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【扬州绿之源环保】沸石转轮吸附VOCs技术的探讨

作者: 来源: 日期:2019/7/30 16:33:24 人气:231

VOCs(挥发性有机化合物)来源广泛,对人体和环境的危害大。随着我国新环保法规的颁布,对VOCs有机废气的排放限制要求也日趋严格,治理VOCs污染正在全面展开,VOCs污染治理技术也在不断提升,其中“转轮浓缩-催化燃烧”工艺以技术优势得到了业主的青睐。国内目前采用的转轮技术和设备绝大部分是从日本进口或采用日本技术生产的,在国内运行情况良好,主要是处理VOCs的能力较强,在处理复杂成分的VOCs中表现出优越的性能,已成为治理VOCs污染的主力设备之一。

1转轮技术存在的问题

与普通的固定床吸附器相比,沸石转轮(简称转轮)的最大优势是占地面积较小,尤其是筒式转轮,由于其将废气的预处理、吸脱附、催化燃烧几道工序组合在一起,成为一套废气处理的集成装置,因而更具优越性。但转轮并不是在任何情况下都可以采用。在采用转轮处理VOCs时,一定要从技术原理上对转轮进行分析,这样才能正确选择和使用转轮。

从吸附的原理上看,转轮仍然是遵从经典的吸附理论。因此,转轮的运行程序仍然是吸附-脱附(再生)-冷却-再吸附。

但转轮并不是对所有的气体都能处理。

对一些不易处理的废气,如易聚合的烯烃炔烃组分(脱附时容易聚合堵塞)、苯乙烯、涂装行业UV漆的聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯等,照样无能为力。

为此,转轮生产厂家在设计时都会要求用户提供废气的成分和浓度,转轮生产厂家只有拿到这些数据后才能进行设计。

据日本东洋纺,设计处理装置的基础就是根据废气中各成分的分子动力学直径,来选择沸石分子筛的,然后再把适合废气成分的分子筛按比例搭配,制成转轮的吸附层,这样,转轮就能准确地进行废气处理,达到用户的要求。

但厂家的供货周期都较长,这实际上也是一个制造加工精细化的问题。

“转轮对废气能浓缩20~40倍”,但只是个概念问题。如果废气浓度本来就很低,不要说浓缩到40倍,就是50倍60倍都是有可能的。如果废气浓度高,比如1000mg/m3,那恐怕连10倍的浓缩比也达不到。实际上因此,转轮对废气的浓缩能力与自身的吸附容量有关。

“采用转轮技术较易达标排放,而采用普通的吸附装置,就很难做到达标。”其实是因为完全没从吸附原理上去分析。任何一种吸附装置都有吸附周期的问题,也就是说,任何一个吸附装置都有破点的问题,如果吸附操作中在即将达到破点时才切换,当运行不稳定时,就很容易超标;但是如果在距离破点还有较长的时间就提前切换,就不会超标。所以,一般转轮设定的吸附时间都会比达到破点的时间要短得多,因而很容易做到达标排放。

“转轮可以采用高风速,处理能力大”,此说法也是概念问题。因为吸附的速度极高,可以接近化学反应的速度(约10-8s),所以,只要吸附质与吸附剂一接触,瞬间就会被吸附。因此,当废气浓度非常低时,废气在吸附层中停留很短的时间,就会完成吸附。因此,有观点认为:废气通过床层的风速是由它的停留时间决定的,对浓度较稀的废气,可以采用较大的风速。

设计人员在设计转轮风速时,肯定要根据气体的浓度进行选择。由于采用转轮处理的废气浓度一般都较低,所以可以采用较大的风速。但转轮的风速不是随意提升的,也必须考虑阻力问题。因此,转轮的吸附层厚度最大也不会超过500mm。


此外转轮还存在以下不足:

(1)从结构上看,转轮虽属固定移动床的范畴,但其与普通的固定床不同,转轮在运行时会将处理系统内所有部分的固定床都旋转起来,这就导致运行时的能耗会增加;把普通固定床用于气流切换的阀门变成了与吸附单元硬摩擦的密封件,并将这些密封件固定在不同的位置,用于和旋转的每个吸附单元进行接触,以实现气体的切换。这种改变,无疑会增加设备制造的难度。尤其是密封件,国内很少生产,基本依赖进口。

(2)不少转轮的脱附都是采用高温(180℃~200℃)脱附,这不仅造成了能源浪费,也不利于资源回收。即使为了与后续的催化燃烧相衔接,也没必要采用高温去脱附。可以采用低温脱附后对脱附气再加热,这样就能实现节能。因为此时省去了对整个吸附系统加热的能量,同时采用较低的温度脱附,也省去了对床层进行冷却的能量。

这里附带提醒一下:对于含氯的挥发性有机物,在采用转轮浓缩进行处理后,不可再进行催化燃烧,因为那样将会产生毒性更强的光气或二噁英!

(3)有人认为,由于沸石转轮的脱附比热相对较低的空气或工业氮气作为脱附介质,必须依靠脱附才能确保较高的再生效率。但这种观点是基于“温度越高脱附效果越好”的错误脱附规律的认识。实际生产中,脱附效率与脱附温度并不存在一定的正相关,即不同的吸附质均存在对应的理想脱附温度,而这一温度点与燃烧所需的温度吸附质的沸点并不存在直接关联。

2 分析及总结

转轮不论从结构还是运行方面,都存在可以改进的地方,但最应该改进的地方是吸附剂。众所周知,分子筛的吸附容量要比活性炭差得多,且活性炭本身属于非极性吸附剂,疏水性能远大于沸石。如果将分子筛改成活性炭吸附剂,在同等条件下,其浓缩比会成倍地提高。转轮之所以采用沸石分子筛作吸附剂,主要是利用其不同型号的分子筛可以吸附不同物质的特性,此外,还利用了其在高温下仍然具有较好的吸附能力。

如果在炭基吸附剂上进行选择或改性处理,使活性炭具有与分子筛相近的性能特点,如:消除活性炭上的活性点以避免其低温催化带来的运行安全隐患;改变活性炭的孔径大小及分布等,以增强其对不同VOCs分子的吸附性能。实际上,目前市面上已经出现了这种活性炭,如用于油气回收的中孔活性炭、韩国的专用活性炭等。如果结合吸附质的分子动力学直径,按照孔径大小进行分类,分别制成模块,用这些模块设计成固定床,则会收到比转轮还要好的效果。

综上所述,沸石转轮之所以能够在短时间内对活性吸炭固定床的浓缩工艺产生冲击,除了商业上的考量之外,根本原因是由于转轮的运行特点和吸附剂类型更适合粗放的脱附条件和控制模式。如能够对VOCs脱附规律、活性炭改性和复配技术进行更深入的研究,开发出一种集成装置,再在智能化方面做些研发,可以相信,活性炭固定床毫无疑问是治理VOCs污染更理想的选择。


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