多通道凈化回收復(fù)合式有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳貴生 倪學(xué)明 林冠堂

摘要：生產(chǎn)生活過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣通常為成分復(fù)雜的有毒、有害、易燃、易爆氣體，對(duì)人類身體健康和生態(tài)環(huán)境造成危害，需得到有效治理。由于固態(tài)顆粒和水蒸氣的影響，傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣吸附回收方式容易堵塞吸附孔或吸附體，降低了廢氣處理效率，提高了系統(tǒng)維護(hù)成本。設(shè)計(jì)了一種多通道凈化回收復(fù)合式有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)，采用旋風(fēng)分離、堿液清洗、低溫除濕、吸附過(guò)濾凈化方式，可對(duì)有機(jī)廢氣中固態(tài)顆粒、酸性氣體、水溶性有機(jī)氣體、水蒸氣和非水溶性有機(jī)氣體進(jìn)行逐級(jí)過(guò)濾，有效提升凈化效果。低溫裝置通過(guò)吸熱翅片、半導(dǎo)體制冷片、吸熱塊和散熱塊的組合可實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣吸附前的充分除濕。吸附系統(tǒng)中設(shè)置雙套凈化回收通道，使兩個(gè)凈化床進(jìn)行周期性廢氣吸附和自清洗，可有效提高有機(jī)廢氣的吸附效率和設(shè)備自動(dòng)化管理水平。將該系統(tǒng)應(yīng)用于動(dòng)物研究實(shí)驗(yàn)室廢氣處理，主要成分甲醛有效去除率達(dá)到82.3%，濃度降至0.178 mg/m3以下，符合環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：廢氣;回收;分離;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X742???? ????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0176-04

Design of Compound Organic Waste Gas Treatment System with Multi-channel Purification and Recovery

Chen Guisheng1，Ni Xueming1，Lin Guantang2

（1. ZhuHai Glorion PurificationTechnology Co.， Ltd.， Zhuhai， Guangdong 519002， China;2. Zhuhai Branch， Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research， Zhuhai， Guangdong 519002， China）

Abstract： The organic waste gases produced in the process of production and life are usually toxic， harmful， flammable and explosive with complex components， which are harmful to human health and ecological environment and needs to be effectively treated. Due to the influence of solid particles and water vapor， the traditional adsorption and recovery methods are easy to block the adsorption hole or adsorbent， which reducing the waste gas treatment efficiency and improving the system maintenance cost. A multi-channel purification and recovery compound organic? waste? gas? treatment? system? was? designed. With? methods? of? cyclone? separation，? alkali? liquor? cleaning，? low-temperature dehumidification? and? adsorption? filtration? purification? methods，? solid? particles，? acid? gas，? water-soluble? organic? gas，? water? vapor? and non-water-soluble organic gas in organic waste gas could be filtered step by step by the system， and the purification effect could be improved effectively. By combination of endothermic fins， semiconductor refrigeration fins， endothermic blocks and heat dissipation blocks， the organic waste gas could be fully dehumidify by the low-temperature device before adsorption. Two sets of purification and recovery channels were seted in the adsorption system to enable the two purification beds to carry out periodic waste gas adsorption and self-cleaning， which could effectively improve the adsorption efficiency of organic waste gas and the automatic management level of the equipment. The system was applied to the waste gas treatment of animal research laboratory. The effective removal rate of main component formaldehyde reached 82.3% and the concentration decreased to below 0.178 mg/m3， which met the ambientair quality standard.

Key words： exhaust gas; recycling; separation; system

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人類生活便利性得到提高，但同時(shí)也造成了環(huán)境污染。部分企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，大多沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理而直接排放到大氣中，造成空氣污染，進(jìn)一步影響人們生產(chǎn)生活。尤其是隨著石化行業(yè)的快速發(fā)展，有機(jī)廢氣逐步成為一類典型的大氣污染種類。有機(jī)廢氣通常為有毒、不易溶解、易燃易爆的氣體或化合物，一般通過(guò)化合物合成、噴涂、燃燒等過(guò)程產(chǎn)生，主要包括烴類、苯系物、有機(jī)氯化物、氟里昂系列、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸等[1-3]。有機(jī)廢氣容易形成光化學(xué)煙霧、酸雨等，危害生態(tài)環(huán)境，破壞建筑安全性能，影響人類生存環(huán)境[4-5]。隨著環(huán)保、節(jié)能、減排、增效理念越來(lái)越得到重視，有機(jī)廢氣的及時(shí)處理勢(shì)在必行[6-7]。目前常用的廢氣回收方式大多為燃燒、直接吸附回收、直接凈化的方式[8-11]，其中直接吸附回收是常用處理手段，由于廢氣中一般都存在顆粒固體以及水分，在吸附時(shí)顆粒固體容易將吸附體堵塞，水分也會(huì)堵塞吸附孔，從而影響對(duì)有機(jī)廢氣的吸附效率，同時(shí)也會(huì)造成吸附體用量增大，造成浪費(fèi)，提高了廢氣處理成本。

本文設(shè)計(jì)了一種有機(jī)廢氣的凈化回收裝置，該凈化回收裝置采用多級(jí)處理方式和多個(gè)凈化回收通道，根據(jù)各處理模塊串聯(lián)和并聯(lián)的合理組合，使有機(jī)氣體吸附前有效減少?gòu)U氣中固態(tài)顆粒及水分含量，通過(guò)多個(gè)吸附與自清理通道同步運(yùn)行提高了吸附材料的有效利用率，減少設(shè)備維護(hù)時(shí)間，降低維護(hù)成本。

1 凈化回收流程

采用多級(jí)凈化回收方式進(jìn)行有機(jī)廢氣處理，凈化回收流程如圖1所示。首先通過(guò)旋風(fēng)分離技術(shù)對(duì)氣體和顆粒進(jìn)行分離，去除氣體內(nèi)的固態(tài)顆粒;分離后的氣體再通入堿性容器，通過(guò)與堿性容器中熟石灰溶液反應(yīng)去除酸性氣體及易溶于水的有機(jī)酮、胺、醇、醚等有機(jī)氣體;堿性容器出來(lái)的廢氣中還有水分和難溶于水的有機(jī)氣體，將其通過(guò)低溫裝置去除水分;隨后，廢氣中主要難溶于水的有機(jī)物再由吸附系統(tǒng)進(jìn)行吸收，吸附后得到凈化氣，完成整個(gè)廢氣處理過(guò)程。上述分級(jí)處理過(guò)程可以有效提高吸附床的使用效果。

2 旋風(fēng)除塵

旋風(fēng)分離器是一種應(yīng)用廣泛的低成本高效工業(yè)除塵裝置[12-13]。根據(jù)其基本工作原理，設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)易型旋風(fēng)分離器用于分離出有機(jī)廢氣中的固態(tài)顆粒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括內(nèi)殼體和外殼體兩部分。內(nèi)殼體結(jié)構(gòu)從上至下依次為圓柱段、錐形段和管狀段，管狀段下端開(kāi)口處裝有過(guò)濾網(wǎng);圓柱段外表面上端部設(shè)有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔與進(jìn)氣管道連接，內(nèi)殼體圓柱段中下部及錐形段設(shè)有分離孔，用于固態(tài)顆粒排出。外殼體為圓柱狀，上底板和下底板分別與內(nèi)殼體圓柱段的上端、錐形段的下端密封連接。外殼體下底板開(kāi)設(shè)有出渣孔，出渣孔與排渣閥門連接，用于清理旋風(fēng)分離器。

工作時(shí)關(guān)閉旋風(fēng)分離器排渣閥門，將廢氣從進(jìn)氣管道導(dǎo)入內(nèi)殼體，由于進(jìn)氣管道的角度傾斜朝上，廢氣進(jìn)入圓柱段后將緊貼圓柱段內(nèi)側(cè)面旋轉(zhuǎn)，同時(shí)具有一個(gè)向下移動(dòng)的速度;固體顆粒圍繞內(nèi)殼體圓柱段旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)分離孔時(shí)在離心力作用下被甩進(jìn)外殼體與內(nèi)殼體之間空隙。固體顆粒在旋轉(zhuǎn)時(shí)受阻力，速度會(huì)衰減，內(nèi)殼體下部的錐形段殼保持其仍然可以被離心力甩出內(nèi)殼體。此外，管狀段出口處的過(guò)濾網(wǎng)也可進(jìn)一步減少?gòu)U氣中的固態(tài)顆粒。將排渣閥門打開(kāi)可清理內(nèi)殼體與外殼體之間的固態(tài)顆粒，對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行清理。

3 低溫除濕

低溫除濕裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，除濕過(guò)程在殼體內(nèi)部進(jìn)行，殼體兩端分別有進(jìn)氣孔和出氣孔，內(nèi)部設(shè)有多組吸熱器，殼體下部設(shè)有流水槽。旋風(fēng)分離后的廢氣通過(guò)進(jìn)氣孔進(jìn)入除濕裝置，通過(guò)與吸熱器上的吸熱翅片充分接觸進(jìn)行熱交換降溫，使水蒸氣冷凝成水，進(jìn)入流水槽。為提高水分冷凝效果，殼體內(nèi)部并排設(shè)置了多組吸熱器。吸熱翅片將廢氣中的熱量吸收并通過(guò)傳熱銅管傳遞給中間集熱塊，中間集熱塊采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬將熱量傳遞給半導(dǎo)體制冷片。半導(dǎo)體制冷片制熱端與水循環(huán)吸熱塊接觸，并將熱量傳遞給水循環(huán)吸熱塊，在外部水泵作用下將水循環(huán)吸熱塊將熱量帶到水循環(huán)散熱塊，進(jìn)而對(duì)外釋放熱量，維持內(nèi)部低溫狀態(tài)。

水循環(huán)吸熱塊、水循環(huán)散熱塊由設(shè)置有流槽的上下金屬殼體拼接而成，為提高傳熱效率，流槽中部呈波浪形設(shè)置，以提高傳熱面積。此外，水循環(huán)散熱塊上方設(shè)置多個(gè)散熱風(fēng)扇進(jìn)一步加快設(shè)備散熱。

4 有機(jī)廢氣吸附與過(guò)濾

4.1 吸附過(guò)濾通道結(jié)構(gòu)

吸附系統(tǒng)包括廢氣吸附和廢氣回收兩個(gè)功能，采用多通道方式實(shí)現(xiàn)。吸附過(guò)濾和回收通道原理如圖4所示，該過(guò)程采用兩個(gè)吸附床進(jìn)行低溫除濕后難溶于水有機(jī)成分的吸附，形成兩條吸附過(guò)濾通道。第一條吸附過(guò)濾通道為：吸附系統(tǒng)入口通過(guò)管道依次與第一閥門3、第一吸附床4、第三閥門6、進(jìn)而連至第一風(fēng)機(jī)7;第二條吸附過(guò)濾通道為：吸附系統(tǒng)入口通過(guò)管道依次與第二閥門2、第二吸附床18、第四閥門9、進(jìn)而連至第一風(fēng)機(jī)7。兩個(gè)通道為并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均由第一風(fēng)機(jī)提供氣體流動(dòng)動(dòng)力，閥門為電磁閥，通過(guò)控制閥門的通斷可進(jìn)行通道選擇。第一溫度計(jì)5和第二溫度計(jì)19用于對(duì)吸附床工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2 回收通道結(jié)構(gòu)

回收通道用于吸附床的反向清洗與廢氣回收，系統(tǒng)設(shè)置有兩個(gè)回收通道，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。第一條回收通道結(jié)構(gòu)為：第二風(fēng)機(jī)13通過(guò)管道依次與第一加熱器12、第二加熱器11、第五閥門8、第一吸附床4、第七閥門1、第一冷凝器16、第二冷凝器15連接，最后進(jìn)入收集容器14內(nèi)，其中第一吸附床4反向連接。第二條回收通道結(jié)構(gòu)為：第二風(fēng)機(jī)13通過(guò)管道依次與第一加熱器12、第二加熱器11、第六閥門10、第二吸附床18、第八閥門17、第一冷凝器16、第二冷凝器15連接，最后進(jìn)入收集容器14內(nèi)，其中第二吸附床18反向連接。

4.3 吸附過(guò)濾和回收流程

通過(guò)設(shè)置兩條吸附過(guò)濾通道以及兩條回收通道使廢氣在其中一條吸附過(guò)濾通道過(guò)濾吸附時(shí)，另一條吸附過(guò)濾通道可以對(duì)吸附床進(jìn)行反洗，使吸附的廢氣釋放，經(jīng)冷凝后在收集容器14中回收。

吸附過(guò)濾和回收同步進(jìn)行的操作流程如下：打開(kāi)第一閥門3和第三閥門6，并使其他吸附通道閥門關(guān)閉，此時(shí)第一吸附過(guò)濾通道打開(kāi)，廢氣流經(jīng)第一吸附床4，然后被第一風(fēng)機(jī)7排出;當(dāng)?shù)谝晃酱?吸附一定量時(shí)，打開(kāi)第二閥門2、第四閥門9、第五閥門8、第七閥門1，同時(shí)關(guān)閉其他吸附通道閥門。此時(shí)第二吸附過(guò)濾通道打開(kāi)，同時(shí)第一回收通道打開(kāi);廢氣流經(jīng)第二吸附床18、然后被第一風(fēng)機(jī)7排出;其次，第二風(fēng)機(jī)13將清洗氣源中純氮?dú)獾葰怏w排入第一加熱器12、第二加熱器11使清洗氣體逐步被加熱，然后反向流經(jīng)第一吸附床4;第一吸附床4原吸收的氣體在清洗氣體的帶動(dòng)下被加熱釋放，流向第一冷凝器16和第二冷凝器15，在冷凝器內(nèi)冷卻，隨后被收集容器18收集。運(yùn)行一定時(shí)間后，當(dāng)?shù)诙酱?8吸收量達(dá)到一定時(shí)，打開(kāi)第一閥門3、第三閥門6、第六閥門10、第八閥門17，同時(shí)關(guān)閉其他閥門，此時(shí)第一條吸附過(guò)濾通道打開(kāi)、第二條回收通道打開(kāi)。長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，兩組吸附過(guò)濾通道和回收通道可交替循環(huán)運(yùn)行，提高運(yùn)作效率。通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量吸附床的溫度，用于控制反洗氣體的溫度。

4.4 吸附過(guò)濾控制原理

吸附過(guò)濾單元電氣控制原理如圖5所示。非自鎖按鈕開(kāi)關(guān) K1和 K2分別與中間繼電器 J1和 J2通過(guò)電氣自鎖方式實(shí)現(xiàn)交流接觸器 J7和 J8的通斷，繼而控制第一風(fēng)機(jī) M1和第二風(fēng)機(jī) M2在三相電壓下工作，為氣體流動(dòng)提供動(dòng)力，非自鎖按鈕開(kāi)關(guān) K2和 K4用于控制風(fēng)機(jī)關(guān)閉，風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)通過(guò)指示燈 L1和 L2進(jìn)行指示。

通過(guò)旋鈕開(kāi)關(guān) K5控制中間繼電器 J3線圈電流通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)第一吸附床和第二吸附床工作狀態(tài)切換，其中 KV1和 KV3分別對(duì)應(yīng)圖4中第一閥門和第三閥門，用于控制第一吸附過(guò)濾通道的通斷，KV6和KV8分別對(duì)應(yīng)第六閥門和第八閥門，用于控制第二回收通道的通斷， KV2和 KV4分別對(duì)應(yīng)圖4中第二閥門和第四閥門，用于控制第二吸附過(guò)濾通道的通斷，KV5和KV7分別對(duì)應(yīng)第五閥門和第七閥門，用于控制第一回收通道的通斷。旋鈕開(kāi)關(guān) K5用于實(shí)現(xiàn)各通道工作狀態(tài)的切換，K5閉合時(shí)第一吸附過(guò)濾通道和第二回收通道開(kāi)始工作，K5斷開(kāi)時(shí)第二吸附過(guò)濾通道和第二回收通道開(kāi)始工作。

中間制繼電器 J5用于控制第一加熱器和第二加熱器工作，中間繼電器 J6用于控制第一冷凝器和第二冷凝器工作，自鎖式按鈕開(kāi)關(guān) K7和 K8通過(guò)分別控制 J5和 J6通斷，進(jìn)一步控制加熱器和冷凝器工作，并分別通過(guò)指示燈 L5和L6指示加熱冷凝工作狀態(tài)。

5 應(yīng)用效果

將多通道凈化回收復(fù)合式有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)應(yīng)用于某高等學(xué)校藥學(xué)院動(dòng)物研究實(shí)驗(yàn)室廢氣處理，該實(shí)驗(yàn)室排放的氣體主要包含有機(jī)廢氣、氨、硫化氫等，其中有機(jī)廢氣主要成分為甲醛。系統(tǒng)應(yīng)用后經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，結(jié)果如下：該實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)口最大風(fēng)量為734 m3/h ，進(jìn)入廢氣處理系統(tǒng)旋風(fēng)分離之前的甲醛最大濃度為1.008 mg/m3，系統(tǒng)出風(fēng)口監(jiān)測(cè)到的最大濃度為0.178 mg/m3，去除效率為82.3%。參考工業(yè)廢氣和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15516—1995《空氣質(zhì)量甲醛的測(cè)定乙酰丙酮分光光度法》[14]，空氣中甲醛濃度應(yīng)不高于0.5 mg/m3。應(yīng)用該系統(tǒng)后廢氣處理結(jié)果符合環(huán)境空氣標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

有機(jī)廢氣中通常含有固態(tài)顆粒、水蒸氣、水溶性有機(jī)體、非水溶性有機(jī)體等物質(zhì)，成分復(fù)雜，傳統(tǒng)方式通過(guò)單一的處理流程對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行處理往往較難達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效的作用。通過(guò)旋風(fēng)分離、堿液清洗、低溫除濕、吸附床凈化過(guò)濾等多種處理方式的合理搭配有針對(duì)性地對(duì)各種成分進(jìn)行分類過(guò)濾，可達(dá)到有機(jī)廢氣分類逐級(jí)進(jìn)化目的。在吸附系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)置雙通道凈化回收通道使凈化床循環(huán)進(jìn)行過(guò)濾和自清洗，可使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行，有效提高有機(jī)廢氣的吸附效率和設(shè)備自動(dòng)化管理水平，降低吸附系統(tǒng)的時(shí)間維護(hù)成本。該系統(tǒng)應(yīng)用于動(dòng)物研究實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣處理，可使排放氣體中主要揮發(fā)性有機(jī)成分甲醛的濃度降低到達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，凈化效果明顯。

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第一作者簡(jiǎn)介：陳貴生（1982-），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樯镏扑?、醫(yī)療器械、動(dòng)物房、電子精細(xì)化工等。

（編輯：刁少華）