本发明涉及挥发性有机废气治理领域，具体是指一种高浓缩比耐高温轻型有机废气 浓缩装置及方法。
背景技术：
随着我国社会经济的进步，大气污染情况日趋严重化。为了满足人民日益增长的美 好生活需要，国家相关部门出台了一系列的环保政策，各地方相继实施重点区域、重点 企业挥发性有机物综合整治工程。其中以石化、化工、涂装、包装印刷等行业为重点， 实施挥发性有机物全过程防治措施。新、改、扩建排放挥发性有机物的项目，必须按照 “一流的设计、一流的设备、一流的治污、一流的管理”的原则进行建设，严格执行相 关大气污染物排放标准，实现有组织和无组织排放的双达标。新增挥发性有机物排放量 实行区域内现役源削减替代。如汽车涂装行业等要求挥发性有机物的削减量达到90％， 对于涂装行业的排放标准越来越严苛。目前我国的废气治理逐渐从中高浓度向中低浓度， 甚至是超低浓度的有机废气治理转变，因此这就要求采用更加有效的治理技术处理低浓 度大风量的有机废气。
目前针对低浓度大风量的有机废气的处理技术主要有活性炭吸附浓缩和转轮吸附 浓缩。活性炭吸附浓缩具有吸附容量大、投入成本低等优势。同时也存在脱附效能低、 耐受温度低、需要定期更换等缺点。中国专利CN201997227U提出了一种节能型吸附、 脱附组合系统，利用中空结构，减少热量的损耗，一定程度上提高了活性炭床层的脱附 效能。但该方案仍然存在安全性差、需定期更换的弊端。
转轮吸附浓缩技术通过转轮芯体的连续转动，可以实现连续吸附再生；由于芯体材 料采用分子筛，耐高温，脱附效能提高。中国专利CN201361513Y提供了一种转轮式有 机废气吸附及脱附装置，吸附层在旋转的过程中交替进行吸附和脱附两个步骤，工作效 率提高；吸附剂层连续更新，吸附量也相应提高。但是由于转轮独特的外形结构，拆装 更换不方便，且气体处理面积有限，浓缩倍数只能达到5-20倍，最低处理污染物浓度 为200ppm，对于更低浓度的废气的处理能力有限。中国专利CN202700317U提出了一 种分室离线脱附分子筛滤筒吸附设备，利用分子筛耐高温的特性，可以高温脱附高沸点 有机污染物，且多个的分子筛滤筒提高了废气处理的处理面积，可以有效的提高其浓缩 倍数。该装置在处理大风量、低浓度有机废气处理方面具有一定的竞争优势。然而该装 置采用钢筛内外筒和分子筛的组合形式，极大的增加了设备的重量，另外只能进行离线 脱附，相比于连续的在线脱附方式，分子筛滤筒的利用率下降，且增加了场地的占用率。 中国专利CN201534043U提供了一种旋转式吸附脱附一体化有机废气处理装置，采用转 动活性炭吸附筒的形式，实现连续的吸附脱附运行，提高了废气处理能力，占地面积小。 由于其单一的吸附筒结构灵活性差，且具有活性炭本身存在的弊端，随着筒状结构直径 的增加，填充吸附材料时损耗量越大，气体流态趋于紊流，不利于提高吸附净化效率； 吸附筒重量大幅增加，驱动负荷逐渐增大，能耗加大等问题限制了应用。此外，其技术 方案还存在采用高温脱附气体时不能冷却吸附材料以保证脱附后的吸附能力、脱附气通 道设于筒状结构内部导致无法满足增加脱附处理对象等问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高浓缩比耐高温轻 型有机废气浓缩装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种高浓缩比耐高温轻型有机废气浓缩装置，包括中空的壳体；壳体的内腔被 横向隔板分为上部的吸附腔和下部的排放气收集腔，两者彼此不连通；吸附腔的壁上设 有废气进口，排放气收集腔的壁上设有排放气出口；壳体中布置了2-6个芯体组合体， 芯体组合体包括分别位于吸附腔和排放气收集腔中的上下两个芯体，各芯体均为由若干 个吸附块组成的圆筒状结构，芯体底部安装于转盘上；上下两个芯体呈竖向布置且通过 相对的两个端面连接，其内腔相互连通构成芯体通道，芯体通道的底端封闭；驱动机构 与芯体底部的转盘相接，并能通过驱使转盘转动带动芯体绕竖向中轴线进行旋转；
以固定的竖向隔板与各芯体组合体的外壁共同组成脱附腔，脱附腔与芯体组合体等 高且底端封闭，顶端通过管路连接至设于壳体上部的热空气进口；芯体通道中设置竖向 隔板，将芯体通道分隔为排放气通道和浓缩废气通道；排放气通道的上半部分与吸附腔 对应布置，下半部分与排放气收集腔对应布置，浓缩废气通道与脱附腔对应布置；用于 组成脱附腔的隔板以及位于芯体通道中的隔板均为固定设置，且与芯体组合体的表面为 弹性密封接触，在保持芯体组合体自由旋转的同时能阻隔两侧气体避免相互流通；排放 气通道的的顶端封闭，浓缩废气通道的顶端连接至设于壳体上部的浓缩废气出口。
本发明中，在所述浓缩废气通道中还设置了一个固定的竖向隔板，隔板一侧与芯体 组合体表面为弹性密封接触，将浓缩废气通道分隔为两个相连的间隔部分，其漏风率≤5％； 其中，在上芯体的浓缩废气通道中，一个间隔部分与脱附腔对应布置作为脱附区，另一 个间隔部分与吸附腔对应布置作为冷却区；在下芯体的浓缩废气通道中，两个间隔部分 均与脱附腔对应布置。
本发明中，在壳体内腔的上部设置浓缩废气收集腔，所述浓缩废气出口位于浓缩废 气收集腔的壁上。
本发明中，在壳体内腔的底部设置有转盘，下层芯体安转在转盘上，上层芯体安装 在下层芯体上部；所述驱动机构包括减速电机和链条，减速电机通过链条带动芯体底部 的转盘转动整个芯体组合体；其中减速电机的转速为8～50r/h，链条的传动比为150～900。
本发明中，所述各隔板是由双层的钢板或铝型材组成，其内部的中空部分填充保温 材料。
本发明中，所述芯体是由若干个吸附块依次堆叠而成的圆筒状结构，吸附块的横截 面呈梯形或扇环形，其主体的材质为吸附了沸石分子筛、硅胶或者铝溶胶的耐温纤维基 纸，呈瓦楞状堆叠；其周边以角铝型材固定，并由密封橡胶进行密封处理；吸附块下底 边长A∶上底边长B为1∶(1～2)，高度C∶上底边长B为1∶(1～2)，耐受温度为80～500℃， 单个吸附块的容重60～120kg/m3。
本发明进一步提供了基于前述装置的有机废气浓缩方法，包括：启动驱动机构，带 动芯体组合体的上下芯体同时旋转；从废气进口向吸附腔中引入待处理的废气，经上芯 体的吸附后由排放气通道到达下芯体；再经下芯体吸附后进入排放气体收集腔，并由排 放气出口排出装置；从热空气进口向脱附腔中导入80～300℃的热空气，使吸附了有机废 物的吸附块在旋转至与脱附腔对应的位置时被热空气吹扫；脱附的有机废气进入浓缩废 气通道后，由浓缩废气出口排出装置。如将本装置应用于风量为10000～300000m3/h， 污染物浓度为150～800mg/m3的有机废气处理工程中，浓缩倍数10～50倍。
本发明中，位于上芯体中的吸附块在被热空气吹扫后，继续旋转至与冷却区对应位 置，被吸附腔中的废气吹扫以对吸附块进行冷却；冷却吹扫后的废气进入浓缩废气通道， 并由浓缩废气出口排出装置。
对于长期使用导致吸附再生效果下降的情况，本发明进一步提供了离线式再生的步 骤：将芯体中的吸附块拆卸下来，放入500℃的炉窑中焙烧，去除黏附的高沸点有机污 染物，通过释放吸附块上的吸附位点，恢复其吸附性能；焙烧结束后，重新组装吸附块 并投入使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述装置中核心部件芯体采用耐高温且轻便的纤维纸载体，并且沸石、 硅胶、铝溶胶等吸附材料也具有良好的高温稳定性，有效的提高了浓缩装置的耐温性能， 减少了装置的容重。
(2)本发明以固定的竖向隔板与各芯体组合体的外壁共同组成脱附腔，能够根据 设计的脱附能力需要增加芯体组合体的数量，大大提高了装置改装灵活性。在使用数个 隔板即能构成多芯体组合体可用的脱附腔，极大降低了成本。
(3)本发明通过在上芯体的浓缩废气通道中设置冷却区，通过引入吸附腔中的废 气吹扫以对吸附块进行冷却；以最小成本保证了经脱附后吸附块的吸附能力，能大大延 长吸附块的有效使用寿命。
(4)本发明所述装置吸附块采用上下双层结构，减小单个芯体内外径的差异，减 少了填充吸附材料时的损耗，降低了装置的气流阻力。芯体结构紧凑，标准化的梯形吸 附块生产，增减灵活，更换方便，使得浓缩装置不受限于转轮的外形，可以根据场地情 况灵活增减芯体，调整外部构型，拓宽了装置的污染物的处理能力，提高了装置对改造 项目的适应性。吸附块具有耐高温的性能，可以支持线上热脱附和离线焙烧等多种形式 再生，有效的利用了吸附块上吸附材料的性能并延长了使用寿命。瓦楞状的堆叠模式使 通过的气体呈现层流状态，有利于气固两相间的传质，吸附性能提高。
(5)本发明所述装置采用链条传动的模式，共用热力脱附系统，实现了连续吸附 脱附，减少了能源的损耗并节省了装置的占地。
(6)本发明在有限的空间中有效地增加了浓缩装置的吸附面积，提高了废气的处 理量，并提高了中低浓度有机废气的浓缩倍数，实现了对超低浓度大风量有机废气的有 效浓缩处理。
(7)本发明能够应用于炼化、化工、印刷、涂装、合成革等涉及有机溶剂的生产 行业。其应用场景中的有机废气具有风量大(一般为10000～300000m3/h)，污染物浓 度低(一般为150～800mg/m3)的特点。针对上述特征的废气，本发明专利可以实现气 体浓缩比1:(10～50)。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明浓缩装置的剖面结构示意图。
图2是芯体的结构示意图。
图3是梯形吸附块的结构示意图。
图4是图1中的A-A剖面示意图。
图5是图1中的B-B剖面示意图。
图6是使用三组芯体的实施例的上层芯体的横向剖面示意图。
图7是使用三组芯体的实施例的下层芯体的横向剖面示意图。
图8是芯体及其内腔中结构布置示意图。
附图标记：壳体1，废气进口2，排放气出口3，热空气进口4，浓缩废气出口5， 吸附腔6，脱附腔7，浓缩废气收集腔8，排放气体收集腔9，芯体10，排放气通道11， 浓缩废气通道12，驱动机构13，脱附区14，冷却区15，吸附块16。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明进一步详细说明，其中部分设计参数仅是作为典 型情况的说明，并非是对本发明的限定。
高浓缩比耐高温轻型有机废气浓缩装置，包括中空的壳体1，可由塑料、混凝土、 钢板、铝型材等材料制成。壳体1的内腔被横向隔板分为上部的吸附腔6和下部的排放 气收集腔9，两者彼此不连通；吸附腔6的壁上设有废气进口2，排放气收集腔9的壁 上设有排放气出口3；壳体1中布置了2-6个芯体组合体；芯体组合体包括分别位于吸 附腔6和排放气收集腔9中的上下两个芯体10，各芯体10均为由若干吸附块16组成的 圆筒状结构，芯体底部安装于转盘上；上下两个芯体10呈竖向布置且通过相对的两个 端面连接，其内腔相互连通构成芯体通道，芯体通道的底端封闭；驱动机构13与芯体 底部的转盘相接，并通过驱使转盘转动带动芯体绕竖向中轴线进行旋转；
以竖向隔板与芯体组合体的外壁共同组成脱附腔7，脱附腔7与芯体组合体等高且 底端封闭，顶端通过管路连接至设于壳体上部的热空气进口4；芯体通道中设置竖向隔 板，将芯体通道分隔为排放气通道11和浓缩废气通道12；排放气通道11的上半部分与 吸附腔6对应布置，下半部分与排放气收集腔9对应布置，浓缩废气通道12与脱附腔7 对应布置；用于组成脱附腔7的隔板以及位于芯体通道中的隔板均为固定设置，且与芯 体组合体的表面为弹性密封接触，保持芯体组合体自由旋转的同时能阻隔两侧气体避免 相互流通。排放气通道11的顶端封闭，浓缩废气通道12的顶端连接至设于壳体上部的 浓缩废气出口5。可以在壳体1内腔的上部设置浓缩废气收集腔8，浓缩废气出口5则 布置在浓缩废气收集腔8的壁上。
鉴于用于脱附的热空气温度通常在80～300℃，导致离热空气进口4较近的上芯体温 度较高。为保证芯体10后续的吸附性能，需要在脱附区14后设置冷却区15以对芯体 10降温。因此，在浓缩废气通道12中还设置了一个固定的竖向隔板，隔板一侧与芯体 组合体表面为弹性密封接触，将浓缩废气通道12分隔为两个相连的间隔部分；其中， 在上芯体的浓缩废气通道12中，一个间隔部分与脱附腔对应布置作为脱附区14，另一 个间隔部分与吸附腔对应布置作为冷却区15；由于下芯体距离热空气进口4较远，因此 在下芯体的浓缩废气通道12中不需要设置冷却区15，两个间隔部分均与脱附腔6对应 布置作为脱附区14。
芯体组合体可以n个，n>1，最佳选择是2至6组，并以固定的竖向隔板与各芯体 组合体的外壁共同组成脱附腔。芯体10是由若干个吸附块16依次堆叠而成的圆筒状结 构，例如可选参数：内径0.5～1.5米，外径为0.7～1.7米，高度0.5～2米，气流通过芯体 的压降为50～250帕。吸附块16的横截面呈梯形或扇形，采用高吸附性能沸石分子筛、 硅胶或者铝溶胶负载在耐高温纤维基纸上堆叠而成，其周边以角铝型材固定并由密封橡 胶进行密封处理。
壳体1中的横向隔板、芯体通道中的竖向隔板、浓缩废气通道12中的竖向隔板， 以及与芯体组合体外壁共同组成脱附腔7的竖向隔板，均可选择由双层的钢板或铝型材 组成，其内部的中空部分填充保温材料。在壳体1内腔的底部和上下两个芯体10之间 的横向隔板上分别设置轴承座，芯体10的端部设置转轴并通过轴承装在轴承座内；驱 动机构13可选包括链条和减速电机，后者通过链条驱使转盘转动带动芯体绕竖向中轴 线进行旋转。
本发明所述弹性密封接触是指，通过在所述各隔板的侧边部位设置弹性部件(例如 橡胶条)，即便是在芯体组合体的旋转过程中也能使隔板能够保持紧密接触芯体组合体 表面，从而使隔板起到弹性密封的作用，能够阻隔两侧气体避免相互流通。从产品设计 角度出发，采用截面呈扇环形的吸附块16应该是最佳选择，因为这时隔板与芯体组合 体表面之间具有最顺滑的运行接触和密封关系。但是，由于现阶段扇环形吸附块的生产 技术还不成熟，制作弧形边的固定框架对加工工艺和生产成本也提出了更高的要求，综 合成本相对而言更高。截面呈梯形的吸附块16由于直线边加工简单，当采用合理的上 下底边长度比例时，可以做到使得梯形下底边和上底边与扇环形弧边之间的差值最小， 以满足芯体组合体旋转过程中对隔板弹性部件的弹性密封的要求。作为示例的梯形吸附 块16可选参数：下底边长A∶上底边长B为1∶(1～2)，高度C∶上底边长B为1∶(1～2)， 耐受温度为80～500℃，单个吸附块16的容重60～120kg/m3。
本发明中基于前述装置实现有机废气浓缩的方法，包括：
1、启动驱动机构13，驱动芯体组合体的上下芯体10同时旋转；
2、吸附过程：
从废气进口2向吸附腔6中引入待处理的废气，经上芯体的吸附后由排放气通道11 到达下芯体；再经下芯体吸附后进入排放气体收集腔9，并由排放气出口3排出装置；
3、脱附过程：
从热空气进口4向脱附腔7中导入80～300℃的热空气，使吸附了有机废物的吸附块 16在旋转至与脱附腔7对应的位置时被热空气吹扫；脱附的有机废气进入浓缩废气通道 12后，由浓缩废气出口排出装置。
4、脱附后的处理：
位于上芯体中的吸附块16在被热空气吹扫后，继续旋转至与冷却区对应位置，被 吸附腔6中的废气吹扫以对吸附块16进行冷却；冷却吹扫后的废气进入浓缩废气通道 12，并由浓缩废气出口5排出装置。位于下芯体中的吸附块16在被热空气吹扫后，无 需冷却，直接进入与吸附腔6对应的区域。
5、连续运行的实现
由于芯体组合体在驱动机构13带动下进行旋转，各部位的吸附块16按步骤2-4连 续不断运行，上下层芯体10的转动速度一致，实现吸附和脱附的连续运转。
6、高温再生
由于密封件耐温有限的缘故，在线方式进行再生所用的热空气温度最高只有300℃ 左右。装置在长期的运行中，高沸点的污染物将持续累积，在不能有效脱附的情况下会 逐渐覆盖吸附点位。当气体通过床层压降大于1000Pa时，可以将吸附块16取出，放入 炉窑中500℃焙烧，除去表面覆盖的有机物。待冷却后，重新拼装成芯体10继续使用。
通过上述装置的应用，可实现将低于200mg/m3的低浓度有机废气浓缩20～50倍， 当装置运行一定时间后，可以在500℃的高温条件下对吸附块进行焙烧再生，延长使用 寿命。装置由于采用了耐高温的纤维基纸制造而成，容重相比于活性炭等常规吸附材料 减少了1～2倍，大大减轻了装置承重结构的负担。
具体实施例：
某门业涂装有机废气吸附脱附净化实例。
该厂废气主要来源于防盗门、防火门等生产过程中喷漆工序产生的涂装废气，涂装 废气的成分主要为漆雾及有机废气，有机废气主要有非甲烷总烃、醇类、酯类等。车间 最大总风量为189600m3/h，设计总风量以200000m3/h计，平均废气浓度为200-250mg/m3，
本发明提供的高浓度比耐高温轻型有机废气浓缩装置参见附图1-5，其设备和工艺 流程如下：
装置采用4组芯体同时对该厂的废气进行净化，装置的设计参数为：吸附块16截 面尺寸下底边长A∶上底边长B为1∶1.4，高度C∶上底边长B为1∶1.8。每个芯体内 径0.5米，外径为1米，高度2米。上层芯体脱附区和冷却区各占1/12，下层芯体脱附 区占1/6。
将浓度为200-250mg/m3、风量为200000m3/h的VOC废气由低浓度废气进口2引 入吸附腔6，经过上层的四个芯体10的吸附，由每个芯体10中心的排放气通道11达到 下层，经过下层的芯体10到达排放气体收集腔9，最终由排放废气出口3排放；吸附有 VOCs的废气的芯体10通过驱动机构13的驱动转动至脱附区14，150℃的空气由热空 气进口4进入四个芯体的中间共用部分脱附腔7，同时对上层四个芯体10进行热吹扫， 脱附的高浓度有机废气进入每个芯体10中心的浓缩废气通道12，经过收集到达浓缩废 气收集腔8，由浓缩废气出口5排出以进入下一道处理工序。随着驱动机构13转动，上 层芯体10的吸附块16转入冷却区15进行冷却。同时下层芯体10的吸附块16仍在第 二个脱附区14中进行进一步的脱附。最后上下层的吸附块16同时离开冷却区15和脱 附区14，继续进行下一轮吸附。此时，上层芯体10中离开冷却区15的吸附块16的温 度为40～50℃，下层芯体10中离开脱附区14的吸附块16的温度为50～65℃。针对上层 芯体而言，吸附块16在脱附区14中的停留时间为50s，在冷却区15中的停留时间也为 50s。通过该浓缩装置处理，VOC废气的净化率可达到98％，浓缩比达到1:40。