譯國外VOC治理關(guān)鍵技術(shù)計(jì)算內(nèi)容

PAGEPAGE4尾氣處理土壤和地下水的污染修復(fù)結(jié)果常常是使有機(jī)污染物轉(zhuǎn)移到了氣相中去。因此，發(fā)展和執(zhí)行控制氣相污染物排放的策略是整個(gè)修復(fù)計(jì)劃中不可缺少的組成部分。但另一方面，氣體排放的控制可能會影響所選擇的修復(fù)方法的成本效益。在土壤和地下水修復(fù)方法中能釋放易揮發(fā)性氣體的技術(shù)有：氣相抽提（SVE），空氣曝氣（AS），固定化或穩(wěn)定化和生物修復(fù)。所釋放的VOCs如果不經(jīng)處理直接排放到大氣中，會造成大氣的二次污染，也會對操作人員帶來一定的危害，因此需要對尾氣進(jìn)行處理。各場地尾氣成分、濃度不同，以及各國家、地區(qū)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)存在差異，需要選擇合適的尾氣處理方式。常用的尾氣處理方法主要為熱處理、吸附處理、生物過濾處理、溶劑吸收法、C3處理法，另外近幾年出現(xiàn)了一些新的處理技術(shù)，如膜分離法、光解及光催化、非熱等離子體法和蒸汽冷凝法等，本節(jié)將逐一進(jìn)行介紹。一、熱處理熱處理技術(shù)是在高溫下將有機(jī)物燃燒或氧化分解成CO2和水。其主要包括熱氧化法和內(nèi)燃機(jī)燃燒法。熱氧化法一般包括傳送氣體的風(fēng)機(jī)、尾氣和空氣的混合器、空氣風(fēng)機(jī)、燃燒室、換熱器以及尾氣排放裝置等。主要有直接火焰型熱氧化器、無火焰型熱氧化器以及催化氧化器等。熱氧化器可以處理濃度較高、變化較大的尾氣，并適合于多種有機(jī)污染物，污染物的去處效率能夠達(dá)到99%以上。熱氧化器技術(shù)比較成熟，可用于多種場合，但是熱氧化器還可能產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物，也可能會對大氣造成危害。而且在一些特殊場合其建造和操作費(fèi)用較高，因此使用受到一定的限制。熱處理技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分就是3T：燃燒溫度，停留時(shí)間和湍流。它們主要決定了反應(yīng)器的型號和破壞效率。為了達(dá)到更好的熱力破壞，易揮發(fā)性氣體應(yīng)在熱氧化裝置中停留足夠的時(shí)間（通常是0.3～1.0秒），內(nèi)部溫度至少要高于氣體流股中各成分的自燃溫度37.8℃。另外，氧化反應(yīng)器中要保持充分的湍流以保證污染物更好的混合和完全的燃燒。其他要考慮的重要參數(shù)有：入口流股的濃度（熱值），輔助燃料和需要補(bǔ)充的氣體。下面介紹了熱處理技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)注意的一些場合及設(shè)計(jì)公式。一、氣體體積流率的換算。氣體在熱處理過程中要流經(jīng)不同的溫度區(qū)域，氣體體積是在不同的溫度區(qū)域是變化的。一個(gè)大氣壓下，氣體的體積流率和溫度滿足下面公式：（公式1）T是實(shí)際溫度（℃），Qactual是實(shí)際的氣體體積流率，Qstandard是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流率，定義標(biāo)態(tài)為一個(gè)大氣壓，25℃實(shí)例：使用熱氧化裝置來處理soilventing流程下來的尾氣。為了獲得需要的去除效率，氧化器在760℃下運(yùn)行。氧化器出口的氣體流率為15.6m3/min。怎樣把出口流率表示成以標(biāo)準(zhǔn)的m3/min為單位呢？從最后一個(gè)煙囪排放的氣體溫度為93℃。如果最后一個(gè)煙囪的直徑為解：a.利用式（公式1）把a(bǔ)cfm換算成scfm因此Q＝4.1m3/minb.利用式7.2.1確定排氣煙囪出來的氣體流率：因此，Q＝5.2m3/min@93二、氣體流股熱值計(jì)算。尾氣中有機(jī)成分的濃度越高，焓越高，需要的補(bǔ)充燃料越少。純有機(jī)化合物的熱值可以用下面Dulong公式計(jì)算得到：（公式2）C,H,O,S代表化合物中各元素的質(zhì)量百分含量（%）。含有機(jī)物尾氣流股的熱值（inkJ/m3）=有機(jī)化合物的熱值（inkJ/kg）×有機(jī)化合物的質(zhì)量濃度（kg/m3）質(zhì)量熱值（inkJ/kg）=體積熱值（inkJ/m3）÷氣體密度（kg/m3）在尾氣中有機(jī)化合物的濃度不是很高時(shí)，氣體密度可以取空氣密度1.19kg/m3三、空氣稀釋。特殊處理場合尾氣中的VOC濃度比較高，并且含有大量易燃易爆的危險(xiǎn)組分，這時(shí)需要考慮氣體爆炸下限（LEL），對危險(xiǎn)氣體進(jìn)行熱處理時(shí)，可燃?xì)怏w的濃度通常限制在LEL的25%，保證熱處理過程的安全。尾氣中VOC的濃度比LEL的25%高，就必須在熱處理前降低污染物的濃度。當(dāng)尾氣需要稀釋時(shí)，稀釋氣體的體積流率可以由下式得到：（公式3）Qdilution=需要稀釋的氣體，m3/min，Qw=處理的廢氣，m3/min，Hw=廢氣的熱容量，kJ/m3（或kJ/kg），Hi=處理系統(tǒng)入口流股的熱容量，kJ/m3（或kJ/kg）。實(shí)例：含有大量苯的尾氣。已知苯的熱值是42318.6kJ/kg。確定與25％的LEL氣體流股相對應(yīng)的尾氣熱值。表氣體中可燃燒組分的LELs和UELs化合物L(fēng)EL,%(體積)UEL，％（體積）甲烷5.015.0乙烷3.03.0丙烷2.19.5附達(dá)到一定程度以后，通常借用向活性炭吸附塔中注入水蒸氣的方法，使得吸附在活性炭上的有機(jī)化合物分子脫附并隨蒸汽帶出吸附設(shè)備?；钚蕴浚℅AC）可用于大多數(shù)VOCs的吸附處理，不適用于極性較高的物質(zhì)，如醇類、氯乙烯等，也不適用于分子量較小的物質(zhì)，如甲烷之類，以及蒸汽壓較高的物質(zhì)，如MTBE、二氯甲烷等。其一般為一個(gè)到多個(gè)裝有活性炭的容器并聯(lián)或串聯(lián)組成?；钚蕴恳话阄狡渥陨碣|(zhì)量10%~20%的污染物，當(dāng)尾氣相對濕度超過50%時(shí)，吸附容量將下降。當(dāng)活性炭吸附接近飽和后，需要更換。更換下的活性炭有的當(dāng)做危險(xiǎn)廢物處置，有的通過高溫或者蒸汽進(jìn)行再生?？傮w而言活性炭吸附是一種經(jīng)濟(jì)的方式，但當(dāng)尾氣濃度較高時(shí)，更換活性炭的費(fèi)用較高。此外由于物質(zhì)吸附時(shí)會放熱，有燃燒的危險(xiǎn)，使用時(shí)需要注意?；钚蕴课皆O(shè)計(jì)時(shí)常需要考慮兩個(gè)預(yù)處理過程[1](土壤和地下水的修復(fù)工程計(jì)算)，首先是冷卻，然后是除濕。易揮發(fā)性有機(jī)物的吸附是放熱反應(yīng)，應(yīng)在低溫下進(jìn)行。預(yù)處理后，廢氣溫度需要冷卻到130°以下。預(yù)處理后廢氣的相對濕度通常會減少50%左右。沸石吸附系統(tǒng)與活性炭類似，由于沸石具有吸附相對濕度較高的尾氣、阻燃、較低濃度時(shí)去除濃度較高、幾乎完全再生，因此與活性炭相比，具有一定的優(yōu)勢。沸石能夠吸附分子直徑在0.8nm左右的物質(zhì)，如甲醛、甲烷、丙酮、苯酚、苯乙烯等。其不適用于污染物分布較廣的尾氣。該系統(tǒng)適于高流量、低濃度的情況，但這種情況在SVE中不常見，因此其在該領(lǐng)域的應(yīng)用較少。聚合物吸附系統(tǒng)與活性炭系統(tǒng)、沸石系統(tǒng)相似，其選擇性較低，可處理相對濕度相對較大的尾氣、阻燃、更換頻率較低、能再生等特點(diǎn)。其可用于濃度為1.8~9ppmv的PCE、TCE、TCA、DCE等系統(tǒng)，也可用于甲苯、二甲苯、氟利昂、酮類和醇類。其適用的流量范圍較大，可處理170~1700m3/h的尾氣，吸附容量較大，每小時(shí)可處理VOCs14千克。其耐水性較好，即使相對濕度90%時(shí)，吸附性能也不會下降。但其不適用于污染物濃度較低的情況。其價(jià)格比活性炭貴，與沸石價(jià)格相當(dāng)。其應(yīng)用比活性炭少，但比沸石要多。三、生物過濾生物過濾是將尾氣通過位于固定介質(zhì)上的微生物，通過生物作用使污染物降解。生物過濾SVE尾氣系統(tǒng)一般包括顆粒過濾、濕度控制、溫度控制、過濾床、操作和控制系統(tǒng)等。生物過濾法可處理的污染物種類有脂肪烴、單環(huán)芳烴、醇類、醛類、酮類等，但不適用于含氯VOCs。生物過濾法可以處理污染物濃度小于1500ppm的尾氣，也可處理高達(dá)5000ppm的尾氣。當(dāng)尾氣中污染物短時(shí)間內(nèi)變化較大時(shí)，微生物來不及適應(yīng)濃度的增加或者污染物種類的變化。該方法處理尾氣的流量可以小于170m3/h，也可以高達(dá)410000m3/h，而一般SVE尾氣流量為170~2550m3/h。其操作成本小于熱處理法和吸附法。生物過濾法涉及到微生物活動，因此其主要限制因素為溫度、濕度、pH以及營養(yǎng)物質(zhì)。微生物需要一定的時(shí)間適應(yīng)污染物，開工時(shí)微生物的適應(yīng)時(shí)間有時(shí)可達(dá)一個(gè)月，則此時(shí)SVE可以采用間歇操作。污染物的類型對處理裝置有較大影響，如流量85000m3/h，濃度為50ppm的乙苯，需要的停留時(shí)間為4分鐘，而同樣流量和濃度的甲基乙基酮停留時(shí)間只需25秒。生物過濾法處理的尾氣濃度不一定能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，還需與其他的方式聯(lián)合應(yīng)用。四、溶劑吸收法溶劑吸收法在處理大氣量、中等濃度的有機(jī)廢氣時(shí)有著諸多優(yōu)勢，近年來人們對溶劑吸收法治理尾氣的研究逐漸升溫，已經(jīng)有一些專利報(bào)道，天津大學(xué)（隋紅等，2010）開發(fā)了土壤氣相抽提修復(fù)技術(shù)可資源化尾氣處理系統(tǒng)及工藝，可以用于高能濃度尾氣的處理，實(shí)現(xiàn)尾氣中污染物的回收，并且實(shí)現(xiàn)吸收溶劑再生后循環(huán)利用，回收了有價(jià)值產(chǎn)品并減少了投資。吸收是指氣相混合物中的一種或多種組分溶解于選定的液相吸收劑中，或者與吸收劑中的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從氣流中分離出來的過程。溶劑吸收法通常選用不易揮發(fā)的液體作吸收劑，利用有機(jī)廢氣中各組分在吸收劑中的溶解度的差異，在吸收裝置中使有機(jī)廢氣中的污染組分溶于吸收劑從而達(dá)到凈化的目的。在運(yùn)用溶劑吸收法治理含有揮發(fā)性有機(jī)化合物的廢氣時(shí)，性能優(yōu)良的吸收劑無疑將對有機(jī)廢氣的最終治理效果起到至關(guān)重要的影響。一般來講，吸收劑的選擇需要考慮到以下因素（張楠革，2010）：吸收劑對待吸收組分的溶解度要盡可能大，以便減少吸收劑的用量，節(jié)約操作成本。吸收劑本身沸點(diǎn)高、蒸汽壓低、揮發(fā)性要盡可能小，以防止造成二次污染。（田森林、寧平。有機(jī)廢氣治理技術(shù)及其新進(jìn)展。環(huán)境科學(xué)動態(tài)，2000.12（1）：23-28）吸收劑的粘度要盡可能低，以避免在吸收過程中發(fā)生液泛現(xiàn)象，影響吸收效果。吸收劑還要具備無毒無害（田森林、寧平。有機(jī)廢氣治理技術(shù)及其新進(jìn)展。環(huán)境科學(xué)動態(tài)，2000.12（1）：23-28），價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。溶劑吸收法治理有機(jī)廢氣的操作往往選在吸收塔內(nèi)進(jìn)行。吸收效率與溶劑種類、吸收塔的理論板數(shù)、溫度、氣液比有關(guān)。一般工業(yè)上應(yīng)用溶劑吸收法處理尾氣主要分為四個(gè)階段：1、有機(jī)尾氣吸收階段由土壤氣相抽提設(shè)備而來的有機(jī)尾氣經(jīng)吸收塔塔底進(jìn)入吸收塔，與從塔頂進(jìn)入的吸收劑（貧液）逆流接觸，以達(dá)到脫出尾氣中可揮發(fā)性有機(jī)污染物的目的。經(jīng)吸收劑吸收后的尾氣由塔頂排出。吸收了有機(jī)污染物的吸收劑（富液）先進(jìn)入分流器進(jìn)行分流，一部分吸收劑重新進(jìn)入吸收塔，另一部分吸收劑通過加熱器預(yù)熱后，進(jìn)入再生塔再生。2、吸收劑（貧液）再生階段從吸收塔塔底流出的吸收劑（富液）進(jìn)入精餾再生塔進(jìn)行再生。精餾塔塔頂設(shè)置分凝器，塔底設(shè)置再沸器。塔頂液相產(chǎn)品吸收劑，氣相產(chǎn)品為含有微量有機(jī)污染物的空氣；塔底產(chǎn)品為再生后的吸收劑（貧液）。3、吸收劑循環(huán)使用階段由吸收塔塔底流出的吸收劑（富液）經(jīng)過分流器的分流后，一部分將會重新進(jìn)入吸收塔與尾氣進(jìn)行逆流接觸；由精餾塔塔底流出的吸收劑（貧液）也會經(jīng)過分流器分流后重新進(jìn)入吸收塔與尾氣進(jìn)行逆流的接觸。4、出塔尾氣二次凈化階段由吸收塔塔頂排出的尾氣，雖然經(jīng)過一次逆流吸收，但其組成成分中仍可能含有有機(jī)污染物，同時(shí)也可能含有氣相的吸收劑成分。為了達(dá)到徹底凈化尾氣達(dá)到空氣排放標(biāo)準(zhǔn)的目的，在吸收塔在吸收工序之后設(shè)置一道閃蒸分離工序，將出塔尾氣與清水通過混合器預(yù)混后進(jìn)入閃蒸器進(jìn)行閃蒸。由閃蒸器流出的液相流股為含有微量有機(jī)污染物的吸收劑，將被送入吸收塔進(jìn)行再吸收；而由閃蒸器流出的氣相流股則為有機(jī)污染物含量較低的空氣，可作放空處理。五、C3技術(shù)處理法C3處理法是指物理法壓縮—冷卻—冷凝處理尾氣，其主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、空冷機(jī)、氣液分離罐、冷凍機(jī)組、深冷機(jī)組和吸附罐。主要工藝路線是有機(jī)污染物尾氣經(jīng)過氣液分離后氣相經(jīng)過一次壓縮—空冷分離出凝固點(diǎn)較高的有機(jī)污染物，排出的氣相再經(jīng)過冷凍機(jī)組冷凝出凝固點(diǎn)比較低的有機(jī)物，剩下的凝固點(diǎn)極低的有機(jī)物經(jīng)過壓縮深冷機(jī)組處理出凝固點(diǎn)極低的有機(jī)物，最后帶有少量有機(jī)物的尾氣經(jīng)過吸附處理后排放到大氣中。除了以上處理方式外，還有膜分離法、光解及光催化、非熱等離子體法和蒸汽冷凝法等。這些方法在SVE修復(fù)過程中尚處于研究階段，相關(guān)的報(bào)道較少。膜分離是利用膜對污染物和空氣的滲透性能差異實(shí)現(xiàn)分離的，其主要有單級和二級系統(tǒng)。單級膜分離系統(tǒng)中，SVE尾氣經(jīng)過冷凝后，氣體進(jìn)入膜分離單元后，將產(chǎn)生兩股氣流。一股VOCs含量較低，可以排放到大氣，另一股VOCs含量較高，將循環(huán)到冷凝器中冷凝。單級系統(tǒng)適于尾氣濃度高于1000ppm的情形。二級膜分離系統(tǒng)適于尾氣濃度較高情況，尾氣先經(jīng)過膜，含VOCs較多的氣體進(jìn)行壓縮，進(jìn)一步冷凝，二級系統(tǒng)費(fèi)用較高。美國DOEHanfordReservation區(qū)塊進(jìn)行了一個(gè)二級系統(tǒng)的測試，尾氣中四氯化碳濃度為200~1000ppm，處理量為12000光解和光催化法利用離子源紫外燈或近紫外燈，使SVE尾氣中物質(zhì)離子化，生成活性自由基，從而將污染物分解。光催化中使用的催化劑一般為TiO2，污染物在光照下，通過與催化劑接觸，分解成離子和自由基，然后重新生成水、CO2等，如果含有鹵代烴，尾氣中還會生成鹵代酸。光解而和光催化法系統(tǒng)設(shè)施較簡單，催化劑一般能使用2到3年。只有當(dāng)光照射到催化劑時(shí)才能發(fā)生催化反應(yīng)，因此，當(dāng)氣體流量較大時(shí)，需要較大的催化劑面積。產(chǎn)生紫外光的能量消耗是光解和光催化的主要操作費(fèi)用，當(dāng)尾氣濃度低于100ppm時(shí)，該方法成本較高。光解和光催化法設(shè)備投資要高于熱處理法，但其運(yùn)行費(fèi)用比熱處理要低。等離子體是氣態(tài)分子或原子解離成離子、自由基以及自由電子的一種狀態(tài)。非熱等離子體法不直接使用高溫