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VOCs废气的吸附回收净化工艺探讨

作者:ylhb 来源:《工业》 日期:2017-07-18 17:02:24 人气:33

       随着雾霾等空气污染日趋严重,挥发性有机化合物(VOCs,VolatileOrganicCompounds)的治理工作也愈发重视。可将VOCs的定义分为二类,一类只说明什么是挥发性有机物,或者是在什么条件下是挥发性有机物;另一类是环保意义上的定义,即会产生危害的一类挥发性有机物,具有易挥发和参加大气光化学反应。VOCs对人类及自然环境危害极大,在紫外线照射下VOCs和大气中的NOx发生光化学反应,产生O3二次污染物;同时,VOCs与大气中的颗粒物作用还会形成二次有机气溶胶,是形成雾霾重要源头。鉴于此,笔者介绍固定床吸附回收净化VOCs排放的技术及其应用,并对工程设计提出一些建议。      

       1、固定床吸附和脱附

       碳吸附通常作为污染物控制技术和或溶剂回收技术来用,利用碳的吸附能力将碳氢化合物和其他化合物有选择的吸附到碳表面。其适用于低浓度VOCs排放废气。碳吸附的净化效率可达95%~99%,可使出口浓度降低到50~100ppmv,对于某些化合物出口浓度甚至可降低到0~20ppmv。但是,具有低挥发性特点的高分子量化合物可以牢固的吸附在碳床上,使得脱附过程中很难将其去除彻底。因此,碳吸附不适用于高沸点(>200℃)、大分子量(Mr>130)化合物;高挥发性物质(Mr<45)不易吸附在碳床上;碳吸附过程要求气流的湿度不能高RH<50%)。为防止由于在碳床上的放热吸附过程和氧化反应而造成的床层温度过高,进入碳床的废气中VOCs浓度通常应小于1000ppmv,并要求同时确保VOCs浓度限制在低于LEL的25%。

图1两床式吸附脱附流程图

       碳床吸附饱和后,通入加热的惰性气体、低压蒸汽,或者联合采用抽真空和加热气体,使饱和吸附床再生(吸附的VOCs从碳表面去除),通常采用蒸汽作脱附。由于脱附是一种可逆过程,所以通过加热可以把吸附的VOCs脱附出来,但完全脱附在技术上很难达到并且在经济上也不切实际,所以总有一些“残余物”留在吸附床上。

       在蒸汽再生的最后期间,通常采用空气将因水蒸气而饱和的热床进行干燥和冷却。当采用蒸汽再生时,在蒸汽流出物中被脱附出来的VOCs一般要冷凝,之后通过简单的倾析法(不溶于水的物质)或蒸馏法回收VOCs(溶于水的物质)。

       2、含VOC废气的回收净化工艺流程及要点分析

       本文主要以某精细化工厂的尾气处理为例,介绍含VOC废气的回收净化工艺。该厂废气主要是成分式甲苯,排放的废气量平均达到25000Nm³/h,温度33℃,相对湿度40%,污染物浓度1000ppmv,要求去除率95%。

       2.1、工艺流程分析

       该废气温度<33℃,相对湿度小于50%,根据甲苯的LEL值的25%是3000ppmv,所以废气中甲苯浓度满足安全规范要求,该废气可以采用碳吸附回收工艺。

本系统采用两个吸附床一套蒸汽脱附系统。当含甲苯气体通过控制阀进入V001a吸附床,甲苯被活性碳吸附分离,净化后的洁净气体排入大气;而此时V001b吸附床处于脱附循环周期,蒸汽通过阀门进入V001b,加热吸附床及碳床,使得活性碳吸附的甲苯脱附并伴随蒸汽流离开吸附床进入冷凝器E001、E002(冷却液为冷却水),在冷凝器中甲苯和水蒸气被冷凝,液态甲苯和水在X002中使然分层,分别送入废液和废甲苯后续处理单元,而不凝气再次送入吸附床净化。脱附完成后通过空气干燥和降温碳床(当空气温度低于0℃或湿度接近饱和时,需要开启辅助加热器E003),干燥降温完成后吸附床V001b处于空闲待用状态;当V001a吸附床排气中甲苯浓度上升接近许可值时,含甲苯气体切换至V001b继续吸附,而此时V001a进入脱附循环周期。整个系统依次交替“吸附-脱附-吸附”连续操作。

       2.2、系统设计参数

       (1)吸附床。①活性碳用量:3800kg(单床);②吸附床直径:4.2m;③碳床高度:0.3m;④吸附床高度:1m。(2)蒸汽脱附。①蒸流量:550g/h;②脱附时间:1.7h;③干燥冷却时间:0.3h。(3)冷凝器。①冷凝器面积:23.23㎡;②冷却水用量:1800kg/h(4)回收产物。①回收甲苯:43kg/h。

       2.3、工艺要点分析

       (1)吸附床的安全要求。甲烷废气输送至本系统界区,首先阻火器进行物理安全隔离,避免本系统内的任何潜在的危险通过管路影响到废气源设备。吸附床安全措施有:①温度和压力传感器,时刻检测床层温度和压差及时发现潜在的危险影响;②吸附床顶部设有泄压门,当系统失控爆炸时保护系统主体不受损坏;③碳层顶部设有水喷淋降温灭火装置,该系统可以主动(PLC控制)和被动(PLC失控时)动;④碳层内设有惰性气体(N2、CO2)灭火装置。系统提供远传信号,送入系统的DCS,实时了解系统状态。冷凝系统前设有精密过滤器,确保脱附气流中可能的颗粒无法进入换热器。

       (2)脱附冷凝器设计。为了提高气体的冷凝速率,不仅要提高脱附气体的浓度,同时还应该选择较低的冷凝温度,通过降低冷凝温度来降低VOC蒸汽分压,从而提升回收率。一般蒸汽冷凝按照含不凝气的冷凝进行设计;通常采用卧式列管式冷凝器避免液膜阻力的存在对传热的不利影响;冷却剂走管程、气体走壳层,便面水垢的生成同时方便清理;虽然冷冻液的温度越低越有利于冷凝,单冷冻液温度不能低于冷凝液的冰点;较高的蒸汽速率有利于缩短脱附时间和提高脱附效率,但过快的蒸汽速率会引起活性炭的流化。如无严格计算条件下,冷凝器的总传热系数可以850w/㎡℃计。

       3、结语

       使用活性碳吸附—脱附冷凝回收净化处理工艺,对VOCs废气进行处理。该工艺不仅具有显著的经济效益,同时还具有较高的环境效益。该技术的实际工程用还需要结合具体废气组成、工况及公用工程等信息综合优化设计,才能达到实际效果。


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