活性碳纖維有機(jī)廢氣回收技術(shù)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用
摘要:本文分析了我國工業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)廢氣處理問題,，闡述了解決有機(jī)氣體回收的重要性。通過對(duì)比各種有機(jī)廢氣處理技術(shù),，凸顯了活性碳纖維回收技術(shù)的優(yōu)越性,。通過其在印刷化工行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例，提出推廣應(yīng)用活性碳纖維有機(jī)廢氣回收技術(shù)將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì),、社會(huì)和環(huán)境效益,。
關(guān)鍵詞:工業(yè)廢氣;吸附法;活性碳纖維;有機(jī)廢氣回收裝置
1 有機(jī)廢氣及其危害
在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的有機(jī)廢氣，這些有機(jī)廢氣不僅會(huì)造成大氣污染,，危害人體健康,，而且還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。如在塑料印刷過程中,，隨著油墨的干燥會(huì)排出大量的混合溶劑廢氣,；覆膜過程中會(huì)排出大量的乙酸乙酯等廢氣。
有機(jī)廢氣中所含的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds,，VOCs）,，一般是指室溫下飽和蒸氣壓超過70.91Pa或沸點(diǎn)小于260℃的有機(jī)物，包括脂肪烴,、芳香烴,、酯類、酮類,、醚類和鹵代烴等,。有機(jī)廢氣是有毒、有害的氣體,，它釋放在空氣中不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,，而且人體若長(zhǎng)期接觸或吸入，將會(huì)給神經(jīng)系統(tǒng)及造血功能帶來嚴(yán)重危害,，甚至引發(fā)癌變及其他嚴(yán)重疾病直至死亡,。
隨著社會(huì)的發(fā)展，物質(zhì)文明和生活水平的提高,，環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),，有機(jī)廢氣的排放造成的環(huán)境污染及其對(duì)人體健康的嚴(yán)重危害越來越成為各級(jí)政府和民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。由于幾乎各行各業(yè)都會(huì)排放有機(jī)廢氣,，而且涉及這些有機(jī)物生產(chǎn)和使用的場(chǎng)所目前絕大部分尚未被治理,。因此，如何在保持企業(yè)持續(xù)發(fā)展和社會(huì)需求的條件下,，消除有機(jī)廢氣對(duì)環(huán)境和人體健康的嚴(yán)重危害,，并能有效回收利用這些有機(jī)廢氣，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的“雙贏”,，已成為各企業(yè)所面臨的嚴(yán)峻問題,。而清潔生產(chǎn)將是解決這一難題最理想的辦法和途徑。從環(huán)保出發(fā),，在法律上予以規(guī)范,，運(yùn)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),，并利用高科技開發(fā)出有機(jī)廢氣循環(huán)利用新技術(shù),，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的資源化回收利用。
2 有機(jī)廢氣的回收處理方法
目前常用的有機(jī)廢氣回收處理方法主要有冷凝法,、吸收法,、變壓吸附法、吸附法與膜分離技術(shù)?，F(xiàn)有的有機(jī)廢氣的回收處理方法與技術(shù)已無法滿足日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和環(huán)境保護(hù)的要求,，研究開發(fā)新型的、以實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣資源化回收利用為目的的方法與技術(shù)已迫在眉睫,。本文重點(diǎn)介紹的是吸附法中的活性碳纖維吸附法,。
以新型吸附材料—活性碳纖維（ACF）為吸附劑的吸附法是近幾年發(fā)展起來的一種新型的有機(jī)廢氣回收方法。與傳統(tǒng)的以活性炭為吸附劑的炭質(zhì)吸附法相比,，活性碳纖維具有有效吸附容量大,、吸附設(shè)備小、吸附效率高,、吸附脫附快,、有機(jī)廢氣資源化利用率高等優(yōu)點(diǎn),，被認(rèn)為是最有效的回收凈化有機(jī)廢氣的新方法,，近年來已引起廣大研究工作者和相關(guān)企業(yè)的極大關(guān)注。
活性碳纖維是繼粉末狀,、粒狀活性炭之后于20世紀(jì)60-70年代發(fā)展起來的第三代新型功能吸附材料,。與傳統(tǒng)的活性炭相比,，活性碳纖維具有以下優(yōu)異特性：1）比表面積大，有效吸附容量高,；2）吸附,、脫附快,，能耗低，容易再生,；3）強(qiáng)度高,、壽命長(zhǎng)；4）形狀多樣,，便于工程應(yīng)用,；5）可吸附低濃度氣體；6）吸附選擇性強(qiáng),。
3 活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置
以活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置中典型的三箱吸附裝置為例,，分析其設(shè)備組成、工藝流程及技術(shù)特點(diǎn),。
3.1 設(shè)備組成
吸附設(shè)備由引風(fēng)風(fēng)機(jī),、表冷器、過濾器,、吸附器,、分層槽等組成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由PLC程序控制,，自動(dòng)切換吸附器,，使之交替進(jìn)行吸附、解吸和干燥工藝過程的操作,。
3.2 工藝流程
活性碳纖維有機(jī)廢氣回收技術(shù)工藝流程見下圖：
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揮發(fā)性有機(jī)氣體先經(jīng)過一定的前處理裝置,，再經(jīng)過濾器進(jìn)一步去除尾氣中的雜質(zhì)，以保證這些雜質(zhì)不占用活性碳纖維的孔隙,，影響活性碳纖維的吸附效率和使用壽命,；過濾后的尾氣經(jīng)風(fēng)機(jī)引入吸附設(shè)備。
吸附了一定數(shù)量有機(jī)溶劑的活性碳纖維,，用飽和水蒸汽進(jìn)行解吸,，解吸完成后將通過過濾的外界空氣送入吸附器由風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥，使活性碳纖維床層冷卻并去除殘留的蒸汽,，使活性碳纖維保持較高的吸附效率,。干燥好的吸附器進(jìn)入下一工作程序循環(huán)進(jìn)行吸附。
解吸出的含有機(jī)物的混合蒸汽進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行一級(jí)冷凝,，冷凝液再經(jīng)板式冷凝器冷卻,，經(jīng)過冷凝的有機(jī)物和冷凝水進(jìn)入分層槽，經(jīng)重力分層,，上層的有機(jī)物自動(dòng)溢流至儲(chǔ)槽,，然后經(jīng)輸送泵送到吸附回收設(shè)備；下層的冷凝水排入廢水處理系統(tǒng),。
3.3 技術(shù)特點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)合理
吸附芯為籠型結(jié)構(gòu),，具有活性碳纖維用量少,，處理風(fēng)量大的特點(diǎn)，可大幅度降低有機(jī)廢氣處理成本,。
（2）吸附率高
由于活性碳纖維的比表面積特性,，決定了其吸附率可高達(dá)95%以上。采用專利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)吸附,，可以達(dá)到極高的吸附率，是目前國際上能夠達(dá)到苛刻的環(huán)保排放要求的吸附裝置,。
（3）運(yùn)行能耗低,、費(fèi)用低
由于活性碳纖維的脫附、再生能耗低,，再加上活性碳纖維纏繞芯的氣流阻力小,、風(fēng)機(jī)功率小，所以在運(yùn)行中活性碳纖維有機(jī)廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均比較低,。
（4）全自動(dòng)控制,、無人值守運(yùn)行
采用德國西門子可編程序控制器中央控制，集成電磁閥,、德國費(fèi)斯托氣缸執(zhí)行動(dòng)作,，可靠性高。按照工藝流程設(shè)計(jì)的模擬盤顯示,，運(yùn)行狀況可以一目了然,，并設(shè)計(jì)有故障檢測(cè)及指示功能?？煽啃詮?qiáng),、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù),。
（5）安全可靠,、適用于有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所
采用防爆風(fēng)機(jī)、防爆泵,?？刂乒瘛鈩?dòng)柜采用正壓防爆技術(shù),，外部信號(hào)通過安全柵連接,，系統(tǒng)接地，確保了裝置的安全性,。
4 案例分析
在油墨印刷行業(yè)的水松紙印刷生產(chǎn)工藝中要使用大量的乙醇和少量的乙酸乙酯,、二乙醇乙醚等溶劑用于溶解高分子樹脂，在干燥成膜的過程中有機(jī)溶劑會(huì)全部揮發(fā),，與空氣混合后排放,。據(jù)估計(jì),，全國各大水松紙印刷生產(chǎn)廠家每年消耗乙醇等溶劑多達(dá)上萬噸，每年要向大氣中排放大量的有害物質(zhì),，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,，傷害生產(chǎn)工人的身體健康，而且也成為眾多企業(yè)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及競(jìng)爭(zhēng)力,。為此，本文以某水松紙生產(chǎn)廠為例,，對(duì)該廠采用活性碳纖維有機(jī)廢氣回收裝置治理有機(jī)廢氣的效果進(jìn)行探討,。
4.1 項(xiàng)目概況
（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
1）尾氣組成為：乙醇、乙酸乙酯,、乙二醇乙醚,、空氣；2）尾氣風(fēng)量：烘箱15000m3/h,印刷機(jī)車間收集風(fēng)量10000m3/h（設(shè)計(jì)風(fēng)量）,；3）尾氣濃度：10g/m3,；4）尾氣溫度：烘箱＜90℃，印刷機(jī)車間＜40℃,；5）設(shè)備要求：回收產(chǎn)品乙醇的濃度大于90%,；乙醇預(yù)計(jì)回收率大于56%，進(jìn)入吸附系統(tǒng)的乙醇回收率大于80%,。
（2）工藝簡(jiǎn)述
在水松紙印刷中需要回收處理的有機(jī)尾氣包括兩部分,，一部分是烘箱的排風(fēng)尾氣，另一部分是印刷機(jī)周圍自然揮發(fā)的廢氣,。印刷機(jī)上部排風(fēng)與整條印刷機(jī)周圍系統(tǒng)的揮發(fā)氣體實(shí)行分離單獨(dú)引入,，在風(fēng)管上分別設(shè)三通閥控制，用于在吸附裝置出現(xiàn)故障時(shí)放空使用,，以保證印刷設(shè)備不受影響,。有機(jī)尾氣進(jìn)行過濾、冷卻等處理后引入吸附裝置,，經(jīng)吸附處理后的有機(jī)尾氣回送車間,。吸附一定量有機(jī)溶劑的活性碳纖維，用飽和水蒸汽進(jìn)行脫附再生,，吸附在活性碳纖維上的乙醇被蒸汽吹脫出來后與蒸汽形成氣態(tài)混合物,，混合物在換熱器中與回收的冷凝液進(jìn)行充分的換熱后再經(jīng)列管冷凝器進(jìn)一步冷凝，冷凝下來的乙醇和水的混合液與吸附箱體中冷凝的混合液匯合,，流入儲(chǔ)槽中,，然后用磁力泵打到精餾塔中進(jìn)行精餾。塔頂?shù)臍怏w經(jīng)過冷凝器冷凝后在氣液分離器中進(jìn)行氣液分離，液體一部分回流到精餾塔中進(jìn)行循環(huán),，一部分經(jīng)過冷卻器冷卻后流入有機(jī)溶劑儲(chǔ)罐（這時(shí)候乙醇的純度為95%）回用于生產(chǎn),。
4.2 設(shè)備運(yùn)行情況
有機(jī)溶劑回收設(shè)備于2007年2月安裝到位，在具備試車條件下于2月26日正式試車,，2007年3月1日完成試車考核,。2007年5月22日委托當(dāng)?shù)厥…h(huán)境監(jiān)測(cè)中心站對(duì)活性碳纖維印刷溶劑乙醇回收裝置的進(jìn)出口氣體進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明溶劑回收裝置可有效回收乙醇溶劑,，尾氣中乙醇的去除率為96.76%。
該設(shè)備在整修試車的過程中,，回收設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，過程自動(dòng)控制及自動(dòng)報(bào)警達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。自設(shè)備運(yùn)行后，車間及周邊有機(jī)物濃度明顯降低,，環(huán)境得以顯著改善。
4.3 運(yùn)行效果分析
從1年多的運(yùn)行記錄來看,，該廠每天使用 5 噸溶劑,，經(jīng)有機(jī)溶劑回收裝置處理后可以回收 4 噸溶劑。
（1）投資情況
該臺(tái)印刷機(jī)設(shè)計(jì)了三箱的活性碳纖維有機(jī)廢氣吸附回收裝置和一套有機(jī)溶劑精制設(shè)備,。整套回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命為10年,。裝置總投資300多萬元（未含公用工程費(fèi)用）。
（2）運(yùn)行費(fèi)用
總運(yùn)行費(fèi)用約為149萬元/a,。其中：1）蒸汽實(shí)際消耗量為620kg/h（包含溶劑精餾消耗蒸汽）, 每年運(yùn)轉(zhuǎn)300天,，按130元/t計(jì)，費(fèi)用為58.032萬元/a,；2）實(shí)際消耗電量為75kW/h,，每年運(yùn)轉(zhuǎn)300天,按0.7元/kW計(jì)，費(fèi)用為37.8萬元/a,；3）循環(huán)水實(shí)際消耗量為每天添加5t,每年運(yùn)轉(zhuǎn)300天,按3元/t計(jì)，費(fèi)用為0.45萬元/a,；4）活性碳纖維的使用周期按1.5年計(jì),則折舊費(fèi)為22萬元/a；5）設(shè)備折舊按10年使用壽命計(jì),，則每年折舊費(fèi)為27.7萬元,；6）由于該設(shè)備為全自動(dòng)運(yùn)行，故只需巡檢，人工費(fèi)用為3萬元/a,。
（3）回收效益
該臺(tái)印刷機(jī)每天使用5t乙醇及少量乙酸乙酯,、乙二醇乙醚，按回收效率80%計(jì)算,，每年運(yùn)行300天,，乙醇每天回收4t，按4200元/t計(jì)算,，年回收效益為5t×80%×300天×4200元=504萬元,。年回收凈效益約為504萬元-149萬元=355萬元。折合每回收1t乙醇的消耗費(fèi)用約為1242元,。
通過活性碳纖維吸附裝置,，一臺(tái)印刷機(jī)每年回收的乙醇溶劑可為該水松紙印刷廠帶來近330多萬元的經(jīng)濟(jì)效益,。
4.4 技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況
（1）設(shè)計(jì)指標(biāo)
此套活性碳纖維溶劑回收裝置的設(shè)計(jì)回收率為56%,，從實(shí)際的生產(chǎn)記錄分析可知有機(jī)溶劑的實(shí)際回收率為80%,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值。
（2）熱能循環(huán)利用成效分析
以前的溶劑回收工藝在活性碳纖維脫附時(shí),，一般需要用3～4倍的水蒸汽脫附,，含溶劑冷凝水經(jīng)處理后直接排放,，從而會(huì)造成二次污染。本工藝采用了新的循環(huán)工藝,，即在蒸汽管線上增加了蒸汽流量計(jì)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)解吸蒸汽的流量進(jìn)行控制，保證在解吸過程中蒸汽的流量和壓力穩(wěn)定,，減少了解吸時(shí)高壓蒸汽對(duì)活性碳纖維床層的沖擊破壞,。在控制面板上安裝的計(jì)算儀可顯示蒸汽瞬時(shí)流量和累計(jì)質(zhì)量流量。脫附蒸汽管路上增加了一個(gè)加熱套管,，提高了減壓后水蒸汽的溫度，使之成為過熱蒸汽,，可提高脫附能力,，降低能耗,，實(shí)際運(yùn)行中用1.6倍的水蒸汽即可達(dá)到脫附效果,。
對(duì)活性碳纖維進(jìn)行活化的蒸汽成為混合氣，脫附混合氣經(jīng)多級(jí)換熱裝置換熱后生成乙醇水溶液,，存儲(chǔ)在儲(chǔ)槽中,，再次解吸時(shí)用泵將水溶液與解吸混合蒸汽進(jìn)行熱交換后（溫度可達(dá)到70℃）進(jìn)入精餾塔中進(jìn)行精餾。精餾提純出的乙醇溶液可直接回用于生產(chǎn),。
通過節(jié)能,、循環(huán)利用措施，與未改進(jìn)前的工藝相比,，此套設(shè)備的吸附裝置年節(jié)約蒸汽用量約為1680t,。既節(jié)約了資源，又降低了生產(chǎn)成本,。
4.5 小結(jié)
從以上分析可以看出，采用ACF回收凈化油墨印刷生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣 ,，回收的有機(jī)溶劑可用于再生產(chǎn)，大大節(jié)約了資源,。此工藝不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白,，而且保護(hù)了大氣環(huán)境，改善了工人的工作條件,，同時(shí)降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本,，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,，也符合國家對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的完美結(jié)合,。
5 結(jié)語
（1）綜上所述,，從綠色環(huán)保出發(fā)，以清潔生產(chǎn),、有機(jī)廢氣的資源化循環(huán)利用為目的的新型有機(jī)廢氣回收凈化技術(shù)將是有機(jī)廢氣處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),。
（2）活性碳纖維溶劑回收裝置由于具有能耗低、運(yùn)行費(fèi)用少,、回收凈化過程全循環(huán),、低排放、可實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的資源化循環(huán)利用等特點(diǎn),，所以應(yīng)是有機(jī)廢氣回收凈化的首選技術(shù),。
（3）該技術(shù)的推廣應(yīng)用將可創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。因此也必將會(huì)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。但該技術(shù)的廣泛推廣還有待于國家和地方環(huán)保部門對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)格管理與要求，以及各級(jí)政府部門在資金,、稅收等政策上的支持,，同時(shí)還需要加強(qiáng)對(duì)環(huán)保技術(shù)的宣傳,，提高民眾的環(huán)保意識(shí)。
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