CN1608710A - 一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用活性炭纤维回收处理废气中的有机污染物质的装置和方法。本发明的一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置的特征在于：所述的回收处理有机废气的装置还包括一个用于回收其中的有机溶剂的精馏回收系统，所述的有机溶剂的精馏回收系统包括位于解析气出口和冷凝器之间的精馏塔和冷凝器之后的溶剂接收槽；并且还可以包括一个解析气旁路降温系统，还可以加一块气体分布挡板。本发明的回收处理有机废气的方法，可以采用两个或者三个吸附器串联后交替进行单级吸附—解析—降温除湿，并且通过管路阀门的连接排布，实现总体不间断的回收处理有机废气过程。

Description

一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用活性炭纤维回收处理废气中的有机污染物质的装置和方法。更具体地说涉及一种用活性炭纤维吸附废气中的挥发性有机污染物，然后用高温水蒸汽解析，再用冷却器冷凝成液体有机溶剂的一种有机废气的回收处理的装置和方法。
背景技术
有机废气系指在石化、电子、纺织、喷漆生产中挥发到大气中的有机溶剂类物质的气体，如苯、甲苯、苯乙烯、丙酮、氯代烷烃、环烷烃、正己烷、乙醚等。
目前处理该类废气的主要方法是吸附。吸附剂有颗粒活性炭和活性炭纤维两种。由于活性炭纤维与颗粒活性炭相比具有吸附容量大，吸附、解析速度快，解析率高，回收的有机溶剂杂质少，使用寿命长等优点，活性炭纤维的使用范围远远超过颗粒活性炭，现已成为净化有机废气的主导技术。
如后面的图5、图6所示，活性炭纤维回收处理有机废气的过程为：在常温常压下，废气从活性炭纤维材料层的一侧进入，穿过活性炭纤维层，废气中的有机污染物在经过活性炭纤维层时被吸附截留下来，净化后的空气从另一侧排出。当活性炭纤维的吸附量达到一定程度后，污染物开始穿透活性炭纤维层。随着活性炭纤维吸附量的不断增加，出口污染物的浓度也随之提高，当出口污染物浓度接近最高允许排放标准时，停止吸附，开始用水蒸汽解析，解析出的有机气体经冷却器冷凝成液体后回收。
目前活性炭纤维吸附回收有机废气的设备主要有4种：
①日本东洋纺织株式会社于70年代开发的外观为立方体形状的吸附器，工艺分两箱和三箱两种流程。两箱流程为一箱进行吸附、另一箱进行解析，两箱交替循环使用；三箱流程为一箱进行吸附，另一箱进行解析，第三箱进行降温，三个箱交替循环使用。降温方式采用吸附箱的排放气吹脱降温箱内的活性炭纤维吸附芯中和箱体中的残余水蒸汽，使吸附器内的温度降至常温。
②专利CN2265880Y公开的“大风量废气治理吸附塔”。其特征为多塔并联使用，每塔内装有多个活性炭纤维吸附芯，其目的为增大活性炭纤维的吸附表面，降低气体通过阻力，减少单位面积上的废气通过量，使其达到一个较好的吸附效果。]
③专利CN2369746Y公开的低浓度有机废气吸附与脱附装置。其特征为：废气和解析汽的进出口阀均连接在一个总阀杆上，通过总阀杆的上下运动实现吸附器的吸附与解析过程的相互切换，简化了吸附与解析过程相互切换的控制系统。
④专利CN2320315Y公开了一种回转式活性炭纤维有机溶剂分离装置。其特征为：吸附器外壳为一圆柱体，内装有多个相互隔绝的活性炭纤维吸附柱，它们同时绕吸附器的圆心轴转动，在吸附器的两端固定位置上装有废气与高温解析气的进出口，当吸附芯转至解析气的位置时，该芯就处于解析状态。该装置主要克服了多箱吸附器在吸附与解析的切换中必须依靠较多自控阀门的问题。
上述各种活性炭纤维吸附装置存在的主要问题和不足之处是：
①解析后的有机蒸汽和水蒸汽全部直接进入冷却器，按同一个温度进行冷凝后经分层分离回收，对与水不能分层的有机溶剂则还要再进行加热精馏分离。通常为了提高有机溶剂的回收率需要将冷凝液温度降得较低，而冷凝水却不需要低温，但由于将有机溶剂和水蒸汽全部按一个温度进行冷却，不仅造成冷却剂能耗高，而且有机溶剂的回收的效果也不易保证。
②解析后的吸附芯没有经充分冷却就开始进入吸附状态，由于在吸附的初始阶段活性炭纤维内部的温度很高(接近于解析蒸汽的温度)，吸附率非常低，排气中的有机污染物浓度很高。随着通过废气量的增加，活性炭纤维内部的热量被逐渐带出，温度逐渐下降到常温，吸附效果才能恢复正常。降温时间一般占整个吸附过程的1/4～1/2。在这个时间段里从吸附器中排出的气体中的污染物浓度高、达标率低。
③废气进入吸附器后没有扩散设施，部分气流直接吹到离进气口较近的活性炭纤维吸附芯上，使得局部活性炭纤维上的气速过大，导致在多数活性炭纤维还有很大的吸附余量时个别部位就出现了提前穿透，为此不得不停止吸附，开始解析，造成吸附率低、吸附周期短、解析频率高、废气处理成本增加等问题。
④解析蒸汽的进口位置设在吸附芯中心空腔的顶部，蒸汽朝下喷射。由于吸附芯中心空腔的高度较大，一般达2米左右，因此进入空腔内的气体分布不均，导致不同部位的活性炭纤维的解析速度不同。由于喷入的蒸汽多数易聚集在吸附芯的中上部位，使得中上部位的炭纤维的解析速度快，中下部位的解析速度慢，造成解析时间延长、蒸汽消耗量大。
⑤解析气体的出口位置全部设在吸附器的中下部或底部，不利于解析气体的排出、排净。由于解析出的有机蒸汽的比重较轻，易聚集在吸附器的上部，排出口在下有机蒸汽不能自然排出，因此需要较多的蒸汽将其夹带出来，既造成了蒸汽的浪费又不能将解析出的有机溶剂气体全部排出，在下一次的吸附过程中又重新被吸附在活性炭纤维上，占据有效的吸附容量。
发明内容
本发明目的之一是为了克服箱式活性炭纤维吸附装置的上述缺陷，提出一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置。
本发明之一的一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置是这样实现的：
本发明的一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置主要包括吸附器、冷凝器；所述的吸附器包括位于其中部的由活性炭纤维层组成的吸附芯，位于其下部的吸附区和废气进口，位于其上部的排气区和废气出口，还包括解析气出口和解析蒸汽进口，其特征在于：所述的回收处理有机废气的装置还包括一个用于回收其中的有机溶剂的精馏回收系统，所述的有机溶剂的精馏回收系统包括位于解析气出口和冷凝器之间的精馏塔和冷凝器之后的溶剂接收槽。
本发明的活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置还可以包括一个解析气旁路降温系统，即在连接所述的解析气出口和精馏塔的解析气出口管线至解析蒸汽进口管线上引出一支降温旁路，依次与冷凝器、冷凝水接收槽、循环冷却泵串连连通。
在具体实施的时候，对于本发明的活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置，在所述的吸附器内吸附区的进气口与吸附芯之间的还可以加一块气体分布挡板；所述的挡板外形为方形方形、圆形、椭圆形的平板、优选方形，所述的挡板的开孔率为0～50％，优选30％～40％，所述的挡板的面积为吸附箱进气口侧面面积的1/3～3/4，优选2/3，挡板的中心与进气口的中心相对。
在具体实施的时候，所述的解析气体出口可以设置在吸附器上部的吸附区的顶板上，即吸附区与排气区的隔板上；每个吸附箱内可以设置1～8，优选4～6个解析气体出口，各个解析气体出口再分别连到解析气体出口的总排气管上。
在具体实施的时候，所述的解析蒸汽进口的位置可以设在吸附芯内1/3～2/3，优选1/2高度范围内。
具体实施的时候，本发明的活性炭纤维吸附器外壳壳体可以是立方体、圆柱体或其它形式的。壳内可以竖直垂放有1～12个空心圆柱形、方柱形或其它形状的活性炭纤维吸附芯。吸附芯空腔底部封死，顶部开口用阀门控制开闭。
本发明目的之二是提供一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的方法。
本发明之二的活性炭纤维吸附回收处理有机废气的方法是这样实现的：
本发明所述的有机废气包括在石化、电子、纺织、喷漆生产中排出的有机溶剂物质的气体，所述的有机溶剂物质包括苯、甲苯、苯乙烯、丙酮、氯代烷烃、环烷烃、正己烷、乙醚等，所述方法的步骤包括，
(1)吸附过程：所述的有机废气通过吸附器后，其中的有机溶剂物质被吸附在由活性炭纤维层组成的吸附芯上，直到待排放气中有机物浓度接近或达到最高允许排放标准；
(2)解析过程：用解析蒸汽反吹在过程(1)中已经大量吸附了有机溶剂物质的吸附芯，解析蒸汽从吸附芯的内表面穿过活性炭纤维层，与解析出的有机气体一同从解析气出口排出；
(3)精馏回收过程：经过过程(2)的解析气进入精馏塔，之后由塔顶再经冷凝器冷凝回收有机溶剂，冷凝水从精馏塔塔釜排出。
(4)降温除湿过程：即从解析气出口排出的蒸汽与解析出的一部分有机气体的混合气在进入精馏塔前，通过一个旁路依次经过冷凝器、冷凝水接收槽、循环冷却风机得到冷却后返回至解析蒸汽进口。
本发明的回收处理有机废气的方法，可以采用两个或者三个吸附器(4)串联吸附，后交替进行单级解析—降温除湿，并且通过管路阀门的连接排布，实现总体不间断的回收处理有机废气过程。
本发明的优点为：
①对解析出的气体直接进精馏塔利用自身热量进行分离，解析回收率比直接经冷却器冷凝回收提高8～12％。同时还可有效地利用热量，一次性回收出纯度较高的水溶性有机溶剂。该回收工艺省去了传统工艺中的先将解析混合气直接冷凝，回收有机溶剂与水的混合液，然后再加热分离的麻烦，既减少了能耗又简化了工艺。
②由于增加了对解析后的吸附器进行体外循环降温、除湿处理，避免了吸附器在高温吸附阶段的吸附效果差、排气中的污染物浓度超标的问题，同时提高了3～8％的有机溶剂回收率。
③通过增加挡板，提高了穿过吸附器内的各部位活性炭纤维层气速的均匀程度，使整体活性炭纤维的总有效吸附容量提高。在活性炭纤维重量、进气速度、排气中污染物浓度相同的情况下，活性炭纤维的吸附容量增加了2～10％。并且由于活性炭纤维的吸附容量的增加，延长了吸附周期，使解析次数减少，活性炭纤维的使用寿命可提高5～15％。
④通过改进解析气体的排出口位置，减少了吸附箱内有机溶剂气体的残留量，避免了残留物的重复吸附，提高了吸附器的有效利用率。
⑤通过改进解析蒸汽进口的位置，改善解析蒸汽在活性炭纤维上的均匀分布，使蒸汽的有效利用率提高10～15％。
附图说明
图1改进后箱式活性炭纤维吸附示意图
图2活性炭纤维吸附箱结构示意图
图3两个吸附器的交替单级吸附—解析—降温除湿的工艺流程示意图
图4三个吸附器的循环两级串联吸附—单级解析—降温除湿工艺流程
图5活性炭纤维吸附常规流程示意图
图6常规活性炭纤维吸附箱结构示意图
具体实施方式
如图1、图2所示：
待处理的有机废气进入吸附器4后，经气体分布挡板2分散后从吸附芯3外表面进入，穿过活性炭纤维层后从吸附芯3空腔顶部的废气出口7排出。吸附结束后的关闭吸附芯3顶部的废气出口7，开启解析蒸汽阀，解析蒸汽从吸附芯3空腔的中间部位的解析蒸汽进口6方向朝下进入。然后蒸汽从吸附芯3的内表面穿过活性炭纤维层，与解析出的有机气体一同从外表面经过解析气出口8排出，再去精馏塔9利用自身的热量分离有机溶剂和水如被回收的有机溶剂沸点大于100℃并且不溶于水，就不需采用精馏塔分离，直接进冷却器冷凝分层即可。有机溶剂从精馏塔9顶部蒸出经冷凝器13冷凝后得到回收，塔釜的冷凝水排出经进一步处理后排放。解析完成后关闭蒸汽进口阀、精馏塔9进口阀，开启循环冷却风机12，将吸附箱内和活性炭纤维内部的高温水蒸汽和空气排出，经冷凝器13降温除湿后再将冷却的气体送回吸附芯3空腔内，再次进行循环降温除湿，直至将吸附芯与吸附器内的温度降至40～50℃，停止循环冷却风机12，关闭循环冷却风机12进出口阀，开启吸附状态的废气进出口阀，使吸附器4处于吸附的待机状态。
本装置既适用于两个吸附器的交替单级吸附—解析—降温除湿工艺，也适用于三个吸附器的循环两级串联吸附—单级解析—降温除湿工艺。
两个吸附器的交替单级吸附—解析—降温除湿的工艺流程见附图3。其工艺过程为：开启吸附器4A的废气进、出口阀门，关闭其它阀门，废气经吸附器4A处理后排放。待排放气中有机物浓度接近或达到最高允许排放标准时，关闭吸附器4A的废气进、出口阀门，同时开启吸附器4B的废气进、出口阀门，废气进入吸附器4B开始吸附。同时，吸附器4A开启解析蒸汽进、出口阀门，对吸附器4A进行解析。解析气经精馏塔9分离后由塔顶冷凝器13冷凝回收有机溶剂，冷凝水从塔釜排出。解析完成后，关闭蒸汽进、出口阀门，开启循环冷却进、出口阀门，将解析后残留在吸附器4A内及活性炭纤维层中的蒸汽用循环冷却风机12抽出，经冷却器14冷凝除湿后再送回吸附器，反复多次，待吸附器4A内温度降到常温时，关闭循环冷却风机12进、出口阀门，吸附器4A待用。待吸附器4B的排放气中有机物浓度接近或达到最高允许排放标准时，再开启吸附器4A进行吸附，吸附器4B按如上操作同样进行解析。两吸附器交替进行吸附—解析操作。
三个吸附器的循环两级串联吸附—单级解析—降温除湿工艺流程见附图4。其工艺过程为：生产废气首先进入吸附器4A进行一级吸附，一级吸附的排出气经中间泵加压送入二级吸附器4B，二级吸附后的废气体排入大气。当二级吸附后的气体污染物浓度接近国标最高允许排放浓度时，通过阀门切换停止吸附器4A进出废气，同时吸附器4B变为一级吸附、吸附器4C为二级吸附。此时开始对吸附器4A进行解析。解析气体直接进精馏塔9分离有机溶剂和水，有机溶剂从塔顶经冷凝器13冷凝回收，冷凝水从塔釜排出。解析后的吸附器4A中的水蒸汽和热气体通过循环冷却风机12抽出，经冷却器冷凝除湿降温后再送回吸附器4A，反复多次直到将吸附器4A内的温度降到常温为止。然后停止循环冷却风机12，切换阀门，此时吸附器4A处于待用状态。待吸附器4C出口污染物浓度接近国标最高允许排放浓度时，同样通过阀门切换停止吸附器4B进出废气，同时吸附器4C变为一级吸附、吸附器4A为二级吸附。对吸附器4B进行解析，回收有机溶剂和进行降温处理。三个吸附器循环改变吸附位置，循环进行解析，进行解析，回收有机溶剂和进行降温处理。三个吸附器循环改变吸附位置，循环进行解析，使废气连续不断地进行回收净化。
实施例1丙酮废气吸附试验
固定条件：废气中丙酮含量5000～8000mg/m3，活性炭纤维用量150g，气速0.5m3/h，吸附温度20～30℃。
    吸附器出口丙酮浓度，mg/m3     最大吸附量，g/150g
    无挡板     有挡板
    0     4.73     6.83
    100     6.14     8.26
    200     9.03     12.12
    500     11.51     16.27
    1000     14.63     21.35
实施例2正己烷废气吸附试验
固定条件：废气中正己烷含量3000～5000mg/m3，活性炭纤维用量150g，气速0.5m3/h，吸附温度20～30℃。
    吸附器出口正己烷浓度，mg/m3     最大吸附量，g/150g
    无挡板     有挡板
    0     3.51     5.82
    100     6.02     7.94
    200     9.61     12.83
    500     12.28     17.31
    1000     14.98     22.13
实施例3解析气排气口位置与丙酮残留浓度关系试验活性炭纤维用量150g，丙酮吸附量20～22g，蒸汽压力0.4～0.6Mpa(饱和水蒸汽)。
    蒸汽用量Kg 吸附器内残留气体中的丙酮含量，mg/m3
    下部排气口     顶部排气口
    1     7000～10000     1300～1500
    1.5     3000～5000     280～420
    2     300～800     15～55
实施例4解析气排气口位置与正己烷残留浓度关系试验活性炭纤维用量150g，正己烷吸附量21～23g，蒸汽压力0.4～0.6Mpa(饱和水蒸汽)。
    蒸汽用量Kg     吸附器内残留气体中的正己烷含量，mg/m3
    下部排气口     顶部排气口
    1     10000～15000     2200～3000
    1.5     5000～8000     300～500
    2     1300～3000     30～70
实施例5解析蒸汽进气口位置对丙酮解析效果的影响试验活性炭纤维用量150g，丙酮吸附量21g左右，解析蒸汽压力0.4～0.6Mpa(饱和水蒸汽)。
             丙酮回收量    (单位：g)
Figure A20031010183900121
实施例6解析蒸汽进气口位置对正己烷解析效果的影响试验活性炭纤维用量150g，丙酮吸附量22g左右，解析蒸汽压力0.4～0.6Mpa(饱和水蒸汽)。
             正己烷回收量  (单位：g)
实施例7解析气用精馏塔分离与直接进冷却器冷凝两种回收方式的解析回收率对比
Figure A20031010183900131
回收条件：解析蒸汽温度140～160℃；
          蒸汽用量1.2Kg；
          回收液从冷却器的排出温度20～30℃

Claims (10)

1.一种活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置，所述的装置主要包括吸附器(4)和冷凝器(13)；所述的吸附器(4)包括位于其内部的由活性炭纤维层组成的吸附芯(3)，位于其下部的吸附区(15)和废气进口(1)，位于其上部的排气区(16)和废气出口(7)，还包括解析蒸汽进口(6)和解析气出口(8)，其特征在于：
所述的回收处理有机废气的装置还包括一个用于回收其中的有机溶剂的精馏回收系统，所述的有机溶剂的精馏回收系统包括位于解析气出口(8)和冷凝器(13)之间的精馏塔(9)和冷凝器(13)之后的溶剂接收槽(10)。
2.如权利要求1所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的有机废气的装置还包括一个解析气旁路降温系统，即在连接所述的解析气出口(8)和精馏塔(9)的解析气出口管线至解析蒸汽进口(6)管线上引出一支降温旁路，依次与冷凝器(14)、冷凝水接收槽(11)、循环冷却风机(12)串连连通。
3.如权利要求1或2所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
在所述的吸附器(4)内吸附区(15)的进气口(1)与吸附芯(3)之间的还有一块气体分布挡板(2)；所述的挡板(2)为外形包括方形、圆形、椭圆形之一的平板，所述的挡板(2)的开孔率为0～50％，所述的挡板(2)的面积为吸附箱进气口侧面面积的1/3～3/4，所述的挡板(2)的中心与进气口(1)的中心相对。
4.如权利要求3所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的挡板(2)为外形为方形的平板，所述的挡板(2)的开孔率为30％～40％，所述的挡板(2)的面积为吸附箱进气口侧面面积的2/3。
5.如权利要求1或2所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的解析气体出口(8)设置在吸附器(4)上部的吸附区(15)的顶板上，即吸附区(15)与排气区(16)的隔板上；每个吸附箱内设置1～8个解析气体出口(8)，各个解析气体出口(8)再分别连到解析气体出口(8)的总排气管上。
6.如权利要求1或2所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的解析蒸汽进口(6)的位置置设在吸附芯内1/3～2/3高度范围内。
7.如权利要求4所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的解析气体出口(8)设置在吸附器(4)上部的吸附区(15)的顶板上，即吸附区(15)与排气区(16)的隔板上；每个吸附箱内设置4～6个解析气体出口(8)，各个解析气体出口(8)再分别连到解析气体出口(8)的总排气管上；
所述的解析蒸汽进口(6)的位置置设在吸附芯内1/2高度范围内。
8.如权利要求7所述的回收处理有机废气的装置，其特征在于：
所述的回收处理有机废气的装置为包括两个或者三个吸附器(4)的循环多级串联吸附—单级解析—降温除湿装置。
9.一种使用如权利要求7或者8的活性炭纤维吸附回收处理有机废气的装置的回收处理有机废气的方法，所述的有机废气包括在石化、电子、纺织、喷漆生产中排出的有机溶剂物质的气体，所述的有机溶剂物质包括苯、甲苯、苯乙烯、丙酮、氯代烷烃、环烷烃、正己烷、乙醚，所述方法的步骤包括，
(1)吸附过程：所述的有机废气通过吸附器(4)后，其中的有机溶剂物质被吸附在由活性炭纤维层组成的吸附芯(3)上，直到待排放气中有机物浓度接近或达到最高允许排放标准；
(2)解析过程：用解析蒸汽反吹在过程(1)中已经大量吸附了有机溶剂物质的吸附芯(3)，解析蒸汽从吸附芯的内表面穿过活性炭纤维层，与解析出的有机气体一同从解析气出口(8)排出；
(3)精馏回收过程：经过过程(2)的解析气进入精馏塔(9)，之后由塔顶再经冷凝器(14)冷凝回收有机溶剂，冷凝水从精馏塔(9)塔釜排出。
(4)降温除湿过程：即从解析气出口(8)排出的蒸汽与解析出的一部分有机气体的混合气在进入精馏塔(9)前，通过一个旁路依次经过冷凝器(14)、冷凝水接收槽(11)、循环冷却风机(12)得到冷却后返回至解析蒸汽进口(6)。
10.如权利要求9所述的回收处理有机废气的方法，其特征在于：
所述的回收处理有机废气的方法包括用两个或者三个吸附器(4)串联后交替进行单级吸附—解析—降温除湿，并且通过管路阀门的连接排布，实现总体不间断的回收处理有机废气过程。
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