治理VOCs的新工藝—沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒

高 博，曾毅夫，葉明強(qiáng)，劉勝?gòu)?qiáng)（凱天環(huán)保科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

治理VOCs的新工藝—沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒

高 博，曾毅夫，葉明強(qiáng)，劉勝?gòu)?qiáng)
（凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長(zhǎng)沙 410100）

闡述了沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+焚燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及基本工藝特點(diǎn)，介紹了一種新的沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒處理?yè)]發(fā)性有機(jī)化合物的工藝，指出了該工藝的特點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，以及該技術(shù)的發(fā)展方向。

沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮；新工藝；揮發(fā)性有機(jī)化合物治理；工藝特點(diǎn)

VOCs的種類繁多、成分復(fù)雜、性質(zhì)各異，在很多情況下采用一種凈化技術(shù)往往難以達(dá)到治理要求，且不經(jīng)濟(jì)。利用不同單元治理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用組合治理工藝，不僅可滿足排放要求，而且可降低凈化設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。因此，在有機(jī)廢氣治理中，采用兩種或多種凈化技術(shù)的組合工藝得到了迅速發(fā)展。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)就是針對(duì)低濃度VOCs的治理而發(fā)展起來的一種新技術(shù)，與催化燃燒或高溫焚燒進(jìn)行組合，形成了沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+焚燒技術(shù)［1］。

1　技術(shù)研究現(xiàn)狀

蜂窩轉(zhuǎn)輪吸附+催化燃燒處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代由日本發(fā)明的一種有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)，吸附裝置是用分子篩、活性碳纖維或含碳材料制備的瓦楞型紙板組裝起來的蜂窩轉(zhuǎn)輪，吸附與脫附氣流的流向相反，兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行。這種系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代初被我國(guó)引進(jìn)和仿制，但由于吸附元件（蜂窩轉(zhuǎn)輪）以及系統(tǒng)關(guān)鍵部位連接技術(shù)都不過關(guān)，吸附與脫附的竄風(fēng)問題未得到根本解決，設(shè)備性能不穩(wěn)定，因此國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，一直未能得到推廣。

20世紀(jì)80年代末研制設(shè)計(jì)了固定床吸附+催化燃燒處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將吸附材料裝填在固定床中，再將吸附床與催化燃燒裝置組合成凈化處理系統(tǒng)。該工藝系統(tǒng)的原理與上述蜂窩轉(zhuǎn)輪吸附+催化燃燒技術(shù)基本相同，但由于單件吸附床的吸附與脫附再生過程分開進(jìn)行，在操作上克服了蜂窩轉(zhuǎn)輪凈化系統(tǒng)吸、脫附易串氣的缺點(diǎn)。經(jīng)不斷改進(jìn)，系統(tǒng)配置更加合理，凈化效率高，運(yùn)行節(jié)能效果顯著，在技術(shù)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平［2］。該工藝系統(tǒng)非常適合處理大氣體量、低濃度的VOCs廢氣，其單套系統(tǒng)的廢氣處理量可以從幾千m3/h到十幾萬(wàn)m3/h。該技術(shù)是我國(guó)真正自主創(chuàng)新的VOCs廢氣治理工藝，自1989年首次在國(guó)內(nèi)推廣，到目前已有數(shù)百套該類系統(tǒng)與裝置在使用。已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)工業(yè)VOCs廢氣治理的主流產(chǎn)品之一，并預(yù)計(jì)在未來仍將有很大的應(yīng)用前景［3］。

利用催化燃燒法進(jìn)行工業(yè)有機(jī)廢氣治理，已普遍應(yīng)用于汽車噴涂、磁帶制造和飛機(jī)零部件噴涂等。催化燃燒技術(shù)將揮發(fā)出來的大量有機(jī)溶劑充分燃燒。催化劑采用多孔陶瓷載體催化劑，催化前的預(yù)熱溫度視VOCs種類而不同：聚氨酯380℃～480℃，聚酯亞胺480℃～580℃；有機(jī)物濃度約1600mg/m3，凈化效率平均為99%。

2　轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒新工藝

2.1技術(shù)概況

針對(duì)現(xiàn)行各種方法在處理低濃度、大風(fēng)量的VOCs污染物時(shí)存在的設(shè)備投資大、運(yùn)行成本高、去除效率低等問題，國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)了一種用于處理低VOCs濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣的高效率、安全的處理工藝。該方法的基本構(gòu)思是：采用吸附分離法對(duì)低濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣中的VOCs進(jìn)行分離濃縮，對(duì)濃縮后的高濃度、小風(fēng)量的污染空氣采用燃燒法進(jìn)行分解凈化，通稱吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法。具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪被安裝在分隔成吸附、再生、冷卻三個(gè)區(qū)的殼體中，在調(diào)速馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下以每小時(shí)3～8轉(zhuǎn)的速度緩慢回轉(zhuǎn)。吸附、再生、冷卻三個(gè)區(qū)分別與處理空氣、冷卻空氣、再生空氣風(fēng)道相連接。而且，為了防止各個(gè)區(qū)之間竄風(fēng)及吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間的空氣泄漏，各個(gè)區(qū)的分隔板與吸附轉(zhuǎn)輪之間、吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間均裝有耐高溫、耐溶劑的氟橡膠密封材料。含有VOCs的污染空氣由鼓風(fēng)機(jī)送到吸附轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)，污染空氣在通過轉(zhuǎn)輪蜂窩狀通道時(shí)，所含VOCs成分被吸附劑所吸附，空氣得到凈化。隨著吸附轉(zhuǎn)輪的回轉(zhuǎn)，接近吸附飽和狀態(tài)的吸附轉(zhuǎn)輪進(jìn)入到再生區(qū)，在與高溫再生空氣接觸的過程中，VOCs被脫附下來進(jìn)入到再生空氣中，吸附轉(zhuǎn)輪得到再生。再生后的吸附轉(zhuǎn)輪經(jīng)過冷卻區(qū)冷卻降溫后，返回到吸附區(qū)，完成吸附/脫附/冷卻的循環(huán)過程。由于該過程再生空氣的風(fēng)量一般僅為處理風(fēng)量的1/10，再生過程出口空氣中VOCs濃度被濃縮為處理空氣中濃度的10倍［4］，因此，該過程又被稱為VOCs濃縮除去過程［5］。

轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程見下圖。

轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程圖

1號(hào)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)含VOCs廢氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪a區(qū)域，a區(qū)域?yàn)槲絽^(qū)，根據(jù)不同的目標(biāo)物可在轉(zhuǎn)輪中填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a區(qū)域隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)來到b區(qū)域進(jìn)行脫附。流經(jīng)傳熱1的高溫氣流將吸附于轉(zhuǎn)輪上的VOCs脫附下來，并經(jīng)過傳熱2達(dá)到起燃溫度，隨后進(jìn)入催化燃燒室進(jìn)行催化氧化反應(yīng)。由于轉(zhuǎn)輪脫附之后又要進(jìn)行吸附，所以在脫附區(qū)域旁邊設(shè)冷卻區(qū)域c，以空氣進(jìn)行冷卻，冷卻之后的溫空氣經(jīng)傳熱1變成脫附用熱空氣。催化燃燒反應(yīng)之后的熱氣流將部分熱量傳遞給傳熱2、傳熱1后排至空氣。為了防止催化燃燒室溫度過高，設(shè)置第三方冷卻線路用于催化燃燒室的緊急降溫。整個(gè)系統(tǒng)由2個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)組成，PC1負(fù)責(zé)監(jiān)控催化燃燒室、傳熱器的溫度（其內(nèi)部設(shè)電輔熱裝置以平衡溫度波動(dòng)），PC2負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)控制，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。PC2屬于PC1的子級(jí)系統(tǒng)，當(dāng)PC1監(jiān)測(cè)到溫度波動(dòng)超過允許范圍時(shí)立刻將信息傳遞給PC2，PC2將收到的信息轉(zhuǎn)成指令傳遞給各風(fēng)機(jī)。

2.2新工藝的特點(diǎn)

（1）吸附區(qū)旁路內(nèi)循環(huán)的建立。當(dāng)廢氣經(jīng)過吸附區(qū)吸附后不達(dá)標(biāo)，進(jìn)入旁路內(nèi)循環(huán)，再次進(jìn)行吸附處理。此旁路內(nèi)循環(huán)的基本思路為消滅現(xiàn)有污染再吸納新的污染。

（2）冷卻風(fēng)旁路建立。在工況十分復(fù)雜的情況下，VOCs濃度有可能陡然升高，此時(shí)將部分冷卻風(fēng)引入到吸附區(qū)以降低脫附風(fēng)量，同時(shí)在傳熱2后補(bǔ)充新風(fēng)，以維系進(jìn)入催化反應(yīng)器的風(fēng)量在預(yù)設(shè)范圍以內(nèi)。此旁路的基本思想是以新風(fēng)對(duì)高濃度VOCs進(jìn)行稀釋，因而從效果上看，此法也會(huì)延長(zhǎng)治理時(shí)間。

（3）與傳統(tǒng)工藝相比，該整個(gè)系統(tǒng)采用引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，便于對(duì)旁路的調(diào)控。去掉給催化燃燒裝置用的降溫鼓風(fēng)機(jī)，此機(jī)治標(biāo)不治本，改為在轉(zhuǎn)輪部分控制VOCs濃度。

（4）催化燃燒室去掉電輔熱系統(tǒng)，改由傳熱2對(duì)空氣加熱到VOCs起燃溫度，并利用反應(yīng)放熱使催化燃燒室溫度穩(wěn)定在500℃～600℃范圍內(nèi)。

（5）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速易調(diào)，則在2的情況下可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，減少單位面積轉(zhuǎn)輪單位時(shí)間內(nèi)吸附VOCs的量，從而保障系統(tǒng)的安全。

3　轉(zhuǎn)輪吸附的影響因素

當(dāng)吸附材料確定后，影響轉(zhuǎn)輪裝置吸附性能的主要因素是轉(zhuǎn)輪運(yùn)行參數(shù)和進(jìn)氣參數(shù)。Yosuke等認(rèn)為，一定范圍內(nèi)進(jìn)氣負(fù)荷的變化可通過轉(zhuǎn)速、濃縮比、再生風(fēng)溫度等轉(zhuǎn)輪運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，以維持預(yù)定的性能；Lin等將蜂窩轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于TFT-LCD產(chǎn)業(yè)廢氣處理，當(dāng)處理高排放濃度時(shí)，將入流速度降至1.5m/s，濃縮比降至8，轉(zhuǎn)速增至6.5r/h，再生風(fēng)溫度升至220℃，系統(tǒng)去除效率可達(dá)90%以上；Hisashi等指出最佳轉(zhuǎn)速由再生風(fēng)熱容量與吸附劑熱容量平衡決定。

3.1濃縮比

轉(zhuǎn)輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為進(jìn)氣流量與再生風(fēng)流量的比值F，低濃縮比雖然可以保證高去除效率，但增加再生風(fēng)量的同時(shí)也增加了脫附能耗，而且濃縮氣體的濃度亦隨著脫附風(fēng)量的增加而降低。當(dāng)濃縮比從14減少至6時(shí)，甲苯的出口濃度僅從4.7mg/m3降低到1.5mg/m3，但濃縮后的甲苯濃度從1345mg/m3降至576mg/m3，如此低的濃度不利于后續(xù)燃燒或冷凝單元處理。因此，在確保系統(tǒng)設(shè)定的去除率前提下，合理選擇濃縮比至關(guān)重要［6］。工程應(yīng)用上，濃縮比應(yīng)兼顧效率與能耗，對(duì)于高濃度廢氣，可選擇低濃縮比以確保去除率；而對(duì)于低濃度廢氣，適當(dāng)選擇高濃縮比有利于系統(tǒng)整體能效比提高。

3.2轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速

吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期中是同步進(jìn)行的，兩者互為影響并共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時(shí)間長(zhǎng)短。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，相應(yīng)的運(yùn)行周期變長(zhǎng)，其脫附區(qū)的再生充分，但是其相對(duì)吸附能力λ隨著轉(zhuǎn)速n的減小而減小，在溫度分布曲線上表現(xiàn)為吸附區(qū)的曲線下降明顯，這是由吸附放熱少引起的，反映了吸附率的降低。而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，溫度曲線表現(xiàn)為只有脫附區(qū)前段少部分能被加熱到再生溫度，因此最佳轉(zhuǎn)速是脫附與吸附的最佳平衡。最佳轉(zhuǎn)速本質(zhì)上是吸附和脫附時(shí)間的控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪去除率最大。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因受多種因素影響，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為配合其他參數(shù)變化可控制在一區(qū)間值。

3.3再生風(fēng)溫度

吸附劑的解析再生存在一個(gè)特征溫度（最低清洗溫度），高于該溫度可以獲得更快的解析速率，同時(shí)消耗更小的脫附風(fēng)量。

3.4進(jìn)氣參數(shù)

3.4.1進(jìn)氣濕度

實(shí)際工程中，有機(jī)廢氣一般都含有水分，部分相對(duì)濕度甚至達(dá)到80%。而水分可能與污染物形成吸附競(jìng)爭(zhēng)，占據(jù)轉(zhuǎn)輪吸附空間而降低污染物去除效率，因此抗?jié)裥允呛饬课叫阅艿闹匾笜?biāo)之一。

3.4.2進(jìn)氣流速

在一定條件下，最佳轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣流速成正比，當(dāng)進(jìn)氣流速提高時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)提高，如果轉(zhuǎn)速未根據(jù)流速進(jìn)行相應(yīng)提高，運(yùn)行值低于最佳轉(zhuǎn)速其相對(duì)吸附能力λ隨著轉(zhuǎn)速n的減小而減小，在溫度分布曲線上表現(xiàn)為吸附區(qū)的曲線下降明顯，反映了吸附率的降低。因此對(duì)于高濃度有機(jī)廢氣，控制低進(jìn)氣流速十分必要，或可相應(yīng)地提高轉(zhuǎn)速。

4　輪吸附濃縮+催化燃燒的關(guān)鍵點(diǎn)

吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法的核心技術(shù)是高效吸附分離濃縮過程以及所采用的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪。

4.1沸石型號(hào)的選擇及性能研究

疏水性沸石轉(zhuǎn)輪的研制，需要把加工成波紋形和平板形陶瓷纖維紙用無機(jī)黏合劑黏接在一起后卷成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，并將疏水性分子篩涂敷在蜂窩狀通道的表面制成吸附轉(zhuǎn)輪，應(yīng)用于工業(yè)廢氣中VOCs的凈化處理過程。

4.2轉(zhuǎn)輪工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

濃縮比：轉(zhuǎn)輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為進(jìn)氣流量與再生風(fēng)流量的比值F。

轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速：吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期中是同步進(jìn)行的，兩者互相影響并共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時(shí)間長(zhǎng)短。

再生風(fēng)溫度：吸附劑的解析再生存在一個(gè)特征溫度（最低清洗溫度），高于該溫度可以獲得更快的解析速率同時(shí)消耗更小的脫附風(fēng)量。

密封性不佳會(huì)使轉(zhuǎn)輪在應(yīng)用中存在竄風(fēng)問題，因而結(jié)構(gòu)的密封是一個(gè)非常重要的控制點(diǎn)。

催化劑的選擇。性能良好的催化劑應(yīng)滿足下列基本要求：1）具有優(yōu)良的低溫活性，并適應(yīng)較高空速，并直接關(guān)系到裝置的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；2）熱穩(wěn)定性好，在廢氣濃度過高而產(chǎn)生大量反應(yīng)熱的情況下，催化劑的溫度會(huì)急劇上升，此時(shí)催化劑應(yīng)不發(fā)生顯著的物理化學(xué)變化；3）具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和較小的阻力。

5　展望

隨著新型吸附劑的開發(fā)及我國(guó)轉(zhuǎn)輪制作技術(shù)、密封技術(shù)的提高，轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)將會(huì)在更大范圍、更多的行業(yè)得到應(yīng)用。轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的模型研究也將更加深入，治理效果將更加有效。

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A Sort of New Technology for Zeolite Rotating Wheel Adsorption Concentration+ Catalytic Combustion

GAO Bo， ZENG Yi-fu， YE Ming-qiang， LIU Sheng-qiang

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1006-5377（2016）08-0039-04