活性碳纖維（ACF）吸附回收有機廢氣工藝

蔡炳良

（浙江環耀環境建設有限公司，杭州 310012）

1 引言

揮發性有機化合物通常是指正常環境條件下容易揮發的有機化合物。目前，對揮發性有機化合物尚無統一定義，許多國家或地區是按沸點和一定溫度下的蒸氣壓數據來限定，如澳大利亞、瑞士、德國、歐盟等。還有一些國家以是否發生光化學反應來限定，如美國[1]。

從我國近幾年國家發布的相關標準看，傾向于定義揮發性有機化合物是指能參與大氣光化學反應的有機化合物，或根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物，簡稱VOCs[2]。1）用于核算或備案的VOCs指20℃時蒸氣壓不小于10Pa或101.325kPa標準大氣壓下，沸點不高于260℃的有機化合物或實際生產條件下具有以上相應揮發性的有機化合物（甲烷除外）的統稱。2）以非甲烷總烴（NMHC）作為排氣筒、廠界大氣污染物監控、廠區內大氣污染物監控點及污染物控制設施去除效率的揮發性有機化合物的綜合性控制指標[3]。

VOCs的種類有很多，如脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯等（見下表），主要來源于石油化工、制藥、印刷、噴漆等行業生產過程中所排放的廢氣[4]。VOCs中的許多物質對人體和各種感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些會產生致癌、致畸、致突變的“三致”效應。對環境安全和人類生存產生極大的危害[5]。

有機廢氣主要代表污染物

ACF，Activated carbon fiber，即采用活性碳纖維作為吸附劑對廢氣中的有機物進行吸附回收的工藝。目前，在有機廢氣處理領域，ACF主要應用于處理組分相對比較單一、沸點在50℃～200℃、非水溶性、中等濃度、有回收利用價值的工況。

2 ACF工藝組成

ACF處理工藝主要由預處理、吸附、蒸氣脫附、負壓抽干、干燥降溫及計量回收系統組成。工藝流程見圖1。

圖1 ACF工藝流程圖

2.1 預處理系統

吸附回收裝置入口設置阻火器，使回收裝置與生產設備安全隔離；廢氣入口設有事故排放三通閥，當裝置停機或需檢修時，該三通閥自動切換，廢氣通過排放煙囪直排，不會影響前端生產系統的正常生產。

廢氣經過過濾器過濾，去除廢氣中的顆粒物質、大分子物質，以保證這些雜質不被活性碳纖維吸附，避免占用活性碳纖維的孔隙而影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命。

由于高溫不利于吸附，廢氣溫度大于40℃時，需要通過換熱器將溫度降至40℃以下方能進入后端吸附裝置。預處理還包括通過吸收法回收或除去堿性、酸性或水溶性的介質，起到除去有害物質、延長吸附裝置使用壽命和提高回收有機物純度的作用。高效過濾器和廢氣換熱器見圖2。

2.2 吸附系統

廢氣進入吸附器，在范德華力的作用下，有機物被吸附到活性碳纖維的微孔中，活性碳纖維吸附飽和后進行再生。廢氣經碳纖維吸附器后進行潔凈排氣。吸附器由自動控制系統控制，自動切換交替進行吸附、再生（脫附、負壓抽干、降溫干燥）過程，從而在任何時刻都至少有1臺吸附器做一級吸附，1臺吸附器做脫附干燥再生，保證了吸附系統的連續運行和連續處理能力。吸附箱體見圖3。

圖2 高效過濾器和廢氣換熱器

圖3 ACF吸附箱體

2.3 蒸氣脫附系統

通過自力式減壓閥減壓后輸出壓力穩定的蒸氣，將吸附在活性碳纖維床層上的有機物脫附下來，同時依靠蒸氣的吹掃，將含有水蒸汽和有機蒸氣的混合蒸氣吹出，送入回收系統。獨特的自力式蒸氣調壓閥使得脫附用蒸氣輸出壓力十分穩定且故障率極低。蒸氣脫附過程的吸附器溫度應在100℃～105℃，溫度太高說明裝置運行不正常，超過高溫設定值報警停車，應及時檢查處理裝置問題；溫度太低說明蒸氣不足或流量太低，無法對吸附器進行有效脫附，需檢查相應公用工程供給問題。

2.4 負壓抽干系統

關閉冷凝器出氣管道和出液管道上的閥門，啟動漩渦氣泵，將吸附器中的蒸氣或有機物吸入冷凝器冷凝，氣體再通過氣液分離器排氣管道進入前段工藝重新處理。抽負壓程序將附著在碳纖維表面的水分也被抽出，大大降低了碳纖維的含水量，使后續的干燥降溫操作更加容易，縮短干燥時間。負壓抽干過程中，吸附器排放閥門關閉，抽干風機抽吸附器密閉空間的氣體，使吸附器內的壓力降低，蒸氣和有機物的飽和蒸氣壓降低，有利于水和有機物從碳纖維表面脫附。抽負壓程序吸附器循環切換時間縮短，可使同樣大小的吸附裝置能夠處理更多的有機成分，提高了裝置的處理能力。負壓抽干汽液分離器見圖4。

圖4 負壓抽干汽液分離器

2.5 干燥降溫系統

當負壓操作完成后，活性碳纖維層上的溫度很高，濕度也較大，不利于將要進行的吸附操作，所以要用足夠的新鮮冷空氣對碳纖維層進行吹掃，達到對活性碳纖維吸附劑降溫和干燥的目的。

新鮮空氣進入裝置前首先經過干燥過濾器，將其中的雜質和顆粒物截留，干凈空氣參與吸附器的干燥降溫工作。當過濾器上積累的灰塵和雜質較多時，干燥風機前的阻力增大、干燥風量減小，同時空氣過濾效率降低，不利于吸附器的干燥和降溫，此時應及時拆下過濾網進行清理。干燥過濾器的外形見圖5。

圖5 干燥過濾器外形圖

2.6 計量回收系統

計量回收系統由冷凝器、分離裝置和冷卻器等組成。經脫附的含有水蒸汽和有機蒸氣的混合氣體經過冷凝后變成混合液體，流入特別設計的分離裝置，吸附器底部流出的冷凝液經冷卻器后也流入分離裝置，使不溶于水的有機物和水分離；分離出來的有機物通過自流進入計量槽后回收利用。分層后的廢水排入污水管道。

冷凝器循環水的進水溫度應在32℃以下，并保證足夠的壓力（到吸附界區≥0.25MPa），使出水溫度≤37℃，循環水和冷凍水入口設置調節閥與冷凝器出口溫度聯動控制，自動調整供水量。

回收量計量系統的使用，提高了管理效率，并為裝置的操作參數優化提供了依據。計量回收系統設備及管道見圖6。

圖6 計量回收系統設備及管道圖

3 ACF工藝特點

3.1 負壓抽干技術

采用負壓抽干技術，在停止蒸氣后，對吸附系統抽真空，破壞已建立的吸附平衡，使吸附在碳纖維孔道中大分子、高沸點的有機物向氣相擴散，將附著在碳纖維表面的水分抽出，縮短干燥過程所需要的時間，減少裝置使用蒸氣量，提高裝置處理能力，為裝置吸附廢氣達標創造了良好的條件。同時，將脫附完成后設備中的氣體抽出送入冷凝器冷凝，能有效避免這部分氣體直接排放可能對環境造成的影響，此外，也具有一定的輔助脫附作用。

3.2 大風量干燥技術

負壓抽干結束后，新鮮空氣經濾器過濾掉空氣中的灰塵后，通過風機引入吸附芯，將碳纖維和吸附器空間內的氣體吹出，降低吸附器內部的溫度及濕度，干燥風機采用大風量型號風機，縮短碳纖維干燥的時間，使活性碳纖維徹底干燥，水分殘留極少，保證吸附能力發揮到極致。

3.3 采用中孔徑率高、比表面積大的活性碳纖維

研究表明當被吸附的有機物分子直徑大于碳纖維微孔直徑時，有機物分子堵塞在碳纖維孔道中，難以脫附，容易造成碳纖維中毒。中孔徑率高的碳纖維很好地解決了這個問題，大分子、高沸點物質能很好地從碳纖維孔道中脫出，并延長了碳纖維使用壽命。

3.4 安全可靠

1）采用防爆風機、防爆泵；控制柜和氣柜均采用正壓防爆技術，外部信號通過安全柵連接，系統接地，確保裝置安全性；2）設計吸附器超溫報警，當吸附器內部溫度超過設定溫度時，裝置自動報警停機，超溫的吸附器進入脫附再生模式，將吸附器內部降溫，同時解析出內部殘存的有機物，將系統危險性降到最低；3）裝置設置有信號報警聯鎖系統，當裝置內任何自動控制閥門、儀表、電機出現故障，系統即報警并聯鎖進入停機程序，進氣切斷、事故排空閥打開，待檢修處理完畢后再行開機，保障事故狀態下裝置的安全。

3.5 精細化的設備設計

吸附芯龍骨采用直徑Φ8型號，材質316L不銹鋼，并采用鋼針固定，使纏繞在龍骨上的碳纖維結實牢固，避免碳纖維松散致氣流短路、吸附效果下降等情況發生。

4 ACF工藝存在的問題

1） 干燥階段初期存在廢氣排放不達標的情況。由于脫附末端轉為干燥的瞬間吸附箱體內留存著之前脫附的氣體，轉為干燥時這部分氣體直接隨著干燥氣體排出，造成部分有機物直接排放至環境；2）由于采用蒸氣脫附介質，風機和管道中容易積聚冷凝水，因此設備設計和管道設計變的十分關鍵；3）整個工藝過程控制較為復雜，對控制要求較高，ACF吸附箱體結構較為復雜，加工要求也較高。

5 結論

ACF吸附回收裝置能有效吸附有機廢氣中的有機物實現達標排放，并通過蒸氣脫附、負壓抽干、干燥降溫及計量回收實現有機物回收。對干燥階段初期達標問題，目前已有環保公司對原有工藝進行了調整，如干燥風循環處理，也是一種解決辦法。隨著科技和加工制造技術的發展，管道設計和控制也不再是制約此項技術發展的因素。對于有機廢氣處理，ACF吸附回收是理想的工藝路線。

[1] 陸震維.有機廢氣凈化技術[M].北京：化工工業出版社，2011.

[2] 環境保護部，國家質量監督檢疫總局.石油煉制工業污染物排放標準[S].2015.

[3] 上海市環境保護局，上海市質量技術監督局.大氣污染物綜合排放標準（上海市）[S]. 2015.

[4] 白燁，毛鶴群.淺談有機廢氣的危害及治理方法[J].資源節約與環保，2015（6）.

[5] 趙琳，張英鋒，李榮煥，馬子川.VOC的危害及回收與處理技術[J].化學與社會，2015（1）.