CN210728724U - 罐顶VOCs回收及氮气再利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，该系统包括加压子系统、冷凝子系统、变压吸附子系统和氮气回收子系统，加压子系统包括加压风泵和阻火器，冷凝子系统包括回热换热器、预冷换热器、浅冷换热器、深冷换热器、防爆制冷压缩机、冷凝换热器、蒸发冷凝换热器和节流元件等，变压吸附子系统包括两组以上的并联设置的变压吸附装置，氮气回收子系统由氮气缓存罐及单向阀组成。本实用新型的通过加压回热换热器、预冷换热器、浅冷换热器、深冷换热器进行渐变降温冷凝、变压吸附回收并净化罐顶VOCs气体，最终VOCs被回收利用，罐顶氮气经提纯后再利用，并且机组在运行中无任何二次污染。

Description

罐顶VOCs回收及氮气再利用系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种罐顶VOCs回收及惰性气体再利用系统，尤其涉及的是一种氮封罐顶气的回收及氮气再利用系统。

背景技术

在炼油、石油化工厂中，存放着各种油品或石化产品。储罐大都建造在室外，为避免这些物料与空气直接接触，防止物料挥发，被氧化，以及容器的安全，常采用氮封装置，保持容器顶部氮气的压力恒定，使之与外界隔绝。另外，为减少储罐储存过程小呼吸、大呼吸而造成物料挥发的损耗，也采用氮封装置。

罐顶VOCs废气治理，在安全生产及环保压力下，全面开展。中国专利CN201721880896.2公开了一种回收利用固定顶储罐排放的VOCs气体装置，该装置通过碱洗单元、回收单元及燃料气管网组合的治理设施，其解决了VOCs达标排放，但是燃料气的损耗却很大。目前为止，市场上尚未有既可满足罐顶VOCs气体中VOCs回收并对罐顶密封氮气再利用的零排放系统。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种利用加压、冷凝、变压吸附、氮气回收技术实现罐顶VOCs的冷却回收并且净化分离出氮气再利用的系统。

技术方案：为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，包括加压子系统、冷凝子系统、变压吸附子系统和氮气回收子系统；所述加压子系统与进气凝液罐的出口相连，包括第一阻火器、加压风泵和第二阻火器；所述冷凝子系统包括回热换热器、气液分离罐、第一制冷子系统和第二制冷子系统，所述第一制冷子系统包括第一防爆制冷压缩机、冷凝换热器、预冷节流元件、预冷换热器、浅冷节流元件、浅冷换热器、蒸发冷凝节流元件、蒸发冷凝换热器和第一气液分离器；所述第二子制冷系统包括第二防爆制冷压缩机、蒸发冷凝换热器、深冷节流元件、深冷换热器和第二气液分离器；所述第一制冷子系统和第二子制冷系统共用蒸发冷凝换热器；

所述回热换热器的热侧气路进口与加压子系统出口相连，回热换热器的热侧气路出口与预冷换热器进口相连，预冷换热器的气路出口与浅冷换热器进口相连，浅冷换热器的气路出口与深冷换热器进口相连，深冷换热器出口与回热换热器的冷侧气路进口相连，回热换热器的冷侧气路出口通过气液分离罐与变压吸附子系统进气口相连，变压吸附子系统排气口与氮气回收子系统相连，所述氮气回收子系统包括氮气缓存罐和单向阀，所述氮气缓存罐通过所述单向阀与变压吸附子系统排气口相连，所述氮气缓存罐与罐顶之间连接有控制阀；

所述第一防爆制冷压缩机、冷凝换热器、并联的三个换热支路、第一气液分离器依次相连构成第一制冷循环回路；其中第一换热支路包括预冷节流元件和预冷换热器，第二换热支路包括浅冷节流元件和浅冷换热器，第三换热支路包括蒸发冷凝节流元件和蒸发冷凝换热器；所述第二防爆制冷压缩机、蒸发冷凝换热器、深冷节流元件、深冷换热器和第二气液分离器依次相连构成第二制冷循环回路；

所述变压吸附子系统包括两组以上的并联设置的变压吸附装置；每组变压吸附装置的解析阀的出口与进气凝液罐的入口相连。

作为优选，所述变压吸附装置包括吸附罐、进气阀、解析阀和排气阀，所述吸附罐包括吸附罐体、置于吸附罐体内的吸附剂和使吸附剂再生的解析装置。

作为优选，所述变压吸附装置为两组，其中一组对VOCs气体吸附，同时另一组进行解析处理；

所述两组变压吸附装置包括吸附罐A、吸附罐B、进气阀A、进气阀B、解析阀A、解析阀B、排气阀A、排气阀B；

气液分离罐通过进气阀A与吸附罐A底部的进气口相连；所述吸附罐A顶端的出气口通过排气阀A与氮气缓存罐相连。

作为优选，所述回热换热器、预冷换热器、浅冷换热器和深冷换热器底部上开设有液体出口，收集冷凝后的VOCs液体。

作为优选，所述回热换热器的处理温度为20±3℃，预冷换热器的处理温度为4±5℃，浅冷换热器的处理温度为-25±5℃，深冷换热器的处理温度为-60±10℃。

有益效果：本实用新型提供的罐顶VOCs回收及氮气再利用系统中，冷凝子系统通过第一防爆制冷压缩机产生的高温高压冷却剂气体，经冷凝换热器冷凝为高压过冷液体后，再经预冷节流元件、浅冷节流元件输送到预冷换热器、浅冷换热器中，冷却剂蒸发吸收VOCs气体的热量汽化，使VOCs气体降温液化；通过第二防爆制冷压缩机产生的高温高压冷却剂气体，经蒸发冷凝换热器冷凝为高压过冷液体后，再经深冷节流元件输送到深冷换热器中，冷却剂蒸发吸收VOCs气体的热量汽化，使VOCs气体降温液化。并且，本实用新型采用多组变压吸附装置交替处理，吸附装置由两个交替吸附和解析的吸附罐构成。当一个吸附罐处于吸附状态时，另一个吸附罐处于解析状态。当吸附罐内吸附VOCs气的量达到一定值(接近饱和)时，进行吸附和解析过程切换。解析过程采用降低吸附罐内压力，随着压力的降低，饱和吸附量降低，从而将VOCs气脱出，脱出的VOCs气通过压力输送到装置前端的进气凝液罐的入口，进入下一次回收循环。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型的通过加压系统、冷凝系统、变压吸附系统、氮气回收系统回收VOCs气体并通过调节阀对净化后的氮气进行回用；(2)本实用新型的加压风泵为防爆变频螺杆压缩机，压力可升压到0.4～0.8MPa，提高VOCs气体的凝析温度，进而提高制冷效率；(3)本实用新型的吸附为二个以上，可同时进行VOCs气体的带压吸附和降压解析，提高工作效率，降低吸附剂使用量；(4)本实用新型吸附罐中吸附剂吸附的VOCs气体通过压力降低脱附出来，使吸附剂重新具备活性，不需要额外的动力并且机组在运行中无任何二次污染；(5)本实用新型吸附剂解析脱出的油气经过压力，进入冷凝前端的进气凝液罐的入口，进入下一次回收循环；(6)本实用新型罐顶VOCs气体依次通过回热换热器、预冷换热器、浅冷换热器、深冷换热器，对VOCs气体进行渐变降温，有效的去除VOCs气体中的VOCs，并对凝析出的VOCs回收利用；(7)本实用新型罐顶VOCs气体经吸附后得到高纯度的氮气，经调节阀可直接再利用。

附图说明

图1为本实用新型所述罐顶VOCs回收及氮气再利用系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述罐顶VOCs回收及氮气再利用系统中冷凝子系统结构示意图；

图3为本实用新型所述罐顶VOCs回收及氮气再利用系统的VOCs气流示意图。

图1中，101-罐顶、102-调节阀A、103-调节阀B、201-进气凝液罐、202-第一阻火器、203-加压风泵、204-第二阻火器、205-回热换热器、206-预冷换热器、207-浅冷换热器、208-深冷换热器、209-气液分离罐、301-氮气缓存罐、302-吸附罐A、303-吸附罐B、304-止回阀、401-进气阀A、402-进气阀B、403-解析阀A、404-解析阀B、405-排气阀A、406-排气阀B。

图2中，501-第一防爆制冷压缩机、502-冷凝换热器、503-预冷节流元件、504-浅冷节流元件、505-蒸发冷凝节流元件、506-蒸发冷凝换热器、601-第二防爆制冷压缩机、602-深冷节流元件、603-第二气液分离器。

图3中，1-进气口、2-加压风泵出口、3-回热换热器出口、4-预冷换热器出口、5-浅冷换热器出口、6-深冷换热器出口、7-吸附出口。

具体实施方式

下面通过附图对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

如图1-2所示，本实用新型实施例公开的一种罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，主要包括加压子系统、冷凝子系统、变压吸附子系统、氮气回收子系统；其中加压子系统与进气凝液罐201的出口相连，包括第一阻火器202、加压风泵203和第二阻火器204；冷凝子系统包括回热换热器205、气液分离罐209、第一制冷子系统和第二制冷子系统，第一制冷子系统包括第一防爆制冷压缩机501、冷凝换热器502、预冷节流元件503、预冷换热器206、浅冷节流元件504、浅冷换热器207、蒸发冷凝节流元件505、蒸发冷凝换热器506和第一气液分离器507；第二子制冷系统包括第二防爆制冷压缩机601、蒸发冷凝换热器506、深冷节流元件602、深冷换热器208和第二气液分离器603；第一制冷子系统和第二子制冷系统共用蒸发冷凝换热器506，构成一双级复叠式制冷系统。

回热换热器205的热侧气路进口与加压子系统出口相连，回热换热器205的热侧气路出口与预冷换热器206进口相连，预冷换热器206的气路出口与浅冷换热器207进口相连，浅冷换热器207的气路出口与深冷换热器208进口相连，深冷换热器208出口与回热换热器205的冷侧气路进口相连，回热换热器205的冷侧气路出口通过气液分离罐209与变压吸附子系统进气口相连，变压吸附子系统排气口与氮气回收子系统相连，氮气回收子系统包括氮气缓存罐301和单向阀304，氮气缓存罐301通过单向阀304与变压吸附子系统排气口相连，氮气缓存罐301与罐顶101之间连接有控制阀102；

第一防爆制冷压缩机501、冷凝换热器502、并联的三个换热支路、第一气液分离器507依次相连构成第一制冷循环回路；其中第一换热支路包括预冷节流元件503和预冷换热器206，第二换热支路包括浅冷节流元件504和浅冷换热器207，第三换热支路包括蒸发冷凝节流元件505和蒸发冷凝换热器506；第二防爆制冷压缩机601、蒸发冷凝换热器506、深冷节流元件602、深冷换热器208和第二气液分离器603依次相连构成第二制冷循环回路；

第一阻火器202、第二阻火器204分别设计在加压风泵203前后端，用于防止火焰窜入下个环节或阻止火焰在管道间蔓延，第一阻火器为防爆轰型，第二阻火器为防爆燃型。加压风泵203为防爆变频螺杆压缩机，压力可升压到0.4～0.8MPa。

变压吸附子系统包括两组以上的变压吸附装置；每组变压吸附装置包括吸附罐、进气阀、解析阀、排气阀，吸附罐包括吸附罐体、置于吸附罐体内的吸附剂和使吸附剂再生的解析装置。本实施例中变压吸附装置为两组，彼此之间并联设置；其中一组对VOCs气体吸附，同时另一组进行解析处理。吸附罐体内的吸附剂为煤基活性炭。变压吸附装置包括吸附罐A 302、吸附罐B 303、进气阀A 401、进气阀B 402、解析阀A 403、解析阀B 404、排气阀A405、排气阀B 406。

气液分离罐203通过进气阀A 401与吸附罐A 302底部的进气口相连；吸附罐A 302顶端的出气口通过排气阀A 405与氮气缓存罐301相连；吸附罐A 302底部的进气口和进气阀A 401出口之间连接有解析阀A 403的进口，解析阀A 403的出口与进气凝液罐201连接；

回热换热器205、预冷换热器206、浅冷换热器207、深冷换热器208为高效壳管式换热器或高效螺旋管式换热器，底部上开设有液体出口，收集冷凝后的VOCs液体。回热换热器205的处理温度为20±3℃，预冷换热器206的处理温度为4±5℃，浅冷换热器207的处理温度为-25±5℃，深冷换热器208的处理温度为-60±10℃，各换热器处理温度对于不同的VOCs物料和提压可适当调整。

本实用新型实施例的系统主要工作原理是：制冷子系统工作时由第一防爆制冷压缩机501排出的高温高压制冷剂气体进入冷凝换热器502被冷凝成高压过冷制冷剂液体，分三路经预冷节流元件503、浅冷节流元件504和蒸发冷凝节流元件505节流降压成低温低压的汽液两相混和物分别进入预冷换热器206、浅冷换热器207和蒸发冷凝换热器506，低温低压的汽液两相混和物在预冷换热器206和浅冷换热器207内蒸发并吸收通过其中的VOCs气体的热量，在蒸发冷凝换热器506内蒸发并吸收通过其中的第二防爆制冷压缩机601排出的高温高压制冷剂热量，使流经预冷换热器206和浅冷换热器207的VOCs气体得以降温液化，使流经的第二级系统制冷剂得以冷凝，制冷剂充分汽化后通过第一气液分离器507再被第一防爆制冷压缩机501压缩进入下一轮循环。第二防爆制冷压缩机601排出的高温高压制冷剂气体进入蒸发冷凝换热器506被冷凝成高压过冷制冷剂液体，经深冷节流元件602节流降压成低温低压的汽液两相混和物进入深冷换热器208，低温低压的汽液两相混和物在深冷换热器208内蒸发并吸收通过其中的VOCs气体的热量，使流经深冷换热器208的VOCs气体得以进一步降温液化，制冷剂充分汽化后通过第二气液分离器603再被第二防爆制冷压缩机601压缩进入下一轮循环。

表1苯罐顶气回收处理过程参数

本实施例以VOCs组分为苯时的处理过程参数检测说明本实用新型实施例的效果，表1苯罐顶气回收处理过程参数，其中监测位置点如图3所示。罐顶VOCs气体通过加压风泵203，将VOCs气体提压到0.6MPa后，依次通过回热换热器205、预冷换热器206、浅冷换热器207、深冷换热器208分级冷却，使VOCs气体逐级冷却至-65℃左右，99％以上的VOCs气体冷却为液态，由对应换热器底部的出液口回收。处理后的罐顶气体为纯度超99.99％氮气，可以直接使用。

具体地，回热换热器205的处理温度为20±3℃，预冷换热器206的处理温度为5±3℃，浅冷换热器207的处理温度为-25±3℃，深冷换热器208的处理温度为-65±3℃，整机通过以上过程不断循环，从而达到VOCs气体连续降温至-65℃的目的。此时VOCs气体含量≤30mg/m³，VOCs回收率≥99％，氮气含量≥99.99％。相对于常压冷凝系统，制冷效率约提高8％，冷凝撬块单元占地约缩小了5％。根据VOCs气体具体成份、提升压力，温度场可以适时调整。

冷凝后的剩余罐顶气体经过进气阀进入吸附罐中，利用吸附罐中的吸附剂对吸附质的选择性，即VOCs气体和氮气与活性炭之间结合力强弱的差别，使难吸附的氮气与易吸附的VOCs分离，此时VOCs气体含量≤1mg/m³，VOCs净化率≥99.99％，氮气含量≥99.999％；打开与吸附罐底部进气口相连的解析阀，进行降压，并将气体传送到进气凝液罐102的入口，进入下一轮吸附循环，使吸附剂获得再生。相对于同冷凝温度子系统的常压吸附系统，本系统吸附剂填充量约减少了50％，吸附撬块单元成本降低了45～55％，吸附撬块单元占地约缩小了20％。纯净的氮气可以直接通过调节阀向外输送，直接利用，减少罐顶氮封损耗而且能创收。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，其特征在于：包括加压子系统、冷凝子系统、变压吸附子系统和氮气回收子系统；所述加压子系统与进气凝液罐(201)的出口相连，包括第一阻火器(202)、加压风泵(203)和第二阻火器(204)；所述冷凝子系统包括回热换热器(205)、气液分离罐(209)、第一制冷子系统和第二制冷子系统，所述第一制冷子系统包括第一防爆制冷压缩机(501)、冷凝换热器(502)、预冷节流元件(503)、预冷换热器(206)、浅冷节流元件(504)、浅冷换热器(207)、蒸发冷凝节流元件(505)、蒸发冷凝换热器(506)和第一气液分离器(507)；所述第二制冷子系统包括第二防爆制冷压缩机(601)、蒸发冷凝换热器(506)、深冷节流元件(602)、深冷换热器(208)和第二气液分离器(603)；所述第一制冷子系统和第二子制冷系统共用蒸发冷凝换热器(506)；

所述回热换热器(205)的热侧气路进口与加压子系统出口相连，回热换热器(205)的热侧气路出口与预冷换热器(206)进口相连，预冷换热器(206)的气路出口与浅冷换热器(207)进口相连，浅冷换热器(207)的气路出口与深冷换热器(208)进口相连，深冷换热器(208)出口与回热换热器(205)的冷侧气路进口相连，回热换热器(205)的冷侧气路出口通过气液分离罐(209)与变压吸附子系统进气口相连，变压吸附子系统排气口与氮气回收子系统相连，所述氮气回收子系统包括氮气缓存罐(301)和单向阀(304)，所述氮气缓存罐(301)通过所述单向阀(304)与变压吸附子系统排气口相连，所述氮气缓存罐(301)与罐顶(101)之间连接有控制阀(102)；

所述第一防爆制冷压缩机(501)、冷凝换热器(502)、并联的三个换热支路、第一气液分离器(507)依次相连构成第一制冷循环回路；其中第一换热支路包括预冷节流元件(503)和预冷换热器(206)，第二换热支路包括浅冷节流元件(504)和浅冷换热器(207)，第三换热支路包括蒸发冷凝节流元件(505)和蒸发冷凝换热器(506)；所述第二防爆制冷压缩机(601)、蒸发冷凝换热器(506)、深冷节流元件(602)、深冷换热器(208)和第二气液分离器(603)依次相连构成第二制冷循环回路；

所述变压吸附子系统包括两组以上的并联设置的变压吸附装置；每组变压吸附装置的解析阀的出口与进气凝液罐(201)的入口相连。

2.根据权利要求1所述的罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，其特征在于：所述变压吸附装置包括吸附罐、进气阀、解析阀和排气阀，所述吸附罐包括吸附罐体、置于吸附罐体内的吸附剂和使吸附剂再生的解析装置。

3.根据权利要求1所述的罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，其特征在于：所述变压吸附装置为两组，其中一组对VOCs气体吸附，同时另一组进行解析处理；

所述两组变压吸附装置包括吸附罐A(302)、吸附罐B(303)、进气阀A(401)、进气阀B(402)、解析阀A(403)、解析阀B(404)、排气阀A(405)、排气阀B(406)；

气液分离罐(209)通过进气阀A(401)与吸附罐A(302)底部的进气口相连；所述吸附罐A(302)顶端的出气口通过排气阀A(405)与氮气缓存罐(301)相连。

4.根据权利要求1所述的罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，其特征在于：所述回热换热器(205)、预冷换热器(206)、浅冷换热器(207)和深冷换热器(208)底部上开设有液体出口，收集冷凝后的VOCs液体。

5.根据权利要求1所述的罐顶VOCs回收及氮气再利用系统，其特征在于：所述回热换热器(205)的处理温度为20±3℃，预冷换热器(206)的处理温度为4±5℃，浅冷换热器(207)的处理温度为-25±5℃，深冷换热器(208)的处理温度为-60±10℃。

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