一种带有膜分离的VOCs排放控制成套装备及其排放控制方法与流程

本发明属于废气回收与vocs治理技术领域，具体涉及一种带有膜分离的vocs排放控制成套装备及其排放控制方法。

背景技术

vocs的治理方法有吸收法、冷凝法、膜分离法和吸附法。

吸收法的吸收分离过程是通过废气和吸收剂进行逆流接触，由于废气中各组分在吸收剂中溶解度的不同，从而将易溶解的组分和难溶解的组分分离开来。其优点是投资成本小；缺点是吸收塔的规格很大，将需用很大的空间，且回收率很低。

冷凝法是利用不同烃类物质在不同温度和压力下具有不同的饱和蒸汽压这一性质，采用降低系统温度或提高系统压力，使烃类组分凝结并从中分离出来。其特点是：①受外界温度、压力的影响小，也不受气液比的影响，回收效果稳定，特别适用于高温、高湿、高浓度的场合；②工作温度皆低于废气各成分之闪点，安全性好；③工艺流程短，工艺过程简单，废气接入设备入口，即可将废气冷凝成液体，不需要其他中间步骤，易于维修和操作；④操作弹性大；⑤冷凝式废气回收处理设备占地面积小；⑥冷凝法废气回收系统最大的问题系统能耗大、投资成本高，所以优化目标是在确保较高回收率的同时，控制能耗最低。

膜分离是一种基于溶解扩散机理的新型气体分离技术，其分离的推动力是气体各组分在膜两侧的分压差，利用气体各组分通过膜时的渗透速率的不同来进行气体分离。其特点是：①工艺相对简单；②投资成本较大，且目前国内膜使用寿命较短。

吸附法废气回收原理，是利用废气-空气混合气体中各组分与吸附剂之间结合力强弱的差别，使难吸附的空气组分与易吸附的废气组分分离，然后再将吸附剂解吸下来的废气进行回收的方法。其特点是：①废气回收率高，可以有效控制排放废气浓度；②工艺流程简单；③操作弹性大，在允许的流速内，可以有效的吸附废气分子；④活性炭颗粒强度差，在使用过程中会不断的破裂、粉化，需要经常清洗过滤器并定期更换活性炭；⑤吸附是放热过程，废气浓度越大，放热越多，废气浓度越高时，有较高的温度升高(局部过热点可能超过100℃)，容易形成过热点和过氧化物而造成自燃，成为严重的安全隐患，因此吸附法不宜用作高浓度废气的吸附。

由于以上方法各自的优点和缺点，单一方法不能适用于所有的vocs废气，需要根据vocs废气的种类、处理量、浓度等综合权衡，采用两种或两种以上单元过程的集成耦合，才能形成最优的工艺。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种带有膜分离的vocs排放控制成套装备及其排放控制方法，采用吸收+冷凝+膜分离+吸附集成工艺处理组分复杂的vocs废气。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种带有膜分离的vocs排放控制成套装备，包括吸收单元、冷凝单元、膜分离单元、吸附单元、回收液处理单元及连接管道和控制单元；其中，吸收单元通过管道依次连接冷凝单元、膜分离单元和吸附单元，冷凝单元另设管道连接至回收液处理单元；

所述吸收单元包括吸收塔、贫液泵、富液泵和流向控制阀；所述吸收塔为主体，其顶部设有液体入口连接至贫液泵，其底部设有液体入口连接至富液泵，其顶部和底部均设有气体出入口，所述气体出入口的连接管道上均设有流向控制阀，吸收塔顶部设有液体出口，其顶部的气体出入口和液体出口的管道并联，并通过加压风机连接至冷凝单元；

所述冷凝单元包括冷箱和制冷机组；所述制冷机组通过管道与冷箱形成制冷回路；所述冷箱设有气体入口、气体出口、液体出口，其中，气体入口与所述加压风机的出口相连，气体出口通过管道连接至膜分离单元，液体出口设在冷箱底部，连接至回收液处理单元；

所述膜分离单元包括膜分离组件和膜分离真空泵；所述膜分离组件设有气体入口、尾气出口和富集气出口，气体入口与所述冷凝单元相连，尾气出口通过管道连接至吸附单元，富集气出口与所述膜分离真空泵相连，并通过管道回连至所述加压风机的入口处；

所述吸附单元包括吸附系统、吸附真空泵和控制阀；所述吸附系统采用三罐两级设置，一级吸附系统包括吸附/解吸交替并联运行的第一吸附罐和第二吸附罐，二级吸附系统包括第三吸附罐，三台吸附罐的结构相同，均内置有吸附剂床层，吸附罐的罐体顶部和底部均设有气体出入口；其中，一级吸附系统顶部的气体出入口并联并通过控制阀连接至二级吸附系统底部的气体出入口；一级吸附系统底部的气体出入口并联并通过控制阀与所述膜分离单元相连，还另设并联管道通过控制阀与所述吸附真空泵相连；二级吸附系统底部的气体出入口另设管道通过控制阀与所述吸附真空泵相连；二级吸附系统顶部的气体出入口通过控制阀通往外界；所述吸附真空泵通过管道回连至所述加压风机的入口处；

所述回收液处理单元包括集液罐和回液泵；所述集液罐顶部设有液体入口，通过管道与所述冷凝单元相连；所述集液罐底部设有液体出口与回液泵相连，并通过管道通往外界；

所述控制单元包括各个气/液体出入口的阀门。

进一步地，所述吸收塔为立式填料塔或板式塔。

进一步地，所述膜分离组件为对气体具有筛分作用的板式膜组件、卷式膜组件或束状膜组件。

进一步地，所述吸附罐内的吸附剂床层为活性炭或硅胶。

进一步地，所述控制单元包括各自动化仪表、阀门、可编程控制软件及其控制程序，用以自动或手动实现装置功能。

优选的，所述阀门为自动开关阀，所述可编程控制软件及其控制程序可采用plc系统。

一种基于上述带有膜分离的vocs排放控制成套装备的vocs排放控制方法，包括以下步骤：

步骤1)将吸收塔与废气收集管道连接，若废气中含有易凝结组分，则打开吸收塔底部的流向控制阀，关闭吸收塔顶部的流向控制阀，废气自吸收塔底部进入；将贫油罐与贫液泵连接，贫油经贫液泵自吸收塔顶部进入；废气和贫油在吸收塔内部进行传质，废气中的易凝结组分被贫油吸收；贫油吸收易凝结组分后，成为富油，富油经富液泵输送至体系外；被贫油吸收了易凝结组分的废气自吸收塔顶部经管道输送至加压风机，进行加压；若废气中不含易凝结组分，则关闭吸收塔底部的流向控制阀，打开吸收塔顶部的流向控制阀，废气直接输送至加压风机，进行加压；

步骤2)经过风机加压的废气进入冷箱，与来自制冷机组的冷媒进行换热，废气中的可凝组分凝结成液体，经管道流动至集液罐，废气中的不凝组分离开冷箱，进入膜分离单元；

步骤3)来自冷箱的气体在经过膜分离组件的时候，被筛分为两部分，一部分是富含烃类的富集气，一部分是含少量烃类的尾气；富集气被膜分离真空泵抽吸，输送至加压风机的入口，再次进行加压和冷凝处理；尾气离开膜分离组件，进入吸附单元；

步骤4)一级吸附系统中，第一吸附罐与第二吸附罐交替进行吸附/解吸，当第一吸附罐处于吸附状态，第二吸附罐处于解吸状态时，来自膜分离单元的尾气进入第一吸附罐，进行吸附处理，烃类有机组分吸附，尾气自第一吸附罐排出，进入二级吸附系统的第三吸附罐，再次进行吸附处理，烃类有机组分进一步吸附，尾气达标排放；吸附真空泵将第二吸附罐内部的气体抽出，经管道输送至加压风机的入口，再次进行加压和冷凝处理；

步骤5)当第一吸附罐处于解吸状态，第二吸附罐处于吸附状态时，来自膜分离单元的尾气进入第二吸附罐，进行吸附处理，烃类有机组分吸附，尾气自第二吸附罐排出，进入二级吸附系统的第三吸附罐，再次进行吸附处理，烃类有机组分进一步吸附，尾气达标排放；吸附真空泵将第一吸附罐内部吸附的烃类有机气体抽出，经管道输送至加压风机的入口，再次进行加压和冷凝处理；

步骤6)当需要对二级吸附系统的第三吸附罐进行抽真空处理时，吸附真空泵将第三吸附罐内部吸附的烃类有机气体抽出，经管道输送至加压风机的入口，再次进行加压和冷凝处理；

步骤7)所有气体经风机加压和冷凝处理，在冷箱内部凝结液化成液体，经管道流至集液罐，当集液罐内部的液体积压时，启动回液泵，将液态烃类外输至储罐。

进一步地，步骤1)所述易凝结组分包括蜡油。

进一步地，所述加压风机的加压值为0.5mpa。

本发明的有益效果如下：

在一套vocs排放控制装置内，同时设置了吸收、冷凝、膜分离、吸附四种处理单元，可用于处理组分复杂的vocs废气。

吸收单元用以去除废气中的蜡油等不方便用冷凝处理或易造成冷箱堵塞的组分，剩余组分经加压后去冷凝单元冷凝回收，冷凝尾气去膜分离单元再次富集，富烃气去冷凝液化回收，贫烃气去吸附装置处理，最终达标排放。

利用吸收单元进行气体预处理，利用冷凝单元进行组分的液化回收，利用吸附单元进行最终指标的排放控制，利用膜分离单元进行系统运行的优化。

附图说明

图1为带有膜分离的vocs排放控制成套装备的流程示意图；

图中：1、吸收塔；2、流向控制阀；3、流向控制阀；4、贫液泵；5、富液泵；6、加压风机；7、冷箱；8、制冷机组；9、集液罐；10、膜分离组件；11、膜分离真空泵；12、第一吸附罐；13、第二吸附罐；14、第三吸附罐；15、吸附真空泵；16、吸附进气开关阀；17、吸附进气开关阀；18、吸附排气开关阀；19、吸附排气开关阀；20、吸附真空阀；21、吸附真空阀；22、吸附真空阀；23、回液泵；24、吸附排气开关阀。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

一种带有膜分离的vocs排放控制成套装备，如图1所示，包括吸收单元、冷凝单元、膜分离单元、吸附单元、回收液处理单元及连接管道和控制单元；其中，吸收单元通过管道依次连接冷凝单元、膜分离单元和吸附单元，冷凝单元另设管道连接至回收液处理单元。

所述吸收单元包括吸收塔1、贫液泵4、富液泵5、流向控制阀2和3；所述吸收塔1为主体，其顶部设有液体入口连接至贫液泵4，其底部设有液体入口连接至富液泵5，其顶部和底部均设有气体出入口，顶部的气体出入口的连接管道上设有流向控制阀3，底部的为流向控制阀2，吸收塔顶部设有液体出口，其顶部的气体出入口和液体出口的管道并联，并通过加压风机6连接至冷凝单元中的冷箱7。

所述吸收塔7为立式填料塔或板式塔。

所述加压风机6，设置在吸收单元之后、冷凝单元之前，用于对气体进行压缩和提供动力。

所述冷凝单元包括冷箱7和制冷机组8；所述制冷机组8通过管道与冷箱7形成制冷回路；所述冷箱7设有气体入口、气体出口、液体出口，其中，气体入口与所述加压风机6的出口相连，气体出口通过管道连接至膜分离单元中的膜分离组件10，液体出口设在冷箱7的底部，连接至回收液处理单元。所述冷箱7用于将制冷机组8的冷量传递给废气，使废气温度降低，并使其中的烃类液化，达到回收的目的。

所述膜分离单元包括膜分离组件10和膜分离真空泵11；所述膜分离组件10设有气体入口、尾气出口和富集气出口，气体入口与所述冷凝单元中的冷箱7相连，尾气出口通过管道连接至吸附单元中的一级吸附系统，富集气出口与所述膜分离真空泵11相连，并通过管道回连至所述加压风机6的入口处。所述膜分离真空泵11用于给膜分离组件10抽真空，提供膜分离的动力。

所述膜分离组件10可以是板式膜组件，也可以是卷式膜组件或束状膜组件。

所述吸附单元包括吸附系统、吸附真空泵15和控制阀；所述吸附系统采用三罐两级设置，一级吸附系统包括吸附/解吸交替并联运行的第一吸附罐12和第二吸附罐13，二级吸附系统包括第三吸附罐14，三台吸附罐的结构相同，均内置有吸附剂床层，吸附罐的罐体顶部和底部均设有气体出入口；其中，一级吸附系统顶部的气体出入口并联并通过吸附排气开关阀18和19连接至二级吸附系统底部的气体出入口；一级吸附系统底部的气体出入口并联并通过吸附进气开关阀16和17与所述膜分离单元中的膜分离组件10相连，还另设并联管道通过吸附真空阀21和22与所述吸附真空泵15相连；二级吸附系统底部的气体出入口另设管道通过吸附真空阀20与所述吸附真空泵15相连；二级吸附系统顶部的气体出入口通过吸附排气开关阀24通往外界；所述吸附真空泵15通过管道回连至所述加压风机6的入口处。所述吸附真空泵15用于对吸附饱和的吸附剂床层进行抽真空、解吸附；吸附真空泵15为干式真空泵。所述控制阀为自动开关阀，在程序控制下实现自动开启或关闭，实现工艺过程的功能转化。

三台吸附罐内均装填有活性炭、硅胶等吸附剂。

所述回收液处理单元包括集液罐9和回液泵23；所述集液罐9的顶部设有液体入口，通过管道与所述冷凝单元中的冷箱7相连；所述集液罐底部设有液体出口与回液泵23相连，并通过管道通往外界。所述回液泵23用于将集液罐9内的液态有机物加压外输。

所述控制单元包括各自动化仪表、各个气/液体出入口的阀门、可编程控制软件及其控制程序，用以自动或手动实现装置功能。

成套装置内另设置可编程控制成套装备(plc)，所有机泵电机、自动阀的开启、关闭状态均传输至plc，在plc内编制各阀门开启和关闭逻辑控制程序。

基于上述带有膜分离的vocs排放控制成套装备，其排放控制方法包括以下步骤：

(1)将吸收塔1与废气收集管道连接，如果废气中含有蜡油或其他易凝结组分，则流向控制阀2打开，流向控制阀3关闭，废气进入吸收塔1。吸收塔1内含有填料或塔板等内件，废气自吸收塔1的底部进入；将贫油罐与贫液泵4连接，贫油(吸收油)经贫液泵4自吸收塔1的顶部进入；废气和贫油(吸收油)在吸收塔1内部进行传质，废气中的蜡油等组分被贫油(吸收油)吸收；贫油(吸收油)吸收蜡油等组分后，成为富油，富油经富液泵5输送至体系外。被贫油(吸收油)吸收了蜡油等组分的废气自吸收塔1的顶部经管道输送至加压风机6，进行加压。

如果废气中不含蜡油或其他易凝结组分，则流向控制阀2关闭，流向控制阀3打开，废气直接输送至加压风机6，进行加压。

(2)经加压风机6加压(加压值0.5mpa)的废气进入冷箱7，与来自制冷机组8的冷媒进行换热，废气中的可凝组分凝结成液体，经管道流动至集液罐9，废气中的不凝组分离开冷箱7，进入膜分离单元。

(3)膜分离组件10对气体具有筛分作用，其对烃类的透过率是对空气透过率的10倍，于是，来自冷箱7的气体在经过膜分离组件10的时候，被筛分为两部分，一部分是富含烃类的富集气，一部分是含少量烃类的尾气，富集气被膜分离真空泵11抽吸，输送至加压风机6的入口，再次进行加压和冷凝处理。尾气离开膜分离组件10，进入吸附单元。

(4)吸附单元包括三台吸附罐，采用三罐两级设置，其中第一吸附罐12和第二吸附罐13并联组成一级吸附系统，第三吸附罐14组成二级吸附系统。第一吸附罐12和第二吸附罐13交替进行吸附/解吸。

当第一吸附罐12处于吸附状态，第二吸附罐13处于解吸状态时，吸附进气开关阀16开启，吸附进气开关阀17关闭，吸附排气开关阀18开启，吸附排气开关阀19关闭，吸附真空阀21关闭，吸附真空阀22开启，吸附真空阀20关闭，吸附排气开关阀24开启。来自膜分离单元的尾气，经吸附进气开关阀16进入第一吸附罐12，进行吸附处理，烃类等有机组分吸附，尾气经吸附排气开关阀18排出第一吸附罐12，进入第三吸附罐14，再次进行吸附处理，烃类等有机组分进一步吸附，尾气达标排放。吸附真空泵15将第二吸附罐13内部的气体抽出，经管道输送至加压风机6入口，再次进行加压和冷凝处理。

当第一吸附罐12处于解吸状态，第二吸附罐13处于吸附状态时，吸附进气开关阀16关闭，吸附进气开关阀17开启，吸附排气开关阀18关闭，吸附排气开关阀19开启，吸附真空阀21开启，吸附真空阀22关闭，吸附真空阀20关闭，吸附排气开关阀24开启。来自膜分离单元的尾气，经吸附进气开关阀17进入第二吸附罐13，进行吸附处理，烃类等有机组分吸附，尾气经吸附排气开关阀19排出第二吸附罐13，进入第三吸附罐14，再次进行吸附处理，烃类等有机组分进一步吸附，尾气达标排放。吸附真空泵15将第一吸附罐12内部吸附的烃类等有机气体抽出，经管道输送至加压风机6入口，再次进行加压和冷凝处理。

当运行至一段时间，需对第三吸附罐14进行抽真空处理，此时，吸附真空阀21关闭，吸附真空阀22关闭，吸附真空阀20开启，吸附排气开关阀24关闭。吸附真空泵15将第三吸附罐14内部吸附的烃类等有机气体抽出，经管道输送至加压风机6入口，再次进行加压和冷凝处理。

(5)所有气体经风机6加压和冷凝处理，在冷箱7内部凝结液化成液体，经管道流至集液罐9，当集液罐9内部的液体液位达到一定高度(积压)时，启动回液泵23，将液态烃类外输至储罐。