時間:2024-05-06 11:47
來源:科學(xué)環(huán)保人、正藍(lán)環(huán)保、VOCs指南,VOCs減排工作站
分子篩因其高效性和穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)運在VOCs治理領(lǐng)域。和固定床用的蜂窩/顆粒分子篩、沸石分子篩轉(zhuǎn)輪等,是僅次于活性炭的存在。如下文章對相關(guān)知識進行了簡單匯總及整理,有點益處,故分享給大家。
分子篩是一類具有均勻微孔,主要由硅、鋁、氧及其它一些金屬陽離子構(gòu)成的吸附劑或薄膜類物質(zhì),其孔道的直徑在分子尺度上,使得分子篩可以根據(jù)分子的大小進行選擇性吸附。沸石分子篩是指那些具有分子篩作用的天然及人工合成的晶態(tài)硅鋁酸鹽。沸石分子篩晶體具有吸附性、可交換性等諸多優(yōu)良性能,在VOCs治理中也有廣泛的應(yīng)用。
一、分子篩與活性炭的比較 1.分子篩的基本特性及應(yīng)用 分子篩對某些特定尺寸的VOC分子有較高的選擇性,這使得它在需要針對性去除特定組分的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。分子篩的主要優(yōu)點包括: 高選擇性:能夠針對特定大小的分子進行吸附,尤其適用于分子大小差異顯著的混合物。 高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性:可以在較高的溫度下使用,適合于熱再生。 可重復(fù)使用:經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑偕幚?,可以多次使用,延長其使用壽命。 2.活性炭的基本特性及應(yīng)用 活性炭是一種被廣泛使用的吸附材料,以其高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)而著稱。它對各種類型的VOCs均有較好的吸附效果?;钚蕴康闹饕獌?yōu)點包括: 廣泛的吸附能力:能夠吸附多種化學(xué)物質(zhì),尤其是極性和非極性有機物。 成本相對較低:在眾多吸附材料中,活性炭的成本相對較低,使得其在工業(yè)應(yīng)用中更經(jīng)濟。 易于獲得:活性炭的來源廣泛,制備技術(shù)成熟。 3.比較分析 (1)選擇性: 分子篩:對特定分子有更高的選擇性,適用于需要針對特定VOCs成分的場合。 活性炭:吸附范圍廣,但缺乏選擇性,可能導(dǎo)致非目標(biāo)氣體也被吸附,影響吸附效率。 (2)再生與耐用性: 分子篩:能夠在較高溫度下進行再生,且不易受到熱分解影響。 活性炭:再生時容易造成孔結(jié)構(gòu)損壞,導(dǎo)致吸附能力下降。 (3)成本考量: 分子篩:初始成本較高,但由于其高效的再生能力和長期的穩(wěn)定性,分子篩不需要經(jīng)常更換,使用成本低,維護成本低,長期成本可能較低。 活性炭:初始成本較低,但頻繁更換和再生的成本可能較高。 4.應(yīng)用選擇 選擇分子篩還是活性炭主要取決于處理需求和經(jīng)濟考慮。對于需要高選擇性和可以承受較高初期投資的場合,分子篩是更好的選擇。而對于處理范圍廣泛的VOCs且預(yù)算有限的情況,活性炭可能更為合適。在實際應(yīng)用中,這兩種材料有時也會被結(jié)合使用,以利用各自的優(yōu)點,達到最佳的處理效果。 二、沸石分子篩在VOCs治理領(lǐng)域的應(yīng)用 沸石分子篩在VOCs治理中,主要以盤式轉(zhuǎn)輪、筒式轉(zhuǎn)輪和固定床分子篩的形式進行應(yīng)用。 1盤式轉(zhuǎn)輪 盤式沸石轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)分區(qū)為吸附區(qū)、再生區(qū)及冷卻區(qū)三個部分,一般都是按10:1:1的分區(qū)比例。 (1)吸附區(qū): 廢氣迎風(fēng)面,一般風(fēng)速控制在2-4Nm/s,凈化效率一般在90-97%,凈化氣進入煙囪。 (2)冷卻區(qū): 一般采用制程氣進行冷卻,一方面降低了冷卻區(qū)沸石的溫度,使得其具有吸附性,另外也順利實現(xiàn)了熱能回收。 (3)脫附區(qū): 將經(jīng)過熱回收的氣體,再進行加熱溫度到200℃左右,進入脫附區(qū)進行冷卻。脫附再生的風(fēng)量一般是進氣的10-20倍。當(dāng)進行高溫再生,最高溫度可達到300℃左右,需要在設(shè)計時選擇高溫再生型轉(zhuǎn)輪。 (4)常見沸石轉(zhuǎn)輪不適用處理的物質(zhì) 在分子篩轉(zhuǎn)輪上易發(fā)生聚合反應(yīng)的烯烴類物質(zhì)、有機硅氧烷、沸點超高260℃以上的大分子物質(zhì)等,可能會對轉(zhuǎn)輪造成永久性損壞。按無法處理的物質(zhì)成分、不允許進入轉(zhuǎn)輪的物質(zhì)和限制進入轉(zhuǎn)輪的物質(zhì)劃分如下表所示。 表1 轉(zhuǎn)輪無法處理的物質(zhì)成分 表2 不允許進入轉(zhuǎn)輪的物質(zhì) 表3 限制進入轉(zhuǎn)輪的物質(zhì) 基材及沸石晶體結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆,聚合物導(dǎo)致通氣道堵塞基材及沸石晶體結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆,聚合物導(dǎo)致通氣道堵塞可逆的。高沸點物質(zhì)殘留導(dǎo)致的石通氣道堵塞是可逆,特定離線活化工藝可恢復(fù)原始性能的80-90%。 我們再按照這個標(biāo)準(zhǔn)再劃分總結(jié),如下: (5)沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)存在的問題與不足 A.轉(zhuǎn)輪技術(shù)存在的問題 轉(zhuǎn)輪并不是對所有的氣體都能處理。 對一些不易處理的廢氣,如易聚合的烯烴、炔烴組分(脫附時容易聚合堵塞)、苯乙烯、涂裝行業(yè)UV漆的聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯等,沸石就顯得無能為力。 轉(zhuǎn)輪對廢氣的濃縮能力與自身的吸附容量有關(guān)。 通常所說“轉(zhuǎn)輪對廢氣能濃縮20~40倍”,只是個概念問題。如果廢氣濃度本來就很低,不要說濃縮到40倍,就是50倍60倍都是有可能的。如果廢氣濃度高,比如1000mg/m3,那恐怕連10倍的濃縮比也達不到。 任何一種吸附裝置都有吸附周期的問題。 也就是說,任何一個吸附裝置都有破點的問題,如果吸附操作中在即將達到破點時才切換,當(dāng)運行不穩(wěn)定時,就很容易超標(biāo);但是如果在距離破點還有較長的時間就提前切換,就不會超標(biāo)。所以,一般轉(zhuǎn)輪設(shè)定的吸附時間都會比達到破點的時間要短得多,因而很容易做到達標(biāo)排放。 廢氣通過床層的風(fēng)速是由它的停留時間決定的,對濃度較稀的廢氣,可以采用較大的風(fēng)速。設(shè)計人員在設(shè)計轉(zhuǎn)輪風(fēng)速時,要根據(jù)氣體的濃度進行選擇。由于采用轉(zhuǎn)輪處理的廢氣濃度一般都較低,所以可以采用較大的風(fēng)速。但轉(zhuǎn)輪的風(fēng)速不是隨意提升的,也必須考慮阻力問題。因此,轉(zhuǎn)輪的吸附層厚度最大也不會超過500mm。 此外轉(zhuǎn)輪還存在以下不足: i.從結(jié)構(gòu)上看,轉(zhuǎn)輪屬移動床在運行時會將處理系統(tǒng)內(nèi)所有部分都旋轉(zhuǎn)起來,這就導(dǎo)致運行時的能耗會增加;把用于氣流切換的閥門變成了與吸附單元硬摩擦的密封件,并將這些密封件固定在不同的位置,用于和旋轉(zhuǎn)的每個吸附單元進行接觸,以實現(xiàn)氣體的切換。這無疑會增加設(shè)備制造的難度。尤其是密封件,國內(nèi)很少生產(chǎn),基本依賴進口。 ii.不少轉(zhuǎn)輪的脫附都是采用高溫(180℃~200℃)脫附,這不僅造成了能源浪費,也不利于資源回收。即使為了與后續(xù)的催化燃燒相銜接,也沒必要采用高溫去脫附??梢圆捎玫蜏孛摳胶髮γ摳綒庠偌訜?,這樣就能實現(xiàn)節(jié)能。因為此時省去了對整個吸附系統(tǒng)加熱的能量,同時采用較低的溫度脫附,也省去了對床層進行冷卻的能量(對于含氯的揮發(fā)性有機物,在采用轉(zhuǎn)輪濃縮進行處理后,不可再進行催化燃燒,因為那樣將會產(chǎn)生毒性更強的光氣或二英)。 iii.部分研究認(rèn)為,由于沸石轉(zhuǎn)輪的脫附比熱相對較低的空氣或工業(yè)氮氣作為脫附介質(zhì),必須依靠脫附才能確保較高的再生效率。但這種觀點是基于“溫度越高脫附效果越好”的錯誤脫附規(guī)律的認(rèn)識。實際生產(chǎn)中,脫附效率與脫附溫度并不存在一定的正相關(guān),即不同的吸附質(zhì)均存在對應(yīng)的理想脫附溫度,而這一溫度點與吸附質(zhì)的沸點并不存在直接關(guān)聯(lián)。 2筒式轉(zhuǎn)輪 筒式沸石轉(zhuǎn)輪除了材料加工上的差異,從結(jié)構(gòu)上和盤式有很大的區(qū)別,利用模塊化沸石材料填充成筒狀結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)VOCs的吸附濃縮。結(jié)構(gòu)分區(qū)上沒有了盤式的冷卻區(qū),當(dāng)濃縮倍率一樣的話,其脫附能耗高于盤式轉(zhuǎn)輪。筒式轉(zhuǎn)輪的濃縮倍率最高可以做到50倍,濃縮倍率越高其搭配的燃燒裝置或其他就規(guī)格越小,其模塊化沸石便于安裝和維護也是設(shè)備的一大特點。 3固定床沸石分子篩 不論筒式轉(zhuǎn)輪或盤式轉(zhuǎn)輪,其應(yīng)用場景都要求工況具有連續(xù)性。因此在固定床活性炭發(fā)展的基礎(chǔ)上,通過改變吸附材料,形成了固定床的蜂窩沸石分子篩吸附床。 由于沸石分子篩的特性,其動態(tài)吸附容量遠(yuǎn)小于活性炭,且脫附溫度高(250℃左右)。采用固定床系統(tǒng)對閥門的氣密性、固定床的保溫、脫附溫升的控制等方面都加大了系統(tǒng)復(fù)雜。固定床沸石系統(tǒng)的應(yīng)用,還需要積累經(jīng)驗和優(yōu)化難點解決方案。 沸石固定床與其他吸附劑的對比表 難以吸附的物質(zhì):甲醇、環(huán)己烷、甲醛、乙醛、二氯甲烷、戊烷等。 難脫附的物質(zhì):油霧、焦油、漆霧、丙烯啨、丁二烯、苯乙烯和其他超過200℃的高沸點物質(zhì)。 導(dǎo)致沸石分子篩失效物質(zhì):酸性堿性物質(zhì);易于分解的鹵代烴有機物。 導(dǎo)致沸石孔道堵塞的物質(zhì):銨鹽、碳酸鈣、等粉塵顆粒物; 低沸點物質(zhì):沸點低于40℃以下的物質(zhì)(C4以下的烷烴、烯烴、鹵代烴等) 高沸點物質(zhì):沸點在170℃~220℃的部分物質(zhì)(三甲苯、乙二醇丁醚、丙二醇、乙二醇、DOTP、NMP、DMSO、DEF、丁內(nèi)酯等) 沸石固定床的現(xiàn)場應(yīng)用 1.沸石固定床可應(yīng)用于大風(fēng)量低濃度連續(xù)或間歇生產(chǎn)工藝;濃度不大于150~200mg/m3; 2.對于廢氣中含有易聚合的物質(zhì)苯乙烯、大分子高沸點無種子,丙酮等; 3.連續(xù)性生產(chǎn)的UV膠印、絲網(wǎng)印刷、單凹印刷大風(fēng)量低濃度,均可應(yīng)用; 4.對于汽車噴涂、家具噴漆、模具噴漆等大風(fēng)量等間歇生產(chǎn)均可應(yīng)用; 5.能耗相對來說比較低,在平時工作過程中,一直處于吸附狀態(tài)到脫附時間后才進行脫附。
編輯:李丹
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