活性碳纤维（ACF）吸附回收有机废气工艺

蔡炳良

（浙江环耀环境建设有限公司，杭州 310012）

1 引言

挥发性有机化合物通常是指正常环境条件下容易挥发的有机化合物。目前，对挥发性有机化合物尚无统一定义，许多国家或地区是按沸点和一定温度下的蒸气压数据来限定，如澳大利亚、瑞士、德国、欧盟等。还有一些国家以是否发生光化学反应来限定，如美国[1]。

从我国近几年国家发布的相关标准看，倾向于定义挥发性有机化合物是指能参与大气光化学反应的有机化合物，或根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物，简称VOCs[2]。1）用于核算或备案的VOCs指20℃时蒸气压不小于10Pa或101.325kPa标准大气压下，沸点不高于260℃的有机化合物或实际生产条件下具有以上相应挥发性的有机化合物（甲烷除外）的统称。2）以非甲烷总烃（NMHC）作为排气筒、厂界大气污染物监控、厂区内大气污染物监控点及污染物控制设施去除效率的挥发性有机化合物的综合性控制指标[3]。

VOCs的种类有很多，如脂肪烃、芳香烃、卤代烃、醇、醛、酮、酯等（见下表），主要来源于石油化工、制药、印刷、喷漆等行业生产过程中所排放的废气[4]。VOCs中的许多物质对人体和各种感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些会产生致癌、致畸、致突变的“三致”效应。对环境安全和人类生存产生极大的危害[5]。

有机废气主要代表污染物

ACF，Activated carbon fiber，即采用活性碳纤维作为吸附剂对废气中的有机物进行吸附回收的工艺。目前，在有机废气处理领域，ACF主要应用于处理组分相对比较单一、沸点在50℃～200℃、非水溶性、中等浓度、有回收利用价值的工况。

2 ACF工艺组成

ACF处理工艺主要由预处理、吸附、蒸气脱附、负压抽干、干燥降温及计量回收系统组成。工艺流程见图1。

图1 ACF工艺流程图

2.1 预处理系统

吸附回收装置入口设置阻火器，使回收装置与生产设备安全隔离；废气入口设有事故排放三通阀，当装置停机或需检修时，该三通阀自动切换，废气通过排放烟囱直排，不会影响前端生产系统的正常生产。

废气经过过滤器过滤，去除废气中的颗粒物质、大分子物质，以保证这些杂质不被活性碳纤维吸附，避免占用活性碳纤维的孔隙而影响活性碳纤维的吸附效率和使用寿命。

由于高温不利于吸附，废气温度大于40℃时，需要通过换热器将温度降至40℃以下方能进入后端吸附装置。预处理还包括通过吸收法回收或除去碱性、酸性或水溶性的介质，起到除去有害物质、延长吸附装置使用寿命和提高回收有机物纯度的作用。高效过滤器和废气换热器见图2。

2.2 吸附系统

废气进入吸附器，在范德华力的作用下，有机物被吸附到活性碳纤维的微孔中，活性碳纤维吸附饱和后进行再生。废气经碳纤维吸附器后进行洁净排气。吸附器由自动控制系统控制，自动切换交替进行吸附、再生（脱附、负压抽干、降温干燥）过程，从而在任何时刻都至少有1台吸附器做一级吸附，1台吸附器做脱附干燥再生，保证了吸附系统的连续运行和连续处理能力。吸附箱体见图3。

图2 高效过滤器和废气换热器

图3 ACF吸附箱体

2.3 蒸气脱附系统

通过自力式减压阀减压后输出压力稳定的蒸气，将吸附在活性碳纤维床层上的有机物脱附下来，同时依靠蒸气的吹扫，将含有水蒸汽和有机蒸气的混合蒸气吹出，送入回收系统。独特的自力式蒸气调压阀使得脱附用蒸气输出压力十分稳定且故障率极低。蒸气脱附过程的吸附器温度应在100℃～105℃，温度太高说明装置运行不正常，超过高温设定值报警停车，应及时检查处理装置问题；温度太低说明蒸气不足或流量太低，无法对吸附器进行有效脱附，需检查相应公用工程供给问题。

2.4 负压抽干系统

关闭冷凝器出气管道和出液管道上的阀门，启动漩涡气泵，将吸附器中的蒸气或有机物吸入冷凝器冷凝，气体再通过气液分离器排气管道进入前段工艺重新处理。抽负压程序将附着在碳纤维表面的水分也被抽出，大大降低了碳纤维的含水量，使后续的干燥降温操作更加容易，缩短干燥时间。负压抽干过程中，吸附器排放阀门关闭，抽干风机抽吸附器密闭空间的气体，使吸附器内的压力降低，蒸气和有机物的饱和蒸气压降低，有利于水和有机物从碳纤维表面脱附。抽负压程序吸附器循环切换时间缩短，可使同样大小的吸附装置能够处理更多的有机成分，提高了装置的处理能力。负压抽干汽液分离器见图4。

图4 负压抽干汽液分离器

2.5 干燥降温系统

当负压操作完成后，活性碳纤维层上的温度很高，湿度也较大，不利于将要进行的吸附操作，所以要用足够的新鲜冷空气对碳纤维层进行吹扫，达到对活性碳纤维吸附剂降温和干燥的目的。

新鲜空气进入装置前首先经过干燥过滤器，将其中的杂质和颗粒物截留，干净空气参与吸附器的干燥降温工作。当过滤器上积累的灰尘和杂质较多时，干燥风机前的阻力增大、干燥风量减小，同时空气过滤效率降低，不利于吸附器的干燥和降温，此时应及时拆下过滤网进行清理。干燥过滤器的外形见图5。

图5 干燥过滤器外形图

2.6 计量回收系统

计量回收系统由冷凝器、分离装置和冷却器等组成。经脱附的含有水蒸汽和有机蒸气的混合气体经过冷凝后变成混合液体，流入特别设计的分离装置，吸附器底部流出的冷凝液经冷却器后也流入分离装置，使不溶于水的有机物和水分离；分离出来的有机物通过自流进入计量槽后回收利用。分层后的废水排入污水管道。

冷凝器循环水的进水温度应在32℃以下，并保证足够的压力（到吸附界区≥0.25MPa），使出水温度≤37℃，循环水和冷冻水入口设置调节阀与冷凝器出口温度联动控制，自动调整供水量。

回收量计量系统的使用，提高了管理效率，并为装置的操作参数优化提供了依据。计量回收系统设备及管道见图6。

图6 计量回收系统设备及管道图

3 ACF工艺特点

3.1 负压抽干技术

采用负压抽干技术，在停止蒸气后，对吸附系统抽真空，破坏已建立的吸附平衡，使吸附在碳纤维孔道中大分子、高沸点的有机物向气相扩散，将附着在碳纤维表面的水分抽出，缩短干燥过程所需要的时间，减少装置使用蒸气量，提高装置处理能力，为装置吸附废气达标创造了良好的条件。同时，将脱附完成后设备中的气体抽出送入冷凝器冷凝，能有效避免这部分气体直接排放可能对环境造成的影响，此外，也具有一定的辅助脱附作用。

3.2 大风量干燥技术

负压抽干结束后，新鲜空气经滤器过滤掉空气中的灰尘后，通过风机引入吸附芯，将碳纤维和吸附器空间内的气体吹出，降低吸附器内部的温度及湿度，干燥风机采用大风量型号风机，缩短碳纤维干燥的时间，使活性碳纤维彻底干燥，水分残留极少，保证吸附能力发挥到极致。

3.3 采用中孔径率高、比表面积大的活性碳纤维

研究表明当被吸附的有机物分子直径大于碳纤维微孔直径时，有机物分子堵塞在碳纤维孔道中，难以脱附，容易造成碳纤维中毒。中孔径率高的碳纤维很好地解决了这个问题，大分子、高沸点物质能很好地从碳纤维孔道中脱出，并延长了碳纤维使用寿命。

3.4 安全可靠

1）采用防爆风机、防爆泵；控制柜和气柜均采用正压防爆技术，外部信号通过安全栅连接，系统接地，确保装置安全性；2）设计吸附器超温报警，当吸附器内部温度超过设定温度时，装置自动报警停机，超温的吸附器进入脱附再生模式，将吸附器内部降温，同时解析出内部残存的有机物，将系统危险性降到最低；3）装置设置有信号报警联锁系统，当装置内任何自动控制阀门、仪表、电机出现故障，系统即报警并联锁进入停机程序，进气切断、事故排空阀打开，待检修处理完毕后再行开机，保障事故状态下装置的安全。

3.5 精细化的设备设计

吸附芯龙骨采用直径Φ8型号，材质316L不锈钢，并采用钢针固定，使缠绕在龙骨上的碳纤维结实牢固，避免碳纤维松散致气流短路、吸附效果下降等情况发生。

4 ACF工艺存在的问题

1） 干燥阶段初期存在废气排放不达标的情况。由于脱附末端转为干燥的瞬间吸附箱体内留存着之前脱附的气体，转为干燥时这部分气体直接随着干燥气体排出，造成部分有机物直接排放至环境；2）由于采用蒸气脱附介质，风机和管道中容易积聚冷凝水，因此设备设计和管道设计变的十分关键；3）整个工艺过程控制较为复杂，对控制要求较高，ACF吸附箱体结构较为复杂，加工要求也较高。

5 结论

ACF吸附回收装置能有效吸附有机废气中的有机物实现达标排放，并通过蒸气脱附、负压抽干、干燥降温及计量回收实现有机物回收。对干燥阶段初期达标问题，目前已有环保公司对原有工艺进行了调整，如干燥风循环处理，也是一种解决办法。随着科技和加工制造技术的发展，管道设计和控制也不再是制约此项技术发展的因素。对于有机废气处理，ACF吸附回收是理想的工艺路线。

[1] 陆震维.有机废气净化技术[M].北京：化工工业出版社，2011.

[2] 环境保护部，国家质量监督检疫总局.石油炼制工业污染物排放标准[S].2015.

[3] 上海市环境保护局，上海市质量技术监督局.大气污染物综合排放标准（上海市）[S]. 2015.

[4] 白烨，毛鹤群.浅谈有机废气的危害及治理方法[J].资源节约与环保，2015（6）.

[5] 赵琳，张英锋，李荣焕，马子川.VOC的危害及回收与处理技术[J].化学与社会，2015（1）.