蔡炳良

（浙江環(huán)耀環(huán)境建設(shè)有限公司，杭州 310012）

1 引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物通常是指正常環(huán)境條件下容易揮發(fā)的有機(jī)化合物。目前，對揮發(fā)性有機(jī)化合物尚無統(tǒng)一定義，許多國家或地區(qū)是按沸點(diǎn)和一定溫度下的蒸氣壓數(shù)據(jù)來限定，如澳大利亞、瑞士、德國、歐盟等。還有一些國家以是否發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)來限定，如美國[1]。

從我國近幾年國家發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)看，傾向于定義揮發(fā)性有機(jī)化合物是指能參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或根據(jù)規(guī)定的方法測量或核算確定的有機(jī)化合物，簡稱VOCs[2]。1）用于核算或備案的VOCs指20℃時(shí)蒸氣壓不小于10Pa或101.325kPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，沸點(diǎn)不高于260℃的有機(jī)化合物或?qū)嶋H生產(chǎn)條件下具有以上相應(yīng)揮發(fā)性的有機(jī)化合物（甲烷除外）的統(tǒng)稱。2）以非甲烷總烴（NMHC）作為排氣筒、廠界大氣污染物監(jiān)控、廠區(qū)內(nèi)大氣污染物監(jiān)控點(diǎn)及污染物控制設(shè)施去除效率的揮發(fā)性有機(jī)化合物的綜合性控制指標(biāo)[3]。

VOCs的種類有很多，如脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯等（見下表），主要來源于石油化工、制藥、印刷、噴漆等行業(yè)生產(chǎn)過程中所排放的廢氣[4]。VOCs中的許多物質(zhì)對人體和各種感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些會產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的“三致”效應(yīng)。對環(huán)境安全和人類生存產(chǎn)生極大的危害[5]。

有機(jī)廢氣主要代表污染物

ACF，Activated carbon fiber，即采用活性碳纖維作為吸附劑對廢氣中的有機(jī)物進(jìn)行吸附回收的工藝。目前，在有機(jī)廢氣處理領(lǐng)域，ACF主要應(yīng)用于處理組分相對比較單一、沸點(diǎn)在50℃～200℃、非水溶性、中等濃度、有回收利用價(jià)值的工況。

2 ACF工藝組成

ACF處理工藝主要由預(yù)處理、吸附、蒸氣脫附、負(fù)壓抽干、干燥降溫及計(jì)量回收系統(tǒng)組成。工藝流程見圖1。

圖1 ACF工藝流程圖

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

吸附回收裝置入口設(shè)置阻火器，使回收裝置與生產(chǎn)設(shè)備安全隔離；廢氣入口設(shè)有事故排放三通閥，當(dāng)裝置停機(jī)或需檢修時(shí)，該三通閥自動切換，廢氣通過排放煙囪直排，不會影響前端生產(chǎn)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。

廢氣經(jīng)過過濾器過濾，去除廢氣中的顆粒物質(zhì)、大分子物質(zhì)，以保證這些雜質(zhì)不被活性碳纖維吸附，避免占用活性碳纖維的孔隙而影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命。

由于高溫不利于吸附，廢氣溫度大于40℃時(shí)，需要通過換熱器將溫度降至40℃以下方能進(jìn)入后端吸附裝置。預(yù)處理還包括通過吸收法回收或除去堿性、酸性或水溶性的介質(zhì)，起到除去有害物質(zhì)、延長吸附裝置使用壽命和提高回收有機(jī)物純度的作用。高效過濾器和廢氣換熱器見圖2。

2.2 吸附系統(tǒng)

廢氣進(jìn)入吸附器，在范德華力的作用下，有機(jī)物被吸附到活性碳纖維的微孔中，活性碳纖維吸附飽和后進(jìn)行再生。廢氣經(jīng)碳纖維吸附器后進(jìn)行潔凈排氣。吸附器由自動控制系統(tǒng)控制，自動切換交替進(jìn)行吸附、再生（脫附、負(fù)壓抽干、降溫干燥）過程，從而在任何時(shí)刻都至少有1臺吸附器做一級吸附，1臺吸附器做脫附干燥再生，保證了吸附系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行和連續(xù)處理能力。吸附箱體見圖3。

圖2 高效過濾器和廢氣換熱器

圖3 ACF吸附箱體

2.3 蒸氣脫附系統(tǒng)

通過自力式減壓閥減壓后輸出壓力穩(wěn)定的蒸氣，將吸附在活性碳纖維床層上的有機(jī)物脫附下來，同時(shí)依靠蒸氣的吹掃，將含有水蒸汽和有機(jī)蒸氣的混合蒸氣吹出，送入回收系統(tǒng)。獨(dú)特的自力式蒸氣調(diào)壓閥使得脫附用蒸氣輸出壓力十分穩(wěn)定且故障率極低。蒸氣脫附過程的吸附器溫度應(yīng)在100℃～105℃，溫度太高說明裝置運(yùn)行不正常，超過高溫設(shè)定值報(bào)警停車，應(yīng)及時(shí)檢查處理裝置問題；溫度太低說明蒸氣不足或流量太低，無法對吸附器進(jìn)行有效脫附，需檢查相應(yīng)公用工程供給問題。

2.4 負(fù)壓抽干系統(tǒng)

關(guān)閉冷凝器出氣管道和出液管道上的閥門，啟動漩渦氣泵，將吸附器中的蒸氣或有機(jī)物吸入冷凝器冷凝，氣體再通過氣液分離器排氣管道進(jìn)入前段工藝重新處理。抽負(fù)壓程序?qū)⒏街谔祭w維表面的水分也被抽出，大大降低了碳纖維的含水量，使后續(xù)的干燥降溫操作更加容易，縮短干燥時(shí)間。負(fù)壓抽干過程中，吸附器排放閥門關(guān)閉，抽干風(fēng)機(jī)抽吸附器密閉空間的氣體，使吸附器內(nèi)的壓力降低，蒸氣和有機(jī)物的飽和蒸氣壓降低，有利于水和有機(jī)物從碳纖維表面脫附。抽負(fù)壓程序吸附器循環(huán)切換時(shí)間縮短，可使同樣大小的吸附裝置能夠處理更多的有機(jī)成分，提高了裝置的處理能力。負(fù)壓抽干汽液分離器見圖4。

圖4 負(fù)壓抽干汽液分離器

2.5 干燥降溫系統(tǒng)

當(dāng)負(fù)壓操作完成后，活性碳纖維層上的溫度很高，濕度也較大，不利于將要進(jìn)行的吸附操作，所以要用足夠的新鮮冷空氣對碳纖維層進(jìn)行吹掃，達(dá)到對活性碳纖維吸附劑降溫和干燥的目的。

新鮮空氣進(jìn)入裝置前首先經(jīng)過干燥過濾器，將其中的雜質(zhì)和顆粒物截留，干凈空氣參與吸附器的干燥降溫工作。當(dāng)過濾器上積累的灰塵和雜質(zhì)較多時(shí)，干燥風(fēng)機(jī)前的阻力增大、干燥風(fēng)量減小，同時(shí)空氣過濾效率降低，不利于吸附器的干燥和降溫，此時(shí)應(yīng)及時(shí)拆下過濾網(wǎng)進(jìn)行清理。干燥過濾器的外形見圖5。

圖5 干燥過濾器外形圖

2.6 計(jì)量回收系統(tǒng)

計(jì)量回收系統(tǒng)由冷凝器、分離裝置和冷卻器等組成。經(jīng)脫附的含有水蒸汽和有機(jī)蒸氣的混合氣體經(jīng)過冷凝后變成混合液體，流入特別設(shè)計(jì)的分離裝置，吸附器底部流出的冷凝液經(jīng)冷卻器后也流入分離裝置，使不溶于水的有機(jī)物和水分離；分離出來的有機(jī)物通過自流進(jìn)入計(jì)量槽后回收利用。分層后的廢水排入污水管道。

冷凝器循環(huán)水的進(jìn)水溫度應(yīng)在32℃以下，并保證足夠的壓力（到吸附界區(qū)≥0.25MPa），使出水溫度≤37℃，循環(huán)水和冷凍水入口設(shè)置調(diào)節(jié)閥與冷凝器出口溫度聯(lián)動控制，自動調(diào)整供水量。

回收量計(jì)量系統(tǒng)的使用，提高了管理效率，并為裝置的操作參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。計(jì)量回收系統(tǒng)設(shè)備及管道見圖6。

圖6 計(jì)量回收系統(tǒng)設(shè)備及管道圖

3 ACF工藝特點(diǎn)

3.1 負(fù)壓抽干技術(shù)

采用負(fù)壓抽干技術(shù)，在停止蒸氣后，對吸附系統(tǒng)抽真空，破壞已建立的吸附平衡，使吸附在碳纖維孔道中大分子、高沸點(diǎn)的有機(jī)物向氣相擴(kuò)散，將附著在碳纖維表面的水分抽出，縮短干燥過程所需要的時(shí)間，減少裝置使用蒸氣量，提高裝置處理能力，為裝置吸附廢氣達(dá)標(biāo)創(chuàng)造了良好的條件。同時(shí)，將脫附完成后設(shè)備中的氣體抽出送入冷凝器冷凝，能有效避免這部分氣體直接排放可能對環(huán)境造成的影響，此外，也具有一定的輔助脫附作用。

3.2 大風(fēng)量干燥技術(shù)

負(fù)壓抽干結(jié)束后，新鮮空氣經(jīng)濾器過濾掉空氣中的灰塵后，通過風(fēng)機(jī)引入吸附芯，將碳纖維和吸附器空間內(nèi)的氣體吹出，降低吸附器內(nèi)部的溫度及濕度，干燥風(fēng)機(jī)采用大風(fēng)量型號風(fēng)機(jī)，縮短碳纖維干燥的時(shí)間，使活性碳纖維徹底干燥，水分殘留極少，保證吸附能力發(fā)揮到極致。

3.3 采用中孔徑率高、比表面積大的活性碳纖維

研究表明當(dāng)被吸附的有機(jī)物分子直徑大于碳纖維微孔直徑時(shí)，有機(jī)物分子堵塞在碳纖維孔道中，難以脫附，容易造成碳纖維中毒。中孔徑率高的碳纖維很好地解決了這個(gè)問題，大分子、高沸點(diǎn)物質(zhì)能很好地從碳纖維孔道中脫出，并延長了碳纖維使用壽命。

3.4 安全可靠

1）采用防爆風(fēng)機(jī)、防爆泵；控制柜和氣柜均采用正壓防爆技術(shù)，外部信號通過安全柵連接，系統(tǒng)接地，確保裝置安全性；2）設(shè)計(jì)吸附器超溫報(bào)警，當(dāng)吸附器內(nèi)部溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，裝置自動報(bào)警停機(jī)，超溫的吸附器進(jìn)入脫附再生模式，將吸附器內(nèi)部降溫，同時(shí)解析出內(nèi)部殘存的有機(jī)物，將系統(tǒng)危險(xiǎn)性降到最低；3）裝置設(shè)置有信號報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)，當(dāng)裝置內(nèi)任何自動控制閥門、儀表、電機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)即報(bào)警并聯(lián)鎖進(jìn)入停機(jī)程序，進(jìn)氣切斷、事故排空閥打開，待檢修處理完畢后再行開機(jī)，保障事故狀態(tài)下裝置的安全。

3.5 精細(xì)化的設(shè)備設(shè)計(jì)

吸附芯龍骨采用直徑Φ8型號，材質(zhì)316L不銹鋼，并采用鋼針固定，使纏繞在龍骨上的碳纖維結(jié)實(shí)牢固，避免碳纖維松散致氣流短路、吸附效果下降等情況發(fā)生。

4 ACF工藝存在的問題

1） 干燥階段初期存在廢氣排放不達(dá)標(biāo)的情況。由于脫附末端轉(zhuǎn)為干燥的瞬間吸附箱體內(nèi)留存著之前脫附的氣體，轉(zhuǎn)為干燥時(shí)這部分氣體直接隨著干燥氣體排出，造成部分有機(jī)物直接排放至環(huán)境；2）由于采用蒸氣脫附介質(zhì)，風(fēng)機(jī)和管道中容易積聚冷凝水，因此設(shè)備設(shè)計(jì)和管道設(shè)計(jì)變的十分關(guān)鍵；3）整個(gè)工藝過程控制較為復(fù)雜，對控制要求較高，ACF吸附箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工要求也較高。

5 結(jié)論

ACF吸附回收裝置能有效吸附有機(jī)廢氣中的有機(jī)物實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，并通過蒸氣脫附、負(fù)壓抽干、干燥降溫及計(jì)量回收實(shí)現(xiàn)有機(jī)物回收。對干燥階段初期達(dá)標(biāo)問題，目前已有環(huán)保公司對原有工藝進(jìn)行了調(diào)整，如干燥風(fēng)循環(huán)處理，也是一種解決辦法。隨著科技和加工制造技術(shù)的發(fā)展，管道設(shè)計(jì)和控制也不再是制約此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的因素。對于有機(jī)廢氣處理，ACF吸附回收是理想的工藝路線。

[1] 陸震維.有機(jī)廢氣凈化技術(shù)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2011.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局.石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2015.

[3] 上海市環(huán)境保護(hù)局，上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（上海市）[S]. 2015.

[4] 白燁，毛鶴群.淺談有機(jī)廢氣的危害及治理方法[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015（6）.

[5] 趙琳，張英鋒，李榮煥，馬子川.VOC的危害及回收與處理技術(shù)[J].化學(xué)與社會，2015（1）.