一种基于气流床的粉焦吸附VOCs性能评价方法及系统与流程

本公开属于环保领域，具体地说，一种基于气流床的粉焦吸附vocs性能评价方法及系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

vocs(volatileorganiccompounds)是一类常见的大气污染物主要来源于工厂排放的废气，主要包括丙酮、甲苯、苯酚、二甲基苯胺、甲醛、正己烷、乙酸乙酯、乙醇等。vocs是pm2.5和臭氧形成的关键前体物，具生理毒性，对环境和人体健康危害巨大。因此，对于vocs的防治十分重要。

活性焦/炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，它具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高，且可方便再生等特点，vocs经活性炭吸附可得到较好的净化效果。工业生产及生活中应用的活性焦/炭一般为直径5～9mm的颗粒状或柱状活性焦，其制造工艺复杂、价格昂贵、机械损耗较大，限制了活性焦的推广应用。申请人在专利号为cn103224235a的“一种利用煤粉快速制备脱硫用粉末状活性焦的工艺及装置”中提出的技术可以采用电厂原位煤粉为原料，以热烟气为反应介质，在上行气流床中实现粉状活性焦的快速制备，该制备技术大大降低了活性焦的制备成本。粉状活性焦同样具有复杂的孔隙结构和较高的比表面积，可用于多种气相污染物的吸附脱除；同时由于粉焦具有较小的平均粒径，其在吸附过程中能更好地与吸附质混合接触，大大改善了传质条件，在吸附速率等性能上优于颗粒状活性焦/炭。而发明人知晓的用于评价传统颗粒状活性焦吸附性能的固定床式吸附器主要用于测试一段时间内活性焦的吸附容量，由于无法排除外扩散的影响，难以测出活性焦的吸附速率，因而不能全面地对粉状活性焦的吸附性能进行评价。因此针对颗粒状活性焦吸附性能的传统评价方法已不适用于粉状活性焦，有必要发明一种针对粉状活性焦吸附性能的评价系统。

技术实现要素：

针对以上问题，本公开在之前研究基础上，提出一种基于管道式气流床的粉状活性焦吸附vocs性能评价方法及系统，可用于测试不同煤种、不同粒径的粉状活性焦在不同浓度的吸附质气流夹带下的吸附速率随时间的变化。

本公开采用的技术方案如下：

首先，在本公开的一个或一些实施方式中，提供一种粉焦流态化吸附vocs的反应系统，至少包括：

用于提供粉焦的给料系统；

控温保温系统；

位于控温保温系统内的管道式吸附反应器，所述管道式吸附反应器上设置有至少两个取样口，并与所述给料系统连接；

吸附质气体产生系统，该系统包括依次连接的若干个用于盛装吸附质气体的气瓶、用于控制气瓶流量的仪器、vocs蒸气发生装置以及相应的气路管道，所述吸附质气体产生系统与管道式吸附反应器相连；以及

用于分离粉焦和吸附质气体的气固分离装置。

其次，在本公开的一个或一些实施方式中，提供一种粉焦吸附vocs性能评价方法，包括以下步骤：

向管道式吸附反应器中同时通入粉状活性焦和夹带有vocs的吸附质气体，粉状活性焦在设定吸附温度和设定吸附质浓度下对vocs进行吸附，分别获得取样口取得的样品及取样口取得样品的时间，检测不同取样口样品吸附vocs的质量，根据两个取样口获取样品吸附vocs的质量差值及两个取样口获取样品的时间差值，即可获得两个取样口之间区域的粉状活性焦吸附vocs的速率。

本公开其中一个技术方案取得的有益效果如下：

利用本公开提供的基于气流床的吸附反应系统以及相应的粉焦吸附vocs性能评价方法，能够获得流态化吸附过程中不同工况下粉状活性焦吸附vocs的速率，还可以绘制出流态化吸附过程中不同工况下粉状活性焦吸附vocs的速率随吸附时间的变化曲线，从而对粉焦的吸附性能进行一个直观的评价，为工业生产以及生活中的应用供技术支持。

附图说明

构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的一个或一些实施方式的系统示意图；

图2为蛇形管吸附反应器的结构图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2的仰视图；

其中，1、高纯氮气瓶；2、高纯氧气瓶；3、高纯二氧化碳气瓶；4、质量流量控制器；5、甲苯蒸气发生装置；6、蠕动泵；7、试剂瓶；8、甲苯；9、微型螺旋给料机；10、粉焦；11、蛇形管吸附反应器；12、料仓；13、气体加热器；14、吸附质气体入口；15、入料口；16、文丘里管；17、吸附反应器主体管道；18、变径管；19、t型三通阀；20-29、取样口；30、加热炉；31、微型旋流器；32、收料瓶；33、尾气；34、洗气瓶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

本公开中的粉焦与粉状活性焦为同一含义。

本公开中的vocs是指一种或多种混合的挥发性有机物。

正如背景技术中所介绍的，发明人所知晓的传统颗粒状活性焦吸附性能的固定床式吸附器用于评价粉状活性焦的吸附vocs性能的方法及系统存在一定不足，鉴于此，在本公开的一个或一些典型的实施方式中，提供一种粉焦流态化吸附vocs的反应系统，至少包括：

用于提供粉焦的给料系统；

控温保温系统；

位于控温保温系统内的管道式吸附反应器，所述管道式吸附反应器上设置有至少两个取样口，并与所述给料系统连接；

吸附质气体产生系统，该系统包括依次连接的若干个用于盛装吸附质气体的气瓶、用于控制气瓶流量的仪器、vocs蒸气发生装置以及相应的气路管道，所述吸附质气体产生系统与管道式吸附反应器相连；以及

与所述取样口相连的用于分离粉焦和吸附质气体的气固分离装置。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述粉焦流态化吸附反应系统还包括尾气处理装置。

在本公开的一个或一些实施方式中，吸附质气体产生系统还包括盛装vocs的试剂瓶和蠕动泵，所述试剂瓶通过蠕动泵与所述vocs蒸气发生装置相连，蠕动泵从试剂瓶中吸vocs为vocs蒸气发生装置提供稳定流量的vocs。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述vocs蒸气发生装置为一个圆柱状金属壳体，加热方式为电加热丝加热，内部装有蓄热陶瓷，由蠕动泵送来的vocs滴滴到炽热状态的蓄热陶瓷表面即瞬间蒸发为vocs蒸气。

在本公开中，所述给料系统的具体结构并不特别限定，能够用于粉焦的给料即可。在本公开的一个或一些实施方式中，所述给料系统包括螺旋给料机及相关气路管道，用于粉焦的给料和/或预热。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述控温保温系统内部包括依次串联的所述vocs蒸气发生装置、气体加热器和管道式吸附反应器。其中，所述vocs蒸气发生装置同时具有混合气体的作用。

其中，气体加热器为能够为混合气体加热的装置。

在另外的一些的实施方式中，所述vocs蒸气发生装置也可以位于控温保温系统的外部。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述控温保温系统的主体为加热炉，用于吸附质气体的预热以及管道式吸附反应器的控温。加热炉的加热方式包括但不仅仅为电阻丝空气辐射式加热。

进一步的，所述加热炉内部包括依次串联的所述vocs蒸气发生装置、气体加热器和管道式吸附反应器。

进一步的，所述加热炉的外部包括保温壳层，所述保温壳层为轻型莫来石纤维保温隔热板。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述管道式吸附反应器是由若干根竖管、弯头和t型三通阀组成的蛇形式单通管路(或称蛇形管吸附反应器)，其入口由吸附质气体入口和粉状活性焦给料口(即图中入料口15)构成，每个t型三通阀分别对应一个取样口，取样口连接气固分离装置。

进一步的，所述蛇形式单通管路的出口也对应一个取样口。

进一步的，所述吸附质气体入口和粉状活性焦给料口通过文丘里管与管道式吸附反应器的主体管道相连。

进一步的，为了防止粉状活性焦堵塞管路，影响检测准确性，所述竖管下部设有缩径结构的变径管。

进一步的，为了方便控制取样口的取样时间，相邻取样口之间管路距离相等。

所述气瓶包括但不仅仅限于高纯氮气瓶、高纯氧气瓶和/或高纯二氧化碳气瓶等，可根据待模拟的具体工况确定气瓶中气体的种类。

本公开采用的蛇形管吸附反应器属于实验室规模的装置，建造成本较低，对场地空间的要求较低，为实现对粉焦流态化吸附性能的评价提供了一种可行性较高的方法。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述用于控制气瓶流量的仪器为质量流量控制器或转子流量计。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述气固分离装置用于吸附质气体和粉焦的一次分离，主体为一个旋流器，旋流器的气体出口和尾气处理装置相连。

在本公开的一个或一些实施方式中，所述尾气处理装置用于粉焦和吸附质气体的二次分离以及吸附质气体中污染物的吸收。

进一步的，所述尾气处理装置为盛装吸收剂的洗气瓶。

在本公开的一个或一些实施方式中，提供一种粉焦流态化吸附反应系统，该系统包括吸附质气体产生系统、给料系统、控温保温系统、管道式吸附反应器、气固分离装置和尾气处理装置；其中，所述吸附质气体产生系统的气路管道出口与管道式吸附反应器气体入口相连；所述给料系统主体为螺旋给料机，出料口与管道式吸附反应器物料入口相连；所述控温保温系统主体为加热炉，炉内集成气体预热器、vocs蒸气发生装置和管道式吸附反应器；所述管道式吸附反应器的取样口连接气固分离装置；所述气固分离装置主体为旋流器，旋流器气体出口和尾气处理装置相连。采用该系统进行粉焦吸附试验，对所得焦样进行测试分析，根据焦样vocs吸附量的变化计算粉焦吸附速率从而对粉焦吸附vocs性能进行评价。

在本公开的另一个或一些典型的实施方式中，提供一种粉焦吸附vocs性能评价方法，包括以下步骤：

向管道式吸附反应器中同时通入粉状活性焦和夹带有vocs的吸附质气体，粉状活性焦在设定吸附温度和设定吸附质浓度下对vocs进行吸附，分别获得取样口取得的样品及取样口取得样品的时间，检测不同取样口样品吸附vocs的质量，根据两个取样口获取样品吸附vocs的质量差值及两个取样口获取样品的时间差值，即可获得两个取样口之间区域的粉状活性焦吸附vocs的速率。

本公开采用高速吸附质气流夹带微量粉状活性焦的方式，在恒定的吸附质浓度气氛中、极低的粉状活性焦当量比下，利用控制管道式吸附反应器中吸附反应管的长度来实现对吸附时间的控制，从而可以计算出排除外扩散影响后的活性焦吸附速率。

在本公开的一个具体实施方式中，所述粉焦的粒径范围为20～500μm。

在本公开的一个具体的实施方式中，为了更好的评价粉焦吸附vocs的性能，获取样品的取样口为管道式吸附反应器的所有取样口，根据相邻样品口取样样品吸附vocs的质量差值及相邻取样口获取样品的时间差值，计算相应区段内vocs的平均吸附速率，根据不同区段内的vocs的平均吸附速率绘制活性焦吸附vocs的速率随时间的变化曲线。采用相邻取样口计算可以获得最多的吸附速率计算结果。

在本公开的一个具体的实施方式中，为提高检测准确性，管道式吸附反应器中的活性焦当量比为0.08～0.12，所述活性焦当量比是指单位时间内进入管道式吸附反应器的粉状活性焦质量与能将单位时间内进入管道式吸附反应器的吸附质完全吸附且恰好达到吸附饱和的粉状活性焦的质量之比。

在本公开的一个具体的实施方式中，将粉状活性焦筛分获得不同粒径的粉状活性焦，选择其中特定粒径范围的粉状活性焦，将选定粒径的粉状活性焦输入管道式吸附反应器。

在本公开的一个具体的实施方式中，气体速率为4～16m/s。

在本公开的一个具体的实施方式中，设定吸附温度为100～150℃。设定吸附质浓度可根据具体工况进行配制。

在本公开的一个具体的实施方式中，一种粉焦吸附vocs性能评价方法，具体包括以下步骤：

(1)将待测粉状活性焦筛分得到不同粒径的粉焦颗粒；

(2)在设定吸附温度、设定吸附质浓度下对选定粒径的粉焦进行吸附试验，分别获得取样口取得的样品及取样口取得样品的时间；其中，吸附温度通过控温保温系统和气体加热器进行设定，吸附质浓度通过各气瓶进行配制；

(3)将所得样品放入有机溶剂中，使样品中吸附的voc完全溶入有机溶剂，分离固体后测定有机溶剂中vocs的浓度，计算出vocs在样品中的吸附容量；根据相邻取样口取得的样品的vocs吸附量差值和相邻取料口出料时间差来计算相应区段内的vocs平均吸附速率，计算公式如下：

式中：

vn：第n个吸附区段内粉焦voc平均吸附速率，单位：mg/(g·s)；

注：n表示正整数，本领域的技术人员可根据实际情况确定n值；

s1：目标区段前端单位质量样品voc吸附量，单位：mg；

s2：目标区段后端单位质量样品voc吸附量，单位：mg；

t1：目标区段前端出料时间，单位：s；

t2：目标区段后端出料时间，单位：s；

(4)根据步骤(2)选取的工况和步骤(3)所得数据，绘制出不同工况下粉状活性焦吸附vocs的速率随吸附时间的变化曲线；或者，在特定的某个工况下采用不同性质的粉焦进行吸附试验，探究粉状活性焦的孔隙结构和表面化学性质对其吸附速率的影响。

在本公开的一个或一些的实施方式中，所述粉焦的粒径范围为20～500μm。

在本公开中，所述工况是指粉焦在实际应用中的工作状态，包括vocs所存在的烟气温度和环境中气体的组成成分；其中，烟气温度可通过控温保温系统实现，气体的组成成分可通过气瓶进行配制，通过以上操作实现模拟粉焦的工况。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

结合附图1～4，一种粉焦流态化吸附vocs的反应系统，包括吸附质气体产生系统、给料系统、控温保温系统、蛇形管吸附反应器、气固分离装置和尾气处理装置。

所述吸附质气体产生系统包括用聚四氟乙烯管或硅胶管依次连接的气瓶(高纯氮气瓶1、高纯氧气瓶2、高纯二氧化碳气瓶3)、质量流量控制器4和甲苯蒸气发生装置5，并采用蠕动泵6从试剂瓶7中吸甲苯为甲苯蒸气发生装置5提供稳定流量的甲苯。

所述甲苯蒸气发生装置5为一个圆柱状金属壳体，用电加热丝加热，内部装有适量的蓄热陶瓷，由蠕动泵6送来的甲苯滴到炽热状态的蓄热陶瓷表面即瞬间蒸发为甲苯蒸气。

所述给料系统主体为一个微型螺旋给料机9，用于将粉焦10按一定的给料速率送入蛇形管吸附反应器11，自带全密封料仓12，可实现正压给料。

所述控温保温系统由一个加热炉30构成，加热内腔尺寸：0.4*0.6*3米，加热方式为电阻丝空气辐射式加热，采用轻型莫来石纤维保温隔热板做外壳保温；加热炉内部依次串联甲苯蒸气产生装置5、气体加热器13和蛇形管吸附反应器11。

所述蛇形管吸附反应器11结构如附图2～4所示，反应器整体设计为由316l不锈钢做成，高2.36m，长0.5m，宽0.26m；吸附质气体流经气体加热器13加热到吸附反应所需温度后，由吸附质气体入口14进入，并夹带由入料口15进入的粉焦10经过文丘里管16混合后进入吸附反应器主体管道17；反应器主体管道共23根竖管，竖管内径20mm，为防止粉焦在反应器底部堆积而设置变径管18，下部弯头处内径8mm；每根竖管高2m，全长(不含弯头处)46m，沿程有9个t型三通阀19，对应设有10个取样口20-29。

所述气固分离装置主体为一个微型旋流器31，依次连接10个取样口20-29，将取样口出来的吸附质气体和粉焦10进行分离，分离出来的粉焦落入收料瓶32，未分离的粉焦和尾气33进入装有商用活性炭的洗气瓶34被进一步吸收处理。

实施例2

结合附图1～4，一种粉焦吸附vocs性能评价方法，包括以下步骤：

一、准备部分：

(1)将待测粉状活性焦筛分得到不同粒径(50～200μm)的粉焦颗粒；

(2)将待检测的某一粒径的粉焦倒入微型螺旋给料机9的料仓12，打开给料机电机，对给料量进行标定(10g/h)；

(3)打开甲苯蒸气发生装置5及空气预热器13的电源，待温度达到设定值后，打开蠕动泵6设定好甲苯流量并打开各气瓶进行吸附质气体的配制：根据不同工况所需吸附质气体中各组分浓度(o2：6％；co2：12％；甲苯：1000mg/m³；n2：平衡气)进行计算，设定好各质量流量计4的开度；

(4)打开加热炉30加热电源，待温度达设定值后，将给料机出料口和吸附质气体气路出口与反应器入口(吸附质气体入口14和入料口15)部分连接好，通入吸附质气体；

(5)打开给料机电机进行吸附实验。

二、实验部分：

(1)用硅胶管连接好微型旋流器31、收料瓶32和洗气瓶34，根据取样口编号依次取样；

(2)每次取样前更换取样口20-29和微型旋流器31之间的硅胶管，更换洗气瓶34中的商用活性炭(若已吸收饱和)，用氮气吹洗收料瓶32；

(3)连接好微型旋流器31入口和取样口20-29，将取样口20-28对应的t型三通阀扳至取样状态，待取得足够样品后将三通阀扳回原状态，将收料瓶32中样品倒入取样袋，依次重复步骤(2)、(3)，直至完成10个取样口20-29的取样工作；

(4)每个样品取样时间根据给料量、微型旋流器31分离效率和所需样品质量计算确定。取样完成后，关闭微型螺旋给料机9、蠕动泵6和甲苯蒸气发生装置5电源，将气路切换到纯氮气清洗状态，待粉焦全被吹出反应器11后，继续通氮气5分钟以上，确保蛇形管吸附反应器11内无残留吸附质气体；

(5)关闭气体加热器13和加热炉30加热电源，关闭各气瓶、电脑及电源，结束实验。

t型三通阀(即对应取样口)取样的吸附时间如表1所示：

表1各取样口取样的吸附时间

三、测试分析部分：

(1)装有样品的取样袋要密封保存，并尽快完成样品的相关测试实验。

(2)将单位质量(1.0g)的样品放入一定体积的正己烷中，经超声波处理后使样品中吸附的甲苯完全溶入正己烷，离心后取上清液测定正己烷中甲苯的浓度，计算出甲苯在单位质量样品中的吸附容量。根据相邻取样口取得的样品的甲苯吸附量差值和相邻取料口出料时间差来计算相应区段内的甲苯平均吸附速率，计算公式如下：

式中：

vn：第n个吸附区段内粉焦甲苯平均吸附速率，单位：mg/(g·s)；

s1：目标区段前端单位质量样品甲苯吸附量，单位：mg；

s2：目标区段后端单位质量样品甲苯吸附量，单位：mg；

t1：目标区段前端出料时间，单位：s；

t2：目标区段后端出料时间，单位：s。

上述实施例为本公开较佳的实施方式，但本公开的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本公开的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本公开的保护范围之内。