一种高浓度水溶性VOCs预处理方法

摘要

本发明公开了一种高浓度水溶性VOCs预处理方法，属于VOCs处理技术领域，该方法基于依次连接的混风箱、冷凝器、储液罐和风机实现；混风箱内设有加热器、供湿管，供湿管上安装有喷头；混风箱还连接有用于检测其内部温度的温度传感器，供湿管位于混风箱外部的侧壁上还安装有加湿控制阀；在风机的作用下，高浓度水溶性VOCs进入混风箱，同时对混风箱进行加热和加湿处理，形成具有预设温度的加湿介质与水溶性VOCs的混合气体；经冷凝器冷凝后，混合气体中的加湿介质及部分水溶性VOCs被冷凝为冷凝液并排入储液罐，其余气体则构成低浓度水溶性VOCs并排出。本发明结构简单且设计合理，能够在降水溶性VOCs从高浓度预处理到低浓度的过程中，有效降低冷凝温度以及用水量。

权利要求

1.一种高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：所述方法基于依次连接的混风箱、冷凝器、储液罐和风机实现；所述混风箱的侧壁下部、上部分别开设有废气进口、废气排口，所述混风箱的内部下侧、上侧分别设置有加热器、供湿管，所述供湿管位于所述混风箱内部的侧壁上还安装有喷头；所述冷凝器的进气口通过管路与所述废气排口相连接，所述冷凝器的排气口通过管路与所述储液罐的进气口相连接，所述储液罐的排气口通过管路与所述风机相连接；所述混风箱还连接有用于检测其内部温度的温度传感器，所述供湿管位于所述混风箱外部的侧壁上还安装有加湿控制阀；

所述方法包括以下步骤：

启动风机，在风机的作用下，高浓度水溶性VOCs进入混风箱，同时对混风箱进行加热和加湿处理，形成具有预设温度的加湿介质与水溶性VOCs的混合气体；

所述混合气体通过管路进入冷凝器，在冷凝器中通入的冷媒的作用下，混合气体中的加湿介质及部分水溶性VOCs被冷凝为冷凝液并排入储液罐，其余气体则构成低浓度水溶性VOCs，并在风机的作用下排出；

其中，所述水溶性VOCs为丙酮，所述加湿介质为蒸汽，从所述风机中排出的丙酮的浓度3

为10g/m，排气温度为‑5℃，通入混风箱中的蒸汽的加湿速率通过以下步骤获得：首先根据拉乌尔定律，计算得到冷凝器所排出的冷凝液中丙酮以及水的质量占比；

再通过测定丙酮通入至所述混风箱的进气浓度和进气速率、以及丙酮从所述风机中排出时的排气浓度和排气速率，计算得到丙酮在冷凝器中的冷凝速率；

然后再根据冷凝液中丙酮以及水的质量占比，计算出冷凝液中蒸汽的冷凝速率；冷凝器中蒸汽的冷凝速率即为通入混风箱中的蒸汽的加湿速率。

2.根据权利要求1所述的高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：所述加热器为蒸汽加热器。

3.根据权利要求1所述的高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：所述供湿管传递的加湿介质为蒸汽。

4.根据权利要求1所述的高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：所述冷凝器中用于冷却废气的冷媒为水，所述冷凝器的冷媒进口连接有冷媒控制阀。

5.根据权利要求1所述的高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：所述混风箱的外壁上包覆有保温层。

6.根据权利要求1所述的高浓度水溶性VOCs预处理方法，其特征在于：混风箱的加热温度为80℃。

说明书

一种高浓度水溶性VOCs预处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及VOCs处理技术领域，特别涉及一种高浓度水溶性VOCs预处理方法。

背景技术

[0002] 随着我国经济的不断发展和产业结构的深度调整，清洁生产已经成为一种深入人心的发展理念。我们看到，近几年我国在不断加大环境整治，特别是工业废气的整治和投入力度，并取得了显著的成果。

[0003] 工业生产中涉及大量水溶性有机溶剂，例如乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃等。在制药、精细化工上都有非常广泛的应用。

[0004] 以丙酮举例，在精细化工领域，真空泵的排气口处，丙酮废气的浓度接近饱和浓3
度，丙酮废气在30℃环境下的饱和浓度约为878g/m（体积浓度37.5%，根据安托尼公式计算
3
所得)。而一般的废气治理系统仅能治理浓度在10g/m 以下的物质，如RTO（Regenerative 
3
Thermal Oxidizer，蓄热式热力焚化炉），其建议处理的浓度则在5g/m以下，对于活性炭吸
3
附‑蒸汽脱附‑冷凝系统，其所能处理的有机废气浓度通常在3g/m以下，因此实际应用时需
3
要把高浓度的丙酮降低到10g/m以下。

[0005] 基于以上原因，用于对高浓度水溶性有机溶剂进行预处理以降低其浓度的设备及工艺，具有良好的应用前景。

[0006] 现有技术中，为将高浓度的丙酮降低到10g/m3以下，最常见的有以下两种路径：一是将丙酮废气冷凝到‑46.7℃以下（根据安托尼公式计算所得）；二是使用大量的水进行喷淋吸收。

[0007] 但是，上述的路径一存在的问题是冷凝温度较低，导致运行投资成本较高，且实际运行难度较大（进气口处的丙酮废气浓度发生波动时易导致结霜）。

[0008] 路径二存在的问题是耗水量大。30℃环境下，根据拉乌尔定律，如要使真空泵排口3
的丙酮废气浓度控制在10g/m以下，则喷淋液的浓度需要控制在1.145%（摩尔比）以下。

[0009] 其中，气相溶解到液相的速率与Δc正相关，Δc计算公式为：Δc=C‑C0，C表示喷淋液的实际摩尔浓度，C0表示喷淋液的饱和浓度，在30℃环境下，丙酮的蒸汽压在429pa（10g/3
m）时，C0为1.145%（摩尔比）。

[0010] 实际工程中，由于丙酮废气与喷淋液之间的接触时间极短，所以需要控制Δc/C0>0.5，则导致耗水量增加。

发明内容

[0011] 针对现有技术存在的高浓度水溶性VOCs进行低浓度预处理过程中存在着耗能或耗水严重的问题，本发明的目的在于提供一种高浓度水溶性VOCs预处理方法，以便于至少部分地解决上述问题。

[0012] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：

[0013] 第一方面，本发明提供一种高浓度水溶性VOCs预处理方法，所述方法基于依次连接的混风箱、冷凝器、储液罐和风机实现；所述混风箱的侧壁下部、上部分别开设有废气进口、废气排口，所述混风箱的内部下侧、上侧分别设置有加热器、供湿管，所述供湿管位于所述混风箱内部的侧壁上还安装有喷头；所述冷凝器的进气口通过管路与所述废气排口相连接，所述冷凝器的排气口通过管路与所述储液罐的进气口相连接，所述储液罐的排气口通过管路与所述风机相连接；所述混风箱还连接有用于检测其内部温度的温度传感器，所述供湿管位于所述混风箱外部的侧壁上还安装有加湿控制阀；

[0014] 所述方法包括以下步骤：

[0015] 启动风机，在风机的作用下，高浓度水溶性VOCs进入混风箱，同时对混风箱进行加热和加湿处理，形成具有预设温度的加湿介质与水溶性VOCs的混合气体；

[0016] 所述混合气体通过管路进入冷凝器，在冷凝器中通入的冷媒的作用下，混合气体中的加湿介质及部分水溶性VOCs被冷凝为冷凝液并排入储液罐，其余气体则构成低浓度水溶性VOCs，并在风机的作用下排出。

[0017] 在一优选实施例中，所述加热器为蒸汽加热器。

[0018] 在一优选实施例中，所述供湿管传递的加湿介质为蒸汽或水。

[0019] 在一优选实施例中，所述冷凝器中用于冷却废气的冷媒为水，所述冷凝器的冷媒进口连接有冷媒控制阀。

[0020] 在一优选实施例中，所述混风箱的外壁上包覆有保温层。

[0021] 在一优选实施例中，所述水溶性VOCs为丙酮，所述加湿介质为蒸汽。

[0022] 在一优选实施例中，从所述风机中排出的丙酮的浓度为10g/m3，排气温度为‑5℃。

[0023] 在一优选实施例中，通入混风箱中的蒸汽的加湿速率通过以下步骤获得：

[0024] 首先根据拉乌尔定律，计算得到冷凝器所排出的冷凝液中丙酮以及水的质量占比；

[0025] 再通过测定丙酮通入至所述混风箱的进气浓度和进气速率、以及丙酮从所述风机中排出时的排气浓度和排气速率，计算得到丙酮在冷凝器中的冷凝速率；

[0026] 然后再根据冷凝液中丙酮以及水的质量占比，计算出冷凝液中蒸汽的冷凝速率；冷凝器中蒸汽的冷凝速率即为通入混风箱中的蒸汽的加湿速率。

[0027] 在一优选实施例中，混风箱的加热温度为80℃。

[0028] 采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：本发明通过混风箱及其上加热器和供湿管的设置，使得高浓度水溶性VOCs通入到混风箱中后，能够的加热和加湿处理，然后高热高湿的蒸汽与高浓度水溶性VOCs的混合气经冷凝器冷凝，其中的蒸汽与一部分高浓度水溶性VOCs被冷却并以冷凝液的形式排出，混合气中的另一部分水溶性VOCs则以低浓度形式排出，从而完成高浓度水溶性VOCs到低浓度水溶性VOCs的预处理过程。相比于现有技术，本发明能够有效降低对冷凝温度以及用水量的要求。

附图说明

[0029] 图1为本发明中高浓度水溶性VOCs预处理方法的工艺流程示意图。

[0030] 图中:1‑混风箱、2‑加热器、3‑温度传感器、4‑供湿管、5‑喷头、6‑加湿控制阀、7‑冷凝器、8‑储液罐、9‑风机、11‑废气进口、12‑废气排口。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0033] 对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

[0034] 另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0035] 实施例

[0036] 如图1所示，本发明实施例首先提供一种高浓度水溶性VOCs预处理系统，包括混风箱1、冷凝器7、储液罐8和风机9。

[0037] 混风箱1呈封闭式壳状构造并立式布置，混风箱1外表面包覆有保温层（图中未示出），混风箱1的底部（也可以是下部）开设有废气进口11，混风箱1的上部（也可以是顶部）开设有废气排口12。

[0038] 混风箱1配置有用于对其内部的下侧位置进行加热的加热器2，即废气进口11通入废气（高浓度水溶性VOCs）后，便接受加热器2的加热。本实施例中，加热器2配置为蒸汽加热器，其包括位于混风箱1内部下侧位置的加热盘管，该加热盘管的两端分别连接在混风箱1侧壁上开设有蒸汽进口和蒸汽排口上，其中蒸汽排口也用于排出蒸汽冷凝液。混风箱1的顶部还安装有用于检测其内部温度的温度传感器3。

[0039] 混风箱1的上部位置还穿设有供湿管4，供湿管4位于混风箱1内部的侧壁上安装有喷头5，喷头5有若干个并沿供湿管4的长度方向依次间隔布置，并且喷头5均朝下喷淋加湿介质。供湿管4位于混风箱1外部的侧壁上固定安装有加湿控制阀6，通过该加湿控制阀6能够调控通入混风箱1内的加湿介质的速率。本实施例中，加湿介质配置为蒸汽，如此使得加热和加湿两个功能可以共用蒸汽源，另外加湿的过程也能够进行加热，从而使废气加热更加均匀。当然在其他优选实施例中，加湿介质还可以是水，例如是高温水，其通过喷头5以水雾的形式被加入到混风箱1中。

[0040] 如此，通过混风箱1及加热器2和供湿管4的设置，使得废气（高浓度水溶性VOCs）通入混风箱1后，一方面与蒸汽进行混合，另一方面能够被加热到设定的温度，从而降低高浓度水溶性VOCs在混合气中的占比。

[0041] 冷凝器7上具有冷媒进口、冷媒排口、混合气进口和排气口，其中，混合气进口通过管路与混风箱1的废气排口相连接，使得具有设定温度的高浓度水溶性VOCs与蒸汽的混合气沿该管路通入到冷凝器7中。冷凝器7中用于冷却废气的冷媒配置为水，冷凝器7的冷媒进口通常连接有冷媒控制阀（图中未示出），通入冷凝器7的混合气在冷媒的冷却作用下，其中的蒸汽与一部分高浓度水溶性VOCs被冷却，并以冷凝液的形式排出，容易理解的是，混合气中的水溶性VOCs并不会完全冷凝，因此有一部分是以低浓度水溶性VOCs废气的形式排出，而在本实施例中，该部分低浓度水溶性VOCs废气与冷凝液均从排气口中排出。

[0042] 储液罐8的上部一侧开设有进气口，该进气口通过管路与冷凝器7的排气口相连接；储液罐8的上部另一侧开设有排气口，该排气口则通过管路与风机9的进气端相连接。储液罐8的下部则开设有冷凝液排口，从冷凝器7中排出的低浓度水溶性VOCs废气与冷凝液进入到储液罐8中后，其中的低浓度水溶性VOCs废气则被风机9吸走，而冷凝液则从冷凝液排口流出。

[0043] 本发明实施例还提供一种高浓度水溶性VOCs预处理方法，该方法应用于上述的系统，该系统用于将高浓度水溶性VOCs处理成低浓度水溶性VOCs，该方法包括以下步骤：

[0044] 启动风机，在风机的作用下，高浓度水溶性VOCs进入混风箱，同时对混风箱进行加热和加湿处理，形成具有预设温度的加湿介质与水溶性VOCs的混合气体；

[0045] 混合气体在风机的作用下通过管路进入冷凝器，在冷凝器中通入的冷媒的冷却作用下，混合气体中的加湿介质及部分水溶性VOCs被冷凝为冷凝液并排入储液罐，其余气体则构成低浓度水溶性VOCs，并在风机的作用下排出系统。

[0046] 本实施例中，配置水溶性VOCs为丙酮，加湿介质为蒸汽，混风箱的加热温度为803
℃，从系统中排出的丙酮的浓度为10g/m，排气温度为‑5℃，排气温度可通过调控冷媒的温度和流量实现。则通入混风箱中的蒸汽的加湿速率则通过以下步骤获得：

[0047] 首先，根据拉乌尔定律，计算得到冷凝器所排出的冷凝液中丙酮以及水的质量占比。

[0048] 拉乌尔定律：

[0049] P = p0 × nA / ( nA + nB )

[0050] nA / ( nA + nB ) = P /p0

[0051] 其中，P为液面上丙酮的蒸气压429pa（10g/m3），P0为纯丙酮溶液的蒸气压 (7022pa)，nA为丙酮的物质的量，nB为水的物质的量。

[0052] 则经过计算可知，nA / ( nA + nB ) = 6.1%，换算成质量后，则丙酮在冷凝液中的质量占比为17.3%，而水在冷凝液中的质量占比则为82.7%。

[0053] 其次，再通过测定丙酮通入至系统的进气浓度和进气速率、以及丙酮从系统中排出时的排气浓度和排气速率，计算得到丙酮在冷凝器中的冷凝速率。

[0054] 容易理解的是，当测定出丙酮通入至系统的进气浓度和进气速率后，即可知晓单位时间内丙酮输入至系统中的输入总量；同理，当知晓丙酮从系统中排出时的排气浓度和排气速率后，即可知晓单位时间内丙酮从系统中排出的排出总量。而丙酮的输入总量与排出总量之间的差值，即丙酮的减少量，是以冷凝液的形式排出系统的，即可以知晓丙酮在冷凝器中的冷凝速率，即单位时间内丙酮被冷凝的冷凝量。

[0055] 再次，根据冷凝液中丙酮以及水的质量占比，以及丙酮在冷凝器中的冷凝速率后，即可计算出冷凝液中蒸汽的冷凝速率。

[0056] 另外，在排气温度为‑5℃时，系统的排气中的含水量也是可知的，因为含水量与温度之间具有固定的对应关系。对于供湿管来说，其提供的加湿用的蒸汽，一方面已冷凝液的形式排出系统，另一方面随着废气排出系统，在知晓冷凝器中蒸汽的冷凝速率以及排气的速率和含水量的情况下，两者相加即为通入混风箱中的蒸汽的加湿速率。

[0057] 例如本实施例中，丙酮的进气速率为200m3/h、进气浓度为100g/ m3，即丙酮的输入3
总量为20Kg/h；丙酮的排气浓度要求为10 g/ m，丙酮的排出总量要求为2Kg/h，排气温度
3
为‑5℃，经温度矫正后的排气速率则为169 m/h，排气中的含水量为4Kg/h。经过计算，混风箱中的供湿管按照90kg/h的恒定速率通入蒸汽，使其与高浓度的丙酮废气充分混合，并维持混风箱的温度在80℃，此时混合气中的含水率在35.6%（体积占比），然后通入冷凝器中，冷凝器使用的冷媒为‑10℃的水，保持排气温度‑5℃时，即可实现系统排气处的丙酮浓度在
3
10 g/ m的要求，此时冷凝液排出速率为104Kg/h。

[0058] 以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。