活性炭吸附与催化燃烧工艺的存在的问题及注意要点

摘要:目前中国各地大气污染污染状况还不容乐观,尤其是有机废气污染。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,厂家也越来越多,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可靠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遇到的一些问题和注意点进行探讨。

1 有机废气处理工艺比选要素

常见的有机废气处理工艺有:活性炭/棉吸附、生物洗涤吸收、等离子、光催化氧化、冷凝回收、催化燃烧、热力焚烧等。但选择哪种合适有效的处理工艺,就需要根据实际情况进行工艺比选。

正常情况下,首先需要考虑废气中的污染因子、产生浓度、废气排放量,其次就是要考虑需要的去除效率,在了解上述两方面的基础上,再考虑采用何种工艺。但具体采用哪种工艺合适,还需要进一步对废气的温度、湿度、污染因子特性(熔点、沸点、易燃易爆性、水溶性、是否含有卤素、粘性)以及非有机性污染因子(如:颗粒物)等,做进一步的分析。同时也要兼顾处理工艺的安全性、经济性以及稳定性等。【有机废气处理】

2 活性炭吸附工艺

2.1工艺原理及适用范围

活性炭是经过活化处理后的碳,其具备比表面积大,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:一是活性炭与气体分子间的范德华力,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,此为物理吸附;二是吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合成,此为化学吸附。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。

2.2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:一是,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;二是,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。

以上设计基于活性炭的吸附速率为一个恒定值或者无限大到可忽略不计的情况下设计的。而实际中吸附速率目前还不能有效计算出,不同的碳、不同的过滤风速、不同的风压等等,都会影响碳层的速率吸附速率。【活性炭吸附】

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。

3 催化燃烧工艺

3.1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。

3.2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。

4 活性炭吸脱附与催化燃烧组合工艺

4.1工艺原理

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J。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。

4.2设计要点

随着催化燃烧废气处理中应用逐渐增多,相关技术也已趋于成熟。在设计方面,主要是以下几个关键点:一是加热热交换与尾气热回收热交换的设计,二是对催化剂填料层的设计和催化剂选型,三是对设备运行控制和安全控制设计。

4.3设计注意点

目前气体加热、热交换、催化剂填料层的设计,都可以查阅相关资料进行设计计算,但将这些设备组合为一个系统进行设计,因各设备厂商之间存在市场竞争关系和技术保密,关键的设计计算还无法查阅。现就系统在实际工程使用中,发现的一些问题归纳如下。【催化燃烧】

(1)活性炭升温和催化燃烧室升温控制。在使用脱附+催化燃烧时,应将催化燃烧室温度升至工作温度后,然后再对活性炭进行逐步升温脱附;而有些厂家设计在催化燃烧室的温度没有达到设计温度时,就开始对活性炭进行升温脱附,此种情况造成脱附出的废气无法有效的经过催化燃烧室燃烧。

(2)催化燃烧室预热。催化室预热时,未对流动的气流进行动态加热,而是对催化室内的空气进行静态加热,导致一旦废气进入催化燃烧室,其催化室温度急速下降,造成达不到催化燃烧的温度。

(3)利用催化燃烧的热部分尾气作为活性炭脱附气体。催化燃烧的尾气温度较高,一般300℃左右,为降低能耗,部分厂家设计是利用处理后的尾气作为脱附热气。活性炭碳的脱附温度只需要80—90℃,利用尾气前必须先对尾气进行降温处理,若不能将温度降至设计范围,就会存在活性炭着火的风险;而且脱附产生的有机废气是浓缩废气,其浓度较高,与高温气体接触也会存在爆炸的风险。如果采用燃气加热,燃气燃烧产生的废气和燃气本身所含部分因子,也会对活性炭、催化剂造成不利影响;再有燃气使用若控制不好,天然气未燃烧直接进入催化装置,一旦点火也会发生爆炸,其风险相比电加热更大。

5 结束语

综上所述,对活性炭吸脱附与催化燃烧组合工艺,设计时应采取相应对策避免上述问题的发生,从安全角度考虑,加热系统采用电加热,对脱附气体采用新风,其安全系数更高;从经济角度考虑,一般采用燃气加热,脱附气体采用尾气;但最终采用何种方式还需现场具体情况来确定。若单独使用催化燃烧工艺,其不需要脱附加热,相应风险也比组合T艺会降低很多,至于采用哪种方式加热,也需要结合企业实际情况来确定。单独使用活性炭工艺,其运行存在主要风险是活性炭的更换周期,目前还没有简单有效的方法去确定,只能在设计时按照经验和计算参数给定一个建议值。

来源:《污染防治技术》