活性炭吸附脫附工藝在涂料行業的應用

許 穎

(上海建科環境技術有限公司，上海 200032)

隨著我國經濟迅速發展，環境污染問題日益嚴重，VOCs作為主要大氣污染物，也是PM2.5和臭氧的前體物，已被納入重點治理對象之一。活性炭吸附濃縮-冷凝回收工藝作為一項主要的VOCs治理工藝，目前已廣泛應用于醫藥、化工等行業，主要用于溶劑回收[1]和污染治理。該工藝不產生明火，適用于低風量、高濃度廢氣的溶劑回收，以及化工防爆場所，具有運行穩定，安全性高，吸附與脫附再生可實現循環操作[2]，吸附劑使用周期長，凈化效果好、維護簡便的優點。

1 廢氣來源

改企業主要從事聚氨酯、塑料、橡膠等合成材料以及金屬表面涂飾產品的生產制造該，廢氣來源于甲類生產車間，主要污染物色粉、固體樹脂、醋酸丁酸纖維素投料產生粉塵廢氣，溶劑投料、攪拌產生有機廢氣以及清洗產生的有機廢氣。主要成分為乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁酮、乙苯、二甲苯、苯系物等，產生濃度約168 mg/m3。濃度偏高且處于甲類防爆區域內，是該廢氣處理的難點。廢氣成分及排放標準如表1所示。

表1 廢氣成分及排放標準Table 1 Waste gas composition and emission standard

2 工藝選擇

現階段VOCs 治理技術按VOCs 成分的歸宿可分為破壞性技術與回收性技術2 類[3]。破壞性技術主要有燃燒技術(直接燃燒、蓄熱燃燒與催化燃燒)、生物技術(生物濾池、生物滴濾與生物洗滌)、低溫等離子技術與光催化氧化技術[4-5]；回收性技術主要有吸收技術、吸附技術、冷凝技術與膜技術[6]。由于本項目廢氣風量中等，污染物排放量大，且處于甲類防爆區不允許有產生明火的裝置，結合處理效率、投資成本等綜合考慮，選用活性炭+蒸汽脫附+冷凝回收的組合工藝進行治理，工藝流程如圖1所示。

圖1 活性炭吸附蒸汽脫附冷凝回收工藝流程圖Fig.1 Activated carbon adsorption steam desorption condensation recovery process flow chart

3 工藝說明及設計要點

3.1 工藝說明

含塵量大的廢氣采用脈沖式袋式除塵器進行處理，去除廢氣中的粉塵顆粒，將顆粒物濃度降低到15 mg/m3以下。經過除塵的投料廢氣再與其他工藝段收集的VOCs廢氣進行混合，經過三級過濾進行進一步的凈化，以確保進入吸附區域的廢氣中顆粒物小于1 mg/m3，目的是保證活性炭不被堵塞和污染，造成吸附效果差。

由于本項目廢氣濃度較低，且廢氣排放間斷，本方案擬采用活性炭吸附-蒸汽脫附并冷凝回收的組合工藝進行治理。運行時，廢氣由活性炭箱體下部進入，其中的VOCs被顆粒活性炭吸附下來，凈化后的氣體從吸附箱上部排出。吸附在顆粒活性炭上的VOCs等有機物用水蒸氣進行解吸。水蒸氣由箱上部進入，穿過顆粒活性炭床層，將被吸附的組分解吸出來并帶入冷凝器，本項目采用兩級冷凝，一級冷凝冷源采用廠區循環冷卻水，二級冷源采用冷水機機組產生的0～5 ℃冷水。解吸氣體被冷凝下來流入分層槽；在分層槽內，有機物和水靠重力自動分離，上層得到的成份，予以回收，或者作為危廢處理。下層的化學污水排放到污水管道，進入廠區污水站進行處理。顆粒活性炭完成脫附并經新鮮空氣干燥后，可重新進行VOC吸附。

3.2 設計要點

采用柱狀顆粒活性炭，吸附容量大，吸附效果較好，并且相比于活性炭纖維具有更長的壽命，可重復再生次數多。

為保證較好的吸附效率并盡量降低設備壓力損失，遵循《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》(HJ2026-2013)中要求：顆粒活性炭的過濾風速于不宜高于0.6 m/s，本工程設計碳層過濾風速為0.5 m/s。為減少碳罐占地面積，采用立式徑向吸附罐。

廢氣總風量為19000 m3/h，廢氣平均濃度約為168 mg/m3，主要成分為乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁酮、乙苯、二甲苯、苯系物等，由于總風量不大，本工程采用兩個碳罐，一吸一脫。整套系統包含預處理系統、活性炭吸附系統、蒸汽脫附系統、制冷系統、冷凝系統、冷凝液分離處置系統等。

活性炭的裝填量是關鍵，與吸附脫附周期密切有關，并影響吸附效果。理論上來說裝填量越多，精華效率越好，但裝填量越多設備投資越大，且脫附所需蒸汽量越大，運行費用越高。本次活性炭裝填量為1.6噸，吸附容量約15%，污染物年產生總量為6.7噸，若去除效率為90%，則每年活性炭最少需要脫附次數為26次，平均每次脫附所需蒸汽量為960 kg。若一年脫附次數加倍，則可減少每次脫附消耗的蒸汽量。

表2 廢氣處理裝置參數Table 2 Parameters of waste gas treatment device

4 處理效果

該工程產生的粉塵污染物主要通過脈沖布袋除塵器去除較粗顆粒，再經過三級過濾器去除細微顆粒，粉塵總去除效率90%以上。影響粉塵去除效率的因素主要是進口濃度、濕度等，由于該生產工藝恒定，粉塵濃度在投料時達到峰值，檢測其峰值時的進出口濃度，若達標，則該設備運行效果達標。

VOCs主要通過活性炭吸附去除，其出口濃度是判斷吸附脫附切換周期的關鍵點，可檢測其脫附開始前設備的出口濃度，若達標，則該設備運行效果達標。經過調試運行，整套設備符合設計要求，達到了理想的運行效果，表3是選取關鍵時間節點的進出口濃度檢測數據。

表3 進出口濃度檢測結果匯總表Table 3 Summary of test results of import and export concentration

該設備出口檢測濃度值表明，該項目粉塵、非甲烷總烴污染物排放達到上海市《涂料、油墨及其類似產品制造工業大氣污染物排放標準》DB31/881-2015的要求。

5 運行費用分析

系統耗電量的計算(按照每年運行2000 h，電費按照1元/度，水費按照5元/t計算，活性炭吸附容量按照15%計算)，由于風機變頻，按照裝機功率的80%的計算。

本系統活性炭裝填量為1.6 t，按照吸附容量15%估算，每次脫附消耗蒸汽量為960 kg，則脫附時間每次約3 h，每年脫附消耗如下：

電費(脫附風機、電加熱器、冷水機組、蒸汽發生器)：(2.2×0.8+30+18+100×2)×3 h×1元/度×26=19481元；

水消耗：每年約30 t，水費為150元；

危險廢物：單次脫附產生危險廢物約0.24 t(估計)，年危廢處理費用為0.24 t×26×6000元/噸=37440元。

綜上所述，脫附系統每年運行費用57431元。

由表4可知，該套廢氣處理設備年運行費用約為13萬元。

表4 活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收系統耗電量計算Table 4 Power consumption calculation of activated carbon adsorption steam desorption condensation recovery system

6 結 論

該系統經過調試，現已正常運行，調試初期出現幾個問題，經過整改后該系統能更穩定運行。通過這套系統的調試運行，可從以下幾個方面給與以后的類似工程以參考：

(1)冷凝廢液的排放問題，由于脫附過程是間斷的，冷凝液的產生也是間斷，冷凝廢液需要通過收集池儲器，再采用泵輸送至污水管路，故冷凝器設置位置應設置在較高的地方，使廢液可以通過重力間斷的流入污水儲存器，經過多次脫附后收集池蓄滿分層則可通過水泵將分離出來的污水送入污水管網。

(2)吸附脫附周期的會跟隨廢氣濃度的實時變化而變化，由于該廢氣濃度根據生產工藝環節的不同而變化，濃度不穩定，因此采用固定的吸附脫附周期不能保證廢氣排放穩定達標，可在碳罐的吸附出口管道和脫附的出口管道分別設置濃度檢測儀，當吸附出口濃度逐漸升高達到排放限值的一半(25 mg/m3)時開始切換到脫附模式；當脫附出口濃度達到0 mg/m3，并且持續10分鐘為0 mg/m3，則可停止脫附，切換到干燥模式。