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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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