多通道凈化回收復合式有機廢氣處理系統設計

陳貴生 倪學明 林冠堂

摘要：生產生活過程產生的有機廢氣通常為成分復雜的有毒、有害、易燃、易爆氣體，對人類身體健康和生態環境造成危害，需得到有效治理。由于固態顆粒和水蒸氣的影響，傳統的有機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，提高了系統維護成本。設計了一種多通道凈化回收復合式有機廢氣處理系統，采用旋風分離、堿液清洗、低溫除濕、吸附過濾凈化方式，可對有機廢氣中固態顆粒、酸性氣體、水溶性有機氣體、水蒸氣和非水溶性有機氣體進行逐級過濾，有效提升凈化效果。低溫裝置通過吸熱翅片、半導體制冷片、吸熱塊和散熱塊的組合可實現有機廢氣吸附前的充分除濕。吸附系統中設置雙套凈化回收通道，使兩個凈化床進行周期性廢氣吸附和自清洗，可有效提高有機廢氣的吸附效率和設備自動化管理水平。將該系統應用于動物研究實驗室廢氣處理，主要成分甲醛有效去除率達到82.3%，濃度降至0.178 mg/m3以下，符合環境空氣質量標準。

關鍵詞：廢氣;回收;分離;系統

中圖分類號：X742???? ????????文獻標志碼：A??????? 文章編號：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

隨著工業化進程的不斷推進，人類生活便利性得到提高，但同時也造成了環境污染。部分企業生產過程中產生的有機廢氣，大多沒有經過處理而直接排放到大氣中，造成空氣污染，進一步影響人們生產生活。尤其是隨著石化行業的快速發展，有機廢氣逐步成為一類典型的大氣污染種類。有機廢氣通常為有毒、不易溶解、易燃易爆的氣體或化合物，一般通過化合物合成、噴涂、燃燒等過程產生，主要包括烴類、苯系物、有機氯化物、氟里昂系列、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸等[1-3]。有機廢氣容易形成光化學煙霧、酸雨等，危害生態環境，破壞建筑安全性能，影響人類生存環境[4-5]。隨著環保、節能、減排、增效理念越來越得到重視，有機廢氣的及時處理勢在必行[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，在吸附時顆粒固體容易將吸附體堵塞，水分也會堵塞吸附孔，從而影響對有機廢氣的吸附效率，同時也會造成吸附體用量增大，造成浪費，提高了廢氣處理成本。

本文設計了一種有機廢氣的凈化回收裝置，該凈化回收裝置采用多級處理方式和多個凈化回收通道，根據各處理模塊串聯和并聯的合理組合，使有機氣體吸附前有效減少廢氣中固態顆粒及水分含量，通過多個吸附與自清理通道同步運行提高了吸附材料的有效利用率，減少設備維護時間，降低維護成本。

1 凈化回收流程

采用多級凈化回收方式進行有機廢氣處理，凈化回收流程如圖1所示。首先通過旋風分離技術對氣體和顆粒進行分離，去除氣體內的固態顆粒;分離后的氣體再通入堿性容器，通過與堿性容器中熟石灰溶液反應去除酸性氣體及易溶于水的有機酮、胺、醇、醚等有機氣體;堿性容器出來的廢氣中還有水分和難溶于水的有機氣體，將其通過低溫裝置去除水分;隨后，廢氣中主要難溶于水的有機物再由吸附系統進行吸收，吸附后得到凈化氣，完成整個廢氣處理過程。上述分級處理過程可以有效提高吸附床的使用效果。

2 旋風除塵

旋風分離器是一種應用廣泛的低成本高效工業除塵裝置[12-13]。根據其基本工作原理，設計出一種簡易型旋風分離器用于分離出有機廢氣中的固態顆粒，其結構如圖2所示，包括內殼體和外殼體兩部分。內殼體結構從上至下依次為圓柱段、錐形段和管狀段，管狀段下端開口處裝有過濾網;圓柱段外表面上端部設有進氣孔，進氣孔與進氣管道連接，內殼體圓柱段中下部及錐形段設有分離孔，用于固態顆粒排出。外殼體為圓柱狀，上底板和下底板分別與內殼體圓柱段的上端、錐形段的下端密封連接。外殼體下底板開設有出渣孔，出渣孔與排渣閥門連接，用于清理旋風分離器。

工作時關閉旋風分離器排渣閥門，將廢氣從進氣管道導入內殼體，由于進氣管道的角度傾斜朝上，廢氣進入圓柱段后將緊貼圓柱段內側面旋轉，同時具有一個向下移動的速度;固體顆粒圍繞內殼體圓柱段旋轉，經過分離孔時在離心力作用下被甩進外殼體與內殼體之間空隙。固體顆粒在旋轉時受阻力，速度會衰減，內殼體下部的錐形段殼保持其仍然可以被離心力甩出內殼體。此外，管狀段出口處的過濾網也可進一步減少廢氣中的固態顆粒。將排渣閥門打開可清理內殼體與外殼體之間的固態顆粒，對旋風分離器進行清理。

3 低溫除濕

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

水循環吸熱塊、水循環散熱塊由設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置，以提高傳熱面積。此外，水循環散熱塊上方設置多個散熱風扇進一步加快設備散熱。

4 有機廢氣吸附與過濾

4.1 吸附過濾通道結構

吸附系統包括廢氣吸附和廢氣回收兩個功能，采用多通道方式實現。吸附過濾和回收通道原理如圖4所示，該過程采用兩個吸附床進行低溫除濕后難溶于水有機成分的吸附，形成兩條吸附過濾通道。第一條吸附過濾通道為：吸附系統入口通過管道依次與第一閥門3、第一吸附床4、第三閥門6、進而連至第一風機7;第二條吸附過濾通道為：吸附系統入口通過管道依次與第二閥門2、第二吸附床18、第四閥門9、進而連至第一風機7。兩個通道為并行結構設計，均由第一風機提供氣體流動動力，閥門為電磁閥，通過控制閥門的通斷可進行通道選擇。第一溫度計5和第二溫度計19用于對吸附床工作狀態進行監測。

4.2 回收通道結構

回收通道用于吸附床的反向清洗與廢氣回收，系統設置有兩個回收通道，其結構原理如圖4所示。第一條回收通道結構為：第二風機13通過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，最后進入收集容器14內，其中第一吸附床4反向連接。第二條回收通道結構為：第二風機13通過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，最后進入收集容器14內，其中第二吸附床18反向連接。

4.3 吸附過濾和回收流程

通過設置兩條吸附過濾通道以及兩條回收通道使廢氣在其中一條吸附過濾通道過濾吸附時，另一條吸附過濾通道可以對吸附床進行反洗，使吸附的廢氣釋放，經冷凝后在收集容器14中回收。

吸附過濾和回收同步進行的操作流程如下：打開第一閥門3和第三閥門6，并使其他吸附通道閥門關閉，此時第一吸附過濾通道打開，廢氣流經第一吸附床4，然后被第一風機7排出;當第一吸附床4吸附一定量時，打開第二閥門2、第四閥門9、第五閥門8、第七閥門1，同時關閉其他吸附通道閥門。此時第二吸附過濾通道打開，同時第一回收通道打開;廢氣流經第二吸附床18、然后被第一風機7排出;其次，第二風機13將清洗氣源中純氮氣等氣體排入第一加熱器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，在冷凝器內冷卻，隨后被收集容器18收集。運行一定時間后，當第二吸附床18吸收量達到一定時，打開第一閥門3、第三閥門6、第六閥門10、第八閥門17，同時關閉其他閥門，此時第一條吸附過濾通道打開、第二條回收通道打開。長時間工作時，兩組吸附過濾通道和回收通道可交替循環運行，提高運作效率。通過溫度計測量吸附床的溫度，用于控制反洗氣體的溫度。

4.4 吸附過濾控制原理

吸附過濾單元電氣控制原理如圖5所示。非自鎖按鈕開關 K1和 K2分別與中間繼電器 J1和 J2通過電氣自鎖方式實現交流接觸器 J7和 J8的通斷，繼而控制第一風機 M1和第二風機 M2在三相電壓下工作，為氣體流動提供動力，非自鎖按鈕開關 K2和 K4用于控制風機關閉，風機工作狀態通過指示燈 L1和 L2進行指示。

通過旋鈕開關 K5控制中間繼電器 J3線圈電流通斷，實現對第一吸附床和第二吸附床工作狀態切換，其中 KV1和 KV3分別對應圖4中第一閥門和第三閥門，用于控制第一吸附過濾通道的通斷，KV6和KV8分別對應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分別對應圖4中第二閥門和第四閥門，用于控制第二吸附過濾通道的通斷，KV5和KV7分別對應第五閥門和第七閥門，用于控制第一回收通道的通斷。旋鈕開關 K5用于實現各通道工作狀態的切換，K5閉合時第一吸附過濾通道和第二回收通道開始工作，K5斷開時第二吸附過濾通道和第二回收通道開始工作。

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，自鎖式按鈕開關 K7和 K8通過分別控制 J5和 J6通斷，進一步控制加熱器和冷凝器工作，并分別通過指示燈 L5和L6指示加熱冷凝工作狀態。

5 應用效果

將多通道凈化回收復合式有機廢氣處理系統應用于某高等學校藥學院動物研究實驗室廢氣處理，該實驗室排放的氣體主要包含有機廢氣、氨、硫化氫等，其中有機廢氣主要成分為甲醛。系統應用后經第三方檢測機構現場空氣質量監測，結果如下：該實驗室排風口最大風量為734 m3/h ，進入廢氣處理系統旋風分離之前的甲醛最大濃度為1.008 mg/m3，系統出風口監測到的最大濃度為0.178 mg/m3，去除效率為82.3%。參考工業廢氣和環境空氣質量標準 GB/T 15516—1995《空氣質量甲醛的測定乙酰丙酮分光光度法》[14]，空氣中甲醛濃度應不高于0.5 mg/m3。應用該系統后廢氣處理結果符合環境空氣標準要求。

6 結束語

有機廢氣中通常含有固態顆粒、水蒸氣、水溶性有機體、非水溶性有機體等物質，成分復雜，傳統方式通過單一的處理流程對有機廢氣進行處理往往較難達到經濟、有效的作用。通過旋風分離、堿液清洗、低溫除濕、吸附床凈化過濾等多種處理方式的合理搭配有針對性地對各種成分進行分類過濾，可達到有機廢氣分類逐級進化目的。在吸附系統中通過設置雙通道凈化回收通道使凈化床循環進行過濾和自清洗，可使系統長時間不間斷運行，有效提高有機廢氣的吸附效率和設備自動化管理水平，降低吸附系統的時間維護成本。該系統應用于動物研究實驗室有機廢氣處理，可使排放氣體中主要揮發性有機成分甲醛的濃度降低到達到環境空氣質量標準，凈化效果明顯。

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第一作者簡介：陳貴生（1982-），男，工程師，研究領域為生物制藥、醫療器械、動物房、電子精細化工等。

（編輯：刁少華）