Mit der zunehmenden Strenge der Umweltvorschriften und dem wachsenden öffentlichen Bewusstsein für Umweltschutz ist die Bedeutung der Dampfrückgewinnungstechnologie in der petrochemischen Industrie immer wichtiger geworden. Die Aktivkohleadsorption als effiziente und wirtschaftliche Dampfrückgewinnungstechnologie wird häufig in Bereichen wie Öllageranlagen eingesetzt. Während des tatsächlichen Betriebs kommt es jedoch häufig zu einem abnormalen Temperaturanstieg im Aktivkohle-Adsorptionstank, der eine ernsthafte Gefahr für den sicheren Betrieb des Systems und die Rückgewinnungseffizienz darstellt und eine dringende Lösung erfordert. Ziel dieser Studie ist es, die Ursachen für einen abnormalen Temperaturanstieg in Dampfrückgewinnungssystemen mit Aktivkohleadsorption gründlich zu untersuchen und wirksame Präventions- und Kontrollstrategien vorzuschlagen, um Referenzen für die optimierte Gestaltung und den sicheren Betrieb von Dampfrückgewinnungssystemen zu liefern.
1 Übersicht über Aktivkohle-Adsorptions-Dampfrückgewinnungsgeräte
AktivkohleadsorptionDampfrückgewinnungsgerätenutzen in erster Linie die hohe Adsorptionseffizienz von Aktivkohle zur Adsorption und Rückgewinnung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs). Aufgrund der Vorteile der Aktivkohle-Adsorptionstechnologie in Dampfrückgewinnungsgeräten, wie z. B. hohe Adsorptionseffizienz, starke Anpassungsfähigkeit, wirtschaftliche Machbarkeit und stabiler Betrieb, werden sie häufig in fertigen Öllageranlagen eingesetzt und bringen erhebliche ökologische und wirtschaftliche Vorteile mit sich.
1.1 Prozessablauf
Das Aktivkohle-AdsorptionsölDampfrückgewinnungssystembesteht im Wesentlichen aus einem Vorbehandlungssystem (Filter, Kühler usw.), einem Adsorptionssystem (Adsorptionstanks, Aktivkohlebettschichten, Einlasssysteme usw.), einem Desorptionssystem (Vakuumpumpen usw.), einem Rückgewinnungssystem (Wäschertürme usw.) und einem Steuerungssystem (SPS, Sensoren und Instrumente usw.).
1) Abgas gelangt in das Vorbehandlungssystem, wo es gefiltert und gekühlt wird, bevor es in das Adsorptionssystem gelangt.
(2) Das Abgas gelangt in das Adsorptionssystem, wo VOCs durch Aktivkohle im Adsorptionsbett adsorbiert werden und das gereinigte Gas emittiert wird.
(3) Das Abgas gelangt in das Desorptionssystem. Wenn die Aktivkohle die Adsorptionssättigung erreicht, wechselt sie in den Desorptionsmodus, um VOCs zu desorbieren.
(4) Das Abgas gelangt in das Rückgewinnungssystem, wo das hochkonzentrierte VOC-Gas nach der Desorption zurückgewonnen wird.
(5) Das Systemsteuerungssystem überwacht und passt Parameter in Echtzeit über alle Phasen hinweg an, um einen effizienten und stabilen Betrieb des Systems sicherzustellen.
1.2 Funktionsprinzip
Das Hauptfunktionsprinzip des Öldampfrückgewinnungssystems mit Aktivkohleadsorption besteht darin, Öldampfgemische mithilfe von Aktivkohle selektiv zu adsorbieren, VOCs aus dem Abgas abzutrennen und anschließend hochkonzentrierte VOCs durch den Desorptionsprozess zurückzugewinnen. Der Prozess besteht hauptsächlich aus Adsorptions-, Desorptions- und Rückgewinnungsstufen.
(1) Adsorptionsstufe.
Basierend auf der einzigartigen physikalischen und chemischen Struktur von Aktivkohle, die das Auffangen und Fixieren von Verunreinigungen in Gasen (wie organische Verbindungen und Geruchsmoleküle) ermöglicht, adsorbiert die Aktivkohle effektiv VOC-Moleküle, wenn VOCs enthaltendes Abgas nach der Filterung und Kühlung durch das Aktivkohlebett strömt, und das gereinigte Gas wird gemäß den Standards abgeführt. Der Kernmechanismus der Aktivkohleadsorption kann in zwei Arten unterteilt werden: physikalische Adsorption und chemische Adsorption. Die physikalische Adsorption wird durch Van-der-Waals-Kräfte zwischen Molekülen erreicht. Adsorbatmoleküle
(wie VOCs, Pigmente usw.) werden durch die poröse Struktur und die große spezifische Oberfläche der Aktivkohle eingefangen. Bei der chemischen Adsorption dominieren Oberflächenreaktionen. Adsorbatmoleküle bilden chemische Bindungen (z. B. kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen oder Ionenaustausch) mit funktionellen Gruppen auf der Aktivkohleoberfläche, was häufig bei der Adsorption polarer Moleküle (z. B. Schwermetallionen oder saure Gase) beobachtet wird. Die Hauptschadstoffe in Erdöllagerstätten sind VOCs, bei denen die physikalische Adsorption vorherrscht, die chemische Adsorption sollte jedoch nicht vernachlässigt werden, insbesondere unter Hochtemperaturbedingungen oder in Gegenwart spezifischer funktioneller Gruppen.
(2) Desorptionsstufe.
Nachdem die Aktivkohle die Adsorptionssättigung erreicht hat, ist der Prozess der Desorption adsorbierter Substanzen von der Aktivkohleoberfläche mithilfe physikalischer oder chemischer Methoden ein entscheidender Schritt für die Regeneration und Wiederverwendung von Aktivkohle. Zu den gängigen Methoden gehören Thermodesorption, Druckdesorption und Verdrängungsdesorption. Die Druckdesorption wird häufig in Erdöllagerstätten eingesetzt. Dazu gehört die Reduzierung des Systemdrucks mithilfe von Geräten wie Vakuumpumpen, um die Adsorbatmenge auf der Aktivkohleoberfläche zu verringern. Sobald der Druck verringert wird, wird das Adsorptionsgleichgewicht gestört und Adsorbatmoleküle desorbieren aus dem aktivierten Medium
Kohlenstoffoberfläche.
(3) Erholungsphase.
Das hochkonzentrierte VOC-Gas gelangt nach der Desorption in das Rückgewinnungssystem, wo es mithilfe von Methoden wie Absorption, Kondensation oder Membrantrennung zurückgewonnen werden kann, um Umweltverschmutzung und Ressourcenverschwendung zu reduzieren. Die physikalische Absorption wird üblicherweise in fertigen Öllageranlagen eingesetzt, wo hochkonzentriertes VOC-Gas in Gegenstromkontakt mit einem Absorptionsmittel kommt. Die Trennung wird erreicht, indem der Unterschied in der Löslichkeit von VOCs im Absorptionsmittel (z. B. Benzin) ausgenutzt wird, wodurch sich die VOCs im Absorptionsmittel auflösen.
2 Anormaler Temperaturanstieg bei Aktivkohle und seine Gefahren
Der normale Betriebstemperaturbereich für Aktivkohle liegt typischerweise bei 40–60 Grad. Innerhalb dieses Temperaturbereichs behält Aktivkohle eine hohe Adsorptionskapazität und schnelle Adsorptionsraten bei. Im tatsächlichen Gebrauch jedoch
Die Temperatur des Aktivkohlebetts kann die normale Betriebstemperatur deutlich überschreiten. Basierend auf dem Ausmaß und der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs kann ein abnormaler Temperaturanstieg in zwei Typen eingeteilt werden: langsamer Temperaturanstieg und schneller Temperaturanstieg. Ein langsamer Temperaturanstieg wird häufig durch die Alterung der Aktivkohle oder die Ansammlung von Spurenverunreinigungen verursacht. Dies äußert sich typischerweise darin, dass die Temperatur der Aktivkohlebettschicht allmählich mit einer Geschwindigkeit von 1–3 Grad pro Stunde ansteigt und möglicherweise innerhalb von Stunden oder Tagen gefährliche Werte erreicht. Ein schneller Temperaturanstieg wird häufig durch eine lokale Adsorptionswärmekonzentration oder unkontrollierte exotherme Reaktionen (wie Olefinpolymerisation oder Oxidation von Schwefelverbindungen) verursacht, die durch einen Temperaturanstieg von über 10 Grad innerhalb von Minuten mit einem anhaltend schnellen Anstieg gekennzeichnet sind und möglicherweise innerhalb von Minuten oder Stunden gefährliche Werte erreichen.
Unabhängig von der Form des abnormalen Temperaturanstiegs in Aktivkohle geht das Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts mit abnormalen Phänomenen wie einer Abnahme der Adsorptionskapazität der Aktivkohle, Schwankungen des Bettdrucks und übermäßigen Abgasemissionen einher und kann sogar zu Sicherheitsproblemen wie Selbstentzündung führen. Die Gefahren äußern sich vor allem in den folgenden drei Aspekten.
(1) Rückgang der betrieblichen Effizienz.
Temperaturerhöhungen verringern die Adsorptionsfähigkeit von Aktivkohle. Gemäß der Theorie der Adsorptionsthermodynamik ist die physikalische Adsorption ein exothermer Prozess und die Adsorptionskapazität nimmt mit steigender Temperatur ab. Experimentelle Datenstatistiken zeigen, dass bei jedem Anstieg der Betttemperatur um 10 Grad die Adsorptionskapazität von Aktivkohle für VOCs wie Benzol und Toluol um 10 bis 17 % abnimmt, was zu einer verringerten Rückgewinnungseffizienz des Systems führen und sogar die Emissionsstandards überschreiten kann.
das Risiko von Umweltstrafen erhöht.
(2) Geräteschaden.
Temperaturerhöhungen können zu örtlicher Überhitzung in Adsorptionstanks (z. B. an Schweißnähten) führen, was zu thermischer Spannungskorrosion, verringerter Druckbeständigkeit und der Unfähigkeit, während der Desorption Vakuumniveaus zu erreichen, oder sogar zu struktureller Verformung und Rissbildung im Tank führt. Während der Desorption können erhitzte Öldämpfe aus der Bettschicht Vakuumpumpen beschädigen. Temperaturen über 200 Grad können zum Zusammenbruch der mikroporösen Aktivkohlestrukturen führen und die spezifische Oberfläche um 40 % verringern.
60 % und ein Abfall der Jodzahl auf 400 mg/g, was zur Deaktivierung der Aktivkohle führt.
(3) Erhöhte Sicherheitsrisiken.
Wenn die Temperatur der Bettschicht den Selbstentzündungspunkt von Aktivkohle überschreitet, kann es zu offenen Flammen kommen. Erreicht die Dampfkonzentration im Inneren des Tanks die Explosionsgrenze, kann es ebenfalls zu einem Verpuffungsunfall kommen. Unternehmen, die gefährliche Chemikalien produzieren und lagern, haben ähnliche typische Unfälle aufgrund abnormaler Temperaturanstiege in Aktivkohle erlebt. Im Jahr 2021 ereignete sich beispielsweise in einer Raffinerie ein Unfall aufgrund einer falschen Einstellung der Desorptionstemperatur (eingestellt auf 180 Grad, mit einem Auslegungswert von 120 Grad), was dazu führte, dass die Temperatur des Aktivkohlebetts innerhalb von 3 Stunden auf 250 Grad anstieg, was zu Tankrissen, einer VOC-Leckage von 1,2 Tonnen und direkten wirtschaftlichen Verlusten von mehr als 100 % führte
5 Millionen Yuan. Im Jahr 2019 sammelten sich Schwefelverbindungen auf der Oberfläche von Aktivkohle in einem Erdöllager an und oxidierten diese, was an einem lokalen Hotspot von 310 Grad eine Selbstentzündung auslöste. Das Feuer breitete sich auf benachbarte Lagertanks aus und es dauerte 72 Stunden, bis es gelöscht war.
