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廢氣處理9大工藝、適用範圍、成本控製

2020-07-28

廢氣處理9大工藝、適用範圍、成本控製


目前的揮發性有機汙染物的治理包括破壞性,非破壞性方法,及這兩種方法的組合。


破壞性的方法包括燃燒、生物氧化、熱氧化、光催化氧化,低溫等離子體及其集成的技術,主要是由化學或生化反應,用光,熱,微生物和催化劑將VOCs轉化成CO2和H2O等無毒無機小分子化合物。


非破壞性法,即回收法,主要是碳吸附、吸收、冷凝和膜分離技術,通過物理方法,控製溫度,壓力或用選擇性滲透膜和選擇性吸附劑等來富集和分離揮發性有機化合物。


傳統的揮發性廢氣處理常用吸收、吸附法去除,燃燒去除等,在最近幾年中,半導體光催化劑的技術體,低溫等離子得到了迅速發展。


2、處理工藝解析


1.吸附工藝


(1)吸附工藝簡介


吸附法主要適用於低濃度氣態汙染物的淨化,對於高濃度的有機氣體,通常需要首先經過冷凝等工藝將濃度降低後再進行吸附淨化。吸附技術是最為經典和常用的氣體淨化技術,也是目前工業VOCs 治理的主流


技術之一。吸附法的關鍵技術是吸附劑、吸附設備和工藝、再生介質、後處理工藝等。


活性炭因其具有大比表麵積和微孔結構而廣泛應用於吸附回收有機氣體。目前,對活性炭吸附有機氣體的研究主要集中在吸附平衡的預測、活性炭材料的改性及有機物的物化性質對活性炭吸附性能的影響。


(2)活性炭吸附工藝原理及流程

廢氣處理工藝



活性炭纖維吸附有機廢氣是當今世界上最為先進的技術之一,活性炭纖維比顆粒狀活性炭具有更大的吸附容量和更快的吸附動力學性能,活性炭吸、脫附工藝流程見圖1。


(3)活性炭吸附工藝影響因素

廢氣處理工藝

(4)活性炭淨化空氣的物理吸附,如圖2所示四種情況:


分子直徑大於孔的直徑,由於空間位阻,分子不能入孔,因此不吸附;


分子直徑等於孔的直徑,吸附劑的捕捉力很強,非常適合低濃度吸附;


分子直徑小於孔的直徑,孔內發生毛細管冷凝,吸附容量大;


分子直徑遠小於孔的直徑,吸附分子很容易解吸,解吸速率高,低濃度下的吸附量較小。


(5)活性炭吸附工藝的優缺點


優點:


適用於低濃度的各種汙染物;


活性炭價格不高,能源消耗低,應用起來比較經濟;


通過脫附冷凝可回收溶劑有機物;


應用方便,隻與同空氣相接觸就可以發揮作用;


活性炭具有良好的耐酸堿和耐熱性,化學穩定性較高。


缺點:


吸附量小,物理吸附存在吸附飽和問題,隨著吸附劑的消耗,吸附能力也變弱,使用一段時間後可能會出現吸附量小或失去吸附功能;


吸附時,存在吸附的專一性問題,對混合氣體,可能吸附性會減弱,同時也存在分子直徑與活性炭孔徑不匹配,造成脫附現象;


2.吸收工藝


(1)吸收工藝簡介


用溶液、溶劑或清水吸收工業廢氣中的揮發性氣體,使其與廢氣分離的方法叫吸收法。溶液、溶劑、清水稱為吸收劑。吸收劑不同可以吸收不同的有害氣體。


吸收法使用的吸收設備叫吸收器、淨化器或洗滌器。吸收法的工藝流程和濕法除塵工藝近似,隻是濕法除塵工藝用清水,而吸收法淨化有害氣體要用溶劑或溶液。


(2)吸收工藝原理及流程

廢氣處理工藝

以石油和天然氣回收為例,石油和天然氣回收應包括煉油廠,化工廠,石油和天然氣站裝卸、產生的油氣。石油和天然氣出廠到銷售終端是一個完整的係統。


美國和歐洲國家,通常是在加油站采用一階段和兩階段油氣回收措施,即密閉卸油與加油,儲罐內油氣返回油罐車,在加油時使用真空輔助裝置或油箱內壓返回儲罐。在油庫,煉油廠和其他石油製品經銷地設置


油氣回收裝置,回收油氣。


吸收法通常用於油氣回收。裝卸油品時產生的油氣進入吸收塔,從出口排出貧油空氣,解吸塔內進行吸收液的真空解吸,解吸的吸收液再循環利用,回收塔用汽油將進入的解吸氣進行回收,尾氣返回吸收塔重複


該過程。用溶液吸收法回收揮發性有機物的吸收液通常是特殊的吸收液,吸收液的選擇將影響回收效果。


(3)吸收工藝優缺點


優點:


吸收法工藝比較簡單,設備投資較低,操作和維修費用基本與碳吸附法相當,由於吸收介質是采用煤油和吸收液,因此沒有二次汙染問題。


缺點:


此工藝方法回收效率低,對於環保要求較高時,很難達到允許的油氣排放標準;設備占地空間大;能耗高;吸收劑消耗較大,需不斷補充。


3.冷凝工藝


(1)冷凝工藝簡介


油品在儲運和銷售過程中部分輕烴組分揮發進入大氣,造成資源浪費和環境危害。同時有機溶劑廣泛應用於工業生產中,每年都有大量的有機溶劑揮發到空氣中,危害人類健康,造成嚴重的環境汙染。采取合適


的方法回收這些揮發性有機物不但可以降低企業生產成本,而且具有巨大的環保效益。


冷凝法是用來回收VOCs的一種有效方法,其基本原理是利用氣態汙染物在不同的溫度和壓力下具有不同飽和蒸汽壓,通過降低溫度和增加壓力,使某些有機物凝結出來,使VOCs得以淨化和回收。


(2)冷凝工藝原理及流程

廢氣處理工藝

冷凝式油氣回收設備采用多級複疊或自複疊製冷技術,係統流程雖然相對複雜,但其關鍵部件壓縮機和節流機構已全部實現本土化生產,投資和運行成本較低。


根據換熱管工作原理可分為製冷劑回路和氣體回路部分,換熱管連接兩部。在氣體循環部分,低溫冷媒在換熱器中和熱的有機溶劑混合氣體進行熱交換,有機溶劑液化後回收,製冷劑流入儲液罐。


製冷劑回路,壓縮機將製冷劑壓縮成高溫高壓氣態製冷劑,通過風冷冷凝器液化,通過幹燥過濾器,在冷媒-製冷劑熱交換器中冷的液態製冷劑與冷媒進行熱交換,低溫冷媒進入儲液罐,製冷劑通過吸入過濾器進


入壓縮機入口,完成整個的製冷劑冷媒換熱過程。


(3)冷凝工藝的影響因素


冷凝分離法回收輕烴要對原料氣體冷卻降溫。根據原理可分為節流膨脹製冷,膨脹機膨脹製冷。根據工藝可分為製冷劑製冷(如丙烷製冷),節流膨脹製冷,膨脹機膨脹製冷,混合製冷(在膨脹機膨脹製冷或工


藝流體自身節流膨脹製冷的基礎上外加冷劑製冷)。


分離方法包括精餾係統精餾分離,分離器相平衡分離。這個過程一般包括脫水、增壓(低壓力氣體)、精餾和製冷。以上冷凝工藝的各個部分的選擇都會影響最終的冷凝效果。


(4)冷凝工藝優缺點


優點:


冷凝法是利用物質沸點的不同回收,適合沸點較高的有機物,該方法具有回收純度高、設備工藝簡單、能耗低的優點;並有設備緊湊、占用空間小、自動化程度高、維護方便、安全性好、輸出為液態油可直接利


用等優點;


缺點:


單一冷凝法要達標需要降到很低的溫度,耗電量巨大,不是真正意義上的“節能減排”。


4.膜分離工藝


(1)膜分離工藝簡介


在石油開采和儲運過程中,部分油品揮發到大氣中形成的油氣中,除空氣外,主要C4-C5以及少量芳香烴。這些有機蒸氣排放不僅造成嚴重的資源浪費,而且對空氣質量有很大影響,進而影響人類的健康,目


前,有機蒸氣的分離回收方法主要是冷凝、活性炭吸附、膜分離法、溶劑吸收法。膜分離技術是一種效率較高的分離方法 。


(2)膜分離工藝原理及流程

廢氣處理工藝

膜分離有機蒸氣回收係統是通過溶解-擴散機理來實現分離的。氣體分子與膜接觸後,在膜的表麵溶解,進而在膜兩側表麵就會產生一個濃度梯度,因為不同氣體分子通過致密膜的溶解擴散速度有所不同,使得氣


體分子由膜內向膜另一側擴散,最後從膜的另一側表麵解吸,最終達到分離目的。


膜分離裝置設於高壓冷凝器之後,緩衝罐前,由於排放氣壓縮機能力不足,隻有一部分氣體經過膜分離裝置,其他部分直接進入緩衝罐,滲透氣返回至低壓冷卻器前,尾氣進入緩衝罐。


(3)膜分離工藝的影響因素


支撐層的材質對滲透速率和烴類VOCs回收率產生重要影響,對於同一種材質的支撐層,滲透速率和烴類VOCs 回收率隨孔徑的減小而增大,但當孔徑減到某一臨界值時,隨孔徑的繼續減小,滲透速率和烴類VOCs 回收率將減小。


(4)膜分離工藝優缺點


優點: 


膜分離技術是近代石油化工學科中分離科學的前沿技術。它具有投資小、見效快、流程簡單、回收率高、能耗低、無二次汙染的特點,具有較高的科技含量;


缺點:


投資大;膜國產率低,價格昂貴,而且膜壽命短;膜分離裝置要求穩流、穩壓氣體,操作要求高。


5.燃燒工藝


(1)燃燒工藝簡介


一類VOCs 處理方法是所謂破壞性技術,即通過化學或生物的技術使VOCs 轉化為二氧化碳、水以及氯化氫等無毒或毒性小的無機物。燃燒法即屬此類技術。


燃燒法分直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒法適合處理高濃度 VOCs 的廢氣,因其運行溫度通常在800-1200℃時,工藝能耗成本較高,且燃燒尾氣中容易出現二惡英、NOx等副產物;由於廢氣中VOCs濃度


一般較低,僅僅依靠反應熱,一般難以維持反應所需的溫度。


為了提高熱經濟性,人們開展了大量的研究,一個方向是改進催化劑的性能使反應溫度降低。另一個方向是研究新的工藝技術、新的反應器設計以使反應能在較高的溫度下自熱地實現。


(2)燃燒工藝原理及流程

廢氣處理工藝

催化燃燒中,預熱式是一種基本的流程形式。有機廢氣在進入反應器之前,要在預熱室中的加熱,因為有機廢氣溫度低於100攝氏度時,濃度低,熱量不能自給。燃燒淨化後,與未處理的廢氣進行熱交換,回收


部分的熱量。煤氣或電加熱是該工藝常用的方法,加熱到催化反應所需的點火溫度。


(3)燃燒工藝的影響因素


催化燃燒催化劑的選擇是關鍵,在消除效率和能耗方麵其性能具有決定性的作用。對於揮發性有機化合物氧化催化劑一般可分為2類:貴金屬催化劑(鉑,鈀等)和金屬氧化物催化劑(銅,鉻,錳等),貴金屬


催化劑被廣泛使用於揮發性有機化合物的催化燃燒,因其具有良好的起燃活性。在用於催化氧化VOCs的貴金屬催化劑中,鉑比鈀活性要高。


(4)燃燒工藝優缺點


優點:


相較與直接燃燒法其輔助燃料費用低,二次汙染物NOx生成量少,燃燒設備的體積較小,VOCs去除率較高;


缺點:


催化劑價格較貴,且要求廢氣中不得含有會導致催化劑失活的成分。


6.生物過濾工藝


(1)生物過濾工藝簡介

廢氣處理工藝

利用微生物的新陳代謝過程對多種有機物和某些無機物進行生物降解,可以有效去除工業廢氣中的汙染物質,此即為處理有機廢氣的生物法。


最先提出采用微生物處理廢氣構想的是 Bach,他曾於1923年利用土壤過濾床處理汙水處理廠散發的含 H2S 惡臭氣體。在德國和荷蘭的許多地區,該技術已大規模並成功地應用於控製氣味,揮發性有機化合物


和空氣中的有毒排放,許多常見的空氣汙染物的控製效率已經達到90%以上。


(2)生物過濾工藝原理及流程


生物過濾工藝係統通過氣體輸送裝置,噴淋裝置和過濾塔主體三個部分組合而成。揮發性有機化合物通過加壓預濕,在過濾塔內與填料層表麵的生物膜相接觸,揮發性有機物從氣相轉移到生物膜,進而被微生物


分解利用,並且被轉化成二氧化碳,水和其他的分子物質,然後將淨化後的氣體排出。噴淋裝置定期向填料層噴灑噴淋液, 以調節填料層的水分含量、pH 值和營養鹽含量。


(3)生物過濾工藝的影響因素


填料:生物滴濾器中, 生物膜生長在填料的表麵, 氣態有機物流通於填料之間的空隙。填料比表麵積的大小在一定程度上反映了微生物的多少, 孔隙率則影響氣體、液體的流速, 而填料層的高度對有機物是否處理完


全有著重要意義。


營養液:生物滴濾塔中的營養物質,微量元素和緩衝液均勻噴灑在填料上,以提供生物膜中生物菌群生長和繁殖所需的營養物質。揮發性有機物的去除率一定程度上受營養液的流量,氮和磷的含量等的影響。


進氣:生物滴濾器運行過程中, 氣體流量、入口氣體濃度的大小都對氣體本身的去除效率有著顯著的影響。


(4)生物過濾工藝優缺點


優點:


適用範圍廣,處理效率高,工藝簡單,費用低,無二次汙染 。


缺點:


對高濃度、 生物降解性差及難生物降解的 VOCs 去除率低 。


7.等離子體工藝


(1)等離子體工藝簡介


等離子體汙染物控製技術利用氣體放電產生具有高度反應活性的粒子與各種有機、無機汙染物發生反應,從而使汙染物分子分解成為小分子化合物或氧化成容易處理的化合物而被去除。


這一技術的最大特點是可以高效、便捷地對多種汙染物進行破壞分解,使用的設備簡單,占用的空間較小,並適合於多種工作環境。


(2)等離子體工藝原理及流程

廢氣處理工藝

用於處理揮發性有機物的主要是電暈放電,主要的降解機製如下:在施加的電場下,在電極空間中的電子獲得了能量並開始加速。運動的過程中的電子與氣體分子相互碰撞,使氣體分子被激發、電離或吸附電子成


為負離子。


(3)等離子體工藝的影響因素


在降解過程中,電極電壓的選擇和控製是其主要內容,它會影響放電介質的放電和電子的攜能,以及之後的一係列反應,進而影響到降解效率;同時電極電壓也作為該方法達到商業應用的一個重要參數,因此電


極電壓的選擇特別關鍵。


低溫等離子體降解VOCs除了和電極電壓有密切關係外,其還受反應器結構、反應背景氣氛、VOCs 廢氣中含水量、放電頻率、放電電壓、VOCs 的化學結構、催化劑種類、低溫等離子體放電形式、反應溫度以及 


VOCs的初始濃度等的影響,其中以氣體濃度和氣流量的影響為主。


(4)等離子體工藝優缺點


優點:


處理效率高,運行費用低,特別對芳烴的去除效率高。


缺點:


對高濃度 VOCs 處理效率一般,目前主要停留在實驗室階段,缺乏實際應用。


8光催化氧化工藝


(1)光催化氧化工藝簡介


光化學和光催化氧化法是目前研究較多的一種高級氧化技術。光催化反應即在光的作用下進行的化學反應。分子吸收特定波長的電磁輻射後,是分子達到激發態,然後發生化學反應,產生新的物質,或成為熱反


應的引發劑。


(2)光催化氧化工藝原理及流程

廢氣處理工藝

Ti02作為一種半導體材料其自身的光電特性決定了它可以用作光催化劑。半導體的能帶結構通常是一個電子填充低能量價帶(VB)和一個空的高能量的導帶(CB),導帶和價帶之間的區域被稱為禁帶。


當照射半導體的光能量等於或大於禁帶寬度時,其價帶電子被激發,跨過禁帶進入導帶,並在價帶中產生相應空穴。電子從價帶激發到導帶,激發後分離的電子和空穴都有一部分進一步進行反應。


光催化反應機理見圖:

廢氣處理工藝

(3)光催化氧化工藝的影響因素


研究表明,反應物初始濃度對光催化效率或降解速率有明顯的影響。光催化效率隨著初始濃度增加而波動,存在明顯的濃度轉變點;低濃度目標物的光催化降解效率大於高濃度目標物的光催化降解效率。


濕度對光催化反應的影響尚無一致性結論。對於不同化合物或者不同濃度等實驗條件,存在很大的差別。


(4)光催化氧化工藝優缺點


優點:


處理效率高,運行費用低,適用於低濃度廣範圍的 VOCs特別對芳烴的去除效率高;


缺點:


對高濃度 VOCs 處理效率一般;主要還停留在實驗室階段,缺乏實際應用。


9.沸石轉輪+RTO工藝


(1)工藝原理:

廢氣處理工藝

VOCs廢氣通過沸石濃縮轉輪後,能有效被吸附於沸石中,達到去除的目的。經過沸石吸附的揮發性氣體被潔淨後直接通過煙囪排放到大氣中,轉輪持續以1-6轉/小時的速度旋轉。


同時將吸附的揮發性有機物傳送至脫附區,於脫附區中利用一小股加熱氣體將揮發性有機物進行脫附,脫附後的沸石轉輪旋轉至吸附區,持續吸附揮發性有機氣體。脫附後的濃縮有機廢氣送至焚化爐進行燃燒轉


成二氧化碳及水蒸氣排放至大氣中。

廢氣處理工藝

1.技術選擇

廢氣處理工藝

2.根據VOCs濃度及流量

廢氣處理工藝

3.相對費用

廢氣處理工藝

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