活性碳纖維（ACF）吸附回收有機廢氣工藝

一、引言
揮發(fā)性有機化合物通常是指正常環(huán)境條件下容易揮發(fā)的有機化合物。目前，對揮發(fā)性有機化合物尚無(wú)統一定義，許多國家或地區是按沸點(diǎn)和一定溫度下的蒸汽壓數據來(lái)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)反應來(lái)限定，如美國。從我國近幾年國家發(fā)布的相關(guān)標準看，傾向于定義揮發(fā)性有機化合物是指能參與大氣光化學(xué)反應的有機化合物，或根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物，簡(jiǎn)稱(chēng)VOCs。
1）用于核算或備案的VOCs指20℃時(shí)蒸汽壓不小于10Pa或101.325kPa標準大氣壓下，沸點(diǎn)不高于260℃的有機化合物或實(shí)際生產(chǎn)條件下具有以上相應揮發(fā)性的有機化合物（甲烷除外）的統稱(chēng)。
2）以非甲烷總烴（NMHC）作為排氣筒、廠(chǎng)界大氣污染物監控、廠(chǎng)區內大氣污染物監控點(diǎn)及污染物控制設施去除效率的揮發(fā)性有機化合物的綜合性控制指標。VOCs的種類(lèi)有很多，如脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯等（見(jiàn)下表），主要來(lái)源于石油化工、制藥、印刷、噴漆等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所排放的廢氣。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(huì )產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的“三致”效應。對環(huán)境安全和人類(lèi)生存產(chǎn)生極大的危害。

ACF，Activated carbon fiber，即采用活性碳纖維作為吸附劑對廢氣中的有機物進(jìn)行吸附回收的工藝。目前，在有機廢氣處理領(lǐng)域，ACF主要應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。
二、ACF工藝組成
ACF處理工藝主要由預處理、吸附、蒸汽脫附、負壓抽干、干燥降溫及計量回收系統組成。工藝流程見(jiàn)圖1。

2.1預處理系統
吸附回收裝置入口設置阻火器，使回收裝置與生產(chǎn)設備安全隔離；廢氣入口設有事故排放三通閥，當裝置停機或需檢修時(shí)，該三通閥自動(dòng)切換，廢氣通過(guò)排放煙囪直排，不會(huì )影響前端生產(chǎn)系統的正常生產(chǎn)。廢氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)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(guò)換熱器將溫度降至40℃以下方能進(jìn)入后端吸附裝置。預處理還包括通過(guò)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(cháng)吸附裝置使用壽命和提高回收有機物純度的作用。高效過(guò)濾器和廢氣換熱器見(jiàn)圖2。

2.2吸附系統
廢氣進(jìn)入吸附器，在范德華力的作用下，有機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(dòng)控制系統控制，自動(dòng)切換交替進(jìn)行吸附、再生（脫附、負壓抽干、降溫干燥）過(guò)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，保證了吸附系統的連續運行和連續處理能力。吸附箱體見(jiàn)圖3。

2.3蒸汽脫附系統
通過(guò)自力式減壓閥減壓后輸出壓力穩定的蒸汽，將吸附在活性碳纖維床層上的有機物脫附下來(lái)，同時(shí)依靠蒸汽的吹掃，將含有水蒸汽和有機蒸汽的混合蒸汽吹出，送入回收系統。獨特的自力式蒸汽調壓閥使得脫附用蒸汽輸出壓力十分穩定且故障率極低。蒸汽脫附過(guò)程的吸附器溫度應在100℃～105℃，溫度太高說(shuō)明裝置運行不正常，超過(guò)高溫設定值報警停車(chē)，應及時(shí)檢查處理裝置問(wèn)題；溫度太低說(shuō)明蒸汽不足或流量太低，無(wú)法對吸附器進(jìn)行有效脫附，需檢查相應公用工程供給問(wèn)題。
2.4負壓抽干系統
關(guān)閉冷凝器出氣管道和出液管道上的閥門(mén)，啟動(dòng)漩渦氣泵，將吸附器中的蒸汽或有機物吸入冷凝器冷凝，氣體再通過(guò)氣液分離器排氣管道進(jìn)入前段工藝重新處理。抽負壓程序將附著(zhù)在碳纖維表面的水分也被抽出，大大降低了碳纖維的含水量，使后續的干燥降溫操作更加容易，縮短干燥時(shí)間。負壓抽干過(guò)程中，吸附器排放閥門(mén)關(guān)閉，抽干風(fēng)機抽吸附器密閉空間的氣體，使吸附器內的壓力降低，蒸汽和有機物的飽和蒸氣壓降低，有利于水和有機物從碳纖維表面脫附。抽負壓程序吸附器循環(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成分，提高了裝置的處理能力。負壓抽干汽液分離器見(jiàn)圖4。

2.5干燥降溫系統
當負壓操作完成后，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(guò)干燥過(guò)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。當過(guò)濾器上積累的灰塵和雜質(zhì)較多時(shí)，干燥風(fēng)機前的阻力增大、干燥風(fēng)量減小，同時(shí)空氣過(guò)濾效率降低，不利于吸附器的干燥和降溫，此時(shí)應及時(shí)拆下過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行清理。干燥過(guò)濾器的外形見(jiàn)圖5。

2.6計量回收系統
計量回收系統由冷凝器、分離裝置和冷卻器等組成。經(jīng)脫附的含有水蒸汽和有機蒸氣的混合氣體經(jīng)過(guò)冷凝后變成混合液體，流入特別設計的分離裝置，吸附器底部流出的冷凝液經(jīng)冷卻器后也流入分離裝置，使不溶于水的有機物和水分離；分離出來(lái)的有機物通過(guò)自流進(jìn)入計量槽后回收利用。分層后的廢水排入污水管道。冷凝器循環(huán)水的進(jìn)水溫度應在32℃以下，并保證足夠的壓力（到吸附界區≥0.25MPa），使出水溫度≤37℃，循環(huán)水和冷凍水入口設置調節閥與冷凝器出口溫度聯(lián)動(dòng)控制，自動(dòng)調整供水量?；厥樟坑嬃肯到y的使用，提高了管理效率，并為裝置的操作參數優(yōu)化提供了依據。計量回收系統設備及管道見(jiàn)圖6。

三、ACF工藝特點(diǎn)
3.1負壓抽干技術(shù)
采用負壓抽干技術(shù)，在停止蒸汽后，對吸附系統抽真空，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)的有機物向氣相擴散，將附著(zhù)在碳纖維表面的水分抽出，縮短干燥過(guò)程所需要的時(shí)間，減少裝置使用蒸汽量，提高裝置處理能力，為裝置吸附廢氣達標創(chuàng )造了良好的條件。同時(shí)，將脫附完成后設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)
負壓抽干結束后，新鮮空氣經(jīng)濾器過(guò)濾掉空氣中的灰塵后，通過(guò)風(fēng)機引入吸附芯，將碳纖維和吸附器空間內的氣體吹出，降低吸附器內部的溫度及濕度，干燥風(fēng)機采用大風(fēng)量型號風(fēng)機，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
研究表明當被吸附的有機物分子直徑大于碳纖維微孔直徑時(shí)，有機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(wèn)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(cháng)了碳纖維使用壽命。
3.4安全可靠
1）采用防爆風(fēng)機、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(guò)安全柵連接，系統接地，確保裝置安全性；
2）設計吸附器超溫報警，當吸附器內部溫度超過(guò)設定溫度時(shí)，裝置自動(dòng)報警停機，超溫的吸附器進(jìn)入脫附再生模式，將吸附器內部降溫，同時(shí)解析出內部殘存的有機物，將系統危險性降到最低；
3）裝置設置有信號報警聯(lián)鎖系統，當裝置內任何自動(dòng)控制閥門(mén)、儀表、電機出現故障，系統即報警并聯(lián)鎖進(jìn)入停機程序，進(jìn)氣切斷、事故排空閥打開(kāi)，待檢修處理完畢后再行開(kāi)機，保障事故狀態(tài)下裝置的安全。
3.5精細化的設備設計
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。
四、ACF工藝存在的問(wèn)題
1）干燥階段初期存在廢氣排放不達標的情況。由于脫附末端轉為干燥的瞬間吸附箱體內留存著(zhù)之前脫附的氣體，轉為干燥時(shí)這部分氣體直接隨著(zhù)干燥氣體排出，造成部分有機物直接排放至環(huán)境；
2）由于采用蒸汽脫附介質(zhì)，風(fēng)機和管道中容易積聚冷凝水，因此設備設計和管道設計變的十分關(guān)鍵；
3）整個(gè)工藝過(guò)程控制較為復雜，對控制要求較高，ACF吸附箱體結構較為復雜，加工要求也較高。
五、結論
ACF吸附回收裝置能有效吸附有機廢氣中的有機物實(shí)現達標排放，并通過(guò)蒸汽脫附、負壓抽干、干燥降溫及計量回收實(shí)現有機物回收。對干燥階段初期達標問(wèn)題，目前已有環(huán)保公司對原有工藝進(jìn)行了調整，如干燥風(fēng)循環(huán)處理，也是一種解決辦法。隨著(zhù)科技和加工制造技術(shù)的發(fā)展，管道設計和控制也不再是制約此項技術(shù)發(fā)展的因素。對于有機廢氣處理，ACF吸附回收是理想的工藝路線(xiàn)。
作者：蔡炳良 發(fā)表在《中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)》2018年第1期