一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统技术方案

本发明专利技术公开了一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，包括制冷系统、一级预冷系统、二级预冷除霜系统、VOCs主换热系统四个部分。综合利用流程冷量使常温中压的循环制冷工质液化，并节流膨胀达到深冷低温后与含VOCs气体换热，使其中VOCs组分冷凝并排出。换热后得到的低温低VOCs含量的废气再返流通至一级预冷系统、二级预冷除霜系统，利用冷量对输入气体进行分级预冷。经处理后的含VOCs气体符合国家规定的排放标准，可以直接排入大气。这种方法与传统的冷凝法相比，可以通过对VOCs中不同组分的分级冷却，大大提高能量利用效率，高效稳定低成本。同时方法的使用不受来源气体的组分、浓度限制，适应范围更广，运行稳定性较高。

A VOCs Classified Cryogenic Recovery System with Throttle Expansion Refrigeration

The invention discloses a VOCs graded cryogenic recovery system for throttle expansion refrigeration, which comprises four parts: refrigeration system, first-stage pre-cooling system, second-stage pre-cooling defrosting system and VOCs main heat exchange system. The refrigerant is liquefied at room temperature and medium pressure by comprehensive utilization of process cooling capacity. After throttling expansion reaches deep cooling and low temperature, it exchanges heat with VOCs-containing gas, condensates and discharges VOCs components. The exhaust gas with low VOCs content and low temperature after heat transfer is recirculated to the primary pre-cooling system and the secondary pre-cooling defrosting system, and the input gas is pre-cooled by stages using the cooling capacity. After treatment, VOCs-containing gases meet the national emission standards and can be directly discharged into the atmosphere. Compared with the traditional condensation method, this method can greatly improve energy efficiency, high efficiency, stability and low cost by cooling different components of VOCs. At the same time, the use of the method is not limited by the composition and concentration of the source gas, and has a wider scope of application and higher operational stability.

【技术实现步骤摘要】
一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统
本专利技术属于挥发性有机气体净化分离领域，具体涉及一种高效、稳定、低成本的多级分离及回收挥发性有机气体的VOCs分级深冷回收系统。
技术介绍
VOCs指的是挥发性有机气体(VolatileOrganicCompounds)，是生活生产过程中十分常见的有害废气源，会对人体健康和生态环境产生不可忽视的影响。在工业生产的尾气排放中大都含有VOCs组分，且普遍存在浓度低、组成复杂等问题，如何节能高效地对VOCs进行处理是国家节能减排事业的重要研究方向。目前，我国使用的VOCs处理技术主要包括冷凝法、吸附法、吸收法、燃烧法、膜分离法和生物处理法等。虽然部分技术如吸附法、冷凝法、吸收法等已经得到了较为广泛的应用和发展，但仍或多或少的存在一定的局限性，比如吸附法和吸收法，虽然具有处理效果好、操作方便等优势，但所用收集介质大都存在重复使用极限，需定期更换；冷凝法虽然不受VOCs组分种类的限制，但若单纯为了提高回收率而降低冷凝温度或增加吸附次数势必造成回收成本的大大增加；燃烧法对气体组分可燃性、燃烧环境、尾气处理等均有较高要求；膜分离法和生物处理技术尚未完全成熟，且受VOCs组分等条件的限制，难以大范围推广实施。因此，面对逐渐扩大的工业生产规模、日益增加的VOCs处理需求和不断提高的生态环保要求，在传统回收处理方法的基础上，必须进行改进和优化，以提升VOCs的回收处理效率。近期公开的专利CN201812399160.6一种活性炭吸附脱附VOC有机废气处理系统、CN201812324258.5一种VOC气体吸附器二级热返回一级节能系统及方法，均对吸附法脱除VOCs技术进行了改进，从除尘分离和余热利用的角度提出了优化，但仍需对吸附介质进行控制；CN201812399234.6一种VOC有机废气处理设备，结合了等离子技术和喷淋吸收技术，大大提升了脱除效果，但后期仍需进行废液处理和VOCs回收；CN201812337298.3一种用于催化燃烧吸附方法及装置，采用燃烧法具有较高的脱除效率，但要求VOCs组分有较高浓度；CN201812273279.9VOC生物透气净化器及净化方法，无二次污染，处理效率高，但仅能对部分VOCs组分进行脱除。以上新公开专利均在传统处理工艺的基础原理上做出了优化和创新，在一定程度上提升了VOCs处理效率。这些方法虽然原理简单，技术相较过去有了较大进步，但仍存在适用范围有限等问题，处理技术仍有很大优化空间。本专利技术为满足工业上大规模连续生产过程的废气处理需要，在降低回收成本的同时提高回收效率，基于VOCs冷凝收集原理，提出了以节流膨胀工艺达到深冷低温来分级深度冷却VOCs进行分离回收的方法。本专利技术与申请者前期已授权的专利技术专利(CN201512068202.4一种高效低成本的VOC回收系统及方法)相比提出了许多创新点：前者使用的是液氮直接膨胀完成深冷的工艺，需要由液氮罐持续输入液氮进行制冷；本专利技术利用膨胀机膨胀和膨胀阀节流膨胀后得到的气态制冷工质的冷量进行预冷，再利用节流膨胀过程达到深冷低温，可以减少压缩机膨胀机等设备的需求功率，使设备小型化，提高空间利用率，且无需持续供应冷却工质，降低系统的生产运行成本。此外，本专利技术与申请者前期已公开专利(CN128452632A一种利用空气深冷的VOCs回收系统)也具有较大差别，与前者相比，本专利技术提出的分级冷却的流程设计，可以大大提高能源利用率，减少过程回收成本。本专利技术克服了现有冷凝收集技术存在的一些缺陷和问题，并在原理、流程、设备及操作方法提出了较大的创新，提高了系统运行的稳定性和高效性，且深冷低温冷凝过程可以对大多数种类的VOCs进行冷凝脱除，适用范围较广。
技术实现思路
上述
技术介绍
中已经对本专利技术与现有技术进行了比较。针对现有技术中存在的不足，本专利技术目的是设计一种高效稳定低成本的VOCs分级深冷回收系统及方法。其制冷原理是利用两台压缩机分别压缩得到高压工质，一部分用于直接膨胀预冷，一部分用于在预冷后节流膨胀得到深冷低温：二号压缩机将制冷工质先压缩升温，经水冷后降温至20℃左右，进入冷箱内的二号预冷换热器进行预冷降温，后由膨胀机膨胀得到低温低压气态制冷工质，返回二号预冷换热器内向换热过程提供冷量；换热后的低压常温制冷工质经三号压缩机初步压缩后通入二号储罐，控制流量后进入二号压缩机再次循环。一号压缩机将制冷工质先压缩升温，经水冷和预冷换热后降温至12℃左右，进入冷箱内的二号预冷换热器进行预冷降温，降温后的低温高压液态制冷工质经膨胀阀节流膨胀得到低温低压气态制冷工质，返回二号预冷换热器内向换热过程提供冷量，液态制冷工质进入主换热器与含VOCs气体进行换热；主换热器出口的低温气态制冷工质进入一号预冷换热器，利用剩余冷量对制冷工质进行预冷，预冷换热后的常温制冷工质和节流膨胀并换热后的气态制冷工质在混合器内汇合通入一号储罐，控制流量后进入一号压缩机再次开始制冷循环。含VOCs气体在主换热器内与液态制冷工质换热，可被深度冷却达到较低温度，使其中的VOCs组分冷凝分离。换热并气液分离后得到的低温气体再返流通至一级预冷系统和二级预冷除霜系统，利用冷量对新输入的含VOCs气体进行分级预冷。经处理后的含VOCs气体符合国家规定的排放标准，可以直接排入大气。这种方法与传统的冷凝法相比，可以通过对含VOCs气体中不同组分的分级冷却，大大提高能量利用效率；利用膨胀机膨胀和膨胀阀节流膨胀后得到的气态制冷工质的冷量进行预冷，再利用节流膨胀过程达到深冷低温，减少压缩机膨胀机等设备的需求功率，提高空间利用率，降低生产和运行成本；同时方法的使用不受来源气体的浓度、组分限制，适应范围更广，运行稳定性较高。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，包括制冷系统、一级预冷系统、二级预冷除霜系统、VOCs主换热系统、冷箱。其中，一级预冷系统、二级预冷除霜系统和VOCs主换热系统由一股VOCs气体通道依次连接，气流冷却脱除VOCs后利用自身冷量对新输入气流进行预冷。所述制冷系统包括的一号压缩机、一号冷却器、一号预冷换热器、二号预冷换热器、膨胀阀、一号气液分离器、混合器、一号储罐、二号压缩机、二号冷却器、膨胀机、三号压缩机、二号储罐及相应的管道阀门和监测仪表等附属装置。一号压缩机和二号压缩机用于使制冷工质升温升压；一号冷却器和二号冷却器用于使高温制冷工质放热冷却至常温；一号预冷换热器利用主换热器出口的低温制冷工质冷量进行预冷；二号预冷换热器利用膨胀机出口和膨胀阀节流膨胀后的气态制冷工质冷量对两股高压常温制冷工质进行预冷；膨胀阀用于使预冷后的低温高压液态制冷工质节流膨胀达到所需深冷低温；一号气液分离器用于使节流膨胀后的低温低压混合态制冷工质气液分离，气态用于预冷制冷工质，液态用于深冷VOCs组分；膨胀机用于使制冷工质膨胀降温提供预冷冷量；三号压缩机用于回收利用膨胀机输出的轴功并提高气流压力；混合器用于将两股制冷工质混合后输送至一号储罐；一号储罐和二号储罐用于控制系统内的循环制冷剂流通压力和流量，并设有补充工质管道，用于根据需要向系统内补充制冷工质。所述一级预冷系统包括风机、三号预冷换热器、二号气液分离器及相应的管道阀门、监测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：包含冷箱和四个子系统：制冷系统、一级预冷系统、二级预冷除霜系统、VOCs主换热系统。

【技术特征摘要】
1.一种节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：包含冷箱和四个子系统：制冷系统、一级预冷系统、二级预冷除霜系统、VOCs主换热系统。2.根据权利要求1所述的节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：所述制冷系统包含压缩机、膨胀机、冷却器、混合器、预冷换热器、膨胀阀、气液分离器、储罐。一号压缩机出口通道依次连接一号冷却器、一号预冷换热器、二号预冷换热器、膨胀阀、一号气液分离器；一号气液分离器的液体出口依次连接VOCs主换热系统中的主换热器、制冷系统的一号预冷换热器和混合器，气体出口进入二号预冷换热器后连接至混合器；混合器将两股流体混合后输送至一号储罐，由一号储罐返回一号压缩机。二号压缩机出口通道依次连接二号冷却器、二号预冷换热器、膨胀机；膨胀机出口通入二号预冷换热器后连接至三号压缩机，压缩后输送至二号储罐，由二号储罐返回二号压缩机。3.根据权利要求1所述的节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：所述制冷系统中，由膨胀机膨胀后得到的低温制冷工质和一号气液分离器气体出口的由膨胀阀节流膨胀后得到的低温制冷工质提供冷量，使一号压缩机和二号压缩机输出并由冷却器冷却至常温的高压制冷工质在二号预冷换热器内预冷降温。特别的，一号储罐和二号储罐内设置压力检测装置和流量控制装置，调控输入一号压缩机和二号压缩机的气流参数，并在系统开机和系统内气体流通压力减小时，由补充工质管道向系统内补充制冷工质。4.根据权利要求1所述的节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：所述一级预冷系统包含风机、预冷换热器、气液分离器。含VOCs气体经风机抽送后进入三号预冷换热器，与低温返流气换热后进入二号气液分离器，将气体组分中的水冷凝分离排出，其余气体输入二级预冷除霜系统；特别的，风机选型应能满足系统稳定运行所需的压降要求。5.根据权利要求1所述的节流膨胀制冷的VOCs分级深冷回收系统，其特征在于：所述二级预冷除霜系统包含两台预冷换热器，由电动阀门控制切换通气管道，保证有一台预冷换热器处于运行状态；两台预冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌祥，黄钰喆，李鑫，李文宇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32