CN205760467U - 固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体处理技术，旨在提供一种固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置。该装置包括堆填了吸附材料的吸附床单元，吸附床单元有多个且并联安装，构成吸附床模块；吸附床单元具有外框架，其内壁设隔热衬里；每个吸附床单元的进气端分别连接进气通道，排气端则分别连接排气通道；进气通道连接热空气和废气进气管道并实现进气切换，排气通道连接净化气和脱附气管道并以实现排气切换；净化气管道上设气体浓度检测装置，并通过信号线接至PLC控制单元。本实用新型中各吸附床单元依次处于吸附、脱附、冷却的轮替状态，吸附床单元处于连续更新状态，无需转动吸附床单元，节能减耗。各吸附床单元相对独立，规格统一，便于生产与拆装，再生方便。

Description

固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体处理技术，特别涉及一种大风量低浓度固定床式VOCs气体吸附脱附处理装置，属于环保及化工领域。

背景技术

自2013年初，我国约1/4的国土面积受到持续雾霾天气影响，造成重度和严重污染，受影响人口约6亿，医院爆满、飞机停飞等现象频繁发生，对我国的经济和社会发展造成了严重影响。PM2.5是造成雾霾的元凶之一，而作为公认的PM2.5前驱体，挥发性有机化合物(VOCs)主要来源于石化、有机化工、合成材料、化学药品原药制造、塑料产品制造、装备制造涂装、通信设备计算机及其他电子设备制造、包装印刷等重点行业，该类废气排放量大，污染地域不仅局限于污染源附近，还通过大气扩散至整个城市和区域，给环境带来了巨大的危害，直接或间接地危害人体健康，影响大气环境质量。随着VOCs污染的日益严重，有效治理VOCs、改善大气环境已迫在眉睫。我国近年来对此高度重视，制订了一系列相关政策标准，决心加强重污染行业VOCs废气的防治。

目前对于VOCs废气的治理技术主要有冷凝法、吸收法、燃烧法、催化燃烧法、吸附法、吸附-催化燃烧法，以及国内外正在研究的新方法，包括生物净化技术、电离子化技术等。在所述各种有机废气治理技术中，吸附技术是首要关键。只有先将废气中的污染成分截留下来才能进行后期处理。目前针对大风量、低浓度的有机废气，主要采用固定床进行吸附脱附浓缩，再进行焚烧或者催化燃烧的处理办法。一般固定吸附床包括一个吸附进气口、一个吸附出气口、一个脱附进气口和一个脱附出气口，吸附剂被固定在一个吸附床内部，吸附量小，吸附层容易达到饱和状态而被击穿，需要定期进行脱附，无法同时进行吸附脱附，工作效率较低。

如中国专利93222819.4公开的一种处理有机废气的净化装置，其主要由填装蜂窝活性炭的吸附床和催化燃烧室内组成净化系统，并附有专用的预滤器和三通切换阀门，使得吸附浓缩、催化燃烧、脱附再生过程都在系统内完成。但在该装置中这三个过程却不能在同一时间完成，而是通过三通阀门切换实现分步完成。中国专利01274679.7公开的一种有机废气处理系统，吸附浓缩、催化燃烧、脱附再生过程均可实现自动控制完成，但仍是分阶段完成。

1989年Toshimi Kuma首次提出采用转轮吸附脱附装置，可以实现吸附脱附同时进行，并在日本、台湾等实现了工业化应用。目前中国也陆续出现各式各样以转轮为基础结构的吸附脱附装置。如中国专利200820146326.5公开一种转轮式有机废气吸附及脱附装置，该装置的吸附剂层在旋转的过程中形成连续吸附脱附系统，其吸附剂层处于连续更新的状态，不仅提高了吸附量也提高了工作效率。中国专利公开号202087198U提出了一种改进的沸石浓缩转轮在线再生装置，利用切换阀组来切换转轮再生气流的入流方向，使转轮前后两面均匀加热再生活化，提高转轮的活化效能。

然而，转轮也存在一些不足，如转轮的直径与其处理风量有关，处理风量不同，转轮的直径也不同，很难实现转轮的标准化生产。当处理风量较大时，转轮的直径也相应变大，转轮的强度下降。而采用添加刚性材料提高转轮强度的方法，会使得转轮的重量也相应增加，驱动电机的负荷增加，增加能耗。同时，由于整个吸附床进行转动，活动零件多，限制了转轮的使用寿命。此外转轮还存在一些再生方面的问题，如若采用线上活化容易出现闷燃的现象，线下再生活化则对转轮的拆装要求和烘烧装置的规格要求严格等。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足。提供一种固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置，包括内部堆填了吸附材料的吸附床单元；所述吸附床单元有多个且并联安装，构成吸附床模块；吸附床单元具有外框架，其内壁设隔热衬里；每个吸附床单元的进气端分别连接各自的进气通道，排气端则分别连接各自的排气通道；

所述进气通道经进气三通阀连接至热空气管道和废气进气管道以实现进气切换，排气通道经排气三通阀连接至净化气管道和脱附气管道以实现排气切换；所述净化气管道上设有气体浓度检测装置，并通过信号线接至PLC控制单元；PLC控制单元通过信号线与各三通阀连接，分别控制各三通阀的切换动作。

本实用新型中，所述吸附床模块是密闭的长方体结构；其两端分别为进气气室和排气气室，中部为呈集束状并联安装的吸附床单元；

各吸附床单元的进气通道均穿过进气气室，并在吸附床模块外侧与热空气管道连接；所述进气三通阀设于进气气室内的进气通道上，废气进气管道则接于进气气室的侧壁上；

各吸附床单元的排气通道均穿过排气气室，并在吸附床模块外侧与脱附气管道连接；所述排气三通阀设于排气气室内的排气通道上，净化气管道则接于排气气室的侧壁上。

本实用新型中，所述进气三通阀和排气三通阀均为二位三通板式阀，其阀板绕轴旋转的角度为90°，阀板上设有密封圈。

本实用新型中，所述进气通道和排气通道的截面呈长方形，所述进气三通阀和排气三通阀的阀板具有与其相匹配的形状。

本实用新型中，所述热空气管道上设加热装置，进气通道内设有温度传感器，热空气管道通过电控阀门与补冷风通道相接，加热装置、温度传感器和电控阀门通过信号线接至PLC控制单元。

本实用新型中，所述吸附床单元的进气端与进气通道之间设有集气罩，排气端与排气通道之间设有气体扩散器。

本实用新型中所述装置用于实现VOCs吸附脱附的方法，具体包括以下步骤：

(1)废气吸附处理

PLC控制单元控制某个吸附床单元对应的进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使含有VOCs的待处理废气从废气进气管道引入进气通道，经过吸附床单元和排气管道后从净化气管道排出；

(2)吸附床单元的脱附

气体浓度检测装置在线分析净化气管道中的VOCs浓度，并向PLC控制单元传递信号；当浓度超出预设值时，PLC控制单元控制进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使该吸附床单元切换为与热空气管道和脱附气管道连通，以导入热空气或热蒸汽对吸附材料进行脱附；脱附气送至后续装置进行深度处理；

脱附过程中，当用于脱附的热空气或热蒸汽的温度高于设定值时，PLC控制单元开启电控阀门接通补冷风通道，对热空气或热蒸汽进行降温；当热空气或热蒸汽的温度低于设定值时，PLC控制单元开启热空气管道上的加热装置，对热空气或热蒸汽进行加热；

(3)脱附后的冷却

直接将含有VOCs的待处理废气从废气进气管道引入进气通道，PLC控制单元控制进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使待处理废气经过吸附床单元和排气管道后从脱附气管道排出，送至后续装置进行深度处理，同时完成对脱附后吸附床单元的冷却；

(4)连续轮替运行

根据吸附床单元的平均单次运行时间确定吸附床模块中所需要的吸附床单元数量，并在PLC控制单元中设定各吸附床单元依次投入运行的顺序和时间，使吸附床模块中的吸附床单元依次处于吸附、脱附、冷却的轮替状态；同时，根据废气处理的全部负荷来确定吸附床模块的数量，以保证吸各附床模块的连续运行。

所述待处理废气的风量为2000～200000m³/h，待处理废气中VOCs的浓度为200～1500mg/m³；吸附床单元对VOCs的浓缩比为1:(10～50)，气体通过吸附床单元的流速为0.8～1.2m/s，压力损失低于2.0kPa。

吸附床单元所用吸附材料包括载体和吸附剂；所述载体为蜂窝状陶瓷纤维纸，采用瓦楞纸制备工艺制得，楞高与楞宽比H∶L为1∶(0.5～2)；载体的填充方式采用正交排列、圆形排列或平行排列的方式；所述吸附剂为沸石分子筛或炭分子筛；吸附剂通过浸渍法或抽吸泵涂覆法负载在吸附载体上。

与现有技术相比，本实用新型有如下优点：

(1)通过阀门切换实现各吸附床单元依次处于吸附、脱附、冷却的轮替状态，吸附床单元处于连续更新状态，无需转动吸附床单元，节能减耗。

(2)各吸附床单元相对独立，规格统一，便于生产与拆装，再生方便。

(3)蜂窝状陶瓷纤维纸采用瓦楞纸的制备工艺，制备工艺成熟，能实现流水线生产。吸附床单元的填充采用正交排列、圆形排列或是平行排列，增加了吸附床的横向强度和纵向强度，同时比表面积大，压力损失低于2.0kPa。吸附床吸附剂采用沸石分子筛、炭分子筛等多孔性分子筛吸附剂，吸附容量大，吸附选择性高。整个装置在气体流速0.8～1.2m/s下可以对大风量、低浓度的VOCs废气实现高效的吸附脱附，浓缩比高达1:(10～50)。

(4)通过PLC控制系统实现整个系统的信息反馈和自动化连续运行，可以有效的记录和保存整个设备的运行数据。

附图说明

图1是本实用新型装置的立体结构示意图。

图2是本实用新型装置的俯视结构示意图。

图3是本实用新型装置吸附床单元的立体结构示意图。

图4是本实用新型装置进气室内的管道结构示意图。

图5是本实用新型装置旋转阀结构示意图。

图6是本实用新型装置吸附和冷却状态下进气室内的管道结构示意图(旋转阀0开度)。

图7是本实用新型装置脱附状态下进气室内的管道结构示意图(旋转阀1开度)。

图8是进气端各个旋转阀状态示意图。

图9是出气端各个旋转阀状态示意图。

图10-12是吸附床单元的填充示意图。

图中：1、热空气管道；2、进气气室；3、吸附床单元；4、排气气室；5、脱附气管道；6、气体扩散器；7、集气罩；8、排气通道；9、进气通道；9A、正向通气口；9B、侧向通气口；10、二位三通板式阀；10A、阀门转轴；10B、阀板；10C、阀门密封圈；11、热空气入口；12、废气进气管道；13、净化气管道；14、脱附气出口；15、隔热衬里。

具体实施方式

本实用新型中固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置的原理，是将吸附床模块均分为若干个吸附床单元，通过PLC控制单元控制不同管道上密封旋转阀的开度，实现对吸附、脱附进气和出气的控制，构成连续吸附、脱附、冷却的装置。由于各吸附床单元的吸附材料处于连续更新状态，既提高了吸附效率，也节省了转轮驱动电机的能耗。装置中各个吸附床单元规格统一，可实现标准化生产，拆装、再生方便。低浓度VOCs废气经过装置进行吸附，尾气达标排放。脱附可采用热空气加热法或是蒸气法实现，经过浓缩的废气进入蓄热式催化燃烧系统、蓄热式热力燃烧系统或直接热力燃烧系统进行深度处理。

本实用新型所述VOCs一般来源于炼化、化工、印刷、涂装、合成革等涉及有机溶剂的生产的行业所产生的低浓度大风量有机废气，有机废气风量20000～200000m³/h，污染物的浓度200～1500mg/m³。本实用新型所述装置对气体中所含VOCs的浓缩比为1:(10～50)。

本实用新型中的固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置，包括内部堆填了吸附材料的吸附床单元3；所述吸附床单元3有多个且并联安装，构成吸附床模块；吸附床单元3具有外框架，其内壁设隔热衬里15；每个吸附床单元3的进气端分别连接各自的进气通道9，排气端则分别连接各自的排气通道8；

所述进气通道9经进气三通阀连接至热空气管道1和废气进气管道12以实现进气切换，排气通道8经排气三通阀连接至净化气管道13和脱附气管道5以实现排气切换；所述净化气管道13上设有气体浓度检测装置，并通过信号线接至PLC控制单元；PLC控制单元通过信号线与各三通阀连接，分别控制各三通阀的切换动作。

热空气管道1上设加热装置，进气通道9内设有温度传感器，热空气管道1通过电控阀门与补冷风通道相接，加热装置、温度传感器和电控阀门通过信号线接至PLC控制单元。

作为本实用新型的一个具体实施例子如图1至12所示。

吸附床模块是密闭的长方体结构；其两端分别为进气气室2和排气气室4，中部为呈集束状布置、并联安装的吸附床单元3；

各吸附床单元3的进气通道9均穿过进气气室2，并在吸附床模块外侧与热空气管道1连接；所述进气三通阀设于进气气室内的进气通道9上，废气进气管道12则接于进气气室2的侧壁上；

各吸附床单元3的排气通道8均穿过排气气室4，并在吸附床模块外侧与脱附气管道5连接；所述排气三通阀设于排气气室4内的排气通道8上，净化气管道13则接于排气气室4的侧壁上。

吸附床单元3的进气端与进气通道9之间设有集气罩6，排气端与排气通道8之间设有气体扩散器7。

本实施例中，进气通道和排气通道的截面呈长方形，如图4所示。其中通道的截面边长尺寸与通道长度的比例为a:b＝1:(1～6)。进气三通阀和排气三通阀均为二位三通板式阀，如图5所示。当然，也可以选择其他能满足相应功能需求的适配阀门形式。阀板10B具有与进气通道和排气通道相匹配的形状，呈长方形。阀板10B绕轴旋转的角度为90°，阀板上设有阀门密封圈10C。三通阀由PLC控制单元控制，设定延时程序和反馈机制，切换速度快，能减少切换过程中气体的泄露。

作为一个示例，吸附床模块的长度为300～1500mm，其截面积为0.5～1.5m²。可分成4～12个规格相同的吸附床单元3，排列方式为2×2、2×3、3×3、4×3等形式。吸附床单元3具有高性能复合高分子材料的外框架，方便各个吸附床单元3的安装与更换。每个吸附床单元3内壁设有隔热衬里15。隔热衬里15采用隔热纸、玻璃纤维棉毡、硅酸铝纤维或离心玻璃纤维棉/岩棉其一。隔热材料的厚度为5～25mm，用于防止吸附床单元3间窜温，保持温度稳定。

吸附床单元3内部堆填了吸附材料，气体通过吸附床的流速为0.8～1.2m/s，压力损失低于2.0kPa。

吸附材料包括载体和吸附剂。其中，载体为蜂窝状陶瓷纤维纸。蜂窝状陶瓷纤维纸采用瓦楞纸的制备工艺，楞高与楞宽比H:L为1:(0.5～2)，整套蜂窝状陶瓷纤维纸的制备工艺成熟，实现流水线生产。载体的填充方式采用正交排列(图10)、圆形排列(图11)或平行排列(图12)的方式之一，载体的横向强度不低于0.5MPa，纵向强度不低于1.0MPa。吸附剂为沸石分子筛或炭分子筛等分子筛吸附剂，吸附剂的动态吸附量大于10％，吸附剂采用浸渍法或抽吸泵涂覆法负载在吸附载体上。

利用前述装置实现VOCs吸附脱附的方法，具体包括：

(1)废气吸附处理

PLC控制单元控制某个吸附床单元3对应的进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使含有VOCs的待处理废气从废气进气管道12引入进气通道9，经过吸附床单元3和排气管道8后从净化气管道13排出，实现达标排放；

图8是进气端各个旋转阀状态示意图，表示进气三通阀22为开启状态，进气三通阀21、23-26为关闭状态。图9是出气端各个旋转阀状态示意图。表示排气三通阀41、42为开启状态，进气三通阀43-46为关闭状态。

(2)吸附床单元的脱附

气体浓度检测装置在线分析净化气管道13中的VOCs浓度，并向PLC控制单元传递信号；当浓度超出预设值时，PLC控制单元控制进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使该吸附床单元3切换为与热空气管道1和脱附气管道5连通，以导入热空气或热蒸汽对吸附材料进行脱附；脱附气送至后续装置(蓄热式催化燃烧系统、蓄热式热力燃烧系统或直接热力燃烧系统)进行深度处理；

脱附过程中，当用于脱附的热空气或热蒸汽的温度高于设定值时，PLC控制单元开启电控阀门接通补冷风通道，对热空气或热蒸汽进行降温；当热空气或热蒸汽的温度低于设定值时，PLC控制单元开启热空气管道1上的加热装置，对热空气或热蒸汽进行加热；

(3)脱附后的冷却

直接将含有VOCs的待处理废气从废气进气管道12引入进气通道9，PLC控制单元控制进气三通阀和排气三通阀的开启状态，使待处理废气经过吸附床单元3和排气管道8后从脱附气管道5排出，送至后续装置进行深度处理，同时完成对脱附后吸附床单元3的冷却；

(4)连续轮替运行

根据吸附床单元3的平均单次运行时间确定吸附床模块中所需要的吸附床单元3的数量，并在PLC控制单元中设定各吸附床单元3依次投入运行的顺序和时间，使吸附床模块中的吸附床单元3依次处于吸附、脱附、冷却的轮替状态；同时，根据废气处理的全部负荷来确定吸附床模块的数量，以保证吸各附床模块的连续运行。

下面提供具体应用实施例对本实用新型进一步详细说明，其中部分设计参数仅是作为典型情况的说明，并非是对本实用新型的限定。

实施例1：某化工厂有机废气吸附脱附净化

该厂生产医药中间体，尾气为反应釜卸料时的排气及进料前的洗气，共有18个反应釜不同时段间歇排气，平均废气量约5000m³/h，其中甲苯浓度166mg/m³，四氢呋喃(THF)浓度为2316mg/m³，其余为空气、N₂(洗气用N₂)及微量氯乙烯，排气温度为常温。

本实施例中的设备和工艺流程如下：

装置采用四个吸附床单元3同时对该条车间的废气进行净化，装置的设计参数为：进气通道9和排气通道8的截面边长尺寸与通道长度的比例为a:b＝1:6，吸附床单元3为2×2的排列形式，堆填形式采用正交排列(图10)，吸附床单元3长度为400mm，隔热衬里15厚度5mm，吸附载体为蜂窝状陶瓷纤维纸，吸附剂为炭分子筛。依顺时针方向对吸附床单元3逐一脱附冷却，每个吸附床单元3的脱附时间为100s。该废气通过固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置处理，净化率可达到98％，浓缩比达到1:20。

实施例2：某合成革厂有机废气吸附脱附净化

某合成革厂有10条生产线，年产3000万米PU合成革，其中一条年产300万米PU合成革生产线每小时产生100000立方米的废气，废气中含有低浓度的DMF、甲苯、甲酯和丁酮等有机物，其主要浓度参数见下表。

表1某合成革厂废气组分

单位：mg/m³

废气指标	DMF	非甲烷总烃	TVOC
				浓度	70-90	10-20	5-10

本实施例中的设备和工艺流程如下：

装置采用六个吸附床单元3同时对该条生产线的废气进行净化，装置的设计参数为：进气通道9和排气通道8的截面边长尺寸与通道长度的比例为a:b＝1:3，吸附床单元3为2×3的排列形式，堆填形式采用圆形排列(图11)，吸附床单元3长度为500mm，隔热衬里15厚度10mm，吸附载体为蜂窝状陶瓷纤维纸，吸附剂为疏水分子筛。依顺时针方向对吸附床单元3逐一脱附冷却，每个吸附床单元3的脱附时间为120s。该废气通过固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置处理，净化率可达到95％，浓缩比达到1:30。

实施例3：某喷涂厂有机废气吸附脱附净化

某喷涂厂主要从事汽车漆、工业漆、广告漆、氟碳漆等各种油漆喷涂工作，车间产生废气量约200000m³/h，废气中的主要污染组分见下表。

表2某喷涂厂有机废气组分

单位：mg/m³

废气指标	苯	甲苯	二甲苯
				浓度	60	110	180

本实施例中的设备和工艺流程如下：

装置采用十二个吸附床单元3同时对车间的废气进行净化，装置的设计参数为：进气通道9和排气通道8的截面边长尺寸与通道长度的比例为a:b＝1:1，吸附床单元3为3×4的排列形式，堆填形式采用平行排列(图12)，吸附床单元3长度为1000mm，隔热衬里15厚度15mm，吸附载体为蜂窝状陶瓷纤维纸，吸附剂为分子筛。

装置的运行方式参考实施例1和实施例2，整个吸附脱附体系中有八个吸附床单元3进行吸附，两个吸附床单元3进行脱附，一个吸附床单元3进行冷却。该废气通过固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置处理，净化率可达到93％，浓缩比达到1:45。

Claims (6)

1.一种固定床式蜂窝状VOCs吸附脱附装置，包括内部堆填了吸附材料的吸附床单元；其特征在于，所述吸附床单元有多个且并联安装，构成吸附床模块；吸附床单元具有外框架，其内壁设隔热衬里；每个吸附床单元的进气端分别连接各自的进气通道，排气端则分别连接各自的排气通道；

所述进气通道经进气三通阀连接至热空气管道和废气进气管道以实现进气切换，排气通道经排气三通阀连接至净化气管道和脱附气管道以实现排气切换；所述净化气管道上设有气体浓度检测装置，并通过信号线接至PLC控制单元；PLC控制单元通过信号线与各三通阀连接，分别控制各三通阀的切换动作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸附床模块是密闭的长方体结构；其两端分别为进气气室和排气气室，中部为呈集束状并联安装的吸附床单元；

各吸附床单元的进气通道均穿过进气气室，并在吸附床模块外侧与热空气管道连接；所述进气三通阀设于进气气室内的进气通道上，废气进气管道则接于进气气室的侧壁上；

各吸附床单元的排气通道均穿过排气气室，并在吸附床模块外侧与脱附气管道连接；所述排气三通阀设于排气气室内的排气通道上，净化气管道则接于排气气室的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述进气三通阀和排气三通阀均为二位三通板式阀，其阀板绕轴旋转的角度为90°，阀板上设有密封圈。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述进气通道和排气通道的截面呈长方形，所述进气三通阀和排气三通阀的阀板具有与其相匹配的形状。

5.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述热空气管道上设加热装置，进气通道内设有温度传感器，热空气管道通过电控阀门与补冷风通道相接，加热装置、温度传感器和电控阀门通过信号线接至PLC控制单元。

6.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述吸附床单元的进气端与进气通道之间设有集气罩，排气端与排气通道之间设有气体扩散器。