吸附-冷凝回收技术探索

彭　芬

（1.凯天环保科技股份有限公司，长沙　410100；2.工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙　410100）

吸附-冷凝回收技术探索

彭芬1、2

（1.凯天环保科技股份有限公司，长沙410100；2.工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙410100）

吸附法是一项广泛应用于治理大风量、中低浓度有机废气的浓缩净化技术，具有操作简单、净化效率高的优点。冷凝法是回收高浓度废气极为有效的手段。将吸附浓缩技术与冷凝回收技术进行有效结合，可高效回收中低浓度废气中具有再利用价值的有机溶剂等，实现有机溶剂的资源化回收利用。通过对吸附-冷凝工艺的详细介绍和分析，包括吸附剂和冷媒的选择、结构的优化、工业应用情况等，以期达到回收效率、设备成本及安全性等综合性能的最优化。

吸附；冷凝；探索

1　概述

随着环境问题的日益严峻，尤其是近几年雾霾的严重化，大气污染治理已引起了全社会的广泛关注。常见的废气治理方式有销毁法和回收法，针对有机溶剂等具有较高回收利用价值的废气成分，可以采用合适的方法实现资源化回收利用，在保护环境的同时创造经济价值。

吸附浓缩技术是针对中低浓度VOCs的治理而发展起来的一种新技术，具有净化效率高、操作简单等优点，应用广泛。将吸附技术与冷凝技术进行组合，形成“吸附浓缩-冷凝回收技术”（以下简称吸附-冷凝回收技术）可有效回收高价值的废气成分。

2　工艺介绍

吸附-冷凝回收净化系统是将吸附与冷凝回收进行有效地结合，以回收具有回收价值的废气成分。不仅能达到废气净化的目的，同时实现了溶剂的资源化回收利用。为实现净化系统的连续运行，吸附床往往采用“X用一备”的运行方式（X由工况决定），主要分为吸附和冷凝回收两部分。

吸附法是利用各种固体吸附物（如活性炭、活性纤维、分子筛等）对排放废气中的污染物进行吸附净化的方法。分子筛与活性炭由于具有很大的比表面积及大量的空隙与空洞，对于烟气中的气体分子极易吸附，且易于再生，是应用最多的固体吸附剂。

冷凝回收是将VOCs废气冷却到低于露点温度，使有机物冷凝成液滴后从气体中分离出来的过程。适用于高沸点和高浓度VOCs的回收，尤其是适用于处理有害物组分单一的废气。当有害物含量较高时，也可作为燃烧与吸附净化的预处理，以减轻后续净化装置的操作负担。

2.1工艺流程

针对中低浓度废气，利用吸附-冷凝回收工艺进行回收净化的过程为：首先，VOCs废气经过预处理器，去除废气中的大颗粒粉尘等（以免堵塞吸附剂）。经过预处理后的废气进入装有选择性蜂窝活性炭或分子筛吸附剂的吸附床，所含的VOCs成分被吸附剂吸附，空气得到净化。随着吸附的进行，吸附剂逐渐达到饱和，在与高温热空气或水蒸汽接触的过程中，VOCs被脱附下来形成高度浓缩的废气，同时吸附床得到再生。再生后的吸附床又可进行吸附作业。经脱附形成的浓缩废气进入冷凝器，回收溶剂等。当冷凝效果不甚理想（即经冷凝后排放的废气超过国家或地方的标准规范）时，冷凝后的不凝气再一次返回吸附床进行二次吸附，以达到达标排放的目的。工艺路线及流程详见图1和图2。

图1　吸附-冷凝回收工艺路线

图2　吸附浓缩-冷凝回收工艺流程

对于高浓度的VOCs回收，可采用先冷凝后吸附的方式进行回收净化。此工艺过程中，经冷凝段冷凝后的废气温度通常较低，更有利于吸附作业。在吸附-冷凝回收废气净化系统中，冷凝和吸附的前后次序可以根据废气浓度的高低灵活设置。

2.2吸附-冷凝回收废气净化工艺特点

（1）去除效率高

采用高效活性炭或分子筛作为吸附剂，针对湿度较高的情况，采用高效疏水性分子筛作为吸附剂，总去除净化效率可达95％ ～ 98％。

（2）经济效益好

该工艺不仅对废气进行了治理，同时对有利用价值的废气成分进行了回收利用，具有良好的经济效益。

（3）灵活度高

实时监测冷凝器出口废气浓度，当排放不达标时，将排气返回至吸附床进行二次吸附，以确保达标排放；当废气浓度较高时，可将冷凝置于吸附过程之前，经冷凝后的废气再进一步通过吸附净化后达标排放，吸附与冷凝的先后设置较为灵活。

（4）可连续作业

工艺中的吸附床采用“X用一备”方式，可实现连续作业。

（5）适用范围广

该组合工艺技术适于处理有利用价值的大风量、低浓度的有机污染空气净化，也适用于高浓度或浓度波动大的场合。

3　关键设备

3.1吸附床

目前，吸附工艺常见的吸附床有固定床、移动床、流化床和转轮吸附等。固定床操作简单，移动床可连续吸附，转轮吸附结构紧凑且单位床层阻力小，无论采用哪种吸附床，工作原理并不会改变，都是利用吸附剂的吸附作用达到废气净化的目的。因此，吸附技术的关键在于吸附剂的选择。

3.1.1吸附剂的选择

吸附技术主要有物理吸附和化学吸附，物理吸附是利用多孔性固体吸附剂将污染物浓集在固体表面而将废气净化的过程，主要依赖于范德华力；化学吸附是利用废气成分与化学吸附剂发生反应，主要依赖的是化学键力［1］。化学吸附剂的制作成本相对较高，应用较少，相比而言，物理吸附的应用较为广泛。由吸附的工作原理可得知，吸附剂必须具备丰富的微孔和高的比表面积，常见的吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶及粘土矿石等［2］。

活性炭孔穴丰富、比表面积大，具有较好的广谱适用性，是至今应用最为广泛的吸附剂。沸石分子筛晶体结构较为均一，具有一定的选择吸附性。在实际应用中，活性炭存在易燃等安全隐患、吸附性能受湿度影响大、再生困难等缺点［3-4］。分子筛是一种人工合成沸石，是水合硅铝酸盐的晶体，具有不可燃、耐高温（1000℃）以及良好的抗湿性等优点，可用于吸附高沸点物质及相对湿度高于60％的废气工况，目前已经广泛应用于吸附净化领域［5］。蜂窝活性炭与蜂窝分子筛的主要性能指标详见下表。

蜂窝活性炭与蜂窝分子筛的主要性能指标［6-7］

3.1.2吸附床设计

根据国家标准《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》要求，采用蜂窝状吸附剂时，固定床吸附装置吸附层的气体流速宜低于1.2m/s［6］。在工程实践中，常采用0.8～1.2m/s的风速进行设计。

根据吸附床层气流速度 ，可由下式计算吸附床截面积：

式中：

Q——设计风量，m3/h；

A——吸附床截面积，m2；

v——吸附床层气体流速，m/s。

3.2冷凝器

冷凝器按其冷却介质和冷却形式可分为三大类型：水冷式、风冷式及蒸发式［8］。1）水冷式冷凝器以水作为冷却介质，依靠水的温升带走冷凝热量。2）水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式和套管式，较为常见的是壳管式冷凝器。3）风冷式冷凝器以空气作为冷却介质，依靠空气的温升带走冷凝热量。根据空气流动方式的不同，可分为自然对流式和强迫对流式。蒸发式冷凝器主要是依靠冷却水在空气中蒸发吸收汽化潜热。风冷式和蒸发式适用于缺水或无法供水的场合。总的来说，三种冷凝器各有特色，需根据使用工况选用。

3.2.1冷媒的选择

废气回收的效率涉及到冷凝器的冷凝效率，而冷凝效率的高低主要取决于冷媒的选择。待回收的有机物沸点较高时，可采用常温水进行冷凝，当有机物沸点较低时，冷却水宜使用低温水或常温-低温水多级冷凝。

3.2.2冷凝器的设计

冷凝器设计的主要依据是热负荷，冷凝气体所需热负荷的计算如下式［8］：式中：

式中：

K——传热系数，W/（m2·℃）；

Ψ——修正系数；

Δt——平均温差，℃。

3.3预处理器

为了去除废气中的颗粒物、粉尘等，在吸附-冷凝回收净化系统前端设计一预处理器。预处理器应根据废气的性质、成分和影响吸附过程的物理性质及含量来选择，如粒径、温度和湿度等。

常见的预处理方式有过滤和洗涤等。过滤式通常是利用重力、离心力或分子间力等进行预处理；洗涤式通常是利用水等洗涤剂进行降温除尘等。经洗涤除尘预处理后的废气湿度往往比较大，过大的湿度对活性炭的吸附性能影响较大，此时选用疏水性分子筛作为吸附剂时，吸附效果较佳。前端预处理方式和后端废气净化方式相互影响，应进行综合考虑。

4　工业应用

目前，吸附-冷凝回收技术已广泛应用于油气回收领域。牟松娟［9］研究了吸附-冷凝法进行油气回收的过程，结果表明该法具有较好的工程经济性。石莉［10］通过模拟和实验研究了冷凝和吸附集成回收油气的效果，回收率高达99％以上。高武龙［11］等对活性碳纤维吸附-冷凝工艺进行了中试，结果表明，利用该工艺回收有机废气，具有显著的经济和社会效益。大量研究表明，吸附-冷凝回收技术具有较大开发应用潜力。

5　结论

吸附-冷凝回收净化系统用于回收有机废气中的有机溶剂等，可实现资源的回收再利用，具有极大的经济、社会及环境效益，具有广阔的应用前景和市场竞争力。

［1］柯涛.活性炭的改性及其对VOCs吸附能力的研究［D］.陕西：西安建筑科技大学，2009.

［2］海涛.基于吸附催化技术室内有害气体清除装置的研制［D］.浙江：浙江大学，2008.

［3］Zhao XS，Ma Q，Lu GQ.VOC removal：comparison of MCM-41 with hydrophobic zeolites and activated carbon［J］.Energy& Fuels，1998，12（6）.

［4］Serrano D P，Calleja G，Botas J A，et al. Characterization of adsorptive and hydrophobic properties of silicalite1，ZSM-5，TS-1 and Beta zeolites by TPD techniques［J］.Separation and Purification Technology，2007，54（1）：1-9.

［5］徐如人，等.分子筛与多孔材料化学［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］HJ2026-2013，吸附法工业有机废气治理工程技术规范［S］.

［7］尹维东，乔惠贤，陈魁学.蜂窝状活性炭在大风量有机废气治理技术中的应用［J］.环境科学研究，2000，13（5）：27-30.

［8］余建祖.换热器原理与设计［M］.北京：航空航天大学出版社，2006.

［9］牟松娟.吸附-冷凝法油气回收过程研究［D］.浙江：浙江大学，2015.

［10］石莉，黄维秋，胡志伦.油气冷凝和吸附集成回收工艺的研究［J］.石油学报，2014，30（1）：87-93.

［11］高武龙，董坤伦.活性炭纤维吸附-冷凝技术在有机废气回收净化中的应用［J］.广东化工，2010，37（208）：242-243.

Research of Recycling Technology of Adsorption-condensation

PENG Fen
（1.Kaitian Environmental Technology Co.，Ltd，Changsha 410100；2. Hunan Key Laboratory of Industrial Production Environmental Technology Cooperation，Changsha 410100，China）

The organic solvent which has recycling value in the middle and low concentration waste gas can be effective recovered when the technology of adsorption is integrated with condensation recycling technology，so as to realize the resource recycling of organic solvent. Through the detailed introduction and analysis of the adsorption-condensation technology，including the choice of the adsorbent and proper refrigerant，the paper expects to achieve the optimization of structure and industrial application，the recovery efficiency，equipment costs and safe operation.

adsorption；condensation；research

X701

A

1006-5377（2016）10-0040-04