一种多种含重质组分的VOCs废气的回收预处理装置及方法与流程

一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置及方法
技术领域
[0001]
本发明涉及vocs治理领域，尤指一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置及方法。


背景技术：

[0002]
挥发性有机物(volatile organic compounds，以下简称vocs)是一系列易挥发的且易燃有毒的有机化合物的总称，包括烷烃、烯烃、芳香烃、醇类、醛类、酮类、卤代烃等。
[0003]
vocs净化单项技术可分为回收类和销毁类，高浓度的vocs采用冷凝、吸收、膜分离、吸附等工艺回收后，难以回收利用的低浓度废气则采用催化燃烧、热力焚烧等销毁类技术进行深度净化，以保证达标排放。
[0004]
虽然vocs回收和深度净化技术大多趋于成熟，但对于含有重质组分，尤其是含高粘性重质组分的vocs废气，如煤焦油废气、乙烯焦油废气、厨房油烟气等的净化处理仍是业内的难题。由于重质组分粘度大，容易吸附设备器壁导致堵塞(尤其是多孔设备如阻火器和转动设备如风机等)，影响传质和传热，甚至导致设备无法正常运行。
[0005]
此外，目前的vocs回收技术多是以混合物的形式进行回收，如果需要单独回收，则需要设置多个集气系统，投资以及安全控制成本高，操作成本高，经济性差。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置及方法，可同时对多种含重质有机物的vocs废气进行回收预处理，不仅可确保下游vocs深度净化装置长期运行，而且经济性好。
[0007]
本发明提供的技术方案如下：
[0008]
一方面，提供一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置，包括集气总管和多个集气支路，所述集气支路包括：
[0009]
旋流分离器，包括圆柱段、锥段和导流板，所述锥段设置于所述圆柱段的底部，所述导流板设置于所述圆柱段内且沿所述圆柱段的轴向呈螺旋设置，所述圆柱段上设有进气口，所述圆柱段的顶部插设有排气管，所述锥段的底部设有出液口，所述进气口用于与vocs废气的集气支管连通，所述排气管与所述集气总管管路连接；
[0010]
液体接收器，与所述出液口连接；
[0011]
开关阀，设置在所述排气管与所述集气总管的连接管路上；
[0012]
压力控制器，设置在所述排气管与所述集气总管的连接管路上，并与所述开关阀连接；
[0013]
风机，与所述集气总管的出气端连接。
[0014]
进一步优选地，同一集气支路中的所述旋流分离器的数量为一个或两个以上，所述旋流分离器的进气口分别用于与所述vocs废气集气支管连通，所述旋流分离器的所述排气管分别与所述集气总管管路连接。
[0015]
进一步优选地，对于含两个以上旋流分离器的集气支路，还包括压差控制器，所述压差控制器分别与同一集气支路中的两个以上的所述旋流分离器连接。
[0016]
进一步优选地，还包括：
[0017]
阻火器，阻火器设置在所述排气管与所述集气总管的连接管路上，以及所述风机的进气端和出气端。
[0018]
进一步优选地，还包括：
[0019]
vocs浓度检测仪，设置在所述集气总管上；和/或；
[0020]
清洗系统，所述清洗系统分别与每个支路上的所述旋流分离器管路连接。
[0021]
进一步优选地，所述旋流分离器的进气口的截面为矩形，且矩形的所述进气口的高宽比为2～1.2，所述进气口的截面积满足vocs废气进气速率为10～25m/s；
[0022]
和/或，所述排气管的截面为圆形，所述排气管的直径满足排气速率为8～15m/s，所述排气管插入所述圆柱段的深度为所述进气口距离所述圆柱段顶部高度的1.2～1.5倍。
[0023]
进一步优选地，所述圆柱段的直径是所述排气管直径的1.3～2倍，所述圆柱段的高度是所述圆柱段直径的2～4倍。
[0024]
进一步优选地，所述导流板的螺距为圆柱段直径的1/4～1/2，所述导流板的宽度为圆柱段直径的1/8～1/4，所述导流板的高度为所述圆柱段高度的1/3～2/3。
[0025]
进一步优选地，所述锥段的锥角为8
°
～16
°
，所述锥段的长度是所述圆柱段直径的4～8倍，所述锥段的出液口直径大于30mm。
[0026]
另一方面，还提供一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理方法，包括：
[0027]
风机增压，不同品种的vocs废气分别进入各自对应的集气支路上的旋流分离器，并在所述旋流分离器中作高速旋流运动，利用旋流产生的离心力对vocs废气进行气液分离，使分离后的废气从排气管排出并进入所述集气总管，使分离后的液体从出液口排出进入液体接收器；
[0028]
压力控制器检测对应集气支路上的压力值；
[0029]
当所述压力值高于开启压力设定值时，控制对应的开关阀开启；
[0030]
当所述压力值低于关断压力设定值时，控制对应的开关阀关闭。
[0031]
本发明的技术效果在于：
[0032]
(1)回收预处理装置上设置多个集气支路可同时对多种含重质有机物的vocs废气进行回收预处理，并且风机设置在集气总管上，可以使用一台风机同时对多品种vocs废气进行单独回收预处理，节省投资和操作能耗；
[0033]
(2)每个集气支路上使用旋流分离器对重质组分进行气液固分离，通过导流板导流，使流体碰撞、切割，破除气溶胶，提高旋流离心力，有效去除游离液滴和固体颗粒，提高对含重质组分的vocs废气的预处理效率，避免堵塞下游vocs深度净化装置，以确保下游vocs深度净化装置长周期运行。
附图说明
[0034]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0035]
图1是本发明一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置的结构示意图；
[0036]
图2是本发明的旋流分离器的结构示意图；
[0037]
图3是本发明的同一集气支路中包含两台旋流分离器时的结构示意图。
[0038]
附图标号说明：
[0039]
1、集气总管；2、集气支路；21、旋流分离器；211、圆柱段；212、锥段；213、导流板；214、进气口；215、排气管；216、出液口；22、液体接收器；23、开关阀；24、压力控制器；3、风机；4、阻火器；5、总控制器；6、vocs浓度检测仪；7、清洗系统；8、压差控制器。
具体实施方式
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
[0042]
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0043]
在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0045]
本发明提供一种多种含重质组分的vocs废气的回收预处理装置的具体实施例，如图1所示，包括集气总管1和多个集气支路2，多个集气支路2与vocs废气品种一对一设置，即一个集气支路2对应一种含重质有机物的vocs废气品种，以避免不同品种之间的有机物相互污染。
[0046]
每个集气支路2预处理完成后的废气与其他集气支路2预处理完后的废气在集气总管1混合，集气总管1的出气端连接有风机3，通过风机3增压，将集气总管1混合后的废气送入下游装置进行深度处理。风机3设置在集气总管1上，可减少风机3设置台数，在确保收集物料不相互污染的情况下，可以用一台风机3同时对多股vocs废气进行集气，节省投资和操作能耗。风机3前后的总管上均设置阻火器4，以阻断风机3前端和后端火焰。
[0047]
每个集气支路2包括旋流分离器21、液体接收器22、开关阀23和压力控制器24。液体接收器22与旋流分离器21的出液口216连接，开关阀23和压力控制器24设置在旋流分离器21的排气管215与集气总管1的连接管路上，开关阀23和压力控制器24均与装置的总控制器5连接。
[0048]
压力控制器24检测每个集气支路2上的压力，并根据检测到的压力值控制开关阀23的启闭，保证每个集气支路2上的压力稳定，以控制不同集气支路2在同一压力区间内，避
免不同vocs废气之间互串和倒流，导致回收产品的污染。具体地，当集气支路2上的压力值达到开启压力设定值时，总控制器5控制对应的开关阀23开启，对该集气支路2集气，当集气支路2上的压力值达到关断压力设定值时，总控制器5控制对应的开关阀23关闭，停止对该集气支路2集气。
[0049]
集气总管1上也设有压力控制器24，集气总管1的压力稳定由该压力控制器24和总控制器5控制，总控制器5控制装置上所有控制回路的执行。风机3采用变频控制，当集气总管1上的压力高于或低于预设值时，可通过控制风机3的运行频率来控制抽气量，不仅可确保稳定集气，避免系统低压真空风险以及有效集气，而且节约风机3能耗。此外，集气总管1上还设置vocs浓度检测仪6，以检测预处理效果。
[0050]
每个集气支路2的旋流分离器21的排气管215上分别设有阻火器4，阻火器4阻断集气支路2上下游火焰，保证集气支路2气源和下游vocs净化装置安全。
[0051]
如图2所示，旋流分离器21包括圆柱段211、锥段212和导流板213，锥段212设置于圆柱段211的底部，导流板213设置于圆柱段211内且在圆柱段211的内壁上沿圆柱段211的轴向呈螺旋设置，圆柱段211上设有进气口214，圆柱段211的顶部插设有排气管215，锥段212的底部设有出液口216，进气口214用于与vocs废气的出气管连通，排气管215与集气总管1管路连接。
[0052]
在集气支路2中，含重质组分的vocs废气进入旋流分离器21后，在旋流分离器21中作高效旋流运动，并利用旋流产生的离心力完成气液(固)分离。具体地，vocs废气夹带液体以一定的速度由进气口切向进入圆柱段211，在导流板213的导流作用下，vocs废气高速旋转，并形成内外双层快速旋转流动，外层在导流板213的下方为向下旋流，内层为向上旋流，并且从进气口214持续进入的vocs废气沿外层往下旋时提供旋流动力，在旋流过程中，vocs废气中夹带的液体被甩至管壁，即密度较大的液体在离心力的作用下被甩至管壁，并在重力以及向下旋流气相推力的作用下，沿管壁向下流动，直至到锥段212底部从出液口216流出，由液体接收器22接收，内层为旋流出的气体，密度较轻的气体在漩涡的中央，向上旋流，从顶部排气管215排出，从而实现vocs废气的脱液(固)预处理。本实施例的旋流分离器21的游离液体脱除效率大于90％。
[0053]
其中，旋流分离器21的进气口214的截面为矩形，且矩形的进气口214的高宽比为2～1.2，进气口214的高宽比高于此范围时，vocs废气流速过大会导致旋流分离压降过大，并且过大的分离压降对分离效率贡献不大，低于此范围，旋流分离压降较小，会使分离效率降低，矩形的进气口214的高宽比为2～1.2，可满足vocs废气进气速率为10～25m/s，以使进入旋流分离器21的vocs废气具有合适的初速度，以提供合适的离心力。
[0054]
旋流分离器21的排气管215的截面为圆形，排气管215的直径满足排气速率为8～15m/s，排气管215插入圆柱段211的深度为进气口214距离圆柱段211顶部高度的1.2～1.5倍，即排气管215插入圆柱段211的一端位于进气口214下方，使从进气口214进入的vocs废气不会直接从排气管215排出，而是进入旋流分离器21内形成向下的旋流。排气管215插入圆柱段211的深度过深时对分离效率贡献不大。
[0055]
圆柱段211的直径是排气管215直径的1.3～2倍，排气管215的直径根据vocs废气的进气量进行设定，在进气量一定的情况下，若圆柱段211的直径过大，会导致vocs废气流速降低，导致旋流速率降低，离心力小，分离效率差；圆柱段211的直径过小会导致压降过
大。圆柱段211的高度是圆柱段211直径的2～4倍，圆柱段211的高度太短分离效率差，太长不经济。
[0056]
导流板213的螺距为圆柱段211直径的1/4～1/2，导流板213的宽度为圆柱段211直径的1/8～1/4，导流板213的高度为圆柱段211高度的1/3～2/3。导流板213贴着圆柱段211的内壁螺旋设置，导流板213的作用是预防废气扰流时往上走，废气进入旋流分离器21后，在导流板213的导流作用下使进入旋流分离器21的vocs废气往下旋，并在导流板213的下方形成内外双层快速旋转流动。
[0057]
锥段212的锥角为8
°
～16
°
，锥段212的长度是圆柱段211直径的4～8倍，锥段212的出液口216直径大于30mm，以免堵塞。锥段212的长度决定旋流的停留时间，锥段212太短，旋流停留时间短，分离效率低；锥段212太长，旋流时速度逐渐衰减，对于旋流分离效率贡献不大，且不经济。
[0058]
优选地，如图1所示，回收预处理装置还包括清洗系统7，清洗系统7分别与每个旋流分离器21管路连接，清洗系统7可使用清洗剂对旋流分离器21的内表面进行清洗，本发明的清洗剂为浓度5％的naoh溶液，通过naoh溶液碱洗后再用清水洗涤，该清洗剂不产生vocs污染，也不会对收集的有机物造成污染。
[0059]
对于含高粘度重组分的vocs废气，现有技术一般采用柴油吸收工艺，这种工艺虽然能成功去除vocs废气中的高粘度重质组分。但存在两个问题，首先，柴油吸收设置在风机之后，无法解决输送风机和风机前后阻火的易堵难题；其次，由于高粘度重质组分难以回练，所以吸收高粘度重质组分如焦油后的柴油回练收率低，能耗高，经济性差。
[0060]
如图3所示，本发明中采用多台旋流分离器21进行预处理，由于高粘度物料会在旋流分离器21内壁上粘附，在处理高粘度vocs废气的集气支路2中，可设置两台以上的旋流分离器21，两台以上的旋流分离器21的进气口214分别与vocs废气的集气支管连通，两台以上的旋流分离器21的排气管215分别与集气总管1管路连接，也即当某一集气支路2需要处理高粘度vocs废气时，该集气支路2中需设置两台以上旋流分离器21，并且多台旋流分离器21并联，以便进行切换。采用多台旋流分离器21轮流上线和清洗，可以脱除90％以上的液态(或固态)高粘度重质组分，可以有效延长下游vocs净化装置的运行周期，成功解决了高粘度vocs废气的净化处理难题。
[0061]
优选地，多台旋流分离器21分别与压差控制器8连接，当正在运行的旋流分离器21压差超过设定值时，总控制器5会自动控制该正在运行的旋流分离器21下线，并切换另一台旋流分离器21上线，同时开启清洗系统7对切换下线的旋流分离器21进行清洗。例如设置ab台旋流分离器21时，当总控制器5检测到在线运行的旋流分离器a粘附过多重质组分导致旋流压差升高到设定值后，会将旋流分离器b切换上线，将旋流分离器a切换下线，然后启动清洗系统7对旋流分离器a进行清洗。
[0062]
本发明的回收预处理装置由多个集气支路2组成，每一集气支路2对应一种含重质有机物的vocs废气气源的收集和预处理，每一集气支路2至少包含一台旋流分离器21，处理含高粘度重质组分的vocs废气的集气支路2里包含至少两台旋流分离器21。
[0063]
本实施例的含重质组分的vocs废气的回收预处理装置的处理流程为：
[0064]
风机3增压，不同品种的vocs废气分别进入各自对应的集气支路2上的旋流分离器21，并在旋流分离器21中作高速旋流运动，利用旋流产生的离心力对vocs废气进行气液分
离，使分离后的废气从排气管215排出并进入集气总管1，使分离后的液体从出液口216排出进入液体接收器22；
[0065]
压力控制器24检测对应集气支路2上的压力值；
[0066]
当压力值高于开启压力设定值时，控制对应的开关阀23开启；
[0067]
当压力值低于关断压力设定值时，控制对应的开关阀23关闭。
[0068]
来自上游的含重质组份的vocs废气1、废气2、废气3等分别进入各自对应的集气支路2，在集气支路2中，vocs废气首先进入旋流分离器21，在旋流分离器21中做高速旋流运动，并利用旋流产生的离心力完成气液(固)分离。废气夹带液体以一定的速度由入口切向进入旋流分离器21的圆柱段211，在导流板213的作用下，高速旋转，形成双层快速旋转流动，外层为向下旋流，内层为向上旋流。密度较大的液体在离心力的作用下被甩至管壁，并在重力以及向下旋流气相推力的作用下，沿管壁向下流动，直至到锥段213底部流出，由液体接收器22接受；密度较轻的气体在旋涡的中央，向上旋流，从顶部排气管215排出，从而实现vocs废气的脱液(固)预处理。脱液(固)预处理后的vocs废气与其他支路的预处理废气在集气总管1混合后，通过风机3送入下游深度处理装置进行深度处理。
[0069]
支路集气的压力稳定通过总控制器5控制，当压力控制器24检测到对应集气支路2上的压力值达到高位设定值时，控制对应的开关阀23开启，对该集气支路2集气；当压力值达到压力低位设定值时，控制对应的开关阀23关闭，停止对该集气支路2集气。
[0070]
下面结合具体实例对本发明进行进一步说明。
[0071]
对比例1
[0072]
乙烯焦油装车vocs废气净化，采用常规气液分离罐对废气进行气液分离后，即进入后续vocs处理装置进行净化处理，装置运行3个月，压缩机、换热器、阻火器等发生全面堵塞，无法正常运行。装置停运检修，且清出大量已经固化的焦油。
[0073]
对比例2
[0074]
三种vocs废气的净化：
①
煤焦油储罐废气，
②
草酸二甲酯vocs废气(100℃)，
③
苯储罐vocs废气。苯和草酸二甲酯附加值高，需要单独回收利用，煤焦油储罐废气属于高粘度重组分，需要单独的采用吸收脱除焦油。为了单独回收vocs废气中的重质组分，针对三种组分废气，采用三个集气系统和三个不同的预处理装置。
[0075]
为了避免煤焦油废气中焦油对后续净化装置的污染，针对煤焦油储罐废气采用单独集气和预处理系统，首先采用风机增压后，送入柴油吸收单元，用重质柴油对废气的焦油组分进行溶解去除后，再送入后续vocs净化单元进行处理。为了保证吸收效率，柴油吸收系统每小时置换10m
3
/hr柴油(补充新鲜柴油，抽出吸收后柴油)。此10m
3
/hr需送回上游装置进行回练，消耗大量能耗。
[0076]
苯废气采用单独的冷凝回收预处理系统，即先用增加风机增压后，再浅冷到5℃(高于苯的凝固点)左右回收苯，再送入深度处理装置进行深度处理。草酸二甲酯vocs废气采用单独的集气风机增压后，采用热水将废气冷却到65℃(高于草酸二甲酯的凝固点)左右，回收草酸二甲酯，再送入下游深度处理装置。
[0077]
三个预处理装置中，煤焦油vocs废气的重组分脱除率大于90％，但10m
3
/hr的柴油回练的能耗消耗量大，而且由于风机设在柴油吸收之前，此集气支路的风机和风机前阻火器在运行3.5个月后发生堵塞；虽然其他两路非发生堵塞，但苯的回收率只有70％，草酸二
甲酯的回收率只有65％。回收率低，下游装置负荷大。
[0078]
实施例1
[0079]
与比较例1相同，为乙烯烯焦油装车vocs废气净化，与对比例1不同的是，采用本发明的高粘度重质组分污染vocs废气净化流程，即将风机前的普通气液分离罐替换为ab两台高效旋流分离器，通过监控旋流分离器压降，控制ab旋流分离器轮流上线预处理脱除焦油。
[0080]
本实施例采用的旋流分离器的结构为：矩形入口高宽比为1.8，截面积满足流速20m/s；排气管排气流速10m/s，排气管在圆柱段中的插入深度是进气口高度的1.2倍，圆柱段直径d是排气管直径的1.5倍，圆柱段的长度是其直径的3倍，圆柱段内设置3层导流板，导流板之间的间距为22mm，螺距为1/4圆柱直径。导流板宽度为圆柱段直径的1/5，导流板设置范围为圆筒高度的1/3。
[0081]
清洗操作中采用的清洗剂为50℃，浓度为5％的naoh溶液，碱洗后再用清水洗涤。实际运行中，焦油的脱除率为91％，旋流分离器压降为1.2kpa，a\b旋流分离器每3个月切换清洗一次。后续深度处理装置一直保持连续运行，未发生堵塞现象。
[0082]
实施例2
[0083]
除清洗液与实施例1不同外，其他均与实施例1相同，本实施例的清洗液为温度60℃，浓度为5％的naoh溶液清洗。实际运行中，焦油的回收率为90％，旋流分离器压降为1.1kpa，a\b旋流分离器每3个月切换清洗一次。后续深度处理装置一直保持连续运行，未发生堵塞现象。
[0084]
实施例3
[0085]
除排气管在圆柱段中的插入深度与实施例1不同外，其他均与实施例1相同，本实施例的旋流分离器的排气管在圆柱段中的插入深度是进气口高度的1.4倍。实际运行中，焦油的回收率为92％，旋流分离器压降为1.4kpa，a\b旋流分离器每3个月切换清洗一次。后续深度处理装置一直保持连续运行，未发生堵塞现象。
[0086]
实施例4
[0087]
除旋流分离器的入口高宽比与实施例1不同外，其他均与实施例1相同。本实施例的旋流分离器的入口高宽比为1.2。实际运行中，焦油的回收率为90％，旋流分离器压降为1.1kpa，a\b旋流分离器每3个月切换清洗一次。后续深度处理装置一直保持连续运行，未发生堵塞现象。
[0088]
实施例5
[0089]
原料vocs废气与对比例2相同，为三种不同重组分vocs废气：一种是煤焦油储罐废气，一种草酸二甲酯vocs废气(100℃)，一种苯储罐vocs废气。与对比例2不同的是，采用本发明装置，即一套集气系统+三套旋流重质组分回收预处理集气支路，风机设在三个集气支路之后。含苯废气控制在5℃左右旋流分馏，草酸二甲酯控制45℃旋流气、液、固分离。针对高粘煤焦油储罐废气，采用ab两台旋流分离器常温分离，ab旋流分离器轮流上线和清洗。其中旋流分离器的结构，以及处理焦油的旋流分离器的清洗程序与实施例1相同。
[0090]
实际运行中，焦油的回收率为90％，苯回收率80％，草酸二甲酯回收率90％，旋流分离器压降约为1.2kpa，a\b旋流分离器每3个月切换清洗一次。下游深度处理连续稳定运行。本实施例与对比例2相比，减少4台风机，耗低减少2/3，无柴油消耗，且苯和草酸二甲酯的回收率高。
[0091]
实施例6
[0092]
除含苯废气的旋流分离控制2℃外，其他均与实施例5相同。实际运行效果中，除苯的回收为90％外，其他运行参数与实施例5相同。
[0093]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。