一种利用双床提纯吹扫气的VOCs回收系统及其方法与流程

一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统及其方法
技术领域
1.本发明涉及环保技术领域，具体为一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统及其方法。


背景技术：

2.伴随着我国工业化水平的持续发展，大量排放的工业有机废气成为我国空气污染的主要源头之一。挥发性有机物(vocs)作为有机废气的主要污染成分，给人民身体健康和生态环境带来了严峻的挑战。
3.销毁和回收是工业有机废气处理的两种主要途径。基于销毁法的处理方式一般通过氧化法分解vocs，适用性广，但vocs的氧化、分解常伴随着nox、二噁英、二次有机气溶胶等有害副产物的生成，造成大气环境的二次污染，同时销毁法不可避免地向环境中排放大量co2，因此销毁法并非一种低碳、绿色的vocs治理方式。回收法通过物理分离的方式在保留vocs物质结构的基础上实现资源的循环利用，尤其对于高价值的有机成分具有较高经济性。具体地，回收法主要包括吸收、冷凝、膜分离和吸附等技术，其中吸附浓缩vocs，然后热脱附冷凝回收的组合方法具有回收率高、经济效益好等优点，是行业推荐的工业有机废气处理方法。同时，近年来逐渐兴起活性炭集中处理技术，将各工厂中吸附穿透的活性炭运往再生站进行集中处理，扩展了吸附-冷凝回收方式的实现形式。
4.其中，中国发明专利(cn114558420a)提出一种常温冷凝回收vocs的系统及方法，通过四个活性炭吸附床的并行连接以及高温高压水蒸气脱附，实现了vocs的常温冷凝，该专利可有效提高系统冷凝温度，但难以实现部分低沸点vocs的回收，同时由于采用了水蒸气脱附，回收产品中含有大量的液态水，并存在二次冷凝水污染等问题；
5.另一发明专利(cn109985485a)提出了一种高浓度气体吸附回收净化的装置和方法，该系统中再生系统与吸附系统并联布置，用于回收气体组分并对吸附剂进行再生，其主要部件为一台辅助吸附器，通过辅助吸附器吸附脱附残余量，实现对高浓度有机气体的高效吸附回收；但该系统中提出的两种辅助吸附器再生方式均采用基于单床的热氮气循环脱附，脱附过程中脱附床入口吹扫气的vocs浓度较高，导致再吸附过程面临较大穿透风险。
6.现阶段，采用闭式循环脱附的vocs常温冷凝回收系统往往面临循环氮气带浓度脱附的问题，提纯床的加入可以大幅降低氮气吹扫气中vocs含量，提高脱附程度，但提纯床的单床再生过程导致其出口无法完全脱附，提纯过程中提纯床出口仍存留一定浓度的vocs，降低吸附过程的vocs处理效率，易导致排放超标的风险。尤其在低沸点vocs的常温冷凝过程中，这一风险显著加剧，降低了吸附净化的可靠性，为此，我们提出一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统及其方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统及其方法，以解决背景技术中需要解决的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统，包括脱附床、第一提纯床、第二提纯床和脱附冷凝辅助设备，所述脱附床、第一提纯床和第二提纯床并联连接，所述脱附冷凝辅助设备包括依次连接的氮气气源、vocs冷凝器、气液分离器、脱附风机和加热器，所述脱附床、第一提纯床和第二提纯床均与脱附冷凝辅助设备相连通，所述脱附床前后分别设置第一阀门和第二阀门，所述第一提纯床前后端分别设置有第三阀门、第四阀门、第七阀门和第八阀门，所述第二提纯床前后端分别设置有第五阀门、第六阀门、第九阀门和第十阀门，所述脱附风机的出口位置固定连通有三条管路，其中两条管路分别固定连通于第一提纯床和第二提纯床的两侧，所述两条管路之间设置有第十一阀门，所述氮气气源的上方设置有氮气补充阀门，另一组所述管路与加热器相互连通。
9.优选的，所述脱附床的顶部和底部分别贯穿设置有第一连接管和第二连接管，所述第一提纯床的顶部和底部分别贯穿设置有第三连接管和第四连接管，所述第二提纯床的顶部和底部分别贯穿设置有第五连接管和第六连接管，所述第二连接管、第四连接管和第六连接管的底部固定连通有第八连接管，所述第八连接管的一端固定连通有第七连接管，所述第七连接管与氮气气源固定连通，所述第八连接管的一端与vocs冷凝器固定连通，所述vocs冷凝器远离第八连接管的一端依次固定连通有气液分离器和脱附风机，所述脱附风机的一端固定连通有第十连接管，所述第十连接管的一端固定连通有第九连接管，所述第九连接管的一端固定连通有加热器，且所述第一连接管、第三连接管和第五连接管的顶部与第九连接管固定连通。
10.优选的，所述第十连接管的顶部固定连通有第十一连接管，所述第十一连接管的一端与第六连接管固定连通，所述第十一连接管的顶部固定连通有与第四连接管固定连通的第十二连接管，所述第十连接管的顶部且位于第十一连接管的一侧固定连通有第十三连接管，所述第十三连接管的一端通过三通固定连通有与第五连接管固定连通的第十四连接管以及与第三连接管固定连通的第十五连接管。
11.优选的，所述第一连接管、第三连接管和第五连接管的表面分别设置有第一阀门、第三阀门和第五阀门，所述第二连接管、第四连接管和第六连接管的表面分别设置有第二阀门、第四阀门和第六阀门，所述氮气气源与第七连接管之间设置有氮气补充阀门，所述第十连接管的表面且位于第十一连接管与第十三连接管之间设置有第十一阀门，所述第十一连接管的表面且位于第十一连接管与第六连接管之间设置有第十阀门，所述第十二连接管的表面设置有第八阀门，所述第十二连接管的一端贯穿安装于第四连接管的表面，且安装位置位于第一提纯床与第四阀门之间，所述第十四连接管的表面设置有第九阀门，所述第十五连接管的表面设置有第七阀门，所述第十五连接管安装于第三连接管的表面，且安装位置位于第一提纯床与第三阀门之间。
12.优选的，所述第一提纯床和第二提纯床设置为利用冷凝余冷的低温吸附床，且第一提纯床和第二提纯床具有相同的吸附剂填充量，且第一提纯床和第二提纯床内部填充剂的堆积高度相同。
13.优选的，所述脱附床的运行工况为闭式脱附和冷却过程；所述第一提纯床和第二提纯床的运行工况包括提纯氮气、闭式脱附和冷却过程。
14.优选的，所述脱附冷凝辅助设备处理高沸点vocs采用天然冷源，处理低沸点vocs采用制冷机组或液氮制冷。
15.一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收方法，包括以下步骤：
16.s1：首先进行设备调试，关闭第一阀门、第二阀门、第七阀门、第八阀门、第十一阀门以外的所有阀门，打开氮气补充阀门，然后将氮气源接入氮气补充阀门，随后将整个系统的所有管道和设备内的气体均置换为氮气，当在线氧含量检测仪显示氧气含量低于5％时关闭所有阀门以及氮气源；
17.s2：随后关闭第七阀门和第八阀门，并依次打开脱附风机、vocs冷凝器、气液分离器和加热器，随后便可以开始对脱附床进行脱附的同时对脱附气中高浓度vocs进行冷凝回收，直至脱附浓度达到第一浓度阈值；
18.s3：打开第七阀门和第八阀门，并关闭第十一阀门，将vocs冷凝器出口的不凝气首先通入至第一提纯床的内部进行氮气提纯，提纯后的氮气重新被加热器加热，随后加热后的氮气则可以经过脱附床对其进行深度脱附；
19.s4：当vocs冷凝器出口浓度低于第二浓度阈值时，关闭加热器，对脱附床进行冷却；
20.s5：当步骤s脱附床冷却过程结束后，打开第十一阀门，并关闭第七阀门、第八阀门和脱附冷凝辅助设备，便可以完成脱附床的脱附冷凝回收过程；
21.s6：重复步骤s1-s5，直至第一提纯床吸附穿透；
22.s7：随后关闭第三阀门、第四阀门、第九阀门、第十阀门和第十一阀门以外所有阀门，并打开氮气补充阀门，然后开启氮气源，将系统管道和设备内的气体均置换为氮气，当在线氧含量检测仪显示氧气含量低于％时关闭所有阀门和氮气源；
23.s8：随后关闭第九阀门和第十阀门，并依次打开脱附风机、vocs冷凝器、气液分离器和加热器，开始对第一提纯床进行脱附，同时对脱附气中高浓度vocs冷凝回收，直至脱附浓度达到第一浓度阈值；
24.s9：打开第九阀门和第十阀门，并关闭第十一阀门，将vocs冷凝器出口的不凝气首先通入第二提纯床进行氮气提纯，提纯后的氮气重新被加热器加热，进入第一提纯床对其进行深度脱附；
25.s10：当vocs冷凝器出口浓度低于第二浓度阈值时，关闭加热器，对第一提纯床进行冷却；
26.s11：当s第一提纯床冷却过程结束后，打开第十一阀门,关闭第九阀门和第十阀门，并关闭其余所述脱附冷凝辅助设备，便可以完成第一提纯床的脱附冷凝回收过程；
27.s12：重复上述步骤s-s，直至第二提纯床吸附穿透；
28.s13：重复上述步骤s-s，其中第一提纯床与第二提纯床的对应阀门启闭状态互换，通过第一提纯床的提纯转移作用，完成第二提纯床的深度脱附冷凝回收，从而便可以完成系统的循环运行。
29.优选的，所述第一浓度阈值为冷凝回收过程结束后的判定浓度，该浓度取值范围为vocs在冷凝温度下饱和浓度的1-3倍，所述第二浓度阈值为氮气提纯过程结束后的判定浓度，该浓度取值范围为吸附浓度的0.1-1倍。
30.优选的，所述第一提纯床和第二提纯床的吸附剂填充量相同，填充量需根据脱附温度和冷凝温度下的吸附等温线以及vocs的饱和压力曲线进行计算，所述填充量的具体计算方法见下式：
[0031][0032]
其中tde为脱附温度，tcd为冷凝温度，ccd为饱和冷凝浓度，h为提纯床设计高度，h为传质区高度，q为吸附量，所述传质区的高度设置为0.1-0.3m，所述第一提纯床和第二提纯床的表观风速设置为0.05-0.6m/s。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用闭式氮气循环脱附的吸附剂再生方式，相比现有的水蒸汽脱附方式(cn109985485a)提高了脱附温度和脱附程度，有效保障后续吸附达标排放，同时避免了冷凝水的二次污染等问题。另外，相对于现有单床辅助提纯系统(cn109985485a)，本发明通过在闭式循环脱附系统中设置双提纯床，通过双床轮换、相互提纯的方式保证提纯床体再生过程始终为零浓度循环氮气脱附，保证提纯床出口处吸附剂的深度再生，进而保证提纯效果，以实现脱附床的深度再生及吸附过程的高效净化，确保vocs近零浓度排放。并且本发明采用的双提纯床设计可有效降低脱附载气中vocs浓度，实现循环脱附过程中氮气的高度提纯和吸附剂的深度再生，在高冷凝温度低能耗的vocs冷凝回收条件下，保证了吸附净化后的超低浓度排放，并且本发明可以提高冷凝温度，相比深冷等具有显著的节能优势，同时实现有机废气近零排放。
附图说明
[0034]
图1为本发明连接结构示意图。
[0035]
图中：1脱附床、2第一提纯床、3第二提纯床、4vocs冷凝器、5气液分离器、6脱附风机、7加热器、8氮气气源、9第一阀门、10第二阀门、11第三阀门、12第四阀门、13第五阀门、14第六阀门、15第七阀门、16第八阀门、17第九阀门、18第十阀门、19第十一阀门、20氮气补充阀门、21第一连接管、22第二连接管、23第三连接管、24第四连接管、25第五连接管、26第六连接管、27第七连接管、28第八连接管、29第九连接管、30第十连接管、31第十一连接管、32第十二连接管、33第十三连接管、34第十四连接管、35第十五连接管。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收系统，包括脱附床1、第一提纯床2、第二提纯床3和脱附冷凝辅助设备，所述脱附床1、第一提纯床2和第二提纯床3并联连接，所述脱附冷凝辅助设备包括vocs冷凝器4、气液分离器5、脱附风机6、加热器7和氮气气源8，所述氮气气源8、vocs冷凝器4、气液分离器5、脱附风机6和加热器7依次连接，所述脱附床1、第一提纯床2和第二提纯床3均与脱附冷凝辅助设备相连通，所述脱附床1前后分别设置第一阀门9和第二阀门10，所述第一提纯床2前后端分别设置切换脱附模式的第三阀门11、第四阀门12和切换提纯模式的第七阀门15、第八阀门16，所述第二提纯床3前后端分别设置切换脱附模式的第五阀门13、第六阀门14以及切换提纯模式的
第九阀门17、第十阀门18，所述脱附风机6的出口位置固定连通有两条管路，两条管路分别固定连通于第一提纯床2和第二提纯床3的两侧，所述两条管路之间设置有第十一阀门19，所述氮气气源8的上方设置有氮气补充阀门20。
[0038]
其中，采用热氮气循环脱附对脱附床1进行再生，同时实现脱附气中高浓度vocs冷凝回收，至脱附浓度达到第一浓度阈值时，通过阀门切换，不凝气进入第一提纯床2中，将残余vocs从氮气吹扫气中分离，使脱附床1的脱附入口浓度始终保持为零，保证脱附床1脱净；在若干次提纯脱附床1的脱附气后，第一提纯床2吸附穿透或临近穿透时，通过多组阀门的组合切换，第二提纯床3轮换承担提纯工作；而后对第一提纯床2进行热氮气循环脱附，同时实现脱附气中高浓度vocs冷凝回收，至脱附浓度达到第一浓度阈值时，通过阀门切换，启动第二提纯床3的氮气提纯功能，实现第一提纯床2的深度再生，保证下轮第一提纯床2运行时出口浓度为零；重复脱附床1的脱附过程，直至第二提纯床3吸附穿透或临近穿透时，通过阀门切换，第一提纯床2轮换承担提纯工作，完成第一提纯床2和第二提纯床3之间的一次完整循环，实现在高冷凝温度下有机废气处理达标排放。
[0039]
所述脱附床1的顶部和底部分别贯穿设置有第一连接管21和第二连接管22，所述第一提纯床2的顶部和底部分别贯穿设置有第三连接管23和第四连接管24，所述第二提纯床3的顶部和底部分别贯穿设置有第五连接管25和第六连接管26，所述第二连接管22、第四连接管24和第六连接管26的底部固定连通有第八连接管28，所述第八连接管28的一端固定连通有第七连接管27，所述第七连接管27与氮气气源8固定连通，所述第八连接管28的一端与vocs冷凝器4固定连通，所述vocs冷凝器4远离第八连接管28的一端依次固定连通有气液分离器5和脱附风机6，所述脱附风机6的一端固定连通有第十连接管30，所述第十连接管30的一端固定连通有第九连接管29，所述第九连接管29的一端固定连通有加热器7，且所述第一连接管21、第三连接管23和第五连接管25的顶部与第九连接管29固定连通。
[0040]
优选的，所述第十连接管30的顶部固定连通有第十一连接管31，所述第十一连接管31的一端与第六连接管26固定连通，所述第十一连接管31的顶部固定连通有与第四连接管24固定连通的第十二连接管32，所述第十连接管30的顶部且位于第十一连接管31的一侧固定连通有第十三连接管33，所述第十三连接管33的一端通过三通固定连通有与第五连接管25固定连通的第十四连接管34以及与第三连接管23固定连通的第十五连接管35。
[0041]
优选的，所述第一连接管21、第三连接管23和第五连接管25的表面分别设置有第一阀门9、第三阀门11和第五阀门13，所述第二连接管22、第四连接管24和第六连接管26的表面分别设置有第二阀门10、第四阀门12和第六阀门14，所述氮气气源8与第七连接管27之间设置有氮气补充阀门20，所述第十连接管30的表面且位于第十一连接管31与第十三连接管33之间设置有第十一阀门19，所述第十一连接管31的表面且位于第十一连接管31与第六连接管26之间设置有第十阀门18，所述第十二连接管32的表面设置有第八阀门16，所述第十二连接管32的一端贯穿安装于第四连接管24的表面，且安装位置位于第一提纯床2与第四阀门12之间，所述第十四连接管34的表面设置有第九阀门17，所述第十五连接管35的表面设置有第七阀门15，所述第十五连接管35安装于第三连接管23的表面，且安装位置位于第一提纯床2与第三阀门11之间。
[0042]
优选的，所述第一提纯床2和第二提纯床3设置为利用冷凝余冷的低温吸附床，且第一提纯床2和第二提纯床3具有相同的吸附剂填充量，且第一提纯床2和第二提纯床3内部
填充剂的堆积高度相同。
[0043]
优选的，所述脱附床1的运行工况为闭式脱附和冷却过程；所述第一提纯床2和第二提纯床3的运行工况包括提纯氮气、闭式脱附和冷却过程。
[0044]
优选的，所述脱附冷凝辅助设备处理高沸点vocs采用天然冷源，处理低沸点vocs采用制冷机组或液氮制冷。
[0045]
一种利用双床提纯吹扫气的vocs回收方法，包括以下步骤：
[0046]
s1：首先进行设备调试，关闭第一阀门9、第二阀门10、第七阀门15、第八阀门16、第十一阀门19以外的所有阀门，打开氮气补充阀门20，然后将氮气源接入氮气补充阀门20，随后将整个系统的所有管道和设备内的气体均置换为氮气，当在线氧含量检测仪显示氧气含量低于5％时关闭所有阀门以及氮气源；
[0047]
s2：随后关闭第七阀门15和第八阀门16，并依次打开脱附风机6、vocs冷凝器4、气液分离器5和加热器7，随后便可以开始对脱附床1进行脱附的同时对脱附气中高浓度vocs进行冷凝回收，直至脱附浓度达到第一浓度阈值；
[0048]
s3：打开第七阀门15和第八阀门16，并关闭第十一阀门19，将vocs冷凝器4出口的不凝气首先通入至第一提纯床2的内部进行氮气提纯，提纯后的氮气重新被加热器7加热，随后加热后的氮气则可以经过脱附床1对其进行深度脱附；
[0049]
s4：当vocs冷凝器4出口浓度低于第二浓度阈值时，关闭加热器7，对脱附床1进行冷却；
[0050]
s5：当步骤s4脱附床1冷却过程结束后，打开第十一阀门19，并关闭第七阀门15、第八阀门16和脱附冷凝辅助设备，便可以完成脱附床1的脱附冷凝回收过程；
[0051]
s6：重复步骤s1-s5，直至第一提纯床2吸附穿透；
[0052]
s7：随后关闭第三阀门11、第四阀门12、第九阀门17、第十阀门18和第十一阀门19以外所有阀门，并打开氮气补充阀门20，然后开启氮气源，将系统管道和设备内的气体均置换为氮气，当在线氧含量检测仪显示氧气含量低于5％时关闭所有阀门和氮气源；
[0053]
s8：随后关闭第九阀门17和第十阀门18，并依次打开脱附风机6、vocs冷凝器4、气液分离器5和加热器7，开始对第一提纯床2进行脱附，同时对脱附气中高浓度vocs冷凝回收，直至脱附浓度达到第一浓度阈值；
[0054]
s9：打开第九阀门17和第十阀门18，并关闭第十一阀门19，将vocs冷凝器4出口的不凝气首先通入第二提纯床3进行氮气提纯，提纯后的氮气重新被加热器7加热，进入第一提纯床2对其进行深度脱附；
[0055]
s10：当vocs冷凝器4出口浓度低于第二浓度阈值时，关闭加热器7，对第一提纯床2进行冷却；
[0056]
s11：当s10第一提纯床2冷却过程结束后，打开第十一阀门19,关闭第九阀门17和第十阀门18，并关闭其余所述脱附冷凝辅助设备，便可以完成第一提纯床2的脱附冷凝回收过程；
[0057]
s12：重复上述步骤s1-s5，直至第二提纯床3吸附穿透；
[0058]
s13：重复上述步骤s7-s11，其中第一提纯床2与第二提纯床3的对应阀门启闭状态互换，通过第一提纯床2的提纯转移作用，完成第二提纯床3的深度脱附冷凝回收，从而便可以完成系统的循环运行。
[0059]
优选的，所述第一浓度阈值为冷凝回收过程结束后的判定浓度，该浓度取值范围为vocs在冷凝温度下饱和浓度的1-3倍，所述第二浓度阈值为氮气提纯过程结束后的判定浓度，该浓度取值范围为吸附浓度的0.1-1倍。
[0060]
其中，第一浓度阈值在选择的时候通过对运行时间、脱附程度以及净化效率进行浓度取值范围进行选择，具体浓度选择范围参考下表1：
[0061]
冷凝结束点0.5倍1倍2倍3倍4倍运行时间9.33h5.47h3.20h2.40h1.98h脱附程度95.20％92.50％86.27％83.99％68.35％净化效率99.12％97.80％95.53％92.21％80.87％
[0062]
表1
[0063]
由上表可知,当第一浓度阈值的选取低于1倍的时候,净化效率提升并不明显，而且运行时间会明显增加，这样的冷凝结束点浓度降低便意味着运行能耗增加，而当选取的冷凝结束点浓度高于3倍之后脱附程度明显降低、并且净化效率低于标准的90％，因此，第一浓度阈值的选取为vocs在冷凝温度下饱和浓度的1-3倍，而第二浓度阈值的设置对脱附程度以及净化效率要求较高，为此，第二浓度阈值的选取为vocs在冷凝温度下饱和浓度的0.1-1倍。
[0064]
优选的，所述第一提纯床2和第二提纯床3的吸附剂填充量相同，填充量需根据脱附温度和冷凝温度下的吸附等温线以及vocs的饱和压力曲线进行计算，所述填充量的具体计算方法见下式：
[0065][0066]
其中tde为脱附温度，tcd为冷凝温度，ccd为饱和冷凝浓度，h为提纯床设计高度，h为传质区高度，q为吸附量，所述传质区的高度设置为0.1-0.3m，所述第一提纯床2和第二提纯床3的表观风速设置为0.05-0.6m/s。
[0067]
所述吸附床1、第一提纯床2和第二提纯床3内部设置的吸附剂包括活性炭、分子筛、树脂、硅胶等。
[0068]
使用时，首先，采用热氮气循环脱附对脱附床1进行再生，同时实现脱附气中高浓度vocs冷凝回收，至脱附浓度达到第一浓度阈值时，通过阀门切换，不凝气进入第一提纯床2中，将残余vocs从氮气吹扫气中分离，使脱附床1的脱附入口浓度始终保持为零，保证脱附床1脱净；在若干次提纯脱附床1的脱附气后，第一提纯床2吸附穿透或临近穿透时，通过多组阀门的组合切换，第二提纯床3轮换承担提纯工作；而后对第一提纯床2进行热氮气循环脱附，同时实现脱附气中高浓度vocs冷凝回收，至脱附浓度达到第一浓度阈值时，通过阀门切换，启动第二提纯床3的氮气提纯功能，实现第一提纯床2的深度再生，保证下轮第一提纯床2运行时出口浓度为零；重复脱附床1的脱附过程，直至第二提纯床3吸附穿透或临近穿透时，通过阀门切换，第一提纯床2轮换承担提纯工作，完成第一提纯床2和第二提纯床3之间的一次完整循环，实现在高冷凝温度下有机废气处理达标排放。
[0069]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。