一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统及其处理方法 |
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| 申请号 | CN201710724356.3 | 申请日 | 2017-08-22 | 公开(公告)号 | CN107469550A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 刘祖虎; 江苏金门能源装备有限公司; | 发明人 | 刘祖虎; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种集成冷凝和 吸附 的VOCs排放控制系统及其处理方法。其系统包括：初级换热系统，以及与初级换热系统依次管道连接的冷凝系统和吸附系统，冷凝系统包括冷箱和制冷机组，制冷机组通过制冷管道与冷箱形成 制冷回路 ，冷箱通过管道接入吸附系统；吸附系统包括内置 活性炭 床层的吸附罐及冷却管，冷却管一端与液态有机物输送管线连接，另一端与气液分离罐连接。其处理方法如下：将油气通入冷箱，冷凝 液化 ，液化有机物进入气液分离罐，不凝气体去吸附系统，吸附 解吸 气进气液分离罐，气液分离罐内的低温液态有机物，被回液 泵 加压送入吸附罐的冷却管中，离开冷却管的液态有机物去储罐。本发明结构简单，易操作、更环保且 净化 处理效果好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统，其特征在于，包括初级换热系统，以及与初级换热系统依次管道连接的冷凝系统和吸附系统，所述初级换热系统和冷凝系统还通过管道接入气液分离罐，所述冷凝系统包括冷箱和制冷机组，所述制冷机组通过制冷管道与冷箱形成制冷回路，所述冷箱顶部或顶部侧壁设有气体出口，所述气体出口通过管道接入吸附系统，所述吸附系统包括内置活性炭床层的吸附罐以及对活性炭床层进行降温的冷却装置，所述冷却装置采用冷却管，冷却管一端通过管道与气液分离罐连接，另一端与液态有机物输送管线连接，所述液态有机物输送管线前端为气液分离罐，所述气液分离罐还通过真空泵与吸附罐管道连接。 |
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| 说明书全文 | 一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统及其处理方法技术领域[0001] 本发明属于油气回收与VOCs治理技术领域，具体涉及一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统及其处理方法。 背景技术[0003] 冷凝法是利用不同有机物在不同温度和压力下具有不同饱和蒸汽压的性质，采用降低系统温度的方式，使气态组分液化并从空气中分离出来的方法。冷凝法对排放指标要求控制到10-6量级（体积分数）时，因需降低到极低的温度，操作费用高。冷凝法具有如下显著特点：①受外界温度、压力影响小，回收效果稳定，特别适用于高温、高湿、高浓度的场合；②工作温度低于VOCs各组分闪点，安全性好；③工艺流程短，装置体积小，易于维修和操作； ④在排放指标较苛刻时，系统能耗大、投资成本高，适于高浓度气体的前端预处理。 [0004] 吸附法是利用VOCs-空气混合物中各组分与吸附剂之间结合力强弱的差异，使有机组分与空气组分分离。易被吸附的有机组分固定在吸附剂床层，不易被吸附的空气组分，排放进入大气。被吸附剂吸附的有机组分通过减压、加热等方式被解吸出来，进入冷凝或吸收装置液化回收。吸附法具有如下显著特点：①VOCs回收率高，可有效控制排放气浓度，一般用于排放控制的末端处理；②被解吸的有机组分不能直接回收，需冷凝或吸收等二次处理；③吸附过程是放热过程，处理高浓度的VOCs时，易因较高的吸附热产生不安全因素。 [0005] 冷凝加吸附的组合工艺，既可以利用冷凝在高温、高湿、高浓度区的高效，又可以利用吸附在低浓度的高效，既能保证达到严格的排放指标，又能最大程度的回收油气资源，是目前应用较广泛的集成VOCs排放控制技术。申请号CN200810253616的中国专利申请公开了一种加油站用油气回收装置及其冷凝吸附的集成方法，主要利用冷凝过程、一次吸附过程，过滤掉空气再回到地下油罐。但是冷凝法冷箱温度较低，一般在-30℃，甚至更低，来自冷箱的冷凝液温度也很低，最低可至-20℃以下，考虑到销售及冷液长距离输送可能导致的冰堵，需对冷凝液进行冷量回收。 [0006] 另一方面，活性炭吸附是目前油气回收领域广泛使用的吸附技术，将含VOCs的有机废气通过活性炭床层，其中的VOCs被吸附吸收，净化气排入大气。但在处理酮、醛等容易氧化的溶剂时，该类VOCs会与活性炭或在活性炭表面发生反应，通过氧化热的蓄积、升温，还由于活性炭的附加催化作用，而导致活性炭局部温度过高着火甚至爆炸的事故。在活性炭床层中，由于床层的氧化而加速了空气上升，上部的温度便逐渐升高。由于温度越高氧化速度越快，因此床层越高，其蓄热、着火的危险性就越大。目前，对于吸附剂床层温升显著，甚至局部过热着火，造成危险操作情况的问题没有得到根本改善。 [0007] 如果可以将活性炭床层的降温和冷凝液的冷量回收结合起来，可以降低资源浪费的同时还保证了安全生产。 发明内容[0008] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统及其处理方法，利用系统内冷源，对活性炭床层进行降温的系统及其处理方法，可广泛应用于吸附热显著的、高浓度的VOCs的资源性组分回收及排放控制，减少资源浪费和大气污染。 [0009] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统，包括初级换热系统，以及与初级换热系统依次管道连接的冷凝系统和吸附系统，所述初级换热系统和冷凝系统还通过管道接入气液分离罐，所述冷凝系统包括冷箱和制冷机组，所述制冷机组通过制冷管道与冷箱形成制冷回路，所述冷箱顶部或顶部侧壁设有气体出口，所述气体出口通过管道接入吸附系统，所述吸附系统包括内置活性炭床层的吸附罐以及对活性炭床层进行降温的冷却装置，所述冷却装置采用冷却管，冷却管一端通过管道与气液分离罐连接，另一端与液态有机物输送管线连接，所述液态有机物输送管线前端为气液分离罐，所述气液分离罐还通过真空泵与吸附罐管道连接。 [0012] 作为本申请的一种优选技术方案，所述吸附系统分组设置，每组设有吸附-脱附交替运行的两个吸附罐。 [0013] 作为本申请的一种优选技术方案，所述吸附罐底部均设有吸附罐进口阀、真空解吸阀，顶部均设有吸附罐出口阀，吸附罐出口阀并联接入废气排放筒。 [0014] 作为本申请的一种优选技术方案，所述吸附罐还与辅助脱附系统管道连接，所述辅助脱附系统内所用换热介质为氮气或水蒸气的任意一种。 [0015] 作为本申请的一种优选技术方案，所述初级换热系统为初级空冷换热器或凝液收集罐。 [0016] 作为本申请的一种优选技术方案，所述气液分离罐后设有回液泵，回液泵分别与吸附罐、液态有机物输送管线连接。 [0017] 作为本申请的一种优选技术方案，所述气液分离罐上还设有液位变送器，所述吸附罐上还设有温度变送器，所述真空泵为干式真空泵。 [0018] 一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统的处理方法，包括如下步骤：（1）油气经管道进入初级换热系统，在初级换热系统内预回收后进入冷凝系统，在冷凝系统内实现部分有机物液化，液相进入气液分离罐储存，气相进入吸附系统； （2）活性炭床层吸附有机物，气液分离罐内的低温有机液体通过管道进入冷却排管，对吸附罐内吸附床层进行降温；在活性炭床层接近饱和时，关闭冷却排管阀门，吸附罐由吸附状态转为脱附状态，真空泵启动，对吸附罐内的活性炭床层进行脱附； （3）脱附后，VOCs进入气液分离罐，其中易凝组分进入气液分离罐底形成液层，不凝气体经管道接入冷凝系统，再次进行冷凝处理。 [0019] 与现有技术相比，本发明提供的集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统及其处理方法，具有如下有益效果：（1）本发明利用冷凝下来的低温液态有机物去冷却因吸附热存在而升温的活性炭床层，在保证吸附罐安全、稳定操作的前提下，实现低温液态有机物的冷量回收； （2）本发明提供的系统在吸附之前先进行冷凝，可减轻吸附过程中的负担，延长吸附剂的使用寿命，采用变温吸附工序，也区别于常规的变压吸附工序； （3）本发明提供的系统在吸附脱附后，有机气体还未液化的，将再次进入冷凝系统处理，形成环路，提高了有机废气的净化率。 附图说明 [0020] 图1为本发明一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统流程示意图；图2为本发明凝液分离罐对外接口示意图； 图3为本发明气液分离罐对外接口示意图： 图4为本发明冷箱对外接口示意图； 图5为本发明吸附罐对外接口示意图； 图6为本发明冷却管的4种形式。 [0021] 其中，1-凝液收集罐；1a-气体进口；1b-气体出口；1c-液体排放口；2-气液分离罐；2a-凝液收集罐液体入口；2b-冷箱冷凝液入口；2c-气体出口；2d-解吸气进口；2e-液位计接口；2f-液位计接口；2g-液体出口；3-液位变送器；4-风机；5-冷箱；5a-气体进口；5b-气体出口；5c-冷媒进口；5d-冷媒出口；5e-冷凝液排放口；6-制冷机组；7-吸附罐进口阀；8-吸附罐进口阀；9-吸附罐；9a-气体进口；9b-气体出口；9c-冷液进口；9d-冷液出口；9e-温度变送器接口；9f-温度变送器接口；9g-温度变送器接口；9h-放液口；10-吸附罐；10a-气体进口； 10b-气体出口；10c-冷液进口；10d-冷液出口；10e-温度变送器接口；10f-温度变送器接口； 10g-温度变送器接口；10h-放液口；11-油气收集管道；12-辅助介质管道；13-液态有机物输送管线；14-换热后冷液温度变送器；15-紧急放空阀；16-排放筒；17-吸附罐出口阀；18-吸附罐出口阀；19-吸附罐充压阀；20-吸附罐充压阀；21-气提气进口阀；22-气提气进口阀； 23-冷液进口阀；24-冷液进口阀；25-冷却盘管；26-冷却盘管；27-活性炭床层；28-活性炭床层；29-吸附罐放液口；30-吸附罐放液口；31-真空解吸阀；32-真空解吸阀；33-干式真空泵； 34-回液泵；35-冷液温度变送器。 具体实施方式[0023] 实施例1：一种集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统，包括初级换热系统，以及与初级换热系统依次管道连接的冷凝系统和吸附系统，具体结构如下： 参考图1和图2，本发明提供的初级换热系统为凝液收集罐1，凝液收集罐1与油气收集管道11连接，凝液收集罐1包括三个开口：气体进口1a、气体出口1b和液体排放口1c。其中气体进口1a与油气收集管道11连接，位于凝液收集罐1顶部的气体出口1b与风机4管道连接，液体排放口1c设于凝液收集罐1底部，通过管道与气液分离罐2连接。 [0024] 参考图1和图3，所述气液分离罐2包括七个开口：凝液收集罐液体入口2a、冷箱冷凝液入口2b、气体出口2c、解吸气进口2d、液位计接口2e、液位计接口2f和液体出口2g。气液分离罐2上设置有液位变送器3，用于监测气液分离罐2内液位。所述液位变送器3通过液位计接口2e和液位计接口2f与气液分离罐2连接，所述凝液收集罐液体入口2a上接液体排放口1c，气体出口2c通过管道接入风机4。 [0025] 参考图1和图4，所述冷凝系统包括冷箱5和制冷机组6，所述冷箱5包括五个开口：气体进口5a、气体出口5b、冷媒进口5c、冷媒出口5d以及与冷箱冷凝液入口2b管道连接的冷凝液排放口5e。冷箱为管壳式换热器或板式换热器，气体侧为热侧，冷媒侧为冷侧，如果冷箱为管壳式换热器，则气体走壳程，冷媒走管程。气体进口5a上接风机4，气体出口5b通过管道与和阀门接入吸附罐，制冷机组6通过管道和冷媒进口5c、冷媒出口5d形成制冷回路。 [0026] 参考图1和图5，本实施例中，所述吸附系统采用吸附-脱附交替运行的双吸附罐，分别为吸附罐9和吸附罐10，两个吸附罐前端管道并联接入冷箱5，底部相连后一起连接至气液分离罐2，顶部连接在一起连接至排放筒16；具体的，吸附罐9和吸附罐10底部分别设有吸附罐进口阀7、吸附罐进口阀8，真空解吸阀31、真空解吸阀32，顶部分别设有吸附罐出口阀17、吸附罐出口阀18，吸附罐充压阀19、吸附罐充压阀20。其中吸附罐进口阀7和吸附罐进口阀8并联接入冷箱5的气体出口5b，真空解吸阀31、真空解吸阀32并联接入干式真空泵33再与气液分离罐2连接，吸附罐出口阀17、吸附罐出口阀18并联接入废气排放筒16，吸附罐充压阀19、吸附罐充压阀20分别位于吸附罐9、吸附罐10的上方，使吸附罐在脱附后由真空状态恢复至常压状态。 [0027] 吸附罐9包括八个对外接口：气体进口9a、气体出口9b、冷液进口9c、冷液出口9d、温度变送器接口9e、温度变送器接口9f、温度变送器接口9g以及设在吸附罐底部的放液口9h。温度变送器接口9e、温度变送器接口9f、温度变送器接口9g分别安装温度变送器。吸附罐9中装填活性炭构成活性炭床层27，并设置冷却盘管25，冷却盘管25与吸附罐9相交于冷液进口9c和冷液出口9d。冷液进口9c位于吸附罐9顶部侧壁，与回液泵34出口管道连接，回液泵34进口通过管道与气液分离罐液体出口2g连接。气液分离罐2中的冷液可通过回液泵 34加压进入吸附罐9的冷却盘管25，冷却盘管25有4种形式，如图6所示。冷却盘管25为不锈钢材质制成。冷液进入冷却盘管25后，起到对活性炭床层降温的作用，同时，冷液温度得到提高，温度回升的冷液，也利于长距离的输送和再次利用。离开吸附罐9内冷却盘管25的温度回升后的冷液，与回液泵34出口管道汇流至液态有机物输送管线13。 [0028] 吸附罐10的连接情况与吸附罐9类似。吸附罐10包括八个对外接口：气体进口10a、气体出口10b、冷液进口10c、冷液出口10d、温度变送器接口10e、温度变送器接口10f、温度变送器接口10g以及设在吸附罐10的放液口10h。温度变送器接口10e、温度变送器接口10f、温度变送器接口10g分别安装温度变送器。吸附罐10中装填活性炭构成活性炭床层28，并设置光面的冷却盘管26，冷却盘管26的两端与吸附罐10相交于冷液进口10c和冷液出口10d。冷液进口10c位于吸附罐10顶部侧壁，与回液泵34出口管道连接。气液分离罐2中的冷液可通过回液泵34加压进入吸附罐冷却盘管26。冷液进入冷却盘管26后，起到对活性炭床层降温的作用，同时，冷液温度得到提高，温度回升的冷液，也利于长距离的输送和再次利用。离开吸附罐10内冷却盘管26的温度回升后的冷液，与回液泵34出口管道汇流至液态有机物输送管线13。 [0029] 在本实施中，吸附罐9和吸附罐10上方还接入辅助脱附系统，辅助脱附系统在两吸附罐之前分别设有气提气进口阀21和气提气进口阀22来控制换热介质的供应，所用换热介质为氮气或水蒸气的任意一种，通过辅助介质管道12进入吸附罐。如采用水蒸气辅助解吸，吸附罐9和吸附罐10底部分别设置吸附罐放液口29和吸附罐放液口30以排出水蒸气形成的冷凝水，如图5所示。 [0030] 在本实施例中，回液泵34后，冷液进口阀23、冷液进口阀24并联线路之前，设有冷液温度变送器35，冷液进口阀23、冷液进口阀24并联线路之后，与液态有机物外输管道汇流后端的管道上设有换热后冷液温度变送器14，用来监测换热前后的冷液温度，可以通过控制冷液流量调节阀（开关阀）36的开度，调节换热后冷液温度，以达到合适的外输和回用温度。 [0031] 在本实施例中，还设有紧急放空阀15，以备紧急状态时使用。 [0032] 装置内另设置可编程控制系统（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。 [0033] 实施例2：基于实施例1的集成冷凝和吸附的VOCs排放控制系统，其处理方法包括如下步骤： （1）来自油气收集管道11的气体自侧面输入凝液收集罐1，不凝气体从顶部排出，油气中夹带的小液滴和易凝组分在凝液收集罐1中沉降分离，经收集罐底部排出后，经管道输入气液分离罐2。凝液收集罐1顶部排出的不凝气体，经风机4加压送入冷箱5。经换热冷却后，冷凝成液体的组分输入气液分离罐2。 [0034] （2）从冷箱5排出的不凝气体经管道进入吸附罐9或吸附罐10，吸附罐9和吸附罐10交替并联运行，当吸附罐9处于吸附状态时，吸附罐10则处于解吸状态，当吸附罐9处于解吸状态时，吸附罐10处于吸附状态。两个吸附罐的状态，通过阀门控制。 [0035] 以吸附罐9为例说明其运行。 [0036] 当吸附罐9处于吸附状态时，吸附罐进口阀7开、吸附罐出口阀17开、真空解吸阀32关。来自冷箱5气体出口5b的气体经过吸附罐进口阀7进入吸附罐9，在活性炭的选择性吸附作用下，部分VOCs组分被活性炭吸附，尾气经过吸附罐出口阀17去排放筒16放空。 [0037] 以活性炭为吸附剂时，床层温度不宜超过65℃，但是由于吸附过程是一个放热过程，特别是一些吸附热较大，或者活性炭对某些组分有催化作用时，吸附热就特别显著，会造成局部床层温度过高（大于80℃），局部甚至出现着火的情况，这对于吸附罐的安全操作是极为不利的。因此，采取合适的手段对床层温度进行控制是非常必要的。 [0038] 具体的，吸附罐9侧面不同高度设置有三台温度变送器，用以监测不同高度的床层温度。另外，由于来自冷箱5的冷凝液温度很低，经过回液泵34加压泵送至冷却盘管25，冷却盘管25布置在活性炭床层内，与不同高度的活性炭床层密切接触，冷液进入冷却盘管25后，起到对活性炭床层降温的作用，同时，冷液温度得到提高，温度回升的冷液，也利于长距离的输送和再次利用。离开冷却盘管25的温度回升的冷液，与回液泵34出口管道汇流至液态有机物输送管线。 [0039] 当吸附罐9中的活性炭床层27吸附接近饱和时，吸附罐9由吸附状态转入解吸状态，此时吸附罐进口阀7关、吸附罐出口阀17关、真空解吸阀31开，真空泵33启动，开始对吸附罐9进行抽真空，随着抽真空的进行，原先被吸附在活性炭床层中的有机物被解吸出来，真空泵33出口与气液分离罐2上的解吸气进口2d用管道连接，解吸气经真空泵33送入气液分离罐2，其中的易凝组分液化进入气液分离罐底，不易凝组分则从气液分离罐2顶部的气体出口2c排出，气体出口2c经管道与风机4进口相连，气体将再次进行冷凝处理。 [0040] 如抽真空解吸不能将有机物全部解吸出来，可通过向活性炭床层通入氮气或水蒸气的方式辅助脱附。辅助脱附时，气提气进口阀21打开，氮气或水蒸气通入吸附罐9辅助进行解吸。如采用水蒸气辅助解吸，解吸完成后，通过吸附罐放液口29排出水蒸气冷凝形成的冷凝水。 [0041] 吸附罐9解吸完成之后，再次进行吸附工序，吸附罐内应从真空状态恢复常压状态，这时，吸附罐充压阀19打开，空气自吸附罐充压阀19进入吸附罐9，恢复常压状态，准备再一次的吸附。 [0042] 吸附罐10的运行情况与吸附罐9一致，二者交替运行。 [0043] 回液及冷液冷却系统运行如下：来自凝液收集罐1、冷箱5、真空泵33的液滴在气液分离罐2内富集，形成一定的液层，液层达到一定液位时，液位变送器3的液位信号输出，回液泵34启动。此时，如不需对吸附罐9和吸附罐10进行冷却，那么冷液进口阀23和冷凝进口阀24均处于关闭状态，冷液流量调节阀（开关阀）36开启，回液泵34将液态有机物直接泵送至相应储罐。如需对吸附罐9进行冷却，那么冷液进口阀23开启，冷凝进口阀24关闭，冷液流量调节阀（开关阀）36关闭，回液泵34将冷液泵送至吸附罐9内部的冷却盘管25，对活性炭床层27进行冷却。离开吸附罐9的冷液经管道至冷液流量调节阀（开关阀）36下游管道，经液态有机物管线13输送至相应储罐。冷液在吸附罐10的运行状态与吸附罐9一致。冷液去冷却盘管支路前端和冷液与液态有机物外输管道汇流后端的管道上分别设置有冷液温度变送器35和换热后冷液温度变送器14，用来监测换热前后的冷液温度，可以通过控制冷液流量调节阀（开关阀）36的开度，调节换热后冷液温度，以达到合适的外输和回用温度。 |
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