余國(guó)英

國(guó)內(nèi)工業(yè)固定源VOCs吸附-冷凝-溶劑回收技術(shù)

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嘉園環(huán)保股份有限公司

該文對(duì)國(guó)內(nèi)環(huán)保行業(yè)近年推廣應(yīng)用的吸附-冷凝溶劑回收技術(shù)進(jìn)行工藝分析，并對(duì)工藝的回收能力和特征進(jìn)行總結(jié)，提出目前該技術(shù)工藝的相關(guān)進(jìn)展，指出政策指導(dǎo)下該技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)。

工業(yè)固定源 VOCs 溶劑 回收工藝

0 引言

隨著時(shí)代演變和科技發(fā)展，商品生產(chǎn)極大地豐富了社會(huì)的物質(zhì)文明，然而與之相伴的環(huán)境惡化卻不容忽視。有機(jī)廢氣排放造成的污染，不僅在破壞生態(tài)環(huán)境，其對(duì)人類身體健康的嚴(yán)重危害正被國(guó)人日益關(guān)注。

有機(jī)廢氣污染源主要來源于產(chǎn)品加工行業(yè)生產(chǎn)和儲(chǔ)存過程的附產(chǎn)物，如石油化工、制藥、噴涂、電子、印刷、制鞋、塑膠加工等。由于VOCs的組成隨著科技生產(chǎn)需求的日益復(fù)雜，相應(yīng)的環(huán)保治理技術(shù)也在難度和綜合應(yīng)用上日益發(fā)展，不斷開發(fā)組合。目前對(duì)有機(jī)廢氣的治理工藝主要是回收技術(shù)和銷毀技術(shù)，回收主要指吸附、吸收、冷凝及膜分離技術(shù)等；銷毀主要指熱力氧化、生物降解、等離子轉(zhuǎn)化、光催化氧化等，但隨著國(guó)內(nèi)近年節(jié)能及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策引導(dǎo)，作為銷毀技術(shù)主要工藝的熱力氧化工藝，在技術(shù)上常通過配套熱量回收工段達(dá)到節(jié)能的目的。

本文就目前應(yīng)用廣泛且發(fā)展趨勢(shì)較突出的常壓吸附—冷凝—溶劑回收技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 吸附-冷凝回收技術(shù)

吸附—冷凝溶劑回收技術(shù)，即組合了回收技術(shù)中的兩大工藝——吸附和冷凝。單一的吸附工藝因?yàn)槿狈ξ絼┰偕δ?，治理工業(yè)有機(jī)廢氣存在使用周期短、運(yùn)行成本大、二次污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)；單一的冷凝工藝對(duì)治理工業(yè)有機(jī)廢氣這類多組分物質(zhì)則存在分離困難、投資大、操作控制要求高的問題。組合吸附與冷凝工藝使技術(shù)應(yīng)用范圍得以克服弊端，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

1.1 吸附劑

環(huán)保治理所提的吸附工藝大多是指物理吸附，即吸附質(zhì)的被吸附與被脫附是相互可逆且同時(shí)發(fā)生的，對(duì)外表現(xiàn)為吸附或脫附進(jìn)程，取決于兩種進(jìn)程的動(dòng)力對(duì)比。

在VOCs吸附工段中，固體吸附劑的選取得當(dāng)是治理效果的關(guān)鍵因素之一。在溶劑回收工藝中常用的兩種吸附劑是顆?；钚蕴亢突钚蕴坷w維。

顆?；钚蕴康闹饕a(chǎn)工藝流程如下：

煤焦油、煤瀝青、粘結(jié)劑→粉碎混合→液壓成型→晾干→炭化→活化→篩選→包裝

活性炭纖維的主要生產(chǎn)工藝流程[1]如下：

原絲或纖維→浸漬（預(yù)處理）→氧化→炭化→活化→表面處理→包裝

選取吸附劑，在于衡量其應(yīng)用的性能及工程經(jīng)濟(jì)性，包括——吸附容量、再生性、氣流阻力、動(dòng)力學(xué)性能、強(qiáng)度、安全性、適用物質(zhì)范圍、采購(gòu)成本等；吸附—冷凝溶劑回收技術(shù)中常用的兩種活性炭吸附劑性能對(duì)比見表1。

表1 煤質(zhì)顆粒活性炭與活性炭纖維在溶劑回收工藝性狀對(duì)比[2]

1.2 吸附設(shè)備

溶劑回收中，吸附設(shè)備因裝填活性炭的類型分為裝填顆粒炭的吸附罐（臥式或立式）和裝填多單元活性炭纖維吸附芯組合的吸附罐兩種，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)分別見圖1、圖2。此外還有一些流化床和移動(dòng)床在國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用推廣上尚不普遍。

以下就顆粒碳吸附罐和碳纖維吸附罐的工藝區(qū)別進(jìn)行闡述。

1.2.1顆粒炭吸附罐

工藝流程示意如圖3所示。

圖1 顆粒炭吸附罐

圖2 碳纖維吸附罐

圖3 顆粒碳罐吸附-冷凝溶劑回收工藝流程簡(jiǎn)圖

顆粒炭吸附罐在溶劑回收工藝中主要經(jīng)過“吸附—脫附—烘干—冷卻—吸附準(zhǔn)備”五個(gè)工段，常用于以混合溶劑回收或是提純前粗回收工段為目的的溶劑回收裝置系統(tǒng)。

由于吸附質(zhì)經(jīng)過吸附劑的過程是吸附與脫附同時(shí)存在的過程，表觀過程取決于各自的速度和動(dòng)力，同時(shí)吸附進(jìn)程還會(huì)產(chǎn)生放熱，故而吸附進(jìn)氣的溫度對(duì)吸附的效率十分重要，一般控制在50℃以下，過高的溫度還存在安全隱患；溫度過低（接近冰點(diǎn)），由于水分子會(huì)凝結(jié)占據(jù)活性炭表面，降低吸附效率，工程中一般控制進(jìn)氣溫度5℃～40℃。

為控制廢氣與碳層的接觸時(shí)間，廢氣過碳層的流速設(shè)計(jì)取值為0.2～0.4m/s，罐內(nèi)碳層裝填厚度控制在700～900mm。由于水蒸氣脫附活性炭后，在碳層中余留大量水份，若使活性炭受浸泡，將影響顆粒碳強(qiáng)度、吸附性能和壽命，故需要對(duì)脫附后的碳層進(jìn)行烘干去除大部分水分，考慮設(shè)備安全，烘干熱風(fēng)氣溫低于80℃；同樣，為了保證吸附的有效進(jìn)行，一般在烘干后對(duì)碳層進(jìn)行適當(dāng)冷卻，冷卻碳層至低于50℃即可。

顆粒碳吸附罐投用初期，碳層裝填密實(shí)度不緊，運(yùn)行一段時(shí)間后，需要開罐檢查碳層表面是否有沉降；或是一段時(shí)間的吸脫、烘干冷卻工段后，小部分顆粒碳會(huì)斷裂粉碎，碳層的裝填高度也會(huì)減少，需要定期人為補(bǔ)充。

1.2.2碳纖維吸附罐

碳纖維吸附罐是由幾個(gè)碳纖維卷覆的吸附芯及罐體組成。碳纖維氈卷覆厚度一般控制在180～300mm，受成品幅寬的影響，單個(gè)吸附芯的高度在1～2m范圍內(nèi)。為了便于成型及運(yùn)行后不會(huì)受氣流影響變形沉降，通常在包縛碳纖維的同時(shí)會(huì)用不銹鋼絲網(wǎng)作為卷覆碳層的支撐。

碳纖維吸附罐在溶劑回收工藝中主要經(jīng)過“吸附-脫附-吸附準(zhǔn)備”三個(gè)工段，整個(gè)周期合計(jì)用時(shí)在30～40min即可，與顆粒碳吸附罐運(yùn)行相比，明顯少了“烘干-冷卻”兩個(gè)工段，在這點(diǎn)上該設(shè)備減少了投資配套成本并提高了運(yùn)行效率。

由于碳纖維本身的容重和優(yōu)越的吸脫附性能，使得碳纖維吸附罐外型和重量都比顆粒炭吸附罐小很多。除了碳纖維本身單價(jià)高以外，因?yàn)樘祭w維良好的吸脫附性能，使得用碳纖維吸附罐的工藝控制切換頻繁，罐內(nèi)操作環(huán)境變化快，對(duì)罐體材質(zhì)要求高，閥門、儀表要求靈敏耐用，這些都增加了碳纖維吸附工藝的投資成本，但由于碳纖維的壽命一般是顆粒炭的2～3倍，運(yùn)行效率高，其成本回收期相對(duì)于顆粒碳吸附罐更具優(yōu)勢(shì)。

碳纖維在更換時(shí)因以單個(gè)吸附芯操作更換，較之顆粒碳吸附罐換碳而言，更換纖維碳既簡(jiǎn)單也潔凈，勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)低。

1.3 切換閥

吸附-冷凝-溶劑回收設(shè)備還需要切換閥參與控制運(yùn)行，要求切換閥動(dòng)作到位、閥門密封性能好、閥門及密封材料耐高溫、耐腐蝕、耐磨損，故主設(shè)備上切換閥多為與設(shè)備配套設(shè)計(jì)加工，主要為二通閥、三通閥、蓋板閥等形式。

切換閥的驅(qū)動(dòng)方式需通過配套執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)，通常包括氣動(dòng)、電動(dòng)及液壓三種，三種驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單對(duì)比說明見表2。

表2 切換閥驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比表[3]

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)耐久性差、故障多，降低了使用可靠性；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)因受氣源品質(zhì)影響，故障多；但輸出力小、控制簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)環(huán)保設(shè)備中應(yīng)用較普遍；液壓傳動(dòng)具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但存在因附屬設(shè)備多、增加投資，增大設(shè)備維護(hù)工作量的影響因素，不利推廣。

1.4 輔助設(shè)備

吸附-冷凝回收工藝除以上主要吸附、脫附段設(shè)備外，還包括冷凝-回收的輔助設(shè)備：冷凝器、冷卻塔、壓縮空氣、引風(fēng)機(jī)及儲(chǔ)槽等，多為專業(yè)廠家供貨，此處不詳細(xì)說明。

2 溶劑回收技術(shù)特征

溶劑回收工藝，通過使回收溶劑再利用減少原料損耗實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，工藝的特征分析詳見表3。

表3 溶劑回收技術(shù)特征列表

3 技術(shù)進(jìn)展

針對(duì)設(shè)備使用業(yè)主沒有水蒸氣可用于脫附再生的情況，可選用不與進(jìn)氣組分反應(yīng)的惰性氣體作為脫附劑，國(guó)內(nèi)環(huán)保領(lǐng)域近年已用氮?dú)獾葰怏w取代水蒸氣進(jìn)行脫附回收工程實(shí)例，實(shí)踐證明該技術(shù)可避免傳統(tǒng)水蒸氣脫附—溶劑回收技術(shù)的二次污染，脫附氣體可循環(huán)利用，吸附質(zhì)使用壽命延長(zhǎng)及環(huán)保設(shè)備無特殊腐蝕影響可降低制造成本，是溶劑回收技術(shù)積極發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

由于采用高溫蒸汽進(jìn)行脫附，存在安全控制隱患；且部分酮等含活性物質(zhì)會(huì)與活性炭或在活性炭表面發(fā)生反應(yīng)，造成堵塞或熱量蓄積過高易著火[4]。針對(duì)此缺點(diǎn)，已有研究將分子篩引用到環(huán)保行業(yè)替代活性炭作為吸附劑并在國(guó)內(nèi)投建工程實(shí)例，吸附脫附性能良好（參見表1）且安全性高，但因目前分子篩造價(jià)過高，國(guó)內(nèi)環(huán)保技術(shù)推廣上受一定限制。

基于溫度與壓力對(duì)吸附劑的吸附、脫附效率的影響，化工行業(yè)引用到環(huán)保行業(yè)的變溫變壓吸附脫附技術(shù)得到推廣，通過加壓延長(zhǎng)吸附劑的吸附周期，以及減壓和升溫提高吸附劑的脫附效率，設(shè)備處理性能明顯提高，對(duì)于組分簡(jiǎn)單且回收價(jià)值高的廢氣采用此技術(shù)，回收產(chǎn)品純度高且投資成本回收快。

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)保技術(shù)要得到推廣應(yīng)用一定要有好的工程經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)支持，要讓投建和使用企業(yè)看到環(huán)保投資不僅停留在環(huán)保效益和社會(huì)責(zé)任層面，經(jīng)濟(jì)效益也在不斷提高，這是環(huán)保技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的方向。

溶劑回收技術(shù)同其他環(huán)保技術(shù)一樣都在不斷革新改進(jìn),發(fā)展趨勢(shì)和努力方向是——節(jié)能、減排，縮減占地、投資，高自動(dòng)化、高安全穩(wěn)定。

[1] 劉永衛(wèi),曹春鋒,武彤,等. 活性炭纖維的生產(chǎn)工藝和應(yīng)用[J]. 河北工業(yè)科技，2008, 25(1):57-61.

[2] 王茂章, 賀福. 碳纖維的制造、性質(zhì)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1984.

[3] 羅國(guó)民. 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[4] 閆勇. 有機(jī)廢氣中揮發(fā)有機(jī)物（VOC）的凈化回收技術(shù)——炭吸附和膜分離[J]. 化工進(jìn)展，1996(5): 26.