환경 규제가 엄격해지고 환경 보호에 대한 대중의 인식이 높아짐에 따라 석유화학 산업에서 증기 회수 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있습니다. 활성탄 흡착은 효율적이고 경제적인 증기 회수 기술로서 석유 저장 시설 등의 분야에 널리 적용되어 왔습니다. 그러나 실제 운전 중에 활성탄 흡착조의 비정상적인 온도 상승이 빈번하게 발생하여 시스템의 안전한 운전 및 회수효율에 심각한 위협을 가하고 있어 시급한 해결이 필요하다. 본 연구는 활성탄 흡착 증기 회수 시스템의 비정상적인 온도 상승 원인을 철저히 조사하고, 증기 회수 시스템의 최적화된 설계 및 안전한 운영을 위한 참고 자료를 제공하기 위한 효과적인 예방 및 제어 전략을 제안하는 것을 목표로 합니다.
1 활성탄 흡착 증기 회수 장치 개요
활성탄 흡착증기 회수 장치주로 활성탄의 높은 흡착 효율을 활용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착 및 회수합니다. 높은 흡착 효율, 강력한 적응성, 경제적 타당성 및 안정적인 작동과 같은 증기 회수 장치의 활성탄 흡착 기술의 장점으로 인해 완성된 석유 저장 시설에 널리 적용되어 상당한 환경적, 경제적 이점을 제공합니다.
1.1 프로세스 흐름
활성탄 흡착유증기 회수 시스템주로 전처리 시스템(필터, 쿨러 등), 흡착 시스템(흡착조, 활성탄층, 흡입 시스템 등), 탈착 시스템(진공 펌프 등), 회수 시스템(스크러버 타워 등), 제어 시스템(PLC, 센서, 계측기 등)으로 구성됩니다.
1) 배기가스는 전처리 시스템으로 들어가고, 여기서 여과 및 냉각된 후 흡착 시스템으로 들어갑니다.
(2) 배기가스는 흡착 시스템으로 들어가고, 흡착층의 활성탄에 의해 VOC가 흡착되고, 정화된 가스가 배출됩니다.
(3) 배기가스는 탈착 시스템으로 들어갑니다. 활성탄이 흡착 포화 상태에 도달하면 탈착 모드로 전환되어 VOC를 탈착합니다.
(4) 배기가스는 회수 시스템으로 들어가고, 여기서 탈착 후 고농도 VOC 가스가 회수됩니다.
(5) 시스템 제어 시스템은 모든 단계에서 실시간으로 매개변수를 모니터링하고 조정하여-시스템의 효율적이고 안정적인 작동을 보장합니다.
1.2 작동 원리
활성탄 흡착 유증기 회수 시스템의 핵심 작동 원리는 활성탄을 이용하여 유증기 혼합물을 선택적으로 흡착하고, 배기가스에서 VOC를 분리한 후, 탈착 과정을 통해 고농도 VOC를-회수하는 것입니다. 공정은 주로 흡착, 탈착, 회수 단계로 구성됩니다.
(1) 흡착 단계.
활성탄 특유의 물리화학적 구조를 바탕으로 가스 중의 불순물(유기화합물, 악취 분자 등)을 포집, 고정할 수 있는 구조로 VOC가 포함된 배기가스가 여과 및 냉각 후 활성탄 베드를 통과할 때 활성탄이 VOC 분자를 효과적으로 흡착하고 정화된 가스는 규격에 맞게 배출됩니다. 활성탄 흡착의 핵심 메커니즘은 물리적 흡착과 화학적 흡착의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 물리적 흡착은 분자 사이의 반 데르 발스 힘을 통해 달성됩니다. 흡착 분자
(VOC, 안료 등)은 활성탄의 다공성 구조와 넓은 비표면적에 의해 포집됩니다. 화학 흡착은 표면 반응에 의해 지배됩니다. 흡착물 분자는 활성탄 표면의 작용기와 화학 결합(예: 공유 결합, 수소 결합 또는 이온 교환)을 형성하며, 이는 극성 분자(예: 중금속 이온 또는 산성 가스)의 흡착에서 흔히 관찰됩니다. 석유 저장 시설의 주요 오염물질은 VOC이며 물리적 흡착이 지배적이지만 특히 고온 조건이나 특정 기능 그룹이 있는 경우 화학적 흡착을 간과해서는 안 됩니다.-
(2) 탈착 단계.
활성탄이 흡착 포화 상태에 도달한 후 물리적 또는 화학적 방법을 사용하여 활성탄 표면에서 흡착된 물질을 탈착시키는 과정은 활성탄 재생 및 재사용을 위한 중요한 단계입니다. 일반적인 방법으로는 열탈착, 압력 탈착, 변위 탈착이 있습니다. 압력 탈착은 석유 저장 시설에서 일반적으로 사용됩니다. 여기에는 활성탄 표면의 흡착질 양을 줄이기 위해 진공 펌프와 같은 장비를 사용하여 시스템 압력을 줄이는 것이 포함됩니다. 압력이 감소하면 흡착 평형이 파괴되고 흡착물 분자가 활성화된 물질로부터 탈착됩니다.
탄소 표면.
(3) 회복 단계.
탈착 후 고농도 VOC 가스는 회수 시스템으로 들어가고, 여기서 흡수, 응축, 막 분리 등의 방법을 통해 회수하여 환경 오염과 자원 낭비를 줄일 수 있습니다. 물리적 흡수는 고농도의 VOC 가스가 흡수제와 역류 접촉하는 완성된 석유 저장 시설에서 일반적으로 사용됩니다. 분리는 흡수제(가솔린 등)에서 VOC의 용해도 차이를 활용하여 VOC를 흡수제에 용해시킴으로써 이루어집니다.
2 활성탄의 비정상적인 온도 상승과 그 위험성
활성탄의 정상 작동 온도 범위는 일반적으로 40~60도입니다. 이 온도 범위 내에서 활성탄은 높은 흡착 능력과 빠른 흡착 속도를 유지합니다. 그러나 실제 사용에서는
활성탄 베드의 온도는 정상 작동 온도를 크게 초과할 수 있습니다. 온도 상승의 정도와 속도에 따라 비정상적인 온도 상승은 느린 온도 상승과 빠른 온도 상승의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 느린 온도 상승은 종종 활성탄 노화 또는 미량 불순물의 축적으로 인해 발생합니다. 일반적으로 활성탄층 온도가 1~3도/h의 속도로 점차 증가하여 몇 시간 또는 며칠 내에 위험한 수준에 도달할 수 있습니다. 급격한 온도 상승은 국부적인 흡착열 집중 또는 통제되지 않은 발열 반응(예: 올레핀 중합 또는 황 화합물 산화)에 의해 종종 발생하며, 몇 분 내에 10도 이상의 온도 상승이 특징이며, 지속적으로 급격한 상승이 발생하여 몇 분 또는 몇 시간 내에 위험 수준에 도달할 가능성이 있습니다.
활성탄의 비정상적인 온도 상승 형태와 관계없이 온도가 일정 기준치를 초과하면 활성탄 흡착능력 감소, 베드 압력 변동, 배기가스 과다 배출 등의 이상 현상을 동반하며, 심지어 자연 연소 등 안전 문제로 이어질 수도 있습니다. 위험은 주로 다음 세 가지 측면에서 나타납니다.
(1) 운영 효율성이 저하됩니다.
온도가 증가하면 활성탄의 흡착 능력이 감소합니다. 흡착 열역학 이론에 따르면 물리적 흡착은 발열 과정이며 온도가 증가함에 따라 흡착 용량이 감소합니다. 실험 데이터 통계에 따르면 베드 온도가 10도 증가할 때마다 벤젠 및 톨루엔과 같은 VOC에 대한 활성탄의 흡착 용량이 10~17% 감소하여 시스템의 회수 효율이 감소하고 배출 기준을 초과할 수도 있는 것으로 나타났습니다.
환경 처벌의 위험이 증가합니다.
(2) 장비 손상.
온도 상승은 흡착 탱크(예: 용접 이음매)의 국부적 과열을 유발하여 열 응력 부식, 압력 저항 감소, 탈착 중 진공 수준 달성 불가능, 심지어 탱크의 구조적 변형 및 균열을 초래할 수 있습니다. 탈착 중에 베드 층의 가열된 오일 증기로 인해 진공 펌프가 손상될 수 있습니다. 200도를 초과하는 온도에서는 활성탄 미세다공성 구조가 붕괴되어 비표면적이 40% 감소할 수 있습니다.
60%, 요오드 값이 400mg/g으로 감소하여 활성탄이 비활성화됩니다.
(3) 안전 위험 증가.
층 온도가 활성탄의 자연 발화점을 초과하면 화염이 발생할 수 있습니다. 탱크 내부의 증기농도가 폭발 한계에 도달하면 폭연 사고로 이어질 수도 있습니다. 활성탄의 비정상적인 온도 상승으로 인해 유해화학물질 생산 및 저장 회사에서도 유사한 전형적인 사고가 발생했습니다. 예를 들어, 2021년 정유공장에서는 탈착 온도 설정(180도 설정, 설계값 120도)으로 사고가 발생해 활성탄층 온도가 3시간 만에 250도까지 상승해 탱크 균열, VOC 1.2톤 누출 등 직접적인 경제적 손실이 1.2톤을 초과하는 사고가 발생했다.
500만 위안. 2019년에는 석유저장시설 활성탄 표면에 황화합물이 쌓이고 산화되면서 국지적 열점인 310도에서 자연발화를 촉발했다. 불은 인근 저장탱크로 번져 진화하는 데 72시간이 걸렸다.
