活性炭吸附和脱附-等离子体氧化净化有机废气.pdf

* 国家自然科学基金 50908237， 20977117 ;教育部博士点基金新教师项 目 200805581036 ; 广 东 省 自 然 科 学 基 金 8451027501001500， 92510027501000005 ;中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 09lgpy21 ;能源清洁利用国家重点实验室开放基金 ZJUCEU2009008 。 活性炭吸附和脱附 － 等离子体氧化净化有机废气 * 杜长明 1 张创荣 1 曾海燕 1 王静 1 陆胜勇 2 严建华 2 熊亚 1 米琼 1 刘惠 1 1. 中山大学环境科学与工程学院， 广州 510275;2. 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室， 杭州 310027 摘要 根据滑动弧放电等离子体适于降解高浓度有机物废气的特性， 结合活性炭吸附法， 提出了吸附器的吸附浓缩和 热脱附 － 等离子体氧化净化有机废气技术。实际运行结果表明 对于处理低浓度、 大风量的有机废气， 该技术与其他 技术相比具有净化效率高、 二次污染小和节省能耗等优点。 关键词 吸附浓缩; 等离子体氧化; 挥发性有机物 CLEANING OF ORGANIC WASTE GAS USING ACTIVATED CARBON ADSORPTION- PLASMA OXIDATION Du Changming1Zhang Chuangrong1Zeng Haiyan1Wang Jing1Lu Shengyong2Yan Jianhua2 Xiong Ya1Mi Qiong1Liu Hui1 1. School of Environmental Science and Engineering，Sun Yatsen University，Guangzhou 510275，China; 2. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China AbstractVolatile organic compounds VOCsemission control by combining intermittent activated carbon adsorption and plasma oxidation was investigated. Activated carbon adsorption in fact is to utilize the adsorption character of activated carbon to adsorb organic compounds of exhaust gas of low thickness and large volume of gas and condense. Plasma oxidation in fact is to use hot air to heat organic solvent adsorbed and make it boiling and desorbed from active carbon，and this exhaust gas of high thickness is led into the reactor of plasma oxidation. The application results show that this process features energy-saving， little second pollution and high cleaning efficiency. Keywordsadsorption concentration;plasma oxidation;volatile organic compounds VOCs 0引言 目前， 国内外对有机废气 VOCs 治理的常用方 法有 燃烧法、 催化燃烧法、 液体吸收法和吸附法等。 但对于目前国内许多工艺过程产生的大风量、 低浓度 直接排放又超标 的 VOCs 废气的控制与治理， 却历 来是空气净化的难题， 传统的净化治理工艺主要存在 着两个缺陷 一是净化设备运行耗能与高运转费用问 题; 二是有些工艺存在效率不高和二次污染问题， 从 而影响了这些工艺的推广和应用。近年来， 应用低温 等离子体技术控制空气污染物的研究在国际学术界 蓬勃发展， 相关的等离子体技术陆续出现， 如电子束、 电晕放电、 介质阻挡放电、 滑动弧放电等 ［ 1- 6］。针对治 理大风量 VOCs 废气常用的几种净化工艺进行了分 析比较， 并根据滑动弧放电等离子体适于降解高浓度 有机物废气的特性 ［ 6］， 结合活性炭吸附法， 把吸附器 的吸附浓缩和热脱附 － 等离子体氧化降解 热风量 为原来的 1 /5 ～ 1 /20 相结合， 提出了基于活性炭吸 附和热脱附 － 滑动弧放电等离子体净化有机废气技 术， 适合治理大风量、 成分多、 低浓度有机废气治理。 该技术充分利用了活性炭吸附法和滑动弧等离子体 氧化法的长处， 克服其缺点， 进一步提高净化效率， 降 低运行费用。本文就该技术的净化原理及实际应用 情况进行介绍。 1工艺流程及净化原理 1. 1工艺流程 具体工艺流程， 如图 1 所示。由图 1 可知 这种 47 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 处理系统集吸附 － 脱附 － 等离子体氧化于一体。吸 附过程如图 1 中实线所示， 对于连续工作的场合， 设 有两个吸附器交替使用， 以保证生成和净化过程的连 续操作。对于间歇工作的场合， 则采用单个吸附器就 能解决问题。有机废气首先经过过滤器去除漆雾等 颗粒物， 然后在进入装满活性炭的吸附器吸附净化， 净化后的气体排入空气。当流出吸附器尾气中的有 机物浓度快要达到标准时， 即停止本吸附器的吸附操 作 或切换到另一吸附器 。脱附 － 等离子体净化过 程如图 1 中虚线所示， 对于达到允许吸附量的吸附 器， 按一定的浓度比将吸附在活性炭上的有机物用 100 ～ 120 ℃ 的热风进行脱附， 经浓缩后的高浓度有 机气体在风机驱动下直接进入滑动弧放电等离子体 装置， 有机物在等离子体氧化作用下分解为二氧化碳 和水等无机物。 图 1有机废气净化工艺流程 1. 2净化原理 吸附和脱附 － 等离子体氧化工艺是活性炭吸附 和等离子体氧化的组合工艺， 有机废气经过了吸附和 浓缩 － 等离子体氧化 3 个过程 首先利用活性炭的多 孔性和空隙表面的张力把有机废气中的溶剂吸附在 活性炭的空隙中， 使所排废气得到净化; 当活性炭吸 附饱和后， 利用热风脱附再生; 被脱附出来的有机物 在滑动弧放电等离子体中电子、 O、 OH、 HO2、 NO 和 O3等粒子的直接或间接作用下氧化降解成二氧化 碳和水等小分子物质 ［ 7］。由该工艺净化原理可知有 以下特点 1这项技术的成功在于它采用了传统工艺和新 工艺方法的结合， 易于实现工业化生产， 从而解决了 传统治理方法所难以解决的高风阻、 高能耗和二次污 染问题。 2由活性炭吸附废气中的有机物， 使该工艺具 有活性炭吸附工艺的安全可靠、 净化效率高、 适应浓 度范围广等优点。 3浓缩 － 等离子体氧化闭环有机物净化过程， 滑动弧放电装置和电源结构简单、 价格低廉、 操作和 维护费用比较低; 电极能够自清洁， 电极不易腐蚀和 消蚀， 使用寿命长; 化学反应的选择性好， 进气不需要 预处理， 可以用多相体 气液混合相、 气固混合相、 气 液固混合相 反应。 2实际应用效果及讨论 2. 1工程背景 某家具厂是一家以生产家具为主的民营企业， 企 业在生产过程中将不可避免地产生一定的喷漆废气， 并已引起了企业、 环保部门和周遍居民的充分重视。 喷漆废气主要以有机废气为主 苯、 甲苯、 二甲苯及 甲醛等 ， 排放浓度随作业时间变化。如不进行集中 处理， 有可能超过相关的国家标准 GB16297 － 1996 大气污染物综合排放标准 Ⅱ级规定的限值， 将对 人体产生严重的危害。 有机废气排放源喷漆房和打磨房主要集中到 A 和 B 两处， 如表 1。根据用户的实际条件， 房间内 换 气 频 率 为 23 次 /h，则 A 处 的 总 气 流 量 为 10 000 m3/h; B 处为15 000 m3/h。 2. 2技术方案及运行结果 由于废气风量较大， 浓度较低， 可采用活性炭吸 附及热脱附 － 低温等离子体净化有机废气技术。根 据用户实际情况， 共选择 2 台活性炭吸附器和 1 台等 离子体净化器， 2 台吸附器吸附饱和后分别利用同一 套热脱附 － 等离子体净化装置进行活性炭再生。 工艺流程如图 2 所示， 吸附工艺流程， 图 2 中用 实线表示 A 处生产线10 000 m3/h通过水帘喷漆工 作台水洗后通过管道进入过滤器 1 和阻火器 2， 再通 过阀门 3 后进入活性炭吸附器 4 进行吸附， 吸附后通 过吸附 引 风 机 6 经 排 气筒 7 排空 出; B 处 生 产 线 15 000 m3/h通过水帘喷漆工作台水洗后通过管道进 入过滤器 1′和阻火器 2′， 再通过阀门 3′后进入活性 炭吸附器 4′进行吸附， 吸附后通过吸附引风机 6′经 排气筒 7 排空出。吸附剂选用蜂窝状活性炭， 外形为 50 mm 50 mm 100 mm 长 方 体， 吸 附 器 4 内 装 850 kg活性炭， 吸附器 4′内装1 250 kg活性炭。两台 吸附器可安全运行74 h， 74 h后进行热脱附。 脱附 － 等离子体净化工艺流程， 图 2 中用虚线表 示 活性炭吸附器 4 吸附饱和后， 停止吸附引风机 6， 关闭阀门 3 和阀门 5， 开启燃油暖风机 8、 脱附风机 12 和等 离 子 体 净 化 器 13，暖 风 机 排 出 100 ℃ 的 57 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 表 1用户基本情况 地点总体积 /m3占地面积 /m2 车间情况 体积 /m3 占地面积 /m2 原有治理措施 A450180喷漆 127. 551采用轴流风机抽吸至两个下行风道， 经折转与水面接触， 进行部分 洗涤后排空。 喷漆 57. 523 采用水洗方法后排空， 共有 3 处同样面积的车间。 喷漆 70 28采用轴流风机抽吸至下行风道， 经折转与水面接触， 进行部分洗涤 后排空。 打磨 19578 采用轴流风机抽吸至两个下行风道， 经折转与水面接触， 进行部分 洗涤后排空。 B654218喷漆 14147采用轴流风机抽吸至下行风道， 经折转与水面接触， 进行部分洗涤 后排空。 打磨 513171 采用轴流风机抽吸至下行风道， 经折转与水面接触， 进行部分洗涤 后排空。 1，1′过滤器; 2，2′阻火器; 3，3′阀门; 4，4′活性炭吸附器; 5，5′阀门; 6，6′吸附引风机; 7排气筒; 8燃油暖风机; 9，9′阀门; 10，10′阀门; 11阻火器; 12脱附风机; 13等离子体净化器; 14阀门 图 2某家具厂有机废气治理工艺流程 1 000 m3/h热空气经过阀门 9 进入活性炭吸附器 4 进行逆吹热空气脱附吸附的有机溶剂， 形成携带有机 物的脱附气流， 该气流经阀门 10、 阻火器 11 和脱附 风机 12 后， 进入滑动弧放电等离子体净化器 13 进行 氧化降解， 去除有机污染物的气流经排气筒 7 高空排 出; 活性炭吸附器 4′吸附饱和后， 停止吸附引风机 6′， 关闭阀门 3′和阀门 5′， 开启燃油暖风机 8、 脱附风 机 12 和等离子体净化器 13， 暖风机排出100 ℃ 的 1 500 m3/h热空气经过阀门 9′进入活性炭吸附器 4′ 进行逆吹热空气脱附吸附的有机溶剂， 形成携带有机 物的脱附气流， 该气流经阀门 10′、 阻火器 11 和脱附 风机 12 后， 进入多段滑动弧放电等离子体净化器 13 进行氧化降解， 去除有机污染物的气流经排气筒 7 高 空排出。脱附气流通过燃油暖风机产生， 风量和风温 可控， 燃油量5 kg/h， 每台吸附器热脱附5 h。等离子 体净化器采用多组多段分叉电极滑动弧放电发生器 结构 ［ 6］。 工程从正式投入运行后在吸附周期内苯系物脱 除效率达 98 以上， 排气苯系物等达标排放， 如表 2。 在脱附再生过程中等离子体净化器对苯系物的去除 率达 80 以上， 体积能耗为10. 36 kWh /万 m3。 表 2气体样品测试结果 项目名称 苯 / mg m － 3 甲苯 / mg m － 3 二甲苯 / mg m － 3 活性炭吸附器进口0. 6135. 898 活性炭吸附器出口0. 075. 39. 5 2. 3投资与运行成本经济分析 整个工程的投资费用见表 3。 运行成本费用主要包括电费、 人工费、 设备折旧 费及维修费。以下列出各项费用。 67 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 表 3有机废气治理工程投资费用清单 设备名称型号或规格数量价格 /万元 活性炭吸附器非标2 台6 蜂窝活性炭2 200 kg5 过滤器非标2 台0. 8 阻火器非标2 台0. 4 吸附引风机4 － 72NO6C1 台0. 6 B4 － 72NO4. 5A1 台0. 9 暖风机2 000 m3/h1 台2 阻火器N2001 台0. 3 等离子体净化器1 500 m3/h1 台8 控制仪表1 各类电缆、 阀门、 排气筒、 管道等 10 安装、 调试费5 合计投资40 1 电费 以一个活性炭脱附周期来计算， 一个吸附 脱附周期 25 000 m3/h引风机总电容量为22. 5 kW， 运 行74 h， 用电1 655 kW h; 脱附时 2 500 m3/h热风脱附 5 h， 耗油量为25 kg， 油价为 4 元/kg， 共需 100 元， 等离 子 体 反 应 器 总 电 容 量 为 24 kW，运 行 5 h，用 电 120 kW h， 则一个吸附脱附周期共用电1 775 kW h， 每 度电 0. 7 元计， 共用1 242. 5元， 加上燃油费 100 元， 共 需1 342. 5元。1 年 50 个周期， 则需消耗电费约 6. 7125 万元/a， 相当于 7. 25 元/万 m3。 2 人工费 可用一本厂工人， 定时管理该系统。 3 折旧费 按 20 年折旧， 折旧费为 2 万元 /a。 4 维修费 按投资的 3 ， 约需 1. 2 万元 /a。 2. 4与其他有机废气处理技术比较 表 4 总结各种处理技术的优缺点。表 5 列出各 种处理技术的操作条件、 较佳处理效率及相对处理费 用， 以供在选择处理技术时参考。 表 4各种挥发性有机废气处理技术特性 处理技术优点缺点 低浓度废气 5 g/m3 效率成本效率成本 直接燃烧法1. 适用多种、 范围广 2. 对高浓度废气无需辅助燃料， 能量利用佳 3. 污染物破坏率高 4. 可回收能量 1. 相对低浓度废气需添加燃料 2. 操作温度高产生 NOx 高高高中 催化燃烧法1. 操作温度较直接燃烧低， 二次污染物少。 2. 燃料消耗能量小 3. 污染物破坏率高 1. 催化剂易中毒 2. 对某些污染物成分及浓度有所限制 高中中中 活性炭吸附法1. 能量需求低 2. 有回收溶剂的可能性 3. 适用于低浓度的各种污染物 1. 不适合高浓度废气 2. 不适合含水或含粒状物的废气 高高高中 吸收法1. 能源需求低 2. 适合多种污染物 3. 对臭味的去除有很高效率 1. 不适合低浓度废气 2. 产生废水问题 低高高中 冷凝法1. 可回收溶剂1. 能源消耗高 2. 只使用于高浓度废气 低高中低 生物处理法1. 设备简单 2. 能源需求低 3. 分解完全 1. 压力损失大 2. 处理效率受温 度 及 湿 度 变 化 影 响 3. 不适合含高浓度氯化物的气流 高中中中 活性炭吸附及热脱附 － 低温等离子体法 1. 能源需求低 2. 运行成本低 3. 适合多种污染物 1. 产生少量 NOx高中高中 注 效率 低 95 。 下转第 82 页 77 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 是很成熟， 有待进一步开发和利用。针对我国农村沼 气利用现状， 亟待开发高效的小型化、 移动式 PSA 沼 气提纯设备。 参考文献 ［1 ］ 刘京， 刘志丹， 袁宪正. 沼气生产及利用 瑞典经验［J］ . 中 国沼气，2008，26 6 38- 50. ［2 ］ 韩文科. 我国可再生能源发展战略的若干问题［R］ . 十一届全 国人大常委会第十二讲座，2009. ［3 ］ 宿辉. 崔琳. 二氧化碳的吸收方法及机理研究［J］ . 环境科学 与管理，2006，31 8 79- 81. ［4 ］ 叶振华. 化工吸附分离工程［M］ . 北京中国石化出版社， 1992288. ［5 ］ 朱世勇. 环境与工业气体净化技术［M］ . 北京 化学工业出版 社，2001. ［6 ］ Adelio M M Mendes，Carlos A V Costa，Alrio E Rodrigues. 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