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【知识】活性碳处理异味问题面观

发布日期:2018-10-19 11:14 来源:日博娱乐网 作者:日博娱乐网 浏览数:

一、异味 环保署在民国96年8月28日将传统的臭味法规定义为「异味」,系指足以引起厌恶或其他不良情绪反应气味之污染物。 因为人类的感官差异,同样的异味不一定会让所有人都会感

一、异味 
  环保署在民国96年8月28日将传统的臭味法规定义为「异味」,系指足以引起厌恶或其他不良情绪反应气味之污染物。因为人类的感官差异,同样的异味不一定会让所有人都会感到不悦,但不可否认多数的陈情案件中仍以具臭味的异味为主。根据统计,异味是最常被民众陈情的空气污染事件,可谓工厂最敏感的环保问题亦不为过。
活性吸附的初设成本低、基本操作简单、适用性异味广,是工厂改善异味问题的有效技术之一;唯高效率操作时,操作成本可能偏高。本文避免专业且繁杂的理论,尽量以浅显易懂的例子说明工厂在活性碳吸附床操作时的注意事项,以期改善工厂及周遭民众的异味困扰。

二、活性碳吸附基本知识 
  接下来本文介绍一些活性碳吸附的基本知识,这些内容将有助于了解如何评估「换碳时间」。
2-1.吸附是放热反应
  吸附是一种放热反应,温度越高吸附效果就越差;因此实务上,降低吸附床的温度是很有效的工程手段。
例如有些厂商基于空间因素,将活性碳吸附床安装在屋顶;但夏日白天日晒时,反应器的表面温度可能高达50~60℃,远超过活性碳床的建议操作温度上限40℃,不但吸附效率不佳,尤有什者还可能发生脱附,导致出口浓度反而高于入口浓度。
2-2.饱和吸附量与等温吸附平衡曲线
  图1为一典型的吸附平衡图,其揭露饱和吸附量与浓度之关系。「饱和吸附量」定义为:定温定压下,单位活性碳吸附特定物质的最大量。「浓度」指的是废气中污染物的浓度。
由图1可知,在特定温度下,饱和吸附量与污染物浓度成正比,污染物浓度越低,饱和吸附量也越低;随着污染物浓度越高,饱和吸附量也随之增加,最后趋于一定值(最大值)。


图1 ︰典型的等温饱和吸附曲线

  若厂商可以提供完整的吸附曲线,设计时就可以根据工厂的实际浓度,较正确地估计换碳时间。但一般情况是,厂商常只提供一个值(通常为最大值),且未告知其适用条件(如温度与浓度)。一旦以高估的饱和吸附量估算换碳时间,而实际废气浓度又偏低的情况下(一般异味常如此),换碳时间的差异自然相当可观。
2-3.吸附贯穿曲线
  典型的吸附贯穿曲线如图2所示,以下略作说明。当污染物流经活性碳固定床时,假若污染物以固定浓度(C 0 )流入吸附床中,污染物浓度由进口浓度逐渐递减至0 (时间t 1 ),此区域称之为「吸附区」 。当气体持续流入时,最下端的区域达到吸附饱和,吸附区逐渐往上移动(时间t 2 ),这些吸附饱和的区域称为「饱和区」。当吸附区移动至出口处时,出口处开始侦测到污染物浓度,当出口处污染物浓度达到进口浓度的5%时(1~20%都有人用,但5%较被公认),这个时间(t 3 )被定义为贯穿时间,也是学理上的换碳时间。最后当出口浓度等于入口浓度时,活性碳床完全饱和(时间t 4 )。
  由图可以发现,出口浓度与时间呈现S形曲线的关系,称为贯穿曲线。贯穿曲线虽然多呈S型,但有陡峭与平坦之分,有时甚至出现歪曲与高低起伏。贯穿曲线与贯穿时间是设计吸附设备与其操作的有效依据,一般而言,欲延长贯穿时间,可以增高吸附床高度、降低操作温度、减少气体流率、降低污染物浓度、及缩小吸附剂粒径。

 
图2 ︰典型活性碳贯穿曲线及吸附特性

  为了让读者更了解理论与实务的差异,以下举一个实厂结果来说明,图3的数据来自国内某一电子厂的实测结果,污染物为异丙醇(IPA)及丙酮(Acetone)。如果以出口浓度/进口浓度=5%为贯穿时间,则大约一天就必须换碳;如果以10%计算约1~3天;以20%估算约2~4天换碳;这些结果与一般中小型工厂的设计值1个月相差甚远。
  上述结果,若是从挥发性有机物(VOC)的控制来看,设计去除率一般大于90%,部分法规也要求至少要大于90%,如此大约只能撑1天,换碳频率太高,除非现场再生,否则操作成本太高;既使有现场再生装备,频率过高会降低活性碳的使用寿命,也是必须考虑的因素。


图3:实场小型模厂活性碳吸附塔之贯穿试验结果
(IPA=异丙醇、Acetone=丙酮。空心与实心符号为两次测试的结果。)
(图中数据来源[1]。绘图:本文作者。)

2-4.湿气的影响
  活性碳不仅会吸附污染物,也会吸附空气中的水气分子,当水分在活性碳表面凝结,将使吸附效果下降。台湾地区天候潮湿,相对湿度60%~90%很常见,但水气的真实浓度随温度与相对湿度成正比。例如:相同温度下,相对湿度越高,水气浓度就越高;另外,相同相对湿度下,大气温度越高,水气浓度也越高。以25℃为例,大气饱和浓度约2%,若相对湿度80%,则大气中水气浓度等于1.6%,相当于16,000 ppm,这个浓度远高于污染物浓度,特别对于低浓度异味而言,差异更大。一旦污染物与水气发生竞争吸附,其影响更难预期。
图4为湿气对活性碳影响之某案例,此例子的污染物为三氯乙烯C 2 HCl 3,以颗粒活性碳在25℃下进行的结果。如前所述,当污染物浓度越高,吸附量越大。特别值得注意的是,当相对湿度超过60%以后对低浓度污染物的影响加剧。


图4:相对湿度对吸附量之影响
(条件:25℃、VOC为三氯乙烯C 2 HCl 3、颗粒活性碳)
(图中数据来源[2]。绘图:本文作者。)

 

2-5.理论吸附量与实际吸附量差异
  图5显示几个主要影响活性碳吸附的因子,及其对活性碳吸附量的影响。其中,典型的活性碳吸附量约比活性碳重量少一个数量级,简单来说,1克活性碳的饱和吸附量约为零点几克,当然这通常是在高污染物浓度下得到的结果。
  图5右图中,X轴为单位活性碳的吸附量;Y轴为床高,床高可换算成活性碳重量,因此图上的面积即代表活性碳床所能吸附的污染物总重量。

  • 面积A:代表理论饱和吸附量。

  • 面积B:吸附贯穿时,活性碳床最上层的吸附带只有部分吸附,因此一定有部分活性碳无法被完全使用。

  • 面积C:吸附为放热反应,温度越高吸附量就下降;此区属于吸附反应放热所导致的损失。

  • 面积D:废气中很难完全干燥,此区代表废气水分造成的吸附量下降。

  • 面积E:若活性碳有经再生或现场再生,一般再生过程使用水蒸气将吸附的污染物脱附,以利再次使用。但再生过程在>100oC下进行,之后的冷却必须经过空气干燥,但若处理程序有瑕疵或厂商便宜行事,常会在活性碳的微孔洞中残留下冷凝水,导致吸附量的下降。

  因此实际上,一个活性碳吸附床的吸附量,可能低于50%,这还未考虑活性碳老化的问题。


图5:影响活性碳床吸附量的因子
(说明:A-理论饱和吸附量;B-吸附区损失;C-吸附反应热损失;D-废气水分损失;E-活性碳再生后残留水分的损失。)
(参考文献[2]。绘图:本文作者。)

 

三、活性碳吸附床之简易设计 
  以下介绍两种简单的固定床活性碳吸附塔的设计方法(3-1节与3-2节),接着说明这两种理论设计的困难(3-3节),最后由实务面分析上述计算可能的偏差(3-4节)。
3-1.第一种估算方法
  当工厂的废气流量与污染物已知时,可以透过本方法进行估算。必知的参数包括:

  • 废气流量Q [m 3 /h]
  • 污染物种类及其分子量MW [kg/kmol]
  • 污染物浓度C [ppm]
  • 活性碳吸附量X [g-VOC/g-AC]
  • 活性碳填充密度D [kg/m 3 ]

  有很多种推估方法,常见的是先假设一个适当的换碳时间 t B [day]。接着就可以开始进行估算,求取吸附塔体积,计算说明如下:

   污染物的质量浓度C m [kg/m 3 ] = C * 10 -6 * MW / 24.5 [kg/m 3 ] 
单位换算如下:
m [kg/m 3 ] ≡ C [ppm] 
= C * 10 -6 [m 3污染物/ m 3废气] 
= C * 10 -6 [m 3污染物/ m 3废气] / 24.5 [m 3污染物/kmol污染物] 
= C * 10 -6 / 24.5 [kmol污染物/废气m 3 ] 
= C * 10 -6 / 24.5 [kmol污染物/废气m 3] * MW [kg污染物/ kmol污染物] 
= C * 10 -6 * MW / 24.5 [kg污染物/ m 3废气] 
= C * 10 -6 * MW / 24.5 [kg/m 3 ]

污染物的质量流率Q m [kg/hr] = Q * C m [kg/h] 
单位换算如下:
AC [kg/m 3 ] ≡ Q [m 3 /h] 
= Q [m 3 /h ] * Cm [kg/m 3 ] 
= Q * C m [kg/h]

换碳前吸附的污染物的总质量M [kg] = 24 * Q m * t B [kg] 
推导如下:
M [kg] 
= Q m [kg/hr] *换碳时间tB [day] * 24 [hr/day] 
= 24 * Q m * t B [kg] 

所需之活性碳重量M AC [kg] = M * X [kg] 
推导如下:
AC [kg] 
= M [kg] * X [ kg污染物/kg-AC] 
= M * X [kg]

所需之活性碳体积V [m3] = M AC / D [m 3 ] 
推导如下:
V [m 3 ] 
= M AC [kg] / D [kg-AC/m 3 -AC] 
= M AC / D [m 3 ]

  一般安全起见,所需之活性碳体积V会再乘以一个安全系数(1.2~2.0不等),使用较多活性碳以策设计安全。至此活性碳固定床的设计已初步完成。
工厂或读者对成本估算有兴趣,可参加环保署环训所举办之空气污染专责人员训练[3]。
3-2.第二种估算方法
  鉴于相关数据取得不易,因此更简单的设计方法就因应而生,即凭借经验法则来设计。固定床式的活性碳吸附设备,一般的设计经验值如下:

  • 空塔流速v = 0.2~0.5 m/s
  • 空塔停留时间t = 1~2 s
  • 压损?P = 70~150 mm-H 2 O

其中:

  • 空塔流速v [m/s] =废气流量Q [m 3 /s] /吸附塔的截面积A [m 2 ]
  • 空塔停留时间t [s] =吸附塔有效体积V [m 3 ] /废气流量Q [m 3 /s]
  • 吸附塔有效体积之估算,无须考虑活性碳间孔隙所占体积,而是吸附塔中有填充活性碳的体积。

  首先假设一个空塔停留时间t,依经验判断工厂所需的抽引风量Q,如此就可得到活性碳床体积V = Q * t。接下来再假设空塔速度为v,则反应器截面积A = Q / v,填充高度H = V / A。至于压降通常依设计经验来推估。这样活性碳床吸附塔的简单设计就算完成。至于换碳时间的求得,仍须将本计算结果代到第一种方法中,加以反推即可求得。
3-3.理论设计的困难
  本小节针对上述两种简易估算方法的困难点进行说明。
  第一种估算方法,就学理而言,应可轻易得到活性碳吸附塔的体积V,以及换碳周期tB。但实际并非如此简单,因为几乎上述所有变数均是未知,对厂商而言,特别是中小企业,只知道有异味,哪会知道工厂风量大小、异味气体为何及其浓度更是完全不知,因此根本无从估算起。即使学有专精的教授或环工技师,也只能凭借经验揣测与概估,即使透过科学方法、现场采样分析,也未必有保握完全清楚上述所有变数;何况这种现场采样分析,动则数万至数十万不等,也是中小企业较难负担的。
  第二种方法在设计上相对较简单,但无法得知换碳时间,要知道换碳时间仍须将结果代到第一种方法中。问题仍出在异味或VOC的种类与浓度无法确切掌握,因此换碳时间依旧难以估计。
  综合上述,可以知道参数数据的掌握至为重要,否则难以估计。表1汇整上述参数如何取得,供读者参考。

表1:活性碳床设计所需之相关参数及其取得方法


参数

取得方法

废气流量Q

  1. 对固定风量制程而言,风量大小应为已知。
  2. 对逸散污染源而言,抽风量可由风车马力及总压损决定。

污染物种类

  1. 若工厂制程固定,一般污染物种类即是制程使用的化学药品。
  2. 若是制程有热处理程序或化学反应者,考虑衍生物是否具有异味。
  3. 若工厂为生物制程或养殖畜牧业,引发异味的物种复杂,往往须进行现场采样化学鉴定来确认之。

污染物浓度C

  1. 现场采样分析。
  2. 依排放系数推估。
  3. 采用其他工厂类似制程的结果。
  4. 经验值。

活性碳吸附量X

  1. 厂商提供。
  2. 自行或委托进行实验推估。
  3. 采用其他工厂类似制程的结果。
  4. 经验值。

活性碳填充密度D

  1. 厂商提供。
  2. 简易实验即可得知。

换碳时间tB

  1. 若是假设之设计值,只须设计足够活性碳量即可。
  2. 若是依计算,则上述所有数据均须掌握方可估得。

3-4.理论估算与实际操作的差异
  即使所有参数都已确实掌握,理论估算与实际操作上仍有许多差异,而这些差异将影响换碳时间,原因包括:

  1. 工厂操作非连续:废气浓度、气体组成、废气温度可能随时间变化,忽高忽低,污染物时有时无,如此导致活性碳床内的饱和区的前移,导致理论计算失真。
  2. 水气的影响。
  3. 其他污染物的竞争吸附。
  4. 吸附为放热反应,导致吸附床温度略高于环境温度。
  5. 环境温度的影响,当外界环境温度高于设计温度时,活性碳吸附量下降,换碳时间缩短。
  6. 日晒:当活性碳床安装未考虑日晒时,白天时轻则降低活性碳吸附量,换碳时间缩短。严重者导致脱附速率高于吸附速率,活性碳床出口浓度遽增。
  7. 催化作用可能发生,活性碳并非纯的碳,其上或多或少存有一些杂质与金属,可能导致催化反应,发生未知反应,进而影响吸附行为。
  8. 活性碳饱和吸附量的引用错误,这点必须特别注意,因为活性碳饱和吸附量随浓度与温度而异,对于异味物质而言,浓度一般不会很高,因此引用错误数值,换碳时间的估算可能相差甚大。
  9. 粒状物的负面影响。

  上述均为导致换碳时间缩短的可能原因,但这些因子通常是理论计算时无法估计的,因此要由理论推估的换碳时间来操作,恐怕无法完全有效地控制异味问题。

四、可行改善措施
  可行手段与方法汇整于表2。

表2:提升活性碳床效能之方法与手段汇整


手段与方法

说明

降低温度

设法让进流温度低于40℃,保持吸附设备的环境通风,吸附设备表面定期或不定期喷洒水雾,以降低吸附床操作温度,延长换碳时间。

避免日晒

设置于室内、加装铁皮屋或防晒网。

减少粒状物

于前端加装过滤或冷凝装置。

选用品质较佳之活性碳

一般价钱与品质成正比,但选择值得信赖的供应商更有保障。

加装浓度侦测仪器并连线操作

工厂最好能建立监控能力,如购置简易型有机气体分析仪,对吸附床前后浓度加以监测,掌握换碳时间,确保异味的控制效果。

并联操作增加操作弹性

若工厂制程有多股气流,可以考虑并联装设活性碳吸附床,不要汇流后进入一个活性碳吸附床。当工厂某制程不操作时,该气流即可关闭,如此总气流量可以降低,延长换碳时间。同理,装设风门档板并调整风车抽引量也可,唯操作上须较多经验。

活性碳吸附床操作与工厂运转同步化

若工厂运转非连续性时,非运转时气体若不经活性碳吸附床,可延长换碳时间。

使用臭氧分解吸附之污染物

对于没有现场再生装备的活性碳吸附装置而言,可考虑在活性碳床管线前端适当处注入臭氧,臭氧可以用电浆放电方式产生[4],借臭氧的高氧化力将吸附在活性碳上污染物分解,将活性碳再生,延长换碳时间。使用上必须注意臭氧与污染物反应后的副产物是否造成二次污染,或危害活性碳吸附床。

教育训练

工厂可派人参加甲级或乙级空气污染防制专责人员[5],透过教育训练建立或提升基本知识,有利现场操作。

寻求专家学者帮助

工厂若有环保上的问题,可以寻求各县市环保局的协助。另外,目前全国各县市大多有环境保护相关科系之大专院校,若有环保上的疑问或困难,各大专院校的教授们多愿意提供专业协助。以桃园地区为例,目前成立有「桃园县大学校院产业环保技术服务团[6]」为工厂进行问题诊断与咨询服务,桃园地区厂商可善加利用。

五、结论与建议
  本文介绍了活性碳吸附床处理异味的基本知识、简易计算、潜在问题、及可行改善手段。希望读者可以了解,活性碳吸附床的简易设计不难,但设计时许多实际状况未有也无法考量,导致实际吸附量与设计有很大出入。厂商会想,钱花了为何问题仍无法彻底解决。这个问题,不可全部归咎给设计厂商、环保法规、甚至工厂邻居的态度。厂商面临环保问题,应思考如何让自己了解问题、工厂为何会有异味、符不符合法规、该如何改善、有没有单位可以提供协助等,从积极面来看事情。了解问题与掌握原理,才能针对问题进行有效的改善,环保署的专责人员训练[5]是一个不错的知识学习平台,桃园地区「桃园县大学校院产业环保技术服务团」为面临问题的工厂进行问题诊断与咨询服务[6],都可以善加利用。本文撰写仓促,作者才疏学浅,仅将个人经验与大家分享,期对异味控制与改善有所帮助。

(责任编辑:日博娱乐网)
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