CN117942726A - 一种高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废气处理技术领域，具体涉及一种高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***及方法，包括按废气流向依次连通的一级冷凝器、二级冷凝器、固定床吸附催化器；所述一级冷凝器为板式冷凝器，冷介质为空气，热介质为待处理废气；一级冷凝器的热介质出口与二级冷凝器连通，热介质空间中设有若干雾化喷嘴；所述二级冷凝器为管式冷凝器，冷介质为循环冷却水，热介质为来自一级冷凝器的热介质出口的废气；二级冷凝器的热介质尾气通入所述固定床吸附催化器中；二级冷凝器的冷凝水与一级冷凝器的雾化喷嘴相通。本发明的工艺能实现污染物的深度治理和净零排放，***能耗低，节水节能。
Description
技术领域
本发明属于大气污染控制技术领域，具体涉及一种高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***及方法。
背景技术
蒸煮、烘干、热压、铸造等含燃烧气体或热处理气体的高温有机废气，一般首先采用湿法工艺进行降温和净化处理，湿法处理后的废气为高湿度，或者达到饱和湿度，且处理后的废气可能仍然含有低浓度的VOCs、气溶胶等，存在着不能稳定达标、异味问题突出等低浓度复合污染问题。
对于高湿度低浓度有机废气，水蒸气的存在会对常规的废气处理技术带来干扰。吸附法通过使用吸附剂(如活性炭)来捕集VOCs，但在高湿度环境中，水蒸气可能占据吸附剂的活性位点，减少对VOCs的吸附效率。吸收法是通过液体吸收剂直接吸收废气中的VOCs，这种方法特别适用于处理高湿度VOCs废气。吸收剂通常包括水、油、溶剂等。以水作为吸收剂，需要在装备或工艺上进行设置，使其具备连续吸收功能，并能克服持续补水、产废水以及装置运行能耗高等问题。冷凝法通过降低温度实现对高湿度废气的冷凝除水，同时也使VOCs从气态转变为液态，进而实现分离和回收，但冷凝技术的能耗高，需要消耗冷源和热源，尤其是在处理大量高湿度气体时，还可能需要昂贵的冷却***和维护成本。可见现有技术缺乏能耗低、运行成本低、可有效净化高湿度低浓度VOCs的工艺或方法。
发明内容
本发明提供一种高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***及方法，通过水吸收法和冷凝法的耦合，有效实现对高湿度废气中有机污染物的吸收和净化，在处理烟气污染物的同时实现废热资源化和节能节水，降低环保设施运行能耗。
本发明的第一方面，提供高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***，包括按废气流向依次连通的一级冷凝器、二级冷凝器、固定床吸附催化器；所述一级冷凝器为板式冷凝器，一级冷凝器的冷介质为空气，热介质为待处理废气；一级冷凝器的热介质出口与二级冷凝器连通；一级冷凝器内的热介质空间中设有若干雾化喷嘴；所述二级冷凝器为管式冷凝器，二级冷凝器的冷介质为循环冷却水，热介质为来自一级冷凝器的热介质出口的废气；二级冷凝器的热介质尾气通入所述固定床吸附催化器中；二级冷凝器的冷凝水与一级冷凝器的雾化喷嘴相通。
可选地，本***还包括第一水箱、第二水箱、净化反应器以及冷却塔；所述一级冷凝器的冷凝水出口与第一水箱的入口连通；第一水箱的出口与净化反应器入口连通；净化反应器出口与冷却塔的补水口连通；二级冷凝器的循环冷却水出口与冷却塔的热流体入口连通，循环冷却水入口与冷却塔的冷却水出口连通；二级冷凝器的冷凝水连通第二水箱的入口，通入第二水箱的冷凝水通过喷淋泵与所述雾化喷嘴连通。
可选地，一级冷凝器内设有若干换热板而形成冷热介质通道，冷介质通道和热介质通道间壁式布置而相互独立；一级冷凝器的冷介质入口与干冷空气风机相连，热介质入口接入待处理废气，热介质出口与二级冷凝器连通；所述热介质空间为一级冷凝器的热介质通道；一级冷凝器的热介质出口的废气接入二级冷凝器的壳程，循环冷却水接入管程。
可选地，所述雾化喷嘴与压缩空气连通，以形成双相流雾化喷淋装置。
可选地，第一水箱的出口通过第一增压泵与净化反应器的入口连通；所述净化反应器与吸收剂罐连接；所述吸收剂罐内有吸收剂或氧化剂。
可选地，所述冷却塔为湿式冷却塔，二级冷凝器的循环冷却水入口与冷却塔的冷却水出口通过第二增压泵连通。
可选地，二级冷凝器和固定床吸附催化器之间设有引风机，所述二级冷凝器的热介质出口通过引风机而与固定床吸附催化器的入口连接；所述引风机为正压增压型引风机。
可选地，所述固定床吸附催化器中装填有吸附催化材料；所述吸附催化材料包括活性炭或者负载过渡金属的分子筛材料。
本发明的第二方面，提供利用上述的自提水单向吸收净化***进行废气处理的方法。
可选地，本发明的方法和***中，待处理废气的相对湿度为90％RH～100％RH。
本发明的吸收净化***采用一级冷凝器和二级冷凝器，形成一级风冷+二级水冷两段式相变冷凝组合工艺，并通过雾化喷嘴的设置，取代传统的循环喷淋工艺。具体而言，二级冷凝器换热过程中形成的冷凝水通过雾化喷嘴喷淋于第一冷凝器的热介质通道中，将湿饱和烟气中的气态水冷凝相变形成纯水吸收液，利用第一冷凝器板式的大面积换热面作为膜状连续气液接触面，实现低阻力气液强化传质，提高了液相吸收效率，并取代循环喷淋工艺，减少了***能耗。废气经多级冷凝吸收后，达到吸附材料的允许温湿度条件，进入吸附催化反应器，对难以溶解于水中的VOCs进行进一步净化，实现污染物的深度治理和净零排放。进一步地，本***中在一级冷凝器中雾化喷淋吸收VOCs后，冷凝水被收集进入净化反应器中处理回用，作为冷却塔的补水，冷却塔蒸发水量与冷凝水量动态平衡，实现***0补水和0排水。冷凝水纯水吸收液一次喷淋使用不再循环，实现纯水连续单向吸收，确保VOCs在吸收液中的溶解度不降低。此外，二级冷凝器的管程循环冷却水与冷却塔相连通，构成外循环，进一步地利用了***内的热源、冷源，降低***能耗。
附图说明
图1为本发明的***组成及工艺流程图。
图2为本发明一实施例的饱和空气焓湿图。
图中，1-一级冷凝器，11-雾化喷嘴，12-干冷空气风机，2-二级冷凝器，3-固定床吸附催化器，31-引风机，4-第一水箱，41-第一增压泵，5-第二水箱，51-喷淋泵，6-净化反应器，7-冷却塔，71-第二增压泵，8-吸收剂罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***的组成包括按废气流向依次连通的一级冷凝器1、二级冷凝器2、固定床吸附催化器3；
所述一级冷凝器1为板式冷凝器，一级冷凝器1的冷介质为空气，热介质为待处理废气；一级冷凝器1的热介质出口与二级冷凝器2连通；一级冷凝器1内的热介质空间中设有若干雾化喷嘴11；更具体地，一级冷凝器1内设有若干换热板而形成冷热介质通道，冷介质通道和热介质通道间壁式布置而相互独立；一级冷凝器的冷介质入口与干冷空气风机12相连，热介质入口接入待处理废气，热介质出口与二级冷凝器2连通；所述热介质空间为一级冷凝器1的热介质通道。
所述二级冷凝器2为管式冷凝器，一级冷凝器1的热介质出口接入二级冷凝器2的壳程，循环冷却水接入管程。二级冷凝器2的冷介质为循环冷却水，热介质为来自一级冷凝器1的热介质出口的废气；二级冷凝器2的热介质尾气通入所述固定床吸附催化器3中；二级冷凝器2的冷凝水与一级冷凝器1的雾化喷嘴11相通。
基于上述***，高湿度有机废气的处理方法如下：
将待处理废气通入第一冷凝器1中；废气在第一冷凝器1中与干冷空气进行干式换热，外排干热空气，废气自身被冷凝后，再通入二级冷凝器2中，在二级冷凝器2与管程中的循环冷却水进行气水换热，进一步降温冷凝，冷凝后废气通入固定床吸附催化器3中，经吸附催化后排出洁净废气。
过程中，二级冷凝器2换热过程中形成的冷凝水通过雾化喷嘴11喷淋于第一冷凝器1的热介质通道中，从而将湿饱和烟气中的气态水冷凝相变形成纯水吸收液，利用第一冷凝器板式的大面积换热面作为膜状连续气液接触面，实现低阻力气液强化传质，提高了液相吸收效率，并取代循环喷淋工艺，减少了***能耗，亦避免药剂吸收工艺的药剂成本投入和二次污染等问题。
进一步地，一些实施方案中，所述雾化喷嘴还与压缩空气连通，以形成双相流雾化喷淋装置，强化喷淋的效果。
进一步地，一些实施方案中，本***还包括第一水箱4、第二水箱5、净化反应器6以及冷却塔7；所述一级冷凝器1的冷凝水与第一水箱4的入口连通；第一水箱4的出口与净化反应器6入口连通；净化反应器6出口与冷却塔7的补水口连通；二级冷凝器2的循环冷却水出口与冷却塔7的热流体入口连通，循环冷却水入口与冷却塔7的冷却水出口连通，可通过设置第二增压泵71，确保冷却塔7产出的冷却水能泵入二级冷凝器2中作为循环冷却水；二级冷凝器2的冷凝水连通第二水箱5的入口，通入第二水箱5的冷凝水通过喷淋泵51与所述雾化喷嘴11连通。
更具体地，第一水箱4的出口通过第一增压泵41与净化反应器6的入口连通；所述净化反应器6与吸收剂罐8连接；所述吸收剂罐8内有化学吸收剂或氧化剂。实际装置中，净化反应器可采用强化氧化工艺降解冷凝水纯水吸收液中的VOCs，所述吸收液净化反应器采用管式反应器，可为单程式、夹套式或盘管式，氧化剂可为液相氧化剂也可为气相氧化剂，利用管式反应器的较长停留时间实现水中污染物的深度消解，避免吸收液中的VOCs再次释放返回大气。
上述***中，二级冷凝器2换热过程中形成的冷凝水汇入第二水箱5中，通过雾化喷嘴11喷淋于第一冷凝器1的热介质通道中；一级冷凝器1中的冷凝水汇入第一水箱4，从第一水箱4排入净化反应器6中净化，经净化后的冷凝水通入冷却塔7中作为蒸发水补水；二级冷凝器2的循环冷却水换热后流入冷却塔7中，冷却塔7对其冷却降温后，水蒸气排出，冷却塔7中的冷却水从循环冷却水入口流回二级冷凝器2的管程，作为二级冷凝器2的循环冷却水进水。
所述一级冷凝器1中的冷凝水，是在一级冷凝器的热介质通道中雾化喷淋流出的喷淋水以及换热间壁上产生的冷凝水，喷淋水来自二级冷凝器的冷凝水纯水，在一级冷凝器的热烟气通道的雾化喷淋过程中吸收烟气中的VOCs，且在换热板上的膜状连续气液接触面上吸收VOCs。上述的纯水吸收液吸收烟气中的VOCs后，从一级冷凝器的冷凝水出口排出至净化反应器6，经净化反应器6净化处理后作为冷却塔7补水，冷却塔7蒸发水量与冷凝水量动态平衡，实现***0补水和0排水。吸收液一次使用不再循环，实现纯水连续单向吸收，确保VOCs在吸收液中的溶解度不降低。
进一步地，一些实施方案中，二级冷凝器2和固定床吸附催化器3之间设有引风机31，所述二级冷凝器2的热介质出口通过引风机31而与固定床吸附催化器3的入口连接；所述引风机31为正压增压型引风机。增压风机一方面提供克服***阻力的必要压力，另一方面依靠机械能转化热能，少量提升烟气的温度和干度，确保进入吸附催化层的烟气温湿度满足吸附催化工况要求。所述固定床吸附催化器3中装填有吸附催化材料；所述吸附催化材料包括活性炭或者负载过渡金属的分子筛等材料。
优选地，上述***适宜处理高湿度低浓度有机废气，所述高湿度、低浓度可以指：VOCs浓度≤100mg/m3，相对湿度为90％RH～100％RH。
基于上述***，本发明提供利用上述***进行的高湿度有机废气自提水单向吸收净化方法。本方法采用一级冷凝器和二级冷凝器，形成一级风冷+二级水冷两段式相变冷凝组合工艺；冷凝器中产生的纯水冷凝水作为吸收液，在一级冷凝器中雾化喷淋吸收VOCs后，被收集进入净化反应器中处理回用，吸收液一次使用，单向吸收。废气经多级冷凝吸收后，达到吸附材料的允许温湿度条件，进入吸附催化反应器，对难以溶解于水中的VOCs进行进一步净化，实现污染物的深度治理和净零排放。通过多级冷凝提水+纯水单向吸收+末端吸附催化的组合工艺，实现低浓度VOCs等复合污染物的深度净化。
实施例
本实施例处理烟气量15万Nm3/h，温度60℃。
本实施例的***方法，湿热饱和烟气首先进入一级冷凝器，通过一级冷凝器的换热板片与冷介质通道的干冷空气进行间壁式换热冷凝，冷凝降温后的饱和烟气进入二级冷凝器进一步冷凝，二级冷凝器的冷凝水落入其板面上，形成的气液传质接触面积约8000m2。小时纯水流量15t/h。固定床吸附催化器中的材料为活性炭。经深度降温冷凝+提水后，烟气冷凝至40℃，再经过增压风机增压升温，达到42℃，90％相对湿度，满足活性炭等吸附催化工艺必要的吸附温度和湿度条件。
本实施例的吸收净化***及工艺，能够实现以下效果：
(1)干湿耦合相变凝并
含VOCs的饱和湿烟气进入一级冷凝器中，利用环境空气作为冷源，通过间壁式干式换热实现烟气冷凝提水，利用二级冷凝器的冷凝水在一级冷凝器的烟气侧进行二次低温湿式换热，实现烟气干湿耦合相变凝并，使常温下为液态的挥发性有机物重新冷凝为液态，同时利用烟气中的SO3等凝结核，将VOCs团聚形成气溶胶颗粒并带入液相脱除。
(2)纯水单循环强化接触式吸收
利用二级深冷冷凝的纯水在一级冷凝吸收器的板片上形成纯水液膜与烟气进一步强化接触传质吸收，传质接触面积约8000㎡，大幅提高吸收效率，实现对吸收亲水性挥发性有机物的高效吸收。小时纯水流量15t/h，为单向流不循环。换热介质(循环冷却水)经外置的湿式冷却塔换热后循环使用。
(3)活性炭吸附
经深度降温冷凝+提水后的烟气，达到40℃，再经过引风机增压升温，达到活性炭吸附必要的吸附温湿度窗口，自此进入固定床吸附催化器，利用活性炭作为末端吸附治理措施，确保VOCs排放达标。
(4)自取热烟气消雾脱白
本实施例的吸收净化设备，在实现烟气深度冷凝和降低烟气饱和度的同时，实现烟气消雾脱白，其原理如图2所示。图中曲线为饱和空气焓湿图。A-B线为原待处理的饱和湿热烟气A与环境空气B混合的羽雾稀释曲线，在焓湿图的下方(在过饱和区)，故而产生大量的羽雾。本实施例中，经干湿耦合相变换热后为不饱和风筒排气工况点C(相对A点，露点和含湿量均下降，为不饱和气体)与环境冷空气B混合的羽雾稀释曲C-B在饱和空气焓湿图的上方(在不饱和区)，即无羽雾产生。实现环境温度10摄氏度，相对湿度60％环境工况下的消雾脱白，全年消雾比例超过90％。
本发明的吸收净化***，采用的一级冷凝器和二级冷凝器，形成一级风冷+二级水冷两段式相变冷凝组合工艺，结合不同环境温度采用不同运行工况，在实施例中，风冷段换热量1.8MW，水冷段换热量10MW，冬季风冷段可换热3.2MW，组合工艺可降低换热***能耗15％～25％。
本***自身能实现热平衡和水平衡，产生冷凝水量全部实现自平衡，***无需外排，无需补水。通过自取热相变换热原理，降低烟气运行温度和吸收液工作温度10℃以上，从而提高VOCs在吸收液中的溶解度，同时可将部分气体污染物冷凝相变进入液相。通过本发明的方法处理高湿度烟气，能够不消耗额外冷、热源，通过饱和烟气相变冷凝和自取热加热实现零附加热源消雾脱白，实现15℃，60％相对湿度工况下的消雾脱白。
Claims (10)
1.一种高湿度有机废气的自提水单向吸收净化***，其特征在于，包括按废气流向依次连通的一级冷凝器、二级冷凝器、固定床吸附催化器；
所述一级冷凝器为板式冷凝器，一级冷凝器的冷介质为空气，热介质为待处理废气；一级冷凝器的热介质出口与二级冷凝器连通；一级冷凝器内的热介质空间中设有若干雾化喷嘴；
所述二级冷凝器为管式冷凝器，二级冷凝器的冷介质为循环冷却水，热介质为来自一级冷凝器的热介质出口的废气；二级冷凝器的热介质尾气通入所述固定床吸附催化器中；二级冷凝器的冷凝水与一级冷凝器的雾化喷嘴相通。
2.根据权利要求1所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，还包括第一水箱、第二水箱、净化反应器以及冷却塔；
所述一级冷凝器的冷凝水出口与第一水箱的入口连通；第一水箱的出口与净化反应器入口连通；净化反应器出口与冷却塔的补水口连通；
二级冷凝器的循环冷却水出口与冷却塔的热流体入口连通，循环冷却水入口与冷却塔的冷却水出口连通；二级冷凝器的冷凝水连通第二水箱的入口，通入第二水箱的冷凝水通过喷淋泵与所述雾化喷嘴连通。
3.根据权利要求1所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，一级冷凝器内设有若干换热板而形成冷热介质通道，冷介质通道和热介质通道间壁式布置而相互独立；一级冷凝器的冷介质入口与干冷空气风机相连，热介质入口接入待处理废气，热介质出口与二级冷凝器连通；所述热介质空间为一级冷凝器的热介质通道；一级冷凝器的热介质出口的废气接入二级冷凝器的壳程，循环冷却水接入管程。
4.根据权利要求2所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，所述雾化喷嘴与压缩空气连通。
5.根据权利要求2所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，第一水箱的出口通过第一增压泵与净化反应器的入口连通；所述净化反应器与吸收剂罐连接；所述吸收剂罐内有吸收剂或氧化剂。
6.根据权利要求1所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，所述冷却塔为湿式冷却塔，二级冷凝器的循环冷却水入口与冷却塔的冷却水出口通过第二增压泵连通。
7.根据权利要求1所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，二级冷凝器和固定床吸附催化器之间设有引风机，所述二级冷凝器的热介质出口通过引风机而与固定床吸附催化器的入口连接；所述引风机为正压增压型引风机。
8.根据权利要求1所述的自提水单向吸收净化***，其特征在于，所述固定床吸附催化器中装填有吸附催化材料；所述吸附催化材料包括活性炭或者负载过渡金属的分子筛材料。
9.权利要求1-8任一所述的自提水单向吸收净化***进行废气处理的方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，待处理废气的相对湿度为90％RH～100％RH。
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