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碳氫化合物:碳氫化合物統(tǒng)稱烴類, 是指由碳和氫兩種原子組成成的各種化合物,碳氫化合物主要來自天然源。在大氣污染中較重要的碳氯化合物有四類:烷烴、烯烴、芳香烴、含氧烴。表面上在城市中烴類對人類健康未造成明顯的直接危害,但是在污染的大氣中它們是形成危害人類健康的光化學煙霧的主要成分。

碳氫化合物(HC)是污染大氣的重要污染物之一。其中包括簡單的有機化合物,也包括復雜的高分子物。碳氫類化合物不僅對人體器官有刺澉作用,而且其中不少對內(nèi)臟有毒害作用,還有的是致突變物與致癌物。

碳氫化合物類廢氣這些有機廢氣的排放主要是在有機溶劑的使用過程產(chǎn)生的,在工業(yè)生產(chǎn)中,尤其在石油化工、印刷、人造革及電子元器件、烤漆和醫(yī)藥等領域有比較廣泛的應用,通常作為溶劑來使用,均有良好的揮發(fā)性。【廢氣處理】

一、介紹污染重要的碳氫化合物類廢氣(即有機廢氣)的分類。

1.1、烯烴:是不飽和烴,通式為CnH2n。因為分子中含有雙鍵,故烯烴比烷烴活潑得多,容易發(fā)生加成反應。其中最重要的是乙烯、丙烯和丁烯。廢氣處理工程介紹:乙烯對植物有害,并能通過光化學反就生成乙醛,刺激眼睛。烯烴是形成光化學煙霧的主要成分之一

1.2、烷烴:又稱飽和烴,通式CnH2n+2o。烴類中CH4的所占數(shù)量最大,但它化學活性小,故討論烴類污染物時提到的城市地區(qū)總碳氫化合物濃度,是指扣除CH4的濃度或稱非甲烷烴類的濃度。其他重要的烷烴有乙烴、丙烴和丁烴。

1.3、含氧烴:廢氣處理工程介紹含氧烴主要有醛(RCHO)、酮(RCR′)兩類,汽車尾氣中的含氧烴約占尾氣中碳氫化合物(HC)的1.5%。大氣中含氧烴的最重要來源可能是大氣中烴的氧化分解。環(huán)境中的醛主要是甲醛。

1.4、芳香烴:分子中含有苯環(huán)一類的烴。最簡單的芳烴是苯及其同系物甲苯、乙苯等。兩個或兩個以上苯環(huán)共有兩個相鄰的碳原子者,稱為多核芳烴(簡稱PAH),如苯并[a]芘。芳得烴的取代反應和其他反應介于烷烴和烯烴之間。廢氣處理工程介紹:在城市的大氣中已鑒定出對動物有致癌性的多核芳烴,如苯并[a]芘、苯并[b]螢蒽和苯并[j]螢蒽等。

二、碳氫化合物類廢氣(即有機廢氣)的危害。

這些揮發(fā)性有機溶劑如果揮發(fā)到大氣環(huán)境中,不僅會對大氣環(huán)境造成嚴重污染,而且被吸入呼入人體后會對人體健康產(chǎn)生危害。比如常見溶劑苯,吸入人體后會造成慢性或急性中毒,其他的苯類化合物不僅對人體的中樞神經(jīng)造成損害造成神經(jīng)系統(tǒng)障礙,而且還會危害血液和造血器官,情況嚴重的,甚至會有出血癥狀或患上敗血癥。氧化作用下,苯在生物體內(nèi)可氧化成苯酚,從而造成肝功能異常,對骨骼的生長發(fā)育十分不利,還會誘發(fā)再生障礙性貧血。如果苯蒸汽濃度過高,生物可能因急性中毒而死亡。因此,ACGIH把苯列為潛在致癌物質;鹵代烴類化合物會引發(fā)神經(jīng)癥候群和血小板的減少、肝脾腫大等不良狀況,而且很有可能致癌。所以,必須控制VOC的排放,這不僅是對環(huán)境負責,也是對我們的生命健康負責。【有機廢氣處理】

三、綠森環(huán)保處理技術和解決方案。

VOC有機廢氣處理技術主要包括熱破壞法、變壓吸附分離與凈化技術、吸附法和氧化處理方法等。

3.1熱破壞法

熱破壞法是指直接和輔助燃燒有機氣體,或利用合適的催化劑加快VOC的化學分解反應,最終達到降低有機物濃度和危害性的一種處理方法。

熱破壞法對于濃度較低的有機廢氣處理效果比較好,主要分為兩種,即直接火焰燃燒和催化燃燒。直接火焰燃燒對有機廢氣的熱處理效率相對較高,一般情況下可達到99%。而催化燃燒指的是在催化床層的作用下,加快有機廢氣的化學反應速度。這種方法比直接燃燒用時更少,現(xiàn)階段使用的催化劑大都是金屬、金屬鹽,這兩種催化劑的催化效果比較好,技術也已經(jīng)相當成熟,但是其價格卻比較高,催化劑失效后需做回收處理,使用成本比較高。近年來,為了降低成本,科學家們的研制工作更多集中在非貴金屬催化劑方向,也取得了比較大的進展。【VOC有機廢氣處理】

此外,還需關注催化劑載體的研發(fā),目前的催化劑載體多以陶瓷為主,良好的載體能使催化反應獲得更好的效果。

總之,在未來的催化劑研究當中,應加快研發(fā)更加高效的活性催化劑及其載體。

3.2吸附法

吸附法主要適用于低濃度、高通量的有機廢氣?，F(xiàn)階段,這種的處理方法已經(jīng)相當成熟,能量消耗比較小,但是處理效率卻非常高,而且可以徹底凈化有害有機廢氣。

在洽理含碳氧化合物廢氣中,廣泛使用了吸附的方法。吸附法在使用中表現(xiàn)了如下的特點:①可以相當徹底地凈化廢氣,即可進行深度凈化,特別是對于低濃度廢氣的凈化比用其他方法顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢;②在不使用深冷、髙壓等手段下,可以有效地回收有價值的有機物組分。

由于吸附劑對被吸附組分吸附容量的限制,吸附法最適于處理低濃度廢氣,對污染物濃度高的廢氣一般不采用吸附法冶理。

這種方法需要的設備體積比較龐大,而且工藝流程比較復雜,如果廢氣中有大量雜質,則容易導致工作人員中毒。所以,使用此方法處理廢氣的關鍵在于吸附劑。當前采用的吸附劑大多為活性炭,主要是因為活性炭細孔結構比較好,吸附性比較強。此外,經(jīng)過氧化鐵或臭氧處理,活性炭的吸附性能將會更好,有機廢氣的處理將會更加安全和有效。

3.3生物處理法

從處理的基本原理上講,采用生物處理方法處理有機廢氣,是使用微生物的生理過程把有機廢氣中的有害物質轉化為簡單的無機物,比如CO2、H2O和其它簡單無機物等。一般情況下,一個完整的生物處理有機廢氣過程包括3個基本步驟:

a)有機廢氣中的有機污染物首先與水接觸,在水中可以迅速溶解。

b)在液膜中溶解的有機物,在液態(tài)濃度低的情況下,可以逐步擴散到生物膜中,進而被附著在生物膜上的微生物吸收。

c)被微生物吸收的有機廢氣,在其自身生理代謝過程中,會被降解并最終轉化為對環(huán)境沒有損害的化合物質。

3.4變壓吸附分離與凈化技術

變壓吸附分離與凈化技術是利用氣體組分在固體吸附材料上吸附特性的差異,通過周期性的壓力變化過程實現(xiàn)氣體的分離與凈化。

PSA技術主要應用的是物理法,使用材料主要是沸石分子篩。沸石分子篩在吸附選擇性和吸附量兩方面有一定優(yōu)勢。在一定溫度和壓力下,這種沸石分子篩可以吸附有機廢氣中的有機成分,然后把剩余氣體輸送到下個環(huán)節(jié)中。吸附有機廢氣后,再通過一定工序將其轉化,使吸附劑的性能得以再生,讓吸附劑再次投入使用,循環(huán)反復,直到有機廢氣得到凈化。

近年來,該技術開始在工業(yè)生產(chǎn)中應用,對于氣體分離有良好效果。因為有能源消耗少、成本較低、工序操作自動化及分離凈化后混合物純度比較高、環(huán)境污染小等技術優(yōu)勢,在回收和處理有一定價值的氣體時效果良好。

3.5氧化法

對于有毒、有害,而且不需要回收的VOC有機廢氣,熱氧化法是最適合的處理技術和方法。氧化法的基本原理是讓VOC與O2發(fā)生氧化反應,生成CO2和H2O,化學方程式如下:

aCxHyOz + bO2 → cCO2 + dH2O

從化學反應方程式上看,該氧化反應和化學上的燃燒過程相類似,但其由于VOC濃度比較低,在化學反應時不會產(chǎn)生肉眼可見的火焰。一般情況下,氧化法通過兩種方法可確保氧化反應的順利進行:

a)加熱。使含有VOC的有機廢氣達到反應溫度。

b)使用催化劑。如果溫度比較低,則氧化反應可在催化劑表面進行。

所以,有機廢氣處理的氧化法分為以下兩種方法:

①催化氧化法。現(xiàn)階段,使用的催化劑有兩種,即貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑主要包括Pt、Pd等,它們以細顆粒形式依附在催化劑載體上,而催化劑載體通常是金屬或陶瓷蜂窩,或散裝填料;非貴金屬催化劑主要是由過渡元素金屬氧化物,比如MnO2,與粘合劑經(jīng)過一定比例混合,然后制成的催化劑。為有效防止催化劑中毒后喪失催化活性,在處理前必須徹底清除可使催化劑中毒的物質,比如Pb、Zn和Hg等。如果有機廢氣中的催化劑毒物、遮蓋質無法清除,則不可使用這種催化氧化法處理VOC。

催化燃燒實際上為完全的催化氧化,即在催化劑作用下,使廢氣中有害可燃組分完全氧化為CO2和H2O。由于絕大部分有機物均有可燃燒性,因此催化燃燒已成為凈化含碳氧化合物廢氣的有效手段之一。又因很大一部分有機化合物具有不同程度的惡臭,因此催化燃燒也是消除惡臭氣體的有效手段之一。

目前催化燃燒法已應用于金屬印刷、絕緣材料、漆包線、煉焦、油漆、化工等多種行業(yè)中凈化有機廢氣。特別是在漆包線、絕緣材料、印刷等生產(chǎn)過程中排出的烘干龐氣,因廢氣溫度較高、有機物濃度較髙,對燃燒反應及熱量回收有利,具有較好的經(jīng)濟效益,因此應用最為廣泛。

②熱氧化法。目前,熱氧化法分為三種:熱力燃燒式、間壁式、蓄熱式。三種方法的主要區(qū)別在于熱量回收方式。這三種方法均能與催化法結合,降低化學反應的反應溫度。【催化燃燒】

a.熱力燃燒式熱氧化器,一般情況下是指氣體焚燒爐。這種氣體焚燒爐由助燃劑、混合區(qū)和燃燒室三部分組成。其中,助燃劑,比如天然氣、石油等,是輔助燃料,在燃燒過程中,焚燒爐內(nèi)產(chǎn)生的熱混合區(qū)可對VOC廢氣預熱,預熱后便可為有機廢氣的處理提供足夠空間、時間,最終實現(xiàn)有機廢氣的無害化處理。

在供氧充足條件下,氧化反應的反應程度—VOC去除率—主要取決于“三T條件”:反應溫度(Temperature)、時間(Time)、湍流混合情況(Turbulence)。這“三T條件”相互聯(lián)系,在一定范圍內(nèi),一個條件的改善可使另外兩個條件降低。熱力燃燒熱氧化器的缺點在于輔助燃料價格高,導致裝置操作費用較高。

b.間壁式熱氧化器指的是在熱氧化裝置中,加入間壁式熱交換器,進而把燃燒室排出氣體的熱量傳送給氧化裝置進口處溫度比較低的氣體,預熱完成后便可促成氧化反應。現(xiàn)階段,間壁式熱交換器的熱回收率最高可達85%,因此大幅降低了輔助燃料的消耗。一般情況下,間壁式熱交換器有三種形式:管式、殼式和板式。由于熱氧化溫度必須控制在800℃～1000℃范圍內(nèi),因此,間壁式熱交換必須由不銹鋼或合金材料制成。所以間壁式熱交換器的造價相當高,而這也是其缺點所在。此外,材料的熱應力也很難消除,這是間壁式熱交換的另外一個缺點。

c.蓄熱式熱氧化器,簡稱為RTO,在熱氧化裝置中計入蓄熱式熱交換器,在完成VOC預熱后便可進行氧化反應?，F(xiàn)階段,蓄熱式熱氧化器的熱回收率已經(jīng)達到了95%,且其占用空間比較小,輔助燃料的消耗也比較少。由于當前的蓄熱材料可使用陶瓷填料,其可處理腐蝕性或含有顆粒物的VOC氣體。

現(xiàn)階段RTO裝置分為旋轉式和閥門切換式兩種,其中閥門切換是最常見的一種,由2個或多個陶瓷填充床組成,通過切換閥門來達到改變氣流方向的目的。

用燃燒方法銷毀有害氣體、蒸氣或煙塵,使其變?yōu)闊o害物質的過程,稱為燃燒凈化。燃燒凈化時所發(fā)生的化學作用主要是燃燒氧化作用及高溫下的熱分解。因此這種方法只能適用于凈化那些可燃的或在髙溫情況下可以分解的有害氣體。對化工、噴漆、絕緣材料等行業(yè)的生產(chǎn)裝置中所排出的有機廢氣,廣泛采用了燃燒凈化的手段。燃燒方法還可以用來消除惡臭。有機氣態(tài)污染物燃燒氧化的結果,生成了CO2和H2O因而使用這種方法不能回收到有用的物質,但由于燃燒時放出大量的熱,使排氣的溫度很高,所以可以回收熱量。目前在實際中使用的燃燒凈化方法有直接燃燒和熱力燃燒。

3.6液體吸收法

液體吸收法指的是通過吸收劑與有機廢氣接觸,把有機廢氣中的有害分子轉移到吸收劑中,從而實現(xiàn)分離有機廢氣的目的。這種處理方法是一種典型的物理化學作用過程。有機廢氣轉移到吸收劑中后,采用解析方法把吸收劑中有害分子去除掉,然后回收,實現(xiàn)吸收劑的重復使用和利用。

從作用原理的角度劃分,此方法可分為化學方法和物理方法。物理方法是指利用物質之間相溶的原理,把水看作吸收劑,把有機廢氣中的有害分子去除掉,但是對于不溶于水的廢氣,比如苯,則只能通過化學方法清除,也就是通過有機廢氣與溶劑發(fā)生化學反應,然后予以去除。

在對碳氫化合物廢氣進行治理的方法中,吸收法的應用不如燃燒法、催化燃燒法、吸附等廣泛,特別是對使用有機溶劑的各種行業(yè),如噴漆、絕緣材料、漆包線等的生產(chǎn)過程所排出的廢氣,還不能完全達到工業(yè)應用水平,影響應用的主要問題是合適的吸收劑的選擇,目前在石油煉制及石油化的生產(chǎn)及儲運中采用吸收法進行烴類氣體的回收利用。【有機廢氣處理】

3.7冷凝回收法

在不同溫度下,有機物質的飽和度不同,冷凝回收法便是利用有機物這一特點來發(fā)揮作用,通過降低或提高系統(tǒng)壓力,把處于蒸汽環(huán)境中的有機物質通過冷凝方式提取出來。冷凝提取后,有機廢氣便可得到比較高的凈化。其缺點是操作難度比較大,在常溫下也不容易用冷卻水來完成,需要給冷凝水降溫,所以需要較多費用。這種處理方法主要適用于濃度高且溫度比較低的有機廢氣處理。

冷凝法應用于碳氯化合物廢氣治理時,具有如下特點:

(1)冷凝凈化法適用范圍冷凝凈化法適于在下列情況下使用。

①處理高濃度廢氣,特別是含有害物組分單純的廢氣;

②作為燃燒與吸附凈化的預處理;特別是有害物含量較高時,可通過冷凝回收的方法減輕后續(xù)凈化裝置的操作負擔;

③處理含有大量水蒸氣的高溫廢氣。

(2)冷凝凈化法所需設備和操作條件比較簡單回收物質純度髙。

(3)冷凝凈化法對廢氣的凈化程度受冷凝溫度的限制,要求凈化程度髙或處理低濃度廢氣時,需要將廢氣冷卻到很低的溫度,經(jīng)濟上不合算。