活性碳纖維有機廢氣回收技術在清潔生產中的應用
摘要:本文分析了我國工業生產中的有機廢氣處理問題，闡述了解決有機氣體回收的重要性。通過對比各種有機廢氣處理技術，凸顯了活性碳纖維回收技術的優越性。通過其在印刷化工行業的應用實例，提出推廣應用活性碳纖維有機廢氣回收技術將創造出巨大的經濟、社會和環境效益。
關鍵詞:工業廢氣;吸附法;活性碳纖維;有機廢氣回收裝置
1 有機廢氣及其危害
在工業生產以及日常生活中會產生各種各樣的有機廢氣，這些有機廢氣不僅會造成大氣污染，危害人體健康，而且還會造成資源的浪費。如在塑料印刷過程中，隨著油墨的干燥會排出大量的混合溶劑廢氣；覆膜過程中會排出大量的乙酸乙酯等廢氣。
有機廢氣中所含的揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs），一般是指室溫下飽和蒸氣壓超過70.91Pa或沸點小于260℃的有機物，包括脂肪烴、芳香烴、酯類、酮類、醚類和鹵代烴等。有機廢氣是有毒、有害的氣體，它釋放在空氣中不僅會造成嚴重的環境污染，而且人體若長期接觸或吸入，將會給神經系統及造血功能帶來嚴重危害，甚至引發癌變及其他嚴重疾病直至死亡。
隨著社會的發展，物質文明和生活水平的提高，環境保護意識的增強，有機廢氣的排放造成的環境污染及其對人體健康的嚴重危害越來越成為各級政府和民眾關注的焦點。由于幾乎各行各業都會排放有機廢氣，而且涉及這些有機物生產和使用的場所目前絕大部分尚未被治理。因此，如何在保持企業持續發展和社會需求的條件下，消除有機廢氣對環境和人體健康的嚴重危害，并能有效回收利用這些有機廢氣，實現經濟的可持續發展和環境保護的“雙贏”，已成為各企業所面臨的嚴峻問題。而清潔生產將是解決這一難題最理想的辦法和途徑。從環保出發，在法律上予以規范，運用循環經濟理論，發展循環經濟，并利用高科技開發出有機廢氣循環利用新技術，實現有機廢氣的資源化回收利用。
2 有機廢氣的回收處理方法
目前常用的有機廢氣回收處理方法主要有冷凝法、吸收法、變壓吸附法、吸附法與膜分離技術。現有的有機廢氣的回收處理方法與技術已無法滿足日益增長的經濟發展的需要和環境保護的要求，研究開發新型的、以實現有機廢氣資源化回收利用為目的的方法與技術已迫在眉睫。本文重點介紹的是吸附法中的活性碳纖維吸附法。
以新型吸附材料—活性碳纖維（ACF）為吸附劑的吸附法是近幾年發展起來的一種新型的有機廢氣回收方法。與傳統的以活性炭為吸附劑的炭質吸附法相比，活性碳纖維具有有效吸附容量大、吸附設備小、吸附效率高、吸附脫附快、有機廢氣資源化利用率高等優點，被認為是最有效的回收凈化有機廢氣的新方法，近年來已引起廣大研究工作者和相關企業的極大關注。
活性碳纖維是繼粉末狀、粒狀活性炭之后于20世紀60-70年代發展起來的第三代新型功能吸附材料。與傳統的活性炭相比，活性碳纖維具有以下優異特性：1）比表面積大，有效吸附容量高；2）吸附、脫附快，能耗低，容易再生；3）強度高、壽命長；4）形狀多樣，便于工程應用；5）可吸附低濃度氣體；6）吸附選擇性強。
3 活性碳纖維有機廢氣回收裝置
以活性碳纖維有機廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例，分析其設備組成、工藝流程及技術特點。
3.1 設備組成
吸附設備由引風風機、表冷器、過濾器、吸附器、分層槽等組成，整個系統的運行由PLC程序控制，自動切換吸附器，使之交替進行吸附、解吸和干燥工藝過程的操作。
3.2 工藝流程
活性碳纖維有機廢氣回收技術工藝流程見下圖：
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揮發性有機氣體先經過一定的前處理裝置，再經過濾器進一步去除尾氣中的雜質，以保證這些雜質不占用活性碳纖維的孔隙，影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命；過濾后的尾氣經風機引入吸附設備。
吸附了一定數量有機溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進行解吸，解吸完成后將通過過濾的外界空氣送入吸附器由風機進行干燥，使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽，使活性碳纖維保持較高的吸附效率。干燥好的吸附器進入下一工作程序循環進行吸附。
解吸出的含有機物的混合蒸汽進入冷凝器中進行一級冷凝，冷凝液再經板式冷凝器冷卻，經過冷凝的有機物和冷凝水進入分層槽，經重力分層，上層的有機物自動溢流至儲槽，然后經輸送泵送到吸附回收設備；下層的冷凝水排入廢水處理系統。
3.3 技術特點
（1）結構合理
吸附芯為籠型結構，具有活性碳纖維用量少，處理風量大的特點，可大幅度降低有機廢氣處理成本。
（2）吸附率高
由于活性碳纖維的比表面積特性，決定了其吸附率可高達95%以上。采用專利技術可以實現多級吸附，可以達到極高的吸附率，是目前國際上能夠達到苛刻的環保排放要求的吸附裝置。
（3）運行能耗低、費用低
由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低，再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小、風機功率小，所以在運行中活性碳纖維有機廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低。
（4）全自動控制、無人值守運行
采用德國西門子可編程序控制器中央控制，集成電磁閥、德國費斯托氣缸執行動作，可靠性高。按照工藝流程設計的模擬盤顯示，運行狀況可以一目了然，并設計有故障檢測及指示功能。可靠性強、操作簡單、便于維護。
（5）安全可靠、適用于有爆炸危險場所
采用防爆風機、防爆泵。控制柜、氣動柜采用正壓防爆技術，外部信號通過安全柵連接，系統接地，確保了裝置的安全性。
4 案例分析
在油墨印刷行業的水松紙印刷生產工藝中要使用大量的乙醇和少量的乙酸乙酯、二乙醇乙醚等溶劑用于溶解高分子樹脂，在干燥成膜的過程中有機溶劑會全部揮發，與空氣混合后排放。據估計，全國各大水松紙印刷生產廠家每年消耗乙醇等溶劑多達上萬噸，每年要向大氣中排放大量的有害物質，不僅會造成嚴重的環境污染，傷害生產工人的身體健康，而且也成為眾多企業沉重的經濟負擔，嚴重影響企業的經濟效益及競爭力。為此，本文以某水松紙生產廠為例，對該廠采用活性碳纖維有機廢氣回收裝置治理有機廢氣的效果進行探討。
4.1 項目概況
（1）基礎數據
1）尾氣組成為：乙醇、乙酸乙酯、乙二醇乙醚、空氣；2）尾氣風量：烘箱15000m3/h,印刷機車間收集風量10000m3/h（設計風量）；3）尾氣濃度：10g/m3；4）尾氣溫度：烘箱＜90℃，印刷機車間＜40℃；5）設備要求：回收產品乙醇的濃度大于90%；乙醇預計回收率大于56%，進入吸附系統的乙醇回收率大于80%。
（2）工藝簡述
在水松紙印刷中需要回收處理的有機尾氣包括兩部分，一部分是烘箱的排風尾氣，另一部分是印刷機周圍自然揮發的廢氣。印刷機上部排風與整條印刷機周圍系統的揮發氣體實行分離單獨引入，在風管上分別設三通閥控制，用于在吸附裝置出現故障時放空使用，以保證印刷設備不受影響。有機尾氣進行過濾、冷卻等處理后引入吸附裝置，經吸附處理后的有機尾氣回送車間。吸附一定量有機溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進行脫附再生，吸附在活性碳纖維上的乙醇被蒸汽吹脫出來后與蒸汽形成氣態混合物，混合物在換熱器中與回收的冷凝液進行充分的換熱后再經列管冷凝器進一步冷凝，冷凝下來的乙醇和水的混合液與吸附箱體中冷凝的混合液匯合，流入儲槽中，然后用磁力泵打到精餾塔中進行精餾。塔頂的氣體經過冷凝器冷凝后在氣液分離器中進行氣液分離，液體一部分回流到精餾塔中進行循環，一部分經過冷卻器冷卻后流入有機溶劑儲罐（這時候乙醇的純度為95%）回用于生產。
4.2 設備運行情況
有機溶劑回收設備于2007年2月安裝到位，在具備試車條件下于2月26日正式試車，2007年3月1日完成試車考核。2007年5月22日委托當地省環境監測中心站對活性碳纖維印刷溶劑乙醇回收裝置的進出口氣體進行了測試，結果表明溶劑回收裝置可有效回收乙醇溶劑，尾氣中乙醇的去除率為96.76%。
該設備在整修試車的過程中，回收設備運行穩定可靠，過程自動控制及自動報警達到了設計要求。自設備運行后，車間及周邊有機物濃度明顯降低，環境得以顯著改善。
4.3 運行效果分析
從1年多的運行記錄來看，該廠每天使用 5 噸溶劑，經有機溶劑回收裝置處理后可以回收 4 噸溶劑。
（1）投資情況
該臺印刷機設計了三箱的活性碳纖維有機廢氣吸附回收裝置和一套有機溶劑精制設備。整套回收系統設計使用壽命為10年。裝置總投資300多萬元（未含公用工程費用）。
（2）運行費用
總運行費用約為149萬元/a。其中：1）蒸汽實際消耗量為620kg/h（包含溶劑精餾消耗蒸汽）, 每年運轉300天，按130元/t計，費用為58.032萬元/a；2）實際消耗電量為75kW/h，每年運轉300天,按0.7元/kW計，費用為37.8萬元/a；3）循環水實際消耗量為每天添加5t,每年運轉300天,按3元/t計，費用為0.45萬元/a；4）活性碳纖維的使用周期按1.5年計,則折舊費為22萬元/a；5）設備折舊按10年使用壽命計，則每年折舊費為27.7萬元；6）由于該設備為全自動運行，故只需巡檢，人工費用為3萬元/a。
（3）回收效益
該臺印刷機每天使用5t乙醇及少量乙酸乙酯、乙二醇乙醚，按回收效率80%計算，每年運行300天，乙醇每天回收4t，按4200元/t計算，年回收效益為5t×80%×300天×4200元=504萬元。年回收凈效益約為504萬元-149萬元=355萬元。折合每回收1t乙醇的消耗費用約為1242元。
通過活性碳纖維吸附裝置，一臺印刷機每年回收的乙醇溶劑可為該水松紙印刷廠帶來近330多萬元的經濟效益。
4.4 技術指標實現情況
（1）設計指標
此套活性碳纖維溶劑回收裝置的設計回收率為56%，從實際的生產記錄分析可知有機溶劑的實際回收率為80%，遠遠超過設計值。
（2）熱能循環利用成效分析
以前的溶劑回收工藝在活性碳纖維脫附時，一般需要用3～4倍的水蒸汽脫附，含溶劑冷凝水經處理后直接排放，從而會造成二次污染。本工藝采用了新的循環工藝，即在蒸汽管線上增加了蒸汽流量計和氣動調節閥，通過自動控制系統對解吸蒸汽的流量進行控制，保證在解吸過程中蒸汽的流量和壓力穩定，減少了解吸時高壓蒸汽對活性碳纖維床層的沖擊破壞。在控制面板上安裝的計算儀可顯示蒸汽瞬時流量和累計質量流量。脫附蒸汽管路上增加了一個加熱套管，提高了減壓后水蒸汽的溫度，使之成為過熱蒸汽，可提高脫附能力，降低能耗，實際運行中用1.6倍的水蒸汽即可達到脫附效果。
對活性碳纖維進行活化的蒸汽成為混合氣，脫附混合氣經多級換熱裝置換熱后生成乙醇水溶液，存儲在儲槽中，再次解吸時用泵將水溶液與解吸混合蒸汽進行熱交換后（溫度可達到70℃）進入精餾塔中進行精餾。精餾提純出的乙醇溶液可直接回用于生產。
通過節能、循環利用措施，與未改進前的工藝相比，此套設備的吸附裝置年節約蒸汽用量約為1680t。既節約了資源，又降低了生產成本。
4.5 小結
從以上分析可以看出，采用ACF回收凈化油墨印刷生產過程中產生的有機廢氣 ，回收的有機溶劑可用于再生產，大大節約了資源。此工藝不僅填補了國內空白，而且保護了大氣環境，改善了工人的工作條件，同時降低了企業的生產成本，提高了企業經濟效益，也符合國家對于循環經濟和建設節約型社會的要求，實現了環境效益和經濟效益的完美結合。
5 結語
（1）綜上所述，從綠色環保出發，以清潔生產、有機廢氣的資源化循環利用為目的的新型有機廢氣回收凈化技術將是有機廢氣處理技術的發展趨勢。
（2）活性碳纖維溶劑回收裝置由于具有能耗低、運行費用少、回收凈化過程全循環、低排放、可實現有機廢氣的資源化循環利用等特點，所以應是有機廢氣回收凈化的首選技術。
（3）該技術的推廣應用將可創造出巨大的經濟效益、社會效益和環境效益，實現資源的循環利用，為我國經濟和社會的可持續發展做出貢獻。因此也必將會展現出廣闊的應用前景和市場競爭力。但該技術的廣泛推廣還有待于國家和地方環保部門對大氣環境質量的嚴格管理與要求，以及各級政府部門在資金、稅收等政策上的支持，同時還需要加強對環保技術的宣傳，提高民眾的環保意識。
參考文獻：
[1] 李旭明，張茂林，等.活性炭纖維的性能特征與應用[J]. 河北紡織，2002.2： 18-21.
[2] 王成揚，馮麗萍，等. 活性炭纖維的表面特性及其對有機蒸氣的吸附研究[J]. 炭素，1999，No4:3-7.
[3] 黃振興，黃英. 動態吸附過程[J]. 新型炭材料，1994（2）：18-37.
[4] 黃振興，黃英. 動態吸附過程[J]. 新型炭材料，1994（3）：17-34.
[5] 田井和夫. 活性炭纖維[J]. 新型炭材料，2000，10（2）：18－23.
[6] 王茂章. 活性炭纖維的高功能化[J]. 高科技纖維與應用，1999，24（6）： 5－21.
[7] 吳德禮，朱申紅. 新型吸附劑的發展與應用[J]. 礦產綜合利用，2002，2 （1）：36－40.
[8] 張秀珍，李延平，徐強，等. 活性炭纖維的吸附效果研究及在空氣凈化方面 應用[J]. 江蘇預防醫學，1996，11（3）：6-8.
[9] 符若文，杜秀英，黃愛萍. 負載ＰdＣｕ活性碳纖維的孔結構研究[N]. 中山 大學學報（自然科學版），2002，1（1）：46-50.
[10] 符若文，杜秀英，胡勇軍，等. 負載金屬活性碳纖維對ＮＯ催化分解性能的 研究[J]. 環境技術，2001，5（5）：41-46.
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