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有機廢氣的來源主要有固定源和移動源兩種。移動源主要有汽車、輪船和飛機等以石油產品為燃料的交通工具的排放氣;固定源的種類極多,主要為石油化工工藝過程和儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合,如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、粘合劑、制藥、塑料、涂料和橡膠加工等。
有機物對大氣的破壞和對人類的危害
有機廢氣中的揮發性有機物稱為VOCs(Volatileorganiccompounds),在涂裝、印刷、制鞋和化工生產的許多行業中,一些工業產品的生產工藝過程都伴有大量的揮發性有機化合物(VOCs)廢氣的排出。
VOCs廢氣排入大氣環境中會產生以下幾個方面的影響:
①VOCs是光化學反應的前體,有陽光照射時,在合適的條件下VOCs與NOx及其它懸浮化學物質發生一系列光化學反應,主要生成臭氧,形成光化學煙霧,從而發生光化學污染;
②光化學煙霧會刺激人的眼睛和呼吸系統,有些VOCs還具有強烈刺激氣味,空氣中達到一定濃度時則產生令人不適的感覺,影響空氣質量;
③有些有毒的VOCs(如芳香烴等)氣體在環境中存在會損害人們的健康,長時間暴露在污染空氣中會引發癌變或引起其它嚴重疾病,如苯對骨髓的造血機能造成破壞,是一種致癌物;甲苯和二甲苯對中樞神經具有強的麻醉作用;氯乙烯為致癌物。在制鞋業,由于"三苯"中毒而導致工人致死事件已發生過多起,而涂料工業使用的溶劑中,主要是甲苯、二甲苯和其它毒性有機物。光化學煙霧也會危害人的健康和植物的生長,1965年日本各大城市頻繁發生的光化學煙霧,1966年美國洛杉磯的光化學煙霧均對人類健康造成危害。
VOCs對環境的極大危害和對人體健康的嚴重威脅,引起了世界各國政府的高度重視。美國環保署(EnvironmentalProtectionAgency)定義的污染物中VOCs占了300多種,而美國1990年的《清潔空氣法》(CleanAirAct)要求減少90%排放量的189種毒性化學物中,70%屬于VOCs。我國早在1997年1月1日開始實施的《中華人民共和國國家標準大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)也規定了苯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等VOCs排放較為嚴格的標準,如表1.1所示。
VOCs | 最高允許排放濃度(mg/m3) |
苯 | 12 |
甲苯 | 40 |
二甲苯 | 70 |
氯乙烯 | 36 |
注:這是對新污染源的排放標準。
有機廢氣治理技術現狀及進展
有機廢氣的來源多種多樣,其產生方式及排放方式也不盡相同。因此,有機廢氣的治理技術也多種多樣,各種治理技術也存在自己不同的優缺點。在實際生產過程中,根據不同的情況,選擇合適的方法是有機廢氣治理的關鍵。有機廢氣治理的方法主要有回收法和消除法兩類。有機廢氣主要回收技術有:吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離技術及變壓吸附技術等;有機廢氣消除技術可分為物理一化學法和生物法兩類。物理一化學法包括熱破壞法、光分解法、電暈法、臭氧分解法等;生物法包括生物過濾器,生物滴濾器,生物沖刷塔,膜生物反應器,活性污泥法等?;钚蕴课椒▋艋士蛇_95%以上,若無再生裝置,則運行費用太高,若用蒸汽回收,則工藝流程過長,操作費用高,回收的溶劑和水的混合物利用價值也不高;再生時需要有穩定的蒸汽源,且活性炭經反復吸附脫附后吸附能力會逐漸降低,一般使用二三年后就得更換。液體吸收法凈化率只有6O%-8O%,而且存在著二次污染問題。催化燃燒法凈化率可達95%,但適合于處理高濃度、小風量且廢氣溫度較高的有機廢氣,而且要求氣體的溫度較高,為了提高廢氣溫度,要消耗大量的能源。目前應用最多的方法是吸附一催化燃燒法,它主要以顆粒炭或蜂窩炭為吸附劑,為了保證生產的連續性,一般設置兩個吸附床交替使用,由于切換的周期至少為1d,因此吸附床體積大,吸附劑用量多,設備笨重,投資大,操作麻煩;由于床層體積大,容易出現因吸附熱的積蓄引起的燃燒爆炸等現象。針對這些問題,現有新型裝置的吸附器采用一種多單元分流組合結構,并以新型材料――活性炭纖維作為吸附劑,采用PLC電腦來實現整個系統的連續運行。
各種凈化方法的分析比較
解決有機廢氣的污染,最根本的方法是工藝改革。采用無害涂料、無害溶劑在現階段生產中是不能馬上實現的,苯類溶劑使用量仍然很大。所以必須解決廢氣凈化問題。
目前國內常采用的三種凈化方法分析比較見表1.2。
表1.2國內外有機廢氣常用處理方法的優缺點比較
凈化類別 | 優點 | 缺點 |
活性炭吸附法 |
1、可處理大風量、低濃度的有機廢氣。 2、可回收溶劑。 3、不需要加熱。 4、凈化效率高,運轉費用低。 |
1、廢氣凈化前要進行預處理。 2、僅限于低濃度。 3、設備龐大,占地面積多。 |
催化燃燒法 |
1、設備簡單、投資少、操作方便、占地面積小。 2、熱量可以循環利用。3、有利于凈化高濃度廢氣。 |
1、催化劑成本高。 2、要考慮催化劑中毒和表面異物附著,易失效。 |
液體吸收法 |
1、流程較簡單,吸收劑價格便宜。 2、廢氣凈化不需預處理。 3、建造快、占地少。 |
1、后處理投資大,費用高。 2、對溶劑成份選擇性大。 |
設計任務
設計內容為20000m3/h活性炭吸附工業有機廢氣的工程設計,主要內容包括:廢氣治理工藝、主體設備選型和非標準設備設計,管道輸送系統設計及吸附劑再生系統設計等,應完成工作:
(1)紙質設計說明書及其電子版本;
(2)譯文及原文影印件。
(3)設計圖紙(平面布置圖、工藝流程圖、主要構筑物圖、管道布置圖等)
設計進氣指標
風量為20000m3/h,溫度為35℃,排氣壓力為101.325kpa,苯濃度為100mg/m3。
甲苯濃度為80mg/m3,二甲苯濃度為100mg/m3。
設計出氣指標
依據廣東省地方標準《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)一級排放標準,具體數據見表2-1:
表2-1.設計出氣指標單位mg/m3
指標 | 苯 | 甲苯 | 二甲苯 |
出氣濃度 | ≤12 | ≤40 | ≤70 |
設計目標
(1)嚴格執行國家有關環境保護的各項規定,確保各項污染指標達到國家及地區有關污染物排放標準。
(2)經本處理工藝處理后的廢氣,將不會產生二次污染物。
(3)本處理工藝運行可靠,處理效果好,維護管理方便。
(4)采用低能耗、低運行費用、基建投資省、占地少、操作管理簡便。
(5)工藝設計與設備選型能夠在生產運行過程中具有較大的調節余地。
工藝選擇
處理工藝的選擇,應根據氣量大小、凈化要求、回收的可能性、設備建造和運轉的經濟性等條件全面考慮,實際工作中應特別注意與工藝密切配合,盡可能做到綜合利用。
目前,國內外對有機廢氣治理的常用方法有三種:液體吸收法、活性炭吸附法及催化燃燒法。液體吸收法凈化效率為60%~80%,適合處理低濃度,大風量的有機廢氣,但存在著二次污染;催化燃燒法凈化率為95%,適合處理高濃度,小風量的有機廢氣,缺點是對處理對象要求苛刻,要求氣體的溫度較高,為了提高廢氣溫度,要消耗大量的燃料,所以運行費用很高;活性炭吸附法凈化效率為99.2%~99.3%,對于處理大風量、低濃度的有機廢氣,國內外一致認為該法是最為成熟和可靠的技術,但該工藝流程過長,操作費用高,另外需要穩定的蒸氣源也常常是比較困難的事情。針對這些問題,結合本畢業設計特點和具體要求,采用利用活性炭固定床吸附系統對工業有機廢氣進行凈化,選用蜂窩狀活性炭做為吸附劑。
工藝流程
注:1集氣罩;2除霧過濾器;3活性炭固定吸附床;4提供蒸汽的風機;5離心風機;6排氣罩.
圖2.3有機廢氣工藝流程圖
該處理工藝系統組合十分緊湊,集吸附-脫附于一體。在生產過程所產生的廢氣主要為苯、甲苯、二甲苯等,根據苯類性質,本方案采用活性炭作為吸附劑對廢氣進行吸收處理,吸附床一般配置2臺以上,輪換使用,當1臺吸附床吸附的有機物達到規定的吸附量時,換到另1臺吸附床進行吸附凈化操作,同時對前面1臺吸附床進行脫附再生。脫附是在外加蒸汽的作用下通過加溫進行的,由尾氣放出的熱氣流大部分用于吸附床吸附劑的脫附再生,達到余熱的利用。生產中揮發出來的廢氣,通過離心風機將其送至吸附塔以活性炭作為吸附劑,在塔內的氣體從右到左,從下到上通過活性炭過濾層對氣體進行處理,凈化后的氣體通過排氣管排入大氣。
吸附原理
在用多孔性固體物質處理流體混合物時,流體中的某一些組分或某些組分可被吸引到固體表面并濃集其上,此現象稱為吸附。吸附處理廢氣時,吸附的對象是氣態污染物,被吸附的氣體組分稱為吸附質,多孔性物質稱為吸附劑。
固體表面吸附了吸附質后,一部分被吸附的吸附質可從吸附劑表面脫離,此現象稱為脫附。而當吸附進行一段時間后,由于表面吸附質的濃集,使其吸附能力明顯下降而不能滿足吸附凈化的要求,此時需要采用一定的措施使吸附劑上已吸附的吸附質脫附,已恢復吸附劑的吸附能力,這個過程稱為吸附劑的再生。因此,在實際工作中,正是利用吸附劑的吸附-再生-吸附的循環過程,達到除去廢氣中污染物質并回收廢氣中有用組分的目的。
由于多孔性固體吸附劑表面存在著剩余吸引力,固表面具有吸附力。根據吸附劑表面與被吸附物質之間作用力的不同,吸附可分為物理吸附和化學吸附,但同一污染物可在較低溫度下發生物理吸附,而在較高溫度下發生化學吸附,或者兩種吸附同時發生,兩者之間沒有嚴格的界限。兩者的主要區別見表4-1
表4-1物理吸附與化學吸附的區別
性質 | 物理吸附 | 化學吸附 |
吸附力 | 范德華力 | 化學鍵力 |
吸附層數 | 單層活多層 | 單層 |
吸附熱 | ?。ń谝夯療幔? | 大(近于反應熱) |
選擇性 | 無或很差 | 較強 |
可逆性 | 可逆 | 不可逆 |
吸附平衡 | 易達到 | 不易達到 |
吸附劑與吸附質間的吸附力不強,當氣體中吸附質分壓降低或溫度升高時,容易發生脫附。工業上的吸附操作正是利用這種可逆進行吸附劑的再生及吸附質的回收利用的。
吸附機理
吸附和脫附互為可逆過程。當用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質時,由于吸附劑表面沒有吸附質,因此也就沒有吸附質的脫附。但隨著吸附的進行,吸附劑表面上的吸附質量逐漸增多,也就出現了吸附質的脫附,且隨時間的推移,脫附速度不斷增大。但從宏觀上看,同一時間內吸附質的吸附量仍大于脫附量,所以過程的總趨勢認為吸附。當同一時間內吸附質的吸附量與脫附量相等時,吸附和脫附達到動態平衡,此時稱為達到吸附平衡。平衡時,吸附質再在流體中的濃度和在吸附劑表面上的濃度不再變化,從宏觀上看,吸附過程停止。平衡時的吸附質在流體中的濃度稱為平衡濃度,在吸附劑中的濃度稱為平衡吸附量。
當吸附質與吸附劑長時間接觸后,終將達到吸附平衡。吸附平衡量是吸附劑對吸附質的極限吸附量,亦稱靜吸附量分數或靜活性分數,用Xt表示,無量綱。它是設計和生產中十分重要的參數。吸附平衡時,吸附質在氣、固兩相中的濃度關系,一般用吸附等溫線表示。吸附等溫線通常根據實驗數據繪制,也常用各種經驗方程式來表示。
吸附等溫線與吸附等溫方程式
平衡吸附量表示的是吸附劑對吸附質吸附數量的極限,其數值對吸附造作,設計和過程控制有著重要的意義。達到吸附平衡時,平衡吸附量與吸附質在流體中的濃度與吸附溫度間存在著一定的函數關系,此關系即為吸附平衡關系,其一般都是根據實驗測得的,也可以用經驗方程式表示。
吸附等溫線
在氣體吸附中,其平衡關系可表示為:
A=f(p,T)
式中A——平衡吸附量;
p——吸附平衡時吸附質在氣相中的分壓力;
T——吸附溫度
根據需要,對一定的吸附體系可測得如下關系:
①當保持T不變,可測得A與P的變化關系
②當保持P不變,可測得A與T的變化關系
③當保持A不變,可測得P與T的變化關系
依據上述變化關系,可分別繪出相應的關系曲線,分別為吸附等溫線,吸附等壓線和吸附等量線。由于吸附過程中,吸附溫度一般變化不大,因此吸附等溫線最為常用。
吸附等溫線描述的是在吸附溫度不變的情況下,平衡時,吸附劑的吸附量隨氣相中組分壓力的不同而變化的情況。根據對大量的不同氣體與蒸氣的吸附測定,吸附等溫線形式可歸納為六種基本類型。
吸附等溫方程式
根據大量的吸附等溫線整理出描述吸附平衡狀態的經驗方程式,即為吸附等溫方程式,其中有的完全依據實驗數據所表現的規律整理而得,一定條件范圍內具有應用意義,但不具有理論指導意義,如弗羅因德利希(Freundlich)吸附等溫方程式;有些是以一定的理論假設為前提得出的方程式,如朗格謬爾(Langmuir)吸附等溫方程式和B·E·T方程,后者應用較多。
吸附量
吸附量是指在一定條件下單位質量地吸附劑上所吸附的吸附質的量,通常以㎏吸附質/㎏吸附劑或質量百分數表示,它是吸附劑所具有吸附能力的標志。在工業上將吸附量稱為吸附劑的活性。
吸附劑的活性有兩種表示方法:
(1)吸附劑的靜活性
在一定條件下,達到平衡時吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對一定的吸附體系,靜活性只取決于吸附溫度和吸附質的濃度或分壓。
(2)吸附劑的動活性
在一定的操作條件下,將氣體混合物通過吸附床層,吸附質被吸附,當吸附一段時間后,從吸附劑層流出的的氣體中開始發現吸附質(或其濃度達到一規定的允許值)時,認為床層失效,此時吸附劑吸附的吸附質的量稱為吸附劑的動活性。動活性除與吸附劑和吸附質的特性有關外,還與溫度、濃度及操作條件有關。吸附劑的動活性值是吸附系統設計的主要依據。
吸附速率
吸附過程常需要較長時間才能達到平衡,而在實際生產過程中,兩項接觸時間是有限的。因此,吸附量取決與吸附速率,而吸附速率與吸附過程有關,吸附過程可分為以下幾步:
(1)外擴散,吸附質從氣流主體穿過顆粒物周圍氣膜擴散至吸附劑的外表面
(2)內擴散,吸附質由外表面經微孔擴散至吸附劑微孔表面
(3)吸附,到達吸附劑微孔表面的吸附質被吸附
(4)脫附的吸附質再經內外擴散至氣相主體
物理吸附過程一般為內外擴散控制,化學吸附既有表面動力學控制,又有內外擴散控制。由于吸附過程復雜,影響因素多,從理論上推導速率很難,因此一般是憑經驗或根據模式實驗來確定。
吸附器選擇的設計計算
吸附器的設計計算應包括確定吸附器的形式,吸附劑的種類,吸附劑的需要量,吸附床高度,吸附周期等,這些參數的選擇應從吸附平衡,吸附傳質速率及壓降來考慮。
吸附器的確定
對吸附器的基本要求:
(1)具有足夠的過氣斷面和停留時間;
(2)良好的氣流分布;
(3)預先除去入口氣體中污染吸附劑的雜質;
(4)能夠有效地控制和調節吸附操作溫度
(5)易于更換吸附劑。
吸附工藝根據吸附劑在吸附器上的工作狀態,可將吸附器分為固定床、移動床和流化床過程,相應的三種吸附器的主要特點比較見表4-2
表4-2三種吸附器主要特點比較
類型 | 主要特點比較 |
固定床吸附器 |
1.結構簡單、制造容易、價格低廉 2.適用于小型、分散、間歇性的污染源治理 3.吸附和脫附交替進行、間歇操作 4.應用廣泛 |
移動床吸附器 |
1.處理氣體量大,吸附劑可循環使用,適用于穩定、連續、量大的氣體凈化 2.吸附和脫附連續完成 3.動力和熱力消耗較大,吸附劑磨損較為嚴重 |
流化床吸附器 |
1.結構復雜,造價昂貴 2.氣體和固體接觸相當充分 3.生產能力大,適合治理連續性、大氣量的污染源 4.吸附劑和容器的磨損嚴重 |
結合工藝特點和經濟技術可行性分析,本設計吸附器采用臥式圓錐形固定床吸附器,殼體為圓形,封頭為橢圓形,其優點是流體阻力小,可以減少氣體流經吸附床層的動力消耗,易產生氣流分配不均運現象,故吸附質以整砌形式放在抽屜式的凈化單元中,抽屜間設有防治氣體短路的擋板,在氣體入口的吸附劑之間裝有氣體整流裝置,力求氣體均勻。抽屜式的裝卸吸附劑方式非常方便,利于操作
基本運行參數如下:
處理風量:20000m3/h
吸附器外觀尺寸:L×B×H=7000×3300×3000mm
材料:鋼板δ=4
壓降:£1000Pa
數量:兩臺并聯,脫附吸附交替運行
4.2.2吸附劑的選擇
如何選擇、使用和評價吸附劑,是吸附操作中必須解決的首要問題。一切固體物質的表面,對于流體的表面都具有物理吸附的作用,但合乎工業要求的吸附劑則應具備以下一些要求:
(1)具有大的比表面積
(2)具有良好的選擇性吸附作用
(3)吸附容量大
(4)具有良好的的機械強度和均勻的顆粒尺寸。
(5)有足夠的熱穩定性及化學穩定性
(6)有良好的再生性能
(7)吸附劑的來源廣泛、造價低廉
實際中,很難找到一種吸附劑能同時滿足上述要求,因而在選擇吸附劑時要權衡多方面的因素。同時,目前對吸附過程的實質還了解得不十分清楚,因而鑒別吸附劑吸附性能,還只能依靠實驗測定和從生產中考察,尚不能從理論上推出。
常用的吸附劑主要有:活性炭、硅膠、分子篩沸石、活性氧化鋁與氧化鋁。其中活性炭是應用最早、用途較廣的一種優良吸附劑。它是一種具有非極性表面,為疏水性和親有機物的吸附劑,故活性炭常常被用來吸附回收空氣中的有機溶劑和惡臭物質,在環境保護方面用來處理工業廢水和治理某些氣態污染物。
活性炭的研究、生產和應用發展很快,目前應用較多的主要是粉末狀、顆粒狀的活性炭和活性炭纖維。除此之外,新型的活性炭也在積極開發之中,蜂窩狀活性炭便是其中的一種。
蜂窩狀活性炭為一種新型環保吸附材料,通過將優質活性炭和輔助材料制成蜂窩狀方孔的過濾柱,達到產品體積密度小、比表面積大的目的,目前已經大量應用在低濃度、大風量的各類有機廢氣凈化系統中。被處理廢氣在通過蜂窩活性炭方孔時能充分與活性碳接觸,吸附效率高,風阻系數小,具有優良的吸附、脫附性能和氣體動力學性能,可廣泛用于凈化處理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯類、酚類、酯類、醇類、醛類等有機氣體、惡臭味氣體和含有微量重金屬的各類氣體。采用蜂窩狀活性炭的環保設備廢氣處理凈化效率高,吸附床體積小,設備能耗低,能夠降低造價和運行成本,凈化后的氣體完全滿足環保排放要求。
綜合衡量各方面因素,如果企業經濟允許的話,建議吸附劑選用蜂窩狀活性炭纖維能較好的滿足技術經濟要求,其物理性能參數見表4-3:
表4-3蜂窩狀活性炭的物理性能
項目 | 性能指標 |
外形尺寸/㎜ | 50×50×100 |
孔數/㎝-2 | 16 |
孔壁厚/㎜ | 0.5 |
壓碎強度/Mpa | 正面:7.07 |
側面:0.3 | |
體積密度/g.㎝-3 | 0.4~0.5 |
幾何外表面積/㎡.g-1 | 0.32 |
比表面積/㎡.g-1 | 700 |
著火點/℃ | 550 |
苯吸附率/% | 0.2 |
其吸附性能主要取決于它的幾個主要材料參數和過程參數。材料參數包括炭的吸附孔隙率、蜂窩結構的壁厚和炭的含量;過程參數包括流體流速、吸附質的濃度、吸附能(吸附能取決于碳結構和吸附質的特征如分子量)。穿透曲線是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附質濃度比值隨時間變化的一個函數。此比值達到0.95時,所吸附的吸附質的總量就稱為穿透容量。穿透容量取決于流體流速、吸附質濃度和蜂窩炭組分含量等因素。對蜂窩狀活性炭來說,壁厚是一個非常重要的參數,可以通過改變壁厚來提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情況下,壁厚增加,則單位體積蜂窩的炭含量也隨之增加,從而可以提高吸附容量。這是因為壁厚增加,蜂窩中流體通道的截面積減少,這樣真實的表面或體積流速也會增大。同時,吸附質與炭之間的接觸效率也會提高,這兩者之間存在一個平衡關系。在給定的條件下,這個平衡關系將決定吸附增加還是減少。如果吸附質以較高的擴散速度擴散到蜂窩壁的內部,由此空出來的吸附位又可連續吸附,因此厚壁蜂窩應該具有更好的吸附效率和吸附容量。
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