有害气体的吸附净化法——吸附剂和吸附装置的选择

对于一定的生产任务，吸附质的性质与浓度是已经确定了的，也就是说不容选择。需要选择的因素主要是吸附剂的选择、吸附装置及吸附流程的选择。为了达到任务规定的净化要求，净化效率的确定也必须在设计时解决。

一、吸附剂的选择

吸附剂的性质，直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据任务的规定选择合适的吸附剂。

吸附剂选择总的原则是根据前面所述的工业上对常用吸附剂的要求，再结合具体的生产任务进行选择。在吸附设计中，吸附剂的选择一般需要经过下列步骤。

1．初选

根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选出几种吸附剂。

(1)根据吸附质的性质选择吸附质的性质包括极性和分子的大小。若为非极性的大分子物质，首选的应是活性炭。因为活性炭属于非极性吸附剂，且内部具有范围较广的大小孔径，可以吸附直径变化范围很宽的非极性吸附质，如大多数有机蒸气。若吸附质为极性小分子物质，则应考虑极性吸附剂，如硅胶、分子筛、活性氧化铝等。

(2)根据气体的浓度和净化要求选择对于浓度高但要求净化效率不高的场合，就应尽可能地采用廉价的吸附剂，以降低生产成本。对于浓度较低但净化要求高的场合，就应该考虑用吸附能力比较强的吸附剂。对于气体浓度高、且净化效率要求也高的场合，应考虑先采用廉价吸附剂处理，然后再采用吸附力强的吸附剂处理的二级吸附处理方法或应用吸附剂浸渍的方法。

(3)根据吸附剂的来源选择在综合考虑以上诸因素的基础上，尽量选择一些价廉，易得，且近距离能解决的吸附剂。

2．活性实验

利用小型装置，对初选出的几种吸附剂进行活性实验，实验所用吸附质气体应是任务规定的待净化气体。通过实验，再筛选出其中几种活性较好的吸附剂，做进一步实验。

3．寿命实验

在中型装置中，对几种活性较好的吸附剂进行寿命和脱附性能的实验。实验气体仍必须是待处理的气体，实验条件应是生产时的操作条件，所用的脱附方式也必须是生产中选定的。这样经过吸附—脱附—再生反复多次循环，确定每种吸附剂的使用寿命。

4．全面评估

对初选的几种吸附剂，综合活性、寿命等实验，再结合价格、运费等指标进行全面评估，最后选出一种既较适用，价格又相对便宜的吸附剂。

吸附剂的选择是一项复杂烦琐的工作，需要仔细认真地进行。

二、吸附装置的选择

吸附装置是吸附系统的核心，工业上所使用的吸附装置共三大类，即固定床、移动床和流化床。其中以固定床应用最为广泛。但不论是哪一类吸附装置，在进行气体净化设计时，必须考虑基本要求。

1．吸附装置设计的基本要求

(1)吸附装置出口排气必须达到排放标准这是对吸附装置的最起码要求。按照目前的规定，各类气态污染物的排放浓度必须达到国家环保局颁布的《大气污染物综合排放标准(—1996)》的规定，如果地方政府还有更严格的规定，还必须执行地方政府的规定。1996标准的规定对过去的标准进行了修订，提出了更严格的标准，今后随着可持续发展战略的实施，国家还会对标准进行更严格的修订，因此，在设计吸附装置时应随时注意排放标准的要求。

(2)设备选型要面向生产实际设备选型要考虑实际生产中的规模、排气量、排污方式(连续或间歇，均匀排放还是非均匀排放)、污染物的物化特性、回收还是进一步处理等因素，正确选择吸附装置和吸附工艺系统，尤其对一些特殊污染物或特殊要求的场合。选择工艺系统时还应考虑生产的发展，留有适当的余地。

(3)尽可能采用先进技术通过改进设备结构，使吸附装置能保持在最佳状态下运行，使所设计的吸附系统处理能力大、效率高、收益大。

(4)认真考虑经济因素所设计的吸附装置和系统尽可能

地简化，易于安装、维修，使用寿命长，同时要使系统操作简

便，易于管理，以节省投资及运行费用。

2．吸附装置的类型

(1)固定床吸附系统固定床，顾名思义，它是将吸附剂固定在某一部位上，在其静止不动的情况下进行吸附操作的。它多为圆柱形设备，在内部支撑的格板或孔板上放置吸附剂，使处理的气体通过它，吸附质被吸附在吸附剂上。

固定床的应用较多见。如果只需短期处理气流，那么通常只需一个吸附装置，当然这要以吸附周期之间有足够的时间间隔，以便进行吸附剂的再生。然而，由于通常要求待处理气体连续流动，因此必须采用能按这种方式操作的一个或多个装置。用来从气流中除去污染物最普通的吸附系统形式，是由许多固定床装置组成的，这些装置以一定的顺序进行吸附操作和再生操作，以使气流保持连续。如果间歇操作和分批操作切实可行，则简单的单床层吸附就足够了，这时吸附阶段和再生阶段可交替进行。然而，由于大多数工业应用要求连续操作，因此经常采用双吸附床或三吸附床系统，其中一个或两个吸附床分别进行再生，其余的进行吸附。典型的双吸附床和三吸附床系统如图15—3和图15—4所示。

图15—3 双吸附床吸附系统

图15－4 三吸附床吸附系统

固定床吸附器也存在一些缺点。

①间歇操作为使气流连续，操作必然不断地周期性切换，为此必须配置较多的进出口阀门，操作十分麻烦。即使实现了自动化操作，控制程序也比较复杂。

②需设有备用设备即当一部分吸附器进行吸附时，要有一部分吸附床进行再生；这些吸附床中的吸附剂即处于非生产状态。即使处于生产中的设备里，为了保证吸附区的高度有一定的富余，也需要放置多个实际需要的吸附剂，因而总吸附剂用量增多。

③吸附剂层导热性差吸附时产生的吸附热不易导出，操作时容易出现局部床层过热。另外，再生时加热升温和冷却降温都很不容易，因而延长了再生的时间。

④热量利用率低对于采用厚床层，压力损失也较大，因此，能耗增加。

(2)固定床吸附器固定床吸附系统的核心装置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、卧式、环式三种类型。

①立式固定床吸附器立式固定床吸附器如图15—5所示。分上流和下流式两种。吸附剂装填高度以保证净化效率和一定的阻力降为原则，一般取0．5～2．0m。床层直径以满足气体流量和保证气流分布均匀为原则。处理腐蚀性气体时应注意采取防腐蚀措施，一般是加装内衬。立式固定床吸附器适合于小气量浓度高的情况。

图15－5 立式固定床吸附器

1－砾石；2－卸料孔；3，6－网；4－装料孔；5－废气及空气入口；7－脱附气排出；8－安全阀接管；

9－顶盖；10－重物；11－刚性环；12－外壳；13－吸附剂；14－支撑环；15－栅板；16－净气出口；

17－粱；18－视镜；19－冷凝排放及供水；20－扩散器；21－吸附器底；22－梁支架；23－扩散器水蒸气接管

②卧式固定床吸附器卧式固定床吸附器适合处理气量大、浓度低的气体，其结构如图15—6所示。

图15－6 卧式固定床吸附器

1－壳体；2－供水；3－人孔；4－安全阀接管；5－挡板；6－蒸汽进口；7－净化气体出口；8－装料口；

9－吸附剂；10－卸料口；11－砾石层；12－支脚：13－填料底座；14－支架；15－蒸汽及热空气出入口

卧式固定床吸附器为一水平摆放的圆柱形装置，吸附剂装填高度为0．5～1．0m，待净化废气由吸附层上部或下部入床。卧式固定床吸附器的优点是处理气量大、压降小，缺点是由于床层截面积大，容易造成气流分布不均。因此在设计时特别注意气流均布的问题。

③环式固定床吸附器环式固定床吸附器又称径向固定床吸附器，其结构比立式和卧式吸附器复杂，如图15—7所示。吸附剂填充在两个同心多孔圆筒之间，吸附气体由外壳进入，沿径向通过吸附层，汇集到中心筒后排出。

图15－7 环式吸附器

1－支脚；2－废气及冷热空气入口；3－吸附剂筒底支座；4－壳体；

5，6－多孔外筒和内筒；7－顶盖；8－视孔；9－装料口；10－补偿料斗；

11－安全阀接管；12－吸附剂；13－吸附剂筒底座；14－卸料口；

15－器底；16－净化器出口及脱附水蒸气入口；17－脱附时排气口

环式固定床吸附器结构紧凑，吸附截面积大、阻力小，处理能力大，在气态污染物的净化上具有独特的优势。目前使用的环式吸附器多使用纤维活性炭作吸附材料，用以净化有机蒸气。实际应用上多采用数个环式吸附芯组合在一起的结构设计，自动化操作。

(3)移动床吸附器移动床吸附器的优点在于其结构可以使气、固相连续稳定地输入和输出，还可以使气、固两相接触良好，不致发生沟流和局部不均匀现象。由于气、固两相均处于移动状态，所以克服了固定床局部过热的缺点。其操作是连续的，用同样数量的吸附剂可以处理比固定床多得多的气体，因此对处理量比较大的气体的操作，选用移动床较好。但是，移动床有它的固有缺点。主要是由于吸附剂处在移动状态下，磨损消耗大，且结构复杂，设备庞大。设备投资和运行费用均较高。

工业上应用的典型移动床吸附器是超吸附塔(见图15—8)，设备高近30m，由塔体和流态化粒子提升装置两部分组成。吸附剂采用硬质活性炭。活性炭经脱附、再生及冷却后继续下降用于吸附。在吸附塔内，吸附与脱附是顺序进行的。在吸附段，待处理的气体由吸附段的下部(即塔体中上部)进入，与从塔顶下来的活性炭逆流接触并把吸附质吸附下来，处理过的气体经吸附段顶部排出。吸附了吸附质的活性炭继续下降，经过增浓段到达汽提段。在汽提段的下部通入热蒸汽，使活性炭上的吸附质进行脱附，经脱附后，含吸附质的气流一部分由汽提段顶部作为回收产品(底部产品)回收，有一部分继续上升，到达增浓段。在增浓段蒸汽中所含的吸附质被由吸附段下来的活性炭进一步吸附，等于使这部分活性炭的“浓度”又增加了。活性炭经过汽提，大部分吸附质都被脱附，为了使之更彻底地脱附再生，在汽提段下面又加设了一个提取器，使活性炭的温度进一步提高，一是为了干燥目的，二是为了使活性炭更好地再生。经过再生的活性炭到达塔底，由提升器将其返回塔顶，于是完成了一个循环过程。在实际操作中，过程连续不断地进行，气体和固体的流速得到很好的控制。

图15－8 超吸附塔结构

近年来在移动床中有使用极性吸附剂如分子筛作吸附剂的，用于净化极性气体如H2S等，结果也相当满意。

(4)流化床吸附器用于气态污染物治理的流化床吸附工艺是20世纪60年代发展起来的，是固体流态化技术在气态污染物净化方面的具体应用。流化床是由气体和固体吸附剂组成的两相流装置。之所以称为流化床，是因为固体吸附剂在与气体的接触中，由于气体速度较大使固体颗粒处于流化状态。由于流化床的运动形式，使它具有许多独特的优点。

①由于流体与固体的强烈扰动，大大强化了气固传质；

②由于采用小颗粒吸附剂，使单位体积中吸附剂表面积增大；

③固体的流态化，优化了气固的接触，提高了界面的传质速率，从而强化了设备的生产能力，由于流化床采用了比固定床大得多的气速，因而可以大大减少设备投资；

④由于气体和固体同处于流化状态，不仅可使床层温度分布均匀，而且可以实现大规模的连续生产。

当吸附剂需要再生时，可采用如图15—9所示的流化床吸附器。该吸附器由吸附塔、旋风分离器、吸附提升管、通风机、冷凝冷却器、吸附质储槽等部分组成。吸附塔按各段所起作用的不同分为吸附段、预热段和再生段。

图15－9 带再生的多层流化床吸附装置

1－脱附器；2－吸附器；3－分配板；4－料斗；5－空气提升机构；6－冷却器

需净化的气体由吸附塔的中部送入，与筛板上的吸附剂颗粒接触进行传质。气流穿过筛孔的速度应略大于吸附剂颗粒的悬浮速度，使吸附剂颗粒在筛板上处于悬浮状态。这样既使传质更加充分，又使吸附剂能逐渐自溢流管流下。相邻两塔板上的溢流管相互错开，以使吸附剂在各层板上均布。净气由塔顶进入旋风分离器，将气流带出的少量吸附剂颗粒分离下来，再回到吸附塔内。运转一定时期后，可将旋风分离器收回的吸附剂粉末移

走，而补入新吸附剂。

吸附剂由塔顶加入，沿塔向下流动，在各层塔板上形成吸附剂层，吸附剂层的工作高度由溢流堰高度决定。吸附了吸附质的吸附剂从最下一层塔板降落到预热段，经间接加热后进入脱附再生段，脱附后的吸附质进入冷凝冷却器进行冷却，其中的部分吸附质被冷凝成液体，进入储槽。未凝气体中还含有部分吸附质，又回到吸附段。

脱附再生后的吸附剂自塔下部进入吸附剂提升管，再送入吸附塔上部重新使用。

在流化床吸附塔中，塔板称为气流分布板，是流化床装置的最重要部件，它对于流化质量的影响极为重要。设计好的分布板使气流分布均匀，吸附剂颗粒产生平稳的流化状态。同时还可防止正常操作时物料的下漏、磨损和小孔堵塞。多层流化床吸附器采用多块气体分布板，以抑制床内气体与固体颗粒的返混，改善停留时间分布，提高吸附效率。常用的几种气流分布板的结构形式如图15—10所示。

图15—10 几种气流分布板的结构

流化床吸附器由于气流速度大，与移动床相比，具有更大的处理能力，但能耗更高，对吸附剂的机械强度要求也更高。

三、吸附器净化效率的计算与选择

从理论上讲，要求吸附器的净化效率愈高愈好。然而，要想达到理想的净化效率，千方面需要庞大的吸附设备和很长的气、固接触时间，另一方面需要采用高强吸附能力的吸附剂。这将使设备投资和运行费用大大增加。这在实际上往往是不可行的，而且对于大部分场合也并不是完全必要的。

吸附器净化效率是由吸附器的入口气体浓度，即污染气体的浓度和吸附器的穿透浓度决定的，设污染气体浓度为y0，污染物穿透吸附床时的浓度为yB，吸附器的吸附效率η可由下式计算：

对于一定的处理任务，y0是已经确定了的，而净化效率的高低就取决于yB的选择。对于一定的吸附器，yB愈低，净化效率会愈高，但是吸附剂的利用率就会降低。为了充分利用吸附剂，尽可能地延长吸附床的吸附时间，往往希望确定出较高的yB。但yB的选定是受环境保护法规规定的该污染物排放浓度限制的。因此，在实际吸附器设计时，一般是在满足环保法规的前提下，尽可能地提高yB值，以达到充分利用吸附剂的目的，从而降低处理成本。