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揮發性有機物(VOCs)吸附回收技術進展

文章來源:藍龍環境 作者:藍龍環境 瀏覽量: 發布時間:2018-08-02 14:29

  近年來,我國多個地區多次出現大范圍的霧霆天氣,以臭氧、細顆粒物(PM2.5)、酸雨為特征的區域性大氣復合污染問題日益突出。作為臭氧和二次有機顆粒物的重要前體物,揮發性有機物(VolatileOrganicCompounds,VOCs)在大氣化學反應過程中扮演著極其重要的角色。同時,大部分的VOCs都具有較強的刺激性和毒性。如苯被列為一類致癌物質,正己烷、庚烷和辛烷會影響人的神經系統。

  2010年5月提出了加強VOCs污染防治工作的要求,將VOCs和SO2、NOx與顆粒物一起列為改善大氣環境質量的優控重點污染物。2012年12月底出臺的我國綜合性大氣污染防治規劃《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》要求提高VOCs排放類項目建設要求,開展重點行業治理,完善VOCs污染防治體系。

  在生產過程中采用替代產品、改進工藝和更換設備是減少VOCs產生和排放的措施,然而對于一些工藝過程和生產而言,清潔生產的路還很長,在短時期內末端控制技術仍然是必不可少的一種手段。目前VOCs的治理技術主要包括回收法和銷毀法。無論從環保還是從經濟角度來看,回收法都是值得提倡的VOCs治理技術。

  VOCs回收技術包括吸附、冷凝、吸收、膜分離等,其中吸附法設備簡單、適用范圍廣、凈化效率高,是一種傳統的VOCs治理技術,也是目前應用廣的治理技術。席勁瑛等通過調研大量工業VOCs處理技術工程案例發現,吸附技術在國內的市場占有率高(38%),在適于回收VOCs的情況下,吸附技術是一種經濟、符合清潔生產理念的選擇,因此在國內外得到廣泛應用網。

  一、吸附法治理技術:

  吸附法是利用各種固體吸附劑對排放廢氣中的污染物進行吸附凈化的方法網。通常吸附分為物理吸附和化學吸附兩類,而VOCs廢氣的凈化主要采用物理吸附方法。吸附法適宜處理低濃度、高風量的有機廢氣,主要用于吸附回收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。吸附法的關鍵技術是吸附劑、吸附設備和工藝、再生介質、后處理工藝等的確定。

  1、常用吸附劑

  目前在VOCs凈化中常用的吸附劑有無機和有機吸附劑兩類,應用較多的是無機吸附劑,主要有活性炭(包括顆?;钚蕴?、蜂窩活性炭和活性炭纖維)、分子篩(包括顆粒分子篩、分子篩成型體蜂窩和分子篩涂覆材料)、沸石、顆粒硅膠、活性氧化鋁、多孔粘土礦石等,有機吸附劑主要是指高聚物吸附樹脂。

  無機吸附劑是活性炭。與顆?;钚蕴肯啾?,蜂窩活性炭具有床層阻力小的優點。目前,我國處理高風量、低濃度VOCs設備的吸附劑以蜂窩狀活性炭為主?;钚蕴坷w維具有比表面積大、微孔豐富且分布均勻、吸脫附速率快、吸附效率高、易再生等優點?;钚蕴坎牧蠈Ψ菢O性物質,如有機溶劑具有非常好的吸附能力;相反,對極性物質如水,則吸附性較差,因此有可能很方便地用水蒸氣再生。

  沸石和分子篩的主要成分都是鋁硅酸鹽,具有良好的熱穩定性,在使用熱氣流再生時安全性好。不同類型的分子篩對VOCs的吸附效果不同,因此可以通過對分子篩進行化學修飾和改性,提高其對VOCs的去除效果。

  2、吸附劑再生

  在VOCs治理中常用的吸附劑再生方法有低壓水蒸氣置換再生、熱氣流吹掃再生和降壓或真空解吸再生。低壓水蒸氣置換再生、熱氣流吹掃再生適用于脫附沸點較低的低分子碳氫化合物和芳香族有機物。

  目前還發展了一些新型節能的吸附劑再生技術,如微波脫附、電焦耳脫附、溶劑置換、超聲波再生等。這些新的脫附技術節能效果好、效率高,但目前尚處于研究階段,實際應用較少。

  3、常用吸附裝置

  在有機廢氣治理方面,工業上常用的吸附設備有活性炭吸附塔、固定床、移動床、流化床和沸石蜂窩轉輪吸附裝置,常用的是固定床。沸石蜂窩轉輪吸附裝置是有機廢氣凈化領域中相對較新開發的旋轉式吸附系統,也稱為轉子吸附器。廢氣可徑向或軸向地通過裝有吸附劑的轉子,并經過大部分的旋轉床層而被凈化。轉子吸附器的優點是設備體積小、操作方便、壓降低,可以連續地將大流量的廢氣處理成低濃度的凈化氣,而解吸出來的氣體則濃度高而流量低,一般增濃比可達10~15倍。

  4、主要吸附工藝

  (1)固定床吸附-水蒸氣置換再生-冷凝回收工藝

  該工藝通常以顆?;钚蕴?、活性炭纖維或沸石作為吸附劑,主要對較低濃度的有機廢氣中的溶劑進行回收。固定床中的吸附劑吸附達到飽和后,通入高溫水蒸氣使被吸附的有機物隨水蒸氣一起離開吸附床,然后用冷凝器冷卻蒸汽混合物,使其冷凝為液體。

  (2)固定床吸附-真空解吸再生-吸收回收工藝

  該工藝通常采用中孔發達的顆?;钚蕴孔鳛槲絼┻M行吸附,然后采用抽真空降壓對吸附劑進行再生,被真空泵所抽出的極高濃度的廢氣通常采用低揮發性的有機溶劑進行吸收回收。該工藝適合于高濃度有機廢氣的回收。

  (3)沸石轉輪吸附濃縮工藝

  在目前我國的有機廢氣污染中,低濃度、大風量的VOCs排放占了相當大的比例,因此吸附濃縮技術是低濃度廢氣治理中為經濟有效的技術途徑。近年來我國從日本引進了一批沸石轉輪吸附濃縮裝置,業內的很多企業也正在積極進行該項技術的開發應用工作。和固定床吸附濃縮技術相比,沸石轉輪吸附濃縮技術具有諸多優點:采用蜂窩式沸石作為吸附劑,可采用高溫脫附,再生效率高,安全性能好,適宜處理的VOCs范圍更廣;設備阻力小,吸附劑的利用率高,運行成本低;尾氣中有機污染物的濃度穩定,便于控制;結構緊湊,設備體積和占地面積小。

  (4)吸附-冷凝組合工藝

  吸附濃縮-冷凝回收工藝通常用于低濃度、大風量、回收價值較高的VOCs的凈化,目前工業上主要使用固定床或者沸石轉輪作為吸附裝置。當吸附劑吸附達到飽和后,根據有機廢氣和使用的吸附劑性質選擇水蒸氣或熱氣流進行解吸,也可以進行真空解吸再生,解吸出的高溫、高濃度混合蒸汽再進入冷凝器中進行冷凝回收。

  二、VOCs回收治理技術總結展望:

  (1)從資源化的角度來看,回收技術是治理VOCs行之有效的方法。美國EPA指出,活性炭吸附是去除VOCs“可采用的好技術”,而且吸附法也正是我國目前應用為廣泛、為成熟的技術,特別是活性炭固定床吸附變溫技術適合我國現有的經濟、技術水平。

  (2)VOCs成分、組成和性質的復雜性導致單一的治理技術在大多數情況下不能很好的解決當前企業及化工園區普遍存在的尾氣排放不達標、設備運行成本高、經濟效益低的問題?;诓煌に嚰傻慕M合方法,如吸收-吸附、冷凝-吸附、吸附-膜分離等組合工藝,可進一步提高VOCs的去除率、降低成本和減少二次污染。

  (3)研制具有催化氧化等更佳吸附性能或滿足特定需求的吸附劑,尋找切實可行的吸附劑表面改性方法;探究VOCs在吸附解吸過程中的熱質耦合傳遞機理,分析VOCs的傳熱傳質特性;加強對吸附解吸過程影響因素的研究,提高吸附效率,延長吸附劑壽命;精確預測VOCs的相變和吸附解吸過程,建立VOCs回收過程預測方法和回收裝置設計方法;研發具有更高吸附效率的凈化設備。這些問題有待于進一步的研究和探討。

  (4)目前常用的吸附-冷凝組合工藝中吸附和冷凝是同一工藝的兩個獨立過程,是一種弱耦合,只是將冷凝與吸附兩種裝置簡單連接而成,會造成設備占地面積大、能源利用率低、成本高等不足。將冷凝和吸附耦合在同一通道內同時進行,可以縮短流程,延長吸附劑壽命,提高能源利用率和VOCs回收效率。因此深入系統地開展吸附冷凝耦合過程與行為的研究有望突破傳統意義上的吸附和冷凝技術的限制,具有重要的科學意義和工程應用價值。

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