噴淋-吸附聯(lián)合處理在化工行業(yè)VOCs廢氣治理與控制中的應(yīng)用實(shí)踐

余敏 王駿 蔣莎莎

摘????? 要：探究噴淋-吸附技術(shù)在化工行業(yè)VOCs廢氣治理中的應(yīng)用。首先闡述了該技術(shù)的工作原理，再深入討論其在實(shí)際操作中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要點(diǎn)。揭示了通過(guò)結(jié)合噴淋與吸附，高效地去除VOCs，為化工行業(yè)提供了一種創(chuàng)新而實(shí)用的廢氣治理方案。

關(guān)? 鍵? 詞：噴淋-吸附聯(lián)合處理；VOCs廢氣治理；化工行業(yè)

中圖分類號(hào)：TQ028???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0967-03

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，化工行業(yè)不斷擴(kuò)張，其產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）排放問(wèn)題日益受到關(guān)注。VOCs不僅是空氣污染的主要原因，還可能導(dǎo)致人體健康問(wèn)題和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。為此，科研和工業(yè)界紛紛探索高效、經(jīng)濟(jì)的VOCs廢氣治理技術(shù)。噴淋-吸附技術(shù)作為其中的一個(gè)新興策略，因其結(jié)合了物理和化學(xué)處理的雙重優(yōu)勢(shì)，逐漸受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。這種技術(shù)不僅可以高效去除廢氣中的VOCs，還能實(shí)現(xiàn)資源的回收和再利用。在這一背景下，對(duì)噴淋-吸附技術(shù)的深入理解與應(yīng)用實(shí)踐成了環(huán)境工程和化工領(lǐng)域的重要研究課題。

1? 噴淋與吸附的基本原理

化工及其他相關(guān)行業(yè)中的廢氣治理經(jīng)常涉及兩種主要技術(shù)：噴淋和吸附。這兩種技術(shù)各自具有獨(dú)特的機(jī)理，但在實(shí)際應(yīng)用中，它們的結(jié)合提供了一個(gè)高效的策略，用于去除和控制廢氣中的污染物，特別是揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）。

1.1? 噴淋的基本原理

噴淋技術(shù)是一種基于液-氣相間物質(zhì)傳遞的廢氣治理方法。其核心設(shè)備是噴淋塔，其目的是確保廢氣與吸附液（常為水或特定的化學(xué)溶液）產(chǎn)生高效的質(zhì)量交換，從而實(shí)現(xiàn)VOCs從氣相到液相的轉(zhuǎn)移[1]。在這一過(guò)程中，物質(zhì)傳遞系數(shù)、Henry常數(shù)和廢氣的分子擴(kuò)散系數(shù)都是關(guān)鍵的參數(shù)。噴嘴的設(shè)計(jì)和配置在此過(guò)程中起到了決定性的作用。特別是噴嘴的霧化效果和水滴粒徑分布直接影響著液-氣接觸的表面積和傳遞效率。優(yōu)質(zhì)的噴嘴設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生細(xì)小的水滴，其平均粒徑一般在50～150 μm，從而確保與廢氣的充分混合和接觸。這樣不僅可以提高VOCs的吸附效率，還能節(jié)省吸附液的使用量，進(jìn)一步提高廢氣治理的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2? 吸附的基本原理

吸附是一種物理或化學(xué)過(guò)程，其中固體表面（稱為吸附劑）吸附氣態(tài)或液態(tài)分子（吸附質(zhì)）。在VOCs廢氣治理中，廢氣通過(guò)充滿特定吸附材料的吸附塔，使得VOCs等污染物在吸附材料的表面或微孔內(nèi)得到固定。這一過(guò)程的效率高低與吸附材料的選擇、比表面積、孔徑分布和孔容密切相關(guān)。例如，活性炭通常具有800～1 200 m2·g-1的比表面積，而沸石和硅膠的比表面積分別為約400～800 m2·g-1和500～900 m2·g-1。這些吸附材料的多孔結(jié)構(gòu)為其提供了大量的微孔和介孔，從而確保了高效的VOCs去除。此外，吸附材料的孔徑分布、化學(xué)穩(wěn)定性和吸附熱也是影響其性能的重要指標(biāo)。因此，在選擇吸附材料時(shí)，需要綜合考慮這些因素，以確保達(dá)到最佳的廢氣治理效果。

1.3? 兩者結(jié)合使用在VOCs處理上的優(yōu)勢(shì)

在化工行業(yè)廢氣治理領(lǐng)域，噴淋與吸附的聯(lián)合使用為VOCs的處理帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)。這兩種方法的協(xié)同作用能夠在多個(gè)層面上提高污染物的去除效率，從而為工業(yè)廢氣治理提供了一個(gè)高效和經(jīng)濟(jì)的策略。當(dāng)噴淋技術(shù)首先被應(yīng)用于廢氣處理時(shí)，其主要依賴于液-氣物質(zhì)傳遞的原理。液體噴淋系統(tǒng)中的化學(xué)溶液或水能夠有效地溶解和吸收大部分的VOCs。這一階段的處理主要基于廢氣與吸附液之間的分子間作用力、解離和溶解度等化學(xué)和物理性質(zhì)。通過(guò)選擇特定的溶液，可以增強(qiáng)對(duì)某些特定VOCs的去除率。而隨后的吸附階段則進(jìn)一步強(qiáng)化了去除效果。在這一階段，殘留的VOCs分子通過(guò)固-氣界面的相互作用，被吸附到活性炭、沸石或其他吸附劑的表面或孔隙中。這一過(guò)程受到吸附材料的特性、孔徑大小、比表面積等因素的影響，從而確保了對(duì)VOCs的高效去除。

2? 設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1? 設(shè)備設(shè)計(jì)

噴淋-吸附系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)化工行業(yè)VOCs設(shè)計(jì)的一種廢氣治理裝置。這種聯(lián)合系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是將兩種廢氣處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高的VOCs去除效率。

2.1.1? 設(shè)備主要構(gòu)成

噴淋塔： 作為前端處理單元，使用特定的化學(xué)溶液或水噴淋，旨在吸收和溶解大部分VOCs。噴淋塔的設(shè)計(jì)要確保流體動(dòng)力學(xué)的合理性，其流速通常在1～2 m·s-1。此塔包括進(jìn)氣段、噴嘴、填料區(qū)（具有約200～500 m2·m-?的比表面積）和出氣段[3]。

吸附塔：后端處理單元，利用如活性炭或沸石這類具有800～1 200 m2·g-1比表面積的吸附材料，進(jìn)一步去除經(jīng)噴淋后的殘余VOCs。它由進(jìn)氣段、填充材料區(qū)和出氣段組成。

循環(huán)系統(tǒng)：為確保噴淋液的連續(xù)循環(huán)使用，系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)存儲(chǔ)與循環(huán)單元，能降低資源消耗約10%～15%。

監(jiān)測(cè)與控制單元： 通過(guò)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如VOCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)（（0～1 000）×10-6）、溫度（通常25～45 ℃）、壓力（約0.1～0.5 MPa）等，并對(duì)設(shè)備參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整[2]。

2.1.2? 工作流程

預(yù)處理階段：首先，化工廢氣經(jīng)過(guò)冷卻裝置將溫度降至約25～30 ℃以減少VOCs的揮發(fā)性。接下來(lái)，使用除塵系統(tǒng)，通常為電除塵或布袋除塵，去除顆粒物并確保顆粒濃度低于50 mg·m-3，隨后廢氣進(jìn)入噴淋塔。

噴淋階段： 在噴淋塔內(nèi)，通過(guò)專業(yè)設(shè)計(jì)的噴嘴，廢氣與噴淋液（其pH通常控制在6.5～8.5）充分接觸，使得VOCs的去除效率可達(dá)70%～85%。通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化，使液氣比保持在1.0～1.5 L·m-3。經(jīng)處理的噴淋液收集在塔底，并通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行再次利用，達(dá)到循環(huán)使用率的90%以上。

吸附階段： 經(jīng)噴淋處理后的廢氣進(jìn)入吸附塔。這里采用具有800～1 200 m2·g-1比表面積的活性炭或沸石進(jìn)行吸附。在典型的運(yùn)行條件下，當(dāng)吸附材料的飽和度達(dá)到80%～90%時(shí)，需要進(jìn)行更換或熱再生。

出氣處理：經(jīng)過(guò)噴淋-吸附雙重處理后的廢氣，其VOCs濃度已降低至（10～50）×10-6范圍，滿足大部分地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)，并從出氣段安全排放。

監(jiān)測(cè)與調(diào)整：配備先進(jìn)的監(jiān)測(cè)與控制單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VOCs濃度、溫度、壓力（通常控制在0.1～0.5 MPa）等關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整噴淋量、循環(huán)速率和吸附塔的流速，確保持續(xù)地高效處理。

2.2? 運(yùn)行參數(shù)

噴淋-吸附系統(tǒng)的處理效率在很大程度上依賴于其運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整[3]。其中，噴淋速度，也稱為液氣比（L/G），是指單位時(shí)間內(nèi)噴淋液的量與單位時(shí)間內(nèi)處理的廢氣體積的比值，它的適當(dāng)選擇可以確保充分的液氣接觸并最大化VOCs的溶解和去除；噴淋液的pH也會(huì)影響VOCs的溶解效率；吸附材料，如活性炭、沸石等的選擇則取決于需要處理的VOCs種類和濃度；吸附時(shí)間，即廢氣在吸附塔內(nèi)的停留時(shí)間，與塔的高度和廢氣的流速有關(guān)，而且長(zhǎng)時(shí)間有助于提高VOCs的去除效率；塔的填充材料，如耐酸堿的材料，會(huì)影響液氣接觸效率。廢氣的溫度和壓力也會(huì)對(duì)VOCs的吸收和吸附效率產(chǎn)生影響[5]。具體參數(shù)如表1所示。

合理的參數(shù)選擇和調(diào)整是實(shí)現(xiàn)噴淋-吸附系統(tǒng)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.3? 實(shí)際應(yīng)用案例

案例：某石油化工企業(yè)的苯系物處理。

石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生含有苯、甲苯和二甲苯的廢氣，這些VOCs對(duì)環(huán)境和人體健康有害[6-10]。在該企業(yè)的實(shí)際情況中，苯系物的廢氣處理一直是一個(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。在采用傳統(tǒng)的單一噴淋或吸附方法進(jìn)行處理前，其VOCs的去除率往往在70%～80%，且運(yùn)行成本較高。引入噴淋-吸附聯(lián)合技術(shù)后，企業(yè)對(duì)其廢氣處理流程進(jìn)行了全面的優(yōu)化。首先，針對(duì)苯系物的物化性質(zhì)，選擇了適合的噴淋液，調(diào)整了L/G比，確保了充分的液氣接觸和VOCs的溶解。接著，采用了特定的吸附材料，如活性炭或特種沸石，這些材料對(duì)苯系物有很高的選擇性吸附能力。通過(guò)這種兩步處理策略，VOCs的去除率達(dá)到了95%以上。對(duì)比引入噴淋-吸附聯(lián)合技術(shù)前后的處理效果，明顯可以看到該技術(shù)帶來(lái)的顯著提升，如表2所示。

從表2中可以看出，噴淋-吸附聯(lián)合技術(shù)不僅顯著提高了VOCs的去除率，還具有較低的運(yùn)行成本和維護(hù)頻率，且適應(yīng)性更強(qiáng)。這在很大程度上幫助石油化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)有效的廢氣處理。

3? 結(jié)論

化工行業(yè)的VOCs廢氣治理與控制對(duì)于環(huán)境保護(hù)和工業(yè)持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)深入研究和對(duì)比分析，噴淋-吸附聯(lián)合技術(shù)展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)方法的多方面優(yōu)勢(shì)。首先，其VOCs的去除率達(dá)到了令人滿意的>95%，確保了廢氣的高效凈化。其次，相對(duì)于其他技術(shù)，如冷凍凝結(jié)，其具有較低的運(yùn)行成本和設(shè)備復(fù)雜度。此外，噴淋-吸附技術(shù)的高適應(yīng)性使其能夠處理多種VOCs，滿足化工企業(yè)的多樣化需求。由此可見(jiàn)，對(duì)于追求經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益雙贏的化工企業(yè)，噴淋-吸附聯(lián)合技術(shù)無(wú)疑是一個(gè)值得考慮的優(yōu)選方案。

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Application Practices of Spray-Adsorption Combined Treatment Process

in Treatment and Control of VOCs Waste Gas From Chemical Industry

YU Min 1， WANG Jun 2， JIANG Shasha 3

（1. Zhejiang Xiushui Environmental Protection Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000， China;

2. Zhejiang Jiaoke Environmental Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000， China;

3. Wenling Environmental Comprehensive Improvement Center， Taizhou Zhejiang 317500， China）

Abstract： The application of spray-adsorption technology in VOCs waste gas treatment in the chemical industry was explored. Firstly， the working principle of the technique was introduced， as well as the design and application in practice. How to efficiently remove VOCs by combining spraying spray and adsorption were revealed， in order to provide an innovative and practical waste gas treatment scheme for the chemical industry.

Key words： Spray-adsorption joint treatment; VOCs waste gas treatment; Chemical industry