苯類有機(jī)廢氣的吸附及催化燃燒
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1、概述
隨著非金屬材料在電訊、電子、機(jī)械、化工等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其在著色增光的噴漆過程中所產(chǎn)生的苯系列有機(jī)廢氣的凈化處理已愈來愈引起人們的重視。吸附催化燃燒凈化可謂是一種較為理想的方法。
吸附催化燃燒凈化是利用工業(yè)廢氣中污染物可以燃燒的特性，將污染物中含碳?xì)涞幕衔铮?jīng)活性炭吸附濃縮后，在催化劑和較低溫度（250～450℃）下進(jìn)行氧化分解，使其轉(zhuǎn)化為二氧化碳與水蒸汽；或者將分子結(jié)構(gòu)中含有鹵素及其他元素的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成鹵化氫、二氧化硫、二氧化氮或其它金屬氧化物，再經(jīng)過吸收等凈化措施，將有害氣體徹底轉(zhuǎn)化為無害氣體的一種凈化方法。
吸附催化燃燒的獨特優(yōu)勢，使其具有以下特點：
1)、可再生使用。吸附劑飽和后通過脫附，催化劑可通過活化長期使用。
2）、起燃溫度低。含烴類物質(zhì)的廢氣在通過催化劑床層時，碳?xì)浞肿雍脱醴肿臃謩e被吸附在催化劑表面并被活化，因而能在較低溫度下迅速完全氧化分解成二氧化碳和水蒸汽，且在達(dá)到起燃溫度后，無需外界供熱，與直接燃燒法相比，其起始溫度可低一倍，因而能耗要少得多；
3）、適應(yīng)濃度、成分范圍廣。可適用于幾乎所有的含烴類有機(jī)廢氣及惡臭氣體的治理，可用于眾多的有機(jī)化工、造漆、涂裝、印刷、印鐵、家用電器、絕緣材料、油炸食品等行業(yè)排放的各種有機(jī)廢氣。
4)、不會造成二次污染。由于凈化率一般都在95%以上，加之溫度低，能大量減少NOX生成。
2、吸附劑、催化劑的選擇
2.1、吸附劑的選擇
根據(jù)吸附對象的不同，可選用的吸附劑有活性炭，浸漬活性炭，活性氧化鋁，浸漬活性氧化鋁，硅膠、分子篩，泥煤、褐煤、風(fēng)化煤，浸漬泥煤、褐煤、風(fēng)化煤，焦炭粉粒，白云石粉，蚯蚓類。
但用于工業(yè)的吸附劑應(yīng)能滿足如下要求：
1）、比表面積和孔隙率大；
2）、吸附能力強(qiáng)；
3）、選擇性好；
4）、具有一定的顆粒度，較好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；使用壽命長，價格低廉，原料來源充足。
除了以上的要求外，還應(yīng)考慮吸附質(zhì)的性質(zhì)、吸附質(zhì)分子的大小、吸附質(zhì)濃度，以及凈化要求、吸附劑來源等因素。
目前我司在治理某一苯類有機(jī)廢氣項目時，采用的是活性炭纖維和蜂窩狀活性炭共裝，以減少系統(tǒng)阻力，增大吸附容量。
2.2、催化劑的選擇
元素周期表中過渡族元素及第Ⅷ族元素中的貴金屬具有催化氧化的性能，它們及其氧化物常被用作催化燃燒催化劑的活性成分，例如鈦、釩、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅的氧化物及鉑、鈀、釕等。目前國內(nèi)催化劑可分為貴金屬催化劑、復(fù)合氧化物催化劑、稀土元素氧化物等三類。貴金屬催化劑起燃溫度低，資源稀少，價格昂貴，易中毒；復(fù)合氧化物催化劑降低了成本，清除效果也很好；稀土元素氧化物具有助催化作用，能提高催化活性及熱穩(wěn)定性。
蜂窩載體是比較理想的載體型式，它具有很高的比表面。壓力降較片粒柱狀低，機(jī)械強(qiáng)度大，耐磨，耐熱沖擊。
催化燃燒催化劑會發(fā)生中毒現(xiàn)象。為防止催化劑中毒，可在廢氣進(jìn)入反應(yīng)器前設(shè)廢氣預(yù)處理裝置，清除廢氣中粉塵和毒物，并定期進(jìn)行再生和清洗等。
3、吸附催化燃燒工藝
以我公司某一采取固定床進(jìn)行吸附催化燃燒的凈化工程為例：
從噴涂車間來的含有漆霧、有機(jī)溶劑的廢氣，首先進(jìn)入凈化系統(tǒng)的預(yù)過濾器，進(jìn)一步除去漆霧。除去漆霧后的有機(jī)廢氣，進(jìn)入1#活性炭吸附床，利用活性炭將有機(jī)廢氣吸附下來。吸附可使有機(jī)廢氣凈化效率高達(dá)95%以上，經(jīng)吸附凈化的廢氣可直接排放。
當(dāng)設(shè)置于活性炭吸附床出口管內(nèi)的有機(jī)廢氣濃度監(jiān)測裝置顯示，有機(jī)廢氣濃度即將超標(biāo)時，2#活性炭吸附床自動開啟，對廢氣進(jìn)行吸附；而1#活性炭吸附床廢氣進(jìn)出伐門關(guān)閉，而脫附進(jìn)出口伐門自動開啟，轉(zhuǎn)入有機(jī)廢氣脫附過程。此時，脫附風(fēng)機(jī)、催化燃燒床內(nèi)的電加熱器同步開啟。脫附氣在活性炭吸附床、脫附風(fēng)機(jī)、熱交換器、催化燃燒床等設(shè)備間管道內(nèi)閉路循環(huán)。通過控制脫附過程流量，將有機(jī)廢氣濃度濃縮10-20倍。脫附氣體經(jīng)催化床內(nèi)設(shè)的電加熱裝置加熱至300℃左右時，在催化劑作用下起燃。催化燃燒過程凈化效率可達(dá)97%以上。燃燒后生成CO2和H2O并釋放出大量熱量，熱量可通過熱交換器回收，用來預(yù)熱進(jìn)催化燃燒床的脫附氣。一般達(dá)到脫附～催化燃燒自平衡過程須啟動電加熱器1～2小時左右，達(dá)到熱平衡后可關(guān)閉電加熱裝置。此后，催化燃燒系統(tǒng)就靠廢氣中有機(jī)溶劑燃燒時產(chǎn)生的熱能，在無須外加能源基礎(chǔ)上使催化燃燒達(dá)到自平衡。當(dāng)脫附氣中的有機(jī)氣體燃燒完畢后，其催化燃燒床溫度會逐漸下降至200℃左右，即可視為催化燃燒過程結(jié)束，系統(tǒng)仃止運行。
整套吸附和催化燃燒過程由PLC實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)內(nèi)裝有阻火伐、濃度監(jiān)測儀、煙火噴滅裝置等。為了防止活性炭吸附床溫度過高發(fā)生自燃，補(bǔ)充催化燃燒所需要的空氣，系統(tǒng)內(nèi)裝有補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)。
考慮到凈化系統(tǒng)需要維修，在漆霧預(yù)過濾口器前加裝有旁路排空管路。
凈化工藝流程圖如下：
苯類有機(jī)廢氣吸附-脫附-催化燃燒凈化裝置流程圖
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4、凈化工藝特點
與普通的吸附催化燃燒凈化有機(jī)廢氣工藝相比，本工藝中有幾個新特點，可確保系統(tǒng)運行安全和廢氣達(dá)標(biāo)排放。
4.1、保證車間生產(chǎn)能正常進(jìn)行。
在漆霧過濾器前，加裝一安有電動風(fēng)閥的放空旁路。在凈化設(shè)備正常運行時，該風(fēng)閥關(guān)閉；當(dāng)凈化設(shè)備需維修時，該風(fēng)閥自動開啟，不會因凈化系統(tǒng)故障而影響車間的正常生產(chǎn)；
4.2、系統(tǒng)運行費用節(jié)省。
吸附材料采用蜂窩狀活性炭和活性炭纖維兩種材料，并將活性炭纖維置于蜂窩狀活性炭前。利用活性炭纖維吸附容量大、阻力小和吸附速度、脫附速度快的特點，以減小系統(tǒng)運行阻力，縮短脫附時間，節(jié)省運行費用，攔截透過漆霧過濾器的微小顆粒，防止污染蜂窩活性炭吸附材料，降低吸附材料的更換費用；
4.3、系統(tǒng)吸附功能得到最大程度的發(fā)揮。
在吸附床出口管內(nèi)設(shè)置有機(jī)廢氣濃度監(jiān)測裝置，當(dāng)廢氣出口濃度因吸附床達(dá)到飽和即將超標(biāo)排放時，指示吸附床自動進(jìn)行切換，確保廢氣達(dá)標(biāo)排放，以充分發(fā)揮吸附材料的吸附功能，避免脫附時間的盲目性；
4.4、系統(tǒng)運行更有安全保障。
一是在吸附床前、后，脫附風(fēng)機(jī)后，催化燃燒床前、后等處加裝有阻火閥，防止燃燒火焰回串；二是在吸附床內(nèi)、催化燃燒床內(nèi)設(shè)有煙火探頭和噴淋系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全運行；三是在脫附床、催化燃燒床等處設(shè)置高溫?zé)犭娕迹皶r反應(yīng)出各床溫度。
5、運行期經(jīng)濟(jì)性能
運行期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能是工藝選型的重要一環(huán)。除了盡可能增長吸附時間，縮短催化燃燒時間，減少電加熱器的啟用次數(shù)；選擇相匹配的動力；增強(qiáng)系統(tǒng)的預(yù)處理能力，在確保達(dá)標(biāo)排放的前提下延長活性炭、催化劑的使用壽命外，充分利用催化燃燒過程中產(chǎn)生的大量熱量尤其重要。為此，我司在系統(tǒng)中增添了浮頭式換熱器，熱回收率在70%以下，將其熱量用于回收加熱進(jìn)入催化燃燒床的脫附氣體，以減少輔助燃料的消耗。
6、系統(tǒng)的安全生產(chǎn)
任何可燃物與氧或空氣的混合物都有兩種臨界組成，即爆炸下限和爆炸上限。從理論上講，在這兩個極限之間的混合氣體是可燃的或爆炸性的，因為當(dāng)一定濃度范圍內(nèi)的氧和可燃組分混合物被點著后，在有控制的條件下就形成火焰，維持燃燒，而在一個有限的空間內(nèi)無控制地迅速發(fā)展則會形成爆炸。因此，嚴(yán)格控制可燃物濃度和氧氣含量極為重要。由于各種碳?xì)浠衔镌诳諝庵斜舛认孪迺r，其燃燒的熱值及燃燒時的升溫大致相同，因而常將可燃物濃度與熱值、溫升聯(lián)系起來，把可燃物濃度用爆炸濃度下限的百分?jǐn)?shù)來表示，為1%LEL（LowerExpsiveLimit）。大多數(shù)碳?xì)浠衔锩?%LEL所含熱值，大約可以使混合氣體溫升15.3℃。為安全計，通常將可燃物濃度沖淡在爆炸濃度下限以下燃燒 ，即將廢氣中可燃物濃度控制在25% LEL以下，以防止由于混合物比例及爆炸范圍的偶然變化，可能引起的爆炸或回火。為此，我司在系統(tǒng)中的脫附風(fēng)機(jī)、補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)口，均裝有新鮮空氣進(jìn)口管道。
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