活性炭纤维吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度

文章出处：未知人气：发表时间：2020-12-31

有机废气中所含挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs），一般是指温室下饱和蒸气压超过70.91Pa或沸点小于260℃的有机物，包括脂肪烃、芳香烃、酯类、醚类和卤代烃等[1]。近年来的大量研究表明，碳组分是大气颗粒物中含量最高的化学组分，有机碳（OC）、元素碳（EC）在颗粒物中的质量浓度之和约占颗粒物质量浓度的20%～50%。大气中的气态挥发性有机物（VOCs）通过光化学反应生成的二次有机碳（SOC）已经成为颗粒物的重要组成[2]。

采用颗粒活性碳固定床吸附VOCs，因受其吸附率低，床层损力大，需采用蒸汽再生等不利因素的影响未能大量推广应用。蜂窝状活性炭吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度VOCs废气从20世纪90年代开始得到了应用[3]-[7]。由于蜂窝状活性炭比粒状活性炭（GAC）具有床层阻力小，可用热空气再生等优点，基本上解决了活性炭吸附装置连续运转的难题，但仍然存在设备体积庞大、投资高、能耗高等缺点，主要在大型企业中应用，一般中小企业无法承受其费用。

1 新型吸附材料-活性炭纤维的应用

活性炭纤维（Activated Carbon Fiber, 简称ACF）是20世纪70年代初发展起来的一种新型吸附功能材料，它以粘胶纤维、酚醛树脂纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等为原料，经预处理、炭化和活化制得。应用状态为毡、布、纸、蜂窝状等。

ACF具有粒状活性炭、蜂窝状活性炭不可比拟的一系列优点[8]：
（1)ACF的纤维直径细（6～18μm），与被吸附物的接触面积大（外表面积大），且可均匀接触和吸附，使ACF材料得到充分的利用，效率高；
（2）ACF的外表面积和比表面积大，吸附及脱附速度快，约是GAC的 10～100倍。吸附容量大，约是GAC的1.5～ 10倍。可吸附处理低浓度废气或具有活性高的有机物质。
（3）ACF微孔非常丰富，且孔径分布窄，绝大多数孔径在100AO以下，吸附容量高。
（4）ACF的体密度小，滤阻小，约是GAC的1/3，同时ACF的吸附效率高，漏损小，吸附层厚度可薄一些（一般小于 100mm），占用空间小，滤层压降小，动力消耗少。
（5）ACF的强度高，不易粉化，不会造成二次污染。纯度高，杂质少，可用于食品和医疗卫生工业。
（6）因为ACF体密度小和吸附层薄，不会造成蓄热或过热现象，同时，ACF的热稳定性好，脱附温度比GAC 高，事故不易发生，可连续安全作业。
（7）以 ACF作吸附剂的“吸附-催化燃烧”净化设备可以做到小型化，节省场地、资金及运行成本。金毓荃等研究以厚度为20mm的ACF 在滤速0.2m/s以下时，当进口浓度值小于 1000mg/m3时，三苯及其混合物的净化效率高于90%以上，对苯系混合物的吸附容量为 195mg/g左右（C进=500mg/m3，C出/C进 =0.5），连续循环14次，实验结果基本保持不变。吸附柱压降400Pa左右[9]。采用厚度50mm的ACF对甲苯废气进行吸附脱附中试，流量850m3/h，其脱附热风温度为250～270℃，脱附时间15～20min[10]。

以ACF作吸附剂的有机溶剂回收装置，早在20世纪80年代末期日本已有东洋纺织公司、尤尼吉卡公司、东邦人造丝公司等研制成功并批量生产。在相同处理量的条件下，ACF的填充量仅是GAC的1/25；吸附时间是其1/20，脱附时间是其1/5；装置体积是其1/3，且回收溶剂的质量要比其好得多。对于一个双吸附槽回收装置（一个吸附、一个解吸，自动切换）来说，ACF与GAC 回收装置的参数。

在ACF的开发研究及应用技术方面，我国与日本相比，约有10～20年的差距。利用ACF回收装置对医药中间体生产中反应釜排气进行处理，回收甲苯及四氢呋喃（THF），处理规模2000m3/h [11]。利用ACF回收装置回收水松纸印刷生产工艺中排放的乙醇用于生产[1]。欧海峰等于1999年采用活性炭纤维吸附-催化燃烧装置处理鞋厂印胶及烘干工序生产的 “三苯”废气，处理风量为14000m3/h，废气出口浓度低于40mg/m3，净化效率达95.6%～ 97%，脱附热风温度120℃，脱附时间6min[12]。

根据原材料纤维的种类及制备工艺的不同，目前市面提供的ACF主要有粘胶基（纤维素、人造丝）、聚丙烯腈（PAC）基，酚醛基、沥青基等品种。

ACF值得强调的优点是其具有良好的脱附再生性能，脱附完全且速度快，再生吸附量保持率高，对有机溶剂蒸气的吸附，可用热空气或水蒸气再生。工业上用ACF吸附处理甲苯废气时，连续吸附-再生使用1年（吸附再生周期约25min），纤维的再生吸附量可保持95%以上，连续使用两年，可保持80%以上。ACF的耐热性强，在450℃以下空气中不失重，因此可在较高温度下脱附再生[15]。

在吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度VOCs废气工程中，活性炭纤维(ACF)将可取代颗粒活性炭、蜂窝状活性炭做吸附剂。吸附-催化燃烧法应用实例见表3。粘胶基活性炭纤维（VACF）常被用作 VOCs的吸附材料，一方面它对VOCs的吸附容量大，更可贵的是耐温性能好，且温度对 VACF吸附性能影响不大，陈玲、奚旦立利用VACF对印染行业热定型机油烟废气吸附试验发现其吸附温度可达到210℃，且比温度低时吸附量总体上略有升高。热定型机油烟废气以烷烃类物质为主，含有醛、酮、烃、脂肪酸、醇、酯、内脂等污染物[17]。

2 FTX型VOCs废气净化装置简介

FTX型VOCs废气净化装置获发明专利（ZL200610037174·0）授权而开发。适合处理大流量、低浓度VOCs废气。

基本原理及技术特点

（1）采用活性炭纤维作吸附剂对VOCs 分子或分子团进行快速、高效吸附，废气得以净化达标排放。
（2）每套装置由预滤器、吸附器（由6个吸附单元组成）、引风机、催化燃烧装置、脱附风机、控制箱、自动阀门和统一底座等组合成一台一体化装置，方便运输和安装。
（3）吸附器的6个吸附单元循环进行吸附、脱附和再生过程。
（4 ）采用西门子可编程控制器（PLC）及触摸屏进行中央控制，模拟显示设备运转，运行状况可以一目了然。全自动控制，无人值守，可靠性强，操作简单，便于维护。
（ 5 ）设备体积小，重量轻。
（6）设备阻力小，节约能源。

3 FTX型VOCs废气净化装置技术先进性

目前我国处理大风量低浓度VOCs废气的设备以蜂窝状活性炭吸附-催化燃烧工艺为主要代表，FTX装置与其相比较，具有明显的优点。　

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