活性炭固定床处理VOCs设计 运行 管理

目　　录

绪论1



章活性炭的分类、结构及技术性能指标4

节活性炭的分类4

一、按照原料分类4

二、按照制造方法分类5

三、按照外观形状分类5

四、按照用途分类5

第二节活性炭的结构及化学组成5

一、碳的结构5

二、活性炭的化学组成9

第三节活性炭的技术性能指标12

一、为什么要了解活性炭的技术性能指标12

二、活性炭的技术性能指标12

第四节VOCs治理工程中吸附剂的选择19

一、根据活性炭的技术性能指标选择吸附剂19

二、活性炭用于治理VOCs的选用规则19

第五节活性炭在治理VOCs方面的优势21

一、VOCs处理工程中常用的三类吸附剂21

二、三类吸附剂的性能比较23

第六节活性炭纤维24

一、活性炭纤维制备工艺概述24

二、活性炭纤维的类型27

三、活性炭纤维的吸附模型28

四、活性炭纤维对有机蒸气的吸附性能30

五、黏胶基活性炭纤维用于处理VOCs的优势31

六、活性炭纤维的10大优势31

第七节废旧活性炭的处理和处置32

一、废旧活性炭的定义32

二、国家对废旧活性炭的法律规定32

三、废旧活性炭的处理和处置方法33



第二章活性炭的吸附理论35

节活性炭的吸附特性35

一、吸附原理35

二、吸附的分类36

三、应特别重视化学吸附现象37

第二节吸附平衡40

一、吸附过程是一个动态过程40

二、平衡关系的表示41

三、吸附等温线41

四、吸附等温线方程43

第三节气体在活性炭表面的吸附46

一、气体在活性炭表面的吸附过程46

二、吸附速率方程47

三、吸附剂的脱附与劣化现象48

第四节影响气体吸附的因素及活性炭的表面改性50

一、影响气体吸附的因素50

二、吸附剂浸渍与改性53

第五节利用影响气体吸附的因素指导吸附设计55

一、与活性炭固定床吸附的设计直接相关的因素55

二、有机废气的吸附热58



第三章活性炭固定床吸附器设计59

节固定床吸附器吸附过程的描述59

一、活性炭固定床吸附器的吸附过程59

二、与吸附过程相关的概念59

第二节活性炭固定床吸附器的设计计算及选型62

一、废气吸附净化设计中的假设条件62

二、活性炭固定床吸附剂的选择63

三、活性炭固定床吸附装置的选型64

四、吸附效率的计算及选择69

五、吸附剂用量的计算70

六、吸附器本体设计80

第三节转轮吸附器简介83

一、转轮的内部结构83

二、转轮技术处理VOCs的工艺流程及其复活处理84

三、转轮技术应用于VOCs处理的优势及不足85

四、关于转轮技术的几点改进意见85



第四章活性炭固定床吸附系统的设计87

节挥发性有机物的处理工艺87

一、挥发性有机物处理工艺是一个系统工程87

二、严格按程序进行吸附系统的设计88

第二节活性炭固定床吸附系统配置99

一、一般固定床吸附系统的组成99

二、废气收集系统的设计100

三、废气预处理系统的设计及设备选型103

四、吸附系统的设计及设备选型105

五、自动控制系统与在线监测系统106

六、附属系统的设计及设备选型107

第三节风机选型及使用108

一、风机选型108

二、风机的使用116

第四节活性炭固定床层温升及脱附系统的热交换计算123

一、吸附床层的温升123

二、脱附时水蒸气、空气及热量的消耗计算126



第五章活性炭固定床吸附系统的运行管理130

节活性炭固定床吸附系统运行管理的主要内容130

一、运行管理的主要内容130

二、目前在活性炭固定床系统管理中应改进的主要问题130

第二节必须重视国家颁布的各种标准、规范131

一、标准规范对工程项目的指导作用131

二、要重视工程技术规范132

第三节《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》出台的背景132

一、《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》编制的目的132

二、《吸附法规范》制定的背景132

三、《吸附法规范》制定的原则136

四、《吸附法规范》编制的法律依据136

第四节对《吸附法规范》中设计和运行管理的主要内容的说明和补充137

一、《吸附法规范》中规定的有关设计和运行管理方面的主要内容137

二、对《吸附法规范》中规定的固定床设计方面部分内容的说明和补充139

 三、对运行管理方面有关规定内容的说明和补充144

第五节活性炭固定床运行管理中需要探讨的几个问题144

一、气流通过固定床吸附层的速度144

二、脱附温度的选择145

三、活性炭固定床采用水蒸气脱附后是否都需要干燥148

第六节活性炭固定床运行中常见问题及解决方法149

一、如何处理回收后的有机溶剂混合物才更经济149

二、如何延长活性炭吸附剂的寿命149

三、如何做到废气处理后达标149

四、不具备脱附条件的企业如何采用吸附法治理VOCs152

五、关于VOCs的单一治理与联合治理技术152

六、治理VOCs的方向154



第六章活性炭固定床处理VOCs应用案例156

典型案例一喷涂行业VOCs治理工程156

典型案例二化工行业VOCs治理工程167

典型案例三制药行业VOCs治理工程178

典型案例四医药企业污水站排放VOCs治理工程184



附录193

附录一《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ 2026—2013)193

附录二几篇关于处理VOCs的论文204

附录三常见挥发性有机物的分类和性质232

附录四气相型蜂窝活性炭技术指标240

前　　言

近年的研究发现，PM2.5与挥发性有机污染物有直接关系。在PM2.5形成之前，作为前驱物的VOCs（挥发性有机物），能和由SO2、NOx生成的硫酸盐、硝酸盐一起，在光的作用下，发生一系列的光化学反应，生成以PM2.5细小颗粒物为主的霾，这些霾会长期存在于大气中。近几年，低浓度、高毒性的VOCs在PM2.5中的比重上升很快，因而使细粒子污染逐渐趋于严重。

我国在20世纪80年代之后，随着城市化加速，经济规模扩张，各大城市机动车保有量也随之迅猛增长，珠三角、长三角、京津冀等经济发达地区大气污染日趋严重，雾霾天变得越来越多，这使得臭氧和PM2.5所代表的细粒子污染，渐渐发展为大城市和区域空气污染的首要大敌。为此，中央向全国发出了“蓝天保卫战”的号召，一场轰轰烈烈的蓝天保卫战已经打响，目前已取得了初步成果！

国家对挥发性有机物污染的防治一直比较重视，《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）规定的33类污染物中，有近一半属于挥发性有机物。这个标准对挥发性有机物提出了严格的排放限值。自2010年5月首次把挥发性有机物确定为大气污染的重点污染物之后，2013年9月，国务院发布《大气污染防治行动计划》，对VOCs的污染防治工作提出了一些具体的要求，包括以下几方面。

（1）制定、修订重点行业排放标准，用法律、标准“倒逼”产业转型升级。

（2）强制公开污染企业环境信息。

（3）推进VOCs污染治理，在石化、有机化工、表面涂装、包装印刷等行业实施VOCs综合整治。

（4）大力推行清洁生产，完善涂料、油墨、胶黏剂等产品VOCs限值标准，推广使用水性涂料、油墨、胶黏剂，鼓励生产、销售和使用低毒、低挥发性有机溶剂。

（5）将VOCs纳入排污费征收范围，加大排污费征收力度，提高排污费征收标准。

紧接着，全国各省市也陆续出台了控制VOCs排放的地方标准和规定。

根据国家的统一部署，VOCs治理应该从源头治理、过程控制和末端治理三方面着手，而以源头治理、过程控制为重点。2016年1月1日起实施的《中华人民共和国大气污染防治法》（以下简称《大气污染防治法》），对VOCs污染防治在源头治理、过程控制和末端治理等方面都提出了具体要求。有关部门颁布了《重点行业挥发性有机物削减行动计划》（以下简称《行动计划》),指出了明确方向。《行动计划》提出“坚持源头削减、过程控制为重点，兼顾末端治理的全过程防治理念”。《行动计划》还指出，在源头削减、过程控制和末端治理三者之间，更为重视源头削减和过程控制，这是我国将来VOCs治理的发展趋势，也是国际上治理VOCs的发展方向。

在目前的VOCs治理中，吸附法得到了广泛的应用。而在治理VOCs的设备中，以活性炭固定床吸附器应用广。初步估计，它占据了固定床处理VOCs约85%以上的市场。

为此，作者根据自己从事VOCs治理教学、科研以及工程实践，特别编著了这本《活性炭固定床治理VOCs设计 运行 管理》一书。专门论述活性炭固定床在VOCs治理的设计、运行、管理方面的问题，并且还介绍了自己的一些实践经验，给设计、运行、管理人员提供参考。

本书共分六章。章讲述活性炭的基本知识和技术性能指标，并对这些指标进行了分类说明；第二章讲述活性炭的吸附原理及影响其吸附的因素，同时讲述了在工程实践中，如何应用影响气体吸附的因素，指导活性炭固定床吸附器的设计；第三章讲述活性炭固定床的设计及一些设计参数选择的依据；第四章讲述活性炭固定床吸附系统的设计、活性炭固定床处理VOCs系统的组成以及活性炭固定床系统的整体设计规程；第五章讲述了活性炭固定床吸附运行的管理，特别强调了在设计和运行方面，必须重视国家法律法规及具体的工程技术规范，另外从理论上阐述了一些参数选择的原理，对现行的《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》进行了解释，并结合自己的工程实践对一些技术参数提出了不同的看法；第六章给出了四个不同的工程案例。

本书由李守信任主编,参加本书编写的人员分工如下。

李守信（华北电力大学环境科学与工程学院）主要编写绪论，章第六节，第四章、二节，第五章，第六章典型案例四；陈青松（天津大拇指环保科技集团）主要编写第二章第四、五节，第三章第二节，第六章典型案例二；程泉（广东源丰环境生态科技有限公司）主要编写章、二、三、四、五节，第二章节，第六章典型案例一；苏航（广东雪迪龙环境科技有限公司）主要编写第二章第二、三节，第三章、三节，第六章典型案例三。全书由李守信统稿并修改定稿。

特别需要提起的是，中国工程院院士、著名的环境工程专家、清华大学环境科学与工程研究院院长、美国国家工程院外籍院士郝吉明教授为本书作序。郝吉明院士在序中对作者以理论与实践相结合的方式介绍了自己的经验和做法给予肯定，认为本书为相关的设计和运行管理人员提供了很好的参考。同时对作者提出的一些新见解，认为是为从业人员在吸附理论与技术方面提出了诸多研究课题。在此对郝吉明院士的认可表示衷心的感谢！

本书在编写过程中，得到了国内知名的大气污染控制专家、欧盟清洁生产咨询专家、天津大学郭静教授，国内知名的VOCs治理专家、中南大学李立清教授等同行专家的指导，以及天津大拇指环保科技集团、广东源丰环境生态科技有限公司、广东雪迪龙环保科技有限公司、河南洛阳峰越环保设备有限公司、浙江天地环保科技有限公司等企业的支持和协助。广东雪迪龙环保科技有限公司张改革参与了部分资料的收集工作，天津大拇指环保科技集团贺国臣参与了部分文字的编辑工作。特别感谢南京大学环境规划设计研究院股份公司对本书提供的经典案例及相关资料，感谢河北中环环保设备有限公司原总工程师王玉普高级工程师提供的相关图纸。正是由于他们的指导、支持和帮助，才使本书的编写工作得以顺利进行。在此一并表示衷心的感谢！

在这里，借本书出版之机，对笔者在专业成长过程中给予指导和帮助的，也是早期推动我国VOCs治理行业发展的同行专家及科技工作者刘汉杰、楚建唐、张建军、杨树强、苏建华、党小庆、张智敏、王学锋、林金画、尤生全、黄文龙、李泽清、陈大博、陈植民、王德宏等，表示深深的敬意和由衷的感谢！

本书可作为高等院校环境工程专业及其他相关专业的教材或参考书，特别适用于各级环境保护管理部门作为挥发性有机物控制、治理培训的教材。也可供从事大气污染控制工程，特别是从事活性炭固定床治理VOCs的工程设计、运行、管理的工程技术人员参考。

由于作者水平有限，实际经验不足，书中不妥之处在所难免，敬请各位专家、同行及广大读者朋友批评指正。



编著者

2020年9月

目　　录

绪论1



章活性炭的分类、结构及技术性能指标4

节活性炭的分类4

一、按照原料分类4

二、按照制造方法分类5

三、按照外观形状分类5

四、按照用途分类5

第二节活性炭的结构及化学组成5

一、碳的结构5

二、活性炭的化学组成9

第三节活性炭的技术性能指标12

一、为什么要了解活性炭的技术性能指标12

二、活性炭的技术性能指标12

第四节VOCs治理工程中吸附剂的选择19

一、根据活性炭的技术性能指标选择吸附剂19

二、活性炭用于治理VOCs的选用规则19

第五节活性炭在治理VOCs方面的优势21

一、VOCs处理工程中常用的三类吸附剂21

二、三类吸附剂的性能比较23

第六节活性炭纤维24

一、活性炭纤维制备工艺概述24

二、活性炭纤维的类型27

三、活性炭纤维的吸附模型28

四、活性炭纤维对有机蒸气的吸附性能30

五、黏胶基活性炭纤维用于处理VOCs的优势31

六、活性炭纤维的10大优势31

第七节废旧活性炭的处理和处置32

一、废旧活性炭的定义32

二、国家对废旧活性炭的法律规定32

三、废旧活性炭的处理和处置方法33



第二章活性炭的吸附理论35

节活性炭的吸附特性35

一、吸附原理35

二、吸附的分类36

三、应特别重视化学吸附现象37

第二节吸附平衡40

一、吸附过程是一个动态过程40

二、平衡关系的表示41

三、吸附等温线41

四、吸附等温线方程43

第三节气体在活性炭表面的吸附46

一、气体在活性炭表面的吸附过程46

二、吸附速率方程47

三、吸附剂的脱附与劣化现象48

第四节影响气体吸附的因素及活性炭的表面改性50

一、影响气体吸附的因素50

二、吸附剂浸渍与改性53

第五节利用影响气体吸附的因素指导吸附设计55

一、与活性炭固定床吸附的设计直接相关的因素55

二、有机废气的吸附热58



第三章活性炭固定床吸附器设计59

节固定床吸附器吸附过程的描述59

一、活性炭固定床吸附器的吸附过程59

二、与吸附过程相关的概念59

第二节活性炭固定床吸附器的设计计算及选型62

一、废气吸附净化设计中的假设条件62

二、活性炭固定床吸附剂的选择63

三、活性炭固定床吸附装置的选型64

四、吸附效率的计算及选择69

五、吸附剂用量的计算70

六、吸附器本体设计80

第三节转轮吸附器简介83

一、转轮的内部结构83

二、转轮技术处理VOCs的工艺流程及其复活处理84

三、转轮技术应用于VOCs处理的优势及不足85

四、关于转轮技术的几点改进意见85



第四章活性炭固定床吸附系统的设计87

节挥发性有机物的处理工艺87

一、挥发性有机物处理工艺是一个系统工程87

二、严格按程序进行吸附系统的设计88

第二节活性炭固定床吸附系统配置99

一、一般固定床吸附系统的组成99

二、废气收集系统的设计100

三、废气预处理系统的设计及设备选型103

四、吸附系统的设计及设备选型105

五、自动控制系统与在线监测系统106

六、附属系统的设计及设备选型107

第三节风机选型及使用108

一、风机选型108

二、风机的使用116

第四节活性炭固定床层温升及脱附系统的热交换计算123

一、吸附床层的温升123

二、脱附时水蒸气、空气及热量的消耗计算126



第五章活性炭固定床吸附系统的运行管理130

节活性炭固定床吸附系统运行管理的主要内容130

一、运行管理的主要内容130

二、目前在活性炭固定床系统管理中应改进的主要问题130

第二节必须重视国家颁布的各种标准、规范131

一、标准规范对工程项目的指导作用131

二、要重视工程技术规范132

第三节《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》出台的背景132

一、《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》编制的目的132

二、《吸附法规范》制定的背景132

三、《吸附法规范》制定的原则136

四、《吸附法规范》编制的法律依据136

第四节对《吸附法规范》中设计和运行管理的主要内容的说明和补充137

一、《吸附法规范》中规定的有关设计和运行管理方面的主要内容137

二、对《吸附法规范》中规定的固定床设计方面部分内容的说明和补充139

 三、对运行管理方面有关规定内容的说明和补充144

第五节活性炭固定床运行管理中需要探讨的几个问题144

一、气流通过固定床吸附层的速度144

二、脱附温度的选择145

三、活性炭固定床采用水蒸气脱附后是否都需要干燥148

第六节活性炭固定床运行中常见问题及解决方法149

一、如何处理回收后的有机溶剂混合物才更经济149

二、如何延长活性炭吸附剂的寿命149

三、如何做到废气处理后达标149

四、不具备脱附条件的企业如何采用吸附法治理VOCs152

五、关于VOCs的单一治理与联合治理技术152

六、治理VOCs的方向154



第六章活性炭固定床处理VOCs应用案例156

典型案例一喷涂行业VOCs治理工程156

典型案例二化工行业VOCs治理工程167

典型案例三制药行业VOCs治理工程178

典型案例四医药企业污水站排放VOCs治理工程184



附录193

附录一《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ 2026—2013)193

附录二几篇关于处理VOCs的论文204

附录三常见挥发性有机物的分类和性质232

附录四气相型蜂窝活性炭技术指标240