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活性炭吸附與催化燃燒工藝的存在的問題及注意要點
Date:2018/8/1 Number:638

本文來源:《污染防治技術》


摘要:目前中國各地大氣污染污染狀況還不容樂觀,尤其是有機廢氣污染。隨著國家對大氣環境污染越來越重視,相關的環保產業也隨之不斷壯大和發展,針對有機廢氣處理設備也呈現出多種多樣,廠家也越來越多,各自也有各自的的特點。對于客戶來說,一般處理廢氣的原理可以理解,但是是否能夠達到預期的處理效果,確有所顧慮。對于設計單位來說,怎樣為客戶提供一套既可靠又經濟的處理設備才是關鍵。結合以往的實際工作經驗和案例,此次淺談就活性炭處理工藝與催化燃燒處理工藝,在設計與實際使用過程中遇到的一些問題和注意點進行探討。


1有機廢氣處理工藝比選要素


常見的有機廢氣處理工藝有: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,就需要根據實際情況進行工藝比選。


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,還需要進一步對廢氣的溫度、濕度、污染因子特性(熔點、沸點、易燃易爆性、水溶性、是否含有鹵素、粘性)以及非有機性污染因子(如:顆粒物)等,做進一步的分析。同時也要兼顧處理工藝的安全性、經濟性以及穩定性等。


2活性炭吸附工藝


2.1工藝原理及適用范圍


活性炭是經過活化處理后的碳,其具備比表面積大,孔隙多的特點,使其具有較強吸附能力。顆粒碳比表面積一般可達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,當氣體分子經過活性炭表面,范德華力起主導作用時,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內部擴散轉移至內表面,從而達到吸附的效果,此為物理吸附;二是吸附質與吸附劑表面原子間的化學鍵合成,此為化學吸附。活性炭吸附一般適用于大風量、低濃度、低濕度、低含塵的有機廢氣。


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、化學鍵合成等因素影響;而在實際應用中,對活性炭裝置的設計,關鍵是活性炭的過濾面積、過濾風速、活性炭的層厚。



活性炭過濾風速在《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》(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;過濾面積即可根據處理風量和過濾風速計算得出。


碳層厚度的設計,就需要結合廢氣的產生濃度、去除效率、活性炭的更換時長等因素進行。一般會采用2種方式計算碳層厚度:一是,根據活性炭需要的更換周期,來確定活性炭的總的裝填量,之后再根據過濾面積計算碳層厚度;二是,在考慮吸附箱尺寸大小、碳層風阻、過濾風速的情況下,依照經驗直接選定一個厚度值。


以上設計基于活性炭的吸附速率為一個恒定值或者無限大到可忽略不計的情況下設計的。而實際中吸附速率目前還不能有效計算出,不同的碳、不同的過濾風速、不同的風壓等等,都會影響碳層的速率吸附速率。


實際中影響碳層吸附速率的因素有:吸附質濃度、風壓、溫度、活性炭比表面積等等,各條件參數之間的關系可以表示為以下公式:

停留時間確定后,活性炭的厚度即可根據設計的過濾風速計算得出。


同樣的條件下,一般活性炭層的厚度越厚,其去除效率也會越高,但實際應用中,為提高設備的經濟性,通常要考慮碳層厚度不能無限制的加厚,因此對于活性炭層厚度的選擇,需要根據去除效率要求和碳本身的吸附速率,進行有效設計計算。通過圖1可以看出,(1)碳層厚度選擇小,吸附速率慢,碳層就會容易被穿透,導致去除效率降低;(2)碳層厚度選擇大,吸附速率快,碳層就不容易被穿透,碳可以長時間使用。

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物的活化能,使有機物在較低的溫度(一般在250~300oC左右,不同成分的有機物,其催化燃燒溫度不一樣)下發生無火焰燃燒。其原理是廢氣經過催化劑時,先被吸附至催化劑表面,然后在一定的溫度下發生催化燃燒,達到凈化的目的。目前有機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氣加熱,燃燒類型有直接催化燃燒(CO)和蓄熱式催化燃燒(RCO)。催化燃燒一般適用于小風量、高濃度、高溫的氣態有機物,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設計注意點


(1)能耗:催化燃燒需要在一定溫度條件下進行,對于低溫氣體就必須進行加熱,風量越大其耗能越大,運行成本也就提高;因此選擇此工藝時,在確保收集效率的前提下,盡可能降低排風量,這樣既可提升排氣濃度提升廢氣單位熱值,又可降低風量降低能耗;同時也要考慮熱將尾氣中熱量進行回收。


(2)設備開機預熱:設計時設備預熱應為動態,而非靜態預熱;初始預熱階段利用的氣體一般為空氣,而非廢氣,待系統達到設計溫度后方可切換為廢氣。


(3)安全:有機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物燃燒產生的部分熱量,降低能耗,但在處理中必須將其濃度控制在爆炸限范圍內。一般需要設置泄爆片、可燃氣體探測儀、應急排空閥、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,小風量一般采用簡易的列管直接熱交換回收熱;對于能耗超出接受范圍的,大風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


實際應用中,活性炭吸附與催化燃燒,兩者除了可以單獨使用外,也可以組合使用。組合使用主要利用兩者之間具有互補性的特點:活性炭吸附適用于大風量、低濃度廢氣,催化燃燒適用于小風量、高濃度廢氣,且活性炭在高溫下被吸附的有機物能夠脫附出來J。從另一個角度看,此組合工藝可視為活性炭的現場再生利用工藝,既減少了活性炭吸附飽和后的更換處置成本,同時定期的濃縮脫附也避免了因活性炭吸附飽和未及時更換造成的超標排放風險。


4.2設計要點


隨著催化燃燒廢氣處理中應用逐漸增多,相關技術也已趨于成熟。在設計方面,主要是以下幾個關鍵點:一是加熱熱交換與尾氣熱回收熱交換的設計,二是對催化劑填料層的設計和催化劑選型,三是對設備運行控制和安全控制設計。


4.3設計注意點


目前氣體加熱、熱交換、催化劑填料層的設計,都可以查閱相關資料進行設計計算,但將這些設備組合為一個系統進行設計,因各設備廠商之間存在市場競爭關系和技術保密,關鍵的設計計算還無法查閱。現就系統在實際工程使用中,發現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,應將催化燃燒室溫度升至工作溫度后,然后再對活性炭進行逐步升溫脫附;而有些廠家設計在催化燃燒室的溫度沒有達到設計溫度時,就開始對活性炭進行升溫脫附,此種情況造成脫附出的廢氣無法有效的經過催化燃燒室燃燒。


(2)催化燃燒室預熱。催化室預熱時,未對流動的氣流進行動態加熱,而是對催化室內的空氣進行靜態加熱,導致一旦廢氣進入催化燃燒室,其催化室溫度急速下降,造成達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,部分廠家設計是利用處理后的尾氣作為脫附熱氣。活性炭碳的脫附溫度只需要80—90℃,利用尾氣前必須先對尾氣進行降溫處理,若不能將溫度降至設計范圍,就會存在活性炭著火的風險;而且脫附產生的有機廢氣是濃縮廢氣,其濃度較高,與高溫氣體接觸也會存在爆炸的風險。如果采用燃氣加熱,燃氣燃燒產生的廢氣和燃氣本身所含部分因子,也會對活性炭、催化劑造成不利影響;再有燃氣使用若控制不好,天然氣未燃燒直接進入催化裝置,一旦點火也會發生爆炸,其風險相比電加熱更大。


5結束語


綜上所述,對活性炭吸脫附與催化燃燒組合工藝,設計時應采取相應對策避免上述問題的發生,從安全角度考慮,加熱系統采用電加熱,對脫附氣體采用新風,其安全系數更高;從經濟角度考慮,一般采用燃氣加熱,脫附氣體采用尾氣;但最終采用何種方式還需現場具體情況來確定。若單獨使用催化燃燒工藝,其不需要脫附加熱,相應風險也比組合T藝會降低很多,至于采用哪種方式加熱,也需要結合企業實際情況來確定。單獨使用活性炭工藝,其運行存在主要風險是活性炭的更換周期,目前還沒有簡單有效的方法去確定,只能在設計時按照經驗和計算參數給定一個建議值。




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