CN107477730A - 一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置及应用 - Google Patents

一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，包括：吸附转轮、包括两个单级跨临界循环的复叠式热泵、工作区域空气循环回路，复叠式热泵的冷端的冷空气通入到工作区域空气循环回路中以实现工作区域的换气通风、温度调节以及VOCs气体的集聚；工作区域空气循环回路的输出风通入到吸附转轮的低温吸附区以实现对VOCs气体的吸附；复叠式热泵的热端的热空气通入到吸附转轮的高温脱附区以实现对吸附材料中VOCs气体的脱附；新风通入到吸附转轮的冷却再生区以实现对吸附材料的降温。本装置热泵循环***冷热两端所提供的冷量和热量均可以得到很好的利用，与传统电热加热相比节能效果明显，达到了节能减排的目的。

Description

一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置及应用
技术领域
本发明涉及气体净化领域，具体涉及一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置及应用。
背景技术
目前，在汽车喷涂等行业，通常会产生大量的有机废气，这些有机废气如果直接排放不仅会对环境造成严重的污染，而且直接危及到人的生命健康。工业处理有机废气时一般采用燃烧处理技术、吸收技术、生物处理技术、膜分离技术以及吸附技术等。
燃烧处理技术分为直接燃烧和催化燃烧，直接燃烧将VOCs气体直接通入到燃烧室中进行高温燃烧，会造成二次污染且存在明火，绝大部分化工企业不能采用；催化燃烧在较低温度下，用催化剂使VOCs气体氧化分解进而净化气体，其不存在燃烧火焰，安全性好，比直接燃烧法适用性广，但其对所处理的气体条件要求较高，气体中的浮灰或雾滴会影响催化剂的寿命和效率，且气体中不能含有使催化剂中毒的物质。
吸收技术利用吸收剂与废气充分接触从而分离其中的可溶于该吸收剂的VOCs气体组分，针对不同的有机废气要选用不同的吸收剂，此技术设备投资和运行成本很高。
生物处理技术用微生物降解或转化VOCs气体为无害或低害类物质，具有设备投资少、运行成本低、不产生二次污染的特点，但其处理能力较低，不适合处理高浓度和大风量的气体，不能回收VOCs气体。
膜分离技术使用对VOCs气体具有渗透选择性的聚合物复合膜分离废气中的有机分子，其固定设备投资费用高，一般只是用于有机废气的预处理。
吸附技术在目前有机废气处理工艺中应用最广，多用吸附剂与转轮结合使用。与其它技术方法相比净化率高、工艺简单、投资较低，但其高温脱附阶段所需能耗多且多来自电耗。
发明内容
本发明提供了一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置及应用。该气体净化装置是将跨临界热泵与吸附转轮结合起来，将热泵热端的热空气通入吸附转轮的高温吸附区，充分利用热泵的热空气，且将热泵冷端的冷空气通入到工作区域中，充分利用热泵的冷空气，这样极大地提高能量的利用效率，节约能源。
本发明的技术方案为：
一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，包括：
吸附转轮；
包括两个单级跨临界循环的复叠式热泵；以及，
工作区域空气循环回路；
所述复叠式热泵的冷端的冷空气通入到工作区域空气循环回路中以实现工作区域的换气通风、温度调节以及VOCs气体的集聚；
所述工作区域空气循环回路的输出风通入到吸附转轮的低温吸附区以实现对VOCs气体的吸附；
所述复叠式热泵的热端的热空气通入到吸附转轮的高温脱附区以实现对吸附材料中VOCs气体的脱附；
室外新风通入到所述吸附转轮的冷却再生区以实现对吸附材料的降温。
所述复叠式热泵由低温、高温两部分跨临界循环复叠组成，其中，低温部分由第一压缩机、冷凝蒸发器、回热器、第一节流阀以及蒸发器组成，气态制冷剂经过第一压缩机被压缩至超临界状态，经冷凝蒸发器放热后经过回热器(回热器回收余热)使得制冷剂处于过冷状态流经节流阀后为液态，继续流经蒸发器吸收外部(新风)热量成为气态，流向回热器为过热气态后继续流入压缩机，如此循环往复；高温部分由第二压缩机、冷凝器、第二回热器、第二节流阀、冷凝蒸发器组成，超流态的制冷剂经由第二压缩机压缩后流入冷凝器降温向外部(新风)放出热量，再由冷凝器流向回热器(回热器吸收余热)，经第二节流阀节流后流入冷凝蒸发器蒸发吸热(吸收的热量来自于低温部分循环的制冷剂在冷凝蒸发器处放出的热量)，随后继续流入第二回热器吸收余热后流入第二压缩机，如此循环往复。
复叠式热泵根据工作温区选取合适的工作介质以达到高低温部分吸附脱附的要求。作为优选，所述复叠式热泵所用工作介质为二氧化碳、一氧化二氮、R32或R290混合物等。
作为优选，针对喷漆工艺的流程，所述工作区域空气循环回路为层层过滤的***，分别在手工段、补喷段前设置VOCs气体精滤层，自动段、流平段前设置过滤层；再各段后设置喷漆处理装置，实现工作区域的换气通风、温度调节，有机废气的集聚，使得涂装工作正常进行。
作为优选，本发明所述气体净化装置还设置了催化焚烧的RTO***，用于处理脱附后的较高浓度的VOCs气体，处理后的气体通过高空烟囱排放，RTO***各部分均有设置调温调试段。根据VOCs气体的浓度，利用调温调试段调节催化焚烧的温度至保证VOCs气体被焚烧彻底的最低温度，这样既可以彻底消除VOCs气体，又可以避免因加热温度过高而浪费能源，进一步节约能源。
作为优选，所述吸附转轮包括一个转轮和两个气体分隔箱；所述转轮包括外壳、芯轴和吸附材料，外壳通过机械驱动绕芯轴旋转，在芯轴外侧套有轴管，吸附材料充填在外壳内；两个气体分隔箱分别设置在转轮的两侧，所述气体分隔箱包括箱体，在箱体一侧连接有进出气体管道，在箱体另一侧开设一个与转轮外壳等径的圆口，箱体内用隔板分出低温吸附区、高温脱附区以及冷却再生区。
进一步优选，所述吸附材料为蜂窝体，蜂窝体内的气体通道沿外壳长度方向布置。
进一步优选，当采用的吸附材料(如活性炭)不可制成较大的蜂窝体时，则可先制成小块蜂窝体，再将多层小块蜂窝体拼装起来。
吸附转轮的工作过程为：
经工作区域空气循环回路排出的含VOCs气体的污染空气受风机抽吸，进入气体分隔箱的低温吸附区后，由转轮中的吸附材料进行过滤吸附，VOCs气体吸附在吸附材料上，从而使空气得到净化，得到净化后的空气被排放到大气中或继续参与循环，吸附过程完成；
随着转轮不断地缓慢转动，已经吸附了VOCs气体的吸附材料进入高温脱附区，在这个区域内受到高温脱附气体的脱附作用，吸附的VOCs气体在高温下释放，脱附后的有VOCs气体被冷凝后经RTO***进行焚烧后排放到大气中，完成了脱附工况；
转轮不断旋转到冷却再生区，该区域的室外新风给刚完成脱附的吸附材料降温，解决了吸附材料高温下吸附能力下降的问题，使吸附材料重新进入下一轮吸附过程；
高温脱附区的热空气来自于复叠式循环热泵的热端，且热空气的温度随VOCs气体的不同从100℃至200℃可控调节。
作为优选，所述吸附材料为蜂窝分子筛、硅胶、活性炭等，上述材料对VOCs气体具有超强的吸附能力。
具体地，室外新风经风机鼓入后由热泵冷端冷却以调温调湿，当达到舒适温度后进入工作区域空气循环回路，实现工作区域的换气通风、温度调节，有机废气的集聚，使得涂装工作正常进行。
以上所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置主要应用在净化有机废气中。
与现有技术相比，本技术的有益效果是：
本技术将脱附时消耗的热量通过热泵的方式进行循环利用。具体地，热泵产生低温空气作为较高温作业下车间的空调冷气供给，热泵产生高温空气用于吸附转轮的脱附，使得冷热两端所提供的冷量和热量均可以得到很好的利用，从而节约了工作造成的能源消耗，与传统电热加热相比节能效果明显，达到了节能减排的目的。且本装置增加热泵并没有改变吸附环节的工作效率，热泵与吸附转轮之间的相互影响不大，因此，整个净化装置具有模块化的特点，具有通用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例中提供的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置应用到净化汽车喷涂废气。
图1是本发明实施例提供的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置的结构示意图。参见图1，气体净化装置包括：吸附转轮1、包括一个两个单级跨临界循环组成的复叠式热泵2、以及工作区域空气循环回路3；复叠式热泵2的冷端的冷空气通入到工作区域空气循环回路3中以实现工作区域的换气通风、温度调节，VOCs气体的集聚；工作区域空气循环回路3的输出风通入到吸附转轮1的低温吸附区11以实现对VOCs气体的吸附；复叠式热泵2的热端的热空气通入到吸附转轮1的高温脱附区以实现对吸附材料中VOCs气体的脱附；室外新风通入到所述吸附转轮1的冷却再生区以实现对吸附材料的降温。
本实施例中，在高温脱附区13的出气口还设置了催化焚烧RTO***4，用于处理脱附后的较高浓度的VOCs气体，处理后的气体依次经过滤段5、气-气换热器20后再通过高空烟囱排放。
具体地，室外新风经风机鼓入后再经过滤段6过滤后由复叠式热泵2冷端冷却以调温调湿，当达到舒适温度后进入工作区域空气循环回路3，实现工作区域的换气通风、温度调节，有机废气的集聚，使得涂装工作正常进行。
跨临界复叠式热泵2循环由高低温两部分循环复叠组成。
低温部分循环：制冷剂(气态)经过压缩机23被压缩至超临界状态，经冷凝蒸发器24放热后经过回热器22(回热器回收余热)，使得制冷剂处于过冷状态流经节流阀28后为液态，继续流经蒸发器21吸收外部(新风)的热量成为气态，流向回热器22为过热气态后继续流入压缩机23，如此循环往复，为跨临界复叠式热泵循环的低温循环部分。
高温部分循环：制冷剂(超流态)经由压缩机26压缩后流入冷凝器27降温向外部(新风)放出热量，再由冷凝器27流向回热器25(回热器吸收余热)，后流经节流阀29节流后流入冷凝蒸发器24蒸发吸热(吸收的热量来自于低温部分循环的制冷剂在冷凝蒸发器24处放出的热量)，随后继续流入回热器25吸收余热后流入压缩机26，如此循环往复，组成跨临界复叠式热泵循环的高温循环部分。
针对喷漆工艺的流程，工作区域空气循环回路3为层层过滤的***，分别在手工段31、补喷段33前设置VOCs气体精滤层311和VOCs气体精滤层331，自动段32、流平段34前设置过滤层321和过滤层341；再各段后设置喷漆处理装置312、喷漆处理装置322、喷漆处理装置332、喷漆处理装置342，实现工作区域的换气通风、温度调节，有机废气的集聚，使得涂装工作正常进行。
吸附转轮1包括一个转轮和两个气体分隔箱；所述转轮包括外壳、芯轴和吸附材料，外壳通过机械驱动绕芯轴旋转，在芯轴外侧套有轴管，吸附材料充填在外壳内；两个气体分隔箱分别设置在转轮的两侧，所述气体分隔箱包括箱体，在箱体一侧连接有进出气体管道，在箱体另一侧开设一个与转轮外壳等径的圆口，箱体内用隔板分出低温吸附区11、高温脱附区13以及冷却再生区12。
本实施例中，吸附材料为蜂窝分子筛，蜂窝体内的气体通道沿外壳长度方向布置。
吸附转轮的工作过程为：
经工作区域空气循环回路3排出的含VOCs气体的污染空气受风机抽吸，进入气体分隔箱的低温吸附区11后，由转轮中的吸附材料进行过滤吸附，VOCs气体吸附在吸附材料上，从而使空气得到净化，得到净化后的空气被排放到大气中或继续参与循环，吸附过程完成；
随着转轮不断地缓慢转动，已经吸附了VOCs气体的吸附材料进入高温脱附区13，在这个区域内受到高温脱附气体的脱附作用，吸附的VOCs气体在高温下释放，脱附后的有VOCs气体被冷凝后经RTO***进行焚烧后排放到大气中，完成了脱附工况；
转轮不断旋转到冷却再生区12，该区域的冷却空气给刚完成脱附的吸附材料降温，解决了吸附材料高温下吸附能力下降的问题，使吸附材料重新进入下一轮吸附过程。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，包括：
吸附转轮；
包括两个单级跨临界循环的复叠式热泵；以及，
工作区域空气循环回路；
所述复叠式热泵的冷端的冷空气通入到工作区域空气循环回路中以实现工作区域的换气通风、温度调节以及VOCs气体的集聚；
所述工作区域空气循环回路的输出风通入到吸附转轮的低温吸附区以实现对VOCs气体的吸附；
所述复叠式热泵的热端的热空气通入到吸附转轮的高温脱附区以实现对吸附材料中VOCs气体的脱附；
室外新风通入到所述吸附转轮的冷却再生区以实现对吸附材料的降温。
2.如权利要求1所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，所述复叠式热泵由低温、高温两部分跨临界循环复叠组成，其中，低温部分由第一压缩机、冷凝蒸发器、回热器、第一节流阀以及蒸发器组成，气态制冷剂经过第一压缩机被压缩至超临界状态，经冷凝蒸发器放热后经过回热器使得制冷剂处于过冷状态流经节流阀后为液态，继续流经蒸发器吸收外部热量成为气态，流向回热器为过热气态后继续流入压缩机，如此循环往复；高温部分由第二压缩机、冷凝器、第二回热器、第二节流阀、冷凝蒸发器组成，超流态的制冷剂经由第二压缩机压缩后流入冷凝器降温向外部放出热量，再由冷凝器流向回热器，经第二节流阀节流后流入冷凝蒸发器蒸发吸热，随后继续流入第二回热器吸收余热后流入第二压缩机，如此循环往复。
3.如权利要求1所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，所述吸附材料为蜂窝体，蜂窝体内的气体通道沿外壳长度方向布置。
4.如权利要求1所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，所述吸附材料为蜂窝分子筛、硅胶、活性炭。
5.如权利要求1所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，所述复叠式热泵所用工质为二氧化碳、一氧化二氮、R32或R290混合物。
6.如权利要求1所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置，其特征在于，所述气体净化装置还设置了催化焚烧的RTO***，用于处理脱附后的较高浓度的VOCs气体，处理后的气体通过高空烟囱排放。
7.一种如权利要求1～6任一所述的吸附转轮与跨临界热泵循环复合气体净化装置在净化有机废气中的应用。
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