有机溶剂废气回收装置简介

有机溶剂废气回收装置设计及应用2007年10月25日摘要：简要介绍了有机溶剂废气回收装置的应用前景、活性炭的应用特点及存在的问题、纺织涂层的市场概况，并探讨了废气回收装置设计要点。关键词 ：有机溶剂；活性炭；脱附、吸附；回收装置 0 引言 印染、医药、化学纤维、印刷、涂料、涂胶、塑料、感光材料、合成橡胶以及许多石油化工产品和焦化产品的生产使用过程中，都会产生大量的有机废气。本装置采用全自动控制有机废气的回收技术，在使用过程中日臻成熟和完善，目前已有良好的技术性能和广阔的应用市场。对工业生产所排出的废气进行吸附，既达到废气中的资源再生，又使得生产废气得以达标排放，回收后得到的溶剂可以重复使用。一般8个月至1年即可收回设备投资，得到政府和用户的极大欢迎。因此该技术利国利民，既有效控制了废气的排放，达到清洁环保生产的目的，又使宝贵资源得以循环利用，而且可以给用户带来可观的经济效益。有机废气直接排放到大气中对人体以及大气环境均会产生不良的影响。几乎所有的有机溶剂都是石油类衍生产品，生产、合成有机溶剂需要消耗能源与石油原料。随着石油价格的上浮，各种有机溶剂的价格也必然随之上涨。采取合理的技术方法与手段废气中回收有机溶剂，并使其重复利用已是国际社会关注的重要课题。以美国为例，目前与有机废气处理相关产业的产品年销售收入在40亿美元左右，并且以每年5%的速度递增。中国与有机废气处理相关产业的市场规模不亚于欧美国家，在有机废气有效回收利用的技术与手段上，则一直以来相对滞后。近年来，随着我国工业的高速发展，使用有机溶剂的种类也越来越多。以丙酮为首的各种溶剂，如甲苯、二甲苯等芳香族溶剂，醇类、酯类以及甲基乙基甲酮（MEK），异丁基甲基甲酮（MIBK）等溶剂，在合成纤维与合成树脂工业、印刷业、纸加工业等领域中大量地使用着。同时，各种产业部门还大量地使用着其它各种溶剂。如氟烃类及氯烃类有机化合物，用于进行金属的脱脂洗涤及精密机器制造业中的基盘类洗涤；环已烯酮用于磁记录媒体的制造；二氯甲烷用于制造摄影胶片等。防止这些溶剂在使用过程中蒸发飞散，进行回收及无害化处理，从节约资源、降低生产成本或者改善劳动卫生条件、保护地球环境方面来看，是必不可少的工作。 在碳氢化合物的排放规定中，有机溶剂在排气中的浓度，大体上都是在50100ppm（体积）以下。最近，从保护全球规模的环境出发，正在研究重新认识有害物质与对其规定加以强化的问题。 有机溶剂气体的回收装置或者进行无害化处理的装置，是根据相应的规定设计制造的。在规定的各种基准中，最初就有了作业环境基准。它从劳动安全的立场出发，规定了处理有机溶剂及有害物质的工厂、事业场所，必须遵守的空气中的有机溶剂及有害物质浓度。排气中所含的有机溶剂，大多是在涂布、蒸汽及干燥等工序中挥发到空气中的。除了不燃性的溶剂以外，由于受爆炸界限浓度的限制，通常排出时的浓度都在几千ppm（体积）以下。1 活性炭（1）活性炭的性能 活性炭对有机溶剂具有很强的亲和性，即使有水分存在，吸附效率下降的也不大，而且化学性质稳定，在有机溶剂的吸附中应用的很多。一般地由于价廉，回收溶剂中常用颗粒活性炭。此外，纤维活性炭具有较好的性能，生产使用中能耗低，有机溶剂的回收率较高，设备体积较小，维修方便，应是最优选择。附表1 颗粒活性炭纤维活性炭吸附-回收工艺比较（处理等量有机废气） 工艺类型颗粒活性炭工艺纤维活性炭工艺装置总重量装置体积吸附风压吸附床风阻解吸1Kg有机溶剂需用蒸汽量-Kg吸附时对床层冷却热风干燥吸附剂有效使用寿命/a运行周期（吸附解吸）运行方式运行费用有机溶剂回收率投资回收期 重 大 较大 大4 5冷却量大需要 1较长自动高50% 60%较长 较轻 较小 较小 小 2 冷却量小，有时不需要 不需要 2 5 30 40min全自动较低可达90%1年左右 活性炭的吸附性能由孔隙大小与比表面积决定。可以认为，孔隙的大小决定对吸附物质的选择性，而比表面积的大小则决定了吸附容量。活性炭的特点是比表面积比孔容积大，单位重量的吸附量也大。比表面积通常按照BET（BrunauerEmmett Teller）方程式，求出吸附等温线上的单分子层吸附量，从吸附分子的截面积确定比表面积的方法求得。 在温度一定的条件下，表示吸附成分（吸附质）的气体浓度或压力（严格地说是在吸附质单一成分体系中的压力）与单位质量吸附剂的吸附量之间关系的曲线是吸附等温线。无论是对吸附剂进行比较，还是在实际使用中，吸附等温线都是分析比较的依据。（2）活性炭的选用吸附材料的性能，直接影响到处理装置的投资和运行成本。工业上对吸附材料的要求是必须有大的比表面积（注意：应为有效比表面积）、高的孔隙率、均匀的孔径，而且要求脱附后的残留量尽可能地少。在选择确定活性炭的场合，活性炭对要回收的溶剂的平衡吸附特性当然是很重要的因素。此外，活性炭具有的粒度大小、着火点、强热残分、pH值、孔径及比表面积等各种性质，能够在实际使用的气体浓度、湿度、温度及压力等条件下，最有效地发挥吸附能力也是很重要。关于吸附性能，最重要的是孔径的大小及其分布，要选择所具有的孔径适合于目的物质的活性炭。但是，实际上要回收的溶剂很少为单一组分，通常是混合溶剂，含有从低佛点成分到高沸点成分的多种有机物质。因此，有些装置可以使用具有一定比例的微孔、中间孔及大孔的活性炭，也可以在吸附槽催化性活性炭在其所吸附的溶剂成分的脱附操作中被加热时，一般地氧化、分解、聚合等化学反应具有催化作用。这种溶剂的氧化、分解产物，有时会导致回收溶剂的质量下降。即酮类、酯类及醇类等比较容易发生反应的溶剂，在回收过程中容易发生化学变化。而且，当溶剂是有机卤化物时，分解时生成的少量的酸及卤素还会腐蚀吸附槽的材料。 （3） 活性炭的劣化作为活性炭在使用过程中吸附性能下降的原因，可以认为有如下几点：吸附气体中所含有的微量高分子物质或聚合性物质，在活性炭中的聚积；从脱附用水蒸气中混入的杂质；以及由吸附的溶剂所生成的高分子物质在活性炭中的蓄积等。特别是在目的吸附物质通过氧化、分解、聚合等化学反应，而生成在通常的脱附操作中不能除去的那些高沸点物质的场合，由于在活性炭的内部也生成这些物质，有时会导致吸附装置的性能急剧下降。 （4） 活性炭层的发热 溶剂回收中所发生的灾害性事故主要是活性炭着火。可以认为，大部分着火事故是由于活性炭对溶剂的吸附热或者是溶剂的氧化反应产生的反应热在活性炭层中蓄积，由异常升温而导致自然着火所引起的。活性炭是多孔性结构，导热性差，容易引起局部蓄热。在正常条件下的操作中，吸附所产生的热量与吸附气体的放热处于平衡状态。但当吸附的溶剂发生氧化、分解时，该平衡遭到破坏，便进一步的加速了氧化、分解反应的进行，最终导致温度的异常上升。 （5） 吸附溶剂的脱附可以说有机溶剂的脱附效果，直接决定了回收装置的回收率。要让所吸附的溶剂完全脱附将增加水蒸气的消耗量，提高回收成本；而控制水蒸气数量时，残留的溶剂量增加，活性炭的有效吸附量减少。在脱附后有干燥工序的场合，导致溶剂的逸散，出现回收率下降、排气中溶剂的浓度上升等问题。一般在脱附高沸点溶剂时，需要大量的脱附用水蒸气。不仅提高了脱附成本，而且由于溶剂与水的相互溶解性，增加了后续精制工序的成本。 （6）在润湿状态下的吸附性能 在活性炭含有水分或者流通的气体湿润的场合，活性炭对有机溶剂的吸附率一般将下降。但是，通过使用在润湿状态下也能维持相当的吸附能力的活性炭，便能够在至今不适于进行回收的条件下，仍然可以用来进行回收，而且还能节省水蒸气的用量。特别是在由于氧化、分解有可能发热的溶剂回收的场合，通过对吸附气体进行加湿处理，可以抑制活性炭层的温度升高，抑制反应的发生，防止着火。回收酮类溶剂的场合，这一点成为选择活性炭的重要条件。干燥的活性炭与湿润的活性炭吸附丙酮时的穿透曲线。穿透时间也是活性炭吸附容量的指标之一。由此可见水分对吸附带的性状产生的影响。 2 溶剂回收中的一些问题（1） 节能 使用水蒸气进行脱附的方法，是使用活性炭回收溶剂中最常用的一种方法。在大规模的溶剂回收设备中，水蒸气的用量很大。特别是回收高沸点溶剂及酮类溶剂的场合，由于安全方面的原因，使用大量的水蒸气。尽量减少水蒸气的用量，也是有机溶剂回收装置结构设计的重点。 （2） 回收溶剂的质量 由活性炭回收的溶剂中，往往会混入一些杂质。混入的杂质有两种类型，一种是要回收的溶剂，在活性炭上部分性地受到氧化、聚合或者水解作用后，混入回收液中；另一种是在使用溶剂的生产过程中，所添加的物质或者其分解、聚合的产物，与溶剂蒸气一同进入所回收的溶剂中。从使用溶剂的生产工段排出的含有溶剂的气体中，往往含有微量的高沸点物质。这些物质可能导致回收的溶剂质量下降，同时也是造成活性炭劣化的原因。因此要预先研究好对策。 3目前国内有机溶剂回收装置的设备概况现阶段在国家环保政策的界定下，全国各地诸多行业已有不少有机溶剂回收设备投入使用。 实例 1：纺织印染涂层工艺甲苯废气回收装置 实例 2 实例 3实例 4以上实例效果均欠理想，卧式罐（吸附床为颗粒活性炭）有机溶剂稳定回收率50%60%；立式罐（吸附床为纤维活性炭）有机溶剂稳定回收率30%70%，急待改进。 纺织涂层行业的市场概况国内大量使用有机溶剂进行工业生产的行业很多，尤其纺织涂层行业有机溶剂用量很大。在布匹涂胶的生产过程，大量使用有机溶剂甲苯调胶，全国同行业甲苯使用量数十万吨/年。一些纺织涂层工厂密集的地区，环境污染严重，在国家和地方政府政策、法规的规范下，不得不仓促使用一些性能不佳的有机溶剂回收装置。由于吸附回收的再生甲苯，品质下降不多，可以直接投入生产线。加上国际市场石油价格一再上涨，长期运营在高价位，导致石油的衍生产品甲苯，价格暴涨，近期的价格应在万元/吨以上。社会的环保意识，政府的环保法规，工厂生产成本的合力挤压，都在催生对创新、高效、理想的有机溶剂回收装置的需求。中国的有机废气排放总量相当惊人，有机废气处理相关产业发展迅速。有机溶剂吸附、脱附回收工艺的日渐成熟，有机溶剂吸附脱附回收装置的发展前景良好. 有机溶剂回收装置的设计要点（1）应将防爆性能置于首位。（2）系统的风阻要尽可能小。（3）系统的吸附床（罐）结构合理；吸附、脱附性能要好；能耗低；便于维修；结构简洁。（4）系统应能长期（数年）运行。5 有机溶剂回收装置的设计有机溶剂回收装置工作原理基本相同。但是不同类型的有机溶剂回收装置略有不同。（1） 纺织涂层甲苯回收的工艺流程图1 （预处理装置滤床使用颗粒活性炭；吸附罐滤床使用纤维活性炭） 涂层机生产运行后产出的有机废气经风管进入本系统，废气温度7090，废气中有机溶剂甲苯的浓度达10007000mg/m3,并含有少量架桥剂、硅油、细碎纤维、尘埃等物质，有机废气经粗滤装置，除去固态物质，通过表冷器废气温度可降至30。由主风机提供系统废气传送动力，再经预处理装置去除架桥剂、硅油等液态物质进入吸附罐，有机溶剂被纤维活性炭捕集、吸附并浓缩，净化的空气从罐体上部排入大气。当活性炭吸附有机物达到饱和状态后，停止吸入有机废气，利用有机溶剂物理性质送入蒸汽进行吹脱，将有机溶剂自活性炭中驱出。即所谓低温（28-35）吸附，高温（100-130）解吸。解吸后，由于纤维活性炭床体积较小，余温及余留蒸汽影响不大，在低温（约30）废气作用下，罐中活性炭迅速恢复其活性。吸附罐的工作程序：两吸（约30分钟）一脱（约15分钟），顺序循环进行。系统中冷凝器及表冷器的降温冷水，由冷却塔提供。有机溶剂回收:利用有机溶剂露点温度较高的特点，将蒸汽和有机溶剂的混合物引入冷凝器，使其冷凝，冷凝液进入分离器，利用溶剂比水轻的特点，分离回收。本系统在PLC的控制下，全自动运行。（2）实例： 纺织涂层甲苯回收装置的设计设计有关数据：处理有机废气-风量 5000m3/h 进入系统有机废气的温度 50-80 （为了保证降温效果，取高值）通过活性炭床有机废气的温度 35 （温度低，吸附效果好）通过活性炭床风速 0.15m/S-0.3m/S（工程设计经验值，取值低风阻以指数减小）有机废气吸附床层渡越时间 0.5S-1S （经验值，取值大达标排放、吸附效果好）废气甲苯浓度（允许最大值） 6000/m3（实际运行的设备上，可达此浓度） 活性炭纤维有机溶剂甲苯的饱和吸附率 20%-30% （取低值，以保证长期稳定运行）废气通风管道的风速应较低（10m/S左右），以避免高速气流的静电效应，造成安全隐患。依甲苯回收工艺流程，系统由风管闸阀、粗滤及表冷器、主风机、预处理罐、吸附罐、冷凝器、分离器、自动控制系统等部分组成。 设计的重点和难点吸附罐，回收系统的核心装置，系统设计的关键。吸附罐的设计：由工程实践经验，选定回收系统方案为两吸附罐结构。一吸一脱，每30分钟切换，交替运行。 单罐甲苯吸附量/30分钟 （ 6000/m3*5000m3 ）/2=15 单吸附罐纤维炭的使用量 15/20%=75 纤维活性炭过风截面不小于 5000m3/3600S/（0.15m/S）=9.26工程上为了尽量加大纤维活性炭床过风截面，降低回收装置的造价，确定为每单罐、内挂四圆柱体通风结构。便于加工制造。图2 纤维活性炭床示意图 选定结构的纤维活性炭床通风面积 0.4*3.14*2.3*4=11.5552 选定结构的纤维活性炭床通风速度 （5000/3600）/11.55520.12m/S 选定结构的纤维活性炭床废气渡越时间 （0.65-0.40）/2/0.121S选定结构的纤维活性炭床通风速度低，风阻小，废气渡越时间达到要求。经过估算，单吸附罐纤维活性炭的使用量，略高于计算值75。实际工程用量约为90。注意，上列计算，为设定吸附罐的活性炭床工作在理想状态下的结果。即吸附罐体结构，应能保证活性炭床的吸附体匀压吸附，避免因吸附风压的不均匀，造成吸附床局部的穿透效应。图 3 优选的溶剂回收吸附罐体结构示意图进风口排风口四具纤维吸附炭（圆柱体）床对称地悬挂在吸附罐体内。吸附罐下部，为废气进风通道，设置有进风盖板阀。同时起到通风动压、静压过渡转换即由进风口的高风速（动压高、静压低）迅即转换为低风速（动压低、静压高）。以便吸附床在（动压低、静压高）近似静压的状态下，均衡通风、均匀吸附。尽量避免吸附床的局部遭到高动压废气的冲刷，形成吸附床的局部提前吸附饱和，造成废气吸附的局部穿透。吸附罐下部，还是纤维活性炭床饱和脱附解吸汽、混合（水-甲苯等）冷凝液回收通道。 吸附罐的上部，设置排风盖板阀、脱附蒸汽进管等。 吸附罐按非压力罐标准制造。实际运行时，吸附罐脱附操作时罐体因同时排放汽、液，处于卸压状态吸附罐实际承受压力不高。纤维活性炭有机溶剂回收装置，罐体立式结构优点很多。体积小，重量轻，占地面积较小。但要注意设备安装场地应有足够的空间高度，便于设备的维修。回收装置的主体设备连接、组合时，应科学、简洁、紧凑、合理。图 4 纤维活性炭有机溶剂回收装置主体设备排列示意图 纺织行业的涂层工艺，因为棉布种类的多样性，涂胶品质的不同要求，调配胶类的有机溶剂混合多种物质。甲苯（约占95%）、架桥剂及硅油（约占4%）等。架桥剂及硅油等物质脱附温度较高，脱附困难，极易因累积效应，淤堵吸附床纤维活性炭的微孔结构，大幅降低其有效的比表面积，对纤维吸附炭床长期高效的稳定运行，影响很大。设置预处理装置是一个可行的方案。方法是利用颗粒活性炭的吸附性能，将架桥剂及硅油等物质拦截下来。 理想的预处理罐结构，应能对罐体内的颗粒活性炭进行再生化处理。 6 结束语 资源与环境制约我国可持续发展的瓶颈、资源的再生循环利用是可持续发展、清洁生产与循环经济技术等三个方面对资源环境与可持续发展的必然选择，我国人均资源储量不足，对外依存度上升。我国制造业的技术差距是能源消耗高、资源消耗高；我国化工业资源能源利用率低；我国工业的技术差距是环境污染重；清洁生产与循环经济是综合资源利用和环境影响的可持续生产模式。提高资源、能源利用率，在污染物排放负增长下，实现经济可持续发展。有机溶剂的回收利用是大环境下利国利民的技术项目，有待提高和发展。