助配件，主要作用是通过辅助液箱15观察漆渣的沉积状况，同时可以通过辅助液箱15进行箱底的打捞和清洗工作，这里，辅助液箱15的技术要求为材质与填料塔10一致，且箱底于存液仓12水体互留顺畅，并且辅助液箱15的顶部设置有透明亚克力盖，方便进一步观察漆渣情况，并使用快开卡扣对其进行卡紧。
填料塔10的塔底还设有由填料塔10塔底一侧往辅助液箱15方向向下倾斜倾渣斜坡16，倾渣斜坡16主要作用是将沉积到填料塔10塔底的漆渣随流体的带动至倾渣斜坡16坡底，便于抽取、打捞、清洗，倾渣斜坡16的材质优选为与填料塔10材质一致，并覆盖整个填料塔10塔底，倾角为5°～-15°，解决了传统填料塔10平底清理困难，锥形底设备摆放困难的问题。与传统的平底或锥底结构不同，引入倾渣斜坡16结构，能充分利用重力和水流的作用将杂质带至坡底；再将填料塔10与过滤组件20的连接处设置在坡底处，当过滤组件20与填料塔10之间设置的过滤泵23开始工作时，水体流向为自上而下，快速流动的水体，使得倾渣斜坡16上的水体整体扰动，其扰动能力能带动绝大部分的杂质。这里，过滤泵23主要作用是将流体及流体中夹带的污染物从填料塔10中抽出，提供过滤组件20过滤的动力，主要技术参数为必须实用耐酸碱材质或同等级不锈钢制成，提供的压力必须＞0.8MPa。
为了解决废气进入填料塔10内部所产生的偏风问题，废气口13连接有气管131，气管131一端与外部废气源连通，另一端形成废气口13；气管131从填料塔10的外部伸入填料塔10内，并使废气口13延伸至填料塔10的塔体中心；气管131位于填料塔10的内部形成有朝液体方向弯折的弯折部132，以使废气口13朝向液体的液面。
传统的废气口13结构为风管131直接与设备连接，这样的结构容易出现偏风问题，即废气从风管引入设备后，由于惯性，大部分气体会朝出风口方向靠近，在上升的过程中即出现出风口侧风速较高，风管于设备连接侧风速较低的现象。通过对废气口13结构的改进，气管131接入填料塔10后，延伸至填料塔10内部中心处，优选的，弯折部132为弯头，使废气口13对准填料塔10中心。废气在气管131中进入填料塔10后，经弯头改变气流方向，使气流方向竖直向下，对准填料塔10中心水面，随后废气排出被打散，沿填料塔10高度方向向上流动，这样就不存在局部风速过大的现象了。其中气管131的材质优选与填料塔10材质一致，弯管角度为90°，废气口13与水面距离至少保持15cm，气管131直径应能够使风速至少达到16m/s。
具体的，清洗组件14还包括有第一填料层141以及第二填料层142，第二填料层142位于第一填料层141的上方，其中，第一填料层141主要作用是拦截废气中大颗粒的尘粒，使其进入后续处理段的废气保持洁净。但其拦截作用有限，进入后续处理段的颗粒物浓度不能＞30mg/m3，第一填料层141具体为304不锈钢的环矩鞍填料，具体尺寸按填料塔10塔径的1/20～1/30设计。第二填料层142主要作用为VOCs废气的主要反映场所，与第一填料层141一样，均为304不锈钢为主料，区别在于，在304不锈钢中添加了一定比例的镍、铜、钴为辅料，在酸性条件下有明显对VOCs催化作用的环矩鞍填料，具体尺寸按填料塔10塔径的1/30～1/50设计。
气泡发生器包括微气泡发生器143以及空化泡发生器144，微气泡发生器143主要作用是为产生数量足够的微气泡(微气泡直径为0.01～10mm)，利用大量的微气泡来捕捉颗粒物的同时，对废气进行初步处理；空化泡发生器144主要作用为产生数量足够的空化泡(空化泡直径为10～1000nm)，利用大量的空化泡来进一步捕捉颗粒物的同时，对废气进行进一步处理。
在填料塔10的塔身上，设有两个观察人孔40，两观察人孔40分别与微气泡发生器143和空化泡发生器144处于同一水平高度，一般是有利于观察和安装管道的位置。优选的观察人孔40设有透明亚克力板，密封等级为IP66，并使用快开卡扣或螺丝进行密封加固。
进一步的，微气泡发生器143位于第一填料层141和第二填料层142之间，微气泡发生器143与第一填料层141构成清洗捕捉结构，基于泡沫除尘器的基本原理，利用微气泡发生器143产生的微米尺度气泡的特性，使废气中的颗粒状固态杂质和易溶于水气态杂质，在随气流上升进入第一填料层141与大量的微米尺度气泡接触，达到快速溶解、捕捉清洗的效果。空化泡发生器144位于第二填料层142的上方，空化泡发生器144与第二填料层142形成催化分解结构，基于空化泡的空化效应原理，利用空化泡发生器144产生的大量空化泡，废气中不易溶于水的有机气体进入第二填料层142，此时第二填料层142呈非均匀向的双向流动状态，气流向上，水流向下。根据非均匀向双向流的传质机理，通过调整气流和水流流经第二填料层142的时间。流速、通亮，实现高效的传质作用，空化泡随水流向下流动的同时，在具有一定催化作用的第二填料层142表面与有机气体快速结合，利用空化泡独特的特性将有机气体快速分解呈小分子，随后继续分解和氧化，最终实现达标排放。
此处，过滤组件20分别与微气泡发生器143和空化泡发生器144连接，为微气泡发生器143和空化泡发生器144提供水源。
为了进一步优化废气处理效果，微气泡发生器143为多个，多个微气泡发生器143均匀分部在第一填料层141的上方且喷头均朝向第一填料层141；空化泡发生器144为多个，多个空化泡发生器144均匀分布在第二填料层142的上方且喷头均朝向第二填料层142。
微气泡发生器143和空化泡发生器144均连接有供气系统17，本例中供气系统17为臭氧机，主要作用是连续产生一定浓度的气量和臭氧，便于微气泡发生器143与空化泡发生器144引入，按照处理能力的选择，其发生浓度及速率，不能低于废气中VOCs浓度及速率的1/3。当然，供气系统17也可根据实际需求，制造或引入功能性气体，以实现相关功能性作用。如上述臭氧机可以引入氧化功能，空气系统可以引入大量气泡功能，氮气系统可以引入阻燃和保护性功能，冷空气可以引入降温功能等。
清洗组件14与废气口13之间设有旋流板18，该旋流板18主要作用为引导废气流线，使其更均匀的分部流向清洗组件14，旋流板18材质不限，但必须满足一定的机械强度，旋流板18板间距离为3～5cm，偏转角度为30°～75°。
清洗组件14与排风口11之间设有除沫装置19，该除沫装置19可以是旋流板或者散装填料或金属丝网填料，主要作用是去除漂浮在流体中的浮沫，技术要求为通过该工段后，水汽含量＜20％即可。另外，采用的旋流板也可通过选用不同的型号，达到改变流线的方向，将水滴拦截在旋流板上，或者快速的将水滴甩到填料塔10侧壁上。
如采用上述的散装填料作为除沫装置19，则散装填料的截留原理是采用一定厚度的填料层，将水滴富集在填料上，随后水滴形成大水滴朝填料塔10塔底滴落。
除沫装置19还能采用除沫器，截留远离为水滴通过曲形通道，在通道壁上相互碰撞形成大水滴朝填料塔10塔底滴落。
过滤组件20包括过滤器21以及缓冲液箱22，本例中，过滤器21使用电动刷式自清洗过滤器，过滤精度为100～20um，工作压力为0.1～1.0MPa，控制方式为压差、时间、手动及PLC，技术要求为能够将水体中的颗粒物过滤并自动排渣，悬浮物浓度应＜20mg/L。缓冲液箱22主要作用是接收经过过滤之后的水体，并可以向后方继续提供供水支持，主要起缓冲作用，缓冲液箱22应满足过滤泵23一分钟的供水水量。过滤器21一端与存液仓12连接，另一端与缓冲液箱22一侧连接；缓冲液箱22与外部水源连接，且另一侧与清洗组件14连接，其中，缓冲液箱22与清洗组件14之间设有高压泵24，为清洗组件14提供压力和供水，其压力需＞0.8MPa。
填料塔10的塔顶逐渐收窄形成排风口11，排风口11流速至少满足16m/s的风管直径，所采用的材质于填料塔10一致；填料塔10的外部设有风机30；风机30的进风口与排风口11采用管道连接。
以下为本发明整体方案的工艺流程：
1.废气从气管131经过弯管倒流后进入填料塔10内部，随后冲击在塔底储存的水体上，废气会直接冲击到水体上，随后废气会改变流向继续沿填料塔10高度方向流动；
2.废气遇到旋流板18，规则的扰动流线，使整个气流分布状态更加均匀；
3.随后废气进入第一填料层141，过滤掉粗大颗粒，微气泡发生器143会喷射出大量的气泡，用于捕捉和引入臭氧，形成强氧化氛围以利于下一步反映的进行；
4.随后废气进入第二填料层142，第二填料层142为废气的主要反映段，空化泡发生器144相对于第二填料层142自上而下喷淋大量的空化泡，空化泡独特的巨大比表面积于空化效应能高效地与废气接触并进行分解作用，同时，空化泡的气核由臭氧组成，整体氛围属于氧化氛围，设置的第二填料层142在臭氧的作用下，具有对VOCs的无选择性催化氧化，去除率达到99％；随后进入除沫装置19去除气体中的浮沫后外排。
5.在填料塔10使用过程中，水体是循环使用的，循环过程是从填料塔10经过过滤泵23增压泵入电动刷式自清洗过滤器；
6.电动刷式自清洗过滤器将水体中的渣料过滤，通过控制手段将渣料自动排出；
7.经过过滤的水体流道缓冲液箱22，在缓冲液箱22中可以观察整体的液位平衡状况；
8.随后水体引入高压泵24，经过高压泵24增压后从空化泡发生器144和微气泡发生器143射出，形成空化泡和微气泡；
9.微气泡发生器143和空化泡发生器144设置有进气管，在正常工作下会产生负压，利用该负压可以将辅助气体或液体引入发生器当中。
以下为本发明工艺优化说明：
本系统处理含VOCs废气的设计思路源于化工传质与分离技术，其基本思想是通过传质作用将不同浓度的VOCs从废气中分离出去。该思路的最大技术难点在于选择合适的传质物质、传质介质、传质方式，在选择合适的条件后，需要考虑的是整体传质分离工艺和设备的组合方式，操作单元和整体设备组合的可做操作性。
基于上述工艺流程的优化，引出来以下几点工艺优化思路：
1.传质物质的选择：传统的传质物质一般要求具有一定的选择性，以便于后期分离工作的实现，并且，相互传质物质要求有较高的结合性，提高传质效率和通量。还要考虑成本的问题。
2.对于常见的VOCs，大多属于有机物，不溶于水。而水又的较为易得和便捷的传质物质。而水在空化状态下对于有机物具有高溶解度、无选择性、高传质通量的特性。
3.在多重考虑后，优选空化泡(水)作为传质物质。因为在废气治理过程中，污染物主要为VOCs，具有成分复杂，组分多变的特点，只适合使用无选择性的方法处理。
4.传质介质的选择：传质介质的主要选择参数为传质面积、传质速率、催化作用。对于VOCs和空化泡，选择具有催化作用的填料是比较符合实际的。首先，填料的制造、加工、运输、安装都较为简单，设计制作成比表面积较大的形态，表面经处理后利于两相流的接触即可。其次，按照相应的设计，在填料中参数少量具有催化作用的金属，能明显提高传质和分解作用。最后要求填料的形状和大小都符合一定的设计要求，以利于两相流的交互通量。
5.传质方式的选择：因为VOCs不溶于水，分子扩散的作用无法满足高通量和高效率的要求，故采用对流扩散的传质方式。采用立式设备，气流由风机30引流竖直向上，水流由高压泵引流竖直向下，在传质工段对流，错开后即分离，是成本最低，操作最为便利，实际效果最优的操作方式。
6.传质工艺设计：在经过大量的数值模拟、实验测试、工程应用后，决定使用二级处理工艺，一级工段作为预处理工作，能很好的降低杂质和易溶于水的气体的浓度，降低了后续处理的难度和时间。二级工段为去除VOCs的主要工段，通过核算填料层与全塔的各项参数，得到合适的操作单元高度以及理论处理效率。最后通过验证和后续辅助工段，进一步提高传质和分解的效率。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种VOCs废气处理系统，其特征在于，包括：
填料塔、过滤组件；所述填料塔内包括清洗组件；所述填料塔的塔顶开有排风口，塔底形成有存液仓，所述存液仓存储有液体；所述填料塔的侧壁设有连通所述填料塔内部的废气口；所述清洗组件包括气泡发生器；所述废气口位于所述清洗组件和所述液体的液面之间；所述过滤组件一端与所述存液仓连接，另一端与所述气泡发生器连接。
2.如权利要求1所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述填料塔还包括设置在所述存液仓一侧并与所述存液仓连通的辅助液箱；所述辅助液箱与所述过滤组件连接；所述填料塔的塔底还设有由所述填料塔塔底一侧往所述辅助液箱方向向下倾斜的倾渣斜坡。
3.如权利要求1所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述废气口连接有气管，所述气管一端与外部废气源连通，另一端形成所述废气口；所述气管从所述填料塔的外部伸入所述填料塔内，并使所述废气口延伸至所述填料塔的塔体中心；所述气管位于所述填料塔内部的部分形成有朝液体方向弯折的弯折部，以使所述废气口朝向所述液体的液面。
4.如权利要求1所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述清洗组件还包括有用于拦截大颗尘粒的第一填料层以及用于催化分解有机气体的第二填料层，所述第二填料层位于所述第一填料层的上方；所述气泡发生器包括微气泡发生器以及空化泡发生器，所述微气泡发生器位于所述第一填料层和所述第二填料层之间，所述空化泡发生器位于所述第二填料层的上方；所述过滤组件分别与所述微气泡发生器和所述空化泡发生器连接。
5.如权利要求4所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述微气泡发生器为多个，多个所述微气泡发生器均匀分部在所述第一填料层的上方且喷头均朝向所述第一填料层；所述空化泡发生器为多个，多个所述空化泡发生器均匀分布在所述第二填料层的上方且喷头均朝向所述第二填料层。
6.如权利要求4或5所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述微气泡发生器和所述空化泡发生器均连接有供气系统。
7.如权利要求1-5任一项所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述清洗组件与所述废气口之间设有旋流板。
8.如权利要求1-5任一项所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述清洗组件与所述排风口之间设有除沫装置。
9.如权利要求1所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述过滤组件包括过滤器以及缓冲液箱；所述过滤器一端与所述存液仓连接，另一端与所述缓冲液箱一侧连接；所述缓冲液箱与外部水源连接，且另一侧与所述清洗组件连接。
10.如权利要求1所述的VOCs废气处理系统，其特征在于：所述填料塔的塔顶逐渐收窄形成所述排风口；所述填料塔的外部设有风机；所述风机的进风口与所述排风口采用管道连接。
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