催化燃燒法在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用

何曦，吳衛(wèi)，汪壯，何淼，彭芬，劉彰，許第發(fā)

（1.航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆L(zhǎng)沙 410100；2.長(zhǎng)沙環(huán)保（服務(wù)）工業(yè)技術(shù)研究院，長(zhǎng)沙 410100；3.湖南省工業(yè)廠房空氣治理工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410100；4.長(zhǎng)沙學(xué)院，長(zhǎng)沙 410022）

引言

隨著我國(guó)《環(huán)境保護(hù)法》《大氣污染防治法》等法律法規(guī)的陸續(xù)實(shí)施，對(duì)企業(yè)產(chǎn)生的廢氣處理要求越來(lái)越高，部分地區(qū)對(duì)噴涂廢氣的治理要求也越來(lái)越嚴(yán)格。

噴涂廢氣的處理主要是廢氣的收集和廢氣的治理。廢氣的收集方法主要通過(guò)在作業(yè)車(chē)間合理布置集氣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴涂廢氣的有效收集，達(dá)到降低后續(xù)治理設(shè)備投資及運(yùn)行成本的目的。廢氣治理技術(shù)則有多種選擇，常見(jiàn)的方法有：活性炭吸附[1]、光催化[2]、生物法[3]、低溫等離子[4]、催化燃燒[5]、蓄熱式熱力氧化[6]以及組合工藝[7、8]等。在處理噴涂廢氣之前首先要進(jìn)行預(yù)處理，即去除廢氣中的漆霧。漆霧凈化有濕法[9、10]、干法[11、12]之分，前者通過(guò)液體（水或改性劑）對(duì)漆霧進(jìn)行捕捉分離，后者通過(guò)過(guò)濾材料對(duì)漆霧進(jìn)行攔截分離。不論干法、濕法，都需要與后續(xù)工藝相匹配，否則漆霧引入會(huì)導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)癱瘓。

1 項(xiàng)目概況

某裝備制造企業(yè)主要生產(chǎn)大型機(jī)械設(shè)備，其噴涂車(chē)間有完善的廢氣收集系統(tǒng)和漆霧干式過(guò)濾系統(tǒng)。采用的工藝為玻璃纖維棉過(guò)濾漆霧和活性炭吸附，過(guò)濾后的廢氣（VOCs）經(jīng)活性炭吸附之后排放。由于地方環(huán)保督察力度加大，該企業(yè)提出了提標(biāo)改造的需求。但由于建廠之初活性炭吸附系統(tǒng)已將可用區(qū)域幾乎完全占據(jù)，企業(yè)不愿意拆除現(xiàn)有的活性炭吸附裝置，又無(wú)法借用其他場(chǎng)地加設(shè)新的裝備，經(jīng)商議最終決定采用活性炭離線脫附+催化燃燒的方式進(jìn)行處理。

2 催化燃燒裝備設(shè)計(jì)

催化燃燒有兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)：去除效率、運(yùn)行功耗。其中去除效率與有機(jī)物的濃度、反應(yīng)溫度、催化劑性能密切相關(guān)，而運(yùn)行功耗則受處理風(fēng)量、有機(jī)物濃度、換熱效率的限制。通過(guò)增大換熱面積可增大余熱的利用效率，更容易實(shí)現(xiàn)自熱平衡，降低系統(tǒng)功耗。但受條件限制，該項(xiàng)目以優(yōu)先保證去除率為關(guān)鍵。

催化燃燒工藝路線如圖1所示。廢氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下流經(jīng)三通閥、阻火閥、換熱器、電加熱器進(jìn)入催化燃燒室，燃燒尾氣經(jīng)換熱器排空。若遇到明火回流的情況，阻火閥立即關(guān)閉，帶壓力傳感器的三通閥立刻切向旁通直排。

圖1 催化燃燒工藝路線

催化燃燒裝備如圖2、圖3所示。廢氣通過(guò)進(jìn)氣口經(jīng)板式換熱器由下向上流動(dòng)，并一分為二進(jìn)入電加熱腔，電加熱腔分布在燃燒室的兩側(cè)，電加熱腔內(nèi)有數(shù)根均勻分布的電加熱棒。廢氣經(jīng)電加熱棒加熱至一定溫度后在燃燒室上端匯集，并從上至下流經(jīng)催化劑孔道發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，反應(yīng)之后的氣體從燃燒室下端排出，經(jīng)板式換熱器將余熱傳遞給新進(jìn)廢氣后通過(guò)排氣口排出。

圖2 催化燃燒裝備結(jié)構(gòu)

圖3 催化燃燒裝備實(shí)物

該催化燃燒裝備的處理風(fēng)量700m3/h，風(fēng)機(jī)選用最大風(fēng)量1000m3/h，風(fēng)壓2500Pa的離心風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻器調(diào)整風(fēng)量，催化劑填裝量0.028 8m3。

3 催化劑開(kāi)發(fā)

該項(xiàng)目組采購(gòu)了商業(yè)雙貴金屬（Pt、Pd）蜂窩催化劑，并通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)了單貴金屬（Pt）蜂窩催化劑。自研催化劑以蜂窩陶瓷為載體，在載體上涂覆γ-氧化鋁、稀土氧化物作為第二載體。其他工藝與現(xiàn)有的浸漬涂覆法工藝相同。兩類催化劑對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 商業(yè)與自研催化劑對(duì)比

4 催化燃燒性能評(píng)價(jià)

催化燃燒性能評(píng)價(jià)采用手持式PID濃度檢測(cè)儀（RAE PGM-7300），由于出入口溫度不一致，而PID檢測(cè)單位為ppm，計(jì)算凈化效率時(shí)需要換算成mg/m3：

式中：

噴涂作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的VOCs由多種成分組成，為了便于計(jì)算將M取值80，Ba取值101 325，式①簡(jiǎn)化成：

分別在50、100、260、400ppm濃度下進(jìn)行商業(yè)催化劑性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。分別在51、110、260、400ppm濃度下進(jìn)行自研催化劑性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表2、表3的兩組數(shù)據(jù)可看出：在濃度不變時(shí)，反應(yīng)溫度越高凈化效率越高；溫度不變時(shí)，濃度越高凈化效率越低。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自研催化劑在溫度超過(guò)200℃時(shí)對(duì)VOCs的凈化效率均超過(guò)了90%，商業(yè)催化劑T90若凈化效率達(dá)到90%則溫度在250℃左右，說(shuō)明了自研催化劑較商業(yè)催化劑具有更好的低溫活性。

表2 商業(yè)催化劑性能

表3 自研催化劑性能

圖4 測(cè)試之后的催化劑

圖4展示了測(cè)試后的催化劑外觀，商業(yè)催化劑有幾個(gè)樣品出現(xiàn)了破損現(xiàn)象，而自研催化劑則完好無(wú)損，說(shuō)明自研催化劑具有更長(zhǎng)久的使用壽命。另外，商業(yè)催化劑、自研催化劑部分樣品均出現(xiàn)了發(fā)黑現(xiàn)象，這與“通過(guò)氣流給催化劑加熱”的方式相關(guān)，流場(chǎng)的紊亂導(dǎo)致了部分區(qū)域溫升不夠而積碳，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)造成孔道堵塞。

值得注意的是，出口氣體溫度較高，高溫氣體部分與新風(fēng)混合后引入吸附飽和的活性炭進(jìn)行脫附再生，剩余部分可引入烘干室用于裝備的干燥。減小換熱面積不僅大幅度降低了催化燃燒設(shè)備體積，同時(shí)也減少了活性炭電熱脫附設(shè)備的使用，尾氣余熱得到了最大程度的利用。

5 結(jié)論

基于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的催化燃燒裝置及催化劑對(duì)噴涂廢氣有顯著的凈化效果，特別是在VOCs濃度不超過(guò)400ppm時(shí)，出口濃度可穩(wěn)定控制在2.1ppm（4.56mg/m3，套用公式②換算）以內(nèi)，遠(yuǎn)低于《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）中非甲烷總烴的限值（120mg/m3）。雖然排放廢氣溫度較高，但部分可用于活性炭脫附，剩余部分可用于裝備漆面的干燥，實(shí)現(xiàn)了余熱的有效利用，滿足了特定條件下的廢氣治理要求。該催化燃燒裝備在后續(xù)推廣應(yīng)用時(shí)，可優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加換熱面積降低排氣溫度，為低濃度下的催化燃燒自熱平衡創(chuàng)造條件。