CN216986350U - 一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，包括预冷器、Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器、Ⅲ级冷凝器、冷媒过冷器、集液罐、Ⅲ级制冷压缩机和外冷源。VOCs废气依次通过预冷器、Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器和Ⅲ级冷凝器，废气中有机组分冷凝成液体自流入集液罐，不凝性尾气则通过冷媒过冷器和预冷器，送后续尾气处理单元深度净化。本实用新型Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器利用外冷源，具有流程简单、设备投资少，运行费用低和运行故障率低的特点；对于已有制冷装置的石油化工企业来说，油气回收规模较大时采用此装置有较好的节能效果。

Description

一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置

技术领域

本实用新型属于挥发性有机物(简称VOCs)处理技术领域，具体涉及一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置。

背景技术

在石油化工行业，有机液体产品在储存和装卸车过程中会产生挥发性有机气体。挥发性有机物(简称VOCs)大多具有易燃易爆和毒害性，除直接危害作业人员身体健康外，还对环境造成污染。挥发的有机废气主要成分是有机液体所对应的特征污染挥发物，其次，还含有少量非甲烷总烃(简称NMHC，C2～C8碳氢化合物)。大气中的NMHC超过一定浓度，除可直接麻醉人体的中枢神经系统，刺激皮肤粘膜外，在一定条件下经日光照射还能产生光化学烟雾，对环境和人类造成危害。

有机液体产品储存和装载过程挥发的有机废气浓度较高，对作业人员和环境的危害性大，且经济价值较高，故应对其回收利用。VOCs回收技术主要有冷凝法、吸收法、吸附法和膜分离四种技术，但吸附法和膜分离技术只能将VOCs气体从低浓度状态富集到高浓度状态，吸收法能够实现回收，但面临着吸收剂的精馏、分离问题，只有冷凝法通过气态到液态的相变实现VOCs有机组分的完美回收。现阶段，冷凝法由于具有回收产品纯度高和回收率高的特点，在规模较大的VOCs回收装置作为主回收工艺得到广泛应用。

现冷凝法制冷机组都采用机械压缩制冷方式，即电力驱动压缩机完成制冷循环，通过液态冷媒的相变蒸发来间接冷却VOCs废气，使有机气体冷凝液化，从而达到回收有机产品的目的。冷凝法一般需要三级制冷，第1级冷却VOCs废气到3℃～5℃以防止VOCs废气中水汽冻结，第2级控制冷凝温度为-30℃～-40℃，第3级一般在-70℃以下。现冷凝式油气回收机组由设备厂商整体成撬供货，具有结构紧凑，战地面积小，自动化程度高、可无人值守运行的优点。

尽管机械压缩制冷技术很成熟，但制冷压缩机并不是一台单独的动设备，每套制冷机组除压缩机、冷凝器、膨胀阀、冷箱(蒸发器)四大组件外，还包含油分离器、冷媒储液罐和经济器及气、液相冷媒管线，以及电磁阀和温度、压力等机组控制与保护系统，以上任一组件故障，都会导致系统停机。实际应用中，因VOCs回收机组处于间歇运行和变负荷状态，更容易出现制冷剂泄漏、压缩机回油不畅、机组系统保护等现象，导致VOCs回收装置不能正常运行。其次，压缩制冷需要消耗较多的电能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，克服了现有冷凝式VOCs回收机组的缺点，利用外冷源提供前两级冷量的VOCs回收节能装置，由于不需要配置前两级制冷压缩机，具有投资较低、运行可靠、节能降耗的特点。

现石油化工企业一般都配套有汽轮机驱动的大型制冷装置，如，煤化工低温甲醇洗装置配置建设氨或丙烯为制冷介质的冰机装置，可提供+4℃和-40℃两种级别的冷量，本实用新型将所述冰机装置作为外冷源用于VOCs废气的前两级冷凝上。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，包括预冷器、Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器、Ⅲ级冷凝器、冷媒过冷器、集液罐、Ⅲ级制冷压缩机和外冷源。其中，所述VOCs废气依次通过预冷器、Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器和Ⅲ级冷凝器，废气中有机组分冷凝成液体自流入集液罐，不凝性尾气则通过冷媒过冷器和预冷器回收冷量并复热，送后续尾气处理单元深度净化。所述Ⅰ级冷凝器与外冷源的+4℃制冷介质相连，Ⅱ级冷凝器与外冷源的-40℃制冷介质相连，Ⅲ级冷凝器与Ⅲ级制冷压缩机的-70℃冷媒相连，提供VOCs有机组分深度冷凝液化所需的温度。

所述Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器、Ⅲ级冷凝器、冷媒过冷器采用通用的管翅或板翅式换热器，制冷介质走管程，VOCs气体走翅片之间的壳程。

所述Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器、Ⅲ级冷凝器在运行过程中可能产生固体凝结，故可依据VOCs物料特性将全部或个别冷凝器设置成双通道自动切换融霜的形式。

优选的，所述冷凝器级数不限于三级，也可以是两级冷凝，对冷凝温度范围较宽的有机组分来说还可能是四级冷凝；所述冷源可以是外冷源和内冷源(配套的制冷压缩机)的组合，如企业有-70℃～110℃的深冷装置，也可以全部采用外冷源。

优选的，所述VOCs废气经过三级冷凝器后，不凝性尾气在冷媒过冷器中与Ⅲ级制冷压缩机出口的高压冷媒换热，回收冷量后再进入预冷器与入口VOCs废气间接换热，复热至15℃～30℃送后续尾气处理单元深度净化。

更优选的，对采用外冷源的Ⅰ级冷凝器和Ⅱ级冷凝器，尤其是换热负荷较大的Ⅰ级冷凝器，选用蒸发空间大、冷凝温度恒定的BKU釜式换热器。

本实用新型通过上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)该外冷源冷凝式VOCs回收节能装置前两级冷凝器采用外冷源，无须采用制冷压缩机，节约了设备投资。

(2)减少了两台制冷压缩机，降低了压缩机发生故障停机的几率，提高了VOCs装置开车率。

(3)具有较好的节能效果，节约了2台制冷压缩机的电耗，而外冷源的压缩制冷机组的蒸汽消耗基本不增加。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图

图中编号：1-预冷器，2-Ⅰ级冷凝器，3-Ⅱ级冷凝器，4-Ⅲ级冷凝器，5-冷媒过冷器。6-集液罐，7-Ⅲ级制冷压缩机，8-外冷源

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

参照图1所示的一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，包括通过管线连接的预冷器1、Ⅰ级冷凝器2、Ⅱ级冷凝器3、Ⅲ级冷凝器4、冷媒过冷器5、集液罐6、Ⅲ级制冷压缩机7和外冷源8。

所述VOCs废气依次通过预冷器1、Ⅰ级冷凝器2、Ⅱ级冷凝器3和Ⅲ级冷凝器4，废气中有机组分冷凝成液体自流入集液罐6，不凝性尾气则通过冷媒过冷器5和预冷器1，送后续尾气处理单元深度净化。所述Ⅰ级冷凝器2与外冷源8的+4℃制冷介质相连，Ⅱ级冷凝器3与外冷源8的-40℃制冷介质相连，Ⅲ级冷凝器4与Ⅲ级制冷压缩机7的冷媒相连，提供VOCs有机组分深度冷凝液化所需的温度。

具体的，常温、微正压状态的VOCs废气直接进入冷凝装置，依次经过预冷、初冷、中冷和深冷，使VOCs废气中有机组分液化并在冷凝器中得到分离。进装置的VOCs废气在预冷器1中完成预冷，冷介质是Ⅲ级冷凝器4深冷后并经冷媒过冷器5回收冷量后的不凝性尾气，使VOCs废气降温到20℃～30℃左右；在Ⅰ级冷凝器2中完成初冷，VOCs气体与外冷源8提供的+4℃制冷介质换热，使其温度降低到3℃～5℃左右；在Ⅱ级冷凝器(3)中完成中冷，VOCs气体与外冷源(8)提供的-30℃～-40℃制冷介质换热，使其温度从3℃～5℃降低到-25℃～-35℃左右；在Ⅲ级冷凝器4中完成深冷，VOCs气体与Ⅲ级制冷压缩机7提供的冷媒换热，使其温度从-25℃～-35℃降至-70℃以下。

经过多级降温冷凝，VOCs废气中98％以上有机组分在预冷器1、Ⅰ级冷凝器2、Ⅱ级冷凝器3和Ⅲ级冷凝器4冷凝成为液体，汇集在预冷器和各冷凝器壳程底部接口，并通过U型液封自流入集液罐6中成为产品。

出Ⅲ级冷凝器4制冷压缩机7的-70℃左右的不凝性尾气，首先在冷媒过冷器5中与Ⅲ级制冷压缩机7出口水冷器(或风冷器)后的40℃高压液体冷媒换热回收冷量，并再次进入预冷器1中对进装置VOCs废气进行预冷，不凝性尾气经两级复热升温到15℃～30℃左右，送后续尾气处理单元深度净化。

外冷源8为汽机驱动或电力驱动的大型压缩制冷装置，高压液态制冷介质在适当压力下膨胀可得到+4℃等级的冷冻介质，在常压左右膨胀可得到-30～-40℃等级的冷冻介质。其中+4℃等级的制冷介质在Ⅰ级冷凝器2中蒸发成为气相，返回外冷源8作为压缩机二段回气，-30℃～-40℃等级的制冷介质在Ⅱ级冷凝器中蒸发成为气相，返回外冷源8作为压缩机一段回气。

内冷源为电力驱动的Ⅲ级制冷压缩机7，通过压缩、冷凝、膨胀和蒸发完成制冷循环，蒸发设备为Ⅲ级冷凝器4，对VOCs气体进行-70℃的深冷。如前所述，为节能设置冷媒过冷器5和预冷器1，回收Ⅲ级冷凝器4出口-70℃不凝性尾气的冷量。

实施例：某60万吨煤制甲醇企业，甲醇罐区和汽车装车栈台VOCs治理项目的VOCs废气量1200m³/h，采用推广的“基于冷凝+吸附联合工艺的油气回收技术”来回收处理甲醇VOCs废气。考虑自动切换吸附罐脱附气量，则进VOCs冷凝装置的气量为1500m³/h。计算Ⅰ级冷凝器热负荷为142.3KW，需配置52KW功率的制冷压缩机，Ⅱ级冷凝器热负荷为19.3KW，需配置37KW功率的制冷压缩机。

由于企业低温甲醇洗装置配套有丙烯制冷装置，故考虑将丙烯制冷装置的+4℃和-40℃两个冷冻等级的丙烯引入VOCs冷凝装置，作为Ⅰ级冷凝器、Ⅱ级冷凝器的冷源。Ⅱ级冷凝器需+4℃冷冻等级的丙烯1470kg/h，Ⅱ级冷凝器需-40℃冷冻等级的丙烯210kg/h，约占丙烯制冷装置总制冷负荷的4％。丙烯作为VOCs装置外冷源后，从制冷负荷和机组效率上讲蒸汽消耗量可能增加200～400kg/h，似乎同配置2台制冷压缩机的电费消耗相当。实际VOCs冷凝装置满负荷运行时，作为外冷源的丙烯压缩机一段防喘振阀开度基本不变为12％左右，二段防喘振阀开度由8％降低到5％，蒸汽消耗增加量为150kg/h，有较好的节能效果。但最主要减配了2台制冷压缩机及其制冷组件，降低了设备投资。

本实用新型的原理是：冷凝法通过分梯度逐级“冷凝”的方式，将VOCs废气中不同沸点的有机组分冷凝成液体而得到回收，具有回收产品纯度和回收率高的特点。冷凝法一般每级冷凝器需要设置配套的压缩制冷设备，对已有大型制冷装置的的石油化工企业来说，初级和中级冷凝器可采用丙烯或氨制冷装置的+4℃和-40℃冷源，从而达到减少设备、简化流程和节能降耗的目的。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于，包括与进装置的VOCs废气管线连接的预冷器（1）；以及所述预冷器（1）通过管线依次连接Ⅰ级冷凝器（2）、Ⅱ级冷凝器（3）、Ⅲ级冷凝器（4）、冷媒过冷器（5）、集液罐（6）、Ⅲ级制冷压缩机（7）和外冷源（8）；所述Ⅰ级冷凝器（2）与外冷源（8）的+4℃制冷介质相连；所述Ⅱ级冷凝器（3）与外冷源（8）的-40℃制冷介质相连；所述Ⅲ级冷凝器（4）与Ⅲ级制冷压缩机（7）的-70℃冷媒相连，所述冷媒提供VOCs有机组分深度冷凝液化所需的温度。

2.如权利要求1所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于，所述Ⅰ级冷凝器（2）、Ⅱ级冷凝器（3）两级冷凝器与外冷源（8）连接。

3.如权利要求1或2所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于，所述VOCs废气经过三级冷凝器后的不凝性尾气通过管线连接所述冷媒过冷器（5），所述冷媒过冷器（5）与所述Ⅲ级制冷压缩机（7）出口端的高压液体冷媒连接换热，换热回收冷量后不凝性尾气与所述预冷器（1）连接，用于与所述进装置VOCs废气换热，复热至15℃～30℃；所述复热后的出装置不凝性尾气与后续尾气处理单元连接，并深度净化VOCs废气。

4.如权利要求3所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于，所述三级冷凝器级数不限于三级，根据VOCs废气冷凝温度范围可为两级冷凝或四级冷凝。

5.如权利要求1或2所述外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于，所述冷源为外冷源（8）和制冷压缩机的组合。

6.根据权利要求1所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于：所述Ⅰ级冷凝器（2）、Ⅱ级冷凝器（3）、Ⅲ级冷凝器（4）、冷媒过冷器（5）为通用的管翅或板翅式换热器；所述制冷介质走管程，所述VOCs气体走翅片之间的壳程。

7.根据权利要求6所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于：所述Ⅰ级冷凝器（2）、Ⅱ级冷凝器（3）、Ⅲ级冷凝器（4）全部或个别冷凝器设置成双通道自动切换融霜形式。

8.根据权利要求6所述的外冷源冷凝式VOCs回收节能装置，其特征在于：所述Ⅰ级冷凝器（2）和Ⅱ级冷凝器（3）优先选用BKU釜式换热器。

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