Ympäristömääräysten tiukentuessa ja yleisen ympäristönsuojelun tietoisuuden lisääntyessä höyryn talteenottoteknologian merkitys petrokemian teollisuudessa on noussut entistä näkyvämmäksi. Aktiivihiilen adsorptiota tehokkaana ja taloudellisena höyryn talteenottoteknologiana on käytetty laajalti esimerkiksi öljyvarastoissa. Varsinaisen käytön aikana aktiivihiilen adsorptiosäiliössä tapahtuu kuitenkin usein epänormaalia lämpötilan nousua, mikä aiheuttaa vakavan uhan järjestelmän turvalliselle toiminnalle ja talteenottotehokkuudelle, mikä vaatii kiireellistä ratkaisua. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia perusteellisesti syitä epänormaaliin lämpötilan nousuun aktiivihiilen adsorptiohöyryn talteenottojärjestelmissä ja ehdottaa tehokkaita ehkäisy- ja valvontastrategioita, jotka tarjoavat referenssejä höyryn talteenottojärjestelmien optimoituun suunnitteluun ja turvalliseen käyttöön.
1 Yleiskatsaus aktiivihiilen adsorptiohöyryn talteenottolaitteisiin
Aktiivihiilen adsorptiohöyryn talteenottolaitteethyödyntää ensisijaisesti aktiivihiilen korkeaa adsorptiotehokkuutta haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) adsorboimiseksi ja talteen ottamiseksi. Höyryn talteenottolaitteiden aktiivihiilen adsorptioteknologian etujen, kuten korkean adsorptiotehokkuuden, vahvan sopeutumiskyvyn, taloudellisen toteutettavuuden ja vakaan toiminnan, ansiosta niitä käytetään laajasti valmiissa öljyvarastoissa, mikä tuottaa merkittäviä ympäristö- ja taloudellisia etuja.
1.1 Prosessikulku
Aktiivihiilen adsorptioöljyhöyryn talteenottojärjestelmäkoostuu pääasiassa esikäsittelyjärjestelmästä (suodattimet, jäähdyttimet jne.), adsorptiojärjestelmästä (adsorptiosäiliöt, aktiivihiilipetikerrokset, tulojärjestelmät jne.), desorptiojärjestelmästä (tyhjiöpumput jne.), talteenottojärjestelmästä (pesuritornit jne.) ja ohjausjärjestelmästä (PLC, anturit ja instrumentit jne.).
1) Pakokaasut tulevat esikäsittelyjärjestelmään, jossa ne suodatetaan ja jäähdytetään ennen kuin ne pääsevät adsorptiojärjestelmään.
(2) Pakokaasu menee adsorptiojärjestelmään, jossa adsorptiopedissä oleva aktiivihiili adsorboi VOC:t ja puhdistettu kaasu vapautuu.
(3) Pakokaasu tulee desorptiojärjestelmään. Kun aktiivihiili saavuttaa adsorptiokyllästyksen, se siirtyy desorptiotilaan desorboimaan VOC-yhdisteitä.
(4) Pakokaasu menee talteenottojärjestelmään, jossa korkean -pitoisuuden VOC-kaasu otetaan talteen desorption jälkeen.
(5) Järjestelmän ohjausjärjestelmä valvoo ja säätää parametreja reaaliajassa- kaikissa vaiheissa varmistaakseen järjestelmän tehokkaan ja vakaan toiminnan.
1.2 Toimintaperiaate
Aktiivihiilen adsorptioöljyhöyryn talteenottojärjestelmän ydintoimintaperiaate on öljyhöyryseoksien selektiivinen adsorbointi aktiivihiilen avulla, VOC-yhdisteiden erottaminen pakokaasusta ja korkean -pitoisuuden VOC-yhdisteiden talteenotto desorptioprosessin kautta. Prosessi koostuu pääasiassa adsorptio-, desorptio- ja talteenottovaiheista.
(1) Adsorptiovaihe.
Perustuu aktiivihiilen ainutlaatuiseen fysikaaliseen ja kemialliseen rakenteeseen, joka mahdollistaa kaasujen epäpuhtauksien (kuten orgaanisten yhdisteiden ja hajumolekyylien) talteenoton ja kiinnittämisen, kun VOC-yhdisteitä sisältävä pakokaasu kulkee aktiivihiilikerroksen läpi suodatuksen ja jäähdytyksen jälkeen, aktiivihiili adsorboi tehokkaasti VOC-molekyylejä ja puhdistettu kaasu poistuu standardien mukaisesti. Aktiivihiilen adsorption ydinmekanismi voidaan jakaa kahteen tyyppiin: fysikaalinen adsorptio ja kemiallinen adsorptio. Fysikaalinen adsorptio saavutetaan van der Waalsin voimien avulla molekyylien välillä. Adsorboi molekyylit
(kuten VOC:t, pigmentit jne.) vangitaan aktiivihiilen huokoiseen rakenteeseen ja suureen ominaispinta-alaan. Pintareaktiot hallitsevat kemiallista adsorptiota. Adsorbaattimolekyylit muodostavat kemiallisia sidoksia (kuten kovalenttisia sidoksia, vetysidoksia tai ioninvaihtoa) aktiivihiilen pinnalla olevien funktionaalisten ryhmien kanssa, joita havaitaan yleisesti polaaristen molekyylien (kuten raskasmetalli-ionien tai happamien kaasujen) adsorptiossa. Öljyvarastojen tärkeimmät epäpuhtaudet ovat VOC-yhdisteet, joissa fysikaalinen adsorptio hallitsee, mutta kemiallista adsorptiota ei pidä unohtaa, etenkään korkeissa lämpötiloissa tai tiettyjen funktionaalisten ryhmien läsnä ollessa.
(2) Desorptiovaihe.
Kun aktiivihiili saavuttaa adsorptiokyllästyksen, adsorboituneiden aineiden desorbointi aktiivihiilen pinnalta fysikaalisilla tai kemiallisilla menetelmillä on kriittinen vaihe aktiivihiilen regeneroinnissa ja uudelleenkäytössä. Yleisiä menetelmiä ovat lämpödesorptio, painedesorptio ja syrjäytysdesorptio. Painedesorptiota käytetään yleisesti öljyvarastoissa. Tämä sisältää järjestelmän paineen alentamisen käyttämällä laitteita, kuten tyhjiöpumppuja, vähentämään adsorbaatin määrää aktiivihiilen pinnalla. Kun painetta alennetaan, adsorptiotasapaino häiriintyy ja adsorbaattimolekyylit desorboivat aktivoiduista
hiilipinta.
(3) Toipumisvaihe.
Korkean -pitoisuuden VOC-kaasu desorption jälkeen menee talteenottojärjestelmään, jossa se voidaan ottaa talteen käyttämällä menetelmiä, kuten absorptiota, kondensaatiota tai kalvoerotusta ympäristön saastumisen ja resurssien tuhlauksen vähentämiseksi. Fysikaalista absorptiota käytetään yleisesti valmiissa öljyvarastoissa, joissa korkean -pitoisuuden VOC-kaasu tulee vastavirtakosketukseen absorbentin kanssa. Erotus saadaan aikaan hyödyntämällä VOC-yhdisteiden liukoisuuden eroa absorbentissa (kuten bensiinissä), jolloin VOC-yhdisteet liukenevat absorbenttiin.
2 Aktiivihiilen epänormaali lämpötilan nousu ja sen vaarat
Aktiivihiilen normaali käyttölämpötila-alue on tyypillisesti 40–60 astetta. Tällä lämpötila-alueella aktiivihiili ylläpitää korkeaa adsorptiokapasiteettia ja nopeaa adsorptionopeutta. Varsinaisessa käytössä kuitenkin
aktiivihiilipedin lämpötila voi merkittävästi ylittää normaalin käyttölämpötilan. Lämpötilan nousun laajuuden ja nopeuden perusteella epänormaali lämpötilan nousu voidaan luokitella kahteen tyyppiin: hitaaseen lämpötilan nousuun ja nopeaan lämpötilan nousuun. Hidas lämpötilan nousu johtuu usein aktiivihiilen ikääntymisestä tai epäpuhtauksien kertymisestä, mikä ilmenee tyypillisesti aktiivihiilikerroksen lämpötilan asteittain kohoamisena 1–3 astetta/h, jolloin se voi saavuttaa vaarallisen tason tunneissa tai päivissä; Nopea lämpötilan nousu johtuu usein paikallisesta adsorptiolämpöpitoisuudesta tai hallitsemattomista eksotermisistä reaktioista (kuten olefiinien polymeroitumisesta tai rikkiyhdisteiden hapettumisesta), joille on ominaista yli 10 asteen lämpötilan nousu minuuteissa, jatkuva nopea nousu, mahdollisesti vaarallinen taso minuuteissa tai tunneissa.
Riippumatta aktiivihiilen epänormaalin lämpötilan nousun muodosta, kun lämpötila ylittää tietyn kynnyksen, siihen liittyy epänormaaleja ilmiöitä, kuten aktiivihiilen adsorptiokapasiteetin heikkeneminen, petipaineen vaihtelut ja liialliset pakokaasupäästöt, ja se voi johtaa jopa turvallisuusongelmiin, kuten itsestään syttymiseen. Vaarat ilmenevät ensisijaisesti seuraavissa kolmessa näkökohdassa.
(1) Toiminnan tehokkuuden lasku.
Lämpötilan nousu heikentää aktiivihiilen adsorptiokykyä. Adsorptiotermodynamiikan teorian mukaan fysikaalinen adsorptio on eksoterminen prosessi, ja adsorptiokyky heikkenee lämpötilan noustessa. Kokeelliset tilastotiedot osoittavat, että jokaista 10 astetta kerroslämpötilan nousua kohden aktiivihiilen adsorptiokyky VOC-yhdisteille, kuten bentseenille ja tolueenille, laskee 10–17 prosenttia, mikä voi johtaa järjestelmän alentuneeseen talteenottotehokkuuteen ja jopa ylittää päästöstandardit.
lisää ympäristörangaistusten riskiä.
(2) Laitevaurio.
Lämpötilan nousu voi aiheuttaa paikallista ylikuumenemista adsorptiosäiliöissä (esim. hitsisaumoissa), mikä johtaa lämpöjännityskorroosioon, alentuneeseen paineenkestävyyteen ja kyvyttömyyteen saavuttaa tyhjiötasoja desorption aikana tai jopa säiliön rakenteellista muodonmuutosta ja halkeilua; desorption aikana lämmitetyt öljyhöyryt kerroksesta voivat vahingoittaa tyhjiöpumppuja; yli 200 asteen lämpötilat voivat aiheuttaa aktiivihiilen mikrohuokoisten rakenteiden romahtamisen, jolloin ominaispinta-ala pienenee 40 % –
60 % ja jodiarvon lasku 400 mg/g:iin, mikä johtaa aktiivihiilen deaktivoitumiseen.
(3) Lisääntynyt turvallisuusriski.
Kun kerroskerroksen lämpötila ylittää aktiivihiilen itsesyttymispisteen, se voi aiheuttaa avotulen. Jos höyryn pitoisuus säiliön sisällä saavuttaa räjähdysrajan, se voi johtaa myös syttymisonnettomuuteen. Vaarallisten kemikaalien tuotanto- ja varastointiyritykset ovat kokeneet vastaavia tyypillisiä onnettomuuksia aktiivihiilen epänormaalista lämpötilan noususta. Esimerkiksi vuonna 2021 jalostamo joutui onnettomuuteen, joka johtui väärästä desorptiolämpötila-asetuksesta (asetettu 180 asteeseen, suunnitteluarvo 120 astetta), jolloin aktiivihiilikerroksen lämpötila nousi 250 asteeseen 3 tunnissa, mikä johti säiliön halkeamiseen, VOC-vuodon ylittäminen 1,2 tonnilla, ja
5 miljoonaa yuania. Vuonna 2019 rikkiyhdisteitä kertyi ja hapettui aktiivihiilen pinnalle öljyvarastossa, mikä laukaisi spontaanin palamisen 310 asteen paikallisessa hotspotissa. Palo levisi viereisiin varastosäiliöihin, ja sammutus kesti 72 tuntia.
