活性炭脫附再生應(yīng)用-高溫氮?dú)饷摳郊袄淠厥昭b置

張正怡

（廣東泓耀環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州510660）

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為全球的工業(yè)大國。速增高長的經(jīng)濟(jì)，給國家和人民帶來物質(zhì)上的富足，也給社會帶來了繁榮。但在高速發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了資源匱乏、能源短缺和環(huán)境污染等一系列問題?；诖?，國家提出推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，加強(qiáng)環(huán)境污染監(jiān)控與防治，解決我國水環(huán)境、大氣環(huán)境等生態(tài)環(huán)境污染問題。

1 工業(yè)污染物處理

目前，我國工業(yè)生產(chǎn)向大氣環(huán)境排放的污染物化學(xué)成分相對較為復(fù)雜，如VOCs、二氧化硫、氮氧化物、工業(yè)粉塵、惡臭氣體等。針對工業(yè)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(dāng)前處理工業(yè)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?；钚蕴康奈锢砦教匦?，使得活性炭吸附量達(dá)到飽和狀態(tài)后，可以進(jìn)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(xué)與化學(xué)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(yǎng)的微生物（如細(xì)菌）分解飽和活性炭表面有機(jī)物，恢復(fù)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(huán)境，微生物進(jìn)入活性炭微小細(xì)孔，對其表面的有機(jī)物進(jìn)行生物降解。

電化學(xué)與化學(xué)溶液再生法是一種新型活性炭再生技術(shù)[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(jìn)行脫附再生的方法。電化學(xué)再生法中的電解槽常采用硫酸、醋酸鈉等電解質(zhì)。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(dāng)活性炭吸附物質(zhì)帶負(fù)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(zhì)中，大部分吸附物被分解，還有一部分獲得電能進(jìn)行電泳動而被脫除，脫附再生處理后的活性炭經(jīng)過水洗，可供再吸附使用[2]。

熱再生法是目前應(yīng)用廣泛且技術(shù)成熟的活性炭材料再生方法。它是對飽和的活性炭進(jìn)行外部加熱，隨著溫度升高，吸附分子產(chǎn)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(xiàn)活性炭脫附。由于吸附物質(zhì)種類眾多，物理性能存在差異，在升溫過程中，吸附物質(zhì)解吸程度也有所差異，所以熱再生法對不同解吸物質(zhì)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(lián)合使用。由于在壓力環(huán)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?；钚蕴吭偕摳骄唧w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(huán)境下進(jìn)行的，解吸需要降低壓力使得吸附物質(zhì)脫離活性炭。若活性炭吸附過程是在常壓環(huán)境下進(jìn)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(shè)備是利用熱再生法對活性炭吸附劑進(jìn)行再生的方法，通過對飽和的活性炭進(jìn)行高溫氮?dú)饷摳?，恢?fù)其吸附性能，既可實現(xiàn)資源再利用，又解決固廢運(yùn)輸、處置等問題。同時，本設(shè)備還可以實現(xiàn)對吸附物進(jìn)行回收再利用的效果，可謂一舉多得。

4.1 高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置原理

本設(shè)備主要應(yīng)用于工業(yè)VOCs廢氣治理領(lǐng)域，該治理領(lǐng)域中各行業(yè)大都使用顆粒活性炭作為吸附劑的環(huán)保設(shè)施，以實現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo)。如果對使用后飽和的顆?；钚蕴恐苯影次U物進(jìn)行處置勢必是一種浪費(fèi)。這既不符合我國當(dāng)今對生態(tài)文明建設(shè)，加強(qiáng)環(huán)境污染防治的要求，也不符合企業(yè)的經(jīng)濟(jì)訴求。而且企業(yè)排放的廢氣即VOCs當(dāng)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(yè)利益。

針對教學(xué)內(nèi)容中每一章節(jié)的知識點(diǎn)對應(yīng)的趣味實例，如拼圖游戲、QQ虛擬服裝秀等真實的網(wǎng)站作品也放在課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，讓學(xué)生可以對照瀏覽和操作，如圖3所示.

本設(shè)備是利用高溫氮?dú)?，對顆粒活性炭進(jìn)行脫附再生，同時對VOCs進(jìn)行冷凝回收的裝置。本設(shè)備選用氮?dú)猓∟2），是因為它屬于惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)很不活潑。氮?dú)馐蔷哂袩o色無味、不可燃、難液化等特性的氣體，是一種理想氣體。本設(shè)備是將氮?dú)庠诩訜崞骼锷郎睾?，輸送到活性炭脫附罐，高溫氮?dú)馐沟没钚蕴勘砻娴奈椒肿赢a(chǎn)生振動能，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)溫度時，活性炭表面吸附的有機(jī)物變成VOCs氣體，形成氮?dú)夂蚔OCs氣體互相混合的混合氣體。混合氣流逐漸進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中混合氣體溫度下降，當(dāng)下降到一定溫度時，VOCs氣體變成液態(tài)的有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑通過管道被收集到溶劑槽設(shè)備中。同時，混合氣體實現(xiàn)凈化，變?yōu)榧兊獨(dú)?，這時的低溫氮?dú)獗辉俅嗡腿爰訜崞鳎獨(dú)庠诩訜崞髦性俅紊郎睾?，被輸送到活性炭脫附罐，這就形成了一個閉環(huán)的循環(huán)。通過氮?dú)獾纳郎嘏c降溫，實現(xiàn)活性炭吸附劑的再生與脫附。

4.2 高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置組成

該設(shè)備是由氮?dú)夤苈?、加熱器、活性炭脫附罐、換熱器、冷凝器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)、溶劑槽、凈化罐多個部分組成的一個循環(huán)系統(tǒng)。流程圖如圖1所示。

設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，氮?dú)夤苈吩O(shè)有電磁閥、溫度控制儀、壓力探測儀、排空管，氮?dú)夤苈放c加熱器相連接。加熱器設(shè)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(shè)有活性炭填裝層，活性炭脫附罐與換熱器相連接。換熱器設(shè)有氣-氣換熱管，換熱器與冷凝器相連接。冷凝器設(shè)有氣-水換熱管、溶劑收集斗，冷凝器與循環(huán)風(fēng)機(jī)相連接。冷凝器還與溶劑槽和冷水機(jī)相連接。循環(huán)風(fēng)機(jī)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?dú)饷摳较到y(tǒng)

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(tǒng)轉(zhuǎn)入自動氮?dú)饷摳搅鞒?。開啟閥門將氮?dú)廨斔瓦M(jìn)電加熱裝置，此時加熱溫度由溫度控制儀控制，使氮?dú)獗患訜嶂撩摳絍OCs沸點(diǎn)的溫度，氮?dú)膺M(jìn)入活性炭脫附罐，進(jìn)行VOCs氣化脫附。氮?dú)饷摳较到y(tǒng)利用惰性氣體氮?dú)?，作為脫附介質(zhì)回收有機(jī)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(tǒng)

脫附后的高濃度VOCs氣體與氮?dú)膺M(jìn)入冷凝降溫階段，初次降溫在氣-氣換熱管發(fā)生，二次降溫在氣-水換熱管發(fā)生。經(jīng)冷凝過后，高濃度VOCs由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，實現(xiàn)氣液分離，回收的溶劑暫存在溶劑緩存罐中，待達(dá)到一定液位，即轉(zhuǎn)入溶劑精制系統(tǒng)。冷凝就是利用VOCs在不同溫度下具有的不同性質(zhì)，采用降低溫度的方式，使其從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)從而從氣體中分離出來[4]。冷凝過程中，被冷凝物質(zhì)僅發(fā)生物理變化而化學(xué)性質(zhì)不變，故可直接回收利用。冷凝法在理論上可以達(dá)到很高的凈化程度，但凈化程度越高操作費(fèi)用越高。

4.3 高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置運(yùn)行

圖1 流程圖

電磁閥101開啟，循環(huán)風(fēng)機(jī)6開啟，氮?dú)饨?jīng)氮?dú)夤苈?進(jìn)入加熱器2；電加熱裝置201開啟，氮?dú)庠诩訜崞?中進(jìn)行加熱升溫；溫度控制儀102監(jiān)測到氮?dú)鉁囟冗_(dá)到設(shè)定溫度時，加熱器2中的電加熱裝置201關(guān)閉；升溫后的高溫氮?dú)庥杉訜崞?進(jìn)入活性炭脫附罐3；通過高溫氮?dú)獾臒崃π?yīng)，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?dú)饣旌系母邷貧饬?；脫附后的高溫高濃度VOCs氣體進(jìn)入換熱器4，通過氣-氣換熱管401進(jìn)行氣體換熱，釋放出一部分熱量，使得氣流得到初步降溫；經(jīng)換熱器4初步降溫的VOCs氣體氣流進(jìn)入冷凝器5；冷水機(jī)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(jìn)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(jī)物成分被冷凝凝結(jié)成有機(jī)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(jī)7進(jìn)行重新制冷；冷凝器5中冷凝成有機(jī)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(jī)溶劑液體通過溶劑收集管801排放至溶劑槽8進(jìn)行收集存儲；冷凝器5排出的氮?dú)鈿饬魍ㄟ^循環(huán)風(fēng)機(jī)6的抽排作用進(jìn)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(jìn)行熱交換，達(dá)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?dú)鈿饬骰亓髦良訜崞?重新進(jìn)行加熱升溫；當(dāng)壓力探測儀103監(jiān)測到氮?dú)夤苈?氣體壓力達(dá)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(jìn)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(jìn)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(dāng)壓力探測儀103監(jiān)測到氮?dú)夤苈?氣體壓力達(dá)到一定下限時，電磁閥104關(guān)閉，從而穩(wěn)定氮?dú)夤苈?的氣流壓力。

本設(shè)備對飽和活性炭的脫附及有機(jī)溶劑回收的步驟：（1）充分利用氮?dú)膺@種惰性氣體作為脫附介質(zhì)，根據(jù)不同有機(jī)物的不同沸點(diǎn)，對氮?dú)膺M(jìn)行相應(yīng)沸點(diǎn)溫度升溫；（2）利用高溫氮?dú)鈱︼柡突钚蕴窟M(jìn)行徹底脫附，活性炭表面有機(jī)物在高溫氮?dú)猸h(huán)境下氣化，從而實現(xiàn)脫附；（3）通過降低溫度，氣流中的高濃度VOCs氣體冷凝成液態(tài)有機(jī)溶劑，實現(xiàn)VOCs氣體液化；（4）通過氮?dú)饬鲃?，實現(xiàn)熱能交換，同時達(dá)到閉合循環(huán)。

4.4 高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置初步測試情況

本設(shè)備在投入測試后VOCs氣體排放遠(yuǎn)低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過測試運(yùn)行總結(jié)，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(jī)溶劑。活性炭吸附劑脫附、回收效果明顯，適合進(jìn)一步推廣運(yùn)用。

4.5 高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置效益

本設(shè)備目前可以預(yù)見的效益及效果：（1）充分利用氮?dú)膺@種廉價易得、無環(huán)境危害、無氧化和無腐蝕性的惰性氣體作為脫附介質(zhì)；（2）利用高溫氮?dú)鈱︼柡突钚蕴窟M(jìn)行徹底脫附，在將活性炭中吸附的有機(jī)物脫附出來的同時達(dá)到對活性炭的再生，從而使得活性炭可重復(fù)投入使用；（3）通過冷凝作用，將氮?dú)鈿饬髦械母邼舛扔袡C(jī)物冷凝成液態(tài)有機(jī)溶劑，達(dá)到有機(jī)溶劑回收再利用的同時，亦減少了VOCs氣體因為排放而對環(huán)境產(chǎn)生的危害；（4）通過換熱器作用，有效地將氣流中的熱能進(jìn)行回收，可有效降低電力耗能。

5 結(jié)束語

高溫氮?dú)庠偕袄淠厥昭b置就是利用熱再生法對活性炭進(jìn)行脫附凈化。本設(shè)備利用高溫惰性氣體氮?dú)庾鳛槊摳浇橘|(zhì)，并利用冷凝技術(shù)回收有機(jī)溶劑，不僅實現(xiàn)了有機(jī)廢氣回收及零污染排放，而且提高了活性炭和設(shè)備的使用壽命，節(jié)約投資成本，提高了企業(yè)的市場競爭力。