CN110975515A - 一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，包括过滤器、冷却器、至少两个以上活性炭吸附器，所述活性炭吸附器内部设置吸附净化单元，该吸附净化单元由活性炭纤维床层、电极、温度传感器及围护结构组成，所述活性炭纤维床层由活性炭纤维织物叠加而成，床层内部设置温度传感器，床层任意两个相对的端面设置电极，所述电极采用导电带与活性炭纤维织物层层交叠或导电带与若干层活性炭纤维织物交叠的方式，本发明的导电带均匀布置在床层端面区域，保证了电热过程中床层电流均匀分布，从而实现活性炭床层的均匀升温，有机物脱附彻底，再生完全，电热滤芯可以长期保持良好的吸附性能。

Description

一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法

技术领域

本发明涉及空气污染控制技术领域，特别涉及一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法。可用于工业VOCs废气治理，也可用于有毒有害气体的可再生化学防护及室内空气中VOCs 的净化。

背景技术

目前空气污染控制工程中广泛应用的活性炭吸附治理技术，以活性炭作为吸附剂吸附空气中的污染物，待活性炭吸附饱和后，通入外加热介质（工业水蒸气、热氮气或热空气）与活性炭进行热交换，使活性炭升温，升温过程中吸附的污染物不断从活性炭中脱附出来，转化为高浓度的污染物蒸汽进行冷凝、吸收或氧化等处理，活性炭得以原位再生。然而在实际应用过程中，采用外加热介质的再生方式引发如下突出问题，导致工程治理效果不佳，严重影响该技术的大规模推广与应用：

① 活性炭热损伤大。外热式再生，使活性炭的孔结构和表面官能团发生较大的改变，甚至导致活性炭重量损失，材料的吸附性能劣化快。

② 再生不完全。活性炭本身不导热，床层传热效率差，外加热时床层内部温度不均匀，温度梯度大；同时，外热式再生温度低，一般小于150℃，吸附的高沸点物质无法完全脱附，吸附剂失效快。再吸附时尾气浓度高，很难实现尾气达标排放。

③ 再生能耗大。活性炭本身不导热，传热效率差；外加热又使整个设备系统反复升降温，再生能耗大，运行费用高。

④ 后处理负荷大。脱附气中含大量热介质（水、氮气、空气等），后处理无论冷凝、吸收、氧化，负荷都很大。

⑤ 回收物混水、变质，品质不高。

⑥ 水蒸气再生，产生二次有机废水污染。

发明内容

针对现有采用外加热介质再生的吸附治理技术存在的问题，本发明提供一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，克服现有技术存在的活性炭损伤大、再生不完全、再生能耗大、后处理负荷大、有二次污染、回收物品质不高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统，包括过滤器、冷却器、至少两个以上活性炭吸附器、排风机、后处理系统、冷却风机、气源、控制系统、吸附管道、脱附管道、排气管道、冷却管道、吹扫管道；所述活性炭吸附器壳体设置管道连接口，通过阀门与各管道连通，所述的管道连接口分别设置在活性炭吸附器相对两端，其中一端设置废气入口和脱附气出口，另一端分别设置吹扫气入口、净化气出口和冷却气入口，所述的吸附管道依次连接过滤器和冷却器；所述的排气管道末端连接排风机，所述的脱附管道末端与后处理系统连接，所述冷却管道末端与冷却风机相连，所述的吹扫管道末端连接气源。

所述活性炭吸附器的废气入口通过废气入口阀门与吸附管道连通，所述活性炭吸附器的净化气出口通过净化气出口阀与排气管道连通，所述活性炭吸附器的脱附气出口通过脱附气出口阀与脱附管道连通，所述活性炭吸附器的吹扫气入口通过吹扫气入口阀与吹扫管道连通，所述活性炭吸附器的冷却气入口通过冷却气入口阀与冷却管道连通。

所述活性炭吸附器内部设置电热式活性炭滤芯和支架，电热式活性炭滤芯固定在支架上，所述电热式活性炭滤芯由一个或若干个吸附净化单元组成，所述吸附净化单元包括活性炭床层、床层两端电极、床层内部的温度传感器及床层的围护结构，所述活性炭床层由活性炭纤维织物叠加而成；所述电极设置在活性炭床层任意两个相对的端面，采用导电带与活性炭纤维织物层层交叠或导电带与若干层活性炭纤维织物相互交叠的方式，形成具有一定宽度的导电带与活性炭纤维织物的交叠区域，裸露的导电带通过机械连接、焊接或熔接方式连接为一体形成电极。

所述后处理系统包括冷凝器和储液罐，冷凝器分为前置冷凝器和后置冷凝器，前置冷凝器出气口和后置冷凝器进气口连通，前置冷凝器出液口与前置储液罐连接，后置冷凝器出液口与后置储液罐连接，前置冷凝器进气口与脱附管道末端连通，后置冷凝器出气口与吸附管道连通。

所述后处理系统包括冷凝器B、储液罐和吸收塔，所述冷凝器B出液口与储液罐连接，冷凝器B出气口与吸收塔进气口连接，所述冷凝器B的进气口与脱附管道末端连通，所述吸收塔出气口与吸附管道连通。

所述后处理系统包括换热器、阻火器、氧化炉和自动补风装置，所述换热器的冷源进气口与脱附管道末端连通，换热器的冷源出气口与阻火器进气口连接，阻火器出气口与氧化炉进气口连接，氧化炉出气口与换热器热源进气口连接，氧化炉产生的高温氧化尾气与脱附的高浓度蒸气在换热器内进行热交换后，氧化尾气从换热器热源出气口排出，所述自动补风装置设置在氧化炉进气口处，自动补风装置根据氧化炉内燃烧情况自动补进所需新风。氧化炉为直燃式焚烧炉、催化燃烧炉或蓄热燃烧炉的一种。

所述后处理系统为生物净化箱、低温等离子体净化箱、紫外光氧净化箱等分解处理设备中的一种。

所述气源为空气源或发生氧体积含量小于5%的贫氧气体气源。

所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，包括如下过程：

（1）预处理过程：有机废气在排风机的抽吸下，首先经过滤器过滤废气中粒径大于5μm的颗粒物，再经冷却器冷却至40℃以下；（2）吸附过程：预处理后废气从吸附管道经废气入口阀进入吸附器，废气中有机物被吸附净化单元的活性炭床层吸附，净化后洁净空气流经净化气出口阀、排气管道，由排风机排入大气；（3）脱附过程：当吸附净化单元吸附饱和后，气源（6）向吸附器内通入空气或贫氧气，控制系统向吸附净化单元输入电流，并控制电加热过程；电加热过程分为两个阶段进行，第一阶段为升温阶段：吸附净化单元在通电条件下利用自身产生的焦耳热能进行自体加热，温度由室温升至再生温度，再生温度为50-300℃；第二阶段为保温阶段：保持再生温度恒定，保持时间10-60min。脱附过程中持续通入一定量的空气或贫氧气流对吸附净化单元进行吹扫，脱附的高浓度有机蒸汽在空气或贫氧气的吹扫压力下被送至后处理系统，进行冷凝回收、吸收回收或氧化处理；

（4）冷却过程：电加热过程结束后，停止通入空气或贫氧气，启动冷却风机，向吸附器内通入新鲜空气或净化气，使吸附净化单元的活性炭床层温度降至室温，冷却尾气夹杂少量污染物被送入吸附管道进行吸附，保证冷却过程无污染物排放。

本发明的有益效果是：

① 活性炭热损伤小。活性炭自身升温，无强制传热，无外热介质引入，活性炭的孔隙结构和表面官能团状态得以最大程度保持。

② 再生效果好。活性炭自身发热，床层内部升温均匀，温差小；再生温度高，可控性好，再生温度根据吸附的有机物沸点设定，使吸附的有机物完全脱附，活性炭能长期保持良好的吸附性能，更换周期长，维保费用低。

③ 再生能耗低。电热再生是利用活性炭自身电阻在通电条件下产生的焦耳热升温，将电能直接转换成热能，热转换效率高；热能绝大部分用于吸附剂自身升温，不加热吸附器壳体、管道等设备系统，热能利用率高，再生能耗低。

④后处理负荷低。空气或贫氧气只对脱附床层进行吹扫，仅需小量气流而非外热式再生所需的大量载热气流，大大降低后处理负荷，后处理费用低。

⑤ 回收物品质高。无水或贫氧的再生条件，有效避免了回收物变质。

⑥ 省去了外热源和换热设备，附属设备少，系统结构简单、紧凑，整体投资少。

⑦ 全系统不产生废水、废气，实现零排放。

⑧ 本发明的活性炭吸附器的吸附净化单元电极结构简单、制作简便。导电带均匀布置在床层端面区域，保证了电热过程中床层电流均匀分布，从而实现活性炭床层的均匀升温，有机物脱附彻底，再生完全，电热滤芯可以长期保持良好的吸附性能。根本解决了活性炭纤维与电极的不完全接触问题，最大程度降低接触电阻，避免床层端面局部高温存在，保证电热升温过程的安全性。

附图说明

图1为本发明有机废气吸附氮封保护冷凝回收治理系统结构示意图。

图2为本发明有机废气吸附贫氧气保护吸收回收治理系统结构示意图。

图3为本发明有机废气吸附空气吹扫氧化处理治理系统结构示意图。

图4为本发明活性炭吸附器的吸附净化单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1（氮封保护冷凝回收治理）

如图1所示，一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统，包括过滤器1、冷却器2、两个活性炭吸附器3、排风机7、后处理系统、冷却风机5、氮气源6、控制系统8、吸附管道13、脱附管道12、排气管道15、冷却管道14、吹扫管道16；所述活性炭吸附器壳体设置管道连接口，通过阀门与各管道连通，所述的管道连接口分别设置在活性炭吸附器相对两端，其中一端设置废气入口和脱附气出口，另一端分别设置吹扫气入口、净化气出口和冷却气入口，所述的吸附管道13依次连接过滤器1和冷却器2；所述的排气管道15末端连接排风机7，排风机7将净化尾气送至排气筒；所述的脱附管道12末端与后处理系统连接，所述的冷却管道14末端与冷却风机5相连，所述的吹扫管道16末端连接氮气源（制氮机）6。

活性炭吸附器3壳体设置管道连接口和阀门，所述的管道连接口分别设置在活性炭吸附器3相对两端，其中一端设置废气入口和脱附气出口，另一端分别设置吹扫气入口、净化气出口和冷却气入口。

活性炭吸附器3的废气入口通过废气入口阀门21与吸附管道13连通，净化气出口通过净化气出口阀18与排气管道15连通，脱附气出口通过脱附气出口阀20与脱附管道12连通，吹扫气入口通过吹扫气入口阀17与吹扫管道16连通，冷却气入口通过冷却气入口阀19与冷却管道14连通；吸附管道13依次连接过滤器1和冷却器2，有机废气经过滤、冷却处理后送至吸附器3内。

所述后处理系统包括冷凝器和储液罐，冷凝器分为前置冷凝器10和后置冷凝器9，前置冷凝器10出液口与前置储液罐11连接，后置冷凝器9出液口与后置储液罐22连接，前置冷凝器10出气口和后置冷凝器11进气口连通，前置冷凝器10进气口与脱附管道12末端连通，后置冷凝器9出气口与吸附管道13连通，排放的不凝气被送至吸附管道13进行二次吸附。

所述活性炭吸附器3内部设置电热式活性炭滤芯和支架，电热式活性炭滤芯固定在支架上，所述电热式活性炭滤芯由一个或若干个吸附净化单元4组成，所述吸附净化单元4包括活性炭床层、床层两端电极、床层内部的温度传感器及床层的围护结构41，所述活性炭床层由活性炭纤维织物42叠加而成；所述电极设置在活性炭床层任意两个相对的端面，采用导电带43与活性炭纤维织物42层层交叠或导电带与若干层活性炭纤维织物相互交叠的方式，形成具有一定宽度（1~50cm）的导电带与活性炭纤维织物的交叠区域，裸露的导电带43通过机械连接、焊接或熔接方式连接为一体形成电极。例如，裸露的导电带43连接导电带机械连接端44，所述导电带机械连接端44通过螺栓紧固一体形成电极，通过导电线45与电源连通；所述的导电带为铜带，宽度为1~50cm，长度不大于活性炭纤维织物长度。

本实施例一种通电加热再生的活性炭吸附回收的方法，包括如下过程：

（1）预处理过程，有机废气在排风机7的抽吸下，首先经过滤器1过滤废气中粒径大于5μm的颗粒物、漆雾等，再经冷却器2冷却至40℃以下；

（2）吸附过程，预处理后废气从吸附管道13经废气入口阀21进入活性炭吸附器3，废气中有机物被吸附净化单元4的活性炭床层吸附，净化后洁净空气流经净化气出口阀18、排气管道15，由排风机7排入大气；

（3）脱附回收过程，当吸附净化单元4吸附饱和后，氮气源6向吸附器内通入氧体积含量小于5%的氮气，待活性炭吸附器3内氧气体积含量小于9%时，控制系统8向吸附净化单元4输入电流，并控制电加热过程；电加热过程分为两个阶段进行，第一阶段为升温阶段：吸附净化单元4在通电条件下利用自身产生的焦耳热能进行自体加热，温度由室温升至再生温度，再生温度为50-300℃；第二阶段为保温阶段：保持再生温度恒定，保持时间10-60min。脱附过程中持续通入一定量氮气对吸附净化单元进行吹扫，脱附的高浓度有机蒸汽在氮气吹扫下被送至前置冷凝器10，控制前置冷凝温度为0～4℃，大部分水蒸汽冷凝，后置冷凝器温度控制在-10～-30℃，脱附的有机蒸汽在后置冷凝器9液化为溶剂，实现有机废气的回收，后置冷凝器9排放的不凝气被送入吸附管道13进行二次吸附，保证脱附过程无污染物排放；

（4）冷却过程：电加热过程结束，停止通入氮气，启动冷却风机，向吸附器内通入新鲜空气，使吸附净化单元的活性炭床层温度降至室温，冷却尾气夹杂少量污染物被送入吸附管道进行吸附，保证冷却过程无污染物排放。

实施例2（贫氧气保护吸收回收治理）

本实施例的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统如图2所示，本实施例的后处理系统包括冷凝器B23、储液罐B24和吸收塔25，所述冷凝器B23出液口与储液罐B24连接，冷凝器B23出气口与吸收塔25进气口连接，所述冷凝器B23的进气口与脱附管道12末端连通，所述吸收塔25出气口与吸附管道13连通。

利用上述有机废气吸附治理系统对有机废气吸附回收的方法，其中步骤（3）脱附回收过程，采用氧体积含量小于5%的贫氧气保护，脱附的高浓度有机蒸汽经冷凝器B23冷凝后再送入吸收塔25中，从而实现有机废气的吸收回收，吸收塔25排放的不凝气被送入吸附管道13进行二次吸附，保证脱附过程无污染物排放，其他步骤同实施例1。

实施例3（空气吹扫氧化处理）

本实施例的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统如图3所示，其中后处理系统包括换热器26、阻火器27、氧化炉28和自动补风装置29，所述换热器26的冷源进气口与脱附管道12末端连通，换热器26的冷源出气口与阻火器27进气口连接，阻火器27出气口与氧化炉28进气口连接，氧化炉28出气口与换热器26热源进气口连接，氧化尾气从换热器26热源出气口排出，自动补风装置29设置在氧化炉28进气口处。氧化炉28为直燃式焚烧炉、催化燃烧炉或蓄热燃烧炉的一种；自动补风装置29根据氧化炉28内燃烧情况自动补进所需新风，其他实施方式同实施例1。

利用上述有机废气吸附治理系统对有机废气吸附净化氧化处理的方法，其中步骤（3）脱附过程，采用空气吹扫脱附床层，脱附的高浓度有机蒸汽与氧化炉28产生的高温氧化尾气在换热器26内进行热交换升温后被进入氧化炉28，有机废气经充分燃烧产生二氧化碳和水，从而实现有机废气的达标排放。

采用本发明系统和方法对有机废气进行吸附治理，尾气浓度控制在30mg/m³以下，再生能耗仅为水蒸气再生的三分之一，热氮气再生的五分之一，回收溶剂含水率小于5%。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：包括过滤器（1）、冷却器（2）、至少两个以上活性炭吸附器（3）、排风机（7）、后处理系统、冷却风机（5）、气源（6）、控制系统（8）、吸附管道（13）、脱附管道（12）、排气管道（15）、冷却管道（14）、吹扫管道（16）；所述活性炭吸附器（3）壳体设置管道连接口，通过阀门与各管道连通，所述的管道连接口分别设置在活性炭吸附器（3）相对两端，其中一端设置废气入口和脱附气出口，另一端分别设置吹扫气入口、净化气出口和冷却气入口，所述的吸附管道（13）依次连接过滤器（1）和冷却器（2）；所述的排气管道（15）末端连接排风机（7），所述的脱附管道（12）末端与后处理系统连接，所述的冷却管道（14）末端与冷却风机（5）相连，所述的吹扫管道（16）末端连接气源（6）。

2.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述活性炭吸附器（3）的废气入口通过废气入口阀门（21）与吸附管道（13）连通，所述活性炭吸附器（3）的净化气出口通过净化气出口阀（18）与排气管道（15）连通，所述活性炭吸附器（3）的脱附气出口通过脱附气出口阀（20）与脱附管道（12）连通，所述活性炭吸附器（3）的吹扫气入口通过吹扫气入口阀（17）与吹扫管道（16）连通，所述活性炭吸附器的冷却气入口通过冷却气入口阀（19）与冷却管道（14）连通。

3.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述活性炭吸附器（3）内部设置电热式活性炭滤芯和支架，电热式活性炭滤芯固定在支架上，所述电热式活性炭滤芯由一个或若干个吸附净化单元（4）组成，所述吸附净化单元（4）包括活性炭床层、床层两端电极、床层内部的温度传感器及床层的围护结构（41），所述活性炭床层由活性炭纤维织物（42）叠加而成；所述电极设置在活性炭床层任意两个相对的端面，采用导电带（43）与活性炭纤维织物（42）层层交叠或导电带与若干层活性炭纤维织物相互交叠的方式，形成具有一定宽度的导电带与活性炭纤维织物的交叠区域，裸露的导电带（43）通过机械连接、焊接或熔接方式连接为一体形成电极。

4.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述后处理系统包括冷凝器和储液罐，冷凝器分为前置冷凝器（10）和后置冷凝器（9），前置冷凝器（10）出气口和后置冷凝器（9）进气口连通，前置冷凝器（10）出液口与前置储液罐（11）连接，后置冷凝器（9）出液口与后置储液罐（22）连接，前置冷凝器（10）进气口与脱附管道（12）末端连通，后置冷凝器（9）出气口与吸附管道（13）连通。

5.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述后处理系统包括冷凝器B（23）、储液罐B（24）和吸收塔（25），所述冷凝器B（23）出液口与储液罐B（24）连接，冷凝器B（23）出气口与吸收塔（25）进气口连接，所述冷凝器B（23）的进气口与脱附管道（12）末端连通，所述吸收塔（25）出气口与吸附管道（13）连通。

6.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述后处理系统包括换热器（26）、阻火器（27）、氧化炉（28）和自动补风装置（29），所述换热器（26）的冷源进气口与脱附管道（12）末端连通，换热器（26）的冷源出气口与阻火器（27）进气口连接，阻火器（27）出气口与氧化炉（28）进气口连接，氧化炉（28）出气口与换热器（26）热源进气口连接，氧化炉（28）产生的高温氧化尾气与脱附的高浓度蒸气在换热器（26）内进行热交换后，氧化尾气从换热器（26）热源出气口排出，所述自动补风装置（29）设置在氧化炉（28）进气口处。

7.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述后处理系统为生物净化箱、低温等离子体净化箱、紫外光氧净化箱等分解处理设备中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于：所述气源（6）为空气源或发生氧体积含量小于5%的贫氧气体气源。

9.利用权利要求1所述的一种通电加热再生的活性炭吸附净化系统和方法，其特征在于该方法包括如下过程：

（1）预处理过程：有机废气在排风机的抽吸下，首先经过滤器过滤废气中粒径大于5μm的颗粒物，再经冷却器冷却至40℃以下； （2）吸附过程：预处理后废气从吸附管道经废气入口阀进入吸附器，废气中有机物被吸附净化单元的活性炭床层吸附，净化后洁净空气流经净化气出口阀、排气管道，由排风机排入大气； （3）脱附过程：当吸附净化单元吸附饱和后，气源（6）向吸附器内通入空气或贫氧气，控制系统向吸附净化单元输入电流，并控制电加热过程；电加热过程分为两个阶段进行，第一阶段为升温阶段：吸附净化单元在通电条件下利用自身产生的焦耳热能进行自体加热，温度由室温升至再生温度，再生温度为50-300℃；第二阶段为保温阶段：保持再生温度恒定，保持时间10-60min。

10.脱附过程中持续通入一定量的空气或贫氧气流对吸附净化单元进行吹扫，脱附的高浓度有机蒸汽在空气或贫氧气的吹扫压力下被送至后处理系统，进行冷凝回收、吸收回收或氧化处理； （4）冷却过程：电加热过程结束后，停止通入空气或贫氧气，启动冷却风机，向吸附器内通入新鲜空气或净化气，使吸附净化单元的活性炭床层温度降至室温，冷却尾气夹杂少量污染物被送入吸附管道进行吸附，保证冷却过程无污染物排放。

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