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有机废气的净化治理技术

2019-06-13 19:19:41
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有机废气的净化治理技术可大体分为两类:回收方法和破坏性方法。回收方法是指利用VOCs自身的理化特性,将其从废气源中分离回收以重新利用,主要方法有吸收法、吸附法、冷凝法、膜分离法等。破坏性方法是指通过化学、生物、光、等离子等方法,将有机物转化为二氧化碳、水等对环境无害的或者危害相对较低的物质,主要方法有直接氧化焚烧、催化燃烧、生物处理、光催化分 解、低温等离子等。下面将对各种方法逐一作简要阐述。

(1)吸收法

光氧催化废气处理设备吸收法是在一定的温度和压力条件下,利用对VOCs有良好吸收和解吸性能的低挥发性或不挥发性吸收剂,对有机废气中的有机物进行吸收,然后再进行分离的方法。常用的吸收设备包括喷淋塔、填料塔和筛板塔等,其处理效果主要受到吸收剂的吸收性能、吸收设备的布局与结构、操作温度、气固接触面积、有机废气的浓度和流量等因素的影响。尤其是吸收剂的选择较为关键,如苯类废气通常采用柴油作吸收剂,但柴油本身易燃,在空气中饱和蒸汽压大,易挥发造成二次污染,因此针对特定种类的VOCs选择或配制合适的吸收剂成为了这方面研究的关键点。吸收法可用于大风量有机废气处理,具有工艺简单、运行费用低等优点,且能将某些有价值的VOCs回收利用,具有良好的经济效益,有着较为普遍的实际应用。但其缺点在于对低浓度VOCs吸收率不高,且存在吸收剂损耗、吸收剂利用和对应的二次污染废水处理等问题,这无疑也增加了工艺的复杂性和系统投资成本。

(2)吸附法

吸附法利用VOCs在多孔性固体吸附剂表面的高附着力,将其吸附在吸附剂上而将其从气流中分离,当吸附剂接近吸附饱和时再采用加热或者减压的手段,令VOCs与吸附剂脱附,分离得到高浓度的有机废气或者有机溶剂,结合其他手段进行后续的处理或者回收再利用。作为吸附剂的材料应当具有较大的比表面积和对VOCs具有良好的吸附性能,同时要求有一定的机械强度、较小的空气流动阻力和良好的化学稳定性。可采用的吸附剂包括活性炭、分子筛、活性氧化铝、硅胶、沸石及高分子吸附剂等,其中活性炭的应用较广。相较于其他吸附剂,其优点在于对脱附用的水蒸气稳定性好,可采用低压蒸汽作脱附介质,比表面积高,成本低廉,对于各种挥发性有机物均有较高的吸附容量。目前工业上常用的活性炭主要包括颗粒状活性炭、蜂窝状活性炭和活性炭纤维这三种。在实际处理过程中,吸附法应用极为广泛,具有净化效率高、能耗低、工艺成熟、可适用于大流量低浓度的有机废气净化处理的优点。缺点在于处理设备庞大、流程复杂,吸附剂用量和能耗大,当废气中含有杂质时,容易使吸附剂失效,且通常需要结合其他手段对吸附脱除的VOCs作进一步的回收或破坏性处理,如结合吸收法对脱附后的高浓度有机溶剂进行回收,或者结合催化燃烧法将浓缩后的有机废气完全氧化成水和二氧化碳。

(3)冷凝法

冷凝法的基本原理是使物质发生相变以达到分离不同物质的目的。在冷凝的过程中,有机废气被降到对应VOCs成分的露 点温度以下,达到过饱和状态,使VOCs凝结成液态从气体中分离出来,然后加以回收。要使VOCs冷凝,既可采用恒温下加压的方法,也可采用恒压下降温的方法。但由于通常待处理的有机废气流量都比较大,且为连续排放,因此多采用恒压下降温的方法。显然,这会增加处理的成本,因此冷凝法多应用于高浓度(5000ppm)、成分相对简单且回收价值高的VOCs废气处理,这也大大限制了该方法的应用范围。目前,该方法较少单独采用,多和其他方法联合使用,如吸附一冷凝法等,以提高处理过程的效率和经济性。

4)膜分离法

膜分离是利用有机蒸汽与空气在压力的作用下透过膜的速率不同,从而达到分离目的。气体通过膜的传递扩散方式依据膜的结构不同而有所不同,因而分离机理也有所差异,主要的分离机理包括:一,气体通过多孔膜的微孔扩散机理;二,气体通过非多孔膜的溶解一扩散机理。相应的技术有:膜气体渗透技术,即利用膜材料对VOCs的选择透过性来实现污染物的分离回收;二,膜吸收技术,即将膜接触器与传统的气体吸收过程结合在一起成为气液吸收过程。膜分离装置的核心部分为膜元件,常用的膜元件有平板膜、中空纤维和卷式膜。采用该法可以回收脂肪和芳香族碳氢化合物、含氯溶剂、酮、醛等大部分VOCs,回收效率高、无二次污染。但该技术的应用受限于膜材料和膜技术的发展水平,且目前处理能力较小,能耗较大,不适用于分子量较小的VOCs的处理。

(5)直接氧化焚烧

大多数VOCs都是直接可燃的,直接氧化焚烧法就是将VOCs加热到其燃点以上,燃烧生成C02,H20等对环境无害或者危害较小的物质而达到净化的目的。高温焚烧法的主要设备包括燃烧器、燃烧室和换热器等。净化过程中,待处理的VOCs废气先在间壁式或者蓄热式换热器中与从燃烧室出来的高温尾气进行换热,加热后的气体进入燃烧炉燃烧。燃烧过程中,一般需要从炉顶加入辅助空气与辅助燃料,燃料可用天然气或油。该法的优点在于净化效率高,当有机废气浓度高时还可以回收余热,适用于难以回收或回收价值不大的VOCs净化处理。但当废气中VOCs浓度较低时需要添加辅助燃料,增加运行费用。而且整个系统常常需要配置结构复杂的换热设备,且由于燃烧温度较高,容易产生NOX等二次污染问题。因此目前该法正逐渐被催化燃烧法所替代。

(6)催化燃烧法

环境工程中所应用的催化燃烧是指可燃性的VOCs在催化剂表面发生非均相氧化反应,生成CO2,H2O等的过程。由于催化剂能显著地降低反应的活化能,使氧化反应沿着新的途径进行,所以其燃烧起始温度和反应温度都要较一般的高温焚烧法来得低,因此在处理过程中废气仅需预热至200一400℃,减少对外加热量的需求,同时还可避免高温燃烧所产生的NOx等二次污染问题,适合于成分复杂的VOCs处理。尽管如此,当废气中有机物含量较低时,仍然需要补充热量以维持系统运行。此外,如果待净化处理的废气中含有粉尘等颗粒物,会在催化剂表面发生沉积,引起催化剂失活;如果废气中含有S,Cl等元素,还会产生催化剂中毒问题。

当废气浓度较低时,目前普遍的做法是将催化燃烧法和吸附法相结合,先通过吸附浓缩提高废气中VOCs的浓度,达到维持燃烧系统所需的气体较低热值要求后,进入催化燃烧反应器净化处理。此复合工艺技术适合于大风量、低浓度的VOCs治理,燃烧效率高、无需添加辅助热源,但这会不可避免地提高整个处理系统的复杂度,提高运行成本。

(7)生物处理法

生物处理法是近年发展起来的有机废气治理技术,其基本原理是:在适宜的环境下,附着在滤料介质上的微生物通过代谢活动,将废气中的VOCs转化为C02.H20等简单的无机物及细胞组成物质的过程。用于净化有机废气的生物法工艺主要有生物洗涤法,生物过滤法和生物滴滤法三种,相应的处理装置有生物滤池、生物滴滤池和生物洗涤塔等。生物处理法的主要缺点在于整个处理设备占地面积大;对与不同种类VOCs的净化需要培养不同的微生物群体,且对浓度波动大的废气适应性较差。

(8)光催化法

9号光催化法是指利用催化剂的光催化性,让特定波长的光照射纳米Ti02半导体材料,激发出“电子一空穴”对,这种“电子一空穴”在与周围的氧气、水发生反应后生成具有极强氧化性能力的自由基活性物质,可将气体中的甲醛、苯和氨气等污染物氧化分 解成C02,H20,反应过程可在常温下进行,且不存在二次污染或者吸附饱和等问题。但目前该技术仅应用于室内微量VOCs的净化或除臭,由于处理成本较高且处理时间长,尚未见到有关工业应用的报道。

(9)等离子体法

等离子体净化法是指通过施加电能将气体电离、生成高氧化性的自由基以加速气相氧化反应的进行,将有害的VOCs转化成C02,H20等简单无机物的净化技术。该法以被证实可有效应用于NOX。SO、和VOCs等多种气态污染物的脱除。目前,等离子体的产生方法包括电子束、辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、微波放电和滑动弧放电等。该法的优点在于适用的VOCs浓度范围广、去除率高、操作弹性大,但由于等离子体的能量利用率不高、单位时间处理量小、高频电源制造费用昂贵等原因,该法目前多处于实验室研究阶段。

如上所述,对于VOCs的净化处理,不同的处理方法所适用的有机废气浓度、废气流量均有所不同。就适用的废气流量而言,吸附法、直接燃烧法、催化燃烧和生物处理法适用于流量较大的有机废气处理;就适用的废气浓度而言,冷凝法和吸收法适用于高浓度废气的处理,直接燃烧法和催化燃烧次之,吸附法和生物法较适合低浓度有机废气的处理。其他如膜分离法、等离子体法和光催化法等还多停留在实验室研究阶段。


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