CN109939534A - 一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，适用于大风量、低浓度的VOCs废气治理，其采用吸附作为VOCs废气排放控制手段，吸附解吸气去催化燃烧装置处理，催化燃烧的热尾气用作吸附热解吸气。装置主体包括吸附单元和催化燃烧单元，吸附单元设置两级吸附，催化燃烧单元设置催化燃烧器和相应换热设备、电加热设备、补氧系统和补冷系统。该成套装备能够适应大风量、低浓度的含VOCs废气治理，具有适应性广、排放指标控制严格等特点。

Description

一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置

技术领域

本发明属于VOCs废气治理技术领域，特别涉及一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置。

背景技术

VOCs废气的治理方法有吸收法、冷凝法、膜分离法、吸附法和燃烧法。对于大风量、低浓度的VOCs废气治理，冷凝法由于要将气体温度降低，会需要极大的制冷量，造成设备耗能增加，且由于废气中可凝组分浓度低，不易直接液化。吸收法同样存在设备尺寸过大，净化效率低的问题。

吸附法可以适应低浓度VOCs废气的治理要求，但是普通的吸附剂，如颗粒状活性炭，其设备的气流空塔速度一般只取0.1～0.3m/s，解吸采用常规真空解吸，对于大风量的废气处理一方面需要极大的吸附器体积，一方面真空泵的抽气量也将随之增加，设备投资大大提高。

蜂窝状活性炭是由优质活性炭先进行粉碎，加入粘合剂及添加剂，经充分捏合后挤压成一种具有蜂窝状的规整块体，再进行固化、活化制成。

蜂窝状活性炭除具有与普通活性炭相近的吸附性能和较大的几何外表面积外，最大的特点是沿开孔方向气流阻力极小，在较高的气流流速（＞0.5m/s）下，其阻力仅为同比颗粒炭（4～6目）的1/10左右。蜂窝状活性炭为吸附剂时，设备的气流空塔速度可以在较大范围内选取，最大可取到2m/s，因此蜂窝状活性炭很适合应用在大风量条件下对有机废气进行净化。

燃烧法分热力燃烧和催化燃烧，热力燃烧适用于大风量、高浓度的VOCs废气治理场合，但为了达到较高的起燃温度，需要额外补充燃料。催化燃烧只需要较低的起燃温度，但大风量的场合需要的催化剂量也相应增大，且废气中可燃组分较低，不能维持自持燃烧时，有时需要外加热源。但是燃烧后的热尾气可用于蜂窝活性炭的脱附再生，以达到废热利用、节能的目的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，本发明采用两步耦合的处理方式来处理组分复杂的VOCs废气，尤其适合于处理大风量、低浓度的VOCs废气，能缩短处理时间，简化工艺流程，且处理效率高。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，包括包括预处理单元、一级吸附单元、二级吸附单元、换热和加热单元、催化燃烧单元、补氧补冷单元、管道管件和控制单元；

所述预处理单元包括依次通过管道连接的废气流量计、干燥器和第一阻火器；

所述一级吸附单元包括至少2个并联的一级吸附箱，所述一级吸附箱与第一阻火器之间设有一级吸附箱入口阀；

所述二级吸附单元包括至少1个二级吸附箱，所述二级吸附箱内装有蜂窝状活性炭；所述一级吸附箱与二级吸附箱通过管道连接，管道上设有一级吸附箱出口阀和二级吸附箱入口阀；所述二级吸附箱通过管道依次与主排风机、第二阻火器、排气筒连通，且二级吸附箱与主排风机之间设有二级吸附箱出口阀；上述二级吸附单元的设置是用于对一级吸附后的尾气进行深度吸附，实现达标排放；

所述换热和加热单元包括通过管道连接的换热器和电加热器，且管道上设有第三温度变送器；所述换热器与一级吸附箱通过管道连接，且管道上依次设有一级吸附箱解析气出口阀、VOC浓度检测仪、氧气浓度检测仪和解吸气出口流量计；

所述催化燃烧单元包括催化燃烧器；所述催化燃烧器的上端口与电加热器通过管道连接，且管道上靠近电加热器处依次设有第四温度变送器和第四阻火器；所述催化燃烧器与换热器通过管道连接，且管道上靠近换热器处依次设有解吸风机和第三阻火器；

所述补氧补冷单元包括补氧风机和补冷风机，所述补氧风机安装于解吸气出口流量计与换热器之间，且补氧风机和换热器的管道上设有补氧流量计；所述补冷风机通过管道与换热器连接，且管道上靠近换热器处依次设有第一温度变送器、尾气流量计、第二温度变送器和冷风流量计；

所述尾气流量计和冷风流量计之间的管道上设有两路分支管道，一支管道依次与尾气排放流量计、尾气排放阀和第二阻火器连通；另一支管道通过一级吸附箱解吸气入口阀进入一级吸附箱内，再由一级吸附箱解吸器出口阀排出，再依次经过换热器、电加热器、催化燃烧器，形成解吸气的闭路循环；

所述废气流量计与第二阻火器通过管道连通，且管道上设有第一紧急排放阀；所述一级吸附箱出口阀与主排风机通过管道连通，且管道上设有第二紧急排放阀；

所述控制单元接受VOC浓度检测仪、氧气浓度检测仪和解吸气出口流量计的信号，控制补氧风机的开启；所述控制单元接受第三温度变送器的信号，从而控制电加热器的启动，通过接受第四温度变送器的信号，控制电加热器的加热功率；所述控制单元接收第一温度变送器控制补冷风机的启动，再通过冷风流量计和第二温度变送器的信号；所述控制单元控制一级吸附箱入口阀、一级吸附箱出口阀、二级吸附箱入口阀、二级吸附箱出口阀、紧急排放阀、二级吸附箱紧急排放阀、尾气排放阀的开关和闭合。

作为改进的是，所述预处理单元与一级吸附单元之间设有干燥器。当废气中水蒸气含量过高时，干燥器可去除废气中的水蒸气，减少影响。

作为改进的是，所述一级吸附箱内装有蜂窝状活性炭。可用于对大风量的废气进行吸附处理，吸附绝大部分的有机组分。

作为改进的是，所述控制系统为PLC或DCS。

作为改进的是，所述换热器为管壳式换热、板式换热器或管翅式换热器。

有益效果：

本发明中设置了预处理单元、一级吸附单元、二级吸附单元、换热和加热单元、催化燃烧单元、补氧补冷单元，管道管件和控制单元，其中，预处理单元用于去除废气中的机械性杂质和水蒸气，保障后续吸附单元的长周期稳定运行。吸附单元用于吸附废气中的有机组分并保证排放气指标达到排放标准。换热和加热单元用于加热解吸气至催化起燃温度。催燃烧单元用于将解吸气中的有机组分氧化分解成CO₂和H₂O，其一部分随排放气排入大气，一部分作为热解吸气去吸附箱解吸被吸附的有机组分。补氧和补冷单元用于在特殊情况下，保证催化燃烧系统和吸附解吸系统的正常操作。

综合上述，本发明利用吸附系统进行废气中有机组分的富集和排放控制，富集的有机组分随解吸气进入催化燃烧系统处理，催化燃烧的高温尾气再做为解吸气去脱附吸附装置内的有机组分，形成完整回路。既处理了废气，又使得整个工艺，能耗更低，效率更高。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置的结构示意图，其中，1-废气流量计、2-过滤器、3-第一阻火器、4-一级吸附箱A、5-一级吸附箱B、6-一级吸附箱C、7-一级吸附箱D、8-二级吸附箱、 A、10-一级吸附箱入口阀B、11-一级吸附箱入口阀C、12-一级吸附箱入口阀D、13-二级吸附箱入口阀、14-一级吸附箱出口阀A、15-一级吸附箱出口阀B、16-一级吸附箱出口阀C、17-一级吸附箱出口阀D、18-二级吸附箱出口阀、19-主排风机、20-第二阻火器、21-排气筒、22-紧急排放阀、23-一级吸附箱解吸气出口阀A、24-一级吸附箱解吸气出口阀B、25-一级吸附箱解吸气出口阀C、26-一级吸附箱解吸气出口阀D、27-二级吸附箱紧急排放阀、28-二级吸附箱解吸气出口阀、29-VOC浓度检测仪、30-氧气浓度检测仪、31-解吸气出口流量计、32-换热器、33-第三温度变送器、34-电加热器、35-第四温度变送器、36-第四阻火器、37-催化燃烧器、38-第三阻火器、39-解吸风机、40-补氧风机、41-补氧流量计、42-第一温度变送器、43-尾气流量计、44-一级吸附箱解吸气入口阀A、45-一级吸附箱解吸气入口阀B、46-一级吸附箱解吸气入口阀C、47-一级吸附箱解吸气入口阀D、48-二级吸附箱解吸气入口阀、49-补冷风机、50-冷风流量计、51-第二温度变送器、52-尾气排放流量计、53-尾气排放阀。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的发明方法进行详细描述和说明。其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。

本发明与废气收集管道连接，废气依次经过废气流量计1、过滤器2和阻火器3进入一级吸附系统，废气中的灰尘等机械性杂质在过滤器被过滤掉，其目的是防止灰尘等进入吸附箱堵塞吸附剂微孔。

如废气中水蒸气含量过高，过滤器2与一级吸附单元之间增加干燥器，去除水蒸气。在吸附箱前设置第一阻火器3，防止气源发生火灾或爆炸时威胁装置安全，也可防止装置一侧发生火灾或爆炸时，影响气源安全。

一级吸附单元包括至少2个并联的一级吸附箱，可根据废气量的多少，增加一级吸附箱的个数，一级吸附箱内装有吸附剂，可根据废气的具体情况，选择合适的吸附剂。以一级吸附单元并联4个一级吸附箱为例，正常吸附时，每个一级吸附箱对应的一级吸附箱入口阀和一级吸附箱出口阀开启，一级吸附箱解吸气出口阀和一级吸附箱吸气入口阀关闭，紧急排放阀22关闭。从预处理单元处理后的废气，进入一级吸附单元，分别经过一级吸附箱入口阀A9、一级吸附箱入口阀B10、一级吸附箱入口阀C11、一级吸附箱入口阀D12，分别进入一级吸附箱A4、一级吸附箱A5、一级吸附箱A6、一级吸附箱A7，其中一级吸附箱A4、一级吸附箱A5、一级吸附箱A6、一级吸附箱A7中均装填有规整的蜂窝活性炭，废气在一级吸附箱A4、一级吸附箱A5、一级吸附箱A6、一级吸附箱A7中进行吸附处理，废气中的有机组分VOCs被活性炭吸附，未被吸附的有机组分和其他组分一起，分别经一级吸附箱出口阀A14、一级吸附箱出口阀B15、一级吸附箱出口阀C16、一级吸附箱出口阀D17，离开一级吸附系统。

未被一级吸附系统吸附的尾气经二级吸附箱入口阀13 进入二级吸附箱8，二级吸附箱8中装填有规整的蜂窝活性炭，废气在二级吸附箱8中进行吸附处理，废气中的有机组分VOCs被活性炭吸附，尾气经二级吸附箱出口阀18离开二级吸附箱8，经过主排风机19、第二阻火器20在排气筒21排入大气。主排风机19为废气提供动力，在主排风机19的抽吸作用下，废气得以依次穿过一级吸附系统和二级吸附系统，并最终净化后经排气筒排入大气。正常吸附时，二级吸附箱入口阀13和二级吸附箱出口阀18开启，二级吸附箱解吸气出口阀28和二级吸附箱解吸气入口阀48关闭，二级吸附箱紧急排放阀27关闭。

一旦一级吸附系统故障，如活性炭堵塞造成压降太大或活性炭床层超温甚至起火，此时一级吸附箱入口阀和一级吸附箱出口阀关闭，一级吸附箱解吸气出口阀和一级吸附箱解吸气入口阀关闭，紧急排放阀22开启，废气不经过一级吸附系统，直接由紧急排放阀22在排气筒21排入大气。

一旦二级吸附单元发生故障，如活性炭堵塞造成压降太大或活性炭床层超温甚至起火，此时二级吸附箱入口阀13和二级吸附箱出口阀18关闭，二级吸附箱解吸气出口阀28和二级吸附箱解吸气入口阀48关闭，二级吸附箱紧急排放阀27开启，废气不经过二级吸附8，直接由二级吸附箱紧急排放阀27在主排风机19的抽吸作用下，经过阻火器20后，由排气筒21排入大气。

当吸附箱内活性炭吸附即将饱和时，需要对其进行热气体解吸附处理。一级吸附单元的四个吸附箱按程序设定顺序依次进行解吸附处理。以一级吸附箱A4为例，解吸附时，一级吸附箱入口阀A9和一级吸附箱出口阀A14关闭，一级吸附箱解吸气出口阀A23和一级吸附箱解吸气入口阀A44开启，解吸气自一级吸附箱解吸气出口阀A23被抽出一级吸附箱A4，依次经过管道上的VOC浓度检测仪29、氧气浓度检测仪30和解吸气出口流量计31进入换热器32，和来自催化燃烧器37的热尾气进行换热。

VOC浓度检测仪29和氧气浓度检测仪30分别检测解吸气中的可燃组分浓度和氧气浓度，并将信号传送至控制系统，如PLC或DCS，控制系统对浓度进行分析计算，如解吸气中氧气浓度不足以支持可燃组分充分燃烧，则启动补氧风机40，补氧风机40将新鲜空气鼓入换热器32前管道，与解吸气混合。控制系统通过分析VOC浓度检测仪29、氧气浓度检测仪30和解吸气出口流量计31的信号，控制系统通过计算出需要补入的新鲜空气的量，经补氧流量计41计量，控制补氧风机40的变频电机运行，保证补入的氧气量可以维持可燃组分充分燃烧。如解吸气中氧气浓度足以支持可燃组分充分燃烧，则补氧风机40不启动。

换热器32为一管壳式换热器，解吸气走壳程，热尾气走管程。在换热器32内和来自催化燃烧器37热尾气换热后的热解吸气进入电加热器34，换热后解吸气的温度由第三温度变送器33传送至控制系统，控制系统对该温度进行比对，确认是否可达到起燃温度，如达不到起燃温度，则电加热器34的电加热功能启动，对解吸气进行电加热，直至达到起燃温度，第四温度变送器35对电加热后的解吸气温度进行测量，并控制电加热器35的加热功率，保证解吸气达到起燃温度。

达到起燃温度后的解吸气经过第四阻火器36进入催化燃烧器37，催化燃烧器37内部装填有贵金属催化剂，可以使解吸气中的有机物氧化分解为二氧化碳和水，燃烧过程中解吸气温度进一步升高，并经过燃烧转化为尾气，尾气离开催化燃烧器37，经第三阻火器38在解吸风机39的抽吸和加压作用下，进入换热器32，和较低温度的解吸气进行换热，经换热后离开换热器32。解吸风机39为整个解吸系统的气体循环提供动力。

离开换热器32的热尾气依次流经第一温度变送器42和尾气流量计43，第一温度变送器42和尾气流量计43将各自的温度信号和流量信号传送至控制系统，如尾气温度超过吸附剂解吸所需的温度，则启动补冷风机49，向热尾气管道补入常温空气进行降温，补冷风机49出口设置有冷风流量计50和第二温度变送器51，冷风流量计50和第二温度变送器51分别将温度信号和流量信号传送至控制系统进行计算，确定将过热尾气冷却至吸附剂解吸温度所需的冷风流量，依次控制补冷风机49的变频电机运行。如尾气温度在吸附剂解吸所需的温度范围，则不启动补冷风机49。如尾气温度远低于吸附剂解吸所需的温度，则提高电加热器34的加热负荷，以此提高进入催化燃烧器37的解吸气温度，并进一步提高离开催化燃烧37的热尾气温度，直至使热尾气达到吸附解吸所需的温度。

尾气流量计43和冷风流量计50的合计流量如超过吸附解吸所需的流量，则尾气排放阀53开启，多余尾气依次经过尾气排放流量计52、尾气排放阀53经排气筒21排至大气。如合计流量在吸附解吸所需范围内，则尾气排放阀53关闭。

流量和温度都合适的热尾气，经过一级吸附箱解吸气入口阀A44进入一级吸附箱A4，对一级吸附箱A4内部的活性炭进行热解吸。原先被活性炭吸附的有机组分在热气体的作用下实现解吸附，随尾气经一级吸附箱解吸气出口阀A23排出体系一同排出一级吸附箱A。完成整个解吸循环。再依次经过换热器、电加热器、催化燃烧器，形成解吸气的闭路循环。

一级吸附箱A4解吸完成后，依次按照同样工艺路径，依次进行一级吸附箱B5、一级吸附箱C6和一级吸附箱D7的解吸附。

二级吸附箱8的解吸附路径与一级吸附箱解吸附工艺路线相同。但是，二级吸附箱8解吸附时，二级吸附箱紧急排放阀27开启，来自一级吸附箱的废气直接在主排风机19的抽吸作用下经排气筒21排入大气。

成套装置内另设置可编程控制成套装备（PLC或DCS），所有风机电机、变频器、自动阀的开启、关闭状态、远传仪表信号均传输至PLC或DCS，在PLC/DCS内编制各阀门开启和关闭逻辑控制程序。

Claims (5)

1.一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，其特征在于，包括预处理单元、一级吸附单元、二级吸附单元、换热和加热单元、催化燃烧单元、补氧补冷单元、管道管件和控制单元；所述预处理单元包括依次通过管道连接的废气流量计、干燥器和第一阻火器；所述一级吸附单元包括至少2个并联的一级吸附箱，所述一级吸附箱与第一阻火器之间设有一级吸附箱入口阀；所述二级吸附单元包括至少1个二级吸附箱，所述二级吸附箱内装有蜂窝状活性炭；所述一级吸附箱与二级吸附箱通过管道连接，管道靠近一级吸附箱处依次设有一级吸附箱出口阀和二级吸附箱入口阀；所述二级吸附箱通过管道依次与主排风机、第二阻火器、排气筒连通，且二级吸附箱与主排风机之间设有二级吸附箱出口阀；所述换热和加热单元包括通过管道连接的换热器和电加热器，且管道上设有第三温度变送器；所述换热器与一级吸附箱通过管道连接，且管道上靠近一级吸附箱处依次设有一级吸附箱解析气出口阀、VOC浓度检测仪、氧气浓度检测仪和解吸气出口流量计；所述催化燃烧单元包括催化燃烧器；所述催化燃烧器的上端口与电加热器通过管道连接，且管道上靠近电加热器处依次设有第四温度变送器和第四阻火器；所述催化燃烧器与换热器通过管道连接，且管道上靠近换热器处依次设有解吸风机和第三阻火器；所述补氧补冷单元包括补氧风机和补冷风机，所述补氧风机安装于解吸气出口流量计与换热器之间，且补氧风机和换热器的管道上设有补氧流量计；所述补冷风机通过管道与换热器连接，且管道上靠近换热器处依次设有第一温度变送器、尾气流量计、第二温度变送器和冷风流量计；所述尾气流量计和冷风流量计之间的管道上设有两路分支管道，一支管道依次与尾气排放流量计、尾气排放阀和第二阻火器连通；另一支管道通过一级吸附箱解吸气入口阀进入一级吸附箱内，再由一级吸附箱解吸器出口阀排出，再依次经过换热器、电加热器、催化燃烧器，形成解吸气的闭路循环；所述废气流量计与第二阻火器通过管道连通，且管道上设有第一紧急排放阀；所述一级吸附箱出口阀与主排风机通过管道连通，且管道上设有第二紧急排放阀；所述控制单元接受VOC浓度检测仪、氧气浓度检测仪和解吸气出口流量计的信号，控制补氧风机的开启；所述控制单元接受第三温度变送器的信号，从而控制电加热器的启动，通过接受第四温度变送器的信号，控制电加热器的加热功率；所述控制单元接收第一温度变送器控制补冷风机的启动，再通过冷风流量计和第二温度变送器的信号；所述控制单元控制一级吸附箱入口阀、一级吸附箱出口阀、二级吸附箱入口阀、二级吸附箱出口阀、紧急排放阀、二级吸附箱紧急排放阀、尾气排放阀的开关和闭合。

2.根据权利要求1所述的一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，其特征在于，所述预处理单元与一级吸附单元之间设有干燥器。

3.根据权利要求1所述的一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，其特征在于，所述一级吸附箱内装有蜂窝状活性炭。

4.根据权利要求1所述的一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，其特征在于，所述控制系统为PLC或DCS。

5.根据权利要求1所述的一种吸附浓缩与催化燃烧耦合处理VOCs废气的装置，其特征在于，所述换热器为管壳式换热、板式换热器或管翅式换热器。