轉(zhuǎn)輪吸附VOCs技術(shù)的探討

李守信，陳青松，張文智，蘇航，范偉

（1.華北電力大學(xué)環(huán)境學(xué)院，河北 保定 071003；2.天津大拇指環(huán)境工程有限公司，天津 301700；3.廣東雪迪龍環(huán)境科技有限公司，廣州 510075；4.湖南家美環(huán)保科技有限公司，長沙 410000）

引言

VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）來源廣泛，對(duì)人體和環(huán)境的危害大。隨著我國新環(huán)保法規(guī)的頒布，對(duì)VOCs的排放限制要求也日趨嚴(yán)格，治理VOCs污染正在全面展開，VOCs污染治理技術(shù)也在不斷提升，其中“轉(zhuǎn)輪濃縮-催化燃燒”工藝以技術(shù)優(yōu)勢得到了業(yè)主的青睞。國內(nèi)目前采用的轉(zhuǎn)輪技術(shù)和設(shè)備絕大部分是從日本進(jìn)口或采用日本技術(shù)生產(chǎn)的，在國內(nèi)運(yùn)行情況良好，主要是處理VOCs的能力較強(qiáng)，在處理復(fù)雜成分的VOCs中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能[1]，已成為治理VOCs污染的主力設(shè)備之一。

1 轉(zhuǎn)輪技術(shù)存在的問題

與普通的固定床吸附器相比，沸石轉(zhuǎn)輪（簡稱轉(zhuǎn)輪）的最大優(yōu)勢是占地面積較小，尤其是筒式轉(zhuǎn)輪，由于其將廢氣的預(yù)處理、吸脫附、催化燃燒幾道工序組合在一起，成為一套廢氣處理的集成裝置，因而更具優(yōu)越性。但轉(zhuǎn)輪并不是在任何情況下都可以采用。在采用轉(zhuǎn)輪處理VOCs時(shí)，一定要從技術(shù)原理上對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行分析，這樣才能正確選擇和使用轉(zhuǎn)輪。

從吸附的原理上看，轉(zhuǎn)輪仍然是遵從經(jīng)典的吸附理論。因此，轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行程序仍然是吸附-脫附（再生）-冷卻-再吸附……[2]。

但轉(zhuǎn)輪并不是對(duì)所有的氣體都能處理。對(duì)一些不易處理的廢氣，如易聚合的烯烴炔烴組分（脫附時(shí)容易聚合堵塞）、苯乙烯、涂裝行業(yè)UV漆的聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯等，照樣無能為力[3]。為此，轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)要求用戶提供廢氣的成分和濃度，轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家只有拿到這些數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)日本東洋紡，設(shè)計(jì)處理裝置的基礎(chǔ)就是根據(jù)廢氣中各成分的分子動(dòng)力學(xué)直徑，來選擇沸石分子篩的，然后再把適合廢氣成分的分子篩按比例搭配，制成轉(zhuǎn)輪的吸附層，這樣，轉(zhuǎn)輪就能準(zhǔn)確地進(jìn)行廢氣處理，達(dá)到用戶的要求。但廠家的供貨周期都較長，這實(shí)際上也是一個(gè)制造加工精細(xì)化的問題。

“轉(zhuǎn)輪對(duì)廢氣能濃縮20～40倍”，但只是個(gè)概念問題。如果廢氣濃度本來就很低，不要說濃縮到40倍，就是50倍60倍都是有可能的。如果廢氣濃度高，比如1000mg/m3，那恐怕連10倍的濃縮比也達(dá)不到。實(shí)際上，轉(zhuǎn)輪對(duì)廢氣的濃縮能力與自身的吸附容量有關(guān)?！安捎棉D(zhuǎn)輪技術(shù)較易達(dá)標(biāo)排放，而采用普通的吸附裝置，就很難做到達(dá)標(biāo)”。其實(shí)是因?yàn)橥耆珱]從吸附原理上去分析。任何一種吸附裝置都有吸附周期的問題，也就是說，任何一個(gè)吸附裝置都有破點(diǎn)的問題[3]，如果吸附操作中在即將達(dá)到破點(diǎn)時(shí)才切換，當(dāng)運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，就很容易超標(biāo)；但是如果在距離破點(diǎn)還有較長的時(shí)間就提前切換，就不會(huì)超標(biāo)。所以，一般轉(zhuǎn)輪設(shè)定的吸附時(shí)間都會(huì)比達(dá)到破點(diǎn)的時(shí)間要短得多，因而很容易做到達(dá)標(biāo)排放。

“轉(zhuǎn)輪可以采用高風(fēng)速，處理能力大”，此說法也是概念問題。因?yàn)槲降乃俣葮O高[3]，可以接近化學(xué)反應(yīng)的速度（約10-8s），所以，只要吸附質(zhì)與吸附劑一接觸，瞬間就會(huì)被吸附。因此，當(dāng)廢氣濃度非常低時(shí)，廢氣在吸附層中停留很短的時(shí)間，就會(huì)完成吸附。因此，有觀點(diǎn)認(rèn)為[5]：廢氣通過床層的風(fēng)速是由它的停留時(shí)間決定的，對(duì)濃度較稀的廢氣，可以采用較大的風(fēng)速[6]。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪風(fēng)速時(shí)，肯定要根據(jù)氣體的濃度進(jìn)行選擇。由于采用轉(zhuǎn)輪處理的廢氣濃度一般都較低，所以可以采用較大的風(fēng)速。但轉(zhuǎn)輪的風(fēng)速不是隨意提升的，也必須考慮阻力問題。因此，轉(zhuǎn)輪的吸附層厚度最大也不會(huì)超過500mm。

此外轉(zhuǎn)輪還存在以下不足：

（1）從結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)輪屬移動(dòng)床在運(yùn)行時(shí)會(huì)將處理系統(tǒng)內(nèi)所有部分都旋轉(zhuǎn)起來，這就導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)的能耗會(huì)增加；把用于氣流切換的閥門變成了與吸附單元硬摩擦的密封件，并將這些密封件固定在不同的位置，用于和旋轉(zhuǎn)的每個(gè)吸附單元進(jìn)行接觸，以實(shí)現(xiàn)氣體的切換。這無疑會(huì)增加設(shè)備制造的難度。尤其是密封件，國內(nèi)很少生產(chǎn)，基本依賴進(jìn)口。

（2）不少轉(zhuǎn)輪的脫附都是采用高溫（180℃～200℃）脫附，這不僅造成了能源浪費(fèi)，也不利于資源回收。即使為了與后續(xù)的催化燃燒相銜接，也沒必要采用高溫去脫附?？梢圆捎玫蜏孛摳胶髮?duì)脫附氣再加熱，這樣就能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。因?yàn)榇藭r(shí)省去了對(duì)整個(gè)吸附系統(tǒng)加熱的能量，同時(shí)采用較低的溫度脫附，也省去了對(duì)床層進(jìn)行冷卻的能量（對(duì)于含氯的揮發(fā)性有機(jī)物，在采用轉(zhuǎn)輪濃縮進(jìn)行處理后，不可再進(jìn)行催化燃燒，因?yàn)槟菢訉?huì)產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的光氣或二英）。

（3）有人認(rèn)為，由于沸石轉(zhuǎn)輪的脫附比熱相對(duì)較低的空氣或工業(yè)氮?dú)庾鳛槊摳浇橘|(zhì)，必須依靠脫附才能確保較高的再生效率。但這種觀點(diǎn)是基于“溫度越高脫附效果越好”的錯(cuò)誤脫附規(guī)律的認(rèn)識(shí)。實(shí)際生產(chǎn)中，脫附效率與脫附溫度并不存在一定的正相關(guān)，即不同的吸附質(zhì)均存在對(duì)應(yīng)的理想脫附溫度[7]，而這一溫度點(diǎn)與吸附質(zhì)的沸點(diǎn)并不存在直接關(guān)聯(lián)。

2 分析及總結(jié)

轉(zhuǎn)輪不論從結(jié)構(gòu)還是運(yùn)行方面，都存在可以改進(jìn)的地方，但最應(yīng)該改進(jìn)的地方是吸附劑。眾所周知，分子篩的吸附容量要比活性炭差得多[3]，如果將分子篩改成活性炭吸附劑，在同等條件下，其濃縮比會(huì)成倍地提高。轉(zhuǎn)輪之所以采用沸石分子篩作吸附劑，主要是利用其不同型號(hào)的分子篩可以吸附不同物質(zhì)的特性，此外，還利用了其在高溫下仍然具有較好的吸附能力。

如果在炭基吸附劑上進(jìn)行選擇或改性處理，使活性炭具有與分子篩相近的性能特點(diǎn)，如：消除活性炭上的活性點(diǎn)以避免其低溫催化帶來的運(yùn)行安全隱患；改變活性炭的孔徑大小及分布等，以增強(qiáng)其對(duì)不同VOCs分子的吸附性能。實(shí)際上，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了這種活性炭，如用于油氣回收的中孔活性炭、韓國的專用活性炭等。如果結(jié)合吸附質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)直徑，按照孔徑大小進(jìn)行分類，分別制成模塊，用這些模塊設(shè)計(jì)成固定床，則會(huì)收到比轉(zhuǎn)輪還要好的效果。

綜上所述，沸石轉(zhuǎn)輪之所以能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)活性吸炭固定床的濃縮工藝產(chǎn)生沖擊，除了商業(yè)上的考量之外，根本原因是由于轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行特點(diǎn)和吸附劑類型更適合粗放的脫附條件和控制模式。如能夠?qū)OCs脫附規(guī)律、活性炭改性和復(fù)配技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，開發(fā)出一種集成裝置，再在智能化方面做些研發(fā)，可以相信，活性炭固定床毫無疑問是治理VOCs污染更理想的選擇。