基于液氮冷凝的废气处理装置及废气处理方法与流程

本发明涉及废气处理技术领域，具体地涉及处理一次性尾气的基于液氮冷凝的废气处理装置及废气处理方法。

背景技术：

石化企业在石油炼制、存储、运输过程中，经常产生一次性尾气(vocs尾气)排放。针对此类固定场所产生固定类的油气回收治理装置，技术已经成熟，市场也逐渐饱和。如油库中应用的吸附吸收法油气回收装置、码头应用的机械制冷吸附法油气回收装置、炼化企业应用的吸收吸附法催化氧化装置。

然而，在石油炼制、存储、运输过程中，有一次性尾气排放的施工作业，如原油储罐的清洗、加油站储罐的清洗和吸附装置中活性炭热氮吹扫作业等，此类不可避免的施工作业同样带来浓度高、气量大的污染气体排放。目前，针对这类一次性污染气体排放的治理，没有合适的工艺及方案，因此，绝大部分的此类施工作业产生的污染气体直接向大气中排放。

因此，在一次性污染气体排放的施工作业过程中，外排的油气会进入空气，遇到静电、电火花会引起火灾爆炸等灾难发生，严重影响了加油站周边居民的人身安全和身体健康，同时也违反了国家现有环保法规的相关规定，已不适合现代化作业的要求。近年来，因油气无控制逸散，多次发生油气闪爆引发人员伤亡的安全生产事故。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种能够净化处理一次性尾气而安全排放的基于液氮冷凝的废气处理装置及废气处理方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种废气处理装置，所述废气处理装置包括：第一冷凝罐，内部设置有冷凝结构，所述第一冷凝罐上分别形成有废气入口和废气出口；第二冷凝罐，内部设置有喷淋器，下部侧壁上连接有输气管，顶部连接有排气管，所述输气管与所述废气出口连接；以及液氮储罐，该液氮储罐通过液氮输送管与所述喷淋器连接。

优选地，所述废气处理装置还包括吸气管和设置在所述吸气管上的吸气动力源，且所述吸气管与所述废气入口连接。

优选地，所述吸气动力源为风机。

优选地，所述冷凝结构为换冷器，该换冷器包括壳程和管程，所述壳程入口与所述废气入口连接，所述壳程出口设置于所述第一冷凝罐的外部，所述管程入口与制冷剂源连接，所述管程出口与所述废气出口连接。

优选地，所述管程入口与所述排气管连接。

优选地，所述换冷器为管翅式换冷器。

优选地，所述喷淋器为沿水平方向延伸的喷管，该喷管上设置有多个喷口。

优选地，所述喷口设置在所述喷管的底面上。

优选地，所述喷淋器包括沿高度方向依次布置的第一喷淋器和第二喷淋器，所述第一喷淋器和第二喷淋器分别通过第一输送管和第二输送管并联连接于所述液氮输送管。

优选地，在所述液氮输送管上设置有截止阀，在所述第二冷凝罐外部的所述第一输送管和所述第二输送管上分别设置有第一调节阀和第二调节阀。

优选地，在所述第二冷凝罐内的所述排气管附近设置有温度变送器，根据所述温度变送器设置的pid，控制所述第一调节阀和所述第二调节阀的开度。

优选地，所述温度变送器、所述截止阀、所述第一调节阀以及所述第二调节阀采用防爆设计。

优选地，所述第一冷凝罐的底部连接有第一导淋管，该第一导淋管上设置有第一导淋阀，所述第二冷凝罐的底部连接有第二导淋管，该第二导淋管上设置有第二导淋阀。

优选地，所述废气处理装置包括移动挂车，所述第一冷凝罐、所述第二冷凝罐以及所述液氮储罐设置在所述移动挂车上。

优选地，所述移动挂车上设置有外壳，所述第一冷凝罐、所述第二冷凝罐以及所述液氮储罐设置在所述外壳的内部。

本发明另一方面提供一种废气处理方法，该方法通过本发明提供的废气处理装置来处理废气，所述方法包括：第一步骤，将废气通过废气入口通入第一冷凝罐中；第二步骤，在所述第一冷凝罐中，通过冷凝结构的冷凝作用，对所述废气进行第一冷凝；第三步骤，使所述第一冷凝罐中未冷凝的废气进入第二冷凝罐，通过喷淋器喷出的液氮对冷凝废气进行第二冷凝，干净气体通过排气管向外排出，在所述第三步骤中，所述第二冷凝罐内的温度控制在零下70℃以下。

优选地，在所述第三步骤中，所述第二冷凝罐内的温度控制在零下90℃。

优选地，所述冷凝结构为换冷器，所述换冷器的操作条件为：管程入口温度为零下60至零下80℃，管程出口温度为零下30至零下40℃，压力为2kpa；壳层入口温度为常温，壳层出口温度为零下25至零下35℃，压力为3kp。

在本发明提供的废气处理装置中，废气依次经过废气处理装置的第一冷凝罐和第二冷凝罐，将第一冷凝罐和第二冷凝罐中的温度控制为不同，能够对废气进行两次冷凝，从而能够净化处理一次性污染气体排放的施工作业过程中外排的vocs废气，防止污染气体无控制逸散，既能防止发生安全事故，又能实现环保排放。本发明的其他效果将在下面详细介绍。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的优选实施方式的废气处理装置的结构示意图。

附图标记说明

10吸气管11风机

20第一冷凝罐21废气入口

22废气出口23管程出口

24第一导淋阀30第二冷凝罐

31第一喷淋器32第二喷淋器

33输气管34第二导淋阀

35温度变送器36排气管

40液氮储罐41液氮输送管

42截止阀43第一调节阀

44第二调节阀50移动挂车

具体实施方式

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“高度方向”是指冷凝罐的高度方向，在图1中为上下方向；“水平方向”为与高度方向垂直的方向，在图1中为左右方向。

下面，参照图1，将详细说明本发明提供一种废气处理装置及通过该废气处理装置进行的废气处理方法。

如图1所示，本发明提供的废气处理装置包括从左到右依次连接的第一冷凝罐20、第二冷凝罐30以及液氮储罐40。

第一冷凝罐20内部设置有冷凝结构，第一冷凝罐20上分别形成有废气入口21和废气出口22，废气入口21与吸气管10连接，其中，废气入口21和废气出口22优选设置在相对的位置上，在本发明中，废气入口21和废气出口22分别设置在第一冷凝罐20的下部侧壁上。废气通过废气入口21进入第一冷凝罐20中，在冷凝结构的冷凝作用下，对废气进行一次冷凝，被冷凝的物质掉落在第一冷凝罐20底部，未冷凝的废气通过废气出口22进入第二冷凝罐30。在本发明中，通过调节第一冷凝罐20中的温度，能够冷凝废气中所需要冷凝的物质，例如，采用本发明的废气处理装置处理清洗后的储油罐中的油气作为例子时，第一冷凝罐20的作用主要是冷凝油气中的水汽，此时，需要将第一冷凝罐20中的温度控制在0℃以下，从而冷凝结构对废气进行冷凝时，能够将水汽冷凝为水。冷凝结构的冷凝源可以是冷却水、液氮或其他任何冷凝物质或冷凝件，本发明不做特殊限制。

第二冷凝罐30内部设置有喷淋器，下部侧壁上连接有输气管33，顶部连接有排气管36。其中，输气管33与废气出口22连接，以接收从第一冷凝罐20中排出的废气，排气管36将冷凝后的干净气体排出至大气或其他结构中，排气管36优选采用不锈钢管以提高寿命。

液氮储罐40中存储有液氮，其通过液氮输送管41与喷淋器连接，以向第二冷凝罐30提供液氮。液氮输送管41的一端伸入至液氮储罐40的内部，优选为伸入至底部，另一端与所述喷淋器连接。

在本发明中，通过调节第二冷凝罐30中的温度，能够冷凝废气中所需要冷凝的物质，例如，废气为油气时，在第二冷凝罐30中，通过喷漆器喷洒液氮，主要冷凝油气中的有机气体。为了冷凝油气中的有机气体，需要将第二冷凝罐30中的温度控制在零下70℃以下，优选在零下90℃，在零下90℃的情况下，油气中的绝大部分有机气体会被冷凝而掉落在第二冷凝罐30底部，冷凝效果优异。

由此，本发明通过第一冷凝罐中的冷凝结构对废气进行一次冷凝，通过第二冷凝罐中的喷淋器喷洒液氮来对废气进行二次冷凝，通过这种双级冷凝结构，能够净化处理一次性污染废气，保证排出的外气洁净，防止污染气体无控制逸散，避免发生安全生产事故，且能够实现环保排放。

在此基础上，为了自动吸入废气，本发明的废气处理装置还包括吸气管10和设置在吸气管10上的吸气动力源。吸气管10与废气源(例如，清洗后的油气罐)连接，以输送废气。吸气动力源优选为风机11，但也可以采用其他结构，例如，采用文丘里管和空气压缩机来代替风机11，只要能够吸入废气即可。以下，为了方便说明，将油气罐作为废气源进行说明。

吸气管10的一端伸入至油气罐的内部，另一端与第一冷凝罐20的废气入口21连接。为了能够从底部开始吸收废气，吸气管10的一端伸入至接近油气罐的底面。通常，油气罐的顶面上会设置有油气罐入口和油气罐出口，吸气管10从油气罐出口伸入至油气罐内部，当启动吸气动力源时，油气罐内部的废气被吸出，此时会逐渐产生负压，敞开油气罐入口，在负压作用下空气被吸入至油气罐内部，由此油气罐中最终会充满空气。当然，本发明的废气处理装置不运行时，油气罐入口和油气罐出口应封闭处理，例如，盖上盖子，以免内部废气外泄。

另外，第一冷凝罐20的冷凝结构只要是能够冷凝废气中的水汽的结构均可，作为优选实施方式，如图1所示，本发明中采用换冷器结构来实现如上功能。具体地，冷凝结构为换冷器，该换冷器包括壳程和管程，壳程入口与废气入口21连接，壳程出口与废气出口22连接，管程入口与制冷剂源连接，管程出口23设置于第一冷凝罐20的外部。

管程部分中流通制冷剂，使废气从废气入口21进入所述壳程内，与管程中的制冷剂进行换热之后，废气中的部分物质(例如，水汽)被冷凝，未被冷凝的废气通过与废气出口22连接的输气管33进入第二冷凝罐30中，以进行二次冷凝。

作为优选实施方式，在本发明中，管程入口与排气管36连接，使得在第二冷凝罐30中参与二次冷凝后的液氮蒸发为气体之后，因其自身温度较低，通过排气管36进入换冷器的管程中，以能够与壳程中的废气进行热交换，参与废气的一次冷凝过程，由此，完成废气的二次冷凝的干净气体(冷却气体)能够用作换冷器的制冷剂源，这种结构下，能够提高能源利用率。但本发明不限于此，制冷剂源可以是冷却水、液氮或其他任何冷凝物质。

另外，为了使冷却气体在管程中的流动路径更长，所述管程可以是螺旋管或蛇形管，或者，所述换冷器优选为管翅式换冷器，由此，使管程中的冷却气体与壳程中的废气充分换热，以提高第一冷凝罐20的冷凝效率。但本发明对换冷器的具体形式不做特殊限制。

用换冷器结构对废气进行冷凝时，换冷器的操作条件为：管程入口温度为零下60至零下80℃，管程出口温度为零下30至零下40℃，压力为2kpa；壳层入口温度为常温，壳层出口温度为零下25至零下35℃，压力为3kp。在此条件下，废气的处理效果优异。

另外，关于喷淋器的类型，优选地，如图1所示，喷淋器是沿水平方向延伸的喷管，该喷管上设置有多个喷口，这种结构能够确保较大的喷洒面积，但本发明不限于此。进一步地，由于废气是从下至上流动，优选地，喷口设置在喷管的底面上，废气流动方向和液氮喷淋方向相反，能够使废气和液氮充分接触，能够提高冷凝效果。

另外，在本发明中如图1所示，优选地，喷淋器可以包括沿高度方向依次布置的第一喷淋器31和第二喷淋器32，第一喷淋器31和第二喷淋器32分别通过第一输送管和第二输送管并联连接于液氮输送管41。废气进入第二冷凝罐30之后，从下往上流动，在高度方向上设置两个喷淋器，能够使液氮喷量增大，但本发明不限于此，喷淋器可以包括更多个，或只设置一个，具体根据废气中的有机气体含量来决定喷淋器的数量。

另外，液氮输送管41上设置有截止阀42，通过截止阀42的开闭来进行液氮的输送与否。在此基础上，为了分别控制每个喷淋器的液氮喷量，优选地，在第二冷凝罐30外部的第一输送管和第二输送管上分别设置有第一调节阀43和第二调节阀44，第一调节阀43和第二调节阀44优选为电磁阀，以实现自动化控制。

在此基础上，在第二冷凝罐30内的排气管36附近可以设置有温度变送器35，根据温度变送器35设置的pid，控制第一调节阀43和第二调节阀44的开度，从而控制第一喷淋器31和第二喷淋器32的液氮喷量。但本发明不限于此，也可以通过温度计等其他结构与调节阀进行配合来控制液氮喷量。

此外，为了防止发生安全事故，温度变送器35、截止阀42、第一调节阀43以及第二调节阀44采用防爆设计。除了上述结构，废气处理装置中的其他有关电气仪表均可采用防爆设计。

另外，由于在第一冷凝罐20和第二冷凝罐30中冷凝后的废液会掉落在罐体底部，为了定期排出这些废液，优选地，第一冷凝罐20的底部连接有第一导淋管，该第一导淋管上设置有第一导淋阀24，第二冷凝罐30的底部连接有第二导淋管，该第二导淋管上设置有第二导淋阀34，第一导淋管和第二导淋管可以连接于废液收集箱等，集满后可被统一运输至废液处理厂，避免造成二次污染。

在实际工况中，vocs废气排放现场可能是多个，为了能够方便快捷地满足一次性污染气体排放的施工作业过程中的vocs废气处理需要，废气处理装置还可以包括移动挂车50，第一冷凝罐20、第二冷凝罐30以及液氮储罐40设置在移动挂车50上，将废气处理装置整体构成为移动车载式，可以快速移动到带处理现场，提高了整个废气处理装置的方便使用性。当然，废气处理装置的其他结构均可设置在移动挂车上。

除此之外，移动挂车50上可以设置有外壳，第一冷凝罐20、第二冷凝罐30以及液氮储罐40设置在外壳的内部。所述外壳对外壳内部的结构进行隔热保温处理，充分保障废气处理作业的安全。当然，废气处理装置的其他结构均可设置在移动挂车的外壳内部。

以上为本发明提供的废气处理装置，基于此，继续说明利用本发明提供的废气处理装置来处理废气的废气处理方法。

本发明的废气处理方法包括以下步骤：

第一步骤，将废气通过废气入口21通入第一冷凝罐20中；

第二步骤，在第一冷凝罐20中，通过冷凝结构的冷凝作用，对废气进行一次冷凝；

第三步骤，使第一冷凝罐20中未冷凝的废气进入第二冷凝罐30，通过喷淋器喷出的液氮来对废气进行二次冷凝，干净气体通过排气管36向外排出。

在第三步骤中，第二冷凝罐30内的温度控制在零下70℃以下，以保证废气中的有机气体能够被冷凝。在优选情况下，第二冷凝罐30内的温度控制在零下90℃，此时，废气中的有机气体绝大部分可被冷凝。

第二冷凝罐30内的温度控制的具体例子例如可以举出：零下70℃、零下72℃、零下75℃、零下78℃、零下80℃、零下82℃、零下85℃、零下88℃和零下90℃等。

另外，当冷凝结构采用换冷器结构且换冷器的管程入口与排气管36连接时，换冷器的操作条件为：管程入口温度优选在零下60至零下80℃，管程出口温度优选在零下30至零下40℃，压力为2kpa，壳程入口温度优选为常温，壳程出口温度为零下25至零下35℃，压力为3kp。

以下，通过实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明并不仅限于下述实施例。

实施例1

如图1所示，废气处理装置包括依次连接的吸气管10、风机11、第一冷凝罐20、第二冷凝罐30以及液氮储罐40。

其中，第一冷凝罐20上设置有废气入口21和废气出口22，废气入口21和废气出口22均设置在所述第一冷凝罐20的下部，废气入口21与吸气管10连接，废气出口22通过连接在第二冷凝罐30的下部的输气管33与第二冷凝罐30的内部连通。第一冷凝罐20内部包括冷凝结构，该冷凝结构为换冷器，换冷器的壳程入口与废气入口21连接，壳程出口与废气出口22连接，管程入口与排气管36连接，管程出口23设置于第一冷凝罐20外部。另外，第一冷凝罐20的底部设置有第一导淋管。

第二冷凝罐30中设置有沿高度方向依次布置的第一喷淋器31和第二喷淋器32，第一喷淋器31和第二喷淋器32分别通过第一输送管和第二输送管并联连接于所述液氮输送管41，液氮输送管41的一端伸入至液氮储罐40的底部，另一端与第一喷淋器31和第二喷淋器32连接。

液氮输送管41上设置有截止阀42，第一输送管和第二输送管上分别设置有第一调节阀43和第二调节阀44。

第二冷凝罐30的排气管36附近设置有温度变送器35。另外，第二冷凝罐30的底部设置有第二导淋管。

基于上述结构，废气通过吸气管10进入换冷器的壳程内，与管程内的制冷剂换热，从而油气在换热器的壳程中进行一次冷凝，冷凝后的废液导流至第一导淋管中，未冷凝的废气经过输气管33进入第二冷凝罐30。在第二冷凝罐30中，废气从下往上流动，此时第一喷淋器31和第二喷淋器32喷洒液氮，从而对废气进行二次冷凝，冷凝后的废液导流至第二导淋管中，干净气体(低温气体)通过排气管36进入换冷器的管程内并与壳程内的废气进行换热，参与新进入的废气的一次冷凝，之后通过管程出口23排出至大气。

另外，在第一冷凝罐20中，换冷器的操作条件为：管程入口温度为零下60℃，管程出口温度为零下30℃，压力为2kpa；壳程入口温度为常温，壳程出口温度为零下25℃，压力为3kp。在第二冷凝罐30中，通过温度变送器35设置的pid控制第一电磁阀43和第二电磁阀44的开度，从而控制第一喷淋器31和第二喷淋器32的液氮喷量，使第二冷凝罐30内的温度维持在零下90℃。

基于上述废气处理装置，并在上述操作条件下，废气入口21处的vocs废气浓度为35％vol时，管程出口vocs废气浓度为50％lel，废气处理效率为98.3％。

实施例2

废气处理装置采用与实施例1相同的结构。

另外，在第一冷凝罐20中，换冷器的操作条件为：管程入口温度为零下70℃，管程出口温度为零下35℃，压力为2kpa；壳程入口温度为常温，壳程出口温度为零下35℃，压力为3kp。在第二冷凝罐30中，第二冷凝罐30内的温度维持在零下90℃。

基于上述优选实施方式的废气处理装置，并在上述操作条件下，废气入口21处的vocs废气浓度为34％vol时，管程出口vocs废气浓度为50％lel，废气处理效率为98.93％。

实施例3

废气处理装置采用与实施例1相同的结构。

另外，在第一冷凝罐20中，换冷器的操作条件为：管程入口温度为零下80℃，管程出口温度为零下40℃，压力为2kpa；壳程入口温度为常温，壳程出口温度为零下35℃，压力为3kp。在第二冷凝罐30中，第二冷凝罐30内的温度维持在零下90℃。

基于上述废气处理装置，并在上述操作条件下，废气入口21处的vocs废气浓度为35％vol时，管程出口vocs废气浓度为25％lel，废气处理效率为99.14％。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。