CN112283728A - 一种无焰燃烧voc处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无焰燃烧VOC处理装置及处理方法。本发明所述的处理装置，包括用于气体通入的进气管，所述进气管的出气口与掺混室的第一进气口连通，所述掺混室的第一出气口与回型反应炉的进气口连通，所述回型反应炉的出气口分别与所述掺混室的第二进气口以及排气管的进气口连通。本发明通过的处理装置是无活动部件，热量回收效率高，运行成本低，处理VOC浓度范围宽。

Description

一种无焰燃烧VOC处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及一种VOC处理装置，特别涉及一种无焰燃烧VOC处理装置及处理方法。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOC)是对熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称，常见成分包括苯、甲苯、二甲苯、酚类、甲醛、乙醛、丙烯晴(非甲烷总烃)、乙苯、苯乙烯等，VOC中的有些物质会对人体和环境造成直接危害，如甲醛能够刺激人的咽部和肺部，引起呼吸困难、头疼、胸闷，VOC还会对大气环境造成更为严重的间接危害，如光化学污染和增加臭氧浓度等。当前运用氧化法处理VOC分为催化氧化法和热氧化法。催化氧化法是运用贵金属催化剂对VOC进行催化使其发生反应，反应过程无火焰且温度在200-450℃之间，大致适用在浓度3-10g/m3，但催化剂容易中毒且贵金属的成本高；热氧化法当前分为热力燃烧式、间壁式和蓄热式，操作温度为700-860℃之间，热力燃烧需要添加助燃剂作为辅助燃烧最终实现有机废气的无害处理，但其加入辅助燃料成本高且装置温度较高使其操作费用高；间壁式热氧化器是在期间加入了间壁式换热器，将燃烧后气体热量换热给进口尾气，其预热后可促成氧化反应，其热回收效率以达85％且大幅降低了辅助燃料的燃烧，其适用于浓度较大(10-25g/m3)的情况下，但间壁式热交换器造价高且热应力难以消除；蓄热式热氧化器简称RTO即在热氧化装置中加入使用蓄热材料的蓄热式换热器，对VOC预热后进行氧化反应，热回收利用率可达95％，辅助燃料消耗少，其一般适用于0.1-8g/m3，其往往需要多个蓄热室配合且吹起方向需要通过控制阀不断改变。而无焰燃烧中通过控制无焰燃烧的回流量和气体预热温度具有达到稀释氧化剂浓度和控制无焰燃烧反应温度的特点。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中处理VOC存在的诸多问题如催化氧化的浓度限制、成本高、热应力难以消除等，本发明提供一种采用无焰燃烧组织VOC反应的VOC处理装置，全装置无活动部件，热量回收效率高。本发明还提供了该装置处理VOC的方法，整个处理过程运行成本低，处理VOC浓度范围宽。
技术方案：本发明所述的一种无焰燃烧VOC处理装置，包括用于气体通入的进气管，所述进气管的出气口与掺混室的第一进气口连通，所述掺混室的第一出气口与回型反应炉的进气口连通，所述回型反应炉的出气口分别与所述掺混室的第二进气口以及排气管的进气口连通。
所述排气管道中设置有管壳式换热器，所述管壳式换热器的进气口与所述掺混室的第一出气口连通，所述管壳式换热器的出气口与回型反应炉的进气口连通。
所述回型反应炉的出气口与所述掺混室的第二进气口之间设置有用于流量调节室，所述流量调节室分别设置有与回型反应炉的出气口连通的第三进气口、与第二进气口连通的第二出气口、与所述排气管的进气口连通的第三出气口以及用于分配进入掺混室以及排气管气体流量的调节机构。
所述调节机构为设置于第三进气口处的挡板，所述挡板在第三进气口处将进气流道分成与排气管连通的第一流道和与掺混室连通的第二流道。
所述排气管中设置有单管式换热器，所述单管式换热器穿过排气管与进气管的进气口连通。
所述回型反应炉上设置有用于加入辅助燃料的加料口。
本发明所述的一种无焰燃烧VOC处理装置，包括回型反应炉、设置于回型反应炉进气口的管壳式换热器、设置于回型反应炉出气口的流量调节室、与所述流量调节室连通的垂直设置的排气管、分别与所述流量调节室和管壳式换热器连通的掺混室以及与所述掺混室连通的进气管；所述进气管的进口与穿过排气管的单管式换热器连通，所述管壳式换热器位于排气管内部。
所述流量调节室内设置有用于气体流量分配的调节机构。
所述掺混室内设置有用于气体掺混的折流板组件。
本发明所述的一种无焰燃烧VOC处理方法，包括以下步骤：
(S1)待处理气体通过单管式换热器后进入进气管，单管式换热器穿过排气管，与排气管内的排气进行换热后进入掺混室；
(S2)回型反应炉的出气口与流量调节室连通，经回型反应炉处理后的排气经过流量调节室的分配，分别送入掺混室以及排气管；
(S3)自回型反应炉出口送入掺混室的排气与自进气管送入的待处理气体在掺混室混合后形成掺混气体，送入管壳式换热器，管壳式换热器位于排气管内部，送入管壳式换热器的掺混气体与经过排气管的排气换热后送入回型反应炉的进气口，经过回型反应炉的处理后，通过回型反应炉的出气口排出后送入所述流量调节室。
有益效果：(1)相比于传统热力燃烧法除VOC，本发明的无焰燃烧VOC处理装置，采用组织无焰燃烧的方式对VOC进行反应处理成无害的二氧化碳和水蒸汽，无焰燃烧具有反应区分布均匀，无局部反应高温的特点，且操作温度也较传统燃烧略低；(2)相比于有间壁式和蓄热式换热的燃烧氧化装置，本发明的处理装置通过掺混室的设置，将热量回收大部分集中在回收箱内的反应后气体与VOC气源的直接接触掺混换热，该部分气体热量被全部回收，少部分热量回收通过设置的管壳式换热器实现，无焰燃烧的操作温度较传统燃烧方式较低，且此时的管壳式换热器两边温差小热应力低；(3)本发明的大部分排气和进口VOC气体直接接触掺混并跟随待处理气体回流进装置主体继续处理，不需要外加换热器且该部分气体热量被全部回收；(4)本发明在回型反应炉的出口设置一个可调节的出口流量的流量调节室，将反应后的高温气体分流成两股，其中一大部分进入掺混室对带反应气体掺混预热并全部回流稀释氧化剂浓度满足无焰燃烧，另一部分高温气体相继与掺混后气体和VOC气源气体换热，换热器两边温差小；热量回收效率可达95％以上；(5)本发明的处理装置无活动部件，维修成本低，热量回收的大部分处理存在于回收箱中，是直接接触换热不需要外加传热媒介，热量回收效率高，运行成本低，处理VOC浓度范围宽处理浓度范围可达到0.1ppm-25ppm。
附图说明
图1为实施例1的无焰燃烧VOC处理装置的结构示意图；
图2为实施例1的无焰燃烧VOC处理装置的结构示意图；
图3为实施例1的无焰燃烧VOC处理装置的结构示意图；
图4为实施例1的掺混室的一种可选结构示意图；
图5为为VOC不同浓度时允许的最大回流量曲线图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，本发明所述的一种无焰燃烧VOC处理装置，包括用于气体通入的进气管1、掺混室2、回型反应炉3、排气管4、管壳式换热器5、流量调节室6以及单管式换热器7。
掺混室2分别设置有第一进气口201、第一出气口202以及第二进气口203，进气管1的出气口与掺混室2的第一进气口201连通，掺混室2的第一出气口202与回型反应炉3的进气口连通，回型反应炉3的出气口分别与掺混室2的第二进气口203以及排气管4的进气口连通。
为了实现从掺混室2的第一出气口202中的掺混气体与回型反应炉3的出气口进入排气管4中的排气进行换热，在排气管4中设置有管壳式换热器5，管壳式换热器5将掺混室2的第一出气口202与回型反应炉3的进气口连通，此时经过管壳式换热器5中掺混气体与排气管4中的排气换热，进行热量回收。
回型反应炉3的出气口分别与掺混室2的第二进气口203以及排气管4的进气口连通，为了实现回型反应炉3的出气口的排气进入掺混室2与排气管4中的排气分配，在回型反应炉3的出气口与掺混室2的第二进气口203之间设置流量调节室6，同时流量调节室6还与排气管4连通，即回型反应炉3中的排气经过流量调节室6分配流量后，分别进入掺混室2和排气管4，流量调节室6分别设置有与回型反应炉3的出气口连通的第三进气口601、与第二进气口203连通的第二出气口602、与排气管4的进气口连通的第三出气口603以及用于分配进入掺混室2以及排气管4气体流量的调节机构604。
如图3所示，在一种可选实施方式中，调节机构604为设置于第三进气口601处的挡板，挡板在第三进气口601处将进气流道分成与排气管4连通的第一流道605和与掺混室2连通的第二流道606，如流量调节室6为方柱形的管道，该挡板与回型反应炉3的排气方向平行设置，将作为流量调节室6的方柱形的管道分为上下两个流道，位于上方的流道为第一流道605与排气管4连通，位于下方的流道为第二流道606与掺混室2连通，通过挡板的上下位置调节，控制两个流道的大小，进而控制排气分配。挡板的上下调节通过现有的技术手段可以实现，如在流量调节室6的顶板上固定有与挡板垂直设置的连接板，在实现挡板一侧固定的同时，通过调节连接板与深入流量调解室6内的距离，实现挡板的上下调节。
分配进入排气管4内的排气经过第一次与掺混室2送入的掺混气换热后，还有部分的热量可以回收，在本实施例中，进一步在排气管4中设置有单管式换热器7，单管式换热器7穿过排气管4与进气管1的进气口连通，待处理气体(VOC)通过单管式换热器7送入进气管1，在单管式换热器7实现待处理气体(VOC)与排气换热后，进入掺混室2。
如图1所示，为了保证回型反应炉在不同浓度气体的情况下均可实现持续燃烧，本实施例中，在回型反应炉3的进气口设置有用于加入辅助燃料的加料口301，用于在VOC气体浓度过低时，添加辅助燃料，实现持续燃烧。
如图4所示，掺混室2上由于设置了两个进气口用于气体掺混，为了更好地实现本发明的目的，即保证气体在掺混室中充分混合，本实施例中在掺混室2内设置了折流板组件204，该折流板组件可以根据需要任意调整在掺混室2内的布局，在一种可选的实施例中，当掺混室2为方柱形腔室，在掺混室2靠近第二进气口203处设置有一个竖直的第一折流板2041(矩形板)，在第一折流板2041的底端固定有平行于掺混室2底板的第二折流板2042(矩形板)，在第二折流板2042的另一端(与第一折流板2041相对的一端)固定有竖直设置的第三折流板2043，第三折流板2043与掺混室2的顶端留有一定距离，用于自第二进气口203送入的气体通过第二折流板2042以及第三折流板2043与掺混室2之间形成的流道后，与进气管1的送入的进气掺混，得到掺混气，在第一折流板2041与第三折流板2043之间还可以设置第四折流板2044，第四折流板2044分别与第一折流板2041与第三折流板2043平行设置，第四折流板2044固定于掺混室2的顶板上，并距离第二折流板2042有一定距离，第一进气口201与第一出气口202分别位于第四折流板2044两侧，并位于第一折流板2041与第三折流板2043之间，自进气管1送入的进气与自第二进气口203送入的排气经过折流板204组件后，可实现充分的混合和换热。
如图3所示，为了进一步增加掺混效果，本实施例中，在进气管1与掺混室2的连接段，直径由上至下方向逐渐减小，增加气体流速，在经过加速的进气进入掺混室后，经过与第二进气口203的气体充分掺混后送入管壳式换热器5。
参见图1-3，为了简化结构的占地空间以及管路设置，本实施例中的无焰燃烧VOC处理装置整体设置成回型结构。
如图2所示，为了清楚描述无焰燃烧VOC处理装置的结构，X轴延伸的方向为横向，也为前至后方向，Y轴延伸的方向为竖向，也为下至上方向，图中Z轴延伸的方向为纵向，也为左至右方向，该方向的定义仅是为了说明每个部件的相对位置，并非对结构本身的限定。本实施例中回型反应炉3的进气口处设置有管壳式换热器5，回型反应炉3的出气口设置有流量调节室6，流量调节室6为与回型反应炉3出气口连通的中空的方柱形、长柱形或者圆筒形结构，在本实施例中，流量调节室6为中空的方柱形腔室，在流量调节室6顶面垂直设置的排气管4，该排气管4也为中空的柱形结构，沿着流量调节室6的顶面向上延伸，同时流量调节室6的右侧出口设置有方柱形的掺混室2，掺混室2的顶面设置有进气管1，与掺混室2连通的一段进气管1与排气管4平行设置，为了实现进气与排气的换热，在排气管4的顶端设置有一段纵向(左右)延伸的单管式换热器7，单管式换热器7(可选择方管或者圆管)的进气口和出气口分别设置在排气管4的侧壁，单管式换热器7的进气口用于待处理气体送入，单管式换热器7的出气口与进气管1连通，故在该实施方式中，进气管1还包含一段纵向延伸的连接管道。
管壳式换热器5设置于单管式换热器7与流量调节室6的第三出气口603之间，位于排气管4内，管壳式换热器5在排气管4内纵向延伸，通过若干根换热单管将掺混室2送入的掺混气与排气管4内的排气换热，随后通过管壳式换热器5送入回型反应炉3，掺混室2的第一出气口202与管壳式换热器5的进气口之间设置有用于掺混气送入的连接管205，为了克服连接管205与管壳式换热器5之间的管径差，本实施例中在管壳式换热器5以及该连接管205之间设置有一个缓冲腔8，惨换气送入缓冲腔8后进入管壳式换热器5。
本实施例中的处理装置用于VOC的具体处理方法，包括以下步骤：
步骤1：待处理气体通过单管式换热器7后进入进气管1，单管式换热器7穿过排气管4，与排气管4内的排气进行换热后进入掺混室2；
步骤2：回型反应炉3的出气口与流量调节室6连通，经回型反应炉3处理后的排气经过流量调节室6的分配，分别送入掺混室2以及排气管4；
步骤3：自回型反应炉3出口送入掺混室2的排气与自进气管1送入的待处理气体在掺混室2混合后形成掺混气体，送入管壳式换热器5，管壳式换热器5位于排气管4内部，送入管壳式换热器5的掺混气体与经过排气管4的排气换热后送入回型反应炉3的进气口，经过回型反应炉3的处理后，通过回型反应炉3的出气口排出后送入流量调节室6。
本发明的工作原理：
VOC尾气通过进气管1、掺混室2、管壳式换热器5后进入装置后通过喷入辅助燃料燃烧使得待处理气体达到无焰燃烧需要的温度，随后进入回型反应炉3形成稳定的无焰燃烧，处理成无害的二氧化碳和水蒸汽，然后处理后气体分成两部分，一部分通过掺混室2与待处理气体(VOC尾气)直接接触换热，预热待处理气体并随待处理气体回流进入回型反应炉3中，增加待反应气体的湍流强度，使回流气体热量全部回收利用并稀释反应区内的氧化剂浓度维持无焰燃烧，另一部分处理后气体(排气)途径管壳式换热器5和单管式换热器7分别与上述掺混回流的混合气(掺混气)和进气管1中的待处理尾气换热，使全装置热量回收效率最大可达95％以上。
本发明的处理装置克服了现有技术中的以下问题：(1)无法处理VOC浓度较低气体，组织正常燃烧困难的问题；(2)催化氧化的浓度受限，通常适用于浓度3-10g/m3，且催化剂多为贵金属容易中毒成本高；(3)热力燃烧辅助燃料成本高，间壁式或蓄热式氧化器热应力难以消除，且各式适用浓度范围窄的问题。
当VOC废气为较低浓度废气(<2g/m3)时，无法保持自供热，可以在气体通过回型反应炉3时持续喷入辅助燃料，使无焰燃烧区保持稳定的反应。，并使其保持在最佳的去除效果。
当VOC废气浓度较高时(>4g/m3)，如图5所示，此时在最高回流量(回流量为进入掺混室2内的排气量与回型反应炉3的出气口的排气量的比值)线以下时可以始终保持自供热，通过调节参与回收掺混的反应后气体回流量来调节无焰燃烧区的反应温度，使其能够达到更好的去除效果。
从以上描述可以看出，本发明的装置可处理VOC浓度范围宽。因为掺混室的存在，可以通过调节回流量在不同VOC气源浓度时使无焰燃烧终温始终保持在能够处理VOC的点，当VOC气源浓度较低时(<4g/m3)，可以通过喷入辅助燃料使可燃物浓度回到上述VOC浓度较高时的调节过程。

Claims (10)

1.一种无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，包括用于气体通入的进气管(1)，所述进气管(1)的出气口与掺混室(2)的第一进气口(201)连通，所述掺混室(2)的第一出气口(202)与回型反应炉(3)的进气口连通，所述回型反应炉(3)的出气口分别与所述掺混室(2)的第二进气口(203)以及排气管(4)的进气口连通。
2.根据权利要求1所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述排气管道(4)中设置有管壳式换热器(5)，所述管壳式换热器(5)的进气口与所述掺混室(2)的第一出气口(202)连通，所述管壳式换热器(5)的出气口与回型反应炉(3)的进气口连通。
3.根据权利要求1所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述回型反应炉(3)的出气口与所述掺混室(2)的第二进气口(203)之间设置有用于流量调节室(6)，所述流量调节室(6)分别设置有与回型反应炉(3)的出气口连通的第三进气口(601)、与第二进气口(203)连通的第二出气口(602)、与所述排气管(4)的进气口连通的第三出气口(603)以及用于分配进入掺混室(2)以及排气管(4)气体流量的调节机构(604)。
4.根据权利要求3所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述调节机构(604)为设置于第三进气口(601)处的挡板，所述挡板在第三进气口(601)处将进气流道分成与排气管(4)连通的第一流道和与掺混室(2)连通的第二流道。
5.根据权利要求1所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述排气管(4)中设置有单管式换热器(7)，所述单管式换热器(7)穿过排气管(4)与进气管(1)的进气口连通。
6.根据权利要求1所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述回型反应炉(3)上设置有用于加入辅助燃料的加料口(301)。
7.一种无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，包括回型反应炉(3)、设置于回型反应炉(3)进气口的管壳式换热器(5)、设置于回型反应炉(3)出气口的流量调节室(6)、与所述流量调节室(6)连通的垂直设置的排气管(4)、分别与所述流量调节室(6)和管壳式换热器(5)连通的掺混室(2)以及与所述掺混室(2)连通的进气管(1)；所述进气管(1)的进口与穿过排气管(4)的单管式换热器(7)连通，所述管壳式换热器(5)位于排气管(4)内部。
8.根据权利要求7所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述流量调节室(6)内设置有用于气体流量分配的调节机构。
9.根据权利要求7所述的无焰燃烧VOC处理装置，其特征在于，所述掺混室(2)内设置有用于气体掺混的折流板组件(204)。
10.一种无焰燃烧VOC处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)待处理气体通过单管式换热器(7)后进入进气管(1)，单管式换热器(7)穿过排气管(4)，与排气管(4)内的排气进行换热后进入掺混室(2)；
(S2)回型反应炉(3)的出气口与流量调节室(6)连通，经回型反应炉(3)处理后的排气经过流量调节室(6)的分配，分别送入掺混室(2)以及排气管(4)；
(S3)自回型反应炉(3)出口送入掺混室(2)的排气与自进气管(1)送入的待处理气体在掺混室(2)混合后形成掺混气体，送入管壳式换热器(5)，管壳式换热器(5)位于排气管(4)内部，送入管壳式换热器(5)的掺混气体与经过排气管(4)的排气换热后送入回型反应炉(3)的进气口，经过回型反应炉(3)的处理后，通过回型反应炉(3)的出气口排出后送入所述流量调节室(6)。
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