廢活性炭再生過程脫附廢氣及其治理措施研究

李雪萍

(河南省化工研究所有限責任公司 , 河南 鄭州 450052)

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確了我國今后5年在揮發(fā)性有機物污染控制方面的工作目標,體現(xiàn)了VOCs減排在大氣空氣質量改善中的重要性。隨著VOCs綜合整治力度加強,VOCs吸附產(chǎn)生的廢活性炭量增加,隨意處置會造成二次污染,因此廢活性炭集中再生循環(huán)利用成了大勢所趨。

1 廢活性炭來源及再生必要性

VOCs處理技術主要有焚燒、冷凝回收、活性炭吸附、生物處理等[1]。根據(jù)市場調研結果,目前VOCs處理技術多為活性炭吸附(見表1)。

表1 VOCs各處理技術占比調研結果 %

VOCs治理力度的提高同時帶來了廢活性產(chǎn)生量的增加,衍生了廢活性炭的處置難題。根據(jù)《河南省危險廢物集中處置設施建設布局規(guī)劃指導意見》(豫環(huán)辦[2018]214號),目前河南省廢活性炭主要是通過物流轉移至鄭州、許昌、南陽等地進行最終的處置。處置去向多為水泥窯協(xié)同處置和焚燒,集中處置設施能力不足。因此活性炭分散吸附集中再生模式對活性炭資源循環(huán)利用、有機物的徹底焚燒去除是十分必要的。生態(tài)環(huán)境部多次指出有條件的工業(yè)園區(qū)和企業(yè)集群鼓勵建設分散吸附、集中脫附模式的活性炭集中再生中心,溶劑回收中心等涉VOCs'綠島'項目,實現(xiàn)VOCs集中高效處理。

2 廢活性炭再生工藝

廢活性炭的再生是指利用物理或化學手段,在保持廢活性炭原有結構的基礎上,除去所吸附的吸附質,恢復活性炭內部的孔隙結構,以便重新用于吸附。目前國內外活性炭再生技術主要有熱再生法、溶劑再生法、化學再生法、生物再生法和電化學再生法等[2]。

廢活性炭高溫熱再生法是目前生產(chǎn)工藝最成熟、工業(yè)應用最廣泛的再生方法。再生過程包括預熱階段、熱解階段、活化階段。顆粒狀活性炭多采用回轉窯再生,粉狀活性炭多采用固定外熱式再生爐。

預熱階段溫度約280 ℃,使炭粒內吸附的水分、低沸點的有機物隨之揮發(fā)。熱解階段溫度約600 ℃,活性炭中吸附的大部分有機物逐漸被分離出來,同時隨著溫度的升高,高沸點有機物被分解、炭化和氧化,并隨煙氣流動及物料的轉動與物料分離。活化階段溫度約900 ℃,物料在高溫作用下通入水蒸氣使活化孔徑逐步打開,同時活化部分殘留的炭,恢復活性炭的孔隙結構。

3 廢活性炭再生廢氣主要成分

廢活性炭再生廢氣中的污染物主要取決于所再生的活性炭來源,基本上含有顆粒物、SO2、NOx、CO、HCl、HF、HBr、NH3、二噁英、VOCs、重金屬等。

3.1 顆粒物(煙塵)

焚燒爐中顆粒物來源主要分為三部分:①再生爐中氣流擾動造成的活性炭飛揚及高溫造成的活性炭損失(炭損);②助燃天然氣等燃料燃燒;③爐內噴氧化鈣和活性炭粉。

顆粒物凈化措施有旋風除塵器、袋式除塵器、靜電除塵器等。根據(jù)再生廢氣顆粒物濃度高、溫度高等特點,易采用高溫脈沖袋式除塵器收集處理。

3.2 SO2

SO2主要來自廢活性炭中帶入的硫和助燃天然氣燃燒過程。煙氣脫硫分為濕法、半干法、干法三大類脫硫工藝。結合廢活性炭中S含量及管理要求,脫硫多采用干法、濕法組合工藝。

3.3 氮氧化物

由于廢活性炭再生溫度在900 ℃左右,熱力型NOx、快速型NOx產(chǎn)生量較少,NOx多為燃料型。

控制NOx的排放主要包括源頭治理和尾氣脫硝兩個部分。源頭治理主要采用低氮燃燒技術,尾氣脫硝工藝分為選擇性非催化還原(SNCR)脫硝法和選擇性催化還原(SCR)脫硝法,結合兩種工藝投資運行費用,同時考慮原料N含量及管理部門要求選擇。無特殊要求的地市,SNCR可滿足污染物達標排放要求,且廢氣處理成本較低。N含量高,管理部門要求嚴格的地市需采用SCR脫硝工藝。

3.4 氨

氨主要來自SNCR(尿素)脫硝,其排放量主要取決于脫硝裝置NH3逃逸設計參數(shù)。減少氨排放的主要途徑為嚴格設備選型,選用NH3逃逸小的設備。尾氣處理中增加噴淋設施也可減少氨排放。

3.5 一氧化碳(CO)

CO一部分來自固廢碳化物的熱分解,另一部分來自廢氣的不完全燃燒,固廢燃燒效率越高,排氣CO含量就越少。減少CO排放主要途徑為嚴格設備選型,選擇燃燒效率高的設備。

3.6 VOCs、HF、HCl、HBr、重金屬等

VOCs、HF、HCl、HBr、重金屬等主要來自廢活性炭中帶入的物料,VOCs還和脫附效率有一定的關系。針對高溫脫附的活化尾氣,VOCs濃度高、成分復雜無回收價值,易采用直接燃燒法(二燃室)去除其中的有毒有害物質。常用化工項目廢活性炭脫附尾氣中的VOCs成分主要為甲苯、二甲苯、苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、環(huán)己酮、異丙醇、正丁醇、苯乙烯等,燃燒熱值高,只需要少量助燃劑即可滿足燃燒需要。二燃室最高燃燒溫度需要1 100 ℃,停留時間>2 s,可實現(xiàn)脫附尾氣VOCs的徹底焚毀。

酸性物質凈化工藝分為干法、半干法和濕法三種,每種工藝有其組合形式,也各有優(yōu)缺點。針對脫附廢氣成分復雜、濃度不穩(wěn)定的特征,酸性廢氣多采用干法和濕法多級除酸工藝。重金屬物質多隨顆粒物一起排放,采用干式噴射吸附和袋式除塵器收集處理效果明顯。

3.7 二噁英

二噁英類化合物是指能與芳香烴受體Ah-R結合并能導致一系列生物化學效應的一大類化合物的總稱。在焚燒過程中二噁英及呋喃類物質的產(chǎn)生主要來自三方面:廢物本身成分、爐內形成、爐外低溫再合成。

二噁英是廢活性炭再生廢氣中較難控制的物質,需從源頭控制鹵素含量,制定嚴格的廢物接收標準。在設計上對燃燒室進行優(yōu)化,確保良好的燃燒狀況,減少爐內形成。考慮在爐外采取急冷措施(急冷塔)避開其再生成的溫度范圍;最后在急冷塔后設活性炭粉末噴射塔,保證絕大部分二噁英得到削減。

4 處理措施

活性炭再生脫附廢氣多采用“低氮燃燒+SNCR脫硝+急冷+干式噴射塔+布袋除塵+兩級堿液吸收+除霧+活性炭吸附”等組合工藝處理后經(jīng)排氣筒高空排放,可滿足大部分廢活性炭再生企業(yè)廢氣治理需要,具體工藝流程如圖1所示。

圖1 脫附再生廢氣處理工藝流程圖

①二燃室。設置二燃室的目的是使活化窯脫附廢氣在富氧條件下充分燃燒,主要作用是除去脫附廢氣中VOCs。二燃室燃燒溫度高達1 100 ℃,在此溫度條件下,前期合成的二噁英類也可徹底分解。尾氣中的VOCs得到充分氧化形成CO2、水蒸氣。②余熱鍋爐。二燃室高溫煙氣出口設余熱鍋爐,既降低了溫度,又回收了余熱,同時生產(chǎn)的水蒸氣可用于窯內炭的活化再生。保證急冷塔進口煙氣溫度。③急冷塔。為防止二噁英產(chǎn)生或二次合成,煙氣溫度應在1 s內下降到200 ℃以下,減少煙氣在200～500 ℃的滯留時間。急冷塔的主要作用是將煙氣迅速降溫,從源頭減少二噁英的生成。④氧化鈣、活性炭噴射塔。在袋式除塵器之前的煙氣管路上需設置氧化鈣、活性炭噴射反應器。采用高壓空氣輸送,通過變頻控制輸送量,向煙氣中添加粉狀氧化鈣、活性炭。在低溫200 ℃以下,粉狀氧化鈣吸附酸性物質、活性炭吸附二噁英類物質,吸附后進入袋式除塵器。⑤布袋除塵器。布袋除塵器不僅可去除煙氣內的細顆粒物,且布袋表面截留的粉狀物質可進一步去除煙氣中的二噁英、重金屬類。⑥二次噴淋塔。從布袋除塵器出來的煙氣進入濕法填料噴淋塔裝置,主要功能是進一步去除煙氣中的酸性物質,同時對煙氣內的粉塵有一定的去除效果。⑦除霧器。從噴淋塔出來的廢氣含有大量的水蒸氣,為避免其對后續(xù)活性炭處理造成影響設置除霧器,除去廢氣中含有的水分,減少活性炭吸附負荷。⑧活性炭吸附。除霧器后設置活性炭吸附裝置,保證有機物、重金屬顆粒物等的去除效率。

煙氣處理系統(tǒng)的分級處理效率及保守確定的綜合效率見表2。

表2 脫附再生廢氣處理系統(tǒng)去除效率一覽表

5 結語

隨著國家及各省市大氣攻堅及保衛(wèi)戰(zhàn)要求,VOCs治理力度加強,造成了廢活性炭產(chǎn)生量的增加,廢活性炭的集中再生成了大勢所趨。脫附再生廢氣成分復雜,處理麻煩,需結合廢活性炭不同的成分含量制定可行的處理措施。總體而言廢氣處理需要消除VOCs、脫硫脫硝、除顆粒物、控二噁英、除酸性氣體等組合工藝以保證廢氣達標排放。本文推薦廢氣處理工藝是廢活性炭脫附再生廢氣治理的可行工藝,在寧夏、廣東、河南等省市廢活性炭再生企業(yè)均有所應用,可保證廢氣達標排放。