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煤化工VOCs吸附处理技术研究进展及展望(2)

阅读:303 时间:2021-03-23 15:05

3、吸附装置

  煤化工行业产生的VOCs 种类繁多、浓度、流量及排放量不尽相同,可选择的吸附装置主要有固定式、移动式、流化床及沸石蜂窝转轮吸附装置等,不同吸附装置需根据实际处理VOCs的特性合理选择,最常用的是固定床。

  学者研究表明:采用超重力技术与吸附、催化燃烧相结合,提出了一种处理VOCs的新型工艺,并将高效率重力技术传质特性用于旋转填料床中,实现并提高了在超重力环境下化学改性活性炭吸附甲苯的吸附性能,同时指出旋转床可以提高活性炭利用率,有效实现深孔吸附,吸附性能与操作条件、重力因子、甲苯进口浓度、气流量、床层厚度及床层利用率有关。

  旋风流化床具有良好的去除VOCs的性能,气体流量对颗粒流化的影响最大,增加旋风流化床中入口气流速率将使球形活性炭吸附剂快速自旋转,吸附效率主要受气流接触吸附剂颗粒停留时间的影响,减小环空体积有利于提高吸附效率,进口流量1.0 m3/h、相对填料高度k=0.65时,最大吸附效率高于99%。

  采用两相模型来模拟实验室规模流化床吸附器中珠状活性炭(BAC)对VOCs的吸附特性,该模型模拟研究了不同操作条件(吸附剂进料率、空气流量和初始浓度)对不同孔径、孔隙率和吸附容量的珠状活性炭(BAC)上工业溶剂混合物吸附的影响,该模型可用于预测工业规模流化床吸附器在不同操作条件和表观密度下去除VOCs的性能。

4、吸附技术的工程应用

  山东某煤化工企业产生的焦化废水VOCs主要成分是二甲苯、甲苯、硫化氢、苯胺、氨、乙硫醇、苯等典型VOCs,由于成分复杂,单一处理技术难以实现排气达标,通过技术分析比较,采用池体封闭+负压收集+脱水除尘+化学洗涤+水洗涤+低温等离子体技术+活性碳吸附的组合处理技术。该项目实际运行后结果显示主要污染物排放达标,处理效率达到95%,在该组合处理技术中,活性炭的吸附作用作为拦截剩余VOCs的最后一关起到重要作用。

  针对某焦化企业焦化过程中的粗苯储罐呼吸及装车散发出来的苯系物、重油等VOCs废气,采用深冷冷凝回收+活性炭吸附真空脱附+装车蒸汽平衡的组合技术处理废气,最后采用活性炭吸脱附系统将苯蒸气处理后的废气达标排放;还对该焦化企业的污水采用“加盖收集+酸洗+碱洗+生物滤池+焦炭吸附”组合技术处理焦化污水VOCs废气,具有吸附作用的焦炭作为最后深度处理措施。该组合技术可以达到焦化污水VOCs废气污染物完全净化,实现达标排放。

  对中煤陕西榆林能源化工有限公司化工分公司的污水处理系统进行改造,由于污水中含有硫化物、含硫有机物、氨氮、氨氮、芳香烃、苯酚、甲醇等物质,成为污水VOCs组分的主要来源。通过技术比较,采用“VOCs废气收集+酸洗+生物洗涤法+碱洗+光催化法+活性炭吸附脱附法的组合技术处理净化工艺”,改造后烟囱排口监测结果满足废气排放标准。

  某煤化工项目VOCs处理采用生物除臭和炭吸附回收作为主要技术,油气回收采用活性炭吸附+1号低芳溶剂吸收组合技术,在汽车装车系统的油气回收也采用吸附+吸收组合工艺技术。检测结果显示,油气回收率达98%,排放气体中的非甲烷总烃浓度达到排放的环保要求。

  宁波钢铁有限公司焦化厂无组织VOCs排放的气体主要成分为硫化氢、氰化氢、苯并花、氨气、非甲烷总烃、苯、酚类等,通过技术比较采用“酸洗+碱洗+除水+除湿+活性炭吸附脱附”组合技术工艺处理,废气活性炭层的解吸附采用180 ℃高温热氮气脱附,脱附后的活性炭和氮气均可循环利用,运行效果检测达到排放标准,取得了较好的社会效益和环境效益。

  采用吸附+催化燃烧组合技术处理风量大且不含尘的低浓度常温VOCs气体,对低浓度的VOCs气体采用吸附材料如活性炭或沸石转轮等进行吸附浓缩,然后脱附形成高浓度的VOCs废气,再采用催化氧化燃烧技术处理,VOCs废气去除率可达90%以上。

  采用由喷淋、干燥、吸附、燃烧四大模块组成的吸附浓缩+催化燃烧的组合技术处理VOCs,将浓度低、风量大的VOCs废气通过活性炭或活性炭纤维等吸附材料,达到VOCs废气初步净化,然后将浓缩后的浓度高风量小的VOCs气体进行催化燃烧生成CO2和H2O再排放,最终达到废气排放合格,国内采用吸附浓缩-催化燃烧技术的净化效率可达95%。

  吸附+催化燃烧系统的组合技术路线中,吸附床采用两用(处于吸附作业中)一备(采用蒸汽或空气脱附再生作业中),脱附产生的浓缩废气转入催化燃烧器(换热器、加热器和催化燃烧室组成)进行自热无焰催化燃烧,同时还对吸附器选择与优化设计、吸附剂选用、VOCs废气预处理器去除固体杂质等工业应用进行论述,指出该吸附+催化燃烧组合的VOCs废气净化效率高达95%以上。

  将光催化剂附着在吸附材料上组成吸附+光催化技术组合处理VOCs技术,该技术利用吸附剂浓缩提高VOCs浓度的同时利用光催化剂对高浓度污染物气体进行催化降解,进而生成CO2和H2O,同时吸附剂吸附了光催化反应过程中的有害物质,降低了因光催化反应导致的二次污染。

5、结语及展望

  吸附技术被广泛认为是控制煤化工VOCs排放和回收VOCs再利用的经济、有效且具有前景的技术。

  1)吸附过程就是吸附剂与被吸附质之间相互作用的物理化学过程。物理过程包括与吸附剂结构特性有关的宏观过程和由范德华力、微孔的填充和毛细管冷凝等因素决定的微观过程,影响因素有吸附剂结构特性及表面化学性质等。化学吸附过程是指吸附剂表面官能团与被吸附质分子之间的化学反应等过程,影响因素有吸附质之间的竞争,吸附环境如吸附温度、湿度、压力及流量等。

  2)可用作吸附剂材料的有活性炭、生物炭、活性炭纤维、石墨烯、碳纳米管,沸石、金属有机骨架、黏土、硅胶、有机聚合物以及复合材料等。为了提高对VOCs气体的吸附性能力,需采用改性技术对吸附材料的比表面积、化学官能团和孔结构等物理化学特性进行调整,改性可以有针对性提高吸附剂对吸附质的吸附效果。

  3)吸附装置主要由预处理、吸附、脱附、回收四大部分组成,典型吸附器有固定吸附床、移动吸附床、流化吸附床(旋风流化床)、旋转床以及浓缩吸附转轮等,针对不同煤化工VOCs,可选取适合的吸附器。

  4)对于煤化工VOCs处理,吸附技术多与催化氧化燃烧、蓄热燃烧技术、光催化氧化技术、冷凝回收技术、生物降解、化学洗涤吸收以及低温等离子体技术等技术组合处理VOCs气体,进行有利用价值VOCs气体的回收利用,实现VOCs废气排放达标。

  由于煤化工排放VOCs气体的浓度、流量、湿度、温度、含固率以及气体成分的组成各不相同,特别是VOCs气体组成种类繁多,化学特性各不相同,造成VOCs气体处理难度非常大。因此,吸附处理技术研究方向主要有:① 吸附材料改性(或定向改性)、新型改性方法及新型吸附材料的研究,定向改性高效率低成本吸附材料研究;② 不同特性吸附材料及其在不同流态下的吸附理论及吸附装置的研究;③ 吸附材料与吸附质在吸附过程中的微观物理化学过程研究;④ 不同吸附质(或多种吸附质)在吸附过程中(或不同吸附材料中)的吸附竞争机理研究;⑤ 多组分吸附质在相同吸附剂中的脱附机理及高效低成本的解脱附方法及装置的研究;⑥ 可以采用理论模拟(如密度泛函理论等)与试验研究相结合的方法,不断创新研究吸附技术及其组合技术,加强吸附之前的煤化工VOCs气体的除尘除湿研究。

  此外,由于现在多数试验研究是针对较为单一成分的煤化工VOCs气体开展吸附材料吸附性能等研究,今后需尽量真实地模拟实际煤化工VOCs混合气体,开展多组分VOCs吸附及解吸附研究:① 根据煤化工实际排放的VOCs混合气体组分,对吸附材料如活性炭等进行针对性改性处理,制成适合吸收水分、大分子VOCs、小分子VOCs、有极性VOCs分子、无极性VOCs分子等不同性质的改性吸附材料。② 按照煤化工VOCs混合气体特点,有针对性地选取最适合吸收该种气体(或相近性质气体组)的改性吸附材料,组成特定VOCs吸附材料层。③ 根据VOCs混合气体被吸附特点及先后顺序,将特定吸附材料层再组合成复合吸附装置,该复合吸附装置中各分层之间在吸附材料解析附再生时可以严密分层隔开并单独进行脱附处理(吸附质回收处理)。④ 在实际工程应用时,将VOCs混合气体依次经过复合吸附装置,实现VOCs混合气体分别吸收以及实现吸附质的分别脱附回收处理,进而实现VOCs废气排放达标。


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