活性炭是應(yīng)用最廣泛的吸附劑,其生產(chǎn)和使用可以追溯到19世紀(jì)?;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。
據(jù)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(yīng)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(yī)藥化工和異味治理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
但由于業(yè)內(nèi)人員對(duì)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(guī)律性認(rèn)識(shí),在活性炭選型、工藝設(shè)計(jì)和凈化裝備設(shè)計(jì)中存在較大隨意性,造成凈化設(shè)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(duì)活性炭吸附技術(shù)過(guò)于低估(簡(jiǎn)單誤認(rèn)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(guī)范及工藝混亂,導(dǎo)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(qū)。滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)VOCs污染實(shí)際治理工程的實(shí)際需要,正確引導(dǎo)行業(yè)規(guī)范活性炭在揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)凈化中的應(yīng)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(duì)于高濃度的有機(jī)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(duì)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(duì)活性炭有一些特殊的要求。
一、廢氣的預(yù)處理
(一)污染物濃度要求
除溶劑和油氣儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)裝置的有機(jī)廢氣吸附回收外,進(jìn)入吸附裝置的有機(jī)廢氣中有機(jī)物的濃度應(yīng)低于其爆炸極限下限的25%。當(dāng)廢氣中有機(jī)物的濃度高于其爆炸極限下限的25%時(shí),應(yīng)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(duì)于含有混合有機(jī)化合物的廢氣,其控制濃度P應(yīng)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(jì)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(jī)廢氣中各組分的爆炸極限下限值,%
V1,V2,…,Vn ——混合有機(jī)廢氣中各組分所占的體積百分?jǐn)?shù),%
n ——混合有機(jī)廢氣中所含有機(jī)化合物的種數(shù)。
(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(duì)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(tuán),一般活性炭均具有較強(qiáng)的吸水能力,與有機(jī)物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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(duì)活性炭進(jìn)行表面疏水改性,去除或減少表面含氧基團(tuán)、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(xì)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(yù)處理首先進(jìn)行去除;
發(fā)生聚合反應(yīng),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(yīng)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(yīng)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(yīng)。
典型反應(yīng):
(1)乙酸乙酯、乙酸丙酯等易發(fā)生水解反應(yīng)形成有機(jī)酸;
(2)MEK(甲乙酮)、MIBK(甲基異丁基酮)易被氧化形成有機(jī)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(yīng);
(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(yīng)放熱,造成活性炭著火。
二、基本工藝流程
1、工藝流程圖
2、工藝說(shuō)明
車(chē)間有機(jī)廢氣通過(guò)吸氣罩收集,在排風(fēng)機(jī)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(jī)污染物被活性炭吸附,凈化后的氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后達(dá)標(biāo)排放?;钚蕴课斤柡秃?,請(qǐng)專(zhuān)業(yè)廠家再生后回用。
3、活性炭的吸附原理
a.吸附現(xiàn)象是發(fā)生在兩個(gè)不同的相界面的現(xiàn)象,吸附過(guò)程就是在界面上的擴(kuò)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(dǎo)致物理吸附引起的,當(dāng)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(duì)應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致化學(xué)吸附,它涉及分子中化學(xué)鍵的破壞和重新結(jié)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(yán)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(duì)廢氣吸附的特點(diǎn):
(1)、對(duì)于芳香族化合物的吸附優(yōu)于對(duì)非芳香族化合物的吸附。
(2)、對(duì)帶有支鍵的烴類(lèi)物理優(yōu)于對(duì)直鏈烴類(lèi)物質(zhì)的吸附。
(3)、對(duì)有機(jī)物中含有無(wú)機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附總是低于不含無(wú)機(jī)基團(tuán)物質(zhì)的吸附。
(4)、對(duì)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(nèi)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(jī)廢氣回收方法,被認(rèn)為是最有效的回收凈化有機(jī)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(tǒng)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(qiáng)度高、壽命長(zhǎng);
4) 形狀多樣,便于工程應(yīng)用;
5) 可吸附低濃度氣體;
6) 吸附選擇性強(qiáng)。
5、活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置
以活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例,分析其設(shè)備組成、工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)。
設(shè)備組成
吸附設(shè)備由引風(fēng)風(fēng)機(jī)、表冷器、過(guò)濾器、吸附器、分層槽等組成,整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)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(jī)引入吸附設(shè)備。
吸附了一定數(shù)量有機(jī)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(jī)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(jī)物的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行一級(jí)冷凝,冷凝液再經(jīng)板式冷凝器冷卻,經(jīng)過(guò)冷凝的有機(jī)物和冷凝水進(jìn)入分層槽,經(jīng)重力分層,上層的有機(jī)物自動(dòng)溢流至儲(chǔ)槽,然后經(jīng)輸送泵送到吸附回收設(shè)備;下層的冷凝水排入廢水處理系統(tǒng)。
6、技術(shù)特點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)合理
吸附芯為籠型結(jié)構(gòu),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(jī)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(dá)95%以上。采用專(zhuān)利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)吸附,可以達(dá)到極高的吸附率,是目前國(guó)際上能夠達(dá)到苛刻的環(huán)保排放要求的吸附裝置。
(3)運(yùn)行能耗低、費(fèi)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(jī)功率小,所以在運(yùn)行中活性碳纖維有機(jī)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(yùn)行
采用可編程序控制器中央控制,集成電磁閥、托氣缸執(zhí)行動(dòng)作,可靠性高。按照工藝流程設(shè)計(jì)的模擬盤(pán)顯示,運(yùn)行狀況可以一目了然,并設(shè)計(jì)有故障檢測(cè)及指示功能??煽啃詮?qiáng)、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)。
(5)安全可靠、適用于有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所
采用防爆風(fēng)機(jī)、防爆泵??刂乒瘛鈩?dòng)柜采用正壓防爆技術(shù),外部信號(hào)通過(guò)安全柵連接,系統(tǒng)接地,確保了裝置的安全性。
三、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(wěn)定。因此大多數(shù)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(jī)廢氣,在烘干固化爐產(chǎn)生的有機(jī)廢氣中應(yīng)用較多。
其主要工藝流程為:廢氣在引風(fēng)機(jī)的作用下,通過(guò)管道輸送,以切線從底部進(jìn)入旋流板洗滌凈化塔,在離心力的作用下,呈螺線形氣旋上升,達(dá)到旋流板時(shí),由于受數(shù)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U(xiǎn)V光解凈化器。該設(shè)備以二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?,與紫外線、空氣接觸反應(yīng)產(chǎn)生臭氧,利用臭氧對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解;同時(shí)大分子有機(jī)物在紫外線作用下轉(zhuǎn)化為小分子化合物或者發(fā)生反應(yīng),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(duì)較低,為了保證廢氣能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)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(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo),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(jī)物的同時(shí)吸附等離子體,被吸附的有機(jī)物在活性炭纖維的孔隙內(nèi)被等離子體分解,一定程度上延長(zhǎng)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(shè)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(shù)較頻繁,運(yùn)行費(fèi)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(jī)物的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)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(hù)后續(xù)活性炭處理設(shè)施。預(yù)處理后的氣體進(jìn)入活性炭吸附箱,通過(guò)吸附作用,有機(jī)物質(zhì)被截留在其內(nèi)部,處理達(dá)標(biāo)的氣體經(jīng)煙囪高空排放。
運(yùn)行一段時(shí)間后,活性炭達(dá)到飽和狀態(tài),吸附作用失效,此時(shí)有機(jī)物已被濃縮在活性炭?jī)?nèi)。按照PLC自動(dòng)控制程序,
催化氧化設(shè)備自動(dòng)升溫將熱空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送入活性炭床使碳層升溫將有機(jī)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(jī)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(jī)引高空排放。
為了保證處理流程的連續(xù)性,該工藝中活性炭箱一般采用一用一備,當(dāng)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(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行,注意控制燃燒溫度,避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。
由于某些物質(zhì),如氯離子,對(duì)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(duì)催化劑有毒害作用成分的氣體。
該工藝特點(diǎn)為:
⑴有機(jī)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(dāng)催化燃燒達(dá)到一定的起燃溫度后,依靠自身熱量便可以滿足要求,不再需要外界提供熱源;
⑵應(yīng)用的范圍比較廣泛,對(duì)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(dá)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(fù)使用,延長(zhǎng)換炭周期,即減少危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量,對(duì)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(yùn)行安全穩(wěn)定,有效減少了污染物對(duì)環(huán)境的影響。
⑹缺點(diǎn)是投資較大,對(duì)操作人員素質(zhì)要求較高。
總結(jié)
活性炭吸附工藝是一種傳統(tǒng)的治理工藝,其因?yàn)橥顿Y小、處理效果穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用。在使用過(guò)程當(dāng)中需要注意的是廢舊活性炭屬于危險(xiǎn)固體廢物,應(yīng)交由有資質(zhì)的第三方公司回收處理。有機(jī)廢氣處理的治理工藝還有很多種,應(yīng)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。
來(lái)源:VOCs減排工作站