有害氣體的吸附淨化法——吸附劑和吸附裝置的選擇

對于一定的生産任務，吸附質的性質與濃度是已經确定了的，也就是說不容選擇。需要選擇的因素主要是吸附劑的選擇、吸附裝置及吸附流程的選擇。為了達到任務規定的淨化要求，淨化效率的确定也必須在設計時解決。

一、吸附劑的選擇

吸附劑的性質，直接影響吸附效率，因此，在吸附設計中必須根據任務的規定選擇合适的吸附劑。

吸附劑選擇總的原則是根據前面所述的工業上對常用吸附劑的要求，再結合具體的生産任務進行選擇。在吸附設計中，吸附劑的選擇一般需要經過下列步驟。

1．初選

根據吸附質的性質、濃度和淨化要求以及吸附劑的來源等因素，初步選出幾種吸附劑。

(1)根據吸附質的性質選擇吸附質的性質包括極性和分子的大小。若為非極性的大分子物質，首選的應是活性炭。因為活性炭屬于非極性吸附劑，且内部具有範圍較廣的大小孔徑，可以吸附直徑變化範圍很寬的非極性吸附質，如大多數有機蒸氣。若吸附質為極性小分子物質，則應考慮極性吸附劑，如矽膠、分子篩、活性氧化鋁等。

(2)根據氣體的濃度和淨化要求選擇對于濃度高但要求淨化效率不高的場合，就應盡可能地采用廉價的吸附劑，以降低生産成本。對于濃度較低但淨化要求高的場合，就應該考慮用吸附能力比較強的吸附劑。對于氣體濃度高、且淨化效率要求也高的場合，應考慮先采用廉價吸附劑處理，然後再采用吸附力強的吸附劑處理的二級吸附處理方法或應用吸附劑浸漬的方法。

(3)根據吸附劑的來源選擇在綜合考慮以上諸因素的基礎上，盡量選擇一些價廉，易得，且近距離能解決的吸附劑。

2．活性實驗

利用小型裝置，對初選出的幾種吸附劑進行活性實驗，實驗所用吸附質氣體應是任務規定的待淨化氣體。通過實驗，再篩選出其中幾種活性較好的吸附劑，做進一步實驗。

3．壽命實驗

在中型裝置中，對幾種活性較好的吸附劑進行壽命和脫附性能的實驗。實驗氣體仍必須是待處理的氣體，實驗條件應是生産時的操作條件，所用的脫附方式也必須是生産中選定的。這樣經過吸附—脫附—再生反複多次循環，确定每種吸附劑的使用壽命。

4．全面評估

對初選的幾種吸附劑，綜合活性、壽命等實驗，再結合價格、運費等指标進行全面評估，最後選出一種既較适用，價格又相對便宜的吸附劑。

吸附劑的選擇是一項複雜煩瑣的工作，需要仔細認真地進行。

二、吸附裝置的選擇

吸附裝置是吸附系統的核心，工業上所使用的吸附裝置共三大類，即固定床、移動床和流化床。其中以固定床應用最為廣泛。但不論是哪一類吸附裝置，在進行氣體淨化設計時，必須考慮基本要求。

1．吸附裝置設計的基本要求

(1)吸附裝置出口排氣必須達到排放标準這是對吸附裝置的最起碼要求。按照目前的規定，各類氣态污染物的排放濃度必須達到國家環保局頒布的《大氣污染物綜合排放标準(—1996)》的規定，如果地方政府還有更嚴格的規定，還必須執行地方政府的規定。1996标準的規定對過去的标準進行了修訂，提出了更嚴格的标準，今後随着可持續發展戰略的實施，國家還會對标準進行更嚴格的修訂，因此，在設計吸附裝置時應随時注意排放标準的要求。

(2)設備選型要面向生産實際設備選型要考慮實際生産中的規模、排氣量、排污方式(連續或間歇，均勻排放還是非均勻排放)、污染物的物化特性、回收還是進一步處理等因素，正确選擇吸附裝置和吸附工藝系統，尤其對一些特殊污染物或特殊要求的場合。選擇工藝系統時還應考慮生産的發展，留有适當的餘地。

(3)盡可能采用先進技術通過改進設備結構，使吸附裝置能保持在最佳狀态下運行，使所設計的吸附系統處理能力大、效率高、收益大。

(4)認真考慮經濟因素所設計的吸附裝置和系統盡可能

地簡化，易于安裝、維修，使用壽命長，同時要使系統操作簡

便，易于管理，以節省投資及運行費用。

2．吸附裝置的類型

(1)固定床吸附系統固定床，顧名思義，它是将吸附劑固定在某一部位上，在其靜止不動的情況下進行吸附操作的。它多為圓柱形設備，在内部支撐的格闆或孔闆上放置吸附劑，使處理的氣體通過它，吸附質被吸附在吸附劑上。

固定床的應用較多見。如果隻需短期處理氣流，那麼通常隻需一個吸附裝置，當然這要以吸附周期之間有足夠的時間間隔，以便進行吸附劑的再生。然而，由于通常要求待處理氣體連續流動，因此必須采用能按這種方式操作的一個或多個裝置。用來從氣流中除去污染物最普通的吸附系統形式，是由許多固定床裝置組成的，這些裝置以一定的順序進行吸附操作和再生操作，以使氣流保持連續。如果間歇操作和分批操作切實可行，則簡單的單床層吸附就足夠了，這時吸附階段和再生階段可交替進行。然而，由于大多數工業應用要求連續操作，因此經常采用雙吸附床或三吸附床系統，其中一個或兩個吸附床分别進行再生，其餘的進行吸附。典型的雙吸附床和三吸附床系統如圖15—3和圖15—4所示。

圖15—3 雙吸附床吸附系統

圖15－4 三吸附床吸附系統

固定床吸附器也存在一些缺點。

①間歇操作為使氣流連續，操作必然不斷地周期性切換，為此必須配置較多的進出口閥門，操作十分麻煩。即使實現了自動化操作，控制程序也比較複雜。

②需設有備用設備即當一部分吸附器進行吸附時，要有一部分吸附床進行再生；這些吸附床中的吸附劑即處于非生産狀态。即使處于生産中的設備裡，為了保證吸附區的高度有一定的富餘，也需要放置多個實際需要的吸附劑，因而總吸附劑用量增多。

③吸附劑層導熱性差吸附時産生的吸附熱不易導出，操作時容易出現局部床層過熱。另外，再生時加熱升溫和冷卻降溫都很不容易，因而延長了再生的時間。

④熱量利用率低對于采用厚床層，壓力損失也較大，因此，能耗增加。

(2)固定床吸附器固定床吸附系統的核心裝置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、卧式、環式三種類型。

①立式固定床吸附器立式固定床吸附器如圖15—5所示。分上流和下流式兩種。吸附劑裝填高度以保證淨化效率和一定的阻力降為原則，一般取0．5～2．0m。床層直徑以滿足氣體流量和保證氣流分布均勻為原則。處理腐蝕性氣體時應注意采取防腐蝕措施，一般是加裝内襯。立式固定床吸附器适合于小氣量濃度高的情況。

圖15－5 立式固定床吸附器

1－礫石；2－卸料孔；3，6－網；4－裝料孔；5－廢氣及空氣入口；7－脫附氣排出；8－安全閥接管；

9－頂蓋；10－重物；11－剛性環；12－外殼；13－吸附劑；14－支撐環；15－栅闆；16－淨氣出口；

17－粱；18－視鏡；19－冷凝排放及供水；20－擴散器；21－吸附器底；22－梁支架；23－擴散器水蒸氣接管

②卧式固定床吸附器卧式固定床吸附器适合處理氣量大、濃度低的氣體，其結構如圖15—6所示。

圖15－6 卧式固定床吸附器

1－殼體；2－供水；3－人孔；4－安全閥接管；5－擋闆；6－蒸汽進口；7－淨化氣體出口；8－裝料口；

9－吸附劑；10－卸料口；11－礫石層；12－支腳：13－填料底座；14－支架；15－蒸汽及熱空氣出入口

卧式固定床吸附器為一水平擺放的圓柱形裝置，吸附劑裝填高度為0．5～1．0m，待淨化廢氣由吸附層上部或下部入床。卧式固定床吸附器的優點是處理氣量大、壓降小，缺點是由于床層截面積大，容易造成氣流分布不均。因此在設計時特别注意氣流均布的問題。

③環式固定床吸附器環式固定床吸附器又稱徑向固定床吸附器，其結構比立式和卧式吸附器複雜，如圖15—7所示。吸附劑填充在兩個同心多孔圓筒之間，吸附氣體由外殼進入，沿徑向通過吸附層，彙集到中心筒後排出。

圖15－7 環式吸附器

1－支腳；2－廢氣及冷熱空氣入口；3－吸附劑筒底支座；4－殼體；

5，6－多孔外筒和内筒；7－頂蓋；8－視孔；9－裝料口；10－補償料鬥；

11－安全閥接管；12－吸附劑；13－吸附劑筒底座；14－卸料口；

15－器底；16－淨化器出口及脫附水蒸氣入口；17－脫附時排氣口

環式固定床吸附器結構緊湊，吸附截面積大、阻力小，處理能力大，在氣态污染物的淨化上具有獨特的優勢。目前使用的環式吸附器多使用纖維活性炭作吸附材料，用以淨化有機蒸氣。實際應用上多采用數個環式吸附芯組合在一起的結構設計，自動化操作。

(3)移動床吸附器移動床吸附器的優點在于其結構可以使氣、固相連續穩定地輸入和輸出，還可以使氣、固兩相接觸良好，不緻發生溝流和局部不均勻現象。由于氣、固兩相均處于移動狀态，所以克服了固定床局部過熱的缺點。其操作是連續的，用同樣數量的吸附劑可以處理比固定床多得多的氣體，因此對處理量比較大的氣體的操作，選用移動床較好。但是，移動床有它的固有缺點。主要是由于吸附劑處在移動狀态下，磨損消耗大，且結構複雜，設備龐大。設備投資和運行費用均較高。

工業上應用的典型移動床吸附器是超吸附塔(見圖15—8)，設備高近30m，由塔體和流态化粒子提升裝置兩部分組成。吸附劑采用硬質活性炭。活性炭經脫附、再生及冷卻後繼續下降用于吸附。在吸附塔内，吸附與脫附是順序進行的。在吸附段，待處理的氣體由吸附段的下部(即塔體中上部)進入，與從塔頂下來的活性炭逆流接觸并把吸附質吸附下來，處理過的氣體經吸附段頂部排出。吸附了吸附質的活性炭繼續下降，經過增濃段到達汽提段。在汽提段的下部通入熱蒸汽，使活性炭上的吸附質進行脫附，經脫附後，含吸附質的氣流一部分由汽提段頂部作為回收産品(底部産品)回收，有一部分繼續上升，到達增濃段。在增濃段蒸汽中所含的吸附質被由吸附段下來的活性炭進一步吸附，等于使這部分活性炭的“濃度”又增加了。活性炭經過汽提，大部分吸附質都被脫附，為了使之更徹底地脫附再生，在汽提段下面又加設了一個提取器，使活性炭的溫度進一步提高，一是為了幹燥目的，二是為了使活性炭更好地再生。經過再生的活性炭到達塔底，由提升器将其返回塔頂，于是完成了一個循環過程。在實際操作中，過程連續不斷地進行，氣體和固體的流速得到很好的控制。

圖15－8 超吸附塔結構

近年來在移動床中有使用極性吸附劑如分子篩作吸附劑的，用于淨化極性氣體如H2S等，結果也相當滿意。

(4)流化床吸附器用于氣态污染物治理的流化床吸附工藝是20世紀60年代發展起來的，是固體流态化技術在氣态污染物淨化方面的具體應用。流化床是由氣體和固體吸附劑組成的兩相流裝置。之所以稱為流化床，是因為固體吸附劑在與氣體的接觸中，由于氣體速度較大使固體顆粒處于流化狀态。由于流化床的運動形式，使它具有許多獨特的優點。

①由于流體與固體的強烈擾動，大大強化了氣固傳質；

②由于采用小顆粒吸附劑，使單位體積中吸附劑表面積增大；

③固體的流态化，優化了氣固的接觸，提高了界面的傳質速率，從而強化了設備的生産能力，由于流化床采用了比固定床大得多的氣速，因而可以大大減少設備投資；

④由于氣體和固體同處于流化狀态，不僅可使床層溫度分布均勻，而且可以實現大規模的連續生産。

當吸附劑需要再生時，可采用如圖15—9所示的流化床吸附器。該吸附器由吸附塔、旋風分離器、吸附提升管、通風機、冷凝冷卻器、吸附質儲槽等部分組成。吸附塔按各段所起作用的不同分為吸附段、預熱段和再生段。

圖15－9 帶再生的多層流化床吸附裝置

1－脫附器；2－吸附器；3－分配闆；4－料鬥；5－空氣提升機構；6－冷卻器

需淨化的氣體由吸附塔的中部送入，與篩闆上的吸附劑顆粒接觸進行傳質。氣流穿過篩孔的速度應略大于吸附劑顆粒的懸浮速度，使吸附劑顆粒在篩闆上處于懸浮狀态。這樣既使傳質更加充分，又使吸附劑能逐漸自溢流管流下。相鄰兩塔闆上的溢流管相互錯開，以使吸附劑在各層闆上均布。淨氣由塔頂進入旋風分離器，将氣流帶出的少量吸附劑顆粒分離下來，再回到吸附塔内。運轉一定時期後，可将旋風分離器收回的吸附劑粉末移

走，而補入新吸附劑。

吸附劑由塔頂加入，沿塔向下流動，在各層塔闆上形成吸附劑層，吸附劑層的工作高度由溢流堰高度決定。吸附了吸附質的吸附劑從最下一層塔闆降落到預熱段，經間接加熱後進入脫附再生段，脫附後的吸附質進入冷凝冷卻器進行冷卻，其中的部分吸附質被冷凝成液體，進入儲槽。未凝氣體中還含有部分吸附質，又回到吸附段。

脫附再生後的吸附劑自塔下部進入吸附劑提升管，再送入吸附塔上部重新使用。

在流化床吸附塔中，塔闆稱為氣流分布闆，是流化床裝置的最重要部件，它對于流化質量的影響極為重要。設計好的分布闆使氣流分布均勻，吸附劑顆粒産生平穩的流化狀态。同時還可防止正常操作時物料的下漏、磨損和小孔堵塞。多層流化床吸附器采用多塊氣體分布闆，以抑制床内氣體與固體顆粒的返混，改善停留時間分布，提高吸附效率。常用的幾種氣流分布闆的結構形式如圖15—10所示。

圖15—10 幾種氣流分布闆的結構

流化床吸附器由于氣流速度大，與移動床相比，具有更大的處理能力，但能耗更高，對吸附劑的機械強度要求也更高。

三、吸附器淨化效率的計算與選擇

從理論上講，要求吸附器的淨化效率愈高愈好。然而，要想達到理想的淨化效率，千方面需要龐大的吸附設備和很長的氣、固接觸時間，另一方面需要采用高強吸附能力的吸附劑。這将使設備投資和運行費用大大增加。這在實際上往往是不可行的，而且對于大部分場合也并不是完全必要的。

吸附器淨化效率是由吸附器的入口氣體濃度，即污染氣體的濃度和吸附器的穿透濃度決定的，設污染氣體濃度為y0，污染物穿透吸附床時的濃度為yB，吸附器的吸附效率η可由下式計算：

對于一定的處理任務，y0是已經确定了的，而淨化效率的高低就取決于yB的選擇。對于一定的吸附器，yB愈低，淨化效率會愈高，但是吸附劑的利用率就會降低。為了充分利用吸附劑，盡可能地延長吸附床的吸附時間，往往希望确定出較高的yB。但yB的選定是受環境保護法規規定的該污染物排放濃度限制的。因此，在實際吸附器設計時，一般是在滿足環保法規的前提下，盡可能地提高yB值，以達到充分利用吸附劑的目的，從而降低處理成本。