活性碳纤维有机废气回收技术在清洁生产中的应用
摘要:本文分析了我国工业生产中的有机废气处理问题，阐述了解决有机气体回收的重要性。通过对比各种有机废气处理技术，凸显了活性碳纤维回收技术的优越性。通过其在印刷化工行业的应用实例，提出推广应用活性碳纤维有机废气回收技术将创造出巨大的经济、社会和环境效益。
关键词:工业废气;吸附法;活性碳纤维;有机废气回收装置
1 有机废气及其危害
在工业生产以及日常生活中会产生各种各样的有机废气，这些有机废气不仅会造成大气污染，危害人体健康，而且还会造成资源的浪费。如在塑料印刷过程中，随着油墨的干燥会排出大量的混合溶剂废气；覆膜过程中会排出大量的乙酸乙酯等废气。
有机废气中所含的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs），一般是指室温下饱和蒸气压超过70.91Pa或沸点小于260℃的有机物，包括脂肪烃、芳香烃、酯类、酮类、醚类和卤代烃等。有机废气是有毒、有害的气体，它释放在空气中不仅会造成严重的环境污染，而且人体若长期接触或吸入，将会给神经系统及造血功能带来严重危害，甚至引发癌变及其他严重疾病直至死亡。
随着社会的发展，物质文明和生活水平的提高，环境保护意识的增强，有机废气的排放造成的环境污染及其对人体健康的严重危害越来越成为各级政府和民众关注的焦点。由于几乎各行各业都会排放有机废气，而且涉及这些有机物生产和使用的场所目前绝大部分尚未被治理。因此，如何在保持企业持续发展和社会需求的条件下，消除有机废气对环境和人体健康的严重危害，并能有效回收利用这些有机废气，实现经济的可持续发展和环境保护的“双赢”，已成为各企业所面临的严峻问题。而清洁生产将是解决这一难题最理想的办法和途径。从环保出发，在法律上予以规范，运用循环经济理论，发展循环经济，并利用高科技开发出有机废气循环利用新技术，实现有机废气的资源化回收利用。
2 有机废气的回收处理方法
目前常用的有机废气回收处理方法主要有冷凝法、吸收法、变压吸附法、吸附法与膜分离技术。现有的有机废气的回收处理方法与技术已无法满足日益增长的经济发展的需要和环境保护的要求，研究开发新型的、以实现有机废气资源化回收利用为目的的方法与技术已迫在眉睫。本文重点介绍的是吸附法中的活性碳纤维吸附法。
以新型吸附材料—活性碳纤维（ACF）为吸附剂的吸附法是近几年发展起来的一种新型的有机废气回收方法。与传统的以活性炭为吸附剂的炭质吸附法相比，活性碳纤维具有有效吸附容量大、吸附设备小、吸附效率高、吸附脱附快、有机废气资源化利用率高等优点，被认为是最有效的回收净化有机废气的新方法，近年来已引起广大研究工作者和相关企业的极大关注。
活性碳纤维是继粉末状、粒状活性炭之后于20世纪60-70年代发展起来的第三代新型功能吸附材料。与传统的活性炭相比，活性碳纤维具有以下优异特性：1）比表面积大，有效吸附容量高；2）吸附、脱附快，能耗低，容易再生；3）强度高、寿命长；4）形状多样，便于工程应用；5）可吸附低浓度气体；6）吸附选择性强。
3 活性碳纤维有机废气回收装置
以活性碳纤维有机废气回收装置中典型的三箱吸附装置为例，分析其设备组成、工艺流程及技术特点。
3.1 设备组成
吸附设备由引风风机、表冷器、过滤器、吸附器、分层槽等组成，整个系统的运行由PLC程序控制，自动切换吸附器，使之交替进行吸附、解吸和干燥工艺过程的操作。
3.2 工艺流程
活性碳纤维有机废气回收技术工艺流程见下图：
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挥发性有机气体先经过一定的前处理装置，再经过滤器进一步去除尾气中的杂质，以保证这些杂质不占用活性碳纤维的孔隙，影响活性碳纤维的吸附效率和使用寿命；过滤后的尾气经风机引入吸附设备。
吸附了一定数量有机溶剂的活性碳纤维，用饱和水蒸汽进行解吸，解吸完成后将通过过滤的外界空气送入吸附器由风机进行干燥，使活性碳纤维床层冷却并去除残留的蒸汽，使活性碳纤维保持较高的吸附效率。干燥好的吸附器进入下一工作程序循环进行吸附。
解吸出的含有机物的混合蒸汽进入冷凝器中进行一级冷凝，冷凝液再经板式冷凝器冷却，经过冷凝的有机物和冷凝水进入分层槽，经重力分层，上层的有机物自动溢流至储槽，然后经输送泵送到吸附回收设备；下层的冷凝水排入废水处理系统。
3.3 技术特点
（1）结构合理
吸附芯为笼型结构，具有活性碳纤维用量少，处理风量大的特点，可大幅度降低有机废气处理成本。
（2）吸附率高
由于活性碳纤维的比表面积特性，决定了其吸附率可高达95%以上。采用专利技术可以实现多级吸附，可以达到极高的吸附率，是目前国际上能够达到苛刻的环保排放要求的吸附装置。
（3）运行能耗低、费用低
由于活性碳纤维的脱附、再生能耗低，再加上活性碳纤维缠绕芯的气流阻力小、风机功率小，所以在运行中活性碳纤维有机废气净化回收装置的气耗和电耗均比较低。
（4）全自动控制、无人值守运行
采用德国西门子可编程序控制器中央控制，集成电磁阀、德国费斯托气缸执行动作，可靠性高。按照工艺流程设计的模拟盘显示，运行状况可以一目了然，并设计有故障检测及指示功能。可靠性强、操作简单、便于维护。
（5）安全可靠、适用于有爆炸危险场所
采用防爆风机、防爆泵。控制柜、气动柜采用正压防爆技术，外部信号通过安全栅连接，系统接地，确保了装置的安全性。
4 案例分析
在油墨印刷行业的水松纸印刷生产工艺中要使用大量的乙醇和少量的乙酸乙酯、二乙醇乙醚等溶剂用于溶解高分子树脂，在干燥成膜的过程中有机溶剂会全部挥发，与空气混合后排放。据估计，全国各大水松纸印刷生产厂家每年消耗乙醇等溶剂多达上万吨，每年要向大气中排放大量的有害物质，不仅会造成严重的环境污染，伤害生产工人的身体健康，而且也成为众多企业沉重的经济负担，严重影响企业的经济效益及竞争力。为此，本文以某水松纸生产厂为例，对该厂采用活性碳纤维有机废气回收装置治理有机废气的效果进行探讨。
4.1 项目概况
（1）基础数据
1）尾气组成为：乙醇、乙酸乙酯、乙二醇乙醚、空气；2）尾气风量：烘箱15000m3/h,印刷机车间收集风量10000m3/h（设计风量）；3）尾气浓度：10g/m3；4）尾气温度：烘箱＜90℃，印刷机车间＜40℃；5）设备要求：回收产品乙醇的浓度大于90%；乙醇预计回收率大于56%，进入吸附系统的乙醇回收率大于80%。
（2）工艺简述
在水松纸印刷中需要回收处理的有机尾气包括两部分，一部分是烘箱的排风尾气，另一部分是印刷机周围自然挥发的废气。印刷机上部排风与整条印刷机周围系统的挥发气体实行分离单独引入，在风管上分别设三通阀控制，用于在吸附装置出现故障时放空使用，以保证印刷设备不受影响。有机尾气进行过滤、冷却等处理后引入吸附装置，经吸附处理后的有机尾气回送车间。吸附一定量有机溶剂的活性碳纤维，用饱和水蒸汽进行脱附再生，吸附在活性碳纤维上的乙醇被蒸汽吹脱出来后与蒸汽形成气态混合物，混合物在换热器中与回收的冷凝液进行充分的换热后再经列管冷凝器进一步冷凝，冷凝下来的乙醇和水的混合液与吸附箱体中冷凝的混合液汇合，流入储槽中，然后用磁力泵打到精馏塔中进行精馏。塔顶的气体经过冷凝器冷凝后在气液分离器中进行气液分离，液体一部分回流到精馏塔中进行循环，一部分经过冷却器冷却后流入有机溶剂储罐（这时候乙醇的纯度为95%）回用于生产。
4.2 设备运行情况
有机溶剂回收设备于2007年2月安装到位，在具备试车条件下于2月26日正式试车，2007年3月1日完成试车考核。2007年5月22日委托当地省环境监测中心站对活性碳纤维印刷溶剂乙醇回收装置的进出口气体进行了测试，结果表明溶剂回收装置可有效回收乙醇溶剂，尾气中乙醇的去除率为96.76%。
该设备在整修试车的过程中，回收设备运行稳定可靠，过程自动控制及自动报警达到了设计要求。自设备运行后，车间及周边有机物浓度明显降低，环境得以显著改善。
4.3 运行效果分析
从1年多的运行记录来看，该厂每天使用 5 吨溶剂，经有机溶剂回收装置处理后可以回收 4 吨溶剂。
（1）投资情况
该台印刷机设计了三箱的活性碳纤维有机废气吸附回收装置和一套有机溶剂精制设备。整套回收系统设计使用寿命为10年。装置总投资300多万元（未含公用工程费用）。
（2）运行费用
总运行费用约为149万元/a。其中：1）蒸汽实际消耗量为620kg/h（包含溶剂精馏消耗蒸汽）, 每年运转300天，按130元/t计，费用为58.032万元/a；2）实际消耗电量为75kW/h，每年运转300天,按0.7元/kW计，费用为37.8万元/a；3）循环水实际消耗量为每天添加5t,每年运转300天,按3元/t计，费用为0.45万元/a；4）活性碳纤维的使用周期按1.5年计,则折旧费为22万元/a；5）设备折旧按10年使用寿命计，则每年折旧费为27.7万元；6）由于该设备为全自动运行，故只需巡检，人工费用为3万元/a。
（3）回收效益
该台印刷机每天使用5t乙醇及少量乙酸乙酯、乙二醇乙醚，按回收效率80%计算，每年运行300天，乙醇每天回收4t，按4200元/t计算，年回收效益为5t×80%×300天×4200元=504万元。年回收净效益约为504万元-149万元=355万元。折合每回收1t乙醇的消耗费用约为1242元。
通过活性碳纤维吸附装置，一台印刷机每年回收的乙醇溶剂可为该水松纸印刷厂带来近330多万元的经济效益。
4.4 技术指标实现情况
（1）设计指标
此套活性碳纤维溶剂回收装置的设计回收率为56%，从实际的生产记录分析可知有机溶剂的实际回收率为80%，远远超过设计值。
（2）热能循环利用成效分析
以前的溶剂回收工艺在活性碳纤维脱附时，一般需要用3～4倍的水蒸汽脱附，含溶剂冷凝水经处理后直接排放，从而会造成二次污染。本工艺采用了新的循环工艺，即在蒸汽管线上增加了蒸汽流量计和气动调节阀，通过自动控制系统对解吸蒸汽的流量进行控制，保证在解吸过程中蒸汽的流量和压力稳定，减少了解吸时高压蒸汽对活性碳纤维床层的冲击破坏。在控制面板上安装的计算仪可显示蒸汽瞬时流量和累计质量流量。脱附蒸汽管路上增加了一个加热套管，提高了减压后水蒸汽的温度，使之成为过热蒸汽，可提高脱附能力，降低能耗，实际运行中用1.6倍的水蒸汽即可达到脱附效果。
对活性碳纤维进行活化的蒸汽成为混合气，脱附混合气经多级换热装置换热后生成乙醇水溶液，存储在储槽中，再次解吸时用泵将水溶液与解吸混合蒸汽进行热交换后（温度可达到70℃）进入精馏塔中进行精馏。精馏提纯出的乙醇溶液可直接回用于生产。
通过节能、循环利用措施，与未改进前的工艺相比，此套设备的吸附装置年节约蒸汽用量约为1680t。既节约了资源，又降低了生产成本。
4.5 小结
从以上分析可以看出，采用ACF回收净化油墨印刷生产过程中产生的有机废气 ，回收的有机溶剂可用于再生产，大大节约了资源。此工艺不仅填补了国内空白，而且保护了大气环境，改善了工人的工作条件，同时降低了企业的生产成本，提高了企业经济效益，也符合国家对于循环经济和建设节约型社会的要求，实现了环境效益和经济效益的完美结合。
5 结语
（1）综上所述，从绿色环保出发，以清洁生产、有机废气的资源化循环利用为目的的新型有机废气回收净化技术将是有机废气处理技术的发展趋势。
（2）活性碳纤维溶剂回收装置由于具有能耗低、运行费用少、回收净化过程全循环、低排放、可实现有机废气的资源化循环利用等特点，所以应是有机废气回收净化的首选技术。
（3）该技术的推广应用将可创造出巨大的经济效益、社会效益和环境效益，实现资源的循环利用，为我国经济和社会的可持续发展做出贡献。因此也必将会展现出广阔的应用前景和市场竞争力。但该技术的广泛推广还有待于国家和地方环保部门对大气环境质量的严格管理与要求，以及各级政府部门在资金、税收等政策上的支持，同时还需要加强对环保技术的宣传，提高民众的环保意识。
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