VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產(chǎn)品——吸附技術(shù)篇應(yīng)用現(xiàn)狀

VOCs種類(lèi)繁多，成分復(fù)雜，不同行業(yè)的VOCs氣體特征如流量、濃度具有較大差異。有研究表明，化學(xué)制品、醫(yī)藥制造、交通設(shè)備制造、印刷、電子及電信設(shè)備制造是產(chǎn)生VOCs氣體最多的前5個(gè)行業(yè)，分別占調(diào)研總案例的26%、13%、12%、8%和5%。大多數(shù)行業(yè)VOCs點(diǎn)源產(chǎn)生的VOCs濃度在102-104mg/m3（注：上標(biāo)2、上標(biāo)4）范圍內(nèi)。濃度較高的行業(yè)如石油加工、化工醫(yī)藥制造等，這些行業(yè)產(chǎn)生的濃度大多高于103mg/m3（注：上標(biāo)3）；濃度較低的如皮革、毛皮、羽絨制品等，其濃度一般低于500mg/m3。不同濃度的VOCs處理技術(shù)有較大差異，因此，掌握各行業(yè)產(chǎn)生的VOCs氣體濃度分布特征對(duì)發(fā)展VOCs治理技術(shù)具有十分重要的意義。
吸附-基于單項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備與產(chǎn)品
01概述
吸附技術(shù)是VOCs治理的主流技術(shù)之一，技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單易行、治理成本低、適應(yīng)范圍廣。
技術(shù)原理：當(dāng)流體與多孔固體接觸時(shí)，流體中某一組分或多個(gè)組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄，此現(xiàn)象稱為吸附。吸附屬于一種傳質(zhì)過(guò)程，物質(zhì)內(nèi)部的分子和周?chē)肿佑谢ハ辔囊?，但物質(zhì)表面的分子，其中相對(duì)物質(zhì)外部的作用力沒(méi)有充分發(fā)揮，所以液體或固體物質(zhì)的表面可以吸附其他的液體或氣體，尤其是表面積很大的情況下，這種吸附力能產(chǎn)生很大的作用，所以工業(yè)上經(jīng)常利用大面積的物質(zhì)進(jìn)行吸附，如活性炭、分子篩等。根據(jù)此特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)奈絼?，處理廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），達(dá)到循環(huán)利用，保護(hù)環(huán)境的目的。脫附是吸附的逆過(guò)程。是使已被吸附的組分從達(dá)到飽和的吸附劑中析出，吸附劑得以再生的操作過(guò)程，即被吸附于界面的物質(zhì)在一定條件下，離逸界面重新進(jìn)入體相的過(guò)程，也稱解吸。一般來(lái)說(shuō)，不利于吸附進(jìn)行的條件常對(duì)脫附有利，如加熱、減壓等，常用有蒸汽、氮?dú)饷摳健?br /> 02活性炭吸附系統(tǒng)
廢氣收集后，通過(guò)預(yù)處理然后進(jìn)入吸附器，有機(jī)廢氣被高性能活性碳纖維（ACF）或者顆粒碳材料吸附，將有機(jī)物吸附于其微孔結(jié)構(gòu)中，經(jīng)兩級(jí)活性炭纖維吸附，廢氣經(jīng)過(guò)吸附材料凈化后排放至大氣。吸附有機(jī)廢氣的吸附材料通過(guò)熱氮?dú)?水蒸氣解吸（脫附）再生，解吸出來(lái)的高濃度混合氣進(jìn)入換熱器換熱后再冷凝回收得到混合溶液，氮?dú)庠诿摳街芷趦?nèi)循環(huán)重復(fù)利用。工藝流程圖1所示。

圖1 活性炭吸附系統(tǒng)工藝流程

特點(diǎn)：不需要添加任何的絮凝劑和氧化劑等化學(xué)試劑，直接利用活性炭的微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸附；初期成本低，操作簡(jiǎn)單；活性炭所用的原料是果殼、煤和木材等物質(zhì)，相對(duì)來(lái)講，成本較低。且進(jìn)行吸附時(shí)，沒(méi)有太高的技術(shù)要求，操作簡(jiǎn)單靈活；由于孔隙多，表面積很大，所以吸附能力強(qiáng)，吸附效果自然也就比較好；對(duì)重金屬進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)金屬離子的吸附選擇性好、穩(wěn)定性強(qiáng)；可以對(duì)活性炭進(jìn)行再生，重新使用?，F(xiàn)在對(duì)活性炭的回收利用已經(jīng)有很多方法，包括熱再生法、生物再生法、化學(xué)溶液再生法、電化學(xué)再生法等等。這些方法對(duì)活性炭的再生有出色的效果，經(jīng)過(guò)再生的活性炭，可以重新進(jìn)行使用。
適用范圍：活性炭吸附技術(shù)在涂裝、包裝印刷、石油化工、化學(xué)品制造、醫(yī)藥化工和異味治理等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。適合中低濃度大部分含有烷烴、酯類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)等有機(jī)溶劑的廢氣（若要脫附溶劑沸點(diǎn)宜控制在50-150°C）。
設(shè)備（產(chǎn)品）分類(lèi)概述：預(yù)處理階段，廢氣中可能會(huì)含有氯化氫、硫酸霧等酸性氣體或者粉塵，為了防止其對(duì)后續(xù)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕或者對(duì)活性炭造成堵塞，需對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理采用填料式噴淋洗滌塔，噴淋液選擇堿液對(duì)酸性氣體進(jìn)行中和處理或者采用干式過(guò)濾器對(duì)粉塵進(jìn)行過(guò)濾處理。活性炭吸附階段，經(jīng)過(guò)前面的預(yù)處理后，廢氣通入后端的活性炭吸附/脫附塔進(jìn)行吸附處理，活性炭表面存在著吸引力（分子間范德華力），將通過(guò)活性炭微孔的有機(jī)氣體吸附在活性炭表面，去除廢氣中的有機(jī)物，達(dá)到凈化氣體的作用。活性炭脫附階段，活性炭脫附時(shí)采用蒸汽對(duì)活性炭床層直接加熱，將活性炭中吸附的有機(jī)成分蒸出，蒸出來(lái)的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中通過(guò)冰水對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷凝成液態(tài)，進(jìn)入分離桶中分離，分離后的廢水進(jìn)入污水站，分離后的有機(jī)溶劑進(jìn)入儲(chǔ)罐，用于后續(xù)回收。不能被冷凝的不凝氣通入吸附總管，送入吸附罐中進(jìn)行吸附處理?；钚蕴亢娓呻A段，脫附階段有部分蒸汽冷凝成水留在的活性炭床層，脫附完成后需要對(duì)床層進(jìn)行烘干。烘干配置單獨(dú)的烘干風(fēng)機(jī)，烘干風(fēng)機(jī)入口設(shè)置高效過(guò)濾器，并設(shè)蒸汽加熱器對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加熱，加熱到60℃左右，通入活性炭罐中將碳層中的水分烘干。烘干后的吸附罐充氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)操作，等待下一次吸附。
設(shè)備（產(chǎn)品）說(shuō)明：不同的活性炭吸附材料有各自適用的范圍。顆粒碳吸附罐適合濃度波動(dòng)大，廢氣成分復(fù)雜的工況。碳纖維吸附器適合廢氣濃度較穩(wěn)定，廢氣成分較單一的工況。蜂窩碳吸附器適合配合燃燒設(shè)備使用。碳纖維裝置配型和顆粒碳裝置配型見(jiàn)表1和表2。

表1碳纖維裝置配型表

表2 顆粒碳裝置配型表

生產(chǎn)過(guò)程廢氣，先經(jīng)預(yù)處理裝置處理氣體中的一些高分子的物質(zhì)和空氣中的細(xì)小顆粒，再經(jīng)冷卻器將溫度平衡穩(wěn)定至45℃以下。經(jīng)處理后的廢氣進(jìn)入吸附－脫附操作單元，溶劑被高性能活性碳材料吸附，凈化后空氣穿透吸附材料后排放至大氣。被吸附的溶劑通過(guò)蒸汽（氮?dú)猓┙馕?。解吸出?lái)的有機(jī)溶劑進(jìn)入換熱器與冷卻水換熱，然后再經(jīng)冷凝為常溫液態(tài)后回收。經(jīng)廢氣凈化回收設(shè)備處理后排放的廢氣VOCs去除率在95%以上。整個(gè)工藝過(guò)程由PLC功能程序控制，自動(dòng)切換，交替進(jìn)行吸附、解吸、冷卻、間歇四個(gè)工藝過(guò)程。
03VOCs轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)
VOCs轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)源于1950年美國(guó)人Bryant發(fā)明的轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)，1990年被應(yīng)用于VOCs的凈化。該技術(shù)目前適用于處理低濃度VOCs廢氣。由吸附VOCs轉(zhuǎn)芯、氣體過(guò)濾裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、風(fēng)機(jī)等組成。轉(zhuǎn)芯一般分為三個(gè)區(qū)域：吸附區(qū)、再生區(qū)、冷卻區(qū)。轉(zhuǎn)輪吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。沸石轉(zhuǎn)輪分為筒式轉(zhuǎn)輪和盤(pán)式轉(zhuǎn)輪。筒式沸石吸附轉(zhuǎn)輪組合(Cassette)為一中心軸承與轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體由沸石吸附介質(zhì)與陶瓷纖維制成。轉(zhuǎn)輪上包含用以分開(kāi)處理廢氣及處理后釋出干凈氣體的密封墊，其材質(zhì)為能承受VOCS腐蝕性及高操作溫度的柔軟材料制成（一般為氟橡膠）。密封墊將蜂巢狀沸石吸附轉(zhuǎn)輪組合隔離成基本吸附區(qū)(Adsorption zone)及再生脫附區(qū)(Desorption zone)。有時(shí)為特殊需求亦可分成更多串聯(lián)區(qū)；而吸附轉(zhuǎn)輪由一組電動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備用以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪處理時(shí)為可變速、且可控制每小時(shí)旋轉(zhuǎn)2至5轉(zhuǎn)之能力，最大可到20轉(zhuǎn)/小時(shí)。沸石轉(zhuǎn)輪的吸附風(fēng)速一般2~4 m/s；脫附風(fēng)速1~5m/s。沸石轉(zhuǎn)輪的適用濕度為＜80%，適用溫度＜40℃，適用VOCs的沸點(diǎn)35~200℃。單套筒式轉(zhuǎn)輪的處理風(fēng)量10000~200000m³/h，如果分體運(yùn)輸可做得更大。
廢氣經(jīng)過(guò)濾后經(jīng)由風(fēng)機(jī)送至吸附區(qū)，廢氣通過(guò)吸附劑被吸附得到凈化，凈化后的氣體從另一端被排出。接著被反方向吹掃的熱空氣脫附解吸，脫附下來(lái)的VOCs被收集進(jìn)行集中處理，吸附劑被進(jìn)入冷卻區(qū)冷卻后，入吸附區(qū)再次進(jìn)行吸附。
特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪吸附具有運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、單位床層阻力小及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。
適用范圍：在印刷、集成電路、塑料加工、噴漆生產(chǎn)線等產(chǎn)生的低濃度大風(fēng)量有機(jī)廢氣。
設(shè)備（產(chǎn)品）分類(lèi)概述：吸附轉(zhuǎn)輪用到的蜂窩結(jié)構(gòu)吸附劑制備方法主要有涂覆式、沉浸式和成型式3種，使用的吸附材料主要有活性炭、活性炭纖維和沸石分子篩3種。
設(shè)備（產(chǎn)品）說(shuō)明：活性炭孔穴豐富，比表面積大，具有較好的廣譜適用性，相比沸石分子篩吸附容量要大，是目前使用最廣泛的吸附劑。不過(guò)濕度對(duì)其吸附性能有較大影響，當(dāng)廢氣中有大量水蒸氣時(shí)，吸附性能會(huì)大幅降低。而且由于解吸時(shí)溫度較高，存在易燃等安全性隱患。
活性炭纖維是繼活性炭后研制出新型吸附材料，其商業(yè)化生產(chǎn)始于上個(gè)世紀(jì)六十年代。與顆粒和粉末活性炭相比，活性炭纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性，因而可以加工成為布、織物、紙、氈等多種形式?；钚蕴坷w維有直接成型為蜂窩狀，制作成吸附轉(zhuǎn)輪。不僅如此，活性炭纖維有很高的比表面積，其BET比表面積可達(dá)1000~2000m2，且孔徑分布窄、均勻，并以微孔為主，其吸附量大，吸附快，再生容易，具有優(yōu)異的吸脫附性能?；钚蕴坷w維的應(yīng)用領(lǐng)域也非常的廣泛，在水處理、空氣凈化中都有使用。
沸石分子篩阻燃性好，可耐受高溫。沸石分子篩使用疏水性高硅分子篩，相對(duì)濕度RH>60%的廢氣工況下依然有良好的吸附性能，雖然成本比活性炭高，但是易于解吸，可循環(huán)使用更加環(huán)保。分子篩吸附濃縮系統(tǒng)的主要應(yīng)用于各種噴漆車(chē)間（汽車(chē)制造、造船、自行車(chē)制造、飛機(jī)制造、金屬制品等）的排氣處理，各種印刷車(chē)間（凹版印刷、建筑裝潢材料印刷、其他各種印刷過(guò)程）的排氣處理，鋁型材生產(chǎn)、鍍膜加工工藝等的排氣處理，各種電子制品制造過(guò)程的排氣處理，半導(dǎo)體集成電路、液晶顯示屏（LCD）制造過(guò)程的排氣處理，鋰離子電池制造（電極形成工序、電解液充填工序）過(guò)程的排氣處理，樹(shù)脂、橡膠、輪胎等制品生產(chǎn)過(guò)程的排氣處理，汽車(chē)維修店面、服裝干洗店等分散源揮發(fā)性有機(jī)物排氣處理。
【參考文獻(xiàn)及說(shuō)明】
1、文中內(nèi)容節(jié)選自《環(huán)保裝備產(chǎn)品工程應(yīng)用后評(píng)估方法（VOCs與惡臭類(lèi)）》，工業(yè)和信息化部委托課題；
2、文中內(nèi)容涉及裝備產(chǎn)品的有關(guān)技術(shù)參數(shù)、典型案例和現(xiàn)場(chǎng)圖片是經(jīng)行業(yè)案例征集、企業(yè)自愿提供和專(zhuān)家篩選后確定入選的。
來(lái)源：VOCs前沿