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)以及日常生活中會產(chǎn)生各種各樣的有機(jī)廢氣，這些有機(jī)廢氣不僅會造成大氣污染，危害人體健康，而且還會造成資源的浪費。如在塑料印刷過程中，隨著油墨的干燥會排出大量的混合溶劑廢氣；覆膜過程中會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造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且人體若長期接觸或吸入，將會給神經(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)意識的增強(qiáng)，有機(jī)廢氣的排放造成的環(huán)境污染及其對人體健康的嚴(yán)重危害越來越成為各級政府和民眾關(guān)注的焦點。由于幾乎各行各業(yè)都會排放有機(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)展和社會需求的條件下，消除有機(jī)廢氣對環(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)。現(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，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；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。
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，整個系統(tǒng)的運行由PLC程序控制，自動切換吸附器，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)物自動溢流至儲槽，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
（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，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)可以實現(xiàn)多級吸附，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）運行能耗低、費用低
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）全自動控制、無人值守運行
采用德國西門子可編程序控制器中央控制，集成電磁閥、德國費斯托氣缸執(zhí)行動作，可靠性高。按照工藝流程設(shè)計的模擬盤顯示，運行狀況可以一目了然，并設(shè)計有故障檢測及指示功能？煽啃詮(qiáng)、操作簡單、便于維護(hù)。
（5）安全可靠、適用于有爆炸危險場所
采用防爆風(fēng)機(jī)、防爆泵？刂乒、氣動柜采用正壓防爆技術(shù)，外部信號通過安全柵連接，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)溶劑會全部揮發(fā)，與空氣混合后排放。據(jù)估計，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)效益及競爭力。為此，本文以某水松紙生產(chǎn)廠為例，對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)氣體實行分離單獨引入，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)溶劑儲罐（這時候乙醇的純度為95%）回用于生產(chǎn)。
4.2 設(shè)備運行情況
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)測中心站對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)備運行穩(wěn)定可靠，過程自動控制及自動報警達(dá)到了設(shè)計要求。自設(shè)備運行后，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 運行效果分析
從1年多的運行記錄來看，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
該臺印刷機(jī)設(shè)計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)計使用壽命為10年。裝置總投資300多萬元（未含公用工程費用）。
（2）運行費用
總運行費用約為149萬元/a。其中：1）蒸汽實際消耗量為620kg/h（包含溶劑精餾消耗蒸汽）, 每年運轉(zhuǎn)300天，按130元/t計，費用為58.032萬元/a；2）實際消耗電量為75kW/h，每年運轉(zhuǎn)300天,按0.7元/kW計，費用為37.8萬元/a；3）循環(huán)水實際消耗量為每天添加5t,每年運轉(zhuǎn)300天,按3元/t計，費用為0.45萬元/a；4）活性碳纖維的使用周期按1.5年計,則折舊費為22萬元/a；5）設(shè)備折舊按10年使用壽命計，則每年折舊費為27.7萬元；6）由于該設(shè)備為全自動運行，故只需巡檢，人工費用為3萬元/a。
（3）回收效益
該臺印刷機(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%計算，每年運行300天，乙醇每天回收4t，按4200元/t計算，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乙醇的消耗費用約為1242元。
通過活性碳纖維吸附裝置，一臺印刷機(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)實現(xiàn)情況
（1）設(shè)計指標(biāo)
此套活性碳纖維溶劑回收裝置的設(shè)計回收率為56%，從實際的生產(chǎn)記錄分析可知有機(jī)溶劑的實際回收率為80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計值。
（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，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和氣動調(diào)節(jié)閥，通過自動控制系統(tǒng)對解吸蒸汽的流量進(jìn)行控制，保證在解吸過程中蒸汽的流量和壓力穩(wěn)定，減少了解吸時高壓蒸汽對活性碳纖維床層的沖擊破壞。在控制面板上安裝的計算儀可顯示蒸汽瞬時流量和累計質(zhì)量流量。脫附蒸汽管路上增加了一個加熱套管，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，實際運行中用1.6倍的水蒸汽即可達(dá)到脫附效果。
對活性碳纖維進(jìn)行活化的蒸汽成為混合氣，脫附混合氣經(jīng)多級換熱裝置換熱后生成乙醇水溶液，存儲在儲槽中，再次解吸時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，也符合國家對于循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)節(jié)約型社會的要求，實現(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。
（2）活性碳纖維溶劑回收裝置由于具有能耗低、運行費用少、回收凈化過程全循環(huán)、低排放、可實現(xiàn)有機(jī)廢氣的資源化循環(huán)利用等特點，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、社會效益和環(huán)境效益，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，為我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。因此也必將會展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場競爭力。但該技術(shù)的廣泛推廣還有待于國家和地方環(huán)保部門對大氣環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)格管理與要求，以及各級政府部門在資金、稅收等政策上的支持，同時還需要加強(qiáng)對環(huán)保技術(shù)的宣傳，提高民眾的環(huán)保意識。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李旭明，張茂林，等.活性炭纖維的性能特征與應(yīng)用[J]. 河北紡織，2002.2： 18-21.
[2] 王成揚，馮麗萍，等. 活性炭纖維的表面特性及其對有機(jī)蒸氣的吸附研究[J]. 炭素，1999，No4:3-7.
[3] 黃振興，黃英. 動態(tài)吸附過程[J]. 新型炭材料，1994（2）：18-37.
[4] 黃振興，黃英. 動態(tài)吸附過程[J]. 新型炭材料，1994（3）：17-34.
[5] 田井和夫. 活性炭纖維[J]. 新型炭材料，2000，10（2）：18－23.
[6] 王茂章. 活性炭纖維的高功能化[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，1999，24（6）： 5－21.
[7] 吳德禮，朱申紅. 新型吸附劑的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 礦產(chǎn)綜合利用，2002，2 （1）：36－40.
[8] 張秀珍，李延平，徐強(qiáng)，等. 活性炭纖維的吸附效果研究及在空氣凈化方面 應(yīng)用[J]. 江蘇預(yù)防醫(yī)學(xué)，1996，11（3）：6-8.
[9] 符若文，杜秀英，黃愛萍. 負(fù)載ＰdＣｕ活性碳纖維的孔結(jié)構(gòu)研究[N]. 中山 大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，1（1）：46-50.
[10] 符若文，杜秀英，胡勇軍，等. 負(fù)載金屬活性碳纖維對ＮＯ催化分解性能的 研究[J]. 環(huán)境技術(shù)，2001，5（5）：41-46.
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