活性炭吸附脫附工藝在新能源材料行業廢氣治理上的應用

孫 莉，蔣 偉，王翼鵬，王 濤，楊旭

（宇星科技發展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是形成細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前體物。我國揮發性有機物年排放量遠高于SO2、NOx的年排放量，VOCs污染控制已成為大氣環境管理的短板。

新能源材料行業廢氣具有高濃度、排放不穩定的特點，采用直接焚燒工藝存在安全隱患，并且會排放大量的二氧化碳，違背“碳達峰”目標和“碳中和”愿景。由于新能源材料廢氣成分含N、Cl、S等，采用燃燒法將產生SO2、NOx等二次污染物，并且燃燒后廢氣腐蝕性較大，處理設備投資成本較高，因此相關企業需要尋求適合新能源材料行業且節能高效的VOCs處理技術。

相比其他技術，吸附法早已應用于有機廢氣處理，活性炭作為一種常規吸附劑，正獲得越來越廣泛的應用。活性炭吸附主要有以下特點：吸附和脫附能夠多次循環；吸附劑能夠長時間使用；活性炭的比表面積較大，是一種弱極性物質，可以較好地吸附有機溶劑，但是對水一類的極性物質吸附能力較弱，能夠通過水蒸汽再生；能夠對不同濃度的VOCs產生較好的吸附作用[1-4]。

冷凝法[5]是利用有機物在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓的性質，將廢氣冷卻到低于有機物的露點溫度，從而使有機物冷凝成液滴并從氣體中分離出來的技術，該技術多用于處理高濃度、低風量的有機廢氣。

吸附法和冷凝法經常組合使用，以回收有機溶劑，本文針對新能源材料行業廢氣特點，就采用活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收工藝治理廢氣展開探究。

1 項目概況

該新能源材料企業在萃取生產過程中產生有機廢氣排放，廢氣來源于萃取槽、儲器等排出的廢氣，主要成分有260#溶劑油、氨氣、鹽酸霧、硫酸霧、磺化煤油等。廢氣總風量24 000 m3/h，廢氣濃度為500～2 000 mg/m3，由于廢氣中含有鹽酸霧、硫酸霧等成分，考慮到廢氣腐蝕性，企業對廢氣采用定制化處理方案，先用堿洗塔對廢氣進行中和處理，再采用活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收的工藝進行處理。

2 工藝流程及說明

2.1 工藝流程

本項目VOCs廢氣采用“堿洗+過濾+活性炭吸附+蒸汽脫附+冷凝回收”的設計工藝進行處理。廢氣先經過堿洗，去除部分酸性物質和降塵，再經過 除霧過濾冷卻箱預處理，保證進入活性炭最佳的溫度和濕度，廢氣經過活性炭吸附后從煙囪達標排放。活性炭吸附飽和后采用熱蒸汽進行脫附，經換熱器冷凝分層槽分離后回收溶劑，實現循環利用。工藝流程見圖1。

圖1 活性炭吸附濃縮-蒸汽脫附-冷凝回收工藝流程圖

2.2 工藝流程說明

簡易的設備布置參見圖2。

圖2 活性炭吸附濃縮-蒸汽脫附-冷凝回收設備布置圖

本廢氣處理工藝主要分為四部分，第一部分為廢氣預處理工藝；第二部分為活性炭吸附工藝；第三部分為活性炭脫附冷凝回收工藝；第四部分為活性炭干燥工藝。

2.2.1 廢氣預處理工藝

廢氣預處理工藝包括一級堿洗和除霧過濾冷卻箱。堿洗塔的作用為去除廢氣中的酸性成分，同時去除廢氣中的部分氨氣（堿洗塔設備參數見表1）。利用吸收工藝將廢氣中的酸性氣體去除后，廢氣進入除霧過濾冷卻箱，由于廢氣經過堿洗設備后，其廢氣相對濕度較大，可能會影響活性炭的吸附效率，因此方案設計時增加絲網除霧段進行調溫調濕，保證廢氣溫濕度滿足活性炭的要求。除霧過濾冷卻箱主要由三段組成：即絲網除霧段、空氣過濾段、廢氣冷卻段（除霧過濾冷卻箱設備參數見表2）。廢氣進入除霧過濾冷卻箱后，首先利用絲網除霧器去除廢氣中的顯水，降低廢氣含水量，從而使活性炭有較好的吸附活性，然后利用F9空氣過濾器去除廢氣中的少量灰塵，保證活性炭的使用壽命。

表1 堿洗塔設備參數

表2 除霧過濾冷卻箱設備參數

因車間廢氣溫度較高，最高可達80 ℃，故在除霧過濾冷卻箱最后設置表冷器，使廢氣溫度降至40 ℃以下。經過預處理的廢氣通過風機加壓送至活性炭吸附箱。

2.2.2 活性炭吸附工藝

活性炭作用原理為活性炭表面具有大量的微孔結構，從而提供了大量的表面積，又因為所有的分子之間具有相互的引力，活性炭微孔上大量的分子產生強大的引力將廢氣中的有機分子吸附在活性炭微孔內部。活性炭吸附器（活性炭吸附器設備參數見表3）的作用就是利用活性炭的吸附性能將廢氣中的有機物和空氣分離，從而達到凈化有機廢氣的目的。活性炭的固態苯吸附容量可達50%，一般工業應用動態吸附容量按照10%設計。當活性炭吸附一段時間后，活性炭飽和吸附性能下降，需定期將有機廢氣從活性炭表面脫附出來，恢復活性炭的吸附性能。因為活性炭在常溫下吸附容量大，高溫下吸附容量小，本工藝利用活性炭在不同溫度下吸附容量不同的性能，達到活性炭循環使用的目的，此工藝在工業上稱為變溫吸附，簡稱TSA。本項目吸附劑采用顆粒活性炭，吸 附器兩吸一脫。

表3 活性炭吸附器設備參數

2.2.3 活性炭脫附工藝

本工藝采用三個活性炭器，兩個活性炭器進行吸附，一個活性炭器處于脫附或等待狀態。活性炭吸附飽和后，本工藝利用低壓水蒸汽將活性炭加熱，提高有機物分子動能，從而使有機物分子從活性炭表面逃離出來，以達到活化活性炭的目的；蒸汽從上部進入活性炭箱加熱活性炭層，然后有機蒸汽從活性炭箱下部引至冷凝器；冷凝后的有機水溶液進入分液槽分離后，分別進入溶劑回收箱和廢水箱；定期利用輸送泵將廢水和回收溶劑輸送至業主指定位置。本冷卻系統包括常溫水冷器和低溫水冷器，低溫水冷器的目的是進一步將高濃度廢氣冷凝，從而提高溶劑回收量。同時為防止碳器底層積液，本工藝設置排水降溫裝置，以提高活性炭裝置吸附性能。

2.2.4 活性炭干燥工藝

脫附完成后，因活性炭溫度較高，且碳器內含有一定量的水分，故利用蒸汽加熱后的新鮮空氣將碳器吹干。吹干完成后，活性炭器進入等待狀態，當其他碳器飽和后，閥門切換，使等待的碳器進入吸附狀態，其他碳器進入脫附狀態，閥門依次循環，使有機廢氣始終有效被活性炭吸附處理。

2.2.5 連接風管系統

連接風管包含所有與設備相關的進風、排煙風管以及系統設備之間的風管，它們將車間廢氣處理設備連接成完整系統，且所有管路不漏氣；在風管合理位置，設計有凝結水排放口；各風管預留檢修門，風管檢修門的數量及位置設計合理。

2.2.6 廢氣處理控制系統

廢氣處理控制系統采用集中監控PLC分布式控制，以滿足廢氣處理系統安全、長期、穩定、可靠的運行需求，即采用PLC+觸摸屏與電源柜、電氣控制柜、電磁閥箱、現場就地操作箱、現場儀表等組成整個控制系統，實現系統的獨立監控。在控制柜上設有觸摸屏，對系統進行集中動態監視和自動控制，工藝系統設備狀態和報警參數自動生成報表，并且所有信息保存至少3個月以上。系統可擴充TCP/IP協議和車間中央控制室的計算機相連；廢氣處理系統設有獨立的控制系統和中控室，安裝在平臺上；廢氣處理系統與萃取車間送排風信號交互，實現中控室一鍵連鎖啟動。

3 系統安全設計說明

設備設計有完整的安全系統，分為主動安全系統和被動安全系統。主動安全系統主要包括靜電導出系統，全方位溫度監控系統及整體防爆系統；被動安全系統包括各種緊急情況的處理程序及整體設備降溫系統。（1)靜電導出系統：主要包括碳床內靜電導出桿和整體設備的靜電接地。儀表選型嚴格按國家規范執行。（2)溫度監控系統：設備設計有多斷面、多點位的溫度監測系統和控制系統的PLC相連。PLC對所有溫度信號進行判斷并采取相應措施。（3)緊急情況處理程序：緊急情況處理程序主要包括設備溫度處理程序、閥門故障處理程序。當設備出現異常情況時，緊急程序自動啟動，尾氣排空，設備進入保護狀態。（4)吸附器消防保護系統：一旦吸附溫度超過設定值，自動打開蒸汽管道閥門。（5)裝置防爆等級達到ExdⅡBT4的要求。

4 運行效果分析

系統建成運行后，通過第三方檢測，從煙囪和設備入口取樣檢測數據來看，經環保設備凈化后，廢氣的質量濃度在5 mg/m3左右，達標情況良好，具體檢測數據如表4所示。

表4 環保設備檢測結果分析

從表4可以看出，系統總去除效率可達95%以上，穩定達標排放，廢氣排放濃度遠低于國家和地方排放標準要求。

5 經濟效益分析

按照原始風量24 000 m3/h，濃度按照平均1 200 mg/m3考慮，去除效率按照98%考慮，年運行8 000 h，回收溶劑主要為260#溶劑油，回收率按照80%左右計，按照目前市場價7 000元/噸左右考慮，回收溶劑可節省費用為126.5萬元/年。

6 結語

通過活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收的工藝處理新能源材料行業萃取過程中產生的廢氣，設備運行可靠，處理效果穩定，設備出口處廢氣排放濃度遠低于相關標準的排放限值，大大減少了廢氣排放量，具有良好的環境效益和經濟效益。