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活性炭吸附-脱附系统安全性分析及燃爆事故预防

日期: 2020-05-20
来源:  VOCs治理减排技术
作者:

活性炭吸附-脱附系统安全性分析及燃爆事故预防有机废气的排放不仅造成环境空气污染,也造成巨大的资源浪费和经济损失,有机废气治理技术可分为破坏法和回收法两大类。其中回收技术包括吸收、冷凝、膜分离、吸附脱附等,吸附-脱附技术既能实现尾气达标排放,又能达到资源回收目的,且投资运行成本适中,综合性价比高,回收技术中市场占有率最高。


01
吸附-脱附技术简介


由于吸附剂表面存在着未平衡和未饱和的分子引力或化学键力,当气体与吸附剂表面接触时,气体分子就能被吸附剂所吸引并在其表面浓聚,从而使废气的污染物与空气相分离,达到净化的目的。根据作用力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附,有机废气吸附-脱附主要以物理吸附为主。吸附-脱附主要有预处理系统、吸附系统、脱附系统、冷凝系统和干燥系统组成,典型的“一级吸附-脱附”工艺如图1所示。

活性炭吸附-脱附系统安全性分析及燃爆事故预防

尾气经收集后输送至吸附-脱附系统,首先经预处理系统(如冷凝、吸收、过滤)去除废气中的水汽、腐蚀性物质及颗粒物,防止末端设备腐蚀和吸附剂堵塞,同时降低末端负荷;然后流经吸附床,废气中的污染物吸附在吸附剂上,净化达标后高空排放;吸附剂饱和后通过阀门切换至另一吸附床,饱和后的吸附剂采用低压水蒸气高温解析再生,污染物气化并脱离吸附剂,随水蒸气进入冷凝系统,并在贮槽中分层为水相和油相,其中水相送污水站处理,油相即有机溶剂,精制后可回收套用;再生后的吸附剂残有大气水分,影响吸附效率,需要通过空气进行干燥,干燥后的吸附床等待另一吸附床饱和;最后循环往复,自动切换,吸附床状态及顺序如表1所示。

活性炭吸附-脱附系统安全性分析及燃爆事故预防

吸附-脱附系统运行的好坏与吸附质(废气)、吸附剂、脱附介质、冷媒等因素的特性息息相关。关于吸附剂常见的有活性炭、炭纤维、分子筛、树脂、硅胶等,其中由于活性炭具有较大的比表面积,丰富的孔径结构,且价格相对低廉,极具性价比;关于脱附介质常采用水蒸气、氮气等。而采用活性炭作为吸附剂、水蒸气作为脱附介质技术最为成熟,应用也最为广泛。但由于吸附是有机废气积聚、浓度提升的过程,且空间狭小,有机废气易燃等因素,燃爆事件时有发生,然国内目前缺乏公开的吸附-脱附系统安全性分析及事故防范相关文献。笔者根据多年的废气治理工程经验及安全事故调查工作,对有机废气活性炭吸附-脱附系统的安全性进行分析和燃爆事故预防。


02
安全性分析


吸附-脱附的主要工序有吸附、解析、干燥和等待四个过程,本文从过程角度分析有机废气活性炭吸附-脱附系统的安全性。

2.1 吸附过程

经预处理后的废气进入吸附罐,废气中的有机物附着于活性炭上,随着吸附时间的延长,罐内的有机物越积越多;同时由于吸附罐体积有限,废气中又混有空气或氧气,罐内的混合气体往往处于可燃物的爆炸极限范围之内或高于可燃物的爆炸上限(可燃)。吸附罐内的活性炭和有机物均为可燃物,所以,一旦遇到高温、静电、火花等,即能触发安全事故,吸附过程也是发生事故最多的环节。吸附-脱附系统装置通常采用金属材质制作,一般会做好防雷接地工作,静电因素导致的安全事故极少;罐体、管路及阀门等密封性较好,且吸附罐前设有阻火器,罐内可燃物几乎不与外界接触,火花引起的吸附-脱附系统的事故可能性甚微;通常吸附过程中发生事故主要由高温引起。吸附属于放热过程,而活性炭本身导热性能很差,加之吸附罐装有保温,产生的吸附热大部分会被流经炭床的洁净气带走,但炭床的温度随着吸附时间的增加而升高,同时,炭床堆积的不均匀时不利于热量疏散;煤基活性炭往往含有金属杂质,在炭的活化过程中形成微量炭基金属氧化物催化剂,废气中的某些成分发生化学反应,并放出大量热;有机废气中的丙酮、环己烷、四氢呋喃、甲缩醛等物质,易在空气中形成过氧化物或超氧化物,这些过氧化物在室温下即可自燃或氧化,并发出大量化学热;一旦热量未能及时导出,炭床温度达到可燃物的起燃温度,应急措施未安装或不及时响应便可引发安全事故。

2.2 解析过程

当炭床吸附饱和之后,需要采用高温水蒸气或氮气进行脱附,从而使炭床恢复吸附性能。在通入水蒸气前往往会通入氮气对炭床内的空气进行置换,即便不通入氮气或不采用热氮脱附,解析时罐体内充满大量水蒸气,几乎没有氧气,炭床不具备燃爆条件,故解析过程中安全事故鲜有发生。

2.3 干燥过程

解析后的炭床含有大量水汽,严重影响系统的吸附效率,需要通入干燥空气对炭床进行干燥。为缩短干燥时间,往往对干燥气进行加热,换热器设置不合理时,空气温度过高,常引起炭床起火;此外,解析不彻底,或支撑腐蚀炭床坍塌形成局部死角等,炭床内仍残余大量有机物,也会造成炭罐的燃爆。

2.4 等待过程

经干燥冷却后的罐体在另一炭床吸附饱和之前,一直处于等待状态,该过程罐体阀门关闭,炭床内无有机物,不具备燃爆条件。因此,该过程通常不会发生安全事故。


03
事故防范


1)静电导出及防雷接地:废气在管道、炭床内流通摩擦易形成静电,系统设计须考虑静电导出,包括炭床内静电导出杆和整体设备的静电接地,仪表选型严格按国家规范执行。

2)温度监控:系统设计应有多断面、多点位的温度监测系统,并与控制系统的PLC相连,PLC对所有温度信号进行判断并采取相应措施。

3)控制吸附时间:由于吸附过程是罐体内有机废气积聚浓度升高过程,应严格控制吸附工序时间,即达到一定时间即便炭床未穿透,强制进入脱附工序,以防局部空间形成爆炸极限,根据笔者经验,吸附时间不宜超过24h。

4)吸附剂选择及处理:选择正规厂家生产的高纯度活性炭,防止活性炭杂质过多形成自催化,尤其是用于易形成过氧化物的有机废气的治理;使用甲磺酸等溶剂对活性炭进行处理改性,降低活性炭自燃点,阻燃易爆。

5)氮气保护:氮气阀门与解析工序及温度监控连锁,进入解析工序后,先开启氮气系统,对穿透炭床进行置换,再开启蒸汽阀进行解析,防止炭床内饱和有机废气遇到高温蒸汽发生燃爆;当炭床温度高于设定值,氮气阀自动开启,抑燃;或使用热氮作为加热解析的脱附剂。

6)紧急降温:由降温水管路、水喷淋系统和自动阀门组成,当炭床温度高于设定值,开启氮气保护的同时,紧急降温系统启动进行降温或灭火;该吸附器立即进入脱附状态进行冷却,有效防止吸附芯自燃;并立即开启三通放空阀使之与车间设备隔离。此外,蒸汽阀也可同时开启,即强制执行解析,三重保护,有效防止炭床自燃。


04
结语


过对有机废气活性炭吸附-脱附系统运行过程中可能发生燃爆事故的原因进行分析,针对性提出静电导出、温度监控、吸附时间控制、吸附剂选择及处理、氮气保护和紧急降温等系统设计中应考虑的事故防范措施。对活性炭吸附-脱附系统装置的设计生产和事故预防提供借鉴。

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