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活性炭吸附法工藝流程、處理要求及成本分析
文章來(lái)源:handler 時(shí)間:2019-04-02 10-05-02

當前我國VOCs排放涉及的行業(yè)廣,且各行業(yè)排放的VOCs種類(lèi)繁多、成分復雜,常見(jiàn)的有烴類(lèi)、醇類(lèi)、醚類(lèi)、酯類(lèi)等。加油站、裝修、餐飲、干洗、噴涂、化工等生產(chǎn)或使用有機溶劑的行業(yè)都會(huì )產(chǎn)生VOCs排放。此外,VOCs治理技術(shù)體系復雜,涉及十多種技術(shù)及組合技術(shù),一般一個(gè)環(huán)保治理企業(yè)只能掌握一種或幾種技術(shù)。


目前工業(yè)VOCs治理的主流技術(shù)之一:活性炭吸附技術(shù)!


活性炭是應用最廣泛的吸附劑,其生產(chǎn)和使用可以追溯到19世紀?;钚蕴恐员粡V泛使用主要是因其具有大量的微孔和中孔,且表面積巨大。典型活性炭的孔徑分布及其與其他吸附劑的比較如下圖所示。

圖源《吸附劑原理與應用》,[美]Ralph T.Yang著(zhù)

據了解,活性炭吸附技術(shù)是VOCs治理的主流技術(shù)之一,技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單易行、治理成本低、適應范圍廣,在所有的治理技術(shù)中占有非常大的市場(chǎng)份額,在涂裝、包裝印刷、石油化工、化學(xué)品制造、醫藥化工和異味治理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。


但由于業(yè)內人員對活性炭的基本性能、活性炭吸附技術(shù)的適用范圍和使用條件等缺乏規律性認識,在活性炭選型、工藝設計和凈化裝備設計中存在較大隨意性,造成凈化設備效率低,存在安全隱患,活性炭再生更換困難等問(wèn)題。市場(chǎng)上很多環(huán)保公司對活性炭吸附技術(shù)過(guò)于低估(簡(jiǎn)單誤認為活性炭吸附技術(shù)無(wú)非就是簡(jiǎn)單的吸附—脫附)。


行業(yè)的種種不規范及工藝混亂,導致目前不少地方環(huán)保主管部門(mén)陷入了“聞炭色變”的誤區。滿(mǎn)足當前國內VOCs污染實(shí)際治理工程的實(shí)際需要,正確引導行業(yè)規范活性炭在揮發(fā)性有機物(VOCs)凈化中的應用,顯得至關(guān)重要。


 吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的吸附分離與凈化,對于高濃度的有機氣體,一般情況下首先需要經(jīng)過(guò)冷凝等工藝進(jìn)行“降濃”處理,然后再進(jìn)行吸附凈化。對于“油氣”等高濃度VOCs氣體的凈化,也可以采用吸附法(降壓解吸再生),但對活性炭有一些特殊的要求。

廢氣的預處理

(一)污染物濃度要求


除溶劑和油氣儲運銷(xiāo)裝置的有機廢氣吸附回收外,進(jìn)入吸附裝置的有機廢氣中有機物的濃度應低于其爆炸極限下限的25%。當廢氣中有機物的濃度高于其爆炸極限下限的25%時(shí),應使其降低到其爆炸極限下限的25%后方可進(jìn)行吸附凈化。


對于含有混合有機化合物的廢氣,其控制濃度P應低于最易爆炸組分或混合氣體爆炸極限下限值的25%,即P<min(Pe ,Pm)×25%,Pe為最易爆組分爆炸極限下限值(%),Pm為混合氣體爆炸極限下限值,Pm按照下式進(jìn)行計算:


Pm=(P1+P2+…+Pn)/(V1/P1+V2/P2+…+Vn/Pn)      

式中:

Pm  ——混合氣體爆炸極限下限值,%


P1,P2,…,Pn  ——混合有機廢氣中各組分的爆炸極限下限值,%


V1,V2,…,Vn  ——混合有機廢氣中各組分所占的體積百分數,%


n  ——混合有機廢氣中所含有機化合物的種數。

  

(二)氣體溫度要求

進(jìn)入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。

(三)廢氣濕度對活性炭吸附性能的影響

1、由于活性炭表面通常含有大量的含氧基團,一般活性炭均具有較強的吸水能力,與有機物產(chǎn)生競爭吸附作用。

2、活性炭中含有灰分(金屬氧化物),提高了其吸水能力。

如何提高活性炭的疏水性能

(1)原材料的影響:如煤種的影響、瀝青基球型活性炭具有較好的疏水能力;

(2)高碘值活性炭(揮發(fā)份低)的疏水能力通常要優(yōu)于低碘值的活性炭; 

(3)對活性炭進(jìn)行表面疏水改性,去除或減少表面含氧基團、降低灰分(金屬氧化物)。

(四)顆粒物的含量要求

進(jìn)入吸附裝置的顆粒物含量宜低于1mg/m3。

粉塵:細顆粒物(化工、家具等)

漆霧顆粒物(形成氣溶膠):影響最大

絮狀顆粒物:印刷、橡膠、化纖等生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生

(五)廢氣成分的影響

1、活性炭的“中毒”(或劣化):

高沸點(diǎn)(或“半揮發(fā)性”)物質(zhì)再生困難,在活性炭上聚集,如硅烷、油脂等化合物,需要通過(guò)冷凝、過(guò)濾、吸附等預處理首先進(jìn)行去除;

發(fā)生聚合反應,造成在活性炭上聚集,如甲醛、苯乙烯等;

二硫化碳(硫化氫)等吸附反應形成單質(zhì)硫的聚集。

    

在吸附氣體中即使含有微量的高分子物質(zhì)或聚合性物質(zhì),在活性炭中聚集,也會(huì )很快引起活性炭吸附性能急劇下降。


2、活性炭的反應活性(催化性):

活性炭表面具有催化活性,會(huì )與一些化合物部分進(jìn)行氧化、水解等催化反應。


典型反應:

(1)乙酸乙酯、乙酸丙酯等易發(fā)生水解反應形成有機酸;

(2)MEK(甲乙酮)、MIBK(甲基異丁基酮)易被氧化形成有機酸和丁二酮;環(huán)己酮氧化或聚合形成環(huán)亞己基環(huán)己酮;

(3)甲醛、苯乙烯等易發(fā)生聚合反應;

(4)其他:如樹(shù)脂生產(chǎn)中的添加劑帶入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上會(huì )發(fā)生水解生產(chǎn)二甲胺,造成臭氣排放問(wèn)題。


造成的問(wèn)題:

(1)回收的溶劑變色、發(fā)臭(如包裝印刷廢氣);

(2)聚合后難再生,造成活性炭中毒(劣化)

(3)反應放熱,造成活性炭著(zhù)火。

基本工藝流程

1、工藝流程圖

2、工藝說(shuō)明

車(chē)間有機廢氣通過(guò)吸氣罩收集,在排風(fēng)機作用下,經(jīng)過(guò)管道輸送進(jìn)入干式過(guò)濾器,再進(jìn)入活性炭吸附裝置,有機污染物被活性炭吸附,凈化后的氣體經(jīng)風(fēng)機增壓后達標排放?;钚蕴课斤柡秃?,請專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家再生后回用。

3、活性炭的吸附原理

a.吸附現象是發(fā)生在兩個(gè)不同的相界面的現象,吸附過(guò)程就是在界面上的擴散過(guò)程,是發(fā)生在固體表面的吸附,這是由于固體表面存在著(zhù)剩余的吸引而引起的。

吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附;物理吸附亦稱(chēng)范德華吸附,是由于吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的靜電力或范德華引力導致物理吸附引起的,當固體和氣體之間的分子引力大于氣體分子之間的引力時(shí),即使氣體的壓力低于與操作溫度相對應和飽和蒸氣壓,氣體分子也會(huì )冷凝在固體表面上,物理吸附是一種吸熱過(guò)程。

化學(xué)吸附亦稱(chēng)活性吸附,是由于吸附劑表面與吸附質(zhì)分子間的化學(xué)反應力導致化學(xué)吸附,它涉及分子中化學(xué)鍵的破壞和重新結合,因此,化學(xué)吸附過(guò)程的吸附熱較物理吸附過(guò)程大。

在吸附過(guò)程中,物理吸附和化學(xué)吸附之間沒(méi)有嚴格的界限,同一物質(zhì)在較低溫度下往往是化學(xué)吸附?;钚蕴坷w維吸附以物理吸附為主,但由于表面活性劑的存在,也有一定的化學(xué)吸附作用。


b.活性炭對廢氣吸附的特點(diǎn):

(1)對于芳香族化合物的吸附優(yōu)于對非芳香族化合物的吸附。

(2)對帶有支鍵的烴類(lèi)物理優(yōu)于對直鏈烴類(lèi)物質(zhì)的吸附。

(3)對有機物中含有無(wú)機基團物質(zhì)的吸附總是低于不含無(wú)機基團物質(zhì)的吸附。

(4)對分子量大和沸點(diǎn)高的化合物的吸附總是高于分子量小和沸點(diǎn)低的化合物的吸附。

(5)吸附質(zhì)濃度越高,吸附量也越高。

(6)吸附劑內表面積越大。吸附量越高。

4、活性碳纖維

以新型吸附材料—活性碳纖維(ACF)為吸附劑的吸附法是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的有機廢氣回收方法,被認為是最有效的回收凈化有機廢氣的新方法,近年來(lái)已引起廣大研究工作者和相關(guān)企業(yè)的極大關(guān)注。與傳統的活性炭相比,活性碳纖維具有以下優(yōu)異特性:

1) 比表面積大,有效吸附容量高;

2) 吸附、脫附快,能耗低,容易再生;

3) 強度高、壽命長(cháng);

4) 形狀多樣,便于工程應用;

5) 可吸附低濃度氣體;

6) 吸附選擇性強。

5、活性碳纖維有機廢氣回收裝置

以活性碳纖維有機廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例,分析其設備組成、工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)。


設備組成


吸附設備由引風(fēng)風(fēng)機、表冷器、過(guò)濾器、吸附器、分層槽等組成,整個(gè)系統的運行由PLC程序控制,自動(dòng)切換吸附器,使之交替進(jìn)行吸附、解吸和干燥工藝過(guò)程的操作。


工藝流程


揮發(fā)性有機氣體先經(jīng)過(guò)一定的前處理裝置,再經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)一步去除尾氣中的雜質(zhì),以保證這些雜質(zhì)不占用活性碳纖維的孔隙,影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命;過(guò)濾后的尾氣經(jīng)風(fēng)機引入吸附設備。


吸附了一定數量有機溶劑的活性碳纖維,用飽和水蒸汽進(jìn)行解吸,解吸完成后將通過(guò)過(guò)濾的外界空氣送入吸附器由風(fēng)機進(jìn)行干燥,使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽,使活性碳纖維保持較高的吸附效率。干燥好的吸附器進(jìn)入下一工作程序循環(huán)進(jìn)行吸附。


解吸出的含有機物的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行一級冷凝,冷凝液再經(jīng)板式冷凝器冷卻,經(jīng)過(guò)冷凝的有機物和冷凝水進(jìn)入分層槽,經(jīng)重力分層,上層的有機物自動(dòng)溢流至儲槽,然后經(jīng)輸送泵送到吸附回收設備;下層的冷凝水排入廢水處理系統。

6、技術(shù)特點(diǎn)

(1)結構合理

吸附芯為籠型結構,具有活性碳纖維用量少,處理風(fēng)量大的特點(diǎn),可大幅度降低有機廢氣處理成本。


(2)吸附率高

由于活性碳纖維的比表面積特性,決定了其吸附率可高達95%以上。采用專(zhuān)利技術(shù)可以實(shí)現多級吸附,可以達到極高的吸附率,是目前國際上能夠達到苛刻的環(huán)保排放要求的吸附裝置。


(3)運行能耗低、費用低

由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低,再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小、風(fēng)機功率小,所以在運行中活性碳纖維有機廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低。


(4)全自動(dòng)控制、無(wú)人值守運行

采用可編程序控制器中央控制,集成電磁閥、托氣缸執行動(dòng)作,可靠性高。按照工藝流程設計的模擬盤(pán)顯示,運行狀況可以一目了然,并設計有故障檢測及指示功能??煽啃詮?、操作簡(jiǎn)單、便于維護。


(5)安全可靠、適用于有爆炸危險場(chǎng)所

采用防爆風(fēng)機、防爆泵??刂乒?、氣動(dòng)柜采用正壓防爆技術(shù),外部信號通過(guò)安全柵連接,系統接地,確保了裝置的安全性。

組合工藝流程

實(shí)際的廢氣治理過(guò)程中,單一的活性炭吸附工藝會(huì )造成活性炭飽和速度過(guò)快,處理效果不穩定。因此大多數情況下都是與其他處理工藝組合使用。

1、旋流板塔+UV光解+活性炭吸附工藝

此工藝多用于處理低濃度有機廢氣,在烘干固化爐產(chǎn)生的有機廢氣中應用較多。

 

其主要工藝流程為:廢氣在引風(fēng)機的作用下,通過(guò)管道輸送,以切線(xiàn)從底部進(jìn)入旋流板洗滌凈化塔,在離心力的作用下,呈螺線(xiàn)形氣旋上升,達到旋流板時(shí),由于受數量足夠多的傾角為25°的旋流葉片的切割作用,產(chǎn)生更大的離心力,與從上向下噴成霧狀的循環(huán)液滴接觸,氣液得到充分的混合,氣體中剩余的油霧顆粒物被循環(huán)液吸收,隨水流進(jìn)入循環(huán)水池。

 

經(jīng)旋流板洗滌凈化塔后的氣體進(jìn)入UV光解凈化器。該設備以二氧化鈦作為催化劑,與紫外線(xiàn)、空氣接觸反應產(chǎn)生臭氧,利用臭氧對有機物進(jìn)行氧化分解;同時(shí)大分子有機物在紫外線(xiàn)作用下轉化為小分子化合物或者發(fā)生反應,生成水和二氧化碳,污染物得到去除。

 

因UV光解凈化效率相對較低,為了保證廢氣能穩定達標排放,在其后增加活性炭吸附器作為最終的把關(guān)處理,保證油霧顆粒物和總VOCs等長(cháng)期穩定達標,最終凈化氣體。因經(jīng)前處理后,廢氣中VOCs的濃度已很低,且顆?;钚蕴吭谖接袡C物的同時(shí)吸附等離子體,被吸附的有機物在活性炭纖維的孔隙內被等離子體分解,一定程度上延長(cháng)了活性炭吸附飽和的時(shí)間和使用壽命。

 

為保證處理效果,噴淋水循環(huán)使用一段時(shí)間后須更換,廢水中含有污染物質(zhì),需配套污水處理設備進(jìn)行處理。該工藝優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,易于管理,投資造價(jià)較低。缺點(diǎn)是活性炭更換次數較頻繁,運行費用較高。

2、水噴淋+干式過(guò)濾器+活性炭吸附+催化燃燒

此工藝多用于噴漆、烘漆VOCs廢氣,主要污染物為苯、甲苯與二甲苯、總VOCs。

 

含有機物的廢氣經(jīng)風(fēng)機的作用,首先經(jīng)過(guò)水噴淋將大部分漆霧去除后進(jìn)入干式過(guò)濾器,干式過(guò)濾器一方面可以去除氣體中的水分,另一方面可以進(jìn)一步攔截部分顆粒物,保護后續活性炭處理設施。預處理后的氣體進(jìn)入活性炭吸附箱,通過(guò)吸附作用,有機物質(zhì)被截留在其內部,處理達標的氣體經(jīng)煙囪高空排放。

 

運行一段時(shí)間后,活性炭達到飽和狀態(tài),吸附作用失效,此時(shí)有機物已被濃縮在活性炭?jì)?。按照PLC自動(dòng)控制程序,

 

催化氧化設備自動(dòng)升溫將熱空氣通過(guò)風(fēng)機送入活性炭床使碳層升溫將有機物從活性炭中“蒸”出,脫附出來(lái)的廢氣屬于高濃度、小風(fēng)量、高溫度的有機廢氣。該部分氣體進(jìn)入催化燃燒室,在催化劑作用下燃燒后徹底凈化,完成脫附過(guò)程。再通過(guò)熱交換器將凈化后的氣體降溫,最后經(jīng)風(fēng)機引高空排放。

 

為了保證處理流程的連續性,該工藝中活性炭箱一般采用一用一備,當其中一個(gè)炭箱處于脫附狀態(tài)時(shí),另外一個(gè)處于吸附狀態(tài),通過(guò)控制程序自動(dòng)切換,交替使用。值得注意的是,脫附過(guò)程中要嚴格按照操作規范進(jìn)行,注意控制燃燒溫度,避免因操作不當導致火災或爆炸事故。

 

由于某些物質(zhì),如氯離子,對脫附所用催化劑具有毒害作用,會(huì )造成催化劑“中毒”而失去催化作用,因此活性炭吸附+催化燃燒工藝不適用于處理含氯離子等對催化劑有毒害作用成分的氣體。

該工藝特點(diǎn)為:

 

⑴有機廢氣具有起燃溫度低的特點(diǎn),因此不需要大量的能耗。而且當催化燃燒達到一定的起燃溫度后,依靠自身熱量便可以滿(mǎn)足要求,不再需要外界提供熱源;

 

⑵應用的范圍比較廣泛,對多種成分的廢氣都具有良好的處理效果;

 

⑶處理效率與其他工藝相比較高,凈化效率可以達到95%甚至以上,而且最終產(chǎn)物為二氧化碳和水,沒(méi)有二次污染物產(chǎn)生;且由于燃燒溫度低,能大量減少NO X 的生成,因此也大大減少了二次污染;

 

⑷活性炭可重復使用,延長(cháng)換炭周期,即減少危險廢物的產(chǎn)生量,對改善大氣環(huán)境具有重要意義;


⑸自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)單方便,運行安全穩定,有效減少了污染物對環(huán)境的影響。

 

⑹缺點(diǎn)是投資較大,對操作人員素質(zhì)要求較高。

吸附成本分析

為方便操作,活性炭飽和期限定為一個(gè)月,按每天8小時(shí)工作制,減去4個(gè)星期天,則總時(shí)間為208小時(shí)。

假設:廢氣總流量Q=10000m3/h

污染物甲苯的質(zhì)量流量為m=10000m3/h×2×10-5=0.2kg/h

則一個(gè)飽和期內所需吸附的甲苯量為:m1=208×0.2=51.6(kg)

所需活性炭量為:M≈0.14噸

按上述公式,活性炭吸附裝置所需的活性炭用量如下:Q為廢氣處理總流量

1、Q=20000m3/h   約0.28噸活性炭
2、Q=30000m3/h   約0.4噸活性炭
3、Q=40000m3/h   約0.56噸活性炭
4、Q=50000m3/h   約0.7噸活性炭
5、Q=60000m3/h   約0.84噸活性炭
6、Q=70000m3/h   約0.98噸活性炭
7、Q=80000m3/h   約1.12噸活性炭

按一個(gè)月(208小時(shí))運行計算,每噸中等品質(zhì)的活性炭以6000元/噸計,則活性炭吸附裝置的運行費用為:
1、Q=20000m3/h   0.28×6000=1680元
2、Q=30000m3/h   0.4×6000=2400元
3、Q=40000m3/h   0.56×6000=3360元
4、Q=50000m3/h   0.7×6000=4200元
5、Q=60000m3/h   0.84×6000=5040元
6、Q=70000m3/h   0.98×6000=5880元
7、Q=80000m3/h   1.12×6000=6720元

結 語(yǔ):活性炭吸附工藝是一種傳統的治理工藝,其因為投資小、處理效果穩定而被廣泛應用。在使用過(guò)程當中需要注意的是廢舊活性炭屬于危險固體廢物,應交由有資質(zhì)的第三方公司回收處理。有機廢氣處理的治理工藝還有很多種,應從使用的實(shí)際情況出發(fā),選用合理的工藝,以保證有良好的處理效果。

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