CN109646984A - 一种具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，可用于VOCs的变处理量、不连续的处理任务。氮气通过压缩、膨胀过程达到深冷状态，并将冷量储存于储冷箱，之后利用来自储冷箱的冷量及处理后达标的低温气体冷却含VOCs废气。含VOCs废气采用多级冷却的方式，第一级冷却至3～5℃，并通过气液分离器分离出冷凝的大部分的水蒸气和少部分VOCs组分；第二级冷却将含VOCs废气冷却到‑25～‑35℃，使气体中的水蒸气完全结霜，避免其进入深冷段；之后根据VOCs废气的成分来设定相适应的冷却级数及冷却温度，使气体中VOCs组分充分冷凝并回收，最终可使排放气体中VOCs组分小于80mg/Nm³。

Description

一种具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统

技术领域

本发明属于环境保护及气体分离技术领域，具体涉及一种高效、低成本，具备储冷功能且分级冷凝回收挥发性有机气体的系统及方法。

背景技术

VOCs是挥发性有机气体(Volatile Organic Compounds)的简称，是导致大气光化学烟雾形成的主要因素之一。VOCs对人体健康有巨大影响。当VOCs达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。为了降低其污染，我国出台了各种VOCs应对机制。其中最重要的一点就是减少含VOCs废气的排放，加强VOCs的回收治理。

VOCs的来源主要有固定源和移动源两种。移动源主要有汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气；固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、粘合剂、制药、塑料和橡胶加工等。因此VOCs的回收和处理对于上述行业具有十分重要的意义。

目前，我国对VOCs的处理方式可分为两类：一类将VOCs转化成CO₂和H₂O等无毒害成分进行排放，如燃烧法等；另一类是将VOCs组分从要排放的气体中分离并回收，如吸附法、冷凝法等。用燃烧处理的方法虽然容易达到排放要求，但是容易产生二次污染并且不能回收气体中的有机物造成浪费，且设备投资高占地面积大。吸附法原理简单，吸附效果有限，大多难以达到排放标准，并且对有机物的回收过程较为繁琐，溶剂再生需要能耗，溶剂损失较大。冷凝法主要利用处理对象的物质性质。将VOCs置于低温环境中，液体属性就能在温度作用下发生改变，在其平衡蒸气压下降的过程中，VOCs中的有机组分会大量分离出来，这样不仅能够合理缩减大气排放量，更能回收利用有机组分。冷凝回收处理工艺在实际应用阶段流程化项目较少，操作简单，耗费的资源普遍不高，但是废气处理效果十分理想，这就为其在工业生产中的广泛应用带来了基础保障。

所在团队前期已授权的发明专利CN201510068202.4一种高效低成本的VOCs回收系统及方法；已公开发明专利CN108452632A一种利用空气深冷的VOCs回收系统；及已提交申请的发明专利201811221895.6一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统；201811221916.4一种利用空气膨胀深冷的VOCs多级冷却回收系统；201811221919.8一种使用深冷冷凝法回收VOCs的撬装系统。然而，当面对VOCs间歇处理任务时，以上方案将不能满足系统运行的稳定性和可靠性。因此，本发明提出了一种具备储冷功能的VOCs多级冷凝回收的系统，使系统运行的稳定性和对VOCs的有效处理范围均得到提高，可用于VOCs的变处理量、不连续处理任务。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种具备储冷功能的VOCs多级冷凝回收的系统。系统采用氮气作为制冷介质无需气体净化设备，可减小装置体积，通过压缩膨胀过程可将氮气冷却至-170℃以下，最终可将排放气体中的含VOCs废气含量降至80mg/Nm³以下，且不造成二次污染。系统具备储冷功能，对变工况、不连续处理任务具有调节适应能力。系统中涉及的大功率动设备很少，运行维护所需成本都较为低廉，可以经济有效地解决VOCs的排放问题。

系统可分为三部分：氮气循环压缩膨胀制冷部分、以及VOCs冷凝回收部分组成。

本发明采用的原理为：

1)氮气循环压缩膨胀制冷部分：将氮气先压缩再膨胀，变为低温氮气，作为整个系统的冷量来源。

2)冷量储存部分：储冷箱将来自低温氮气的冷量先进行储存；在启动VOCs废气处理时，通过中间换热气体，将冷量从储冷箱再传递给VOCs气体。

3)VOCs冷凝回收部分：利用来自储冷箱的冷量将含VOCs废气分多级冷却，并利用经处理后以达排放要求的低温气体，对待处理的含VOCs废气进行预冷由环境温度预冷到3～5℃，使其中的大部分H₂O和少部分VOCs成分液化并通过气液分离器分离回收，第二级同样利用经处理后以达排放要求的低温气体，对含VOCs废气进一步中冷到-25～-35℃，使气体中剩余的少量H₂O组分结霜在换热器中(本段换热器具有除霜功能)避免其进入第三级深冷换热器造成堵塞；后根据VOCs废气的成分来设定相适应的冷却温度及冷却级数，使气体中VOCs组分充分冷凝并回收，最终可使排放气体中VOCs组分小于80mg/Nm³。

这种方法与传统的冷凝法相比，具备储冷功能，可用于VOCs变处理量、不连续处理任务，分级冷却可以很好的实现VOCs组分回收及气体达标排放，并且通过分级除水可避免深冷换热器因结霜堵塞而失效。装置结构简单且紧凑，占地面积小，能量利用率高，同时可根据不同处理任务进行调节和配置，适应范围较广泛。

为达上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现。

一种具备储冷功能的VOCs多级冷凝回收的系统，其中主要设备包括氮气储罐、氮气压缩机、氮气膨胀机、氮气分流器及混合器、氮气预冷器、储冷箱、中间换热介质储罐及风机、VOCs导流风机、VOCs三股流换热器、气液分离器、导流泵、达标气体储罐及所属管道阀门、测量仪表等。

氮气储罐用来储存循环氮气，并且当循环氮气由于泄漏而流量不足时，可又外界向储罐内补充氮气。氮气压缩机用于提高氮气压力，为膨胀制冷做准备。氮气膨胀机可将高温高压氮气膨胀至低温低压。氮气分流器用于将低温氮气分流两股，一股用于预冷将进入膨胀机的氮气，另一股为储冷箱提供冷量；之后混合器将两股氮气重新混合，进入氮气储罐。氮气预冷器利用部分膨胀后深冷氮气预冷将进入膨胀机的氮气。储冷箱用于储存氮气压缩膨胀产生的冷量，并提供冷却VOCs气体的冷量。中间换热介质储罐及风机，用来储存及为中间换热介质提供动力，中间换热介质将冷箱中的冷量传递给VOCs气体。VOCs导流风机为VOCs气体提供动力。VOCs三股流换热器利用来自冷箱和达标回流气体的冷量，冷却VOCs气体。气液分离器用于分离含VOCs废气中液化的组分。导流泵用于将由气液分离器分分离的液体导流至液体储罐。达标气体储罐用于储存处理后已达标的气体。

本发明它还包括氮气吹扫系统，氮气通入到各级气液分离器中进行吹扫，以防VOCs组分发生燃烧；系统中设有多个处理达标气体的排放通道，用于调节系统工作温度和压力；氮气储罐及中间换热介质储罐均设有工质补充通道。

与现有发明和技术相比，本发明的有益效果为：

1)具备储冷功能，可用于VOCs变处理量、不连续处理任务，大大提高系统运行稳定性和有效工作范围。

2)利用氮气压缩膨胀过程可制冷到-170℃以下，实现含VOCs废气的深度冷凝，可对有机组分充分回收。

3)系统装置结构简单，运行操作方便，能量利用率高，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，利用氮气膨胀深冷，系统可分成氮气循环压缩膨胀制冷部分、冷量储存部分和VOCs多级冷却回收三部分。其中所涉及的设备包括风机1、氮气储罐2、氮气压缩机A 3、氮气压缩机B 4、氮气预冷器5、氮气膨胀机6、氮气分流器7、储冷箱A 8、储冷箱B 9、储冷箱C 10、氮气混合器11、VOCs导流风机12、VOCs三股流换热器A 13、气液分离器A 14、导流泵A 15、VOCs三股流换热器B 16、VOCs三股流换热器C 17、VOCs三股流换热器D 18、气液分离器B 19、导流泵B 20、VOCs三股流换热器E21、气液分离器C 22、导流泵C 23、达标气体储罐24、稳压罐25，及所属管道阀门、测量仪表等，部分设备需放置在冷箱中减少冷量损失。

系统工作时，来自氮气储罐2的氮气首先进入氮气压缩机A进行第一次加压，之后再进入由膨胀机6驱动的氮气压缩机B 4进行第二次加压。高压氮气进入稳压罐25进行稳压与储存。从稳压罐25出来的高压氮气进入氮气预冷器5进行膨胀前的预冷。预冷后的低温氮气进入氮气膨胀机6膨胀深冷。深冷氮气经过氮气分流器7分为两股，其中一股深冷氮气进入氮气预冷器5冷却高压氮气；另一股深冷氮气依次进入储冷箱A 8、储冷箱B 9、储冷箱C10，将冷量分级储存于储冷箱中。已完成冷量传递的两股氮气通过氮气混合器11合为一股氮气，之后进入氮气储罐2循环工作。

冷量储存部分主要由储冷箱、中间换热介质储罐及风机组成。储冷箱A 8、储冷箱B9、储冷箱C 10储存来自深冷氮气的冷量，经由中间换热介质将冷量传递至VOCs三股流换热器冷却VOCs气体。储冷箱的级数、储冷温度及储冷量，应根据具体的VOCs处理任务而定；且一个储冷箱可为多台VOCs三股流换热器提供冷量。

含VOCs废气经由输气管道进入冷却回收系统，含VOCs废气首先通过VOCs导流风机12提高一定压力来克服之后通过换热器时的阻力。从风机流出的含VOCs废气首先进入VOCs三股流换热器A 13，与处理过后回流的低温可排放气体以及来自储冷箱的低温换热介质进行换热，冷却到3～5℃。从三股流换热器A流出的含VOCs流体进入气液分离器A 14，将其中液化的大部分水蒸气和少部分VOCs组分分离并通过泵A 15运输到相应储罐回收。从气液分离器A 14流出的含VOCs废气进入三股流换热器B 16或三股流换热器C 17，与处理过后回流的低温可排放气体以及来自储冷箱的低温换热介质进行换热，冷却到-25～-35℃，其中三股流换热器B与三股流换热器C为并联交替工作，并配有除霜功能，当一个换热器内结霜过多阻力变大时，切换到另外一台换热器进行工作，结霜的换热器进行除霜处理。之后VOCs废气依次进入VOCs三股流换热器D 18、气液分离器B 19、导流泵B 20、VOCs三股流换热器E21、气液分离器C 22、导流泵C 23，分级去除不同有机组分，最终实现气体排放要求，冷却级数及工作参数应根据具体VOCs气体组成而制定。从最后一级换热器流出的达标可排放气体(可是为干空气)回流至前几级换热器，将冷量传递给VOCs气体，最终储存在达标气体储罐24。

系统中涉及氮气吹扫模块，来自氮气储罐的氮气通入气液分离器进行吹扫，防止有机组分发生燃烧。系统中还涉及一些气体排放出口，目的在与便于对系统各部分的工作温度、压力进行调节。储存在达标气体储罐24中的气体用途有：作三股流换热器B 16和三股流换热器C的除霜气体；作为中间换热介质等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润湿也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：包括氮气压缩膨胀制冷部分、冷量储存部分及VOCs多级冷凝回收部分组成；因系统具备储冷功能，可有效应用于VOCs变处理量、不连续处理任务。

2.根据权利要求1所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：所述氮气压缩膨胀制冷部分包括氮气储罐、氮气压缩机、稳压罐、分流器、混合器、氮气预冷器和氮气膨胀机；所述冷量储存部分包括储冷箱、中间换热介质储罐、驱动风机；所述VOCs冷凝回收部分包括VOCs导流风机、VOCs三股流换热器、气液分离器、导流泵、达标气体储罐。

3.根据权利要求1所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：它以氮气作为制冷介质，通过膨胀机产生深冷氮气，深冷氮气将冷量储存于储冷箱；利用储存于储冷箱中的冷量对VOCs气体进行多级冷凝回收处理，最终可使排放气体中VOCs组分小于80mg/Nm³；含VOCs废气是指在通常压力条件下，沸点或初馏点低于或等于250℃的任何有机化合物。

4.根据权利要求2所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：所述氮气压缩膨胀制冷部分，系统工作时，来自氮气储罐的氮气首先进入氮气压缩机；高压氮气进入稳压罐进行稳压与储存；从稳压罐出来的高压氮气进入氮气预冷器进行膨胀前的预冷；预冷后的低温氮气进入氮气膨胀机膨胀深冷；深冷氮气经过氮气分流器分为两股，其中一股深冷氮气进入氮气预冷器冷却高压氮气；另一股深冷氮气依次进入多级储冷箱，将冷量分级储存于储冷箱中；已完成冷量传递的两股氮气通过氮气混合器合为一股氮气，之后进入氮气储罐，以此循环工作。

5.根据权利要求2所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：所述冷量储存部分，主要由多级储冷箱、中间换热介质储罐及风机组成；储冷箱储存来自深冷氮气的冷量，经由中间换热介质将冷量传递至VOCs三股流换热器冷却VOCs气体；一个储冷箱可为多台VOCs三股流换热器提供冷量。

6.根据权利要求2所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：所述VOCs多级冷凝回收部分，含VOCs废气经由输气管道进入冷却回收系统，首先通过VOCs导流风机提高一定压力来克服之后通过换热器时的阻力；从风机流出的含VOCs废气首先进入第一级VOCs三股流换热器，与处理过后回流的低温可排放气体以及来自储冷箱的低温中间换热介质进行换热，冷却到3～5℃；从第一级VOCs三股流换热器流出的含VOCs流体进入气液分离器，将其中液化的大部分水蒸气和少部分VOCs组分分离并通过导流泵运输到相应储罐回收；从气液分离器流出的含VOCs废气进入第二级三股流换热器，与处理过后回流的低温可排放气体以及来自储冷箱的低温中间换热介质进行换热，冷却到-25～-35℃，第二级三股流换热器为两台换热器并联交替工作，并配有除霜功能，当一个换热器内结霜过多阻力变大时，切换到另外一台换热器进行工作，结霜的换热器进行除霜处理；之后需根据具体的VOCs组成成分来制定冷却级数及工作参数，VOCs废气依次进入之后的各级VOCs三股流换热器及气液分离器，分段冷凝分离熔点差异较大的VOCs组分，最终实现气体排放要求；从最后一级换热器流出的达标可排放气体(可视为干空气)回流至前几级换热器，将冷量传递给VOCs气体，最终储存在达标气体储罐。

7.根据权利要求1所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：储冷箱的级数、每级的工作温度、储冷箱的储冷介质及储冷方法应根据具体的VOCs处理任务而制定；中间换热介质也应根据具体处理任务而选择；VOCs三股流换热器的级数、每级的工作参数也应根据具体的VOCs处理任务而制定。

8.根据权利要求1所述的具备储冷功能的VOCs多级冷却回收系统，其特征在于：它还包括冷箱系统，用于减少整体系统的冷量损耗；氮气吹扫系统，氮气通入到气液分离器中进行吹扫，以防VOCs组分发生燃烧；根系统中设有多个处理达标气体的排放通道，用于调节系统工作温度和压力；处理后达标可排放的气体可二次利用，作为除霜气体或中间换热介质等用途。