VOCs種類繁多,成分復(fù)雜,不同行業(yè)的VOCs氣體特征如流量、濃度具有較大差異。有研究表明,化學(xué)制品、醫(yī)藥制造、交通設(shè)備制造、印刷、電子及電信設(shè)備制造是產(chǎn)生VOCs氣體最多的前5個行業(yè),分別占調(diào)研總案例的26%、13%、12%、8%和5%。大多數(shù)行業(yè)VOCs點(diǎn)源產(chǎn)生的VOCs濃度在102-104mg/m3(注:上標(biāo)2、上標(biāo)4)范圍內(nèi)。濃度較高的行業(yè)如石油加工、化工醫(yī)藥制造等,這些行業(yè)產(chǎn)生的濃度大多高于103mg/m3(注:上標(biāo)3);濃度較低的如皮革、毛皮、羽絨制品等,其濃度一般低于500mg/m3。不同濃度的VOCs處理技術(shù)有較大差異,因此,掌握各行業(yè)產(chǎn)生的VOCs氣體濃度分布特征對發(fā)展VOCs治理技術(shù)具有十分重要的意義。
吸附-基于單項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備與產(chǎn)品
01概述
吸附技術(shù)是VOCs治理的主流技術(shù)之一,技術(shù)成熟、簡單易行、治理成本低、適應(yīng)范圍廣。
技術(shù)原理:當(dāng)流體與多孔固體接觸時,流體中某一組分或多個組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄,此現(xiàn)象稱為吸附。吸附屬于一種傳質(zhì)過程,物質(zhì)內(nèi)部的分子和周圍分子有互相吸引的引力,但物質(zhì)表面的分子,其中相對物質(zhì)外部的作用力沒有充分發(fā)揮,所以液體或固體物質(zhì)的表面可以吸附其他的液體或氣體,尤其是表面積很大的情況下,這種吸附力能產(chǎn)生很大的作用,所以工業(yè)上經(jīng)常利用大面積的物質(zhì)進(jìn)行吸附,如活性炭、分子篩等。根據(jù)此特點(diǎn),可以根據(jù)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)奈絼?,處理廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),達(dá)到循環(huán)利用,保護(hù)環(huán)境的目的。脫附是吸附的逆過程。是使已被吸附的組分從達(dá)到飽和的吸附劑中析出,吸附劑得以再生的操作過程,即被吸附于界面的物質(zhì)在一定條件下,離逸界面重新進(jìn)入體相的過程,也稱解吸。一般來說,不利于吸附進(jìn)行的條件常對脫附有利,如加熱、減壓等,常用有蒸汽、氮?dú)饷摳健?br />
02活性炭吸附系統(tǒng)
廢氣收集后,通過預(yù)處理然后進(jìn)入吸附器,有機(jī)廢氣被高性能活性碳纖維(ACF)或者顆粒碳材料吸附,將有機(jī)物吸附于其微孔結(jié)構(gòu)中,經(jīng)兩級活性炭纖維吸附,廢氣經(jīng)過吸附材料凈化后排放至大氣。吸附有機(jī)廢氣的吸附材料通過熱氮?dú)?水蒸氣解吸(脫附)再生,解吸出來的高濃度混合氣進(jìn)入換熱器換熱后再冷凝回收得到混合溶液,氮?dú)庠诿摳街芷趦?nèi)循環(huán)重復(fù)利用。工藝流程圖1所示。
圖1 活性炭吸附系統(tǒng)工藝流程
特點(diǎn):不需要添加任何的絮凝劑和氧化劑等化學(xué)試劑,直接利用活性炭的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸附;初期成本低,操作簡單;活性炭所用的原料是果殼、煤和木材等物質(zhì),相對來講,成本較低。且進(jìn)行吸附時,沒有太高的技術(shù)要求,操作簡單靈活;由于孔隙多,表面積很大,所以吸附能力強(qiáng),吸附效果自然也就比較好;對重金屬進(jìn)行處理時,對金屬離子的吸附選擇性好、穩(wěn)定性強(qiáng);可以對活性炭進(jìn)行再生,重新使用?,F(xiàn)在對活性炭的回收利用已經(jīng)有很多方法,包括熱再生法、生物再生法、化學(xué)溶液再生法、電化學(xué)再生法等等。這些方法對活性炭的再生有出色的效果,經(jīng)過再生的活性炭,可以重新進(jìn)行使用。
適用范圍:活性炭吸附技術(shù)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。適合中低濃度大部分含有烷烴、酯類、醇類、酮類等有機(jī)溶劑的廢氣(若要脫附溶劑沸點(diǎn)宜控制在50-150°C)。
設(shè)備(產(chǎn)品)分類概述:預(yù)處理階段,廢氣中可能會含有氯化氫、硫酸霧等酸性氣體或者粉塵,為了防止其對后續(xù)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕或者對活性炭造成堵塞,需對廢氣進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理采用填料式噴淋洗滌塔,噴淋液選擇堿液對酸性氣體進(jìn)行中和處理或者采用干式過濾器對粉塵進(jìn)行過濾處理。活性炭吸附階段,經(jīng)過前面的預(yù)處理后,廢氣通入后端的活性炭吸附/脫附塔進(jìn)行吸附處理,活性炭表面存在著吸引力(分子間范德華力),將通過活性炭微孔的有機(jī)氣體吸附在活性炭表面,去除廢氣中的有機(jī)物,達(dá)到凈化氣體的作用。活性炭脫附階段,活性炭脫附時采用蒸汽對活性炭床層直接加熱,將活性炭中吸附的有機(jī)成分蒸出,蒸出來的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中通過冰水對其進(jìn)行冷卻,冷凝成液態(tài),進(jìn)入分離桶中分離,分離后的廢水進(jìn)入污水站,分離后的有機(jī)溶劑進(jìn)入儲罐,用于后續(xù)回收。不能被冷凝的不凝氣通入吸附總管,送入吸附罐中進(jìn)行吸附處理?;钚蕴亢娓呻A段,脫附階段有部分蒸汽冷凝成水留在的活性炭床層,脫附完成后需要對床層進(jìn)行烘干。烘干配置單獨(dú)的烘干風(fēng)機(jī),烘干風(fēng)機(jī)入口設(shè)置高效過濾器,并設(shè)蒸汽加熱器對新風(fēng)進(jìn)行加熱,加熱到60℃左右,通入活性炭罐中將碳層中的水分烘干。烘干后的吸附罐充氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)操作,等待下一次吸附。
設(shè)備(產(chǎn)品)說明:不同的活性炭吸附材料有各自適用的范圍。顆粒碳吸附罐適合濃度波動大,廢氣成分復(fù)雜的工況。碳纖維吸附器適合廢氣濃度較穩(wěn)定,廢氣成分較單一的工況。蜂窩碳吸附器適合配合燃燒設(shè)備使用。碳纖維裝置配型和顆粒碳裝置配型見表1和表2。
表1碳纖維裝置配型表
風(fēng)量m3/h |
3000 |
6000 |
9000 |
12000 |
溶劑量t/d |
0.75 |
1.5 |
2.2 |
3 |
吸附器 |
2X-2X |
2X-4X |
2X-6X |
2X-8X |
涼水塔t |
50 |
100 |
150 |
200 |
蒸汽t/h |
0.3 |
0.5 |
0.8 |
1 |
壓縮空氣m3/min |
2 |
|||
風(fēng)量m3/h |
18000 |
24000 |
36000 |
48000 |
溶劑量t/d |
2.2 |
3 |
3 |
3 |
吸附器 |
3X-6X |
3X-8X |
4X-8X |
5X-8X |
表2 顆粒碳裝置配型表
風(fēng)量m3/h |
9000 |
13500 |
18000 |
|
溶劑量t/d |
4 |
4.8 |
5.6 |
|
吸附罐 |
2X-Ф2200*3000 |
2X-Ф2200*4500 |
2X-Ф2200*6000 |
|
單罐裝碳量 |
2.2~2.7 |
3.3~4.1 |
4.4~5.5 |
|
涼水塔t |
150 |
200 |
250 |
|
循環(huán)水泵t/h |
150*2 |
200*2 |
250*2 |
|
蒸汽t/h |
0.8 |
1.2 |
1.6 |
|
風(fēng)量m3/h |
27000 |
36000 |
40000 |
54000 |
溶劑量t/d |
4.8 |
5.6 |
4.8 |
5.6 |
吸附罐 |
3X-Ф2200*4500 |
3X-Ф2200*6000 |
4X-Ф2200*4500 |
4X-Ф2200*6000 |
生產(chǎn)過程廢氣,先經(jīng)預(yù)處理裝置處理氣體中的一些高分子的物質(zhì)和空氣中的細(xì)小顆粒,再經(jīng)冷卻器將溫度平衡穩(wěn)定至45℃以下。經(jīng)處理后的廢氣進(jìn)入吸附-脫附操作單元,溶劑被高性能活性碳材料吸附,凈化后空氣穿透吸附材料后排放至大氣。被吸附的溶劑通過蒸汽(氮?dú)猓┙馕?。解吸出來的有機(jī)溶劑進(jìn)入換熱器與冷卻水換熱,然后再經(jīng)冷凝為常溫液態(tài)后回收。經(jīng)廢氣凈化回收設(shè)備處理后排放的廢氣VOCs去除率在95%以上。整個工藝過程由PLC功能程序控制,自動切換,交替進(jìn)行吸附、解吸、冷卻、間歇四個工藝過程。
03VOCs轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)
VOCs轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)源于1950年美國人Bryant發(fā)明的轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù),1990年被應(yīng)用于VOCs的凈化。該技術(shù)目前適用于處理低濃度VOCs廢氣。由吸附VOCs轉(zhuǎn)芯、氣體過濾裝置、轉(zhuǎn)動裝置、風(fēng)機(jī)等組成。轉(zhuǎn)芯一般分為三個區(qū)域:吸附區(qū)、再生區(qū)、冷卻區(qū)。轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。沸石轉(zhuǎn)輪分為筒式轉(zhuǎn)輪和盤式轉(zhuǎn)輪。筒式沸石吸附轉(zhuǎn)輪組合(Cassette)為一中心軸承與轉(zhuǎn)體,轉(zhuǎn)體由沸石吸附介質(zhì)與陶瓷纖維制成。轉(zhuǎn)輪上包含用以分開處理廢氣及處理后釋出干凈氣體的密封墊,其材質(zhì)為能承受VOCS腐蝕性及高操作溫度的柔軟材料制成(一般為氟橡膠)。密封墊將蜂巢狀沸石吸附轉(zhuǎn)輪組合隔離成基本吸附區(qū)(Adsorption zone)及再生脫附區(qū)(Desorption zone)。有時為特殊需求亦可分成更多串聯(lián)區(qū);而吸附轉(zhuǎn)輪由一組電動驅(qū)動設(shè)備用以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪處理時為可變速、且可控制每小時旋轉(zhuǎn)2至5轉(zhuǎn)之能力,最大可到20轉(zhuǎn)/小時。沸石轉(zhuǎn)輪的吸附風(fēng)速一般2~4 m/s;脫附風(fēng)速1~5m/s。沸石轉(zhuǎn)輪的適用濕度為<80%,適用溫度<40℃,適用VOCs的沸點(diǎn)35~200℃。單套筒式轉(zhuǎn)輪的處理風(fēng)量10000~200000m³/h,如果分體運(yùn)輸可做得更大。
廢氣經(jīng)過濾后經(jīng)由風(fēng)機(jī)送至吸附區(qū),廢氣通過吸附劑被吸附得到凈化,凈化后的氣體從另一端被排出。接著被反方向吹掃的熱空氣脫附解吸,脫附下來的VOCs被收集進(jìn)行集中處理,吸附劑被進(jìn)入冷卻區(qū)冷卻后,入吸附區(qū)再次進(jìn)行吸附。
特點(diǎn):轉(zhuǎn)輪吸附具有運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、單位床層阻力小及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。
適用范圍:在印刷、集成電路、塑料加工、噴漆生產(chǎn)線等產(chǎn)生的低濃度大風(fēng)量有機(jī)廢氣。
設(shè)備(產(chǎn)品)分類概述:吸附轉(zhuǎn)輪用到的蜂窩結(jié)構(gòu)吸附劑制備方法主要有涂覆式、沉浸式和成型式3種,使用的吸附材料主要有活性炭、活性炭纖維和沸石分子篩3種。
設(shè)備(產(chǎn)品)說明:活性炭孔穴豐富,比表面積大,具有較好的廣譜適用性,相比沸石分子篩吸附容量要大,是目前使用最廣泛的吸附劑。不過濕度對其吸附性能有較大影響,當(dāng)廢氣中有大量水蒸氣時,吸附性能會大幅降低。而且由于解吸時溫度較高,存在易燃等安全性隱患。
活性炭纖維是繼活性炭后研制出新型吸附材料,其商業(yè)化生產(chǎn)始于上個世紀(jì)六十年代。與顆粒和粉末活性炭相比,活性炭纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性,因而可以加工成為布、織物、紙、氈等多種形式?;钚蕴坷w維有直接成型為蜂窩狀,制作成吸附轉(zhuǎn)輪。不僅如此,活性炭纖維有很高的比表面積,其BET比表面積可達(dá)1000~2000m2,且孔徑分布窄、均勻,并以微孔為主,其吸附量大,吸附快,再生容易,具有優(yōu)異的吸脫附性能?;钚蕴坷w維的應(yīng)用領(lǐng)域也非常的廣泛,在水處理、空氣凈化中都有使用。
沸石分子篩阻燃性好,可耐受高溫。沸石分子篩使用疏水性高硅分子篩,相對濕度RH>60%的廢氣工況下依然有良好的吸附性能,雖然成本比活性炭高,但是易于解吸,可循環(huán)使用更加環(huán)保。分子篩吸附濃縮系統(tǒng)的主要應(yīng)用于各種噴漆車間(汽車制造、造船、自行車制造、飛機(jī)制造、金屬制品等)的排氣處理,各種印刷車間(凹版印刷、建筑裝潢材料印刷、其他各種印刷過程)的排氣處理,鋁型材生產(chǎn)、鍍膜加工工藝等的排氣處理,各種電子制品制造過程的排氣處理,半導(dǎo)體集成電路、液晶顯示屏(LCD)制造過程的排氣處理,鋰離子電池制造(電極形成工序、電解液充填工序)過程的排氣處理,樹脂、橡膠、輪胎等制品生產(chǎn)過程的排氣處理,汽車維修店面、服裝干洗店等分散源揮發(fā)性有機(jī)物排氣處理。
【參考文獻(xiàn)及說明】
1、文中內(nèi)容節(jié)選自《環(huán)保裝備產(chǎn)品工程應(yīng)用后評估方法(VOCs與惡臭類)》,工業(yè)和信息化部委托課題;
2、文中內(nèi)容涉及裝備產(chǎn)品的有關(guān)技術(shù)參數(shù)、典型案例和現(xiàn)場圖片是經(jīng)行業(yè)案例征集、企業(yè)自愿提供和專家篩選后確定入選的。
來源:VOCs前沿