本書論述活性炭固定床處理VOCs的設計、運行和管理的一部專著。主要講述活性炭的基本知識和技術性能指標,活性炭的吸附原理及影響其吸附的因素,同時講述了在工程實踐中,如何應用影響氣體吸附的因素,指導活性炭固定床吸附器的設計;講述了活性炭固定床及其吸附系統(tǒng)的設計和運行管理。
作者結合自己近30年從事VOCs治理教學、科研工作以及20多年的工程實踐,在對以上問題在加深理解的基礎上,提出了自己的見解。對于這些見解,正如著名的環(huán)境工程專家郝吉明院士在本書序中評價的那樣:“作者提出的這些見解是難能可貴的,為我們在吸附理論與技術方面提出了諸多研究課題”。因此,本書不僅有一定的理論深度,而且具有豐富的實踐經(jīng)驗的總結,是一本理論與實踐緊密結合的好書。
本書既可作為高等院校相關專業(yè)的教材,也可供從事相關科研、管理、工程設計的人員及VOCs治理一線的工程技術人員參考。
《活性炭固定床處理VOCs 設計 運行 管理》作者結合自己近30年從事VOCs治理教學、科研以及20多年的工程實踐,專門就活性炭固定床在VOCs治理的設計和運行管理方面的問題進行了全面論述,以理論與實踐相結合的方式介紹了自己的經(jīng)驗和作法,為相關的設計和運行管理人員提供了很好的參考。
同時,該書作者結合現(xiàn)在吸附技術的發(fā)展和自己的工程實踐,提出了一些新見解。
1.針對一些人對活性炭的偏頗認識,提出活性炭在所有用于吸附法治理VOCs的吸附劑中,是吸附能力較強的吸附劑。明確指出在治理工程中,活性炭的選擇應該以哪一項技術指標為主;
2.提出了利用吸附波長度求取吸附劑裝量較簡易的計算方法;
3.在脫附溫度的選擇上,提出了獨到的見解,并從理論和實踐兩個方面進行了分析。認為,吸附質的脫附溫度與它的沸點基本上沒有關系,而和它的飽和蒸氣壓直接相關:
4.作者認為,VOCs通過床層的風速是由廢氣與吸附劑的接觸時間決定的,不應該統(tǒng)一規(guī)定為0.2~0.6m/s。在目前多種吸附劑存在的情況下,應該根據(jù)吸附技術的發(fā)展去調(diào)整這些數(shù)據(jù),以便更好地指導工程實踐。
5.在書中,作者對引進技術的目的也提出了自己的看法,認為,引進國外的先進技術的目的主要還是考慮如何消化吸收,積極創(chuàng)新,以提高我國自主技術的水平。
近年的研究發(fā)現(xiàn),PM2.5與揮發(fā)性有機污染物有直接關系。在PM2.5形成之前,作為前驅物的VOCs(揮發(fā)性有機物),能和由SO2、NOx生成的硫酸鹽、硝酸鹽一起,在光的作用下,發(fā)生一系列的光化學反應,生成以PM2.5細小顆粒物為主的霾,這些霾會長期存在于大氣中。近幾年,低濃度、高毒性的VOCs在PM2.5中的比重上升很快,因而使細粒子污染逐漸趨于嚴重。
我國在20世紀80年代之后,隨著城市化加速,經(jīng)濟規(guī)模擴張,各大城市機動車保有量也隨之迅猛增長,珠三角、長三角、京津冀等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)大氣污染日趨嚴重,霧霾天變得越來越多,這使得臭氧和PM2.5所代表的細粒子污染,漸漸發(fā)展為大城市和區(qū)域空氣污染的首要大敵。為此,中央向全國發(fā)出了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的號召,一場轟轟烈烈的藍天保衛(wèi)戰(zhàn)已經(jīng)打響,目前已取得了初步成果!
國家對揮發(fā)性有機物污染的防治一直比較重視,《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)規(guī)定的33類污染物中,有近一半屬于揮發(fā)性有機物。這個標準對揮發(fā)性有機物提出了嚴格的排放限值。自2010年5月首次把揮發(fā)性有機物確定為大氣污染的重點污染物之后,2013年9月,國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》,對VOCs的污染防治工作提出了一些具體的要求,包括以下幾方面。
(1)制定、修訂重點行業(yè)排放標準,用法律、標準“倒逼”產(chǎn)業(yè)轉型升級。
(2)強制公開污染企業(yè)環(huán)境信息。
(3)推進VOCs污染治理,在石化、有機化工、表面涂裝、包裝印刷等行業(yè)實施VOCs綜合整治。
(4)大力推行清潔生產(chǎn),完善涂料、油墨、膠黏劑等產(chǎn)品VOCs限值標準,推廣使用水性涂料、油墨、膠黏劑,鼓勵生產(chǎn)、銷售和使用低毒、低揮發(fā)性有機溶劑。
(5)將VOCs納入排污費征收范圍,加大排污費征收力度,提高排污費征收標準。
緊接著,全國各省市也陸續(xù)出臺了控制VOCs排放的地方標準和規(guī)定。
根據(jù)國家的統(tǒng)一部署,VOCs治理應該從源頭治理、過程控制和末端治理三方面著手,而以源頭治理、過程控制為重點。2016年1月1日起實施的《中華人民共和國大氣污染防治法》(以下簡稱《大氣污染防治法》),對VOCs污染防治在源頭治理、過程控制和末端治理等方面都提出了具體要求。有關部門頒布了《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物削減行動計劃》(以下簡稱《行動計劃》),指出了明確方向。《行動計劃》提出“堅持源頭削減、過程控制為重點,兼顧末端治理的全過程防治理念”!缎袆佑媱潯愤指出,在源頭削減、過程控制和末端治理三者之間,更為重視源頭削減和過程控制,這是我國將來VOCs治理的發(fā)展趨勢,也是國際上治理VOCs的發(fā)展方向。
在目前的VOCs治理中,吸附法得到了廣泛的應用。而在治理VOCs的設備中,以活性炭固定床吸附器應用最廣。初步估計,它占據(jù)了固定床處理VOCs約85%以上的市場。
為此,作者根據(jù)自己從事VOCs治理教學、科研以及工程實踐,特別編著了這本《活性炭固定床治理VOCs設計 運行 管理》一書。專門論述活性炭固定床在VOCs治理的設計、運行、管理方面的問題,并且還介紹了自己的一些實踐經(jīng)驗,給設計、運行、管理人員提供參考。
本書共分六章。第一章講述活性炭的基本知識和技術性能指標,并對這些指標進行了分類說明;第二章講述活性炭的吸附原理及影響其吸附的因素,同時講述了在工程實踐中,如何應用影響氣體吸附的因素,指導活性炭固定床吸附器的設計;第三章講述活性炭固定床的設計及一些設計參數(shù)選擇的依據(jù);第四章講述活性炭固定床吸附系統(tǒng)的設計、活性炭固定床處理VOCs系統(tǒng)的組成以及活性炭固定床系統(tǒng)的整體設計規(guī)程;第五章講述了活性炭固定床吸附運行的管理,特別強調(diào)了在設計和運行方面,必須重視國家法律法規(guī)及具體的工程技術規(guī)范,另外從理論上闡述了一些參數(shù)選擇的原理,對現(xiàn)行的《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》進行了解釋,并結合自己的工程實踐對一些技術參數(shù)提出了不同的看法;第六章給出了四個不同的工程案例。
本書由李守信任主編,參加本書編寫的人員分工如下。
李守信(華北電力大學環(huán)境科學與工程學院)主要編寫緒論,第一章第六節(jié),第四章第一、二節(jié),第五章,第六章典型案例四;陳青松(天津大拇指環(huán)?萍技瘓F)主要編寫第二章第四、五節(jié),第三章第二節(jié),第六章典型案例二;程泉(廣東源豐環(huán)境生態(tài)科技有限公司)主要編寫第一章第一、二、三、四、五節(jié),第二章第一節(jié),第六章典型案例一;蘇航(廣東雪迪龍環(huán)境科技有限公司)主要編寫第二章第二、三節(jié),第三章第一、三節(jié),第六章典型案例三。全書由李守信統(tǒng)稿并修改定稿。
特別需要提起的是,中國工程院院士、著名的環(huán)境工程專家、清華大學環(huán)境科學與工程研究院院長、美國國家工程院外籍院士郝吉明教授為本書作序。郝吉明院士在序中對作者以理論與實踐相結合的方式介紹了自己的經(jīng)驗和做法給予肯定,認為本書為相關的設計和運行管理人員提供了很好的參考。同時對作者提出的一些新見解,認為是為從業(yè)人員在吸附理論與技術方面提出了諸多研究課題。在此對郝吉明院士的認可表示衷心的感謝!
本書在編寫過程中,得到了國內(nèi)知名的大氣污染控制專家、歐盟清潔生產(chǎn)咨詢專家、天津大學郭靜教授,國內(nèi)知名的VOCs治理專家、中南大學李立清教授等同行專家的指導,以及天津大拇指環(huán)?萍技瘓F、廣東源豐環(huán)境生態(tài)科技有限公司、廣東雪迪龍環(huán)?萍加邢薰、河南洛陽峰越環(huán)保設備有限公司、浙江天地環(huán)?萍加邢薰镜绕髽I(yè)的支持和協(xié)助。廣東雪迪龍環(huán)?萍加邢薰緩埜母飬⑴c了部分資料的收集工作,天津大拇指環(huán)?萍技瘓F賀國臣參與了部分文字的編輯工作。特別感謝南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院股份公司對本書提供的經(jīng)典案例及相關資料,感謝河北中環(huán)環(huán)保設備有限公司原總工程師王玉普高級工程師提供的相關圖紙。正是由于他們的指導、支持和幫助,才使本書的編寫工作得以順利進行。在此一并表示衷心的感謝!
在這里,借本書出版之機,對筆者在專業(yè)成長過程中給予指導和幫助的,也是早期推動我國VOCs治理行業(yè)發(fā)展的同行專家及科技工作者劉漢杰、楚建唐、張建軍、楊樹強、蘇建華、黨小慶、張智敏、王學鋒、林金畫、尤生全、黃文龍、李澤清、陳大博、陳植民、王德宏等,表示深深的敬意和由衷的感謝!
本書可作為高等院校環(huán)境工程專業(yè)及其他相關專業(yè)的教材或參考書,特別適用于各級環(huán)境保護管理部門作為揮發(fā)性有機物控制、治理培訓的教材。也可供從事大氣污染控制工程,特別是從事活性炭固定床治理VOCs的工程設計、運行、管理的工程技術人員參考。
由于作者水平有限,實際經(jīng)驗不足,書中不妥之處在所難免,敬請各位專家、同行及廣大讀者朋友批評指正。
編著者
2020年9月
李守信,華北電力大學環(huán)境科學與工程學院教授,注冊環(huán)保工程師,中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會專家,國家環(huán)境保護標準編制組成員,《化工環(huán)!冯s志特約審稿專家。主要從事大氣污染控制工程的教學、科研及工程實踐。1997年至今,先后擔任冶金部地球物理勘察院環(huán)境工程研究中心技術顧問,河北中環(huán)環(huán)保設備有限公司、大拇指環(huán)?萍技瘓F(福建)有限公司(國家高新技術企業(yè)、新加坡上市公司)、江蘇萬德環(huán)?萍加邢薰荆▏腋咝录夹g企業(yè))技術總監(jiān);從事?lián)]發(fā)性有機物治理、火電廠脫硫脫硝、SCR脫硝催化劑研發(fā)與生產(chǎn)。
近年發(fā)表的與VOCs治理有關的主要論文(13篇)。包括:二甲基二硫醚生產(chǎn)廢氣治理,二氯甲烷、二氯乙烷、苯類、氯乙烯、重芳烴回收的技術及研究論文,其中,“揮發(fā)性有機化合物處理技術的研究進展”為《化工環(huán)!肪庉嫴刻丶s稿,化工環(huán)保 2008No1.
參與完成的VOCs治理主要工程項目(包括工藝設計、安裝調(diào)試)(約17項)。包括:二甲基二硫生產(chǎn)廢氣治理,二氯甲烷、二氯乙烷、環(huán)己烷、DMF、苯類、氯乙烯、重芳烴回收等項目。
緒論1
第一章活性炭的分類、結構及技術性能指標4
第一節(jié)活性炭的分類4
一、按照原料分類4
二、按照制造方法分類5
三、按照外觀形狀分類5
四、按照用途分類5
第二節(jié)活性炭的結構及化學組成5
一、碳的結構5
二、活性炭的化學組成9
第三節(jié)活性炭的技術性能指標12
一、為什么要了解活性炭的技術性能指標12
二、活性炭的技術性能指標12
第四節(jié)VOCs治理工程中吸附劑的選擇19
一、根據(jù)活性炭的技術性能指標選擇吸附劑19
二、活性炭用于治理VOCs的選用規(guī)則19
第五節(jié)活性炭在治理VOCs方面的優(yōu)勢21
一、VOCs處理工程中常用的三類吸附劑21
二、三類吸附劑的性能比較23
第六節(jié)活性炭纖維24
一、活性炭纖維制備工藝概述24
二、活性炭纖維的類型27
三、活性炭纖維的吸附模型28
四、活性炭纖維對有機蒸氣的吸附性能30
五、黏膠基活性炭纖維用于處理VOCs的優(yōu)勢31
六、活性炭纖維的10大優(yōu)勢31
第七節(jié)廢舊活性炭的處理和處置32
一、廢舊活性炭的定義32
二、國家對廢舊活性炭的法律規(guī)定32
三、廢舊活性炭的處理和處置方法33
第二章活性炭的吸附理論35
第一節(jié)活性炭的吸附特性35
一、吸附原理35
二、吸附的分類36
三、應特別重視化學吸附現(xiàn)象37
第二節(jié)吸附平衡40
一、吸附過程是一個動態(tài)過程40
二、平衡關系的表示41
三、吸附等溫線41
四、吸附等溫線方程43
第三節(jié)氣體在活性炭表面的吸附46
一、氣體在活性炭表面的吸附過程46
二、吸附速率方程47
三、吸附劑的脫附與劣化現(xiàn)象48
第四節(jié)影響氣體吸附的因素及活性炭的表面改性50
一、影響氣體吸附的因素50
二、吸附劑浸漬與改性53
第五節(jié)利用影響氣體吸附的因素指導吸附設計55
一、與活性炭固定床吸附的設計直接相關的因素55
二、有機廢氣的吸附熱58
第三章活性炭固定床吸附器設計59
第一節(jié)固定床吸附器吸附過程的描述59
一、活性炭固定床吸附器的吸附過程59
二、與吸附過程相關的概念59
第二節(jié)活性炭固定床吸附器的設計計算及選型62
一、廢氣吸附凈化設計中的假設條件62
二、活性炭固定床吸附劑的選擇63
三、活性炭固定床吸附裝置的選型64
四、吸附效率的計算及選擇69
五、吸附劑用量的計算70
六、吸附器本體設計80
第三節(jié)轉輪吸附器簡介83
一、轉輪的內(nèi)部結構83
二、轉輪技術處理VOCs的工藝流程及其復活處理84
三、轉輪技術應用于VOCs處理的優(yōu)勢及不足85
四、關于轉輪技術的幾點改進意見85
第四章活性炭固定床吸附系統(tǒng)的設計87
第一節(jié)揮發(fā)性有機物的處理工藝87
一、揮發(fā)性有機物處理工藝是一個系統(tǒng)工程87
二、嚴格按程序進行吸附系統(tǒng)的設計88
第二節(jié)活性炭固定床吸附系統(tǒng)配置99
一、一般固定床吸附系統(tǒng)的組成99
二、廢氣收集系統(tǒng)的設計100
三、廢氣預處理系統(tǒng)的設計及設備選型103
四、吸附系統(tǒng)的設計及設備選型105
五、自動控制系統(tǒng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)106
六、附屬系統(tǒng)的設計及設備選型107
第三節(jié)風機選型及使用108
一、風機選型108
二、風機的使用116
第四節(jié)活性炭固定床層溫升及脫附系統(tǒng)的熱交換計算123
一、吸附床層的溫升123
二、脫附時水蒸氣、空氣及熱量的消耗計算126
第五章活性炭固定床吸附系統(tǒng)的運行管理130
第一節(jié)活性炭固定床吸附系統(tǒng)運行管理的主要內(nèi)容130
一、運行管理的主要內(nèi)容130
二、目前在活性炭固定床系統(tǒng)管理中應改進的主要問題130
第二節(jié)必須重視國家頒布的各種標準、規(guī)范131
一、標準規(guī)范對工程項目的指導作用131
二、要重視工程技術規(guī)范132
第三節(jié)《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》出臺的背景132
一、《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》編制的目的132
二、《吸附法規(guī)范》制定的背景132
三、《吸附法規(guī)范》制定的原則136
四、《吸附法規(guī)范》編制的法律依據(jù)136
第四節(jié)對《吸附法規(guī)范》中設計和運行管理的主要內(nèi)容的說明和補充137
一、《吸附法規(guī)范》中規(guī)定的有關設計和運行管理方面的主要內(nèi)容137
二、對《吸附法規(guī)范》中規(guī)定的固定床設計方面部分內(nèi)容的說明和補充139
三、對運行管理方面有關規(guī)定內(nèi)容的說明和補充144
第五節(jié)活性炭固定床運行管理中需要探討的幾個問題144
一、氣流通過固定床吸附層的速度144
二、脫附溫度的選擇145
三、活性炭固定床采用水蒸氣脫附后是否都需要干燥148
第六節(jié)活性炭固定床運行中常見問題及解決方法149
一、如何處理回收后的有機溶劑混合物才更經(jīng)濟149
二、如何延長活性炭吸附劑的壽命149
三、如何做到廢氣處理后達標149
四、不具備脫附條件的企業(yè)如何采用吸附法治理VOCs152
五、關于VOCs的單一治理與聯(lián)合治理技術152
六、治理VOCs的方向154
第六章活性炭固定床處理VOCs應用案例156
典型案例一噴涂行業(yè)VOCs治理工程156
典型案例二化工行業(yè)VOCs治理工程167
典型案例三制藥行業(yè)VOCs治理工程178
典型案例四醫(yī)藥企業(yè)污水站排放VOCs治理工程184
附錄193
附錄一《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》(HJ 2026—2013)193
附錄二幾篇關于處理VOCs的論文204
附錄三常見揮發(fā)性有機物的分類和性質232
附錄四氣相型蜂窩活性炭技術指標240
參考文獻241