CN110624360A - 一种VOCs废气净化装置、净化方法及净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VOCs废气净化装置、净化方法及净化系统，所述净化装置包括活性炭容器、吸附风机、脱附风机、脱附处理设备以及干燥风机，所述吸附风机的出风口通过VOCs废气进气管路与所述活性炭容器相连通，所述脱附风机的出风口通过脱附进气管路与所述活性炭容器相连通；所述脱附处理设备通过脱附排气管路与所述活性炭容器相连通，所述干燥风机的出风口通过干燥进气管路与所述活性炭容器相连通。该净化装置在脱附工况下运行时，脱附条件温和、能耗较低、处理成本较低、脱附工艺简单、安全可靠，适于对含有VOCs的气体进行净化处理。

Description

一种VOCs废气净化装置、净化方法及净化系统

技术领域

本发明涉及空气净化技术领域，尤其是采用活性炭通过吸附作用对工业VOCs废气等气体进行净化的装置。本发明还涉及VOCs废气净化方法，以及设有所述净化装置的净化系统。

背景技术

近些年来，工业排放的VOCs(挥发性有机物)造成的大气污染逐步受到国家和环保部门的高度重视，相关控制政策和标准密集出台和实施，促进了VOCs治理技术的发展和进步。对于典型大风量低浓度的工业有机废气治理，通常采用吸附浓缩与(催化)燃烧处理相结合的工艺，而以吸附剂为核心的吸附浓缩装置是VOCs处理的重要组成部分。

活性炭因其孔隙率高、吸附容量大、对不同性质的VOCs分子适应范围广、性能稳定、价格低廉等优势，已成为一种VOCs处理技术主要的吸附材料。

但是，在吸附过程中，当活性炭吸附饱和后会失去继续吸附的能力，若不进行回收利用，不仅是一种资源的浪费，并且吸附了VOCs的活性炭本身会成为一种有害的废物，可能对环境造成二次污染。因此，从经济和环保的角度考虑，对活性炭进行脱附再生具有重要意义。

活性炭脱附再生是吸附的逆过程，是通过物理、化学或生物化学等方法在不破坏原有结构的前提下，通过热传递或质量传递使得活性炭微孔内的有VOCs吸附质析出，以恢复活性炭的吸附性能，达到重复利用的目的。活性炭的脱附再生方法包括水蒸气再生法、热气流(空气或惰性气体)再生法、降压或真空解吸再生法、化学药品再生法等。

如CN109772100A公开的一种使用压力为3bar，温度为125℃的水蒸汽为脱附介质，将吸附饱和活性炭中的有机溶剂脱附出来的方法，其采用过热水蒸气进行脱附会产生大量废水，存在二次污染，同时采用过热水蒸气对活性炭床层加热时会破坏活性炭的结构，影响活性炭的重复利用性能及使用寿命。

CN208742216U公开了一种热空气脱附再生方法，通过空气加热器对脱附空气进行加热，使温度满足脱附有机废气要求后通过分配管道进入活性炭筒进行高效脱附，其对空气进行加热至脱附条件(高于100℃)能耗较大，同时由于很多VOCs易燃易爆，在升温脱附过程中，若参数控制不当，易造成脱附浓度过大引发床层着火事故，安全性差。

CN101301558A公开了一种以热氮气进行活性炭脱附的方法，通过将90～400℃的氮气作为解吸介质通过活性炭床层进行脱附再生，其以热氮气进行活性炭脱附，存在氮气制造成本高，同时需要升温，能耗较高等问题。

可见，现有活性炭脱附装置和方法存在脱附条件苛刻、能耗较高、处理成本较大、脱附工艺复杂、安全性较差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种VOCs废气净化装置。该净化装置在脱附工况下运行时，脱附条件温和、能耗较低、处理成本较低、脱附工艺简单、安全可靠，适于对含有VOCs的气体进行净化处理。

本发明的另一目的是提供一种脱附条件温和、能耗较低、处理成本较低、脱附工艺简单、安全可靠的VOCs废气净化方法。

本发明的又一目的是提供一种设有所述VOCs废气净化装置的VOCs废气净化系统。

为实现上述目的，本发明提供一种VOCs废气净化装置，包括：

活性炭容器，其内部设有通过吸附对VOCs废气进行净化的活性炭；

吸附风机，所述吸附风机的出风口通过VOCs废气进气管路与所述活性炭容器相连通，以在吸附工况下输入待处理的VOCs废气；所述活性炭容器设有净化排气管路，以排出净化后的气体；

脱附风机，所述脱附风机的出风口通过脱附进气管路与所述活性炭容器相连通；所述脱附进气管路设有用于对输入的脱附空气进行加热的加热器和进行加湿的加湿器，以在脱附工况下输入相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃的脱附空气；

脱附处理设备，所述脱附处理设备通过脱附排气管路与所述活性炭容器相连通，以处理活性炭由加热加湿的脱附空气脱除再生后排出的吸附物质；

干燥风机，所述干燥风机的出风口通过干燥进气管路与所述活性炭容器相连通，以在干燥工况下输入干燥空气；所述活性炭容器设有干燥排气管路，以排出对活性炭进行干燥后的空气。

优选地，所述干燥空气的气流方向与脱附空气的气流方向相反。

优选地，所述待处理气体的气流方向与脱附空气的气流方向相反。

优选地，所述活性炭容器为竖向布置的活性炭罐。

优选地，所述脱附进气管路、干燥排气管路和净化排气管路在上部与所述活性炭罐相连通，所述脱附排气管路、干燥进气管路和VOCs废气进气管路在下部与所述活性炭罐相连通。

优选地，所述干燥排气管路与净化排气管路合并为同一管路。

优选地，所述脱附进气管路设有用于检测脱附空气湿度和温度的温湿度检测仪。

优选地，所述脱附进气管路、脱附排气管路、干燥进气管路、干燥排气管路、VOCs废气进气管路和净化排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门。

为实现上述另一目的，本发明提供一种VOCs废气净化方法，包括：

向活性炭容器输入待处理的VOCs废气，由活性炭通过吸附对VOCs废气进行净化，然后排出净化后的气体；

向活性炭容器输入脱附空气，使活性炭脱附再生，在脱附过程中，通过加热和加湿控制进入活性炭容器的脱附空气的相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃，并对活性炭再生后排出的吸附物质进行处理；

向活性炭容器输入干燥空气，对活性炭进行干燥，然后排出对活性炭进行干燥后的空气。

为实现上述又一目的，本发明提供一种VOCs废气净化系统，包括第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置，各所述气体净化装置分别为上述任一项所述的气体净化装置，所述第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置的活性炭容器在吸附气路、脱附气路和干燥气路上并联，三者共用同一吸附风机、脱附风机、脱附处理设备和干燥风机，且按照吸附、脱附、干燥的工况顺序依次循环运行。

本发明所提供的VOCs废气净化装置在活性炭吸附饱和后，通过将相对湿度为60～100％的低温(40-60℃)空气通入活性炭容器内部对活性炭进行脱附，脱附完成后采用常温干燥空气吹扫活性炭以恢复活性炭的吸附性能，其脱附的主要机理是利用活性炭表面由于活化过程产生的氧化物质以及活性炭灰分中金属氧化物成分的高表面自由能对水分子具有较强的吸附能力，通过温度提升导致水分子自由扩散的速度也相应提高，加强了脱附气体中水分子与吸附质在活性炭微孔表面吸附活性位点的置换作用，进而达到VOCs的有效脱附，由于脱附空气的湿度为60～100％、温度为40-60℃，从湿度和温度两方面对脱附空气进行控制，在保证脱附效果的基础上，将脱附空气的湿度和温度控制在合理范围内，与单纯采用过热水蒸气、高温空气或高温氮气进行脱附的净化装置相比，在脱附过程中既不会产生大量废水，也不会引燃VOCs、破坏活性炭，具有脱附条件温和、能耗较低、处理成本较低、脱附工艺简单、安全可靠等优点。

本发明还提供一种VOCs废气净化方法和VOCs废气净化系统，由于所述VOCs废气净化装置具有上述技术效果，则采用相同方式进行脱附的VOCs废气净化方法和设有所述VOCs废气净化装置的净化系统也应具有相应的技术效果，而且，净化系统的三个废气净化装置可按照吸附、脱附、干燥的工况顺序依次循环运行，从而可以连续处理VOCs废气，吸附风机不需要停机(脱附和干燥风机根据实际情况连续或者间歇运行)。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种VOCs废气净化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种VOCs废气净化方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的一种VOCs废气净化系统的结构示意图。

图中：

1-预处理设备 2-吸附风机 3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3H、3J、3K、3L、3M、3N、3P、3Q-电动阀 4-脱附风机 5-电加热器 6A、6B-温湿度检测仪 7-水蒸气发生器 8A、8B、8C-活性炭罐 9-脱附VOCs处理设备 10-干燥风机 11-活性炭

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

如图1所示，在一种实施例中，所提供的废气净化装置用于通过内部设置的活性炭对含有VOCs的工业废气进行净化处理，从组成结构上来讲，主要由活性炭罐8A、多个电动阀门、预处理设备1、吸附风机2、脱附风机4、干燥风机10、水蒸气发生器7、电加热器5、温湿度检测仪6A和6B、脱附VOCs处理设备9、相应的气体管道、三通及控制系统等组成，其中预处理设备1用于对含有VOCs的废气进行预处理，如除水、除尘等。

活性炭罐8A大体呈圆筒形，沿竖向方向布置，上下两端分别呈半球面形状，其内部设有活性炭11，以通过吸附作用对VOCs废气进行净化，活性炭11可以活性炭床层的形式容纳在活性炭罐中，活性炭罐8A的内部形成气体流动的空间，活性炭床层位于气体流动的路径上，其覆盖活性炭罐8A的横截面并具有一定的厚度。

脱附进气管路、干燥排气管路和净化排气管路在上部与活性炭罐8A相连通，脱附排气管路、干燥进气管路和气体进气管路在下部与活性炭罐8A相连通，其中，干燥排气管路与净化排气管路合并为同一管路，也就是说，可以用同一管路实现两种功能，既用于排出净化后的气体，又用于排出对活性炭进行干燥后的空气。

吸附风机2的出风口通过VOCs废气进气管路与活性炭罐8A相连通，以在吸附工况下，从下部向活性炭罐8A输入待处理的VOCs废气，所输入的VOCs废气在经过活性炭11吸附净化后，从活性炭罐8A上部的净化排气管路排出。

脱附风机4的出风口通过脱附进气管路与活性炭罐8A相连通，并在脱附进气管路上设有用于对输入的脱附空气进行加热的电加热器5，以及对脱附空气进行加湿的水蒸气发生器7，从脱附风机4输出的脱附气流在经过电加热器5时，被电加热器5以电加热的方式进行加热升温，脱附气流在经过水蒸气发生器7时，由水蒸气蒸发器7向脱附气流中加入一定的水蒸气，以增加其湿度。这样，便可以在脱附工况下，从上部向活性炭罐8A输入相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃的脱附空气。

脱附VOCs处理设备9通过脱附排气管路与活性炭罐8A相连通，具有一定湿度和温度的脱附空气在经过活性炭11之后，从活性炭罐8A的下部排出，沿脱附排气管路进入脱附VOCs处理设备9，由脱附VOCs处理设备9对活性炭11再生后析出的吸附物质VOCs进行深度处理。

由于用于对活性炭11进行脱附的空气具有一定的湿度，因此，在进行脱附之后，可以采用干燥风机10向活性炭罐8A输入干燥空气，对活性炭11进行干燥，以使活性炭11尽快重新恢复吸附能力。

干燥风机10的出风口通过干燥进气管路与活性炭罐8A相连通，以在干燥工况下从下部向活性炭罐8A输入干燥空气，活性炭罐8A的上部设有干燥排气管路，对活性炭11进行干燥后的空气从干燥排气管路向外排出。

为了控制脱附空气的湿度和温度，脱附进气管路设有用于检测脱附空气湿度和温度的两个温湿度检测仪6A和6B，其中一个温湿度检测仪6A设于电加热器5与水蒸气发生器7之间的位置，另一个温湿度检测仪6B设于水蒸气发生器7的下游位置。当然，也可以一个设置于电加热器5与脱附风机4之间，一个设于水蒸气发生器7的下游位置。通过两个温湿度检测仪可以更为精确的监测和控制脱附空气的湿度和温度。

VOCs废气进气管路和净化排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3A和3K，脱附进气管路和脱附排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3L和3C，干燥进气管路上分别用于控制其导通或截止的电动阀门3B，由于干燥排气管路和净化排气管路为同一管路，因此，电动阀门3K同时用于控制干燥排气管路导通或截止。

当净化装置处于吸附工况时，电动阀门3A和3K处于导通状态，电动发门3L、3C和3B处于截止状态。

当净化装置处于脱附工况时，电动阀门3L和3C处于导通状态，电动发门3A、3K和3B处于截止状态。

当净化装置处于干燥工况时，电动阀门3B和3K处于导通状态，电动发门3A、3L和3C处于截止状态。

可见，活性炭罐8A在运行时，其上部和下部均有一个阀门处于开启状态，而其他阀门均处于关闭状态，而且，吸附和干燥时烟气流动方向为从下往上，脱附时烟气流动方向为从上往下。这样，在进行吸附时，可以提高活性炭对烟气中VOCs的吸附效能，在进行脱附时，能够更加有效的从活性炭上析出VOCs，同时便于排出和收集具有一定的湿度的脱附空气，在进行干燥时，由于干燥气流方向与吸附气流方向相一致，不仅可以提高干燥效率，还可以保证气路畅通，从而顺利地从干燥工况过渡至吸附工况。另外，还可以提高系统运行的稳定性，有效降低噪音、振动等现象。

在实际应用当中，可以通过PLC控制系统按照一定的顺序自动控制各阀门开启和关闭，由于控制系统采用通用的控制技术即可实现，本文对控制系统不再展开描述。

常规过热水蒸气脱附技术属于热脱附，利用高温过饱和水蒸气提供的热量使得活性炭微孔中的VOCs析出，水蒸汽会在活性炭11表面冷凝，形成液态水进入微孔通道，本发明提供的净化装置主要是采用低温不饱和水蒸气进行活性炭脱附，通过高速自由扩散的气态水分子在微孔通道内活性位点的置换作用实现VOCs的析出，相比于以液态水形式进入微孔通道，传质速度更快，而且，脱附气体来源广泛、制备工艺简单，易于实现，脱附温度较低，节能降耗，且不会造成活性炭床层着火风险，安全可靠，在运行过程中，仅需控制脱附空气的温度和湿度到常规指定温和参数范围，即可实现低温活性炭脱附，不涉及高温高压等苛刻的条件，脱附方法简单、总体能耗较低、安全性好、实用性更强。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将加湿器和加热器整合为一体式结构，或者，将脱附空气的湿度进一步控制在60～90％之间，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明

如图2所示，除了上述VOCs废气净化装置，本发明还提供一种VOCs废气净化方法，主要包括以下步骤：

S1.向活性炭罐8A输入待处理的VOCs废气，由活性炭罐8A内部的活性炭11通过吸附对VOCs废气进行净化，然后排出净化后的气体；

S2.向活性炭罐8A输入脱附空气，使活性炭罐8A内部的活性炭11脱附再生，在脱附过程中，通过加热和加湿控制进入活性炭罐8A的脱附空气的相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃，并对活性炭11再生后排出的吸附物质进行处理；

S3.向活性炭罐8A输入干燥空气，对活性炭11进行干燥，然后排出对活性炭11进行干燥后的空气。

具体可参考上述VOCs废气净化装置的工作原理，对VOCs废气净化方法作进一步的理解。

如图3所示，本发明还提供一种VOCs废气净化系统，包括第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置，各所述气体净化装置分别为上述任一项所述的气体净化装置，所述第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置的活性炭罐8A、8B、8C在吸附气路、脱附气路和干燥气路上并联，三者共用同一吸附风机2、脱附风机4、脱附VOCs处理设备9和干燥风机10，且按照吸附、脱附、干燥的工况顺序依次循环运行，就是说，当活性炭罐8A处于吸附工况时，活性炭罐8B处于脱附(或停运)工况，活性炭罐8C处于干燥(或停运)工况，当活性炭罐8A处于脱附工况时，活性炭罐8B处于干燥(或停运)工况，活性炭罐8C处于吸附工况，以此类推，分成三个工况运行。

具体地，活性炭罐8A的管路和阀门设置方式参见上文，活性炭罐8B的VOCs废气进气管路和净化排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3D和3M，脱附进气管路和脱附排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3N和3F，干燥进气管路上分别用于控制其导通或截止的电动阀门3E，由于干燥排气管路和净化排气管路为同一管路，因此，电动阀门3M同时用于控制干燥排气管路导通或截止。

活性炭罐8C的VOCs废气进气管路和净化排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3G和3P，脱附进气管路和脱附排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门3Q和3J，干燥进气管路上分别用于控制其导通或截止的电动阀门3H，由于干燥排气管路和净化排气管路为同一管路，因此，电动阀门3P同时用于控制干燥排气管路导通或截止。

通过阀门的开启和关闭动作，使得每个过程均单独通过一路气路系统与吸附风机、脱附风机或干燥风机连通，以保证每个活性炭罐体均在依次进行吸附、脱附、干燥运行过程，系统整体运行安全可靠、能耗较低、工艺简单、环境友好、易于实现。

下面对某一时刻各活性炭罐的运作过程进行简要说明：

活性炭罐8A进行吸附过程，含VOCs废气依次通过预处理设备1(除尘、除水等)、吸附风机2后从活性炭罐A下部的电动阀门3A进入，从上部的电动阀门3K排出活性炭罐8A。此时，阀门电动阀门3A和电动阀门3K开启，电动阀门3B、3C、3L处于关闭状态.

活性炭罐8C进行脱附过程，空气依次通过脱附风机4、电加热器5、水蒸气发生器7达到设计相对湿度及温度条件后从上部的电动阀门3Q进入，从下部的电动阀门3J排出活性炭罐8C，进入脱附VOCs处理设备9。此时，电动阀门3Q、3J处于开启状态，阀门3P、3G、3H处于关闭状态。

活性炭罐8B进行活性炭干燥过程，干燥风通过干燥风机10后从下部的电动阀门3E进入，从上部的电动阀门3M排出活性炭罐8B。此时，电动阀门3E、3M处于开启状态，电动阀门3D、3F、3N处于关闭状态。

各罐体依次通过下部和上部阀门的切换按照吸附、脱附、干燥的顺序依次循环进行。

可以理解，第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置可以分别具有两个或两个以上的活性炭罐，当其具有多个活性炭罐时，这些活性炭罐可以相互并联。此外，也可以为每一个活性炭罐分别单独设置吸附风机2、脱附风机4或干燥风机10。

以上对本发明所提供的VOCs废气净化装置、净化方法及净化系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种VOCs废气净化装置，其特征在于，包括：

活性炭容器，其内部设有通过吸附对VOCs废气进行净化的活性炭；

吸附风机，所述吸附风机的出风口通过VOCs废气进气管路与所述活性炭容器相连通，以在吸附工况下输入待处理的VOCs废气；所述活性炭容器设有净化排气管路，以排出净化后的气体；

脱附风机，所述脱附风机的出风口通过脱附进气管路与所述活性炭容器相连通；所述脱附进气管路设有用于对输入的脱附空气进行加热的加热器和进行加湿的加湿器，以在脱附工况下输入相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃的脱附空气；

脱附处理设备，所述脱附处理设备通过脱附排气管路与所述活性炭容器相连通，以处理活性炭由加热加湿的脱附空气脱除再生后排出的吸附物质；

干燥风机，所述干燥风机的出风口通过干燥进气管路与所述活性炭容器相连通，以在干燥工况下输入干燥空气；所述活性炭容器设有干燥排气管路，以排出对活性炭进行干燥后的空气。

2.根据权利要求1所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述干燥空气的气流方向与脱附空气的气流方向相反。

3.根据权利要求2所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述待处理气体的气流方向与脱附空气的气流方向相反。

4.根据权利要求1所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述活性炭容器为竖向布置的活性炭罐。

5.根据权利要求4所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述脱附进气管路、干燥排气管路和净化排气管路在上部与所述活性炭罐相连通，所述脱附排气管路、干燥进气管路和VOCs废气进气管路在下部与所述活性炭罐相连通。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述干燥排气管路与净化排气管路合并为同一管路。

7.根据权利要求6所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述脱附进气管路设有用于检测脱附空气湿度和温度的温湿度检测仪。

8.根据权利要求7所述的VOCs废气净化装置，其特征在于，所述脱附进气管路、脱附排气管路、干燥进气管路、干燥排气管路、VOCs废气进气管路和净化排气管路上分别设有用于控制其导通或截止的电动阀门。

9.一种VOCs废气净化方法，包括：

向活性炭容器输入待处理的VOCs废气，由活性炭通过吸附对VOCs废气进行净化，然后排出净化后的气体；

向活性炭容器输入脱附空气，使活性炭脱附再生，在脱附过程中，通过加热和加湿控制进入活性炭容器的脱附空气的相对湿度为60％～100％、温度为40℃-60℃，并对活性炭再生后排出的吸附物质进行处理；

向活性炭容器输入干燥空气，对活性炭进行干燥，然后排出对活性炭进行干燥后的空气。

10.一种VOCs废气净化系统，其特征在于，包括第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置，各所述气体净化装置分别为上述权利要求1至8中任一项所述的气体净化装置，所述第一气体净化装置、第二气体净化装置和第三气体净化装置的活性炭容器在吸附气路、脱附气路和干燥气路上并联，三者共用同一吸附风机、脱附风机、脱附处理设备和干燥风机，且按照吸附、脱附、干燥的工况顺序依次循环运行。