有機(jī)廢氣處理工藝：活性炭吸附與催化燃燒組合工藝

1、有機(jī)廢氣處理工藝比選要素
常見的有機(jī)廢氣處理工藝有：活性炭/棉吸附、生物洗滌吸收、等離子、光催化氧化、冷凝回收、催化燃燒、熱力焚燒等。但選擇哪種合適有效的處理工藝，就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行工藝比選。
正常情況下，首先需要考慮廢氣中的污染因子、產(chǎn)生濃度、廢氣排放量，其次就是要考慮需要的去除效率，在了解上述兩方面的基礎(chǔ)上，再考慮采用何種工藝。但具體采用哪種工藝合適，還需要進(jìn)一步對(duì)廢氣的溫度、濕度、污染因子特性（熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、易燃易爆性、水溶性、是否含有鹵素、粘性）以及非有機(jī)性污染因子（如：顆粒物）等，做進(jìn)一步的分析。同時(shí)也要兼顧處理工藝的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性等。
2、活性炭吸附工藝
2.1工藝原理及適用范圍
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(diǎn)，使其具有較強(qiáng)吸附能力。顆粒碳比表面積一般可達(dá)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(dāng)氣體分子經(jīng)過活性炭表面，范德華力起主導(dǎo)作用時(shí)，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(kuò)散轉(zhuǎn)移至內(nèi)表面，從而達(dá)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(xué)鍵合成，此為化學(xué)吸附?；钚蕴课揭话氵m用于大風(fēng)量、低濃度、低濕度、低含塵的有機(jī)廢氣。
2.2影響吸附效果的因素
活性炭的吸附能力主要是受其本身的比表面積、孔隙大小、分子間力、化學(xué)鍵合成等因素影響;而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)活性炭裝置的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是活性炭的過濾面積、過濾風(fēng)速、活性炭的層厚。
活性炭過濾風(fēng)速在《吸附法工業(yè)有機(jī)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(fēng)量和過濾風(fēng)速計(jì)算得出。
碳層厚度的設(shè)計(jì)，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(shí)長(zhǎng)等因素進(jìn)行。一般會(huì)采用2種方式計(jì)算碳層厚度：一是，根據(jù)活性炭需要的更換周期，來(lái)確定活性炭的總的裝填量，之后再根據(jù)過濾面積計(jì)算碳層厚度;二是，在考慮吸附箱尺寸大小、碳層風(fēng)阻、過濾風(fēng)速的情況下，依照經(jīng)驗(yàn)直接選定一個(gè)厚度值。
以上設(shè)計(jì)基于活性炭的吸附速率為一個(gè)恒定值或者無(wú)限大到可忽略不計(jì)的情況下設(shè)計(jì)的。而實(shí)際中吸附速率目前還不能有效計(jì)算出，不同的碳、不同的過濾風(fēng)速、不同的風(fēng)壓等等，都會(huì)影響碳層的速率吸附速率。
實(shí)際中影響碳層吸附速率的因素有：吸附質(zhì)濃度、風(fēng)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(shí)間確定后，活性炭的厚度即可根據(jù)設(shè)計(jì)的過濾風(fēng)速計(jì)算得出。
同樣的條件下，一般活性炭層的厚度越厚，其去除效率也會(huì)越高，但實(shí)際應(yīng)用中，為提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，通常要考慮碳層厚度不能無(wú)限制的加厚，因此對(duì)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(jìn)行有效設(shè)計(jì)計(jì)算。通過圖1可以看出，(1)碳層厚度選擇小，吸附速率慢，碳層就會(huì)容易被穿透，導(dǎo)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(zhǎng)時(shí)間使用。

3、催化燃燒工藝
3.1工藝原理及適用范圍
催化燃燒是利用貴金屬催化劑降低廢氣中有機(jī)物的活化能，使有機(jī)物在較低的溫度(一般在250～300oC左右，不同成分的有機(jī)物，其催化燃燒溫度不一樣)下發(fā)生無(wú)火焰燃燒。其原理是廢氣經(jīng)過催化劑時(shí)，先被吸附至催化劑表面，然后在一定的溫度下發(fā)生催化燃燒，達(dá)到凈化的目的。目前有機(jī)廢氣處理中常用的催化一般為蜂窩狀鈀金屬催化劑和鉑金屬催化劑，催化燃燒方式有電加熱和燃?xì)饧訜幔紵愋陀兄苯哟呋紵?CO)和蓄熱式催化燃燒(RCO)。催化燃燒一般適用于小風(fēng)量、高濃度、高溫的氣態(tài)有機(jī)物，且廢氣中不能含有硫、鉛、汞、砷及鹵素等可使催化劑中毒的因子。

3.2設(shè)計(jì)注意點(diǎn)
(1)能耗：催化燃燒需要在一定溫度條件下進(jìn)行，對(duì)于低溫氣體就必須進(jìn)行加熱，風(fēng)量越大其耗能越大，運(yùn)行成本也就提高;因此選擇此工藝時(shí)，在確保收集效率的前提下，盡可能降低排風(fēng)量，這樣既可提升排氣濃度提升廢氣單位熱值，又可降低風(fēng)量降低能耗;同時(shí)也要考慮熱將尾氣中熱量進(jìn)行回收。
(2)設(shè)備開機(jī)預(yù)熱：設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備預(yù)熱應(yīng)為動(dòng)態(tài)，而非靜態(tài)預(yù)熱;初始預(yù)熱階段利用的氣體一般為空氣，而非廢氣，待系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)溫度后方可切換為廢氣。
(3)安全：有機(jī)廢氣一般屬于易燃易爆性氣體，雖然濃度高可以回收利用有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的部分熱量，降低能耗，但在處理中必須將其濃度控制在爆炸限范圍內(nèi)。一般需要設(shè)置泄爆片、可燃?xì)怏w探測(cè)儀、應(yīng)急排空閥、稀釋閥、防火閥等。
(4)熱回收方式：在能耗可接受范圍的情況下，小風(fēng)量一般采用簡(jiǎn)易的列管直接熱交換回收熱;對(duì)于能耗超出接受范圍的，大風(fēng)量一般需要采用蓄熱式催化燃燒，可提高熱回收效率。
4、活性炭吸脫附與催化燃燒組合工藝
4.1工藝原理
實(shí)際應(yīng)用中，活性炭吸附與催化燃燒，兩者除了可以單獨(dú)使用外，也可以組合使用。組合使用主要利用兩者之間具有互補(bǔ)性的特點(diǎn)：活性炭吸附適用于大風(fēng)量、低濃度廢氣，催化燃燒適用于小風(fēng)量、高濃度廢氣，且活性炭在高溫下被吸附的有機(jī)物能夠脫附出來(lái)。從另一個(gè)角度看，此組合工藝可視為活性炭的現(xiàn)場(chǎng)再生利用工藝，既減少了活性炭吸附飽和后的更換處置成本，同時(shí)定期的濃縮脫附也避免了因活性炭吸附飽和未及時(shí)更換造成的超標(biāo)排放風(fēng)險(xiǎn)。
4.2設(shè)計(jì)要點(diǎn)
隨著催化燃燒廢氣處理中應(yīng)用逐漸增多，相關(guān)技術(shù)也已趨于成熟。在設(shè)計(jì)方面，主要是以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是加熱熱交換與尾氣熱回收熱交換的設(shè)計(jì)，二是對(duì)催化劑填料層的設(shè)計(jì)和催化劑選型，三是對(duì)設(shè)備運(yùn)行控制和安全控制設(shè)計(jì)。
4.3設(shè)計(jì)注意點(diǎn)
目前氣體加熱、熱交換、催化劑填料層的設(shè)計(jì)，都可以查閱相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但將這些設(shè)備組合為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因各設(shè)備廠商之間存在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和技術(shù)保密，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算還無(wú)法查閱?，F(xiàn)就系統(tǒng)在實(shí)際工程使用中，發(fā)現(xiàn)的一些問題歸納如下。
(1)活性炭升溫和催化燃燒室升溫控制。在使用脫附+催化燃燒時(shí)，應(yīng)將催化燃燒室溫度升至工作溫度后，然后再對(duì)活性炭進(jìn)行逐步升溫脫附;而有些廠家設(shè)計(jì)在催化燃燒室的溫度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，就開始對(duì)活性炭進(jìn)行升溫脫附，此種情況造成脫附出的廢氣無(wú)法有效的經(jīng)過催化燃燒室燃燒。
(2)催化燃燒室預(yù)熱。催化室預(yù)熱時(shí)，未對(duì)流動(dòng)的氣流進(jìn)行動(dòng)態(tài)加熱，而是對(duì)催化室內(nèi)的空氣進(jìn)行靜態(tài)加熱，導(dǎo)致一旦廢氣進(jìn)入催化燃燒室，其催化室溫度急速下降，造成達(dá)不到催化燃燒的溫度。
(3)利用催化燃燒的熱部分尾氣作為活性炭脫附氣體。催化燃燒的尾氣溫度較高，一般300℃左右，為降低能耗，部分廠家設(shè)計(jì)是利用處理后的尾氣作為脫附熱氣?；钚蕴刻嫉拿摳綔囟戎恍枰?0—90℃，利用尾氣前必須先對(duì)尾氣進(jìn)行降溫處理，若不能將溫度降至設(shè)計(jì)范圍，就會(huì)存在活性炭著火的風(fēng)險(xiǎn);而且脫附產(chǎn)生的有機(jī)廢氣是濃縮廢氣，其濃度較高，與高溫氣體接觸也會(huì)存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。如果采用燃?xì)饧訜幔細(xì)馊紵a(chǎn)生的廢氣和燃?xì)獗旧硭糠忠蜃?，也?huì)對(duì)活性炭、催化劑造成不利影響;再有燃?xì)馐褂萌艨刂撇缓?，天然氣未燃燒直接進(jìn)入催化裝置，一旦點(diǎn)火也會(huì)發(fā)生爆炸，其風(fēng)險(xiǎn)相比電加熱更大。
5、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，對(duì)活性炭吸脫附與催化燃燒組合工藝，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)對(duì)策避免上述問題的發(fā)生，從安全角度考慮，加熱系統(tǒng)采用電加熱，對(duì)脫附氣體采用新風(fēng)，其安全系數(shù)更高;從經(jīng)濟(jì)角度考慮，一般采用燃?xì)饧訜?，脫附氣體采用尾氣;但最終采用何種方式還需現(xiàn)場(chǎng)具體情況來(lái)確定。若單獨(dú)使用催化燃燒工藝，其不需要脫附加熱，相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)也比組合T藝會(huì)降低很多，至于采用哪種方式加熱，也需要結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況來(lái)確定。單獨(dú)使用活性炭工藝，其運(yùn)行存在主要風(fēng)險(xiǎn)是活性炭的更換周期，目前還沒有簡(jiǎn)單有效的方法去確定，只能在設(shè)計(jì)時(shí)按照經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算參數(shù)給定一個(gè)建議值。
來(lái)源：《污染防治技術(shù)》