随着国家对大气环境污染越来越重视,相关的环保产业也随之不断壮大和发展,针对有机废气处理设备也呈现出多种多样,各自也有各自的的特点。对于客户来说,一般处理废气的原理可以理解,但是是否能够达到预期的处理效果,确有所顾虑。对于设计单位来说,怎样为客户提供一套既有效又经济的处理设备才是关键。结合以往的实际工作经验和案例,此次浅谈就活性炭处理工艺与催化燃烧处理工艺,在设计与实际使用过程中的一些对比。
1、活性炭吸附工艺
1.1工艺原理及适用范围
活性炭是经过活化处理后的碳,其具备表面积大,孔隙多的特点,使其具有较强吸附能力。颗粒碳比表面积一般可达700—1200m2/g,其孔径大小范围在1.5nm一5um之间。其吸附方式主要通过2种途径:一是物理吸附,当气体分子经过活性炭表面,范德华力起主导作用时,气体分子先被吸附至活性炭外表面,小于活性炭孔径的分子经内部扩散转移至内表面,从而达到吸附的效果;二是化学吸附,吸附质与吸附剂表面原子间的化学合成。
活性炭吸附一般适用于大风量、低浓度、低湿度、低含尘的有机废气。
1.2影响吸附效果的因素
活性炭的吸附能力主要是受其本身的比表面积、孔隙大小、分子间力、化学键合成等因素影响;而在实际应用中,对活性炭装置的设计,关键是活性炭的过滤面积、过滤风速、活性炭的层厚。
活性炭过滤风速在《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ2026—2013)中,可以查到固定床吸附,采用颗粒状吸附剂气体流速宜低于0.6m/s,采用纤维状吸附剂气体流速宜低于0.15m/s,采用蜂窝状吸附剂气体流速宜低于1.2m/s;过滤面积即可根据处理风量和过滤风速计算得出。
碳层厚度的设计,就需要结合废气的产生浓度、去除效率、活性炭的更换时长等因素进行。一般会采用2种方式计算碳层厚度:一、根据活性炭需要的更换周期,来确定活性炭的总的装填量,之后再根据过滤面积计算碳层厚度; 二、在考虑吸附箱尺寸大小、碳层风阻、过滤风速的情况下,依照经验直接选定一个厚度值。
实际中影响碳层吸附速率的因素有:吸附质浓度、风压、温度、活性炭比表面积等等,各条件参数之间的关系可以表示为以下公式:
停留时间确定后,活性炭的厚度即可根据设计的过滤风速计算得出。
同样的条件下,一般活性炭层的厚度越厚,其去除效率也会越高,但实际应用中,为提高设备的经济性,通常要考虑碳层厚度不能无限制的加厚,因此对于活性炭层厚度的选择,需要根据去除效率要求和碳本身的吸附速率,进行有效设计计算。
通过图1可以看出
(1) 碳层厚度选择小,吸附速率慢,碳层就会容易被穿透,导致去除效率降低;
(2) 碳层厚度选择大,吸附速率快,碳层就不容易被穿透,碳可以长时间使用。
2、催化燃烧工艺
2.1工艺原理及适用范围
催化燃烧是利用贵金属催化剂降低废气中有机物的活化能,使有机物在较低的温度(一般在250~300oC左右,不同成分的有机物,其催化燃烧温度不一样)下发生无火焰燃烧。其原理是废气经过催化剂时,先被吸附至催化剂表面,然后在一定的温度下发生催化燃烧,达到净化的目的。目前有机废气处理中常用的催化一般为蜂窝状钯金属催化剂和铂金属催化剂,催化燃烧方式有电加热和燃气加热,燃烧类型有直接催化燃烧(CO)和蓄热式催化燃烧(RCO)。
催化燃烧一般适用于小风量、高浓度、高温的气态有机物,且废气中不能含有硫、铅、汞、砷及卤素等可使催化剂中毒的因子。
2.2设计注意点
(1)能耗:催化燃烧需要在一定温度条件下进行,对于低温气体就必须进行加热,风量越大其耗能越大,运行成本也就提高;因此选择此工艺时,在确保收集效率的前提下,尽可能降低排风量,这样既可提升排气浓度提升废气单位热值,又可降低风量降低能耗;同时也要考虑热将尾气中热量进行回收。
(2)设备开机预热:设计时设备预热应为动态,而非静态预热;初始预热阶段利用的气体一般为空气,而非废气,待系统达到设计温度后方可切换为废气。
(3)安全:有机废气一般属于易燃易爆性气体,虽然浓度高可以回收利用有机物燃烧产生的部分热量,降低能耗,但在处理中必须将其浓度控制在爆炸限范围内。一般需要设置泄爆片、可燃气体探测仪、应急排空阀、稀释阀、防火阀等。
(4)热回收方式:在能耗可接受范围的情况下,小风量一般采用简易的列管直接热交换回收热;对于能耗超出接受范围的,大风量一般需要采用蓄热式催化燃烧,可提高热回收效率。
3、活性炭吸脱附与催化燃烧组合工艺
实际应用中,活性炭吸附与催化燃烧,两者除了可以单独使用外,也可以组合使用。组合使用主要利用两者之间具有互补性的特点:活性炭吸附适用于大风量、低浓度废气,催化燃烧适用于小风量、高浓度废气,且活性炭在高温下被吸附的有机物能够脱附出来。从另一个角度看,此组合工艺可视为活性炭的现场再生利用工艺,既减少了活性炭吸附饱和后的更换处置成本,同时定期的浓缩脱附也避免了因活性炭吸附饱和未及时更换造成的超标排放风险。
综上所述:废气处理方式多样,可根据具体工况进行合理搭配,取长补短,创造具有生态和经济效益的生产环境。