Девять основных процессов, область применения и контроль затрат на очистку отходящих газов, содержащих летучие органические соединения.
2026-06-24
С ростом индустриализации наблюдается дальнейший рост загрязнения летучими органическими соединениями (ЛОС). В условиях ужесточения экологической политики в последнее время контроль выбросов органических загрязняющих веществ стал еще более важным. Рассмотрим доступные как внутри страны, так и за рубежом технологии, а также их преимущества и недостатки.
I. Принципы очистки и классификация
Современные методы очистки от летучих органических соединений (ЛОС) включают деструктивные, неразрушающие и их комбинации.
Деструктивные методы включают сжигание, биоокисление, термическое окисление, фотокаталитическое окисление, низкотемпературную плазму и их интегрированные технологии. Эти методы в основном используют химические или биохимические реакции, применяя свет, тепло, микроорганизмы и катализаторы для преобразования ЛОС в нетоксичные неорганические соединения с малыми молекулами, такие как CO2 и H2O.
Неразрушающие методы, также известные как методы регенерации, в основном используют адсорбцию на углероде, абсорбцию, конденсацию и мембранные технологии разделения. Эти методы используют физические средства, контролируя температуру и давление, или применяя селективные проницаемые мембраны и селективные адсорбенты для обогащения и разделения ЛОС.
Традиционные методы очистки от ЛОС обычно включают абсорбцию, адсорбцию и сжигание. В последние годы быстро развиваются технологии полупроводниковых фотокатализаторов и низкотемпературная плазма.
II. Анализ процесса
1. Процесс адсорбции
(1) Введение в процесс адсорбции
Адсорбция в основном подходит для очистки газообразных загрязняющих веществ низкой концентрации. Для органических газов высокой концентрации обычно требуется конденсация или другие процессы для снижения концентрации перед адсорбционной очисткой. Технология адсорбции является наиболее классической и широко используемой технологией очистки газов, а также одной из основных технологий промышленной обработки летучих органических соединений (ЛОС). Ключевые технологии адсорбции включают адсорбенты, адсорбционное оборудование и процессы, регенерационные среды и процессы постобработки.
Активированный уголь широко используется для адсорбции и извлечения органических газов благодаря своей большой удельной поверхности и микропористой структуре. В настоящее время исследования адсорбции органических газов активированным углем в основном сосредоточены на прогнозировании адсорбционного равновесия, модификации материалов активированного угля и влиянии физико-химических свойств органического вещества на адсорбционные свойства активированного угля.
(2) Принцип и блок-схема процесса адсорбции активированным углем
Адсорбция органических отходящих газов с помощью активированного углеродного волокна — одна из самых передовых технологий в мире на сегодняшний день. Активированное углеродное волокно обладает большей адсорбционной способностью и более быстрой кинетикой адсорбции, чем гранулированный активированный уголь. Схема процесса адсорбции и десорбции активированного угля показана на рисунке 1.
(3) Факторы, влияющие на процесс адсорбции активированного угля
(4) Физическая адсорбция активированного угля при очистке воздуха, как показано на рисунке 2, представляет четыре сценария:
* Диаметр молекул больше диаметра пор; из-за стерических препятствий молекулы не могут проникнуть в поры и, следовательно, не адсорбируются.
* Диаметр молекул равен диаметру пор; адсорбент обладает сильной силой захвата и очень подходит для адсорбции при низких концентрациях.
* Диаметр молекул меньше диаметра пор; внутри пор происходит капиллярная конденсация, что приводит к большой адсорбционной способности.
* Диаметр молекул значительно меньше диаметра пор; адсорбированные молекулы легко десорбируются, что приводит к высокой скорости десорбции и малой адсорбционной способности при низких концентрациях. (5) Преимущества и недостатки процесса адсорбции активированного угля
Преимущества:
· Подходит для различных загрязняющих веществ при низких концентрациях;
• Активированный уголь недорог и потребляет мало энергии, что делает его экономичным в использовании;
• Органические вещества, растворенные в растворителе, могут быть извлечены путем десорбции и конденсации;
• Удобен в использовании, для работы ему достаточно контакта с воздухом;
• Активированный уголь обладает хорошей кислото- и щелочестойкостью, термостойкостью и высокой химической стабильностью. Недостатки:
• Малая адсорбционная способность. Физическая адсорбция страдает от насыщения адсорбции. По мере расхода адсорбента адсорбционная способность ослабевает, и после определенного периода использования адсорбционная способность может снизиться или адсорбционная функция может быть утрачена.
• В процессе адсорбции возникает проблема специфичности адсорбции. Для смешанных газов адсорбционная способность может ослабевать. Также возникает несоответствие между диаметром молекул и размером пор активированного угля, что приводит к десорбции.
2. Процесс абсорбции
(1) Введение в процесс абсорбции
Метод абсорбции летучих газов в промышленных отходящих газах с помощью раствора, растворителя или воды для их отделения от отходящих газов называется абсорбцией. Раствор, растворитель и вода называются абсорбентами. Различные абсорбенты могут поглощать различные вредные газы.
Аккумулятор, используемый в абсорбционном процессе, называется абсорбером, очистителем или скруббером. Технологический процесс абсорбции аналогичен процессу влажной пылеудаления, за исключением того, что в влажной пылеудалении используется вода, тогда как в абсорбционном процессе вредные газы очищаются с помощью растворителя или раствора.
(2) Принцип и технологический процесс абсорбции
В качестве примера рассмотрим добычу нефти и газа. К добыче нефти и газа следует отнести нефть и газ, образующиеся в процессе погрузки и разгрузки на нефтеперерабатывающих заводах, химических предприятиях и нефтегазозаправочных станциях. Весь процесс от добычи нефти и газа до момента продажи представляет собой комплексную систему.
В Соединенных Штатах и европейских странах на автозаправочных станциях обычно используются одноступенчатые и двухступенчатые методы добычи нефти и газа. Это включает в себя замкнутый цикл разгрузки и заправки, возврат нефти и газа из резервуаров в автоцистерны и использование вакуумных устройств или внутреннего давления в топливном баке для возврата газа в резервуар во время заправки. Устройства для добычи нефти и газа устанавливаются на нефтебазах, нефтеперерабатывающих заводах и других объектах распределения нефтепродуктов.
Для добычи нефти и газа обычно используются абсорбционные методы. Нефть и газ, образующиеся в процессе погрузки и разгрузки, поступают в абсорбционную башню, а обедненный воздух выходит через выходное отверстие. Вакуумная десорбция абсорбирующей жидкости происходит в десорбционной башне, а десорбированная абсорбирующая жидкость рециркулируется. В абсорбционной башне для рекуперации используется бензин для рекуперации поступающего десорбированного газа, а отходящий газ возвращается в абсорбционную башню для повторения процесса. В качестве абсорбирующей жидкости для рекуперации летучих органических соединений с использованием методов растворной абсорбции обычно используется специальная абсорбирующая жидкость, и выбор абсорбирующей жидкости влияет на эффективность рекуперации.
(3) Преимущества и недостатки абсорбционного процесса
Преимущества:
Аккумуляторный процесс относительно прост, с меньшими инвестициями в оборудование. Эксплуатационные и технические затраты примерно эквивалентны затратам на адсорбцию на углероде. Поскольку в качестве абсорбирующей среды используется керосин и абсорбирующая жидкость, отсутствует проблема вторичного загрязнения.
Недостатки:
Этот процесс имеет низкую эффективность рекуперации, что затрудняет соблюдение допустимых норм выбросов нефтегазовых ресурсов при высоких экологических требованиях; оборудование занимает большую площадь; высокое энергопотребление; и значительный расход абсорбента, требующий постоянного пополнения.
3. Процесс конденсации
(1) Введение в процесс конденсации
В процессе хранения, транспортировки и продажи нефтепродуктов некоторые легкие углеводородные компоненты испаряются в атмосферу, вызывая потери ресурсов и нанося вред окружающей среде. Одновременно с этим, органические растворители широко используются в промышленном производстве, и их большое количество ежегодно испаряется в воздух, нанося вред здоровью человека и вызывая серьезное загрязнение окружающей среды. Применение соответствующих методов извлечения этих летучих органических соединений может не только снизить производственные затраты предприятия, но и принести значительные экологические выгоды. Конденсация — эффективный метод извлечения ЛОС. Ее основной принцип заключается в использовании различных давлений насыщенного пара газообразных загрязняющих веществ при разных температурах и давлениях. Понижая температуру и повышая давление, определенные органические соединения конденсируются, тем самым очищая и извлекая ЛОС.
(2) Принцип и блок-схема процесса конденсации
Конденсаторное оборудование для добычи нефти и газа использует многоступенчатую каскадную или самокаскадную холодильную технологию. Несмотря на относительную сложность технологического процесса, его ключевые компоненты, компрессор и дроссельный механизм, локализованы, что приводит к снижению инвестиционных и эксплуатационных затрат.
В зависимости от принципа работы теплообменных трубок, система может быть разделена на контур хладагента и газовый контур, соединенные теплообменными трубками. В газовом контуре низкотемпературный хладагент обменивается теплом с горячей смесью органических растворителей в теплообменнике. Органический растворитель сжижается и рекуперируется, а хладагент поступает в накопительный бак.
В контуре хладагента компрессор сжимает хладагент до высокотемпературного газообразного состояния высокого давления, которое сжижается через воздухоохлаждаемый конденсатор. После прохождения через осушающий фильтр холодный жидкий хладагент обменивается теплом с хладагентом в теплообменнике «хладагент-хладагент». Низкотемпературный хладагент поступает в накопительный бак, а хладагент через всасывающий фильтр поступает на вход компрессора, завершая весь процесс теплообмена между хладагентами.
(3) Факторы, влияющие на процесс конденсации: Метод конденсационного разделения для извлечения легких углеводородов требует охлаждения исходного газа. По принципу действия его можно разделить на дросселирующее расширение и расширительное охлаждение. По процессу конденсацию можно разделить на охлаждение с использованием хладагента (например, пропана), дросселирующее расширение, расширительное охлаждение и смешанное охлаждение (добавление хладагента на основе расширительного охлаждения или дросселирующего расширения самого технологического потока).
Методы разделения включают дистилляционное разделение в дистилляционной системе и фазовое равновесное разделение в сепараторе. Этот процесс обычно включает обезвоживание, повышение давления (газ низкого давления), дистилляцию и охлаждение. Выбор каждой части вышеуказанного процесса конденсации повлияет на конечный эффект конденсации.
(4) Преимущества и недостатки процесса конденсации
Преимущества: Метод конденсации использует различные температуры кипения веществ для извлечения, подходит для органических веществ с высокими температурами кипения. Этот метод имеет преимущества высокой чистоты извлечения, простоты оборудования и процесса, а также низкого энергопотребления; он также имеет преимущества компактного оборудования, небольшой занимаемой площади, высокой степени автоматизации, удобства обслуживания, хорошей безопасности и выхода в виде жидкого масла, которое может быть непосредственно использовано;
Недостатки: Для соответствия стандарту метод конденсации требует снижения температуры до очень низкого уровня, что потребляет огромное количество электроэнергии и не является настоящей «энергосбережением и сокращением выбросов». 4. Технология мембранного разделения
(1) Введение в технологию мембранного разделения
В процессе добычи и хранения нефти некоторые нефтепродукты испаряются в атмосферу, образуя нефтяные пары. Помимо воздуха, эти пары в основном содержат углеводороды C4-C5 и небольшое количество ароматических углеводородов. Выбросы органических паров не только приводят к серьезным потерям ресурсов, но и значительно влияют на качество воздуха, тем самым воздействуя на здоровье человека. В настоящее время основными методами разделения и извлечения органических паров являются конденсация, адсорбция на активированном угле, мембранное разделение и абсорбция растворителем. Технология мембранного разделения является высокоэффективным методом разделения.
(2) Принцип и блок-схема процесса мембранного разделения
Системы мембранного разделения органических паров обеспечивают разделение за счет механизма растворения-диффузии. Когда молекулы газа контактируют с мембраной, они растворяются на ее поверхности, создавая градиент концентрации с обеих сторон. Поскольку различные молекулы газа диффундируют с разной скоростью через плотную мембрану, молекулы газа диффундируют изнутри мембраны на другую сторону, в конечном итоге десорбируясь с другой стороны и обеспечивая разделение.
Установка мембранного разделения расположена после конденсатора высокого давления и перед буферным резервуаром. Из-за недостаточной мощности компрессора отработавших газов только часть газа проходит через установку мембранного разделения; остальная часть непосредственно поступает в буферный резервуар. Пермеат возвращается в охладитель низкого давления, а отработавшие газы поступают в буферный резервуар.
(3) Факторы, влияющие на процессы мембранного разделения
Материал опорного слоя существенно влияет на скорость проникновения и скорость извлечения углеводородных ЛОС. Для одного и того же материала опорного слоя скорость проникновения и скорость извлечения углеводородных ЛОС увеличиваются с уменьшением размера пор. Однако, когда размер пор достигает определенного критического значения, дальнейшее уменьшение размера пор приведет к снижению как скорости проникновения, так и скорости извлечения углеводородных ЛОС. (4) Преимущества и недостатки мембранной технологии разделения
Преимущества: Мембранная технология разделения — это передовая технология в науке о разделении в современной нефтехимической инженерии. Она характеризуется низкими инвестициями, быстрыми результатами, простым процессом, высокой степенью извлечения, низким энергопотреблением и отсутствием вторичного загрязнения, а также обладает высоким технологическим содержанием.
Недостатки: Высокие инвестиции; низкий уровень отечественного производства мембран, высокая цена и короткий срок службы мембран; мембранные разделительные устройства требуют стабильного потока и давления газа, а также предъявляют высокие эксплуатационные требования.
5. Технология сжигания
(1) Введение в технологию сжигания
Одним из методов обработки ЛОС является так называемая деструктивная технология, которая использует химические или биологические методы для преобразования ЛОС в нетоксичные или малотоксичные неорганические вещества, такие как диоксид углерода, вода и хлористый водород. Методы сжигания относятся к этой категории.
Методы сжигания делятся на прямое сжигание и каталитическое сжигание. Прямое сжигание подходит для обработки отходящих газов с высокой концентрацией ЛОС. Однако его рабочая температура обычно составляет от 800 до 1200 ℃, что приводит к высокому энергопотреблению и затратам. Кроме того, в отходящих газах легко образуются побочные продукты, такие как диоксины и оксиды азота. Поскольку концентрация ЛОС в отходящих газах, как правило, низкая, одной лишь теплоты реакции недостаточно для поддержания требуемой температуры реакции.
Для повышения тепловой эффективности были проведены обширные исследования. Одно из направлений — улучшение характеристик катализатора для снижения температуры реакции. Другое направление — исследование новых технологических процессов и конструкций реакторов, позволяющих реакции протекать самонагревающимся образом при более высоких температурах.
(2) Принцип и блок-схема процесса сжигания
В каталитическом сжигании предварительный нагрев является основным процессом. Органические отходящие газы нагреваются в камере предварительного нагрева перед поступлением в реактор, поскольку их концентрация низка ниже 100 градусов Цельсия, и они не могут генерировать достаточно тепла для поддержания своей работы. После очистки в процессе сжигания они обмениваются теплом с неочищенными отходящими газами для рекуперации части тепла. Газовый или электрический нагрев является распространенным методом в этом процессе, нагревающим газ до температуры воспламенения, необходимой для каталитической реакции.
(3) Факторы, влияющие на процесс сжигания
Выбор катализатора каталитического сжигания имеет решающее значение, поскольку его характеристики играют решающую роль в эффективности удаления и энергопотреблении. Катализаторы для окисления летучих органических соединений (ЛОС) обычно классифицируются на две категории: катализаторы из благородных металлов (платина, палладий и др.) и катализаторы из оксидов металлов (медь, хром, марганец и др.). Катализаторы из благородных металлов широко используются в каталитическом сжигании ЛОС благодаря их превосходной воспламеняющей активности. Среди катализаторов из благородных металлов, используемых для каталитического окисления ЛОС, платина обладает большей активностью, чем палладий. (4) Преимущества и недостатки процесса сжигания
Преимущества: По сравнению с прямым сжиганием, он имеет более низкие затраты на вспомогательное топливо, генерирует меньше NOx, имеет меньшие размеры оборудования для сжигания и обеспечивает более высокие показатели удаления ЛОС.
Недостатки: Катализаторы дороги, и выхлопные газы не должны содержать компонентов, которые могут деактивировать катализатор.
6. Процесс биофильтрации
(1) Введение в процесс биофильтрации
Используя метаболические процессы микроорганизмов для биодеградации различных органических и некоторых неорганических веществ, он может эффективно удалять загрязняющие вещества из промышленных выхлопных газов. Это биологический метод очистки органических отходящих газов.
Первым, кто предложил использовать микроорганизмы для очистки выхлопных газов, был Бах, который в 1923 году использовал почвенный фильтр для очистки содержащих H2S пахучих газов, выбрасываемых очистными сооружениями. Во многих регионах Германии и Нидерландов эта технология широко и успешно применяется для контроля запахов, летучих органических соединений и токсичных выбросов в атмосферу, при этом эффективность контроля многих распространенных загрязняющих веществ в воздухе достигает более 90%.
(2) Принципы и блок-схема процесса биофильтрации
Система биофильтрации состоит из трех частей: устройства подачи газа, распылительного устройства и основного корпуса фильтрующей башни. Летучие органические соединения (ЛОС) предварительно увлажняются под давлением, а затем контактируют с биопленкой на поверхности наполнителя внутри фильтрующей башни. ЛОС переносятся из газовой фазы в биопленку, где они разлагаются и используются микроорганизмами, превращаясь в диоксид углерода, воду и другие молекулярные вещества, после чего очищенный газ отводится. Распылительное устройство периодически распыляет раствор на наполнитель для регулирования его влажности, значения pH и содержания питательных веществ.
(3) Факторы, влияющие на процесс биофильтрации
Наполнитель: В биофильтре с капельным орошением биопленка растет на поверхности наполнителя, а газообразные органические вещества протекают через зазоры между наполнителями. Удельная площадь поверхности наполнителя в определенной степени отражает количество микроорганизмов, в то время как пористость влияет на скорость потока газа и жидкости. Высота упаковочного слоя имеет решающее значение для полной обработки органических веществ.
Питательный раствор: Питательные вещества, микроэлементы и буферные растворы в биофильтре равномерно распыляются на упаковочный материал, обеспечивая питательные вещества, необходимые для роста и размножения микробного сообщества в биопленке. На скорость удаления летучих органических соединений (ЛОС) в некоторой степени влияет скорость потока питательного раствора и содержание азота и фосфора.
Входящий газ: Во время работы биофильтра скорость потока газа и концентрация входящего газа оказывают существенное влияние на эффективность удаления самого газа.
(4) Преимущества и недостатки процесса биофильтрации
Преимущества: Широкая применимость, высокая эффективность очистки, простой процесс, низкая стоимость и отсутствие вторичного загрязнения.
Недостатки: Низкая скорость удаления при высоких концентрациях, плохая биоразлагаемость и трудно поддающиеся биоразложению ЛОС.
7. Плазменный процесс
(1) Введение в плазменный процесс
Технология контроля загрязнения с помощью плазмы использует газовый разряд для генерации высокореактивных частиц, которые реагируют с различными органическими и неорганическими загрязнителями, разлагая молекулы загрязнителей на более мелкие молекулярные соединения или окисляя их до легко удаляемых соединений.
Главная особенность этой технологии заключается в том, что она может эффективно и удобно уничтожать и разлагать различные загрязнители. Используемое оборудование простое, занимает мало места и подходит для различных условий работы.
(2) Принцип и процесс плазменного процесса
Основной метод обработки летучих органических соединений (ЛОС) — коронный разряд. Основной механизм разложения следующий: под действием приложенного электрического поля электроны в пространстве электрода получают энергию и начинают ускоряться. Во время движения электроны сталкиваются с молекулами газа, вызывая их возбуждение, ионизацию или адсорбцию электронов с образованием отрицательных ионов.
(3) Факторы, влияющие на плазменный процесс
В процессе разложения основными аспектами являются выбор и контроль напряжения электрода. Оно влияет на разряд разрядной среды и энергию, переносимую электронами, а также на ряд последующих реакций, тем самым влияя на эффективность разложения. В то же время напряжение электрода является важным параметром для коммерческого применения этого метода, поэтому выбор напряжения электрода имеет особенно важное значение.
Помимо тесной связи с напряжением электрода, низкотемпературная плазменная деградация ЛОС также зависит от структуры реактора, фоновой атмосферы реакции, содержания воды в отходящих газах ЛОС, частоты разряда, напряжения разряда, химической структуры ЛОС, типа катализатора, формы низкотемпературного плазменного разряда, температуры реакции и начальной концентрации ЛОС, среди которых концентрация газа и скорость потока газа оказывают наиболее значительное влияние.
(4) Преимущества и недостатки плазменного процесса
Преимущества: Высокая эффективность обработки, низкие эксплуатационные расходы, особенно высокая эффективность удаления ароматических соединений. Недостатки: Ограниченная эффективность при обработке ЛОС высокой концентрации, в настоящее время в основном находится на лабораторной стадии, отсутствует практическое применение.
8. Фотокаталитический процесс окисления
(1) Введение в фотокаталитический процесс окисления
Фотохимия и фотокаталитическое окисление в настоящее время являются одними из наиболее изученных передовых технологий окисления. Фотокаталитические реакции — это химические реакции, происходящие под воздействием света. Когда молекулы поглощают электромагнитное излучение определенной длины волны, они переходят в возбужденное состояние, а затем вступают в химическую реакцию, образуя новые вещества или становясь инициаторами термических реакций.
(2) Принцип и блок-схема процесса фотокаталитического окисления
Диоксид титана (TiO2), как полупроводниковый материал, обладает фотоэлектрическими свойствами, позволяющими использовать его в качестве фотокатализатора. Зонная структура полупроводника обычно состоит из низкоэнергетической валентной полосы (ВП), заполненной электронами, и пустой высокоэнергетической зоны проводимости (ЗП). Область между зоной проводимости и валентной полосой называется запрещенной зоной.
Когда световая энергия облучает полупроводник, равная или превышающая ширину запрещенной зоны, электроны валентной полосы возбуждаются, пересекая запрещенную зону и переходя в зону проводимости, создавая соответствующие дырки внутри валентной полосы. Электроны возбуждаются из валентной полосы в зону проводимости, и некоторые из отделившихся электронов и дырок далее участвуют в реакции.
Механизм фотокаталитической реакции показан на рисунке:
(3) Факторы, влияющие на процесс фотокаталитического окисления
Исследования показали, что начальная концентрация реагентов оказывает значительное влияние на фотокаталитическую эффективность или скорость разложения. Фотокаталитическая эффективность колеблется с увеличением начальной концентрации, демонстрируя четкую точку перехода концентрации; эффективность фотокаталитического разложения целевых веществ с низкой концентрацией выше, чем с высокой.
Нет единого мнения относительно влияния влажности на фотокаталитические реакции. Существуют значительные различия в зависимости от экспериментальных условий, таких как разные соединения или разные концентрации.
(4) Преимущества и недостатки процесса фотокаталитического окисления
Преимущества: Высокая эффективность обработки, низкие эксплуатационные расходы, подходит для широкого спектра низкоконцентрированных ЛОС, особенно высокая эффективность удаления ароматических соединений;
Недостатки: Как правило, низкая эффективность обработки высококонцентрированных ЛОС; в основном находится на лабораторной стадии, отсутствует практическое применение.
9. Процесс с использованием цеолитного ротора и RTO
(1) Принцип процесса:
В цеолитовом концентраторе летучие органические соединения (ЛОС) эффективно адсорбируются в отходящих газах, обеспечивая их удаление. Очищенные летучие газы затем непосредственно выбрасываются в атмосферу через дымоход. Концентратор непрерывно вращается со скоростью 1-6 оборотов в час.
Одновременно адсорбированные летучие органические соединения переносятся в зону десорбции, где их десорбирует небольшой поток нагретого газа. Затем десорбированный цеолитовый концентратор вращается обратно в зону адсорбции для продолжения адсорбции летучих органических соединений. Концентрированные органические отходящие газы после десорбции направляются в мусоросжигательный завод для сжигания, где они превращаются в диоксид углерода и водяной пар, которые затем выбрасываются в атмосферу.
2. Технические характеристики
III. Выбор процесса
1. Выбор технологии
2. На основе концентрации летучих органических соединений и скорости потока.
3. Относительные затраты
