廢棄塑料回收利用過程的廢氣處理方案設(shè)計

【摘要】簡要介紹了廢棄塑料的處理方法：掩埋、焚燒和回收再利用。其中，回收再利用不僅經(jīng)濟而且環(huán)保。但回收利用過程不可避免地涉及到高溫、壓縮及裂解工藝流程，這些過程中均會產(chǎn)生有毒氣體和煙塵。重點分析了廢棄塑料在高溫壓縮過程產(chǎn)生的廢氣成分，并針對性地設(shè)計了一套兼具新穎性和實用性的廢氣處理設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】廢舊塑料；回收再利用，有毒廢氣；煙塵；處理設(shè)備

1、前言

隨著塑料需求量的不斷提高，廢棄塑料也逐漸增加，塑料垃圾的處理問題是目前環(huán)境處理中的一大難點。目前，廢棄塑料處理主要采用三種方法：掩埋、焚燒和回收再利用[1，2]。掩埋處理是一種既快速又省事的方法，但塑料是一種難以生物降解的垃圾，大量的塑料垃圾掩埋會使得地下資源超出自身負荷，并污染地下水源，再者垃圾掩埋對于農(nóng)作物生長也是一種嚴重阻礙。焚燒處理也是一種較為方便快捷的辦法，但焚燒過程會產(chǎn)生大量的黑煙和有毒氣體，會造成嚴重的大氣污染。顯然，對廢棄朔料進行回收再利用是一種既環(huán)保又經(jīng)濟的做法，它包括物理法和化學(xué)法。物理法就是通過機械把廢棄塑料進行加工粉碎后重新用到工業(yè)以及建筑業(yè)等零部件上[3]?；瘜W(xué)法包括熔融再生、熱裂解及能量回收等?；瘜W(xué)法是朔料回收利用的新方向，主要包括塑料的油化技術(shù)、焦化技術(shù)及制造芳香族化合物。塑料的單體原料大部分源于石油，石油是不可再生能源，把塑料進行油化處理既可以保護環(huán)境又可達到節(jié)油的目的。但是，無論是熔融再生、熱裂解、能量回收或是焚燒，這些方法都離不開高溫處理，均會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體和煙塵，這些有害物質(zhì)若直接排放到大氣中，會造成嚴重的二次污染。我們重點分析了廢棄塑料在高溫或燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣成分，并針對性地設(shè)計了一套兼具新穎性和實用性的廢氣及煙塵處理設(shè)備。

2、廢氣治理的工藝選擇

2.1吸收法

處理混合廢氣時采用液體作為吸收劑來除去廢氣中一種或幾種氣體的方法稱為吸收法。吸收法可分為兩種：化學(xué)吸收法和物理吸收法?；瘜W(xué)吸收法就是一種或幾種廢氣與吸收劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成其它物質(zhì)來達到處理的目的。有機廢氣中含有大量惰性有機氣體，且大部分的吸收液參加反應(yīng)以后不能繼續(xù)使用，無形之中增加了后續(xù)處理及購買新吸收液的成本。而物理吸收法根據(jù)吸收液與被吸收物質(zhì)的相溶性，把有機廢氣溶解在吸收液中，再利用它們沸點的不同用蒸餾的辦法把有價值的物質(zhì)從混合液中分離出去，并且可以回收吸收液，達到循環(huán)利用的目的。但該法必須額外添加一個冷凝裝置，且吸收液大部分是有機溶劑容易揮發(fā)，耗損量大，也增加了不少的成本和困難。

2.2吸附法

此法通過多孔隙固體作為吸附劑，利用其吸附作用把有害氣體吸附在吸附劑的表面，再利用加熱或吹氣等方法將吸附劑表面的濃縮氣體進行解吸，達到分離和富集氣體的目的。吸附劑的一般要求：①比表面大、有合適的微觀結(jié)構(gòu)；②制造方便，容易再生；③不能與被吸附物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；④有足夠的吸附能力；⑤較高的耐熱性能以及機械強度。活性炭纖維是一種非常良好的吸附劑，具有比普通活性炭更好的比表面積，一般可達1000～2500m2/g，可形成大量孔徑為10μm～40μm的均勻微孔，并且還具有雜環(huán)結(jié)構(gòu)和表面官能團等許多特殊結(jié)構(gòu)[4-5]。這種優(yōu)異的微孔結(jié)構(gòu)作用下，可提供強大的分子場。又因為吸附層很薄，具有很好的通透性，可以提供溫度變化而造成壓力改變的變壓體系，且同時具有很高的耐熱性能，使活性炭纖維比普通活性炭具有吸脫附快速、脫附徹底、吸附容量大和裝置不會因熱積蓄過大而造成燃燒爆炸等優(yōu)點，但活性炭纖維價格較為昂貴[6]。

2.3燃燒法

2.3.1直接燃燒法。此法是將有害可燃的氣體在適宜的工藝條件下直接燃燒，一般要求燃燒效率可達到95%以上。這種方法適于處理較高濃度的有機廢氣，但缺點是需使用大量的燃氣并保持較高的溫度（1100℃），且還存在著燃氣儲存所帶來的安全隱患以及燃氣運輸費用等問題。

2.3.2催化燃燒法（熱催化氧化法）。此法是一種典型的氣固相催化氧化反應(yīng)。利用催化劑來降低化學(xué)反應(yīng)的活化能進而降低反應(yīng)溫度，使得有機廢氣能在較低的溫度下（200～300℃）氧化分解為無毒的水和二氧化碳等成分，并放出大量的熱量[7-9]。此法具有燃燒溫度低、節(jié)省燃氣的優(yōu)點。也不會因為溫度過高而使得空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為氮氧化物[10]。

2.4催化法

2.4.1催化還原（選擇性催化還原，SCR）。催化還原指的是利用還原劑，如：氨、尿素等，在催化劑的作用下，可以把煙氣中的氮氧化物還原成無毒無害的物質(zhì)如氮氣和水。此法目前廣泛應(yīng)用在煙氣脫硝技術(shù)中，而塑料燃燒或高溫產(chǎn)生的污染物復(fù)雜，不單只有氮氧化物，而且需要精確控制還原劑的噴入量并避免二氧化硫、氧氣的參與。

2.4.2光催化。此法是在常溫、常壓下利用光催化劑在太陽光或紫外燈的照射下，對有機污染物進行快速分解，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作為半導(dǎo)體材料的光催化降解研究技術(shù)最受歡迎。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子—空穴對。在光催化過程中，空穴能夠與吸附在催化劑表面的水分子發(fā)生作用生成氧化能力極強和活性更高的羥基自由基，而光生電子也能夠與氧氣發(fā)生作用生成具有很強化學(xué)活性的自由基，這些光生載流子能無選擇地氧化還原各種污染物并生成無毒無害物質(zhì)。光催化技術(shù)也可補充催化燃燒法的不足，比如，HCN通過催化燃燒法會產(chǎn)生氮氧化物污染物，產(chǎn)生的氮氧化物污染物可以用光催化反應(yīng)來降解。但是此法的缺點在于只能消除封閉空間較低濃度的有害氣體。

3、煙塵治理的工藝選擇

塑料在高溫或者燃燒的過程中除了產(chǎn)生有毒氣體外，還伴隨著大量的黑煙。產(chǎn)生黑煙的主要原因是塑料不完全燃燒或者高溫裂解會產(chǎn)生碳粒（也叫做碳黑），而90%碳黑產(chǎn)品可作為橡膠加工業(yè)的補強劑和填料。處理碳黑的方法有很多，例如燃燒、過濾、靜電捕集、濕式洗滌等。燃燒和靜電捕集成本較高，都需要外來能源來提供熱能和電能；濕式洗滌除了外來能源來提供動力外，還需要大量的水來捕集煙塵，況且處理煙塵后的廢水需要進行處理，否則會造成環(huán)境二次污染。過濾法處理煙塵則有兩大優(yōu)點：不需要消耗外來能源（即熱能和電能）；可以回收碳黑。從整體來看最有效的方法是過濾法處理碳黑。目前，除塵效率最高的是袋式除塵器，它對煙塵微粒過濾效果極好，但它只適用于低溫除塵，其原因是袋式除塵器的纖維濾料一般適用于100℃左右，對高于100℃的氣體，其濾料耗損相當(dāng)大。為了提高濾料的耐熱性能、過濾效率、抗壓能力以及減少排氣阻力，國內(nèi)外對過濾材料進行大量的研究，目前，常用的過濾材料有三大類：陶瓷材料、金屬材料和復(fù)合材料。

3.1多孔金屬過濾材料

金屬材料具有優(yōu)良的耐熱性和機械性能，無論在常溫還是在高溫，其機械強度均為陶瓷材料的數(shù)倍，所以使用壽命較長。且金屬材料還具有焊接性能、可塑性等優(yōu)點。金屬多孔過濾材料按結(jié)構(gòu)形式主要可以分為：燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬粉末和金屬膜等。但金屬材料化學(xué)活性較高，容易被高活性氣體腐蝕和氧化。

3.2多孔陶瓷過濾材料

陶瓷材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性，它在高溫環(huán)境下工作，不容易被高活性的氣體腐蝕、氧化以及還原。但單一的陶瓷組分可能存在易脆和易裂等問題，且進行修補是一大難題。

3.3復(fù)合材料

為了解決單一組分所帶來的缺點，國內(nèi)外對陶瓷材料以及金屬材料進行綜合開發(fā)研究，并結(jié)合兩者的優(yōu)點開發(fā)出金屬陶瓷復(fù)合材料、新型的合金材料和復(fù)合陶瓷材料等。金屬陶瓷材料典型的代表是美國研發(fā)的一種“secp ter金屬膜”，被稱為金屬的無機膜。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。復(fù)合陶瓷材料典型的代表是堇青石陶瓷纖維復(fù)合膜和SiC多孔陶瓷等，其孔隙率達到80～90%，更具有機械強度高、密度小、使用壽命長等特點。

4、有機廢氣凈化設(shè)施工藝流程

4.1過濾

把有機廢氣運往吸附床之前，需設(shè)置一個過濾器來除去煙塵，其中過濾材料采用菲爾特環(huán)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蜂窩陶瓷材料為微粒捕集材料，能滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ的排放標準。為了避免長期使用而造成過濾材料的微孔堵塞，在微粒捕集器后面設(shè)置一臺風(fēng)機，可利用風(fēng)機的反吹作用把煙塵從微孔中吹出，清灰時間只需5～8min即可，且每天清灰2～3次，必要時可采用水洗進行清灰。

4.2吸附

除去煙塵后的有機廢氣，通過合理布風(fēng)，均勻通過吸附床進行吸附。傳統(tǒng)固定吸附床需要兩個或兩個以上，當(dāng)有一臺吸附床進行脫附的時候，由另一臺吸附床進行吸附工作，以達到了交替工作的目的。但一架吸附床必須配一臺熱風(fēng)機和一臺抽風(fēng)機，如果吸附床數(shù)量增加，風(fēng)機數(shù)量也會隨之增加。若采用并聯(lián)方式則可解決該難題。并聯(lián)就是把多個吸附床用管件并聯(lián)起來形成多個支路，用主管件將所有支路連接起來，再把大型的熱風(fēng)機和抽風(fēng)機安置在主管件上，這樣也會增加管件的數(shù)量，造成成本的增加。為了進一步解決成本增加問題，把吸附床進行再一次改造，只需把一個普通的固定吸附床內(nèi)設(shè)計成多個室，再把吸附床的閥門開關(guān)更換成雙向閥門開關(guān)。雙向閥門開關(guān)可以簡化開關(guān)數(shù)量，當(dāng)一個室吸附飽和后，再將雙向閥門開關(guān)向未吸附飽和的方向擺動，原先吸附室的入口從開放狀態(tài)變成關(guān)閉狀態(tài)，同時，原先脫附室的入口從關(guān)閉狀態(tài)變成開放狀態(tài)，這樣可達到一個開關(guān)控制兩個室的入口或出口的效果。

4.3催化燃燒

當(dāng)吸附床的另一個室開始工作時，可利用遠紅外電加熱器，對催化燃燒床的內(nèi)部進行預(yù)熱，當(dāng)床層的溫度到達設(shè)定值時利用風(fēng)機將一部分的熱空氣直接抽送到吸附床里進行脫附，另一部分熱空氣則先通過換熱器進行換熱后再送往光催化裝置，達到合理利用熱能的目的。進入催化燃燒床里的廢氣通過催化作用，使有機廢氣能在較低的溫度下進行無焰催化氧化燃燒。如果催化燃燒床內(nèi)部的有機廢氣濃度和床層的反應(yīng)溫度都偏高，此時補冷風(fēng)機將會自動開啟，并把新鮮的冷空氣吹入催化燃燒床里以降低床層的反應(yīng)溫度，同時也補充了反應(yīng)過程中的氧氣，確保催化燃燒反應(yīng)能高效、安全地進行，其脫附與催化燃燒反應(yīng)的整個過程需要6～8h。

4.4光催化

進入光催化裝置的氣體一般含有低濃度的未反應(yīng)完的有機廢氣或一些氮氧化物，這些低濃度的廢氣連續(xù)照射2～3h后，就可以用主風(fēng)機將凈化后的氣體排出。光催化裝置中的吸附-催化反應(yīng)材料選用納米二氧化鈦與活性炭纖維的復(fù)合體，選用這種材料的原因在于活性炭纖維ACF具有很強的吸附能力，吸附速度快，可以為光催化反應(yīng)提供有利條件。

5、結(jié)論

廢棄塑料在高溫或燃燒過程中產(chǎn)生的氣體大部分都是有毒有害的，如不加以處理直接排放，會給環(huán)境造成嚴重污染。廢棄塑料因高溫環(huán)境所產(chǎn)生的氣體成分復(fù)雜，且有些氣體的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，難以用單一的方法進行處理。為了解決化學(xué)活性不一致、濃度不相同以及成分復(fù)雜多樣的有毒有害氣體的處理問題，采用了過濾-吸附-催化燃燒-光催化的綜合聯(lián)用技術(shù)，設(shè)計了一套兼具新穎性和實用性的廢氣及煙塵處理設(shè)備。

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作者簡介

趙林，男，碩士，講師。

基金項目

福建省教育廳科技類項目（JB13276）；福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院青年骨干教師培養(yǎng)基金項目（mkq201007，mkq201101）。