废弃塑料回收利用过程的废气处理方案设计.doc

废弃塑料回收利用过程的废气处理方案设计【摘要】简要介绍了废弃塑料的处理方法：掩埋、焚烧和回收再利用。其中，回收再利用不仅经济而且环保。但回收利用过程不可避免地涉及到高温、压缩及裂解工艺流程，这些过程中均会产生有毒气体和烟尘。重点分析了废弃塑料在高温压缩过程产生的废气成分，并针对性地设计了一套兼具新颖性和实用性的废气处理设备。 【关键词】废旧塑料；回收再利用，有毒废气；烟尘；处理设备 1、前言 随着塑料需求量的不断提高，废弃塑料也逐渐增加，塑料垃圾的处理问题是目前环境处理中的一大难点。目前，废弃塑料处理主要采用三种方法：掩埋、焚烧和回收再利用1，2。掩埋处理是一种既快速又省事的方法，但塑料是一种难以生物降解的垃圾，大量的塑料垃圾掩埋会使得地下资源超出自身负荷，并污染地下水源，再者垃圾掩埋对于农作物生长也是一种严重阻碍。焚烧处理也是一种较为方便快捷的办法，但焚烧过程会产生大量的黑烟和有毒气体，会造成严重的大气污染。显然，对废弃朔料进行回收再利用是一种既环保又经济的做法，它包括物理法和化学法。物理法就是通过机械把废弃塑料进行加工粉碎后重新用到工业以及建筑业等零部件上3。化学法包括熔融再生、热裂解及能量回收等。化学法是朔料回收利用的新方向，主要包括塑料的油化技术、焦化技术及制造芳香族化合物。塑料的单体原料大部分源于石油，石油是不可再生能源，把塑料进行油化处理既可以保护环境又可达到节油的目的。但是，无论是熔融再生、热裂解、能量回收或是焚烧，这些方法都离不开高温处理，均会产生大量的有毒有害气体和烟尘，这些有害物质若直接排放到大气中，会造成严重的二次污染。我们重点分析了废弃塑料在高温或燃烧过程中产生的废气成分，并针对性地设计了一套兼具新颖性和实用性的废气及烟尘处理设备。 2、废气治理的工艺选择 2.1吸收法 处理混合废气时采用液体作为吸收剂来除去废气中一种或几种气体的方法称为吸收法。吸收法可分为两种：化学吸收法和物理吸收法。化学吸收法就是一种或几种废气与吸收剂之间发生化学反应而生成其它物质来达到处理的目的。有机废气中含有大量惰性有机气体，且大部分的吸收液参加反应以后不能继续使用，无形之中增加了后续处理及购买新吸收液的成本。而物理吸收法根据吸收液与被吸收物质的相溶性，把有机废气溶解在吸收液中，再利用它们沸点的不同用蒸馏的办法把有价值的物质从混合液中分离出去，并且可以回收吸收液，达到循环利用的目的。但该法必须额外添加一个冷凝装置，且吸收液大部分是有机溶剂容易挥发，耗损量大，也增加了不少的成本和困难。 2.2吸附法 此法通过多孔隙固体作为吸附剂，利用其吸附作用把有害气体吸附在吸附剂的表面，再利用加热或吹气等方法将吸附剂表面的浓缩气体进行解吸，达到分离和富集气体的目的。吸附剂的一般要求：比表面大、有合适的微观结构；制造方便，容易再生；不能与被吸附物质发生反应；有足够的吸附能力；较高的耐热性能以及机械强度。活性炭纤维是一种非常良好的吸附剂，具有比普通活性炭更好的比表面积，一般可达10002500m2/g，可形成大量孔径为10m40m的均匀微孔，并且还具有杂环结构和表面官能团等许多特殊结构4-5。这种优异的微孔结构作用下，可提供强大的分子场。又因为吸附层很薄，具有很好的通透性，可以提供温度变化而造成压力改变的变压体系，且同时具有很高的耐热性能，使活性炭纤维比普通活性炭具有吸脱附快速、脱附彻底、吸附容量大和装置不会因热积蓄过大而造成燃烧爆炸等优点，但活性炭纤维价格较为昂贵6。 2.3燃烧法 2.3.1直接燃烧法。此法是将有害可燃的气体在适宜的工艺条件下直接燃烧，一般要求燃烧效率可达到95%以上。这种方法适于处理较高浓度的有机废气，但缺点是需使用大量的燃气并保持较高的温度（1100），且还存在着燃气储存所带来的安全隐患以及燃气运输费用等问题。 2.3.2催化燃烧法（热催化氧化法）。此法是一种典型的气固相催化氧化反应。利用催化剂来降低化学反应的活化能进而降低反应温度，使得有机废气能在较低的温度下（200300）氧化分解为无毒的水和二氧化碳等成分，并放出大量的热量7-9。此法具有燃烧温度低、节省燃气的优点。也不会因为温度过高而使得空气中的氮气转化为氮氧化物10。 2.4催化法 2.4.1催化还原（选择性催化还原，SCR）。催化还原指的是利用还原剂，如：氨、尿素等，在催化剂的作用下，可以把烟气中的氮氧化物还原成无毒无害的物质如氮气和水。此法目前广泛应用在烟气脱硝技术中，而塑料燃烧或高温产生的污染物复杂，不单只有氮氧化物，而且需要精确控制还原剂的喷入量并避免二氧化硫、氧气的参与。 2.4.2光催化。此法是在常温、常压下利用光催化剂在太阳光或紫外灯的照射下，对有机污染物进行快速分解，使其被氧化成水、二氧化碳等小分子，一般不造成二次污染。目前以TiO2作为半导体材料的光催化降解研究技术最受欢迎。导带中的电子和价带中的空穴合称为电子空穴对。在光催化过程中，空穴能够与吸附在催化剂表面的水分子发生作用生成氧化能力极强和活性更高的羟基自由基，而光生电子也能够与氧气发生作用生成具有很强化学活性的自由基，这些光生载流子能无选择地氧化还原各种污染物并生成无毒无害物质。光催化技术也可补充催化燃烧法的不足，比如，HCN通过催化燃烧法会产生氮氧化物污染物，产生的氮氧化物污染物可以用光催化反应来降解。但是此法的缺点在于只能消除封闭空间较低浓度的有害气体。 3、烟尘治理的工艺选择 塑料在高温或者燃烧的过程中除了产生有毒气体外，还伴随着大量的黑烟。产生黑烟的主要原因是塑料不完全燃烧或者高温裂解会产生碳粒（也叫做碳黑），而90%碳黑产品可作为橡胶加工业的补强剂和填料。处理碳黑的方法有很多，例如燃烧、过滤、静电捕集、湿式洗涤等。燃烧和静电捕集成本较高，都需要外来能源来提供热能和电能；湿式洗涤除了外来能源来提供动力外，还需要大量的水来捕集烟尘，况且处理烟尘后的废水需要进行处理，否则会造成环境二次污染。过滤法处理烟尘则有两大优点：不需要消耗外来能源（即热能和电能）；可以回收碳黑。从整体来看最有效的方法是过滤法处理碳黑。目前，除尘效率最高的是袋式除尘器，它对烟尘微粒过滤效果极好，但它只适用于低温除尘，其原因是袋式除尘器的纤维滤料一般适用于100左右，对高于100的气体，其滤料耗损相当大。为了提高滤料的耐热性能、过滤效率、抗压能力以及减少排气阻力，国内外对过滤材料进行大量的研究，目前，常用的过滤材料有三大类：陶瓷材料、金属材料和复合材料。 3.1多孔金属过滤材料 金属材料具有优良的耐热性和机械性能，无论在常温还是在高温，其机械强度均为陶瓷材料的数倍，所以使用寿命较长。且金属材料还具有焊接性能、可塑性等优点。金属多孔过滤材料按结构形式主要可以分为：烧结金属丝网、烧结金属粉末和金属膜等。但金属材料化学活性较高，容易被高活性气体腐蚀和氧化。 3.2多孔陶瓷过滤材料 陶瓷材料具有良好的化学稳定性以及热稳定性，它在高温环境下工作，不容易被高活性的气体腐蚀、氧化以及还原。但单一的陶瓷组分可能存在易脆和易裂等问题，且进行修补是一大难题。 3.3复合材料 为了解决单一组分所带来的缺点，国内外对陶瓷材料以及金属材料进行综合开发研究，并结合两者的优点开发出金属陶瓷复合材料、新型的合金材料和复合陶瓷材料等。金属陶瓷材料典型的代表是美国研发的一种“secp ter金属膜”，被称为金属的无机膜。新型合金材料典型的代表是Haynes合金、Hastelloy合金、310S等系列新型材料。复合陶瓷材料典型的代表是堇青石陶瓷纤维复合膜和SiC多孔陶瓷等，其孔隙率达到8090%，更具有机械强度高、密度小、使用寿命长等特点。 4、有机废气净化设施工艺流程 4.1过滤 把有机废气运往吸附床之前，需设置一个过滤器来除去烟尘，其中过滤材料采用菲尔特环保科技有限公司的壁流式多孔陶瓷微粒捕集器，它以碳化硅基SiC蜂窝陶瓷材料为微粒捕集材料，能满足欧、欧的排放标准。为了避免长期使用而造成过滤材料的微孔堵塞，在微粒捕集器后面设置一台风机，可利用风机的反吹作用把烟尘从微孔中吹出，清灰时间只需58min即可，且每天清灰23次，必要时可采用水洗进行清灰。 4.2吸附 除去烟尘后的有机废气，通过合理布风，均匀通过吸附床进行吸附。传统固定吸附床需要两个或两个以上，当有一台吸附床进行脱附的时候，由另一台吸附床进行吸附工作，以达到了交替工作的目的。但一架吸附床必须配一台热风机和一台抽风机，如果吸附床数量增加，风机数量也会随之增加。若采用并联方式则可解决该难题。并联就是把多个吸附床用管件并联起来形成多个支路，用主管件将所有支路连接起来，再把大型的热风机和抽风机安置在主管件上，这样也会增加管件的数量，造成成本的增加。为了进一步解决成本增加问题，把吸附床进行再一次改造，只需把一个普通的固定吸附床内设计成多个室，再把吸附床的阀门开关更换成双向阀门开关。双向阀门开关可以简化开关数量，当一个室吸附饱和后，再将双向阀门开关向未吸附饱和的方向摆动，原先吸附室的入口从开放状态变成关闭状态，同时，原先脱附室的入口从关闭状态变成开放状态，这样可达到一个开关控制两个室的入口或出口的效果。 4.3催化燃烧 当吸附床的另一个室开始工作时，可利用远红外电加热器，对催化燃烧床的内部进行预热，当床层的温度到达设定值时利用风机将一部分的热空气直接抽送到吸附床里进行脱附，另一部分热空气则先通过换热器进行换热后再送往光催化装置，达到合理利用热能的目的。进入催化燃烧床里的废气通过催化作用，使有机废气能在较低的温度下进行无焰催化氧化燃烧。如果催化燃烧床内部的有机废气浓度和床层的反应温度都偏高，此时补冷风机将会自动开启，并把新鲜的冷空气吹入催化燃烧床里以降低床层的反应温度，同时也补充了反应过程中的氧气，确保催化燃烧反应能高效、安全地进行，其脱附与催化燃烧反应的整个过程需要68h。 4.4光催化 进入光催化装置的气体一般含有低浓度的未反应完的有机废气或一些氮氧化物，这些低浓度的废气连续照射23h后，就可以用主风机将净化后的气体排出。光催化装置中的吸附-催化反应材料选用纳米二氧化钛与活性炭纤维的复合体，选用这种材料的原因在于活性炭纤维ACF具有很强的吸附能力，吸附速度快，可以为光催化反应提供有利条件。 5、结论 废弃塑料在高温或燃烧过程中产生的气体大部分都是有毒有害的，如不加以处理直接排放，会给环境造成严重污染。废弃塑料因高温环境所产生的气体成分复杂，且有些气体的化学性质很不活泼，难以用单一的方法进行处理。为了解决化学活性不一致、浓度不相同以及成分复杂多样的有毒有害气体的处理问题，采用了过滤-吸附-催化燃烧-光催化的综合联用技术，设计了一套兼具新颖性和实用性的废气及烟尘处理设备。 参考文献 1孙亚明.废旧塑料回收利用的现状及发展J.云南化工，2008，35（2）：36-40. 2高涛，章煜君，潘立.我国废旧塑料回收领域的现状与发展综述J.机电工程，2009，26（6）：5-8. 3黄海滨，刘锋，李丽娟.塑料回收利用与再生塑料在建材中的应用J.工程塑料应用，2009，37（7）：56-59. 4杨芬，刘品华。活性炭纤维在挥发性有机废气处理中的应用J。曲靖师范学院学报，2003，22（6）：43-46. 5李洪美，王同华，张平.活性炭纤维的功能化及其在印刷有机废气处理中的应用J。2008，27（3）：38，43-45. 6欧海峰，林金画.活性炭纤维吸附催化燃烧新装置处理有机废气J.环境与开发，2001，16（1）：17，23. 7孙发群.石化装置有机废气处理J.石化装置有机废气处理，2010，26（4）：53-56. 8徐伟，施延君，叶永根等.钙钛矿型催化剂去除VOC的性能研究J.广东化工，2011，38（6）：273-274. 9伍建军，梁灿钦，林锦权.有机废气治理技术研究进展J.东莞理工学院学报，2012，19（1）：61-65. 10陈继华.催化燃烧法在丙烯腈装置尾气处理中的应用J.甘肃科技，2009，25（17）：69，73-75. 6