時間:2024-05-06 11:47
來源:科學環(huán)保人、正藍環(huán)保、VOCs指南,VOCs減排工作站
分子篩因其高效性和穩(wěn)定性,廣泛應運在VOCs治理領域。和固定床用的蜂窩/顆粒分子篩、沸石分子篩轉輪等,是僅次于活性炭的存在。如下文章對相關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成的吸附劑或薄膜類物質,其孔道的直徑在分子尺度上,使得分子篩可以根據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用。
一、分子篩與活性炭的比較 1.分子篩的基本特性及應用 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用中表現優(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)定性和化學穩(wěn)定性:可以在較高的溫度下使用,適合于熱再生。 可重復使用:經過適當的再生處理,可以多次使用,延長其使用壽命。 2.活性炭的基本特性及應用 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構而著稱。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:能夠吸附多種化學物質,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)應用中更經濟。 易于獲得:活性炭的來源廣泛,制備技術成熟。 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,可能導致非目標氣體也被吸附,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構損壞,導致吸附能力下降。 (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.應用選擇 選擇分子篩還是活性炭主要取決于處理需求和經濟考慮。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且預算有限的情況,活性炭可能更為合適。在實際應用中,這兩種材料有時也會被結合使用,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治理領域的應用 沸石分子篩在VOCs治理中,主要以盤式轉輪、筒式轉輪和固定床分子篩的形式進行應用。 1盤式轉輪 盤式沸石轉輪結構分區(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): 廢氣迎風面,一般風速控制在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,另外也順利實現了熱能回收。 (3)脫附區(qū): 將經過熱回收的氣體,再進行加熱溫度到200℃左右,進入脫附區(qū)進行冷卻。脫附再生的風量一般是進氣的10-20倍。當進行高溫再生,最高溫度可達到300℃左右,需要在設計時選擇高溫再生型轉輪。 (4)常見沸石轉輪不適用處理的物質 在分子篩轉輪上易發(fā)生聚合反應的烯烴類物質、有機硅氧烷、沸點超高260℃以上的大分子物質等,可能會對轉輪造成永久性損壞。按無法處理的物質成分、不允許進入轉輪的物質和限制進入轉輪的物質劃分如下表所示。 表1 轉輪無法處理的物質成分 表3 限制進入轉輪的物質 基材及沸石晶體結構的破壞是不可逆,聚合物導致通氣道堵塞基材及沸石晶體結構的破壞是不可逆,聚合物導致通氣道堵塞可逆的。高沸點物質殘留導致的石通氣道堵塞是可逆,特定離線活化工藝可恢復原始性能的80-90%。 我們再按照這個標準再劃分總結,如下: (5)沸石轉輪技術存在的問題與不足 A.轉輪技術存在的問題 轉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。 轉輪對廢氣的濃縮能力與自身的吸附容量有關。 通常所說“轉輪對廢氣能濃縮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,當運行不穩(wěn)定時,就很容易超標;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。所以,一般轉輪設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排放。 廢氣通過床層的風速是由它的停留時間決定的,對濃度較稀的廢氣,可以采用較大的風速。設計人員在設計轉輪風速時,要根據氣體的濃度進行選擇。由于采用轉輪處理的廢氣濃度一般都較低,所以可以采用較大的風速。但轉輪的風速不是隨意提升的,也必須考慮阻力問題。因此,轉輪的吸附層厚度最大也不會超過500mm。 此外轉輪還存在以下不足: i.從結構上看,轉輪屬移動床在運行時會將處理系統(tǒng)內所有部分都旋轉起來,這就導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,用于和旋轉的每個吸附單元進行接觸,以實現氣體的切換。這無疑會增加設備制造的難度。尤其是密封件,國內很少生產,基本依賴進口。 ii.不少轉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,在采用轉輪濃縮進行處理后,不可再進行催化燃燒,因為那樣將會產生毒性更強的光氣或二英)。 iii.部分研究認為,由于沸石轉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,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)律的認識。實際生產中,脫附效率與脫附溫度并不存在一定的正相關,即不同的吸附質均存在對應的理想脫附溫度,而這一溫度點與吸附質的沸點并不存在直接關聯。 2筒式轉輪 筒式沸石轉輪除了材料加工上的差異,從結構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構,來實現VOCs的吸附濃縮。結構分區(qū)上沒有了盤式的冷卻區(qū),當濃縮倍率一樣的話,其脫附能耗高于盤式轉輪。筒式轉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備的一大特點。 3固定床沸石分子篩 不論筒式轉輪或盤式轉輪,其應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)復雜。固定床沸石系統(tǒng)的應用,還需要積累經驗和優(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:甲醇、環(huán)己烷、甲醛、乙醛、二氯甲烷、戊烷等。 難脫附的物質: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。 導致沸石分子篩失效物質:酸性堿性物質;易于分解的鹵代烴有機物。 導致沸石孔道堵塞的物質:銨鹽、碳酸鈣、等粉塵顆粒物; 低沸點物質:沸點低于40℃以下的物質(C4以下的烷烴、烯烴、鹵代烴等) 高沸點物質:沸點在170℃~220℃的部分物質(三甲苯、乙二醇丁醚、丙二醇、乙二醇、DOTP、NMP、DMSO、DEF、丁內酯等) 沸石固定床的現場應用 1.沸石固定床可應用于大風量低濃度連續(xù)或間歇生產工藝;濃度不大于150~200mg/m3; 2.對于廢氣中含有易聚合的物質苯乙烯、大分子高沸點無種子,丙酮等; 3.連續(xù)性生產的UV膠印、絲網印刷、單凹印刷大風量低濃度,均可應用; 4.對于汽車噴涂、家具噴漆、模具噴漆等大風量等間歇生產均可應用; 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。表2 不允許進入轉輪的物質
編輯:李丹
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