CN111036030B - 一种气体吸附分离装置 - Google Patents

Abstract

现有的气体吸附浓集装置中的转轮吸附器和再生式固定床吸附器在处理挥发性有机污染物污染空气时高浓集比和低排放浓度是一对矛盾。本发明公开了一种气体吸附浓集装置，包括吸附功能模块和其他功能模块，吸附功能模块的主要功能部分为由两个以上顺序排列的吸附单元组成的吸附序列，包括头端和尾端，待分离气体从头端至尾端的方向通过吸附序列，当位于头端的吸附单元完成对吸附质的饱和吸附后脱离所述的吸附序列进入其他功能模块，并在完成脱附处理后从尾端依顺序重新进入吸附序列。该装置使得气体吸附浓集装置可以兼顾高浓缩比和低的排放浓度并可以显著降低系统能耗。

Description

一种气体吸附分离装置

技术领域

本发明涉及一种气体吸附分离装置，进一步涉及一种用吸附法浓集有机废气污染物的装置及其具体应用。

背景技术

吸附法气体浓集技术在大气挥发性有机化合物(VOCs，本文简称为有机污染物)污染治理领域得到越来越广泛的应用。常见的气体吸附浓集装置包括转轮吸附器和再生式固定床吸附器。这些气体吸附浓集装置设计的最终目的是尽可能地将有机污染物的废气浓缩并使得处理后排放的废气中的有机污染物达到或低于政府规定的标准排放浓度。换言之，这些装置的设计目标包括两个：高浓缩比和低排放浓度。如果从提高浓缩比的角度，应该让吸附床吸附尽可能多的有机污染物，极端的情况是让所有吸附剂达到饱和吸附，其结果必然是处理后废气的排放浓度严重超标，最坏的情况是在某些区域(转轮吸附器)或某个时间段(再生式固定床吸附器)处理后排出废气的浓度与进入的废气相同。追求高浓缩比的意义在于将高浓缩比的有机污染物浓集气体再进一步处理，比如氧化摧毁时无需添加使得这种低浓度燃气得以稳定燃烧，包括但不限于直接燃烧、催化燃烧、蓄热式燃烧或催化蓄热式燃烧；或液化捕集回收时可以减少需要处理的气体的容量，从而节省可观的费用。从控制排放浓度的角度，应该让在有机污染物穿透吸附床前就转入脱附，并在脱附过程中尽可能地使得吸附床完全脱附，极端的情况是让吸附床中所有吸附剂达到完全地脱附，其结果必然是浓缩比大大降低，直至完全没有浓缩作用，甚或是变成稀释过程。因为脱附过程从热力学原理上是一个吸附质浓度呈指数性降低的稀释过程，用于脱附的有机污染物浓度为零的清洁空气也会变成污染空气。现实应用中所有设计方案都是根据具体应用的实际参数在两种极端条件之间折衷，在浓缩比和排放浓度两个对立的目标之间实现一种可以接受的处理结果。图1为吸附转轮的功能分区示意图，沿吸附区中A到B和脱附区C到D的弧线在吸附床气流方向上的剖面的有机污染物浓度的分布大致如图2所示。转轮吸附床在转出吸附区时气流流出一侧很大的部分不能达到饱和，而在脱附区，大部分脱附气体通过的是饱和度非常低的区域。再生式固定床吸附器的有机污染物在与气流方向垂直的横截面空间上的浓度分布，理想状态下理论上是均匀的，其纵切面上与气流方向一致的每条线状区域在时间上轴上的有机污染物浓度变化规律也符合图2所示的规律。

文中的脱附，行业中也称为解吸附，含义完全相同。

发明内容

本发明公开的气体吸附浓集装置从根本上化解了以上对两个目标追求的矛盾，使得气体吸附浓集装置可以兼顾高浓缩比和低的排放浓度。

参见附图3，本发明公开的气体吸附分离装置的基本结构包括吸附功能模块01和其他功能模块02。其他功能模块02包括脱附装置021。吸附功能模块的主要功能部分为由两个以上顺序排列的吸附单元组09成的吸附序列011。吸附序列011包括头端0111和尾端0112，待处理气体081从头端至尾端的方向通过所述的吸附序列。当位于头端的吸附单元完成对吸附质气体的饱和吸附后脱离所述的吸附序列011进入脱附装置021，并在完成脱附处理后从尾端0112依顺序重新进入吸附序列011。所述的吸附单元为由吸附剂和机械支持结构组成具有适当的机械强度和良好通透性的吸附固定床。完成饱和吸附的吸附单元称为饱和吸附单元091，完成脱附再生的吸附单元称为再生吸附单元092。

根据具体应用的不同，本发明的气体吸附分离装置根据具体应用的不同，可以采用不同的吸附脱附方式，主要包括变温吸附、变压吸附或变温变压吸附，还可以包括一些不太常用的方式，主要体现在脱附的不同如微波脱附、置换脱附、萃取脱附。所谓变温吸附是指利用吸附剂在不同温度下对吸附质的吸附能力不同而实现对吸附质的浓集或分离，通常情况下是低温吸附，高温脱附。所谓变压吸附是指利用吸附剂在不同气压分压下对吸附质的吸附能力不同而实现对吸附质的浓集或分离，通常是高压吸附，低压脱附。所谓变温变压吸附是上述两者的结合，通常情况下是低温高压吸附，高温低压脱附。

参见附图4，在采用变温吸附的吸附脱附方式时，脱附装置021的主要功能部分可以由两个以上顺序排列的饱和吸附单元091组成的脱附序列0211，包括饱和端02111和再生端02112。高温脱附气体082从再生端02112至饱和端02111的方向通过所述的脱附序列0211，生成浓缩吸附质气体0821，当饱和吸附单元091完成脱附再生后生成再生吸附单元092脱离所述的脱附序列0211。这样高温脱附气体082在通过脱附序列0211时将其所携带的热量逐渐传递给吸附床的吸附剂，吸附剂温度逐渐升高，吸附质溢出，完成脱附。

参见附图5-6，完成脱附的再生吸附单元092处于高温状态，需要降低到低温状态才适于重新进入吸附状态。在本发明的气体吸附分离装置中，可以在其他功能模块中设置热再生装置022，热再生装置022的作用是将高温再生吸附单元092所蕴含的热量传递给脱附气体082的源气体，源气体解热后生成脱附气体082。在实际应用中热再生装置022的主要功能部分可以由两个以上顺序排列的高温再生吸附单元092组成的热再生序列0221，包括热端02211和冷端02212，完成脱附的高温热再生吸附单元092从热端02211加入热再生序列0221，热再生气体083从冷端02212至热端02211的方向通过所述的热再生序列0221，并经过恒温加热后生成高温脱附气体082，进入所述的脱附装置021。完成热交换的再生吸附单元092从冷端脱离热再生序列0221，重新进入吸附功能模块01的吸附序列011。如果热再生装置022设置为仅由一个再生吸附单元，如附图5，也是可行的，只是降温效果欠佳，热再生效率较低。

在上面利用变温吸附原理的技术方案中，整个装置运行过程中，包括吸附过程、脱附过程、降温与热再生过程中，吸附剂和工作气体之间的相对运动均实现了化工领域和热工领域经常采用的持续的完全的逆流传质传热过程。这里的工作气体包括污染空气和脱附气体。其中吸附过程的全逆流传质是本发明的核心技术要点，使得完成吸附的进入脱附过程的吸附单元确保处于该工作条件下(主要包括颗粒状吸附剂的粒度或固体成型吸附剂通道间隔壁厚、吸附质浓度、气流速度和温度等)的饱和吸附状态。这里的“饱和”通常是指动态饱和，即特定工作条件下在保证工作效率和经济性的条件下所能达到的接近静态饱和的相对饱和状态。这将主要决定脱附气体的最高浓度。脱附过程的全逆流传质传热使得完成脱附、即将重新进入吸附过程的再生吸附单元确保处于该工作条件下(主要包括吸附剂的粒度或通道间隔壁厚、脱附气体气流速度和温度)的充分脱附状态，这将主要决定处理的污染空气的最低排放浓度。脱附气体的低容量和有机污染物的高浓度还将降低将其用火力摧毁或用凝集法回收时的能耗。热再生过程的全逆流传热将降低吸附剂热再生过程中必须消耗的热能。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1.沸石转轮结构示意图。

图2.沸石转轮及再生式固定吸附床工作过程吸附质浓度分布或浓度变化示意图。

图3.气体吸附分离装置的基本结构模式示意图。

图4.设置了脱附序列的气体吸附浓集装置的基本结构模式示意图。

图5.设置了脱附序列和热再生装置的气体吸附浓集装的置基本结构模式示意图。

图6.设置了脱附序列和热再生序列的气体吸附浓集装置的基本结构模式示意图。

图7.设置了蓄热燃烧摧毁装置，通过功能模块之间位置移动实现的气体吸附浓集装置的结构示意图。

图8.图7所示气体吸附浓集装置的实现吸附单元在功能模块之间移动的单元移动装置的示功能结构意图。

图9.设置了吸附单元存储供应装置、饱和吸附单元回收装置及减压脱附装置的气体吸附浓集装置的结构示意图。

图10.集中处理升温脱附的气体吸附浓集装置的结构及运行模式示意图。

图11.设置了热再生装置的气体吸附浓集装置结构示意图。

图12.图11所示装置改用热再生序列作为热再生装置。

图13.通过管路切换圆盘实现气体吸附浓集装置结构示意图，采用变温吸附原理。

图14.通过管路切换圆盘实现气体吸附浓集装置结构示意图，采用变温变压吸附原理。

具体实施

实施例1

单元移动式气体吸附浓集装置，参见附图7-8。

参见附图7。该装置包括吸附装置11、脱附装置12、饱和过渡腔13和再生过渡腔14。吸附装置11包括吸附腔111和吸附腔内容纳的吸附序列112，吸附序列112包括头端1121和尾端1122，吸附序列包括两个以上的吸附单元1113，位于头端的完成饱和吸附的单元为饱和吸附单元11131。

脱附装置12包括脱附腔121和脱附腔内容纳的脱附序列122，脱附序列122包括饱和端1221和再生端1222，脱附序列包括两个以上的在脱附吸附单元1223，位于再生端的完成脱附的吸附单元为再生吸附单元12231。

吸附腔111和脱附腔121的两端之间分别由饱和过渡腔13和再生过渡腔14连通，并在它们之间连接处各设置了1个可容吸附单元通过的阀门，它们分别是151、152、153、154。饱和过渡腔13和再生过渡腔14的作用是在包括吸附装置11、脱附装置12保持不间断工作的情况下完成吸附单元在两个腔室之间转运并避免两个腔室之间发生不同处理状态的污染气体的发生串混。如果采用间断工作模式，即吸附单元转运时停止污染气体处理，可以取消两个过渡腔。

该实施例的吸附与脱附是用了变温吸附的方式。

该气体吸附浓集装置工作时吸附腔和脱附腔均填满吸附单元，大流量待处理气体从吸附序列112头端1111至尾端1112穿过位于吸附腔内的吸附序列，当位于头端的吸附单元达到饱和吸附时，位于吸附腔和饱和过渡腔之间的阀门151打开，机械装置将该饱和吸附单元11131推入饱和过渡腔，阀门151关闭，机械装置将整个吸附序列向头端推移。脱附腔与再生过渡腔之间的阀门153打开，机械装置将位于再生序列再生端的再生吸附单元12231推入再生过渡腔，阀门153关闭，机械装置将脱附腔内的脱附序列向再生端推移，脱附腔饱和端空出位置。饱和过渡腔与脱附腔之间的阀门152打开，机械装置将该饱和吸附单元11131拉入脱附腔。饱和过渡腔与吸附腔之间的阀门154打开，机械装置将再生过渡腔内的再生吸附单元12231拉入吸附腔。按照以上顺序，吸附单元在4个腔室内循环移动。整个过程中小流量高温脱附气体不间断的自饱和端至再生端通过位于脱附腔内的脱附序列。在该气体吸附浓集装置中待处理气体和高温脱附气体的流量比可以在10∶1-50∶1或更高。高温脱附气体含有的有机污染物如果是适合燃烧且回收价值不高的成分，则通常是送往燃烧摧毁装置销毁。图中18是一种蓄热式燃烧器的结构示意图。根据脱附气体的热值和有机物可燃性的不同，该燃烧摧毁装置还可以是直燃器、催化燃烧器或蓄热式催化燃烧器。如果脱附气体热值足够高，有机污染物的燃烧摧毁过程还可以提供给脱附气体加热的热量。这也是本发明所做的技术改进的最终目的之一。

吸附单元在4个腔室之间的转运可以由一系列的常用动力机械装置自动完成。参见附图8，在该实施例中可以采用4个液压或气动推杆，其中推动吸附单元在吸附或脱附腔内运动的推杆分别是181-1和181-2。推动或拉动吸附单元在吸附腔、脱附腔、饱和过渡腔和再生过渡腔之间运动的推拉杆分别是182-1、182-2-182-3和182-4。

图7中过渡腔与吸附腔、脱附腔之间的阀门用双开的旋转门示意表示，本实施例中实际应用的是液压或气动闸板阀，图中编号是151-1、152-1、153-1和154-1。

实施例2

单元供给与回收式气体吸附浓集装置，参见附图8-9。

实施例所示的气体吸附浓集装置对应的具体应用的重要条件之一是待处理废气流量和有机污染物浓度基本稳定，因为热脱附需要利用废气中有机污染物作为发热燃料来保持基本稳定的高温环境。如果废气排放时断时续，或流量、浓度波动极大，则会对解吸附过程造成不良影响，通常需要额外添加补充燃料。实施例2公开的单元供给与回收式气体吸附浓集装置则可以极好地适应这种情况。

单元供给与回收式气体吸附浓集装置的具体方案是将气体吸附浓集装置的吸附装置11和脱附装置12分为独立的两部分，并增加了吸附单元周转装置16，包括吸附单元供给装置161和吸附单元回收装置162。单元周转装置16的机械结构可以参考可连发射枪械的弹舱结构。将吸附装置11中位于吸附序列头端已完成饱和吸附的饱和吸附单元191用机械装置移入通过阀门与吸附腔连接的密闭的吸附单元回收装置162，并从通过阀门与吸附腔连接的吸附单元供给装置161向吸附腔补充新的或完成再生的吸附单元192。待吸附单元回收装置充满饱和吸附单元后，移至单独的脱附装置12对饱和吸附单元进行脱附处理。解吸附装置可以与真空泵194、压缩凝析装置195和存贮装置196连接，回收分离出来的有机污染物，如图9所示。也可以将多个气体吸附装置产生的充满饱和吸附单元的吸附单回收装置集中到一个脱附装置处，用热脱附方式连续脱附处理，如附图10所示。总之，脱附装置可以采用包括热脱附、减压脱附、热减压脱附和置换脱附等任何合适的脱附方式。

实施例3

热再生气体吸附浓集装置，参见附图11-12。

实施例1所示的气体吸附浓集装置中完成脱附的再生吸附单元经过渡腔进入再生腔加入吸附序列时仍处于高温状态，虽然大流量的已基本完成吸附的污染空气会很快带走其热量并不会对吸附过程造成显著影响，但造成了系统热能的流失，这对发明该装置的初衷之一的降低能耗有一定负面影响。

克服该技术缺陷的技术方案是用热再生装置17代替实施例1中的再生过渡腔14，将高温再生吸附单元所蕴含的热量用再生气体携带传递到吸附序列，参见附图10。具体来说，在过渡腔的左右两面分别设置进风口172和排风口173，经空气过滤器174过滤的空气透过位于热再生装置17内的再生吸附单元，再经过风机175加压，热交换器176加热，进入脱附腔121。

参见附图11，为了进一步提高热再生装置的热再生效率，热再生装置内可以设置热再生序列171。热再生序列171包含两个以上的再生吸附单元，包括热端1711和冷端1712。热端1711通过阀门与脱附腔121的再生端1212连通。冷端1712通过阀门与吸附腔111的尾端1112连通。吸附单元的运动传递方式可以参考实施例1。

实施例4

转盘式变温吸附气体吸附浓集装置，参见附图12。

本实施例用一套管路切换圆盘和一系列的截止阀取代了实施例3的吸附单元转运机械装置，同样可以实现空气污染物的饱和吸附，以及吸附序列和解吸附序列，必要时也可以包括热再生序列，其中的吸附剂和工作气体之间完全的逆流传质传热过程。

该装置包括一个可以在动力驱动下间断转动的旋转底座21，旋转方向为顺时针，规定相对圆盘上某一点，位于其顺时针方向上的另一点为顺侧，逆时针方向的另一点为逆侧。6个固定床吸附器22-1、22-2、22-3、22-4、22-5和22-6呈中心对称固定在旋转底座21上，并通过管道连通成一个闭合的圆环，在每段连接固定床吸附器的管道中间设置一个可以自动控制开闭的截止阀23，在每个固定床吸附器顺侧和逆侧两端各设置一条切换管24通向旋转底座21外周，共12条，并在切换管24的外端设置切换截止阀的旋转部251。在旋转底座21以外设置6个与地面固定的切换截止阀的固定部252。由旋转部251和固定部252组成的完整切换截止阀25，具有旋转切换和截止开通两个功能，可以由设置在旋转底座上的独立截至阀和分别设置在旋转底座与地面上的两部分组成的切换阀替代。旋转阀的结构可以参考市售的旋转四通转向阀，区别是由4个通路之间的切换变为多个通路的切换，当旋转部旋转到没有固定部与之对应时，相当于固定部的位置也有一个封堵装置将其封闭。

6个固定床吸附器分成3组，其中22-1、22-2和22-3为吸附组，22-4和22-5为脱附组，22-6为热再生组。切换截止阀的固定部252编号与固定床吸附器编号对应，顺侧编为252-XA，逆侧编为252-XB，X为固定床吸附器顺序编号。污染空气供应管261与切换截止阀的固定部252-3A连通，处理后污染空气排放管262与切换截止阀的固定部252-1B连通，再生空气供应管263与切换截止阀的固定部252-6A连通，脱附空气加热管抽出、输入两端264、265分别与切换截止阀的固定部252-6B，及切换截止阀的固定部252-5A连通，脱附气体排出管266与切换截止阀的固定部252-4B连通。吸附组3个固定床吸附器之间和脱附组两个固定床吸附器之间共3个截止阀开通，其余各组之间的3个截止阀关闭。脱附气体排出管与蓄热燃烧炉27的进气管271连通，蓄热燃烧炉27的排烟气管272与处理后污染空气排放管262并流连通到烟囱(未画出)。

工作时污染空气从污染空气供应管261进，顺序通过3个吸附组固定床吸附器其中22-3、22-2和22-1，从处理后污染空气排放管262排出。再生空气从再生空气供应管263入，通过热再生组固定床吸附器22-6，经过蓄热燃烧炉27的加热，再通过脱附组固定床吸附器22-5和22-4，从脱附气体排出管266排出，通入蓄热燃烧炉27，燃烧摧毁其中携带的有机污染物，经排烟气管272与处理后污染空气并流经烟囱排放至高空大气中。运行中每经过一定运行时间或该装置接受了一定量的有机污染物，使得固定床吸附器其中22-3的吸附能力达到饱和，旋转底座21旋转60°，吸附器重新编组。

一个固定床吸附器通过6步转换完成整个处理周期，每相邻两次转换动作之间的时间称为1个处理区间。

固定床吸附器进入吸附序列后，经过2个处理区间通过2次转换从吸附序列的尾端移动头端，再经过一个处理区间完成饱和吸附，经第3次转换后进入升温脱附序列的饱和端，一个处理区间后经第4次转换运行至升温脱附序列的再生端，再经一个处理区间后经第5次转换到热再生区间，热再生区间只有1个，完成后再次转换进入下一个循环。

实施例5

转盘式变温变压吸附气体吸附回收装置，参见附图12。

实施例4所示的转盘式变温吸附气体吸附浓集装置，如果面对下面两种具体应用时，是有其局限性的。一、污染空气中含有不宜用燃烧法摧毁的有机污染气体，如含有较多的硫、磷、卤素元素或同时含有苯环和氯元素，这些气体燃烧后会产生次生的污染物。二、污染物中含有足够量的高价值有机污染气体，具有回收价值。

本实施例公开了一种利用变温变压吸附法消除空气污染，同时回收有机污染物的气体吸附回收装置。

该装置的染空气吸附组与实施例4所示的装置相似，仅增加了一个处理期间，装置的主要区别在于取消了热再生组，脱附区间的地面固定装置的功能设置做了改变。该装置的脱附组包含两个处理期间，循环风加热区间和真空脱附区间。与循环风加热区间相对应的装置包括热风炉291、风机292和减压阀293。与真空脱附区间相对应的地面固定装置为节流阀297、真空泵294、冷凝器2951和液体储罐296。

热风炉291、风机292串联后两端分别通过切换截止阀25与循环风加热区间的固定床吸附器22两端的切换管24连通。真空泵294和节流阀297分别通过切换截止阀25与真空脱附区间的固定床吸附器22两端的切换管24连通。减压阀293连通循环风加热区间和真空脱附区间之间的管路。在真空泵后面依次连接冷凝器295和液体储罐296。冷凝器295的液体排放口连接液体储罐296，不凝气排放口与污染空气供应管261连通。

固定床吸附器完成饱和吸附后旋转至循环风加热区间，通过热风炉和风机加热，吸附床温度逐渐升高，吸附剂释放出的有机污染物气体和气体热膨胀一起有导致管路内气压升高的趋势，气体经减压阀减压后与真空脱附区间的固定床吸附器排除的气体一起进入真空泵。固定床吸附器完成循环风加热后旋转至真空脱附区间，在真空泵导致的低气压下继续释放有机污染物气体，并在真空脱附接近完成时经节流阀有控制地输入少量空气，进一步冲洗出剩余的有机污染物气体。经真空泵排出的含有机污染物气体的混合气经冷凝器分离出有机污染物液体流入液体储罐完成收集储存。由冷凝器排出的不凝气内可能含有少量有机污染物，将其并入污染空气输入管循环吸附净化。

Claims (2)

1.一种气体吸附分离装置，其特征是包括吸附功能模块、其他功能模块，所述的吸附功能模块的主要功能部分为由两个以上顺序排列的吸附单元组成的吸附序列，吸附序列包括头端和尾端，待分离气体从头端至尾端的方向通过所述的吸附序列，当位于头端的吸附单元完成对吸附质气体的饱和吸附后脱离所述的吸附序列进入包括脱附装置的其他功能模块，并在完成包括脱附处理的其他工艺处理后从尾端依顺序重新进入吸附序列，所述的吸附单元为由吸附剂和机械支持结构组成具有适当的机械强度和良好通透性的吸附固定床，完成饱和吸附的吸附单元称为饱和吸附单元，完成脱附再生的吸附单元称为再生吸附单元。

2.如权利要求1所述的气体吸附分离装置，其特征是所使用的吸附脱附方式为变温吸附、变压吸附或变温变压吸附三者任选之一。

Images