吸附-冷凝回收技術(shù)探索

彭　芬

（1.凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長(zhǎng)沙　410100；2.工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙　410100）

吸附-冷凝回收技術(shù)探索

彭芬1、2

（1.凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長(zhǎng)沙410100；2.工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410100）

吸附法是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于治理大風(fēng)量、中低濃度有機(jī)廢氣的濃縮凈化技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、凈化效率高的優(yōu)點(diǎn)。冷凝法是回收高濃度廢氣極為有效的手段。將吸附濃縮技術(shù)與冷凝回收技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，可高效回收中低濃度廢氣中具有再利用價(jià)值的有機(jī)溶劑等，實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶劑的資源化回收利用。通過(guò)對(duì)吸附-冷凝工藝的詳細(xì)介紹和分析，包括吸附劑和冷媒的選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、工業(yè)應(yīng)用情況等，以期達(dá)到回收效率、設(shè)備成本及安全性等綜合性能的最優(yōu)化。

吸附；冷凝；探索

1　概述

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，尤其是近幾年霧霾的嚴(yán)重化，大氣污染治理已引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。常見的廢氣治理方式有銷毀法和回收法，針對(duì)有機(jī)溶劑等具有較高回收利用價(jià)值的廢氣成分，可以采用合適的方法實(shí)現(xiàn)資源化回收利用，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

吸附濃縮技術(shù)是針對(duì)中低濃度VOCs的治理而發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，具有凈化效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。將吸附技術(shù)與冷凝技術(shù)進(jìn)行組合，形成“吸附濃縮-冷凝回收技術(shù)”（以下簡(jiǎn)稱吸附-冷凝回收技術(shù)）可有效回收高價(jià)值的廢氣成分。

2　工藝介紹

吸附-冷凝回收凈化系統(tǒng)是將吸附與冷凝回收進(jìn)行有效地結(jié)合，以回收具有回收價(jià)值的廢氣成分。不僅能達(dá)到廢氣凈化的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溶劑的資源化回收利用。為實(shí)現(xiàn)凈化系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，吸附床往往采用“X用一備”的運(yùn)行方式（X由工況決定），主要分為吸附和冷凝回收兩部分。

吸附法是利用各種固體吸附物（如活性炭、活性纖維、分子篩等）對(duì)排放廢氣中的污染物進(jìn)行吸附凈化的方法。分子篩與活性炭由于具有很大的比表面積及大量的空隙與空洞，對(duì)于煙氣中的氣體分子極易吸附，且易于再生，是應(yīng)用最多的固體吸附劑。

冷凝回收是將VOCs廢氣冷卻到低于露點(diǎn)溫度，使有機(jī)物冷凝成液滴后從氣體中分離出來(lái)的過(guò)程。適用于高沸點(diǎn)和高濃度VOCs的回收，尤其是適用于處理有害物組分單一的廢氣。當(dāng)有害物含量較高時(shí)，也可作為燃燒與吸附凈化的預(yù)處理，以減輕后續(xù)凈化裝置的操作負(fù)擔(dān)。

2.1工藝流程

針對(duì)中低濃度廢氣，利用吸附-冷凝回收工藝進(jìn)行回收凈化的過(guò)程為：首先，VOCs廢氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理器，去除廢氣中的大顆粒粉塵等（以免堵塞吸附劑）。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的廢氣進(jìn)入裝有選擇性蜂窩活性炭或分子篩吸附劑的吸附床，所含的VOCs成分被吸附劑吸附，空氣得到凈化。隨著吸附的進(jìn)行，吸附劑逐漸達(dá)到飽和，在與高溫?zé)峥諝饣蛩羝佑|的過(guò)程中，VOCs被脫附下來(lái)形成高度濃縮的廢氣，同時(shí)吸附床得到再生。再生后的吸附床又可進(jìn)行吸附作業(yè)。經(jīng)脫附形成的濃縮廢氣進(jìn)入冷凝器，回收溶劑等。當(dāng)冷凝效果不甚理想（即經(jīng)冷凝后排放的廢氣超過(guò)國(guó)家或地方的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）時(shí)，冷凝后的不凝氣再一次返回吸附床進(jìn)行二次吸附，以達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的目的。工藝路線及流程詳見圖1和圖2。

圖1　吸附-冷凝回收工藝路線

圖2　吸附濃縮-冷凝回收工藝流程

對(duì)于高濃度的VOCs回收，可采用先冷凝后吸附的方式進(jìn)行回收凈化。此工藝過(guò)程中，經(jīng)冷凝段冷凝后的廢氣溫度通常較低，更有利于吸附作業(yè)。在吸附-冷凝回收廢氣凈化系統(tǒng)中，冷凝和吸附的前后次序可以根據(jù)廢氣濃度的高低靈活設(shè)置。

2.2吸附-冷凝回收廢氣凈化工藝特點(diǎn)

（1）去除效率高

采用高效活性炭或分子篩作為吸附劑，針對(duì)濕度較高的情況，采用高效疏水性分子篩作為吸附劑，總?cè)コ齼艋士蛇_(dá)95％ ～ 98％。

（2）經(jīng)濟(jì)效益好

該工藝不僅對(duì)廢氣進(jìn)行了治理，同時(shí)對(duì)有利用價(jià)值的廢氣成分進(jìn)行了回收利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）靈活度高

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷凝器出口廢氣濃度，當(dāng)排放不達(dá)標(biāo)時(shí)，將排氣返回至吸附床進(jìn)行二次吸附，以確保達(dá)標(biāo)排放；當(dāng)廢氣濃度較高時(shí)，可將冷凝置于吸附過(guò)程之前，經(jīng)冷凝后的廢氣再進(jìn)一步通過(guò)吸附凈化后達(dá)標(biāo)排放，吸附與冷凝的先后設(shè)置較為靈活。

（4）可連續(xù)作業(yè)

工藝中的吸附床采用“X用一備”方式，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

（5）適用范圍廣

該組合工藝技術(shù)適于處理有利用價(jià)值的大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)污染空氣凈化，也適用于高濃度或濃度波動(dòng)大的場(chǎng)合。

3　關(guān)鍵設(shè)備

3.1吸附床

目前，吸附工藝常見的吸附床有固定床、移動(dòng)床、流化床和轉(zhuǎn)輪吸附等。固定床操作簡(jiǎn)單，移動(dòng)床可連續(xù)吸附，轉(zhuǎn)輪吸附結(jié)構(gòu)緊湊且單位床層阻力小，無(wú)論采用哪種吸附床，工作原理并不會(huì)改變，都是利用吸附劑的吸附作用達(dá)到廢氣凈化的目的。因此，吸附技術(shù)的關(guān)鍵在于吸附劑的選擇。

3.1.1吸附劑的選擇

吸附技術(shù)主要有物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附是利用多孔性固體吸附劑將污染物濃集在固體表面而將廢氣凈化的過(guò)程，主要依賴于范德華力；化學(xué)吸附是利用廢氣成分與化學(xué)吸附劑發(fā)生反應(yīng)，主要依賴的是化學(xué)鍵力［1］?；瘜W(xué)吸附劑的制作成本相對(duì)較高，應(yīng)用較少，相比而言，物理吸附的應(yīng)用較為廣泛。由吸附的工作原理可得知，吸附劑必須具備豐富的微孔和高的比表面積，常見的吸附劑有活性炭、分子篩、硅膠及粘土礦石等［2］。

活性炭孔穴豐富、比表面積大，具有較好的廣譜適用性，是至今應(yīng)用最為廣泛的吸附劑。沸石分子篩晶體結(jié)構(gòu)較為均一，具有一定的選擇吸附性。在實(shí)際應(yīng)用中，活性炭存在易燃等安全隱患、吸附性能受濕度影響大、再生困難等缺點(diǎn)［3-4］。分子篩是一種人工合成沸石，是水合硅鋁酸鹽的晶體，具有不可燃、耐高溫（1000℃）以及良好的抗?jié)裥缘葍?yōu)點(diǎn)，可用于吸附高沸點(diǎn)物質(zhì)及相對(duì)濕度高于60％的廢氣工況，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于吸附凈化領(lǐng)域［5］。蜂窩活性炭與蜂窩分子篩的主要性能指標(biāo)詳見下表。

蜂窩活性炭與蜂窩分子篩的主要性能指標(biāo)［6-7］

3.1.2吸附床設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》要求，采用蜂窩狀吸附劑時(shí)，固定床吸附裝置吸附層的氣體流速宜低于1.2m/s［6］。在工程實(shí)踐中，常采用0.8～1.2m/s的風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)吸附床層氣流速度 ，可由下式計(jì)算吸附床截面積：

式中：

Q——設(shè)計(jì)風(fēng)量，m3/h；

A——吸附床截面積，m2；

v——吸附床層氣體流速，m/s。

3.2冷凝器

冷凝器按其冷卻介質(zhì)和冷卻形式可分為三大類型：水冷式、風(fēng)冷式及蒸發(fā)式［8］。1）水冷式冷凝器以水作為冷卻介質(zhì)，依靠水的溫升帶走冷凝熱量。2）水冷式冷凝器按其結(jié)構(gòu)形式又可分為殼管式和套管式，較為常見的是殼管式冷凝器。3）風(fēng)冷式冷凝器以空氣作為冷卻介質(zhì)，依靠空氣的溫升帶走冷凝熱量。根據(jù)空氣流動(dòng)方式的不同，可分為自然對(duì)流式和強(qiáng)迫對(duì)流式。蒸發(fā)式冷凝器主要是依靠冷卻水在空氣中蒸發(fā)吸收汽化潛熱。風(fēng)冷式和蒸發(fā)式適用于缺水或無(wú)法供水的場(chǎng)合?？偟膩?lái)說(shuō)，三種冷凝器各有特色，需根據(jù)使用工況選用。

3.2.1冷媒的選擇

廢氣回收的效率涉及到冷凝器的冷凝效率，而冷凝效率的高低主要取決于冷媒的選擇。待回收的有機(jī)物沸點(diǎn)較高時(shí)，可采用常溫水進(jìn)行冷凝，當(dāng)有機(jī)物沸點(diǎn)較低時(shí)，冷卻水宜使用低溫水或常溫-低溫水多級(jí)冷凝。

3.2.2冷凝器的設(shè)計(jì)

冷凝器設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是熱負(fù)荷，冷凝氣體所需熱負(fù)荷的計(jì)算如下式［8］：式中：

式中：

K——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

Ψ——修正系數(shù)；

Δt——平均溫差，℃。

3.3預(yù)處理器

為了去除廢氣中的顆粒物、粉塵等，在吸附-冷凝回收凈化系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)一預(yù)處理器。預(yù)處理器應(yīng)根據(jù)廢氣的性質(zhì)、成分和影響吸附過(guò)程的物理性質(zhì)及含量來(lái)選擇，如粒徑、溫度和濕度等。

常見的預(yù)處理方式有過(guò)濾和洗滌等。過(guò)濾式通常是利用重力、離心力或分子間力等進(jìn)行預(yù)處理；洗滌式通常是利用水等洗滌劑進(jìn)行降溫除塵等。經(jīng)洗滌除塵預(yù)處理后的廢氣濕度往往比較大，過(guò)大的濕度對(duì)活性炭的吸附性能影響較大，此時(shí)選用疏水性分子篩作為吸附劑時(shí)，吸附效果較佳。前端預(yù)處理方式和后端廢氣凈化方式相互影響，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。

4　工業(yè)應(yīng)用

目前，吸附-冷凝回收技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油氣回收領(lǐng)域。牟松娟［9］研究了吸附-冷凝法進(jìn)行油氣回收的過(guò)程，結(jié)果表明該法具有較好的工程經(jīng)濟(jì)性。石莉［10］通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究了冷凝和吸附集成回收油氣的效果，回收率高達(dá)99％以上。高武龍［11］等對(duì)活性碳纖維吸附-冷凝工藝進(jìn)行了中試，結(jié)果表明，利用該工藝回收有機(jī)廢氣，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。大量研究表明，吸附-冷凝回收技術(shù)具有較大開發(fā)應(yīng)用潛力。

5　結(jié)論

吸附-冷凝回收凈化系統(tǒng)用于回收有機(jī)廢氣中的有機(jī)溶劑等，可實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用，具有極大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］柯濤.活性炭的改性及其對(duì)VOCs吸附能力的研究［D］.陜西：西安建筑科技大學(xué)，2009.

［2］海濤.基于吸附催化技術(shù)室內(nèi)有害氣體清除裝置的研制［D］.浙江：浙江大學(xué)，2008.

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Research of Recycling Technology of Adsorption-condensation

PENG Fen
（1.Kaitian Environmental Technology Co.，Ltd，Changsha 410100；2. Hunan Key Laboratory of Industrial Production Environmental Technology Cooperation，Changsha 410100，China）

The organic solvent which has recycling value in the middle and low concentration waste gas can be effective recovered when the technology of adsorption is integrated with condensation recycling technology，so as to realize the resource recycling of organic solvent. Through the detailed introduction and analysis of the adsorption-condensation technology，including the choice of the adsorbent and proper refrigerant，the paper expects to achieve the optimization of structure and industrial application，the recovery efficiency，equipment costs and safe operation.

adsorption；condensation；research

X701

A

1006-5377（2016）10-0040-04