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      催化燃燒設備
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      VOCs廢氣治理方法及優缺點

      2019-10-15

      一、有機廢氣治理技術


        工業在生產過程中會生產大量對大氣環境有危害的氣體VOC。VOCs廢氣處理是指在常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以內的有機化合物,包括烴類、氧烴類、含鹵烴類、氮烴及硫烴類化合物。VOCs種類繁多來源廣泛,分布面廣,治理難度大,總體而言,按照廢氣處理的方法,有機廢氣處理的方法主要有兩類:一類是回收法,另一類是消除法。回收法主要有炭吸附、變壓吸附、冷凝法及膜分離技術,回收法是通過物理方法,用溫度、壓力、選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來分離VOC的。消除法有熱氧化、催化燃燒、生物氧化及集成技術;消除法主要是通過化學或生化反應,用熱、催化劑和微生物將有機物轉變成為CO2和H2O。


        1.回收技術


        (1)活性炭吸附法


        活性炭吸附是目前最廣泛使用的回收技術,其原理是利用吸附劑(粒狀活性炭和活性炭纖維)的多孔結構,將廢氣中的VOC捕獲。將含VOC的有機廢氣通過活性炭床,其中的VOCs廢氣處理被吸附劑吸附,廢氣得到凈化,而排入大氣。當活性炭吸附達到飽和后,對飽和的活性炭床進行脫附再生;通入水蒸汽加熱炭層,VOC被吹脫放出,并與水蒸汽形成蒸汽混合物,一起離開活性炭吸附床,用冷凝器冷卻蒸汽混合物,使蒸汽冷凝為液體。若VOC為水溶性的,則用精餾將液體混合物提純;若為水不溶性,則用沉析器直接回收VOC。因涂料中所用的“三苯”與水互不相溶,故可以直接回收。活性炭吸附技術主要用于廢氣中組分比較簡單、有機物回收利用價值較高的情況,其廢氣處理設備的尺寸和費用正比于氣體中VOC的數量,卻相對獨立于廢氣流量;因此,活性炭吸附床更傾向于低濃度大氣量,一般用于VOC濃度小于5000PPM的情況。適用于噴漆、印刷和粘合劑等溫度不高,濕度不大,排氣量較大的場所,尤其對含鹵化物的凈化回收更為有效。


      VOCs廢氣處理


        (2)冷凝法


        冷凝法是最簡單的回收技術,將廢氣冷卻使其溫度低于有機物的露點溫度,使有機物冷凝變成液滴,從廢氣中分離出來,直接回收。但這種情況下,離開冷凝器的排放氣中仍含有相當高濃度的VOC,不能滿足環境排放標準。要獲得高的回收率,系統需要很高的壓力和很低的溫度,設備費用顯著地增加。冷凝法主要用于高沸點和高濃度的VOC回收,適用的濃度范圍為>5%(體積)。


        (3)膜分離技術


        膜分離系統是一種高效的新型分離技術,其流程簡單、回收率高、能耗低、無二次污染。膜分離技術的基礎就是使用對有機物具有選擇滲透性的聚合物膜,該膜對有機蒸氣較空氣更易于滲透10-100倍,從而實現有機物的分離。最簡單的膜分離為單級膜分離系統,直接使壓縮氣體通過膜表面,實現VOC的分離,但單級膜因分離程度很低,難以達到分離要求,而多級膜分離系統則會大大增加設備投資。


        (4)變壓吸附技術


        該技術利用吸附劑在一定壓力下,先吸附有機物。當吸附劑吸附飽和后,進行吸附劑的再生。再生不是利用蒸汽,而是通過壓力變換來將有機物脫附。當壓力降低時,有機物從吸附劑表面脫附放出。其特點是無污染物,回收效率高,可以回收反應性有機物。但是該技術操作費用較高,吸附需要加壓,脫附需要減壓,環保中應用較少。


        回收技術的適用范圍


        粒狀活性炭主要用于脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等的回收。常見的有:苯、甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、甲基乙基酮、丙酮、四氯化碳、醋酸乙酯等,活性炭纖維吸附則可回收苯乙烯和丙烯晴等反應性單體,但費用較粒狀活性炭吸附要高的多。吸附法已廣泛用在噴漆行業的“三苯”、 醋酸乙酯、制鞋行業的“三苯”,印刷行業的甲苯、醋酸乙酯、電子行業的二氯甲烷和三氯乙烷的回收。活性炭吸附法要求廢氣中的VOC不能超過5000PPM,并且濕度不能>50%;當濃度>5000PPM時,則需在吸附前稀釋,對部分酮、醛、酯等含活性的物質不適用,該類VOC會與活性炭或在活性炭表面發生反應,堵塞炭孔,使活性炭失活。


        冷凝法對高沸點的有機物效果較好,對中等和高揮發的有機物回收效果不好,該法適合VOC濃度>5%的情況,回收率不高。而大部分廢氣中均存在水分,溫度低于0℃時會結冰,降低系統的可靠性,故很少單獨使用。


        膜分離方法適合于處理較濃的物流,隨著新高效膜的出現和系統造價的降低,它會成為一種重要的回收手段。


        2.消除技術


        (1)熱氧化


        熱氧化系統就是火焰氧化器,通過燃燒來消除有機物的,其操作溫度高達700℃-1000℃。這樣不可避免地具有高的燃料費用,為降低燃料費用,需要回收離開氧化器的排放氣中的熱量。回收熱量有兩種方式,傳統的間壁式換熱和新的非穩態蓄熱換熱技術。


        間壁式熱氧化是用列管或板式間壁換熱器來捕獲凈化排放氣的熱量,它可以回收40%-70%的熱能,并用回收的熱量來預熱進入氧化系統的有機廢氣。預熱后的廢氣再通過火焰來達到氧化溫度,進行凈化,間壁換熱的缺點是熱回收效率不高。


        蓄熱式熱氧化(簡稱RTO)回收熱量采用一種新的非穩態熱傳遞方式。主要原理是:有機廢氣和凈化后的排放氣交替循環,通過多次不斷地改變流向,來最大限度地捕獲熱量,蓄熱系統提供了極高的熱能回收。


        VOC的有機廢氣進入RTO系統,首先進入耐火蓄熱床層1(該床層已被前一個循環的凈化氣加熱),廢氣從床層1吸收熱能使溫度升高,然后進入氧化室;VOC在氧化室內被氧化成CO2和H2O,廢氣得到凈化;氧化后的高溫凈化氣體離開燃燒室,進入另一個冷的蓄熱床層2,該床從凈化排放氣中吸收熱量,并儲存起來(用來預熱下一個循環的進入系統的有機廢氣),并使凈化排放氣體的溫度降低。此過程進行到一定時間,氣體流動方向被逆轉、有機廢氣從床層 2進入系統。此循環不斷地吸收和放出熱量,作為熱阱的蓄熱床也不斷地以進口和出口的操作方式改變,產生了高效熱能回收,熱回收率可高達95%,VOC的消除率可達到99%。


        (2)催化燃燒


        催化燃燒是一種類似熱氧化的方式來處理VOC的,它凈化有機物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過渡金屬氧化物催化劑來代替火焰,操作溫度較熱氧化低一半,通常為 250℃-500℃。由于溫度降低,允許使用標準材料來代替昂貴的特殊材料,大大地降低設備費用和操作費用。與熱氧化相似,系統仍可分為間壁式和蓄熱式兩類熱量回收方式。


        間壁式催化燃燒是在催化床后設一個換熱器,該換熱器在降低排放氣溫度的同時,也預熱含VOC的有機廢氣,其熱回收達60%—75%。該類氧化器早已用于工業過程。


        蓄熱催化燃燒(簡稱為RCO)是一種新的催化技術。它具有RTO高效回收能量的特點和催化反應的低溫操作及能量有效性的優點,將催化劑置于蓄熱材料的頂部,來使凈化達到最優,其熱回收率高達95%-98%。


        RCO系統性能的關鍵是使用專用的催化劑,浸漬在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上的貴金屬或過渡金屬催化劑,允許氧化發生在RTO系統溫度的一半,既降低了燃料消耗,又降低了設備造價。現在,國內已經開始使用RCO技術進行有機廢氣的消除處理,很多RTO設備已開始轉變成RCO,這樣可以削減操作費用達33%-75%,并增加排放氣流量達20%-40%。


        (3)集成技術(活性炭吸附+催化氧化)


        對于大流量、低濃度的有機廢氣,單一使用上述方法處理費用太高,不經濟。利用炭吸附具有處理低濃度和大氣量的優勢,先用活性炭捕獲廢氣中的有機物,然后用小 得多流量的熱空氣來脫附,這樣可使VOC富集10—15倍,大大地減少了處理廢氣的體積,使后處理設備的規模也大幅度地降低。把濃縮后的氣體送到催化燃燒 裝置中,利用催化燃燒適于處理較高濃度的特點來消除VOC。催化燃燒放出的熱量可以通過間壁換熱器,來預熱進入炭吸附床的脫附氣,降低系統的能量需要量。該技術利用活性炭吸附處理低濃度和大氣量的持點,又利用催化床處理適中氣量、高濃度的優勢,形成一種非常有效的集成技術。國內也已開始利用此技術,用于噴漆、印刷和制鞋等排放大氣量、低濃度有機廢氣行業的治理。


        消除技術的使用范圍


        (1)熱氧化熱氧化系統在700℃-1000℃下操作,適于流量為2000-50000m3/h,VOC濃度為100-2000PPM的情況。


        間壁式較蓄熱式的優點是,用簡單的金屬換熱器來捕獲熱量,僅在幾分鐘即達到所需的操作條件,最適于循環操作。


        蓄熱熱氧化具有非常高的氧化溫度,可以處理難以熱分解的有機物,該系統98%-99%的VOC消除率是很常見的。熱回收效率為85%-95%。僅需少量或不需燃料即可運行,特別是對具有相對低VOC含量的氣體,它們比間壁熱氧化費用更低。


        熱氧化的缺點是:①在高溫燃燒中產生了NOx,它也為危險排放物,需要進一步治理;②較慢的熱反應;③不能滿意地處理鹵化物,必需加后處理裝置洗滌塔,來處理酸性氣體;④進氣濃度不能>25%LEL;⑤高的設備投資費用。


        (2)催化氧化


        催化氧化是在比熱氧化低的溫度下進行,通常為250℃-500℃,其處理能力為2000-20000m3/h,適于VOC濃度為100-2000 PPM,其消除效率高達95%以上。低的操作溫度結合間壁換熱器,可以降低啟動所需的燃料。


        催化燃燒較熱氧化有幾個優點:①反應溫度較熱氧化低一半,節省了燃料;②停留時間短,降低了設備尺寸;③由于燃料減少,生成的CO也少,CO和VOC一起被 轉換;④較熱氧化系統需更少的啟動和冷卻時間;⑤低的操作溫度,排除了NOx的生成;⑥因溫度降低,允許使用標準材料來代替昂貴的特殊材料,RCO系統的 整個機械壽命將增加。


        催化氧化也有不足:①催化劑易被重金屬或顆粒覆蓋而失活;②處理鹵化物和硫化物時,會產生酸性氣體,需用洗滌塔進一步處理;③廢催化劑如不能循環使用,也要處理;④進氣濃度不能>25%。


        (3)集成技術(活性炭吸附+催化燃燒)


        活性炭吸附進行VOC回收已廣泛用于噴漆、印刷和電子工業等行業,消除率可達90%-95%,但對低濃度廢氣,從經濟上考慮,回收不經濟,故采用消除技術。


        集成技術的優點就是用較低的費用來處理低濃度、大氣量的廢氣,通過濃縮廢氣,降低了需處理廢氣的體積,用較小體積的催化燃燒氧化器來處理大流量的廢氣,降低設備費用和操作費用。


        該法也有不足,此技術均不適合廢氣中含有高活性、易反應的VOC和相對濕度大于50%的情況,對含鹵化合物的廢氣仍需使用后處理設備。


        由此可見,上述各種方法各有其優缺點和適用對象,現對其中幾種常用方法的優缺點匯總比較如下。


        熱力燃燒法TO優點和缺點


        優點:①凈化效率高;②可凈化各種有機廢氣,不需要預處理,不穩定因素少,可靠性高;③在廢氣濃度高、設計合理的條件下,可回用熱能。


        缺點:①處理溫度高,能耗大;② 存在二次污染;③燃燒裝置、燃燒室、熱回收裝置造價高,維修較難;④處理大流量、低濃度廢氣能耗過大,運行費用高。


        RTO優點和缺點


        優點:①具有TO的各項優點,但對復雜的有機廢氣需要預處理;②能耗遠低于TO,可處理大氣量低濃度廢氣。


        缺點:①處理溫度比TO低,但仍較高,因而仍有少量二次污染;②造價較高;③占地面積大。


        催化燃燒法 CO優點和缺點


        優點:①凈化效率高,無二次污染;②能耗較低,在相同條件下約比TO低50%,因而運行費用低。


        缺點:①用電能預熱時,不能處理低濃度廢氣;②催化劑成本高,且有使用壽命限制;③復雜廢氣需預處理。


        RCO優點和缺點


        優點:①凈化效率高,無二次污染;②在各種燃燒法中能耗較低,廢氣濃度在1-1.5g/m3時即能無耗運行;③能處理各種有機廢氣。


        缺點:① 整體式占地面積小,但維修困難;②分體式占地面積大;③ 整體式不宜用于高濃度(4g/m3),否則催化床會超溫;④復雜廢氣需預處理。


        吸附法優點和缺點


        優點:①可凈化大流量低濃度廢氣;②對單一品種廢氣可回收溶劑;③運行費用較低。


        缺點:①吸附劑需補充和再生;②對溫度較高廢氣需先行冷卻;③復雜廢氣需預處理;④管理不便;⑤ 存在二次污染;⑥安全性差。


        吸收法優點和缺點


        優點:①對親水性溶劑蒸汽用水作吸附劑時,設備費用低,運行費低,安全;②可用油、酯等吸收苯類廢氣,凈化率高;適用于大流量低濃度廢氣。


        缺點:① 用水作吸附劑時,需要對產生的廢水進行處理;②吸收、脫吸控制管理復雜。


        (二)低濃度、大風量有機廢氣的治理技術


        在使用有機溶劑的行業中,像汽車涂裝、印刷等工業排放的有機廢氣,其特點是有機溶劑濃度低、風量大,若采用上述方法都將使用龐大的設備,耗用高。目前世界上對這類低濃度、大風量的有機廢氣,主要采用下面幾種方法進行治理。


        (1) 蜂窩輪式濃縮系統


        該系統采用蜂窩輪,連續不斷地將低濃度、大風量的排氣中的有機溶劑吸附、分 離。然后,再用小風量的熱風脫附得到高濃度、小風量的含有機溶劑氣體。濃縮后的氣體再與小型的催化燃燒或活性炭回收裝置組合,構成經濟的處理系統。該系統的關鍵部件是一圓筒形吸附輪,其是由活性炭或疏水性沸石加工成波紋狀,再卷制形成蜂窩構造。整個蜂窩輪分為吸附區和再生區,工作中以非常低的速度連續轉動,含有機溶劑的廢氣通過吸附區時有機溶劑被吸附,凈化氣體排出。輪子吸附的有機溶劑,隨著輪的轉動被送到再生區,由120-140℃的熱風加熱脫附,隨熱風排出。由于脫附風量遠小于吸附風量,因此脫附后氣體中的有機溶劑濃度可以增加10-20倍。脫附后的排氣只要用吸附風量十幾分之一的裝置就可以進行處理了。該系統體積小,費用低,在國外已成為治理低濃度、大風量有機廢氣的主要方法,并得到廣泛應用。但其引進價格昂貴,在我國市場推廣經濟上難以承受。國內有的研究單位取其凈化工藝的優點,將主要設備進行改造使之適用我國。如研究采取了以數個填充了蜂窩狀活性炭的固定吸附濃縮裝置,取代蜂窩輪濃縮裝置的辦法, 通過數個固定床之間的吸附,脫附過程切換,完成蜂窩輪轉動所起的作用。因這種方法沒有轉動部件,不存在動密封問題,所以設備制造簡單,維修方便,價格便宜并發揮了原工藝中濃縮作用的優點。


        (2)液體吸收法


        該法是通過有機廢氣與液體吸收劑接觸,使其中的有機溶劑被吸收劑所吸收,再經解吸,將有機溶劑除去或回收,井使吸收劑獲得再生重復利用。由于工藝中可選用比吸附,催化燃燒裝置處理氣體能力大數倍的塔式吸收設備,因而設備的體積可做得小很多,設備費也低。但很難找到理想吸收劑,原因是有機溶劑一般都屬非極性物質,它們與極性的水分子之間將產生互相排斥作用而難以溶解,而對有機溶劑溶解度較大的油類或芳烴萃取劑,一般價格較高,有些還有異味。同時由于液體吸收尚存在諸多問題有待解決,使其應用受到限制。


        (3)生物處理法


        生物脫臭從20世紀40—50年代開始就在德國和美國開發成功。在日本也在1970年左右開始進行土壤脫臭法和活性污泥脫臭法的研究,并已開發出各種裝置, 得到實際應用。


        該方法是由微生物將有機溶劑分解。因耗能非常低,運轉費也很便宜而受到人們重視。其缺點是對各種有機溶劑具有選擇性,使其應用領域受到限制。目前,已在污水處理廠、飼料加工廠、垃圾場等場所,用于硫化氫、低分子醛類、乙醇及有機酸等極性物質的脫臭。用于彩色膠卷乳劑涂布干燥過程中產生的甲醇、乙酸乙酯的治理也取得很好效果。該方法與其它方法相比,占地面積大是其另—缺點。


        (3)光催化氧化技術(UV光解技術)


        利用高能UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產生游離氧(即活性氧),因游離氧所攜帶正負電子不平衡所以需與氧分子結合,進而產生臭氧,臭氧具有很強的氧化性,通過臭氧對有機廢氣、惡臭氣體進行協同光解氧化作用,使有機廢氣、惡臭氣體物質降解轉化成低分子化合物、水和二氧化碳。光催化氧化反應同活性炭吸附、催化燃燒法等技術相比,具有經濟潛力。治理低濃度、大風量有機廢氣,無論采用哪種方法,耗用資金都較高。光催化技術處理效率高,效率可達到95%以上,適應性強,可適應中低濃度,大氣量,不同惡臭氣體物質的脫臭凈化處理;產品性能穩定,運行穩定可靠,每天可24小時連續工作;運行成本低本,設備耗能低,無需專人管理與維護,只需作定期檢查。適用于印刷廠、噴涂廠、印染廠、電子廠、塑料廠、涂料廠、家具廠、煉油廠、橡膠廠、化工廠、造紙廠、皮革廠、化纖廠、農藥廠、制藥廠、食品加工廠、香精香料廠、飼料廠、屠宰廠、污水處理廠、垃圾中轉站等惡臭氣體、工業廢氣的凈化處理。

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