多通道净化回收复合式有机废气处理系统设计

陈贵生 倪学明 林冠堂

摘要：生產生活过程产生的有机废气通常为成分复杂的有毒、有害、易燃、易爆气体，对人类身体健康和生态环境造成危害，需得到有效治理。由于固态颗粒和水蒸气的影响，传统的有机废气吸附回收方式容易堵塞吸附孔或吸附体，降低了废气处理效率，提高了系统维护成本。设计了一种多通道净化回收复合式有机废气处理系统，采用旋风分离、碱液清洗、低温除湿、吸附过滤净化方式，可对有机废气中固态颗粒、酸性气体、水溶性有机气体、水蒸气和非水溶性有机气体进行逐级过滤，有效提升净化效果。低温装置通过吸热翅片、半导体制冷片、吸热块和散热块的组合可实现有机废气吸附前的充分除湿。吸附系统中设置双套净化回收通道，使两个净化床进行周期性废气吸附和自清洗，可有效提高有机废气的吸附效率和设备自动化管理水平。将该系统应用于动物研究实验室废气处理，主要成分甲醛有效去除率达到82.3%，浓度降至0.178 mg/m3以下，符合环境空气质量标准。

关键词：废气;回收;分离;系统

中图分类号：X742             文献标志码：A        文章编号：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

随着工业化进程的不断推进，人类生活便利性得到提高，但同时也造成了环境污染。部分企业生产过程中产生的有机废气，大多没有经过处理而直接排放到大气中，造成空气污染，进一步影响人们生产生活。尤其是随着石化行业的快速发展，有机废气逐步成为一类典型的大气污染种类。有机废气通常为有毒、不易溶解、易燃易爆的气体或化合物，一般通过化合物合成、喷涂、燃烧等过程产生，主要包括烃类、苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸等[1-3]。有机废气容易形成光化学烟雾、酸雨等，危害生态环境，破坏建筑安全性能，影响人类生存环境[4-5]。随着环保、节能、减排、增效理念越来越得到重视，有机废气的及时处理势在必行[6-7]。目前常用的废气回收方式大多为燃烧、直接吸附回收、直接净化的方式[8-11]，其中直接吸附回收是常用处理手段，由于废气中一般都存在颗粒固体以及水分，在吸附时颗粒固体容易将吸附体堵塞，水分也会堵塞吸附孔，从而影响对有机废气的吸附效率，同时也会造成吸附体用量增大，造成浪费，提高了废气处理成本。

本文设计了一种有机废气的净化回收装置，该净化回收装置采用多级处理方式和多个净化回收通道，根据各处理模块串联和并联的合理组合，使有机气体吸附前有效减少废气中固态颗粒及水分含量，通过多个吸附与自清理通道同步运行提高了吸附材料的有效利用率，减少设备维护时间，降低维护成本。

1 净化回收流程

采用多级净化回收方式进行有机废气处理，净化回收流程如图1所示。首先通过旋风分离技术对气体和颗粒进行分离，去除气体内的固态颗粒;分离后的气体再通入碱性容器，通过与碱性容器中熟石灰溶液反应去除酸性气体及易溶于水的有机酮、胺、醇、醚等有机气体;碱性容器出来的废气中还有水分和难溶于水的有机气体，将其通过低温装置去除水分;随后，废气中主要难溶于水的有机物再由吸附系统进行吸收，吸附后得到净化气，完成整个废气处理过程。上述分级处理过程可以有效提高吸附床的使用效果。

2 旋风除尘

旋风分离器是一种应用广泛的低成本高效工业除尘装置[12-13]。根据其基本工作原理，设计出一种简易型旋风分离器用于分离出有机废气中的固态颗粒，其结构如图2所示，包括内壳体和外壳体两部分。内壳体结构从上至下依次为圆柱段、锥形段和管状段，管状段下端开口处装有过滤网;圆柱段外表面上端部设有进气孔，进气孔与进气管道连接，内壳体圆柱段中下部及锥形段设有分离孔，用于固态颗粒排出。外壳体为圆柱状，上底板和下底板分别与内壳体圆柱段的上端、锥形段的下端密封连接。外壳体下底板开设有出渣孔，出渣孔与排渣阀门连接，用于清理旋风分离器。

工作时关闭旋风分离器排渣阀门，将废气从进气管道导入内壳体，由于进气管道的角度倾斜朝上，废气进入圆柱段后将紧贴圆柱段内侧面旋转，同时具有一个向下移动的速度;固体颗粒围绕内壳体圆柱段旋转，经过分离孔时在离心力作用下被甩进外壳体与内壳体之间空隙。固体颗粒在旋转时受阻力，速度会衰减，内壳体下部的锥形段壳保持其仍然可以被离心力甩出内壳体。此外，管状段出口处的过滤网也可进一步减少废气中的固态颗粒。将排渣阀门打开可清理内壳体与外壳体之间的固态颗粒，对旋风分离器进行清理。

3 低温除湿

低温除湿装置结构如图3所示，除湿过程在壳体内部进行，壳体两端分别有进气孔和出气孔，内部设有多组吸热器，壳体下部设有流水槽。旋风分离后的废气通过进气孔进入除湿装置，通过与吸热器上的吸热翅片充分接触进行热交换降温，使水蒸气冷凝成水，进入流水槽。为提高水分冷凝效果，壳体内部并排设置了多组吸热器。吸热翅片将废气中的热量吸收并通过传热铜管传递给中间集热块，中间集热块采用导热系数高的金属将热量传递给半导体制冷片。半导体制冷片制热端与水循环吸热块接触，并将热量传递给水循环吸热块，在外部水泵作用下将水循环吸热块将热量带到水循环散热块，进而对外释放热量，维持内部低温状态。

水循环吸热块、水循环散热块由设置有流槽的上下金属壳体拼接而成，为提高传热效率，流槽中部呈波浪形设置，以提高传热面积。此外，水循环散热块上方设置多个散热风扇进一步加快设备散热。

4 有机废气吸附与过滤

4.1 吸附过滤通道结构

吸附系统包括废气吸附和废气回收两个功能，采用多通道方式实现。吸附过滤和回收通道原理如图4所示，该过程采用两个吸附床进行低温除湿后难溶于水有机成分的吸附，形成两条吸附过滤通道。第一条吸附过滤通道为：吸附系统入口通过管道依次与第一阀门3、第一吸附床4、第三阀门6、进而连至第一风机7;第二条吸附过滤通道为：吸附系统入口通过管道依次与第二阀门2、第二吸附床18、第四阀门9、进而连至第一风机7。两个通道为并行结构设计，均由第一风机提供气体流动动力，阀门为电磁阀，通过控制阀门的通断可进行通道选择。第一温度计5和第二温度计19用于对吸附床工作状态进行监测。

4.2 回收通道结构

回收通道用于吸附床的反向清洗与废气回收，系统设置有两个回收通道，其结构原理如图4所示。第一条回收通道结构为：第二风机13通过管道依次与第一加热器12、第二加热器11、第五阀门8、第一吸附床4、第七閥门1、第一冷凝器16、第二冷凝器15连接，最后进入收集容器14内，其中第一吸附床4反向连接。第二条回收通道结构为：第二风机13通过管道依次与第一加热器12、第二加热器11、第六阀门10、第二吸附床18、第八阀门17、第一冷凝器16、第二冷凝器15连接，最后进入收集容器14内，其中第二吸附床18反向连接。

4.3 吸附过滤和回收流程

通过设置两条吸附过滤通道以及两条回收通道使废气在其中一条吸附过滤通道过滤吸附时，另一条吸附过滤通道可以对吸附床进行反洗，使吸附的废气释放，经冷凝后在收集容器14中回收。

吸附过滤和回收同步进行的操作流程如下：打开第一阀门3和第三阀门6，并使其他吸附通道阀门关闭，此时第一吸附过滤通道打开，废气流经第一吸附床4，然后被第一风机7排出;当第一吸附床4吸附一定量时，打开第二阀门2、第四阀门9、第五阀门8、第七阀门1，同时关闭其他吸附通道阀门。此时第二吸附过滤通道打开，同时第一回收通道打开;废气流经第二吸附床18、然后被第一风机7排出;其次，第二风机13将清洗气源中纯氮气等气体排入第一加热器12、第二加热器11使清洗气体逐步被加热，然后反向流经第一吸附床4;第一吸附床4原吸收的气体在清洗气体的带动下被加热释放，流向第一冷凝器16和第二冷凝器15，在冷凝器内冷却，随后被收集容器18收集。运行一定时间后，当第二吸附床18吸收量达到一定时，打开第一阀门3、第三阀门6、第六阀门10、第八阀门17，同时关闭其他阀门，此时第一条吸附过滤通道打开、第二条回收通道打开。长时间工作时，两组吸附过滤通道和回收通道可交替循环运行，提高运作效率。通过温度计测量吸附床的温度，用于控制反洗气体的温度。

4.4 吸附过滤控制原理

吸附过滤单元电气控制原理如图5所示。非自锁按钮开关 K1和 K2分别与中间继电器 J1和 J2通过电气自锁方式实现交流接触器 J7和 J8的通断，继而控制第一风机 M1和第二风机 M2在三相电压下工作，为气体流动提供动力，非自锁按钮开关 K2和 K4用于控制风机关闭，风机工作状态通过指示灯 L1和 L2进行指示。

通过旋钮开关 K5控制中间继电器 J3线圈电流通断，实现对第一吸附床和第二吸附床工作状态切换，其中 KV1和 KV3分别对应图4中第一阀门和第三阀门，用于控制第一吸附过滤通道的通断，KV6和KV8分别对应第六阀门和第八阀门，用于控制第二回收通道的通断， KV2和 KV4分别对应图4中第二阀门和第四阀门，用于控制第二吸附过滤通道的通断，KV5和KV7分别对应第五阀门和第七阀门，用于控制第一回收通道的通断。旋钮开关 K5用于实现各通道工作状态的切换，K5闭合时第一吸附过滤通道和第二回收通道开始工作，K5断开时第二吸附过滤通道和第二回收通道开始工作。

中间制继电器 J5用于控制第一加热器和第二加热器工作，中间继电器 J6用于控制第一冷凝器和第二冷凝器工作，自锁式按钮开关 K7和 K8通过分别控制 J5和 J6通断，进一步控制加热器和冷凝器工作，并分别通过指示灯 L5和L6指示加热冷凝工作状态。

5 应用效果

将多通道净化回收复合式有机废气处理系统应用于某高等学校药学院动物研究实验室废气处理，该实验室排放的气体主要包含有机废气、氨、硫化氢等，其中有机废气主要成分为甲醛。系统应用后经第三方检测机构现场空气质量监测，结果如下：该实验室排风口最大风量为734 m3/h ，进入废气处理系统旋风分离之前的甲醛最大浓度为1.008 mg/m3，系统出风口监测到的最大浓度为0.178 mg/m3，去除效率为82.3%。参考工业废气和环境空气质量标准 GB/T 15516—1995《空气质量甲醛的测定乙酰丙酮分光光度法》[14]，空气中甲醛浓度应不高于0.5 mg/m3。应用该系统后废气处理结果符合环境空气标准要求。

6 结束语

有机废气中通常含有固态颗粒、水蒸气、水溶性有机体、非水溶性有机体等物质，成分复杂，传统方式通过单一的处理流程对有机废气进行处理往往较难达到经济、有效的作用。通过旋风分离、碱液清洗、低温除湿、吸附床净化过滤等多种处理方式的合理搭配有针对性地对各种成分进行分类过滤，可达到有机废气分类逐级进化目的。在吸附系统中通过设置双通道净化回收通道使净化床循环进行过滤和自清洗，可使系统长时间不间断运行，有效提高有机废气的吸附效率和设备自动化管理水平，降低吸附系统的时间维护成本。该系统应用于动物研究实验室有机废气处理，可使排放气体中主要挥发性有机成分甲醛的浓度降低到达到环境空气质量标准，净化效果明显。

参考文献：

[1]陈贵生，倪学明， 邝家其， 等.一种有机废气的净化回收装置： CN210674766U [P].2020-06-05.

[2]钟鑫梅.某化工生产企业废气综合治理工程设计[J].河南化工， 2021，38（6）：52-53.

[3]尉苗军.有机废气处理的主要方法探究[J].科技与创新，2021（10）：46-47.

[4]蔡紫昊，严洋.化工企业废气污染治理現状与环保建议[J].资源节约与环保，2021（8）：93-94.

[5]胡晶莹.石化行业挥发性有机废气治理技术现状和展望[J].石油化工技术与经济，2021，37（4）：58-62.

[6]黄炳潮.TOHR有机废气处理及热回收装置在涂布生产线上的应用[J].机电工程技术，2010，39（10）：86-88.

[7]刘玥垠.精细化工行业有机废气的治理措施[J].化工管理，2021（20）：16-17.

[8]宋晓慧.有机废气治理技术的研究[J].皮革制作与环保科技， 2021，2（9）：89-90.

[9]王涛， 马骏， 张赛丹.浅谈多功能串联高温烟气除尘化学装置[J].清洗世界，2021，37（8）：153-154.

[10]陈朔.工业有机废气污染治理技术的应用和发展[J].资源再生，2021（6）：53-55.

[11]刘燕.大气环境中挥发性有机废气治理技术分析[J].节能与环保，2020（9）：39-40.

[12]孙亚权，冯静安，王卫兵，等.新型高效低阻旋风分离器流场的数值分析[J].计算机仿真，2020，37（11）：236-240.

[13]周春来.旋风分离器减阻增效优化改造实验研究[D].兰州：兰州大学，2020.

[14] GB/T 15516—1995，空气质量甲醛的测定乙酰丙酮分光光度法[S].

第一作者简介：陈贵生（1982-），男，工程师，研究领域为生物制药、医疗器械、动物房、电子精细化工等。

（编辑：刁少华）