活性炭吸附脱附工艺在新能源材料行业废气治理上的应用

孙 莉，蒋 伟，王翼鹏，王 涛，杨旭

（宇星科技发展（深圳）有限公司，广东 深圳 518057）

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是形成细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前体物。我国挥发性有机物年排放量远高于SO2、NOx的年排放量，VOCs污染控制已成为大气环境管理的短板。

新能源材料行业废气具有高浓度、排放不稳定的特点，采用直接焚烧工艺存在安全隐患，并且会排放大量的二氧化碳，违背“碳达峰”目标和“碳中和”愿景。由于新能源材料废气成分含N、Cl、S等，采用燃烧法将产生SO2、NOx等二次污染物，并且燃烧后废气腐蚀性较大，处理设备投资成本较高，因此相关企业需要寻求适合新能源材料行业且节能高效的VOCs处理技术。

相比其他技术，吸附法早已应用于有机废气处理，活性炭作为一种常规吸附剂，正获得越来越广泛的应用。活性炭吸附主要有以下特点：吸附和脱附能够多次循环；吸附剂能够长时间使用；活性炭的比表面积较大，是一种弱极性物质，可以较好地吸附有机溶剂，但是对水一类的极性物质吸附能力较弱，能够通过水蒸汽再生；能够对不同浓度的VOCs产生较好的吸附作用[1-4]。

冷凝法[5]是利用有机物在不同温度下具有不同饱和蒸汽压的性质，将废气冷却到低于有机物的露点温度，从而使有机物冷凝成液滴并从气体中分离出来的技术，该技术多用于处理高浓度、低风量的有机废气。

吸附法和冷凝法经常组合使用，以回收有机溶剂，本文针对新能源材料行业废气特点，就采用活性炭吸附-蒸汽脱附-冷凝回收工艺治理废气展开探究。

1 项目概况

该新能源材料企业在萃取生产过程中产生有机废气排放，废气来源于萃取槽、储器等排出的废气，主要成分有260#溶剂油、氨气、盐酸雾、硫酸雾、磺化煤油等。废气总风量24 000 m3/h，废气浓度为500～2 000 mg/m3，由于废气中含有盐酸雾、硫酸雾等成分，考虑到废气腐蚀性，企业对废气采用定制化处理方案，先用碱洗塔对废气进行中和处理，再采用活性炭吸附-蒸汽脱附-冷凝回收的工艺进行处理。

2 工艺流程及说明

2.1 工艺流程

本项目VOCs废气采用“碱洗+过滤+活性炭吸附+蒸汽脱附+冷凝回收”的设计工艺进行处理。废气先经过碱洗，去除部分酸性物质和降尘，再经过 除雾过滤冷却箱预处理，保证进入活性炭最佳的温度和湿度，废气经过活性炭吸附后从烟囱达标排放。活性炭吸附饱和后采用热蒸汽进行脱附，经换热器冷凝分层槽分离后回收溶剂，实现循环利用。工艺流程见图1。

图1 活性炭吸附浓缩-蒸汽脱附-冷凝回收工艺流程图

2.2 工艺流程说明

简易的设备布置参见图2。

图2 活性炭吸附浓缩-蒸汽脱附-冷凝回收设备布置图

本废气处理工艺主要分为四部分，第一部分为废气预处理工艺；第二部分为活性炭吸附工艺；第三部分为活性炭脱附冷凝回收工艺；第四部分为活性炭干燥工艺。

2.2.1 废气预处理工艺

废气预处理工艺包括一级碱洗和除雾过滤冷却箱。碱洗塔的作用为去除废气中的酸性成分，同时去除废气中的部分氨气（碱洗塔设备参数见表1）。利用吸收工艺将废气中的酸性气体去除后，废气进入除雾过滤冷却箱，由于废气经过碱洗设备后，其废气相对湿度较大，可能会影响活性炭的吸附效率，因此方案设计时增加丝网除雾段进行调温调湿，保证废气温湿度满足活性炭的要求。除雾过滤冷却箱主要由三段组成：即丝网除雾段、空气过滤段、废气冷却段（除雾过滤冷却箱设备参数见表2）。废气进入除雾过滤冷却箱后，首先利用丝网除雾器去除废气中的显水，降低废气含水量，从而使活性炭有较好的吸附活性，然后利用F9空气过滤器去除废气中的少量灰尘，保证活性炭的使用寿命。

表1 碱洗塔设备参数

表2 除雾过滤冷却箱设备参数

因车间废气温度较高，最高可达80 ℃，故在除雾过滤冷却箱最后设置表冷器，使废气温度降至40 ℃以下。经过预处理的废气通过风机加压送至活性炭吸附箱。

2.2.2 活性炭吸附工艺

活性炭作用原理为活性炭表面具有大量的微孔结构，从而提供了大量的表面积，又因为所有的分子之间具有相互的引力，活性炭微孔上大量的分子产生强大的引力将废气中的有机分子吸附在活性炭微孔内部。活性炭吸附器（活性炭吸附器设备参数见表3）的作用就是利用活性炭的吸附性能将废气中的有机物和空气分离，从而达到净化有机废气的目的。活性炭的固态苯吸附容量可达50%，一般工业应用动态吸附容量按照10%设计。当活性炭吸附一段时间后，活性炭饱和吸附性能下降，需定期将有机废气从活性炭表面脱附出来，恢复活性炭的吸附性能。因为活性炭在常温下吸附容量大，高温下吸附容量小，本工艺利用活性炭在不同温度下吸附容量不同的性能，达到活性炭循环使用的目的，此工艺在工业上称为变温吸附，简称TSA。本项目吸附剂采用颗粒活性炭，吸 附器两吸一脱。

表3 活性炭吸附器设备参数

2.2.3 活性炭脱附工艺

本工艺采用三个活性炭器，两个活性炭器进行吸附，一个活性炭器处于脱附或等待状态。活性炭吸附饱和后，本工艺利用低压水蒸汽将活性炭加热，提高有机物分子动能，从而使有机物分子从活性炭表面逃离出来，以达到活化活性炭的目的；蒸汽从上部进入活性炭箱加热活性炭层，然后有机蒸汽从活性炭箱下部引至冷凝器；冷凝后的有机水溶液进入分液槽分离后，分别进入溶剂回收箱和废水箱；定期利用输送泵将废水和回收溶剂输送至业主指定位置。本冷却系统包括常温水冷器和低温水冷器，低温水冷器的目的是进一步将高浓度废气冷凝，从而提高溶剂回收量。同时为防止碳器底层积液，本工艺设置排水降温装置，以提高活性炭装置吸附性能。

2.2.4 活性炭干燥工艺

脱附完成后，因活性炭温度较高，且碳器内含有一定量的水分，故利用蒸汽加热后的新鲜空气将碳器吹干。吹干完成后，活性炭器进入等待状态，当其他碳器饱和后，阀门切换，使等待的碳器进入吸附状态，其他碳器进入脱附状态，阀门依次循环，使有机废气始终有效被活性炭吸附处理。

2.2.5 连接风管系统

连接风管包含所有与设备相关的进风、排烟风管以及系统设备之间的风管，它们将车间废气处理设备连接成完整系统，且所有管路不漏气；在风管合理位置，设计有凝结水排放口；各风管预留检修门，风管检修门的数量及位置设计合理。

2.2.6 废气处理控制系统

废气处理控制系统采用集中监控PLC分布式控制，以满足废气处理系统安全、长期、稳定、可靠的运行需求，即采用PLC+触摸屏与电源柜、电气控制柜、电磁阀箱、现场就地操作箱、现场仪表等组成整个控制系统，实现系统的独立监控。在控制柜上设有触摸屏，对系统进行集中动态监视和自动控制，工艺系统设备状态和报警参数自动生成报表，并且所有信息保存至少3个月以上。系统可扩充TCP/IP协议和车间中央控制室的计算机相连；废气处理系统设有独立的控制系统和中控室，安装在平台上；废气处理系统与萃取车间送排风信号交互，实现中控室一键连锁启动。

3 系统安全设计说明

设备设计有完整的安全系统，分为主动安全系统和被动安全系统。主动安全系统主要包括静电导出系统，全方位温度监控系统及整体防爆系统；被动安全系统包括各种紧急情况的处理程序及整体设备降温系统。（1)静电导出系统：主要包括碳床内静电导出杆和整体设备的静电接地。仪表选型严格按国家规范执行。（2)温度监控系统：设备设计有多断面、多点位的温度监测系统和控制系统的PLC相连。PLC对所有温度信号进行判断并采取相应措施。（3)紧急情况处理程序：紧急情况处理程序主要包括设备温度处理程序、阀门故障处理程序。当设备出现异常情况时，紧急程序自动启动，尾气排空，设备进入保护状态。（4)吸附器消防保护系统：一旦吸附温度超过设定值，自动打开蒸汽管道阀门。（5)装置防爆等级达到ExdⅡBT4的要求。

4 运行效果分析

系统建成运行后，通过第三方检测，从烟囱和设备入口取样检测数据来看，经环保设备净化后，废气的质量浓度在5 mg/m3左右，达标情况良好，具体检测数据如表4所示。

表4 环保设备检测结果分析

从表4可以看出，系统总去除效率可达95%以上，稳定达标排放，废气排放浓度远低于国家和地方排放标准要求。

5 经济效益分析

按照原始风量24 000 m3/h，浓度按照平均1 200 mg/m3考虑，去除效率按照98%考虑，年运行8 000 h，回收溶剂主要为260#溶剂油，回收率按照80%左右计，按照目前市场价7 000元/吨左右考虑，回收溶剂可节省费用为126.5万元/年。

6 结语

通过活性炭吸附-蒸汽脱附-冷凝回收的工艺处理新能源材料行业萃取过程中产生的废气，设备运行可靠，处理效果稳定，设备出口处废气排放浓度远低于相关标准的排放限值，大大减少了废气排放量，具有良好的环境效益和经济效益。