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挥发性有机物(VOCs)吸附回收技术进展

作者:印盟网   时间:2017-04-22

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        挥发性有机物(VOCs)不仅本身具有较强毒性,而且是影响我国区域复合大气污染的重要前体物和参与物,因此VOCs的控制受到越来越多的重视。吸附法是目前应用最广泛、技术最成熟的回收VOCs的方法。介绍了常用吸附剂、吸附剂再生技术、吸附设备、主要吸附工艺以及吸附相关组合治理技术,探讨了吸附回收技术在VOCs治理方面急需解决的问题以及发展趋势。

 

  近年来,我国多个地区多次出现大范围的雾霾天气,以臭氧、细颗粒物(PM:)、酸雨为特征的区域性大气复合污染问题日益突出。作为臭氧和二次有机颗粒物的重要前体物,挥发性有机物(VolatileOrganicCompounds,VOCs)在大气化学反应过程中扮演着极其重要的角色。同时,大部分的VOCs都具有较强的刺激性和毒性。如苯被列为第一类致癌物质,正己烷、庚烷和辛烷会影响人的中枢神经系统。

 

  2010年5月国务院办公厅首次正式地从国家层面上提出了加强VOCs污染防治工作的要求,将VOCs和SO、NO与颗粒物一起列为改善大气环境质量的优控重点污染物。2012年12月底出台的我国首部综合性大气污染防治规划《重点区域大气污染防治“十二五”规划》要求提高VOCs排放类项目建设要求,开展重点行业治理,完善VOCs污染防治体系。

 

  在生产过程中采用替代产品、改进工艺和更换设备是减少VOCs产生和排放的首选措施,然而对于一些工艺过程和生产而言,清洁生产的路还很长,在短时期内末端控制技术仍然是必不可少的一种手段。目前VOCs的治理技术主要包括回收法和销毁法。无论从环保还是从经济角度来看,回收法都是值得提倡的VOCs治理技术。

 

  VOCs回收技术包括吸附、冷凝、吸收、膜分离等,其中吸附法设备简单、适用范围广、净化效率高,是一种传统的VOCs治理技术,也是目前应用最广的治理技术。席劲瑛等通过调研大量工业VOCs处理技术工程案例发现,吸附技术在国内的市场占有率最高(38%),在适于回收VOCs的情况下,吸附技术是一种经济、符合清洁生产理念的选择,因此在国内外得到广泛应用。

 

  1.吸附法治理技术

  

       吸附法是利用各种固体吸附剂对排放废气中的污染物进行吸附净化的方法。通常吸附分为物理吸附和化学吸附两类,而VOCs废气的净化主要采用物理吸附方法。吸附法适宜处理低浓度、高风量的有机废气,主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等。吸附法的关键技术是吸附剂、吸附设备和工艺、再生介质、后处理工艺等的确定。

 

  1.1常用吸附剂

  

        目前在VOCs净化中常用的吸附剂有无机和有机吸附剂两类,应用较多的是无机吸附剂,主要有活性炭(包括颗粒活性炭、蜂窝活性炭和活性炭纤维)、分子筛(包括颗粒分子筛、分子筛成型体蜂窝和分子筛涂覆材料)、沸石、颗粒硅胶、活性氧化铝、多孔粘土矿石等,有机吸附剂主要是指高聚物吸附树脂。

 

  最具代性的无机吸附剂是活性炭。与颗粒活性炭相比,蜂窝活性炭具有床层阻力小的优点。目前,我国处理高风量、低浓度VOCs设备的吸附剂以蜂窝状活性炭为主。活性炭纤维具有比表面积大、微孔丰富且分布均匀、吸脱附速率快、吸附效率高、易再生等优点。活性炭材料对非极性物质,如有机溶剂具有非常好的吸附能力;相反,对极性物质如水,则吸附生较差,因此就有可能很方便地用水蒸气再生。

 

  沸石和分子筛的主要成分都是铝硅酸盐,具有良好的热稳定性,在使用热气流再生时安全性好。不同类型的分子筛对VOCs的吸附效果不同,因此可以通过对分子筛进行化学修饰和改性,提高其对VOCs的去除效果。

 

  1.2吸附剂再生

  

       在VOCs治理中常用的吸附剂再生方法有低压水蒸气置换再生、热气流吹扫再生和降压或真空解吸再生。低压水蒸气置换再生、热气流吹扫再生适用于脱附沸点较低的低分子碳氢化合物和芳香族有机物。

 

  目前还发展了一些新型节能的吸附剂再生技术,如微波脱附、电焦耳脱附、溶剂置换、超声波再生等。这些新的脱附技术节能效果好、效率高,但目前尚处于研究阶段,实际应用较少。

 

  1.3常用吸附装置

  

       在有机废气治理方面,工业上常用的吸附设备有固定床、移动床、流化床和沸石蜂窝转轮吸附装置,最经典、常用的是固定床。沸石蜂窝转轮吸附装置是有机废气净化领域中相对较新开发的旋转式吸附系统,也称为转子吸附器。废气可径向或轴向地通过装有吸附剂的转子,并经过大部分的旋转床层而被净化。转子吸附器的优点是设备体积小、操作方便、压降低,可以连续地将大流量的废气处理成低浓度的净化气,而解吸出来的气体则浓度高而流量低,一般增浓比可达1O~15倍。

 

 

  1.4主要吸附工艺

 

  1.4.1固定床吸附一水蒸气置换再生一冷凝回收工艺

 

  该工艺通常以颗粒活性炭、活性炭纤维或沸石作为吸附剂,主要对较低浓度的有机废气中的溶剂进行回收。固定床中的吸附剂吸附达到饱和后,通入高温水蒸气使被吸附的有机物随水蒸气一起离开吸附床,然后用冷凝器冷却蒸汽混合物,使其冷凝为液体。

 

  1.4.2固定床吸附一真空解吸再生一吸收回收工艺

 

  该工艺通常采用中孔发达的颗粒活性炭作为吸附剂进行吸附,然后采用抽真空降压对吸附剂进行再生,被真空泵所抽出的极高浓度的废气通常采用低挥发性的有机溶剂进行吸收回。该工艺适合于高浓度有机废气的回收。

 

  1.4.3沸石转轮吸附浓缩工艺

 

  在目前我国的有机废气污染中,低浓度、大风量的VOCs排放占了相当大的比例,因此吸附浓缩技术是低浓度废气治理中最为经济有效的技术途径。近年来我国从日本引进了一批沸石转轮吸附浓缩装置,业内的很多企业也正在积极进行该项技术的开发应用工作。和固定床吸附浓缩技术相比,沸石转轮吸附浓缩技术具有诸多优点:采用蜂窝式沸石作为吸附剂,可采用高温脱附,再生效率高,安全性能好,适宜处理的VOCs范围更广;设备阻力小,吸附剂的利用率高,运行成本低;尾气中有机污染物的浓度稳定,便于控制;结构紧凑,设备体积和占地面积小。

 

  1.4.4吸附一冷凝组合工艺

 

  吸附浓缩一冷凝回收工艺通常用于低浓度、大风量、回收价值较高的VOCs的净化,目前工业上主要使用固定床或者沸石转轮作为吸附装置。当吸附剂吸附达到饱和后,根据有机废气和使用的吸附剂性质选择水蒸气或热气流进行解吸,也可以进行真空解吸再生,解吸出的高温、高浓度混合蒸汽再进入冷凝器中进行冷凝回收。

 

  陆树华等集成有机废气回收中冷凝法与吸附法的传统工艺,将预冷、冷凝、吸附、分离四个过程集成在同一流道内,设计出新型板式结构的芯体,其有机废气通道与制冷剂通道由带有三角形翅片的金属板片相隔。在有机废气通道的翅片间填充吸附剂,在金属板片另一侧的通道内流经制冷剂。有机废气在经吸附剂吸附的同时和制冷剂逆向流动换热,降低了吸附剂温升,延长吸附剂寿命。冷凝吸附后的低温尾气被引至装置上部的芯体作预冷用,实现能源的二次利用,提高能源的利用率。装置分为上下两部分并用法兰连接,便于装置的拆卸以及吸附剂的更换。该装置具有有机废气回收率高、占地空间小、制造成本低等优点,适用于工业有机废气的回收治理。

 

  2.结语

 

  (1)从资源化的角度来看,回收技术是治理VOCs行之有效的方法。美国EPA指出,活性炭吸附是去除VOCs“可采用的最好技术”,而且吸附法也正是我国目前应用最为广泛、最为成熟的技术,特别是活性炭固定床吸附变温技术适合我国现有的经济、技术水平。

 

  (2)VOCs成分、组成和性质的复杂性导致单一的治理技术在大多数情况下不能很好的解决当前企业及化工园区普遍存在的尾气排放不达标、设备运行成本高、经济效益低的问题。基于不同工艺集成的组合方法,如吸收一吸附、冷凝一吸附、吸附一膜分离等组合工艺,可进一步提高VOCs的去除率、降低成本和减少二次污染。

 

  (3)研制具有催化氧化等更佳吸附性能或满足特定需求的吸附剂,寻找切实可行的吸附剂表面改性方法;探究VOCs在吸附解吸过程中的热质耦合传递机理,分析VOCs的传热传质特性;加强对吸附解吸过程影响因素的研究,提高吸附效率,延长吸附剂寿命;精确预测VOCs的相变和吸附解吸过程,建立VOCs回收过程预测方法和回收装置设计方法;研发具有更高吸附效率的净化设备。这些问题有待于进一步的研究和探讨。

 

  (4)目前常用的吸附一冷凝组合工艺中吸附和冷凝是同一工艺的两个独立过程,是一种弱耦合,只是将冷凝与吸附两种装置简单连接而成,会造成设备占地面积大、能源利用率低、成本高等不足。将冷凝和吸附耦合在同一通道内同时进行,可以缩短流程,延长吸附剂寿命,提高能源利用率和VOCs回收效率。因此深人系统地开展吸附冷凝耦合过程与行为的研究有望突破传统意义上的吸附和冷凝技术的限制,具有重要的科学意义和工程应用价值。

 

 

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