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活性炭吸附法治理廢氣干貨專篇1
1活性炭簡述
活性炭是經(jīng)過活化處理后的碳,其具備比表面積大,孔隙多的特點,使其具有較強吸附能力。顆粒碳比表面積一般可達700—1200m2/g,其孔徑大小范圍在1.5nm一5um之間。其吸附方式主要通過2種途徑:一是活性炭與氣體分子間的范德華力,當氣體分子經(jīng)過活性炭表面,范德華力起主導作用時,氣體分子先被吸附至活性炭外表面,小于活性炭孔徑的分子經(jīng)內(nèi)部擴散轉(zhuǎn)移至內(nèi)表面,從而達到吸附的效果,此為物理吸附;二是吸附質(zhì)與吸附劑表面原子間的化學鍵合成,此為化學吸附?;钚蕴课揭话氵m用于大風量、低濃度、低濕度、低含塵的有ji廢氣。
活性炭吸附在VOCs治理中利用吸附劑(粒狀活性炭和活性炭纖維)的多孔結(jié)構(gòu),將廢氣中的VOC捕獲。將含VOC的有ji廢氣通過活性炭床,其中的VOC被吸附劑吸附,廢氣de到凈化,而排入大氣。
活性炭吸附法主要用于脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等的回收。
活性炭吸附VOCs的特點
活性炭作為目前zui常用的VOCs吸附劑,主要有以下特點。
(1) 活性炭具有孔徑分布廣泛、孔隙率高和比表面積大的優(yōu)點。
(2) 活性炭的機械性能gao、化學性質(zhì)穩(wěn)定,能在較大的pH 范圍內(nèi)使用。
(3) 活性炭具有一ding的催化活性。
(4) 活性炭的疏水性使其對揮發(fā)性有ji化合物有ji強的吸附性,并且能在較大的濕度下依然保持較強吸附性能。
2活性炭吸附適用范圍
吸附技術(shù)是zui為經(jīng)典和常用的氣體凈化技術(shù),也是目前工業(yè)VOCs治理的主流技術(shù)之一。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gao濃度的有ji氣體,一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進行“降濃”處理,然后再進行吸附凈化。對于“油氣”等gao濃度VOCs氣體的凈化,也可以采用吸附法(降壓解吸zai生 ),但對活性炭有一些te殊的要求。
活性炭吸附技術(shù)主要用于廢氣中組分比較簡單、有ji物回收利用價值較高的情況,適于噴漆、印刷和粘合劑等溫度不高,濕度不大,排氣量較大的場合,尤其對含鹵化物的凈化回收geng為有xiao。-
2.1 污染物濃度要求
除溶劑和油氣儲運銷裝置的有ji廢氣吸附回收外,進入吸附裝置的有ji廢氣中有ji物的濃度應(yīng)低于其爆炸ji限下限的25%。當廢氣中有ji物的nong度gao于其爆炸ji限下限的25%時,應(yīng)使其降低到其爆炸ji限下限的25%后方可進行吸附凈化。對于含有混合有ji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ji限下限值的 25%,即 P
Pm=(P1+P2+...+Pn)/(V1/P1+V2/P2+...+Vn/Pn)
式中:
Pm——混合氣體爆炸ji限下限值,%
P1,P2, , , Pn——混合有ji廢氣中各組分的爆炸ji限下限值,%
V1, V2,, , Vn——混合有ji廢氣中各組分所占的體積百分數(shù),%
n——混合有ji廢氣中所含有ji化合物的種數(shù)。
廢氣濃度: LEL25 ~50%
2.2 氣體溫度要求
進入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃。正常情況下,VOCs氣源溫度需要低于40℃才能讓活性炭進行工作,25℃是活性炭產(chǎn)品吸附條件比較合適的溫度,實際的工程應(yīng)用中,如果一旦溫度不在這個范圍內(nèi),那么活性炭吸附VOCs氣源就會變得比較吃力,或者因為氣溫氣壓的變化出現(xiàn)VOCs氣源釋放的情況。
2.3 濕度對活性炭吸附性能的影響
2.3.1 濕度要求
進入活性炭吸附裝置的廢氣濕度應(yīng)該盡可能低。
2.3.2原理
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ji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。
2.3.3提gao活性炭的疏水性能的方法
(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 )。
2.4 顆粒物影響
進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zui大 (噴涂廢氣的處理難題)
絮狀顆粒物 (印刷、橡膠、化纖等生產(chǎn)過程)
2.5 廢氣成分的影響
2.5.1活性炭的“中毒”(或劣化 )
高沸點 (或“半揮發(fā)性”)物質(zhì)zai生困難,在活性炭上聚集,如硅烷、油脂等化合物,需要通過冷凝、過濾、吸附等預處理首先jin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,也會很快引起活性炭吸附性能急劇下降。
2.5.2活性炭的反應(yīng)活性(催化性)
活性炭表面具有催化活性,會與一些化合物部分進行氧化、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ji酸;
(2)MEK(甲乙酮)、MIBK(甲基異丁基酮)易被氧化形成有ji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發(fā)生水解生產(chǎn)二甲胺,造成臭氣排放問題。
2.5.3廢氣成分造成的問題
(1) 回收的溶劑變色、發(fā)臭(如包裝印刷廢氣 )
(2) 聚合后難zai生,造成活性炭中毒(劣化 )
(3) 反應(yīng)放熱,造成活性炭著火。
3 活性炭吸附的影響因素
3.1活性炭孔隙分布對VOCs 吸附效果的分析
活性炭不同孔徑的孔隙具有完quan不同的吸附機理。其中微孔(<2nm)吸附基本符合微孔填充理論,即固體吸附劑表面存在位勢場,鄰近的VOCs分子在場的作用下吸附在吸附劑表面;過渡孔(2nm 至100nm)吸附時除單分子層和多分子層吸附外,更主要的是通過毛細凝聚機理產(chǎn)生容積填充吸附;大孔(>100nm)吸附主要是多分子層吸附,符合BET 理論。此外,活性炭的孔徑要和VOCs 的分子大小相匹配才能被有xiao吸附。在分子大小相匹配的情況下,活性炭孔徑的分布越均勻、孔的形狀越規(guī)則,則活性炭吸附效果越好。
梁曉懌等通過活性炭對甲醛氣體的吸附試驗,證明吸附效果與活性炭孔結(jié)構(gòu)和甲醛分子的表面官能團密切相關(guān):活性炭的微孔比表面積越大,其表面能越高,吸附效果越明顯;若活性炭過渡孔比表面積大,則吸附達到平衡的時間短。
3.2 活性炭活化方式對VOCs吸附效果的分析
活性炭的活化按活化方式可分為物理活化和化學活化。其中物理活化是利用活性氣體在較高溫度下對活性炭進行弱氧化,常用水蒸氣或CO2來活化活性炭?;瘜W活化法是在一ding溫度下將活性炭浸漬在化學藥品中對其表面進行改性,常用硝酸及其鹽類。
R. R.Bansod 等利用不同原料和不同方法制備的活性炭對苯、二氯甲烷、四氯化碳等化合物進行吸附試驗。結(jié)果表明,活性炭的制備材料和制作過程對活性炭吸附能力有顯著影響。
3.3 對不同初始濃度VOCs吸附效果的分析
VOCs濃度對活性炭吸附效果有顯著影響。一般情況下,VOCs初始濃度越大,其對活性炭的穿透時間和飽和時間越短。活性炭對gao濃度VOCs 吸附的過程屬于物理吸附,基本不用考慮化學吸附的影響,吸附效果主要取決于活性炭孔徑的大小和數(shù)量;而對于低濃度VOCs 吸附的過程屬于化學吸附,吸附效果主要取決于VOCs的化學性質(zhì)。
袁文輝等進行了不同濃度的甲苯吸附試驗。結(jié)果表明,不同濃度甲苯的10% 穿透吸附劑的時間與吸附質(zhì)初始濃度的對數(shù)存在線性關(guān)系,即吸附質(zhì)初始濃度越大,其透過吸附劑的時間越短,吸附質(zhì)的吸附效果越好。
3.4 對不同分子量和極性VOCs吸附效果的分析
VOCs的分子量和極性對活性炭吸附效果有很大影響。一般情況下,若VOCs結(jié)構(gòu)類似,其相對分子質(zhì)量越大,則被吸附得越多;對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)都相近的VOCs,則是不飽和性越大越易被吸附。
Yu-ChunChiang等利用不同原料制配的活性炭吸附苯、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳4 種VOCs。結(jié)果表明,活性炭對苯的吸附效果geng強,因為苯有較高的吸附熱和較低的熵變。
3.5 不同組分VOCs吸附效果的分析
VOCs的組分不同,活性炭吸附的效果不同。因為VOCs各組分的吸附親和力不同,在被活性炭吸附時會產(chǎn)生競爭效應(yīng)。VOCs各組分在活性炭表面的吸附過程是一個吸附和解離的動態(tài)平衡過程,吸附neng力qiang的VOCs組分先達到動態(tài)平衡,吸附能力弱的VOCs組分后達到平衡。
3.6 其他因素對活性炭吸附效果的分析
VOCs流量、吸附劑的填充密度等對吸附質(zhì)的吸附效果都有不同程度的影響。袁文輝研究了用活性炭吸附苯系物的試驗。結(jié)果表明,VOCs的流量加大會較快到達穿透點和吸附飽和點,吸附曲線斜率不變,使穿透曲線發(fā)生前移;吸附劑填充密度對吸附質(zhì)穿透時間與飽和時間都有影響,吸附劑填充密度大有利于吸附。
吸附技術(shù)是zui為經(jīng)典和常用的氣體凈化技術(shù),也是目前工業(yè)VOCs 治理的主流技術(shù)之一。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gao濃度的有ji氣體,一般情況下首先需要經(jīng)過冷凝等工藝進行“降濃”處理,然后再進行吸附凈化。
4 活性炭吸附裝置及計算
4.1空塔氣速的確定
空塔氣速為氣體通過吸附器整個橫截面的速度??账馑俚倪x擇不僅直接決定了吸附器尺寸和壓降的大小,而且還會影響吸附效率。氣速很小,則吸附器的尺寸很大,不經(jīng)濟;氣速過大,則壓降會增大,使吸附效率受到影響。通過實驗確定zui佳氣速。吸附設(shè)計中不能追求過高的吸附效率,把空塔速度取值降低,那樣會使吸附床體積、吸附劑用量和設(shè)備造價大為提高;反之也不宜取過大的空塔氣速,那樣設(shè)備費用雖低,但吸附效率下降很多,且體系壓降會隨空塔速度的增大上升很快,造成動力消耗過大,因此應(yīng)選取合適的空塔氣速,zui適宜的空塔氣速為0.8~1.2m/s。
4.2過濾風速的確定
活性炭過濾風速在《吸附法工業(yè)有ji廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2026—2013)中,可以查到固定床吸附,采用顆粒狀吸附劑氣體流速宜低于0.6m/s,采用纖維狀吸附劑氣體流速宜低于0.15m/s,采用蜂窩狀吸附劑氣體流速宜低于1.2m/s;過濾面積即可根據(jù)處理風量和過濾風速計算得出。
4.3吸附層計算
碳層厚度的設(shè)計,就需要結(jié)合廢氣的產(chǎn)生濃度、去除效率、活性炭的更換時長等因素進行。一般會采用2種方式計算碳層厚度:1、根據(jù)活性炭需要的更換周期,來確定活性炭的總的裝填量,之后再根據(jù)過濾面積計算碳層厚度;2、在考慮吸附箱尺寸大小、碳層風阻、過濾風速的情況下,依照經(jīng)驗直接選定一個厚度值。
以上設(shè)計基于活性炭的吸附速率為一個恒定值或者無xian大到可忽略不計的情況下設(shè)計的。而實際中吸附速率目前還不能有xiao計算出,不同的碳、不同的過濾風速、不同的風壓等等,都會影響碳層的速率吸附速率。
實際中影響碳層吸附速率的因素有:吸附質(zhì)濃度、風壓、溫度、活性炭比表面積等等,各條件參數(shù)之間的關(guān)系可以表示為以下公式:
停留時間確定后,活性炭的厚度即可根據(jù)設(shè)計的過濾風速計算得出。
計算步驟:
假定吸附床到達穿透時間時全部處于飽和狀態(tài),即達到它的平衡吸附量a,也稱a為凈活度,在吸附作用時間t內(nèi),所吸附污染物的量為:
式中:X---在時間t內(nèi)的吸附量;
a---靜活度,重量,%
S---吸附層的截面積,m2
L---吸附層高度,m
---吸附劑的堆積密度;
活性炭的作用時間由下式算出:
式中:V---活性碳的裝填量,m3
C---jin口氣污染物濃度,mg/m3
Q---氣流量,m3/h
t---活性炭使用時間,h
W---活性炭原粒度的中重量穿透炭容,%
d---活性炭的堆密度,t/m3
由上述公式可計算出吸附作用時間及吸附層高度
吸附劑用量M:
4.4吸附裝置分析
同樣的條件下,一般活性炭層的厚度越厚,其去除效率也會越高,但實際應(yīng)用中,為提高設(shè)備的經(jīng)濟性,通常要考慮碳層厚度不能無xian制的加厚,因此對于活性炭層厚度的選擇,需要根據(jù)去除效率要求和碳本身的吸附速率,進行有xiao設(shè)計計算??梢钥闯觯?/span>(1)碳層厚度選擇小,吸附速率慢,碳層就會容易被穿透,導致去除效率降低;(2)碳層厚度選擇大,吸附速率快,碳層就不容易被穿透,碳可以長時間使用。
當炭吸附達到飽和后,對飽和的炭床進行脫附zai生;通入水蒸汽加熱炭層,VOC被吹脫放出,并與水蒸汽形成蒸汽混合物,一起離開炭吸附床,用冷凝器冷卻蒸汽混合物,使蒸汽冷凝為液體。
對于水溶性VOC氣體,用精餾將液體混合物提純;水不溶性VOC氣體,用沉析器直接回收VOC。比如,涂料中所用的“三苯”與水互不相溶,故可以直接回收。
采用纖維狀活性炭時,吸附單元的壓力損失宜低于4kPa;采用其他形狀吸附劑時,吸附單元的壓力損失宜低于2.5kPa。
對于一次性吸附工藝,當排氣濃度不能滿足設(shè)計或排放要求時應(yīng)更換吸附劑;對于可zai生工藝,應(yīng)定期對吸附劑動態(tài)吸附量進行檢測,當動態(tài)吸附量降低至設(shè)計值的80%時宜更換吸附劑。
4.5吸附劑zai生溫度
當使用水蒸氣zai生時,水蒸氣的溫度宜低于140℃。
當使用熱空氣zai生時,對于活性炭和活性炭纖維吸附劑,熱氣流溫度應(yīng)低于120℃。含有酮類等易燃氣體時,不得采用熱空氣zai生。脫附后氣流中有ji物的濃度應(yīng)嚴格控制在其爆炸下限的25%以下。
4.6常用吸附床特點比較
類型 | 主要特點比較 |
固定床吸附器 | 1. 結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價ge低lian 2. 適用于小型、分散、間歇性的污染源治理 3. 吸附和脫附交替進行、間歇操作 4. 應(yīng)用廣泛 |
移動床吸附器 | 1. 處理qi體量大,吸附劑殼循環(huán)使用,適用于穩(wěn)定、連續(xù)量大的氣體凈化 2. 吸附和脫附連續(xù)完成 3. 動力和熱力消耗大,吸附劑磨損嚴重 |
流化床吸附器 | 1. 結(jié)構(gòu)復雜,造價昂貴 2. 氣體和固體接觸相當充分 3. 生產(chǎn)能力大,適合治理連續(xù)性、大氣量的污染源 4. 吸附劑和容器的磨損嚴重 |
5活性炭吸脫附技術(shù)
5.1變壓吸附
變壓吸附 (PSA),是指在恒溫或無熱源狀態(tài)中,利用對系統(tǒng)壓力周期性調(diào)整的形式,促使吸附質(zhì)在多種壓力環(huán)境下進行吸、脫附的循環(huán)運轉(zhuǎn)過程。結(jié)合操作方式的差異性,根據(jù)范德華力之間的差異性,可將PSA分為用普通活性炭進行分離的平衡吸附型和用te特shu活性炭分子篩實現(xiàn)分離的速度分離型。大部分吸附處理工藝多是在常壓條件下進行,脫附流程則是應(yīng)用降低操作壓力或抽真空的方式去操作的,并且在脫附過程中真空度越大,脫附越優(yōu)良。但是在現(xiàn)實操作過程中,高真空度對吸附設(shè)備性能提出較gao要求且運行期間能耗量較大,結(jié)合VOCs的治理成本與吸附效果等因素,工業(yè)通常將脫附壓力設(shè)為8~10kPa。PSA技術(shù)因為自動化程度較高,故此可構(gòu)建循環(huán)操作模式,但是在具體操作期間需連續(xù)加壓減壓,對設(shè)備性能要求較高,能源耗用量較大,通常被應(yīng)用在gao檔溶劑的回收ling域中。變壓吸附過程中VOCs氣相濃度變化規(guī)律見圖1。
圖1 吸附過程開始時氣相濃度分布示意圖
5.2 變溫吸附
變溫吸附(TSA)的運行機理可做出如下闡述:應(yīng)用吸附劑的平衡吸附量伴隨溫度上升而下降的屬性,實現(xiàn)在常溫條件下的吸附,溫度上升后達到預設(shè)脫附目標的過程。活性炭脫附過程吸熱,升溫對脫附效率的提升有明顯的cu進作用。若采用水蒸氣、熱氣體等介質(zhì)進行脫附時,脫附溫度一般被控制在100~200℃范疇中。在對VOCs進行吸附處理過程中,如果吸附量指標偏高,吸附質(zhì)屬于沸點偏低的小分子碳氫化合物與芳香族有ji物時,可利用水蒸氣脫附以后進行冷凝回收;如果若吸附量偏低,例如吸附對象是甲苯、二甲基乙酞胺等 VOCs,建議應(yīng)用其他熱氣體(熱空氣、熱N2 等)吹掃進行脫附,在以上工藝結(jié)束后可采用灼燒或再吸附工藝技術(shù)實現(xiàn)回收。RAMALINGAM等應(yīng)用TSA技術(shù),對室內(nèi)環(huán)境中室內(nèi)常見丙酮、二氯甲烷與甲酸乙酯3類VOCs的回收利用情況進行分析,發(fā)現(xiàn)以上三類VOCs熱N2 zai生的最適操作條件為:T=170℃、V=0.17m/s。和變壓吸附相比較,變溫吸附通常會應(yīng)用固定床,固定床吸附效率geng高,設(shè)備設(shè)施簡單,工藝相對成熟化。
5.3變電吸附
變電吸附(ESA),多被應(yīng)用到氣體凈化與分離ling域中,其是最近幾年中剛剛yan發(fā)的一類新興工藝,本質(zhì)是變溫吸附。但是和傳統(tǒng)變溫吸附相比較,變電吸附脫附過程是用電加熱飽和吸附劑去實現(xiàn)的,焦耳效應(yīng)形成的熱量會對吸附質(zhì)的釋放過程產(chǎn)生明顯的cu進作用。將變電吸附應(yīng)用于VOCs處理ling域中,有如下諸多優(yōu)勢:①加熱系統(tǒng)構(gòu)造簡單;②能量可直接傳給吸附劑,提升能量的利用效率;③加熱xiao率gao,能明顯降低VOCs處理過程中能量損耗率;④可獨立管控氣體流速與吸附劑溫度的上升速率;⑤熱量流與質(zhì)量流的方向一致,能有助于進一步提升脫附效率;⑥運行成本低廉,和熱蒸氣zai生工藝相比較,變電脫附可節(jié)約50.0%以上的費用;⑦;zai生性能優(yōu)良,guo外有研究發(fā)現(xiàn),變電吸附工藝經(jīng)12次循環(huán)使用后,吸附劑的吸附容量依然 保留97.0~100.0%。