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活性炭催化燃燒 在部分產(chǎn)品的噴漆與烤漆生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)大量的工藝尾氣排放，這些尾氣對(duì)自然環(huán)境的危害較大，給操作工人的健康帶來(lái)較大的威脅。具體來(lái)說(shuō)，噴漆、烤漆等工藝
在部分產(chǎn)品的噴漆與烤漆生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)大量的工藝尾氣排放，這些尾氣對(duì)自然環(huán)境的危害較大，給操作工人的健康帶來(lái)較大的威脅。具體來(lái)說(shuō)，噴漆、烤漆等工藝需要使用大量苯、甲苯、乙苯、乙酸乙酯等揮發(fā)性化合物，作為涂料溶劑以及稀釋劑等。這些有機(jī)溶劑在噴涂時(shí)不會(huì)吸附在工件表面，會(huì)全部揮發(fā)到空氣中變?yōu)橛袡C(jī)廢氣。這些廢氣具有沸點(diǎn)低、常溫下容易揮發(fā)等特征，對(duì)周邊環(huán)境以及操作人員的身體健康產(chǎn)生較大的影響。
我國(guó)一些大城市的空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物含量是美國(guó)城市的數(shù)倍，工業(yè)生產(chǎn)排放的有機(jī)廢氣已經(jīng)成為我國(guó)城市大氣污染的主要因素。這些氣體揮發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，對(duì)操作人員的身體危害很大，短期接觸后會(huì)引發(fā)、頭暈等，大量吸收后會(huì)損害人體的內(nèi)臟、神經(jīng)系統(tǒng)等。因此，在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，除了采用必要的防護(hù)措施外，還要盡量避免有機(jī)廢氣的排放，全面收集與凈化有機(jī)廢氣。
1基本原理
本方案將蜂窩狀活性炭作為吸附劑，通過(guò)吸附凈化、脫附再生并濃縮揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)以及催化燃燒的原理，即將大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣通過(guò)蜂窩狀活性炭吸附實(shí)現(xiàn)空氣凈化的目標(biāo)。在活性炭吸附飽和后，再通過(guò)熱空氣脫附使得活性炭再生，脫附得到的濃縮有機(jī)物被送到催化燃燒床進(jìn)行催化燃燒，內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)被氧化成為無(wú)害的CO2以及H2O。燃燒后的熱廢氣通過(guò)熱交換器加熱冷空氣，熱交換后降溫氣體部分排放，部分用于蜂窩狀活性炭的脫附再生，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。整套設(shè)備含有預(yù)濾器、吸附床、催化燃燒床和風(fēng)機(jī)等設(shè)備。
相比其他有機(jī)廢氣處理方法，該方法是一種綜合處理模式，汲取了其他模式的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)較為成熟可靠，對(duì)于處理大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣具有較大優(yōu)勢(shì)，在催化燃燒的作用下，凈化效果可以達(dá)到。
2處理工藝設(shè)計(jì)
2.1預(yù)處理
對(duì)于有機(jī)廢氣，人們應(yīng)首先開(kāi)展水噴淋，去除廢氣內(nèi)部的雜塵、可溶性有機(jī)物。噴淋后，氣體內(nèi)部具有大量水分和少量粉塵，為避免水分與粉塵影響活性炭吸附床的有效運(yùn)行，人們需要在處理時(shí)利用高效率的過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾。
2.2吸附操作
經(jīng)過(guò)預(yù)處理的有機(jī)廢氣，在風(fēng)機(jī)的作用下引入吸附床，將其均勻地分布在活性炭表面。依據(jù)分子間的范德華力，活性炭會(huì)將有機(jī)廢氣吸附在表面，這一過(guò)程耗時(shí)較少，但時(shí)間越長(zhǎng)，吸附越*。二者之間沒(méi)有現(xiàn)較大的化學(xué)反應(yīng)，而有機(jī)廢氣卻達(dá)到較高的凈化效果。經(jīng)過(guò)凈化后的潔凈廢氣可以達(dá)到相關(guān)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)機(jī)的作用下，其可以達(dá)到15m高排氣筒的排放標(biāo)準(zhǔn)。每套廢氣凈化處理系統(tǒng)含有個(gè)級(jí)別的吸附床，兩套用來(lái)吸附，一套用來(lái)脫附，三套設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)輪流操作。
2.3脫附與催化燃燒
具體的反應(yīng)方程式為：
在活性炭吸附到飽和程度后，切換到脫附床，脫附需要外加的熱量，加熱裝置安裝在催化氧化床內(nèi)部，開(kāi)啟后同時(shí)預(yù)熱催化劑。催化氧化床達(dá)到設(shè)定的溫度后，將熱空氣引入脫附床內(nèi)部，有機(jī)廢氣在加熱的作用下從活性炭表面全部解析出來(lái)。
高濃度的有機(jī)廢氣在外力的作用下進(jìn)入氧化床中，通過(guò)金屬鉑的催化作用，被燃燒分解為H2O與CO2，廢氣通過(guò)這一操作得到凈化。這一燃燒過(guò)程的特征為低溫、快速以及無(wú)焰，并產(chǎn)生較大的熱量，人們可以將活性炭再次回用到有機(jī)廢氣的脫附與燃燒氧化中，從而降低能源消耗。具體的反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。
在有機(jī)廢氣濃度較大時(shí)，燃燒產(chǎn)生的熱量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致催化氧化床的溫度較大，進(jìn)而影響整個(gè)廢氣治理系統(tǒng)的安全性、為此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)含有冷空氣補(bǔ)充裝置，它可以引入新鮮空氣來(lái)降低反應(yīng)溫度，從而保證系統(tǒng)操作的安全性。
2.4污水處理
水噴淋預(yù)處理之后，含有雜質(zhì)與有機(jī)物的廢水被引入噴漆車(chē)間的污水處理池內(nèi)開(kāi)展沉淀，去除大顆粒的雜物。含有有機(jī)物的廢水呈現(xiàn)出弱酸性，為降低污水回用對(duì)設(shè)備的腐蝕，人們需要添加少量片堿，開(kāi)展中和反應(yīng)，調(diào)節(jié)其酸堿度。在經(jīng)過(guò)較為*的凈化后，廢水可以循環(huán)利用，可以再次用于水噴淋預(yù)處理模塊，污水處理單元基本沒(méi)有污水外排現(xiàn)象。污水離心分析的產(chǎn)物以及沉淀產(chǎn)生的漆渣沉淀物作為危險(xiǎn)廢物，依據(jù)國(guó)家的相關(guān)危險(xiǎn)廢棄物的管理要求，應(yīng)委托具有資質(zhì)的危險(xiǎn)廢物處置單位開(kāi)展安全處理操作。
本方案具有眾多優(yōu)勢(shì)。首先，采用新型高效的活性炭，吸附床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、合理，吸附效果大幅度提升其次，通過(guò)金屬鉑開(kāi)展催化燃燒，將有機(jī)廢氣分解為無(wú)毒無(wú)害的H2O與CO2，實(shí)現(xiàn)高效的*凈化;再次，燃燒過(guò)程溫度較低、安全，燃燒過(guò)程產(chǎn)生的熱量可以循環(huán)使用，熱量損失較少，能耗大幅度降低;最后，系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)安裝采用多種措施來(lái)杜絕安全隱患，操作簡(jiǎn)單，便于后期的使用和管理。
3各個(gè)組成模塊的操作方法
3.1漆霧過(guò)濾器
噴漆廢氣主要出現(xiàn)在工件涂抹的噴漆工作臺(tái)，高壓空氣噴射的油漆很多停留在工件上，其他都隨廢氣排，變成漆霧。這些漆霧粉塵含量較低，顆粒較小，絕大部分直徑小于10mm。如果不處理會(huì)很快堵塞活性炭的微孔，使其失去原有的功能。因此，噴漆廢氣必須*行粗過(guò)濾處理。
3.2吸附劑的選擇與參數(shù)設(shè)定
活性炭具有比表面大、吸附能力強(qiáng)以及成本較低等優(yōu)勢(shì)，它是目前VOCs污染常見(jiàn)的吸附劑。粉末狀態(tài)的活性炭更換不方便，活性炭纖維含有規(guī)則的微孑L結(jié)構(gòu)，具有較大的吸附容量，同時(shí)容易脫落，成本較高。蜂窩狀的活性炭風(fēng)速高，阻力小，可以應(yīng)用到大風(fēng)量的低濃度廢氣吸附中。本文選擇蜂窩狀活性炭，吸附床的結(jié)構(gòu)采用的為抽屜式的組裝模式，便于使用時(shí)的填裝與拆卸。
3.3催化燃燒設(shè)計(jì)
3.3.1換熱器
換熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了降低生產(chǎn)成本，方便后續(xù)安裝，本文采用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的固定式管板式換熱器，冷氣體走殼體，熱氣體走管程。
3.3.2電加熱室
在本方案中，加熱室僅僅提供開(kāi)機(jī)時(shí)預(yù)熱氣體需要的熱量，苯催化燃燒后有大量的預(yù)熱可以利用，因此需要的熱功率較低，通過(guò)電加熱即可，不需要天然氣或液化石油氣的額外加熱。
3.3.3保溫模塊的處理
催化燃燒一體化設(shè)備內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫，需要增加保溫處理避免對(duì)工作人員造成傷害。保溫利用的保溫棉采用的材料為硅酸鋁纖維氈，依據(jù)燃燒室可能出現(xiàn)的溫度400oC來(lái)設(shè)計(jì)，保溫棉的厚度取值為64mm。
3.4阻火器的設(shè)計(jì)
阻火器是由許多細(xì)小通道或孑L隙組成的，當(dāng)火焰進(jìn)入這些細(xì)小通道后就形成許多細(xì)小的火焰流。由于通道或孔隙的傳熱面積很大，火焰通過(guò)通道壁進(jìn)行熱交換后，溫度下降，到一定程度時(shí)火焰即熄滅。阻火器是用來(lái)阻止燃燒的氣體或者是易燃性液體蒸發(fā)火焰蔓延的設(shè)備，在VOCs催化燃燒的反應(yīng)器中，如果有火星的話會(huì)引發(fā)氣體火焰出現(xiàn)進(jìn)而促使整個(gè)管網(wǎng)燃燒，所以阻火器的作用較大。阻火器的殼體尺寸大小與流體阻力有直接關(guān)系，通常殼體直徑為配合使用的管道直徑的4倍左右，即D=4d。本文依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)，利用明火開(kāi)口端和閉口端進(jìn)行點(diǎn)火，本方案采用無(wú)火燃燒方式，如果依據(jù)D=4d的話，阻火器會(huì)過(guò)大，依據(jù)實(shí)際的操作需求，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)取值為D=2d，角度為60o。阻火器采用的為1mm不銹鋼，管道直徑為500mm×200mm，擴(kuò)散的角度為60o，殼體前半部分的高度取值為250×sin60o=433mm。
RCO催化燃燒設(shè)備中活性炭多次再生脫附后性能變化分析
吸附條件：吸附溫度20℃、氣體濃度300mg/m³、氣體流速0.83m/s、床層厚度100mm。
脫附條件：脫附溫度為100℃、熱空氣的氣體流速為0.14m/s，床層厚度為100mm。
對(duì)同一活性炭進(jìn)行反復(fù)多次的吸附、脫附，分析其再生后吸附容量、比表面積、孔體積、平均孔徑。結(jié)果列于表4-1。
根據(jù)表4-1可以得到，多次再生后活性炭吸附容量的變化如圖4-16所示，多次再生后活性炭比表面積的變化如圖4-17所示，多次再生后活性炭孔體積的變化如圖4-18所示，多次再生后活性炭平均孔徑的變化如圖4-19所示。
隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的吸附容量逐漸減小且減小的幅度逐漸變緩。表明多次再生后活性炭的再生性能逐漸變差。
隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的比表面積逐漸減小且減小的幅度逐漸變緩。表明多次再生后活性炭的再生性能逐漸變差。
隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的孔體積逐漸減小，且減小的幅度逐漸變緩。表明多次再生后活性炭的再生性能逐漸變差。
隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的平均孔徑逐漸增大且增大的幅度逐漸變緩。表明多次再生后活性炭的再生性能逐漸變差。
結(jié)論：
(1) 隨著溫度的上升，出口二甲苯濃度、脫附量、脫附率都會(huì)逐漸增加，但是當(dāng)脫附溫度達(dá)到一定值后，二甲苯濃度、脫附量、脫附率的變化很小。
在本次中，當(dāng)溫度到達(dá)100 ℃后，再升高溫度并沒(méi)有明顯的漲幅。當(dāng)脫附溫度為80℃ 、90℃ 、100℃ 、110℃時(shí)，脫附再生時(shí)間分別為10h、 9h、7h、6.5h，因此在脫附過(guò)程中應(yīng)選定一個(gè)合適的溫度，使能量消耗、再生時(shí)間、脫附率三者達(dá)到一個(gè)平衡。對(duì)于苯，100℃是一個(gè)比較理想的脫附溫度。
(2) 當(dāng)氣體流速為0.07m/s時(shí)，二甲苯的濃度曲線變化比較平緩，二甲苯濃度的值與平均值之間的差別較小。
當(dāng)氣體流速為0.14m/s、 0.21m/s、0.28m/s時(shí)，隨著氣體流速的上升，濃度高峰值也逐漸升高，并且達(dá)到高峰值的時(shí)間變短了，但是3個(gè)高峰值的差距很小。
在濃度高峰值以后，隨著氣體流速的上升，出口二甲苯濃度出現(xiàn)快速降低的現(xiàn)象。當(dāng)氣體流速為0.07m/s時(shí)，無(wú)論是脫附量還是脫附率，與其它幾個(gè)氣體流速相比有顯著的差別，12h后僅有30%的脫附率。
當(dāng)氣體流速為0.14m/s 、0.21 m/s、0.28m/s時(shí)，脫附再生時(shí)間分別為7h、 6.5h、6h，脫附量和脫附率都隨著氣體流速的升高而增加，但增加幅度并不大，對(duì)于苯，0.14m/s是比較理想的氣體流速。
(3) 隨著床層厚度的增加，濃度高峰值逐漸升高，但濃度大小與床層厚度并不是成正比的。在不同床層厚度下，脫附時(shí)間超過(guò)11h后，出口二甲苯濃度基本相同。
當(dāng)床層厚度為100mm、200mm、300mm、400mm時(shí)，脫附再生時(shí)間分別為7h、8h、10h、11h。隨著床層厚度的增大，二甲苯的脫附量逐漸增加，脫附再生時(shí)間延長(zhǎng)，但是脫附率反而降低。
因此為保證活性炭脫附時(shí)能具有較高的脫附率和較短的再生時(shí)間，可采取適當(dāng)降低床層厚度的方法。對(duì)于苯，100mm是比較理想的床層厚度。
(4) 在不同脫附溫度下再生后，活性炭的比表面積、孔體積、吸附容量有所減小，平均孔徑有所增加，活性炭的再次吸附比率均小于1。
隨著脫附溫度的升高，比表面積、孔體積、吸附容量、再次吸附比率逐漸變大，平均孔徑逐漸變小，表明高溫下活性炭的再生性能更好。
(5) 隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的吸附容量、比表面積、孔體積逐漸減小，且減小的幅度逐漸變緩。
隨著再生次數(shù)的增加，活性炭再生后的平均孔徑逐漸增大，且增大的幅度逐漸變緩。表明多次再生后活性炭的再生性能逐漸變差
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