摘要:针对目前国内VOC废气净化的现状,以吸附、冷凝回收原理为基础,采用集成了加热器和冷却器功能的新型吸附床及纤维活性炭,通过实验研究及实践应用,确定了纤维炭吸附+热力脱附+冷凝回收处理工艺。该工艺应用于高浓度、小风量的VOCs废气处理,具有较好的经济效益和环境效益。

　　1 前言

　　含VOC (Volatile organic compounds , 挥发性有机物)废气的污染防治问题逐渐受到重视,引进国外治理设备存在投资大、运行成本高的问题,国内传统工艺存在技术落后、运行不稳定、效率低的问题,因此亟待研究开发新的治理工艺。

　　本工艺以吸附、冷凝回收原理为基础,采用集成加热器和冷却器功能的新型吸附床纤维活性炭,在净化废气的同时,回收了大量的VOC 溶剂,使环保投入产生了较好的经济效益和环境效益。在此以某精细化工厂有机废气回收治理技术工程为例,介绍该工艺。

　　2 工艺流程及说明

　　2.1尾气状况

　　该厂生产医药中间体,尾气为反应釜卸料时的排气及进料前的洗气,共有18 个反应釜不同时段间歇排气, 平均废气量约2 000 m3Ph , 其中甲苯浓度16.6 gPNm3 ,四氢呋喃(THF) 浓度为23.6 gPNm3 ,其余为空气、N2 (洗气用N2 ) 及微量氯乙烯,排气温度为常温。

　　2.2工艺流程图(见图1)

　　2.3工艺流程说明

　　由于反应釜排气为间歇排气,特设气体缓冲罐使尾气均匀进入纤维活性炭吸附床。设两台吸附床,一台处于降温吸附过程,另一台处于加热脱附过程中,两台吸附床通过电动阀门自动转换作用。吸附过程启动设于固定炭层间的冷却器,以吸收吸附热、降低床层温度,尾气经吸附后,净化气体由排气风机进入烟囱排放。脱附过程,开启固定炭层间的加热器及循环风机,使系统全面加热,随着活性炭温度提高,VOC逐渐解析出来,循环气体中VOC 浓度也不断提高。吸附床排出的气体先经预冷却器降温,再经冷凝器使VOC 冷凝回收下来,之后气体经加热器升温回到吸附床加热解析活性炭,脱附过程不引入新风,脱附浓缩比较高。

　　3 工艺要点

　　3.1吸附、脱附性能参数确定

　　目前活性炭产品中,以纤维活性炭性能最佳,蜂窝活性炭次之,而颗粒活性炭再次。本工艺采用纤维活性炭为吸附剂,由于吸附剂的吸附、脱附性能是确定本工艺的关键因素,而厂家提供的有关参数存在不详、失实问题。因此针对类似工况作纤维活性炭性能的实验室研究,结果见图2。

　　试验条件:甲苯浓度3000×10,温度20℃,炭层高0.1m。本工艺取有效吸附周期15min ,吸附量质量分数为40% ,吸附温度≤40℃,有效脱附周期15min ,脱附率90% ,脱附温度150℃。

　　3.2吸附床设计

　　为获得理想的吸附和脱附效率,要求吸附床升温、降温速度快,床内空气、N2 残余量小,脱附循环气体VOC 浓度提升快。吸附床设多层吸附层,层与层之间设有冷却器及加热器,采用翼式板式金属换热器换热效率较高,可以迅速地升温或降温;换热器特制为模块状,体积小、重量轻,活性炭设筛网托架,金属耗量少,安装紧揍,吸附床内部剩余空间小,使脱附时VOC 浓度很快提升。

　　3.3冷凝效率

　　为达到较高的冷凝回收率,除提高脱附气体VOC浓度(即提升浓缩比)外,应选取较低的冷凝温度,以降低VOCs饱和蒸汽分压,提高回收率。本工艺控制冷凝温度为-5℃,甲苯回收率≥90 % ,THF回收率≥85 %。为减少冷冻水用量、降低运行成本,设两级冷却、冷凝,先用循环冷却水使脱附气体冷却至40℃以下, 再用-5 ～ -10 ℃的冷冻水使气体降温至- 5 ℃,大部分VOC 得以冷凝回收。

　　4 运行效果

　　该设备已运行近一年,运行效果见表1。

　　5 效益分析

　　(1) 设备投资:138 万元(不含蒸汽锅炉)。

　　(2) 运行费用见表2 (每年生产200 d ,24 h 连续运转)。

　　(3) 回收装置投入运行10 个月累计回收甲苯108 t ,四氢呋喃136 t ,回收液体直接回用作生产原料,节约生产成本约135 万元。预计每年经济效益可达162 万元。

　　(4) 每年可减少排放128 t 甲苯、163 t 四氢呋喃蒸汽对大气的污染。

　　6 结论与问题

　　(1) 高浓度VOC 废气采用纤维活性炭吸附、热力脱附、冷凝回收的处理工艺是可行的,它具有显著的经济效益和环境效益。

　　(2) 集成了冷却器和加热器功能的吸附床能在短时间内对活性炭进行升温或降温,使吸附、脱附速度提高,效率增大。

　　(3) 纤维活性炭具有吸附、脱附动力学性能好、效率高的特点,适用于本工艺要求在短时间不断切换吸附、脱附过程的吸附装置。

　　(4) 冷凝温度和加热速度是脱附效率、回收效率的重要保证。

　　(5) 本工艺适用于高浓度(1×10-3以上) 、小风量(10000m3Ph以下)的VOCs废气治理,对低浓度、大风量的VOCs废气处理存在投资大、运行成本高、收益小的缺点。

　　(6) 本工艺的安全性能应充分重视,除应采用防爆设备等措施外,应设法使脱附的VOCs废气浓度控制在爆炸限以外。