有机废气(VOCs)处理吸附法
吸附净化技术是一种成熟的化工单元过程,早已用于各种有机溶剂的回收,尤其是活性炭吸附法已经在印刷、电子、喷漆、胶粘剂等行业,用于对苯、二甲苯、四氯化碳等有机溶剂的回收。近几年来,由于环保要求的更加严格,吸附技术也得到了迅速的发展,出现了新的吸附工艺和设备,吸附剂的改进,如活性炭纤维和沸石的使用,也扩大了吸附技术的应用范围,使吸附成为有机废气 (溶剂 )处理技术的首选方法。
原理
活性碳多是粉末状或颗粒状 ,大部分情况下不能直接用于各种净化设备中 ,必须使活性炭具有一定形状和支撑强度 ,才能使用 ,活性炭经过特殊的工艺处理后 ,能产生丰富的微孔结构 ,这些人眼看不到的微孔能够依靠分子力 ,吸附各种有害的气体和液体分子 ,从而达到净化的目的。活性炭吸附过程包括吸附净化和热脱再生。吸附净化过程是将有机废气由排气风机送入吸附床 ,有机废气在吸附床被吸附剂吸附而使气体得到净化 ,净化后的气体排向大气即完成净化过程;热脱再生过程是当吸附床内吸附剂所吸附的有机物达到允许的吸附量时 ,该吸附床已经不能再进行吸附操作 ,而转入脱附再生。脱附再生即用来自催化的热空气吹扫吸附剂 ,使吸附的有机物脱附出来达到使吸附剂的吸附能力再生的目的。活性碳吸附法适用于大风量、低浓度、温度不高的有机废气治理。此法工艺成熟 ,效果可靠 ,易于回收有机溶剂 ,因此被广泛地应用于化工、喷漆、印刷、轻工等行业的有机废气治理 ,尤其是苯类、酮类的处理。在工业吸附过程中 ,活性炭是使用得最为广泛的一种吸附剂。但它也存在不耐高温、在湿润的条件下不能保持很好的吸附能力、易燃的缺点。沸石作为一种很好的替代吸附剂 ,已被逐步开发应用。
1 吸附-水蒸汽再生-溶剂回收净化工艺
吸附-水蒸汽再生-溶剂回收工艺是目前最为广泛使用的回收技术 ,其原理是利用粒状活性炭、活性炭纤维或沸石等吸附剂的多孔结构 ,将废气中的有机物捕获;当废气通过吸附床时 ,其中的有机物被吸附剂吸附在床层中 ,废气得到净化;由于吸附剂的价格较高 ,需要对其进行脱附再生 ,循环使用。当吸附剂吸附达到饱和后 ,通入水蒸汽加热吸附床 ,对吸附剂进行脱附再生 ,有机物被吹脱放出 ,并与水蒸汽形成蒸汽混合物一起离开吸附床。用冷凝器冷却蒸汽混合物 ,使其冷凝为液体。若有机溶剂为水溶性的 ,则使用精馏法 ,将液体混合物分离提纯;若为水不溶性 ,则用分离器直接分离回收 VOCs。具体可见图1。
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吸附-水蒸汽再生净化工艺 ,利用吸附剂吸附有机物 ,然后用蒸汽脱附 ,最后直接分离或进一步精馏对不溶于水的溶剂, 它是常规吸附方法与溶剂回收方法的组合 ,其特点是操作简单、效率高 ,适用于中、低浓度、大风量的VOCs废气 ,但投资较大、水蒸汽消耗大、溶剂回收有时成本高。
2 吸附-热再生-催化燃烧净化工艺
吸附-催化燃烧工艺是20世纪末发展起来的常规吸附方法与催化燃烧方法的组合工艺。该工艺原理是当吸附剂吸附达到饱和后 ,用热气流将有机物从吸附剂上脱附下来 ,使其再生 ,解吸释放的高浓度VOCs废气送往催化器催化燃烧 ,燃烧过程中产生的热量 ,一部分用于预热解吸后的高浓度VOCs废气 ,另一部分用于热解吸 ,其典型工艺流程可见图2。
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该工艺净化度高、适用范围广,适用于中、低浓度、大风量的VOCs废气 ,但投资大、催化剂容易中毒、不易维修。其中浓缩轮吸附-催化燃烧工艺是目前研究应用的一个典型案例,浓缩轮是一个由装满吸附剂(活性炭、活性炭纤维或沸石)的旋转轮组成 ,废气从旋转轮上游侧进入浓缩轮的吸附区 ,其中的有机物被吸附 ,净化的废气从旋转轮的下游侧排出;同时 ,另一股流量小得多 ,但温度较高的脱附气沿废气相反的方向进入浓缩轮的脱附区 ,脱附已经吸附的有机物。浓缩轮以一定的速度缓慢旋转 ,这样仅用一台设备即可完成吸附、脱附操作 ,并使吸附和脱附同时进行 ,将大气量、低浓度的废气处理 ,变成小气量、高浓度的废气处理 ,之后再进到催化反应器燃烧 ,使设备费用大大降低。
3 吸附-水蒸汽再生-溶剂回收净化新工艺
如上所述 ,使用水蒸汽进行脱附的方法 ,是吸附回收溶剂中最常用的一种方法。在大规模有机废气 (溶剂)的处理技术中 ,水蒸汽的用量很大 ,因此 ,新的吸附-水蒸汽再生-溶剂回收净化工艺提出从脱附后的水蒸汽中回收冷凝热 ,如图3所示 ,它是利用脱附后的水蒸汽冷凝热产生压力低一些的水蒸汽升压后 ,再回到脱附操作中使用的方法。
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使用这种方法 ,所需水蒸汽的蒸发潜热大部分能够回收 ,扣除水蒸汽升压所需的能量 ,还能回收很多能量。另外 ,为了抑制脱附时发生的酮类 VOCs废气的氧化、分解、聚合反应 ,或酯类 VOCs废气的水解反应等对温度依赖性大的溶剂的反应 ,在减压下用水蒸汽在低温 (100℃以下)进行脱附的方式 ,称为吸附-低温水蒸汽再生-溶剂回收净化新工艺(图4)。该工艺提出水蒸汽再生时与加压高温相反的思想 ,在脱附过程中采用真空泵降低压力与温度 ,这种方式能够提高活性炭吸附的安全性 ,同时提高回收溶剂的质量。
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