VOCs回收技术(冷凝法)

最适合高浓度废气处理工艺——冷凝法
1.工艺原理
VOCs废气中有机物是由分子大小和化学结构不同的烃类和非烃类组成的混合物，冷凝法油气回收技术的原理则是通过降温加压等手段使油蒸汽发生相变，从而让气态回到液态，完成对油气的回收处理。

所以，冷凝法处理油气的技术原理与原油加工的技术原理一致，对于油气的热物理性质、迁移特性来说，是最适宜采用的。

当冷凝温度降至－110℃时，3种油气经处理后均能满足国家标准所规定的回收率高于95％和尾气浓度小于25mg/L的要求；当冷凝温度降至－120℃时，尾气中基本不含油气。

2 制冷方法及工作原理
我们所说的不同冷凝方法，主要指取得冷负荷的不同的方法。

常用的方法主要有机械制冷、液氮制冷，运用较多的是机械制冷方法，液氮制冷方法因成本方面原因，目前运用推广速度受到影响。

其他制冷方法还有膨胀制冷、余热制冷，但VOCs的排放工况不大适应这两种方法的运行工况，因此膨胀制冷和余热制冷方法的推广受到限制。

在VOCs治理方法中还有一种称为“压缩冷凝”的方法，实际属于“机械制冷”与加压结合的方法，也由于VOCs排放工况的原因，推广难度很大。

2．1机械制冷
工作原理是热力学第二定律。

它是通过消耗机械能改变制冷剂的状态，在制冷剂循环状态变化过程，将热量从温度低的环境（或物体）传递（转换）给温度高的物体（或物质），从而使温度高的物质（如有机气体）减低温度，相态发生变化（从气态变为液态），达到将VOCs气体（如油气或其他气态有机物）变为液态，实现净化或回收的目的。

机械制冷的主要配置为“四大件”，即，制冷压缩机、蒸发器、节流器（膨胀阀或毛细管）、冷凝器（有风冷和水冷）机械制冷，也称为循环制冷，是指制冷剂循环过程制取冷负荷。

基本原理就是循环图，如下：
在VOCs治理系统（包括油气回收系统）中，“四大件”及原理示意图：
冷凝法运用，在VOCs治理系统，包括油气回收处理装置，都设计为撬装结构，四大件都集成安装在撬块上，如下图：
2.2膨胀制冷
就是利用透平膨胀机作为制冷工具，制取冷量，给VCOs治理设备（油气回收处理装置）提供冷量，完成对有机废气的净化治理和回收处理。

膨胀机的工作原理：
透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心心脏。

其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。

透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机、油等消耗。

膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。

当气体具有一定的压力和温度时。

就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。

这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低并对外输出功。

并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。

膨胀机主要的工作是在喷咀及叶轮中完成。

喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。

当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。

而气体的压力和温度则很快下降。

从而达到降温的目的。

（膨胀器和增压机）
经压缩、干燥、净化的油气混合气推动涡轮膨胀机工作，迅速等熵膨胀致冷。

当致冷温度低于油气的露点温度时，油气被冷凝为液体，经气液分离器分离。

膨胀制冷油气回收设备流程图：
液氮制冷
液氮制冷原理简单，利用液态氮在气化（相变）过程吸收热量（或说释放冷量）的原理，将VOCs 气体降温液化。

基本原理示意如下：
这种工艺方法简单，氮的沸点温度很低（-195.8℃），可以制取深低温温度。

但是液氮利用是一次性的，气化以后就是氮气，如果用户现场还可以利用氮气，而且需要量与液氮气化量对应，用户可以考虑接受此工艺。

若气化氮气派不上用途，用户会感觉成本高而不考虑采用。

氮气制冷方法的治理设备见下图：
液氮技术在金属材料（冷）处理、制药行业生产过程冷量取用方面有运用。

液氮冷凝温度可以比机械压缩式冷凝温度更低，可以作为预处理工艺，将大多数的油气冷凝回收，后续配套热力燃烧、催化燃烧或吸附工艺，从而达到更低的排放标准。

3 冷凝回收过程
1) 第一阶段:预冷，油气在进入高温级换热器h1之前，首先经过预冷级单元预处理，温度降低至4℃左右，除去原料气中大部分水蒸汽；
2) 第二阶段:浅冷，油气进入换热器h1，放热降温至－30～－40℃，回收油气中C6等高碳烃类物质；
3) 第三阶段:深冷，油气进入中温级换热器h2，温度降至－70～－80℃，C5和大部分C4组分被冷凝；
4) 第四阶段:油气进入低温级换热器h3，温度降至－105～－110℃范围，C4等高碳烃类物质碳全部冷凝，尾气中仅存少量C3以下组分。

4主要特点
冷凝法工艺简明直接，不需二次工艺处理，回收产品为液体汽油。

吸附法、吸收法和膜分离法等工艺的油气回收处理技术，都必须采用喷淋吸收二次工艺来处理富集的油气，或再用冷凝工艺回收液体油品，工艺复杂，检修维护量大，并且能耗高。

5冷凝行业存在的问题
（1）工况设计缺乏统一技术规范和考核标准
一个普遍现象是，同样的采用冷凝工艺（或冷凝+吸附组合工艺）、同一个项目、同一个处理规模（VOCs流量或油气排放流量，m3/h），不同厂家竞标或提供技术方案，所配置的制冷压缩机机组的型号和功率（甚至压缩机台数），却有不一样。

还有分段冷凝的工况温度设置，有的厂家设置为3℃、-35℃、-75℃，有的厂家设置为4℃、-20℃、-70℃。

配置功率的差异，以200m3/h处理能力的油气回收处理装置为例，同样采用冷凝工艺，有的厂家的设备的配置功率只有30Kw左右，而有的厂家的设备的配置功率有50Kw左右。

等等，其原因就是工况设计缺乏统一技术规范和考核标准。

（2）冷凝系统主要的关键的配置不统一不完善
以三段冷凝为例，有的厂家配置制冷压缩机，第一段从常温冷到3-4℃，配置一套制冷机组，第二段从3℃冷凝到-35℃，配置一套制冷机组，第三段从-35℃冷凝到-75℃，配置一套二元复叠制冷机组；但是，有的厂家配置制冷压缩机，第一段从常温冷到3-4℃，配置一套制冷机组，第二段从3℃冷凝到-20℃，没有配置制冷机组，是从第三段二元复叠机组的高温机组中取出-20℃的“抽头”温度，第三段从-20℃冷凝到-70℃，配置一套二元复曡制冷机组等等问题。

（3）采用半封闭制冷压缩机组装装置的安全防爆措施不规范
涉及到VOCs治理系统采用冷凝技术的设备，关于安全防爆的相关技术标
准有GB3836、GB25285、GB25286系列国家标准，包括电气设施和非电气设施的防爆标准。

制冷系统的主要设备是制冷压缩机。

由于VOCs治理系统的处理规模要求，通常配置功率都在30-300Kw。

制冷压缩机按结构分有三类，全封闭压缩机、半封闭压缩机、开启式压缩机。

全封闭压缩机由于其功率较小（通常都在10HP以下），不能满足VOCs治理系统的配置需求，因此，只在小型VOCs治理设备（如，加油站的油气排放处理装置）采用。

开启式制冷压缩机则由于其体积较大，也不采用。

因此，半封闭制冷压缩机成为VOCs治理系统冷
凝工艺配置主要采用的机型。

但是，半封闭制冷压缩机的设计，机组本身不具备要求，正确的方法是采用正压防爆或正压通风防爆的方法，解决冷凝工艺配置的安全防爆措施。

但是，国内VOCs治理设备供应商厂家，出于对成本的考虑，很多将半封闭制
冷压缩机（活塞式或螺杆式都有）采用“隔爆”处理方法解决冷凝工艺VOCs治理
系统设备的安全防爆方法，这样做，首先是没有标准规范作依据，其次是半封闭制冷压缩机的结构不符合隔爆技术要求，第三是半封闭制冷压缩机有一些附件也不是防爆设计的产品。