一种VOC控制器、处理系统和运行方法与流程

本发明涉及气体清洁设备与方法，尤其涉及一种在加工过程中对挥发性有机气体进行清洁的技术，其可在保持高效净化气体的同时，大幅节约能耗。

背景技术：

在涂敷工厂、半导体工厂或印刷工厂等中，使用大量的有机溶剂，有机溶剂容易挥发出气态的挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds简称voc)至空气中。众所周知，从工厂排出到大气中的voc，与太阳光、臭氧等反应，形成有害的有机性微粒子，并且使大气中的臭氧浓度增大等，对大气环境产生很不好的影响，同时，也会对工厂内接触voc的工作人员的人身健康产生不利影响。因此，工业生产中产生的voc要经过处理后才能排放到大气中或进入工厂的车间里循环使用。

现有技术中广泛采用吸附法对含有voc气体进行处理，利用吸附剂多孔的性质，可将产业排气中挥发性有机气体、臭味或毒性气体产生物理的吸附，而将之吸附于吸附剂的孔隙内，以达净化产业排气的目的。然而吸附剂在吸附饱和之后，必须经由再生的程序，将充填于吸附剂内的被吸附质(例如挥发性有机分子、高沸点化学物质…等)去除，才可重复使用。其中吸附滚轮式吸附系统是近年来开发成功的一种连续式线上再生操作系统。如图1a所示，为现有技术的voc气体处理系统，包括一个吸附滚轮和多个互相隔离的供气管道实现废气的吸附净化和voc成分的浓缩和处理。其中voc气体处理系统包括一处理气体进气管道f0向滚轮中的吸附区域20通入含有voc成分的待处理气体，穿过吸附滚轮后通过经过处理气体排气管道f1被输送到需要净化气体的空间。其中处理气体进气管道f0上还串联有一个驱动风机10，用于驱动大量气体流入吸附滚轮。冷却气体进气管道f2a从处理气体进气管道f0上分流部分气体穿过吸附滚轮的冷却区域24，并经过冷却气体出气管道f2b流入加热器进行加热，使得冷却气体被加热到足够对滚轮进行脱附的温度如200度以上，形成脱附气体。脱附气体经过脱附进气管道f3b流入吸附滚轮的脱附区域22，使得滚轮上吸附的voc成分脱附，变成含高浓度voc的废气，这些废气经过脱附排气管道f3a和串联在脱附排气管道上的驱动风机30被送入下一步处理设备。图1b为图1a中吸附滚轮的侧视图，如图所示吸附滚轮为圆柱形，滚轮被多个互相隔离的气体管道划分成三个区域，其中面积最大的与处理气体管道联通的是吸附区域20，与冷却气体管道联通的是冷却区域24，与脱附气体管道联通的是脱附区域22。通过驱动吸附滚轮以一定速度转动，含有挥发性有机成分或毒性化合物的产业废气经吸附滚轮的吸附区域时，吸附滚轮上的吸附剂将挥发性有机物质或毒性物质吸附，而达废气净化的目的。当吸附滚轮转入脱附再生区域(也可称解吸附区域)时，加热装置加热一股再生气流并将其输送到脱附再生区域，用于将吸附滚轮表面的挥发性有机物质脱附出来，使吸附区域再生以便继续使用，脱附出来的浓缩废气导入下一环节的浓缩焚化器进行燃烧分解，或导入一冷凝器进行冷凝回收。为了能将再生气流加热到能够解吸附挥发性有机物质的温度，加热装置通常要提供较大加热功率(如几十千瓦)，且由于工厂的挥发性有机物质全天都在产生，因此，持续加热的加热装置会消耗大量的电能，增加工厂的成本。

所以现有技术中voc气体处理系统的运行效果能够得到保证，最严重的问题是能耗过高，如何用更少的能耗实现对空气中voc成分的吸附和脱附是业内急需解决的核心技术难题。

技术实现要素：

由于现有技术存在着上述问题，本发明提出使用按需再生和可以间歇加热的voc净化装置，其能有效的解决现有技术中存在的大量的高能耗的严重问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：所述的节能技术首次提出在连续运行和热回收严密的除voc设备中使用非连续运行的模式和实现这种模式的方法及装置。实现按需再生和节能是通过对再生风机风速和再生加热器温度的有效和及时的控制。不是所有现有除voc设备在启动设备和运行时都具备的功能。所述按需再生技术的关键是通过具有在线监测的voc探测器，连续监测设备的运行效率和能耗。所述的设备控制器要能高效地处理voc探测器和多种探测器收集的参数，及时地调整和控制再生装置的启动，工作时间和再生的频率，等，使得整个除voc设备高度智能化。所述加热器进风口和出风口的各种阀门(v3,v4,f41)，以及在第一工作阶段和第二工作阶段转换时可能用到的旁路三通阀门v3,都会起到控制在不同阶段通过加热器的再生风量，达到按需加热再生风量和控制加热器在非再生阶段的热能流失。所述的加热器的温度不是所有现有除voc设备在启动设备后一直不变，而是可以在一个完整的再生周期，也就是包括升温，恒温和降温的一个周期里按设定的值有规律的变化，到达最有效的再生和最有效的节能。所述的再生风机的风量不是所有现有除voc设备在启动设备后一直不变，而是可以在一个完整的再生周期，也就是包括升温，恒温和降温的一个周期里按设定的值有规律的变化，到达最有效的再生和最有效的节能。

应理解，这些发明内容仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等同形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a是现有技术voc处理系统的结构示意图；

图1b是现有技术中吸附滚轮侧视图中区域划分示意图；

图2示出了本发明第一实施例voc处理系统结构示意图；

图3是本发明第一实施例中各管道中流量、加热功率和加热器内温

度变化示意图；

图4示出了本发明第二实施例的voc处理系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图，对本发明装置及方法进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

发明人经过研究发现，现有技术中需要持续的利用加热器加热空气以使得脱附区域22上的voc成分脱附，是为了防止吸附滚轮上吸附的voc成分过多积累达到饱和，导致吸附率下降，也就是部分待处理气体中的voc成分流过吸附滚轮的吸附区20，没有被有效吸附，而是经过处理气体排气管道f1流向了需要洁净空气的空间。经过发明人研究发现，实际上在待处理气体浓度很低且吸附滚轮的吸附和存储能力很高的情况下，脱附区域22一定时间不进行脱附也不会导致吸附率降低。由于待处理气体中voc浓度会变化，吸附滚轮越厚虽然能提高吸附滚轮的存储能力，但是也会带来气流阻力变大，需要更大体积的voc处理系统以及更大功率的驱动风机10，而且滚轮越厚在脱附过程中脱附区域中高温气体的流入端和流出端之间的温差会更大，这会导致靠近脱附进气管道f3b的吸附滚轮流入端的温度很快到达目标温度200度，但是靠近脱附排气管道f3a的吸附滚轮流出端的温度还在150度以下，无法完全脱附，基于上述原因吸附滚轮的厚度也就是吸附滚轮的吸附和存储能力受限。现有技术中吸附滚轮的旋转速度约为5转/小时，也就是每12分钟对整个吸附滚轮进行一次脱附，这个脱附周期是根据理论最大voc浓度和最小滚轮吸附能力计算获得的参数，能够保证正常参数范围内不会发生吸附率降低问题。但是在实际使用中，绝大部分应用场合中待处理气体包含的voc浓度远低于理论最大值，吸附滚轮也可以选择具有较大厚度的，所以现有技术中持续加热获得高温气体用于脱附会造成很大的能源浪费。

基于上述发现，发明人提出能够进行间歇式脱附的voc处理系统，以及相应的voc处理系统运行方法。图2所示为为本发明的voc处理系统，本发明voc处理系统包括冷却气体出气管道f2b和voc浓度感应器41和43。其中冷却气体出气管道f2b包括两个分支管道f41和f42，分支管道f41连接到脱附进气管道f3b上的一个三通阀门v3，分支管道f42上串联一个阀门v4，阀门v4下游联通到加热器。加热器加热来自分支管道f42的气体后输出高温的脱附气体，经过阀门v3进入吸附滚轮的脱附区域22。两个浓度感应器中的41设置在处理气体进气管道f0内，能够检测输入的待处理气体中的voc成分浓度，浓度传感器43设置在处理气体排气管道f1中，用于检测输出的气体中voc成分浓度。

本发明voc处理系统运行过程中包括一个第一工作阶段和一个第二工作阶段，第一工作阶段中voc处理系统只进行voc成分吸附，不进行脱附；第二工作阶段中，吸附滚轮上脱附区域对voc成分的脱附和吸附区域对voc成分的吸附同时执行。在第一工作阶段中驱动风机10驱动大量待处理气体进入吸附滚轮的吸附区域20，两个voc浓度感应器检测流入和流出吸附滚轮吸附区域20的voc成分浓度，同时关闭图2所示voc处理系统中的阀门v3、v4使得冷却气体管道f2a、f2b和脱附气体管道f3a、f3b中没有气体流动，此时冷却区域24没有冷却气体流过，加热器中也不需要输入高功率用以加热流过的气体，加热器两端的两个阀门v3、v4关闭使得加热器中形成一个闭合的空间，只需要输入很小的功率pl就能保证加热器中加热丝维持一个足够的热启动待机温度(如210度)，在待机温度下只要输送高加热功率ph，就能在很短时间内使得加热丝迅速达到300-400度，加热脱附气体达到约200度。如果长时间待机过程中不维持较小的输入功率pl，使得加热丝自然降温到了室温，需要半小时以上高功率加热才能达到所需的高温，响应速度太慢会导致部分吸附饱和的滚轮区域无法及时脱附，吸附率降低。

当待处理气体中voc浓度越高时，吸附滚轮饱和的时间也会越短，当饱和时间短到1-2小时，加热器内加热丝即使不输入加热功率，经过自然冷却，加热丝的温度都还能保持在需要的热启动待机温度(如210度)上，所以第一工作阶段输入的功率pl可以是零。当voc处理系统中吸附滚轮达到饱和时，滚轮的吸附率会缓慢下降，即使加热器从室温冷启动加热到脱附所需约300-400的脱附温度，耗时半个小时，其间被泄露的voc成分质量也不大，对于环境要求不苛刻的应用可以接受。即使因为滚轮吸附发生饱和，导致部分voc成分漏过了，在经过第二工作阶段脱附后，还可以再次将这些含有少量voc成分的气体送入voc处理系统进行吸附，所以待机温度也可以包括接近室温的冷启动待机温度，输入功率pl为零。待机温度设置为冷启动待机温度(20-100度)，由于第二工作阶段中加热速度慢，虽然有少量voc成分泄露，但是由于大幅减少了第一工作阶段的加热功率，节能效果更好，而且泄露的部分还可以在后续的吸附过程中被完全吸附。所以短时间的吸附饱和并不会造成严重的影响，所以也能实现本发明的发明目的，属于本发明实施例。

第一阶段进行足够长时间后，通过检测或者计算数据可知吸附滚轮的吸附量已经或将要到达饱和的量，吸收效率下降到一定数值时就需要切换进入第二工作阶段。可以通过两个voc浓度传感器41、43来实现上述检测，比如只利用浓度传感器41获得流入的待处理气体的voc浓度，已知的流入气体的流量，通过对voc浓度的积分或累加就可以推算出第一阶段运行一定时间(ta)后吸附滚轮上的吸附的voc成分质量，如果快要接近(饱和吸附质量的70-90％)吸附滚轮的饱和吸附量，就可以由控制器控制各个阀门、加热器开始动作切换工作模式。也可以通过两个浓度传感器41、43的浓度比值来计算得到吸附率(1-传感器43数值/传感器41数值)，当吸附率低于预设值，比如小于95％时说明吸附滚轮上出现部分吸附饱和，吸附率开始下降到影响吸附效果，所以此时也需要切换工作模式。在第一工作阶段向第二工作阶段转换过程中，需要打开阀门v4，向加热器中输入高功率ph，同时切换v3状态使得来自加热器的高温气体流过v3，关断与分支管道f41的连接，开启驱动风机30使得脱附气体流通，实现对滚轮上脱附区域的脱附。此外还需要驱动滚轮缓慢旋转，这样脱附区域在旋转过程中能够使得整个滚轮得到均匀的脱附再生。

进入第二工作阶段后加热器输出高温的脱附气体，这些高温气体使得积累在整个吸附滚轮的脱附区域22上的voc成分得到脱附，同时吸附区域20上仍然在继续吸附流经的待处理气体中voc成分，所以第二工作阶段是与现有技术中voc处理系统的工作方式接近，同时在滚轮上进行吸附和脱附。第二工作阶段执行时间很短，只需要吸附滚轮旋转至少一周，或者2-3周，使得整个滚轮上均实现了脱附就可以再次切换进入第一工作阶段了。第二工作阶段中吸附滚轮的旋转速度只要能保证完全脱附就可以，但是旋转速度太慢也会导致加热器中高功率输入时间段太长，节能效果减弱，所以最佳的旋转速度为3-8转/小时。

在从第二工作阶段到第一工作阶段转换过程中，由于第二工作阶段内脱附区域22会被高温气体加热到较高温度(大于180度)，无法直接进行吸附，所以需要在短时间内使冷却气体流过刚完成脱附的区域，所以需要控制三通阀门v3，使得冷却气体流过管道f2a、f2b、f41、阀门v3经过f3a、f3b被排出，同时关闭阀门v4，使得加热器两端再次被关断，形成闭合空间，减小或者完全切断输入加热器的功率使得加热器内温度逐渐降低至待机温度。这样只要吸附滚轮转过很小角度，使得高温的脱附区域22被充分冷却后，就可以正常进行吸附了，此时就可以关闭阀门v3与分支管道f41的联通，关闭驱动风机30，再次进入第一工作阶段。

如图3所示是本发明在第一工作阶段、第二工作阶段和从第二工作阶段向第一工作阶段转换的转换步骤中各个参数的变化图形。其中在ta时刻开通驱动电机30，向加热器供应加热功率ph，联通阀门v4使得脱附气体经过加热器向脱附滚轮流动，阀门v3与管道f41的连接维持断开状态。在tb时刻停止向加热器供应加热功率，断开阀门v4，开通阀门v3，使得管道f3b与管道f41的联通，维持驱动电机30的运转，直到到tc时刻关闭阀门v3和驱动风机30。其中第一工作阶段中吸附滚轮的旋转速度只要大于零可以任意选择，第二工作阶段的旋转速度不能太快，以能够完全脱附滚轮上积累的voc成分为宜。

本发明中第一工作阶段维持的时长受待处理气体浓度和吸附滚轮吸附量的影响，但是由于有两个voc浓度传感器，可以使得第一工作阶段的时间长度达到最大值，也就是极低功率pl的维持待机温度的时间达到最大，通常可以达到数个小时，甚至达到5小时以上。第二工作阶段，也就是高功率ph加热脱附的时间长度，只需要约10-30分钟就能够实现对整个吸附滚轮的完整脱附。维持待机温度的功率pl受加热器外壳导热参数的影响，加热器通常外部都是隔热材料制成，所以向外扩散很少，又没有大量气体流入带走热量，因此要维持加热器内的待机温度，pl功率可以很低，pl可以低于ph的1/4甚至1/10。所以采用本发明的voc处理系统和运行方式可以相对现有技术获得极其显著的节能效果。

图4所示是本发明另一实施例的示意图，基本结构与本发明图2所示的相同，主要区别在于没有了分支管道f41，连接在管道f3b上的阀门v3’也不需要是三通阀门，双通阀门就可以实现发明目的。这种结构的voc处理系统工作中没有转换步骤，在如图3所示的工作过程中，在tb时刻就同时关断了驱动风机30、阀门v3、v4和加热器功率输入，在tb时刻处于高温状态的吸附滚轮脱附区域22，在后续旋转经过冷却管道时没有冷却气流进行冷却，旋转到达吸附区的一小段时间内因温度过高会导致吸附率极低，但是待处理气体本身也能带走大量热，所以这段时间很短，泄露的voc量较小，少量voc成分泄露这一缺点相对于极大幅度的节能这一技术优势可以忽略不计。

此外，阀门v4除了可以设置在管道f2b上也可以设置在f2a上，只要能够在第一工作阶段停止向加热器供气就可以避免加热器内热量耗散，节约待机加热功率。阀门v3也可以省略，只通过对阀门v4和驱动风机30的控制就能实现加热器内气流的控制，在进入第一工作阶段时关闭阀门v4和驱动电机30，此时加热器内剩余的热量和高温气体一端被阀门v4关闭另一端没有驱动力，只会缓慢扩散，散热量较小，所以在待机的第一工作阶段中仍然只需要少量功率就能维持加热器内足够的待机温度，相对现有技术仍然具有极大的节能效果。

本发明中的阀门可以是手动开关的阀门，也可以电机、气压/液压驱动的阀门。还可以是一个可以上翻的翻板，当气流量很大时翻板被气流推上，气流流过加热器到达吸附滚轮，当驱动风机30停止驱动时，由于重力作用翻板自动落下，实现阻断气流管道，所以采用翻板时可以不需要驱动阀门动作，只需要控制驱动风机30的驱动力就可以自动控制加热器中气流的流通/关断或者流量大小。

本发明除了如图2和4所述的实施例中，包括冷却管道f2a、f2b，也可以省略该管道，加热器直接从管道f1抽取少量脱附气体，或者从管道f0直接取气，不需要流过冷却区域24。此时吸附滚轮也只保留了吸附区域20和脱附区域22，不再有冷却区域24。因为本发明中绝大部分时间内吸附滚轮都只进行吸附，不进行加热脱附，只在第二工作阶段的很短时间内进行一次脱附作业，吸附滚轮在短时间内没有充分冷却，导致刚完成加热脱附的脱附区域转动到处理气体管道对应的吸附区域，因温度过高无法进行有效吸附，最终使得voc成分泄露，但是在整个工作周期(第一工作阶段+第二工作阶段)流过的空气流量来说这些泄露的量比例很低，所以能够接受，也是本发明有效的实施例。

本发明的冷却气体管道f2a也可以连接到处理气体排气管道f1，这样冷却气体管道f2a就位于图2/4中吸附滚轮的右侧，来自排气管道f1的冷却气体流过吸附滚轮中的冷却区域24后到达位于吸附滚轮左侧的管道f2b，然后经过脱附气体进气管道f3b进入同样位于吸附滚轮左侧的加热器，经过加热后通入吸附滚轮左侧的脱附区域，最后从吸附滚轮的右侧流入脱附排气管道f3a。所以本发明的冷却气体管道和脱附气体管道可以根据需要选择设置在吸附滚轮的任意一侧，不局限在如图2/4所示的结构，只要能够在第一工作阶段有效的关断加热器中的气流，并且在第一工作阶段执行一段时间后精确的判断出工作状态切换信号，在第二工作阶段中开通加热器，使得吸附滚轮上不同区域同时进行voc成分吸附和脱附，就能实现本发明节能降耗的目的。此外在第一工作阶段中，阀门也可以不是完全关闭状态，但是阀门的开度需要设置的很小，只有少量气流会流过阀门以及加热器，加热器中输入很少的功率，使得加热器中输出少量高温气体。所以，阀门开度保持在极小状态的实施例，相对现有技术也能节约大量能量。在进入第二工作阶段时再将阀门开度调节至最大，同时加热器中输入高功率以加热气流对吸附滚轮进行充分脱附。

本发明提供另一实施例，在第一工作阶段中加热器两端通过阀门切断，同时脱附进气管道f3b通过其它管道联通到处理气体进气管道f0，使得脱附进气管道f3b内输入待处理气体，这些待处理气体流入吸附滚轮的脱附区，此时脱附区能够吸附流过的voc成分，所以此时脱附区域22实际功能是吸附voc。同样的，冷却气体管道f2a、f2b中也可以在第一工作阶段中长期流入待处理气体，使得冷却区域24的实际功效也是吸附voc气体。因为本发明的第一工作阶段中可以将加热器两端的进气和出气管道通过阀门切断，整个吸附滚轮上的三个区域脱附区域22、冷却区域24、吸附区域20都能够同时作为吸附区域，也就是本发明具有更大的吸附面积，相比现有技术只能在吸附区20吸附，本发明单位时间内能够处理更多气体。上述经过冷却区域24和脱附区域22处理后的空气，流经各自独立管道联通到处理气体排气管道f1，最终被排到需要洁净空气的空间。

本发明上述实施例中通过加热器上游或下游的阀门v4、v3在第一工作阶段中关闭加热器中的气流，同样的上述阀门也可以直接集成在加热器内部，只要能够在本发明第一工作阶段中减小或者完全关闭加热器的气流就能实现本发明大幅节约能越的目标。

本发明为了实现减小加热器中的气流也可以不设置阀门，通过控制脱附气体排气管道中的驱动风机30的转速来控制加热器下游的气压，使得受驱动风机10影响的加热器上游进气管道的压力与加热器下游管道f3b中的气压接近，这样就能使得加热器中流过的气流很小，从而减缓加热器中热量的耗散速度。在第二工作阶段中驱动风机30具有较大的转速，使得脱附气体管道f3a、f3b中气压低于加热器上游进气管道中的气压，较大流量的脱附气体气流流过加热器、吸附滚轮、脱附气体排气管道被排出。在第一工作阶段中驱动风机30的转速较小，其产生的低压与加热器上游进气管道中的压力接近，所以只有很小流量的气体会流过加热器，所以在没有阀门的情况下加热器中的热量耗散也可以很少，也能够实现本发明节能的目的。

本发明中的控制器能够根据voc处理系统中设置的voc浓度感应器监控吸附滚轮的吸附状态，一旦发现voc气体的吸附率下降了，就说明吸附滚轮开始饱和了，voc处理系统就要从第一工作阶段转换到第二工作阶段。在两个工作阶段转换过程中，控制器需要输出第一控制信号以控制加热器中的加热功率从第一工作阶段中的待机功率大幅增加到第二工作阶段的脱附功率，以在第二工作阶段完成对吸附滚轮的脱附。控制器还要同时输出第二控制信号以控制加热器中的气流，其中第一工作阶段中的气流可以很小或者基本没有气流，在第二工作阶段中需要具有足够气流以完成对吸附滚轮的脱附。其中第二控制信号可以控制位于加热器上游或下游管道中的阀门也可以控制加热器本身集成的阀门，以使得流过加热器的气流大幅变化。第二控制信号也可以控制位于加热器上游或者下游管道中的一个驱动风机的转速，通过对驱动风机的控制使得加热器上游或者下游管道中的翻板形阀门自动开关，或者加热器上下游气压接近，这种通过控制驱动风机的方式也能间接控制加热器中的气流量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。