活性炭脫附再生應用-高溫氮氣脫附及冷凝回收裝置

張正怡

（廣東泓耀環保工程有限公司，廣東 廣州510660）

經過多年的快速發展，我國已經成為全球的工業大國。速增高長的經濟，給國家和人民帶來物質上的富足，也給社會帶來了繁榮。但在高速發展的同時，也產生了資源匱乏、能源短缺和環境污染等一系列問題。基于此，國家提出推進生態文明建設，加強環境污染監控與防治，解決我國水環境、大氣環境等生態環境污染問題。

1 工業污染物處理

目前，我國工業生產向大氣環境排放的污染物化學成分相對較為復雜，如VOCs、二氧化硫、氮氧化物、工業粉塵、惡臭氣體等。針對工業廢氣中的VOCs污染物排放處理常采用活性炭吸附凈化和燃燒焚毀兩種方式。當前處理工業廢氣最成熟、最常見的方法為吸附法，常用的吸附劑為活性炭。

2 活性炭吸附分析

活性炭吸附的原理：活性炭吸附是一種物理吸附，也稱為范德華吸附。活性炭的物理吸附特性，使得活性炭吸附量達到飽和狀態后，可以進行脫附再生，重新使用。

3 活性炭再生方法

目前對活性炭的再利用、再生方法很多，包括生物再生法、電化學與化學溶液再生法、熱再生法、降壓或真空再生法等等。

生物再生法是利用培養的微生物（如細菌）分解飽和活性炭表面有機物，恢復其吸附性能的方法。它是利用活性炭表面作為微生物聚集生長的環境，微生物進入活性炭微小細孔，對其表面的有機物進行生物降解。

電化學與化學溶液再生法是一種新型活性炭再生技術[1]。它是將飽和的活性炭材料放置到電解溶液中，在電解溶液中插入電極，進行脫附再生的方法。電化學再生法中的電解槽常采用硫酸、醋酸鈉等電解質。電解槽兩端插電極，一端為陽極，一端為陰極，兩級通直流電流。當活性炭吸附物質帶負電的陰離子性時，活性炭連接陰極，反之活性炭連接陽極。活性炭在電解質中，大部分吸附物被分解，還有一部分獲得電能進行電泳動而被脫除，脫附再生處理后的活性炭經過水洗，可供再吸附使用[2]。

熱再生法是目前應用廣泛且技術成熟的活性炭材料再生方法。它是對飽和的活性炭進行外部加熱，隨著溫度升高，吸附分子產生振動能，改變分子物理吸附平衡，吸附分子脫離活性炭表面，從而實現活性炭脫附。由于吸附物質種類眾多，物理性能存在差異，在升溫過程中，吸附物質解吸程度也有所差異，所以熱再生法對不同解吸物質加熱溫度要求有所不同。

降壓或真空再生法一般可以與熱再生法聯合使用。由于在壓力環境下，吸附劑吸附的分子含量隨壓力的增加而增加，因此再生過程就是通過逆向放壓、沖洗等步驟，使吸附劑完成再生的過程。活性炭再生脫附具體可分為降壓解吸與抽真空解吸兩種。即若活性炭吸附過程是在較高壓力環境下進行的，解吸需要降低壓力使得吸附物質脫離活性炭。若活性炭吸附過程是在常壓環境下進行的，可以通過抽真空的手段，使得吸附物解吸[3]。

4 活性炭再生裝置

本設備是利用熱再生法對活性炭吸附劑進行再生的方法，通過對飽和的活性炭進行高溫氮氣脫附，恢復其吸附性能，既可實現資源再利用，又解決固廢運輸、處置等問題。同時，本設備還可以實現對吸附物進行回收再利用的效果，可謂一舉多得。

4.1 高溫氮氣再生及冷凝回收裝置原理

本設備主要應用于工業VOCs廢氣治理領域，該治理領域中各行業大都使用顆粒活性炭作為吸附劑的環保設施，以實現節能減排的環保目標。如果對使用后飽和的顆粒活性炭直接按危廢物進行處置勢必是一種浪費。這既不符合我國當今對生態文明建設，加強環境污染防治的要求，也不符合企業的經濟訴求。而且企業排放的廢氣即VOCs當中還有一部分具有較高的回收價值，對這部分VOCs的回收，同樣符合企業利益。

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本設備是利用高溫氮氣，對顆粒活性炭進行脫附再生，同時對VOCs進行冷凝回收的裝置。本設備選用氮氣（N2），是因為它屬于惰性氣體，化學性質很不活潑。氮氣是具有無色無味、不可燃、難液化等特性的氣體，是一種理想氣體。本設備是將氮氣在加熱器里升溫后，輸送到活性炭脫附罐，高溫氮氣使得活性炭表面的吸附分子產生振動能，當達到相應溫度時，活性炭表面吸附的有機物變成VOCs氣體，形成氮氣和VOCs氣體互相混合的混合氣體。混合氣流逐漸進入冷凝器，在冷凝器中混合氣體溫度下降，當下降到一定溫度時，VOCs氣體變成液態的有機溶劑，有機溶劑通過管道被收集到溶劑槽設備中。同時，混合氣體實現凈化，變為純氮氣，這時的低溫氮氣被再次送入加熱器，氮氣在加熱器中再次升溫后，被輸送到活性炭脫附罐，這就形成了一個閉環的循環。通過氮氣的升溫與降溫，實現活性炭吸附劑的再生與脫附。

4.2 高溫氮氣再生及冷凝回收裝置組成

該設備是由氮氣管路、加熱器、活性炭脫附罐、換熱器、冷凝器、循環風機、冷水機、溶劑槽、凈化罐多個部分組成的一個循環系統。流程圖如圖1所示。

設備結構組成，氮氣管路設有電磁閥、溫度控制儀、壓力探測儀、排空管，氮氣管路與加熱器相連接。加熱器設有電加熱裝置，加熱器與活性炭脫附罐相連接。活性炭脫附罐設有活性炭填裝層，活性炭脫附罐與換熱器相連接。換熱器設有氣-氣換熱管，換熱器與冷凝器相連接。冷凝器設有氣-水換熱管、溶劑收集斗，冷凝器與循環風機相連接。冷凝器還與溶劑槽和冷水機相連接。循環風機與換熱器和凈化罐相連接。換熱器與加熱器相連接。

4.2.1 氮氣脫附系統

將吸附飽和后的顆粒活性炭填裝至活性炭脫附罐中，啟動系統轉入自動氮氣脫附流程。開啟閥門將氮氣輸送進電加熱裝置，此時加熱溫度由溫度控制儀控制，使氮氣被加熱至脫附VOCs沸點的溫度，氮氣進入活性炭脫附罐，進行VOCs氣化脫附。氮氣脫附系統利用惰性氣體氮氣，作為脫附介質回收有機物，可減少VOCs的排放，同時可以提高活性炭的使用壽命，更具有市場競爭力。

4.2.2 冷凝系統

脫附后的高濃度VOCs氣體與氮氣進入冷凝降溫階段，初次降溫在氣-氣換熱管發生，二次降溫在氣-水換熱管發生。經冷凝過后，高濃度VOCs由氣態轉變為液態，實現氣液分離，回收的溶劑暫存在溶劑緩存罐中，待達到一定液位，即轉入溶劑精制系統。冷凝就是利用VOCs在不同溫度下具有的不同性質，采用降低溫度的方式，使其從氣態轉變為液態從而從氣體中分離出來[4]。冷凝過程中，被冷凝物質僅發生物理變化而化學性質不變，故可直接回收利用。冷凝法在理論上可以達到很高的凈化程度，但凈化程度越高操作費用越高。

4.3 高溫氮氣再生及冷凝回收裝置運行

圖1 流程圖

電磁閥101開啟，循環風機6開啟，氮氣經氮氣管路1進入加熱器2；電加熱裝置201開啟，氮氣在加熱器2中進行加熱升溫；溫度控制儀102監測到氮氣溫度達到設定溫度時，加熱器2中的電加熱裝置201關閉；升溫后的高溫氮氣由加熱器2進入活性炭脫附罐3；通過高溫氮氣的熱力效應，飽和活性炭301中吸附的VOCs被徹底解析釋放形成高濃度VOCs氣體和氮氣混合的高溫氣流；脫附后的高溫高濃度VOCs氣體進入換熱器4，通過氣-氣換熱管401進行氣體換熱，釋放出一部分熱量，使得氣流得到初步降溫；經換熱器4初步降溫的VOCs氣體氣流進入冷凝器5；冷水機7制冷啟動，將水冷卻至一定溫度，然后通過冷水出水管701進入冷凝器5中的氣-水換熱管501；高溫氣流在冷凝器5中同低溫的冷卻水在氣-水換熱管501間接接觸，通過熱交換作用，高溫氣流中的有機物成分被冷凝凝結成有機溶劑液體；冷卻水從冷凝器5排出后通過冷水回水管702回流至冷水機7進行重新制冷；冷凝器5中冷凝成有機溶劑的液體向下流至溶劑收集斗502；溶劑收集斗502中的有機溶劑液體通過溶劑收集管801排放至溶劑槽8進行收集存儲；冷凝器5排出的氮氣氣流通過循環風機6的抽排作用進入換熱器4，通過氣-氣換熱管401對從活性炭脫附罐3排出的高溫氣流進行熱交換，達到對高溫氣流的初步降溫作用；從換熱器4的氣-氣換熱管401排出的氮氣氣流回流至加熱器2重新進行加熱升溫；當壓力探測儀103監測到氮氣管路1氣體壓力達到一定上限時，電磁閥104開啟，管路中部分夾帶殘余VOCs的帶壓氣流進入凈化罐9；凈化罐9中的吸附活性炭901對氣流中的殘余VOCs進行吸附截留后形成潔凈氣體，潔凈氣體通過排放管105排入大氣中；當壓力探測儀103監測到氮氣管路1氣體壓力達到一定下限時，電磁閥104關閉，從而穩定氮氣管路1的氣流壓力。

本設備對飽和活性炭的脫附及有機溶劑回收的步驟：（1）充分利用氮氣這種惰性氣體作為脫附介質，根據不同有機物的不同沸點，對氮氣進行相應沸點溫度升溫；（2）利用高溫氮氣對飽和活性炭進行徹底脫附，活性炭表面有機物在高溫氮氣環境下氣化，從而實現脫附；（3）通過降低溫度，氣流中的高濃度VOCs氣體冷凝成液態有機溶劑，實現VOCs氣體液化；（4）通過氮氣流動，實現熱能交換，同時達到閉合循環。

4.4 高溫氮氣再生及冷凝回收裝置初步測試情況

本設備在投入測試后VOCs氣體排放遠低于國家排放標準，并且能夠穩定運行。經過測試運行總結，活性炭再生周期約為4小時，每個吸附罐每次脫附可冷凝回收約0.5m3的有機溶劑。活性炭吸附劑脫附、回收效果明顯，適合進一步推廣運用。

4.5 高溫氮氣再生及冷凝回收裝置效益

本設備目前可以預見的效益及效果：（1）充分利用氮氣這種廉價易得、無環境危害、無氧化和無腐蝕性的惰性氣體作為脫附介質；（2）利用高溫氮氣對飽和活性炭進行徹底脫附，在將活性炭中吸附的有機物脫附出來的同時達到對活性炭的再生，從而使得活性炭可重復投入使用；（3）通過冷凝作用，將氮氣氣流中的高濃度有機物冷凝成液態有機溶劑，達到有機溶劑回收再利用的同時，亦減少了VOCs氣體因為排放而對環境產生的危害；（4）通過換熱器作用，有效地將氣流中的熱能進行回收，可有效降低電力耗能。

5 結束語

高溫氮氣再生及冷凝回收裝置就是利用熱再生法對活性炭進行脫附凈化。本設備利用高溫惰性氣體氮氣作為脫附介質，并利用冷凝技術回收有機溶劑，不僅實現了有機廢氣回收及零污染排放，而且提高了活性炭和設備的使用壽命，節約投資成本，提高了企業的市場競爭力。