沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒工藝治理涂裝工業(yè)VOCs廢氣研究

馬紅妍

（濰坊市高新生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 261061）

1 涂裝工業(yè)VOCs廢氣概述

（1）當(dāng)前，我國的環(huán)境污染防治工作正處于新的歷史階段，主要是指在“十四五”期間，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善是由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時期。同時，隨著近年來我國大氣污染防治工作的不斷深入，對工業(yè)企業(yè)VOCs廢氣（有機廢氣）的治理更為精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化，其治理效果不斷提升，排放標(biāo)準(zhǔn)也更加嚴(yán)格。其中，涂裝工業(yè)是我國工業(yè)源VOCs廢氣的重點來源行業(yè)，且由于涂裝工業(yè)VOCs廢氣的排放量大，已成為各地提升環(huán)境空氣質(zhì)量的重點監(jiān)管行業(yè)。

（2）在涂裝工業(yè)的生產(chǎn)過程中，主要是通過在加工對象表面覆蓋涂料來對其進(jìn)行保護(hù)和裝飾。而常用的涂料有溶劑型涂料、非溶劑型涂料、無溶劑涂料和輻射固化涂料等。涂裝工業(yè)VOCs廢氣的主要來源于調(diào)漆、噴漆、流平、固化等多個工序，其廢氣成分會因涂料成分而異，其中使用溶劑型涂料的工藝還會產(chǎn)生苯、甲苯、二甲苯等有害氣體成分，這對環(huán)境質(zhì)量和人們身體健康影響較大。

（3）VOCs治理方式有回收和銷毀兩種處置思路。通常，在處置過程中會通過吸附、吸收、冷凝、膜技術(shù)等方法對仍有利用價值的有機物進(jìn)行回收；或通過催化燃燒、熱力燃燒、生物處理、等離子、光催化、光氧化等銷毀技術(shù)是將有機物質(zhì)進(jìn)行徹底分解。而在實際應(yīng)用中，經(jīng)常采用兩種或兩種以上的技術(shù)相結(jié)合的方式。

（4）通過沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒工藝處理VOCs廢氣，主要是先利用沸石分子的吸附能力，將大風(fēng)量、中低濃度的VOCs廢氣經(jīng)吸附、脫附再生工序后，濃縮成小風(fēng)量、高濃度的廢氣，再進(jìn)行蓄熱燃燒處理，從而實現(xiàn)有機廢氣的有效治理。通常，在實際應(yīng)用該工藝時，吸附、再生會同時進(jìn)行，因此，該工藝是一種不會產(chǎn)生二次污染，且連續(xù)高效、運行可靠的VOCs廢氣治理措施。

2 工藝原理介紹

（1）沸石是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，具備晶穴多孔結(jié)構(gòu)，且比表面積大，因此有較好的吸附特性。同時，其耐酸堿性能也較好，常被用作吸附劑和離子交換劑、催化劑等[1]。而沸石轉(zhuǎn)輪濃縮工藝是利用沸石分子具有晶體、多孔結(jié)構(gòu)的特性[2]，以基材為依托，沸石為吸附劑載體，來制成大型圓盤式吸附輪用于有機廢氣吸附。沸石轉(zhuǎn)輪分為吸附區(qū)、再生區(qū)和冷卻區(qū)，當(dāng)VOCs廢氣經(jīng)過吸附區(qū)時有機廢氣分子會被吸附在轉(zhuǎn)輪上，而在沸石轉(zhuǎn)輪吸附飽和后再采用經(jīng)過溫度補償后的高溫廢氣進(jìn)行反向吹掃，使有機氣體分子從沸石中脫附，沸石轉(zhuǎn)輪得以再生。而經(jīng)過再生后的轉(zhuǎn)輪溫度會較高、吸附效率較低，因此，會設(shè)置冷卻區(qū)作為再生區(qū)和吸附區(qū)的過渡。在實際應(yīng)用過程中，沸石轉(zhuǎn)輪濃縮工藝是將大風(fēng)量、中低濃度的有機廢氣轉(zhuǎn)換為小風(fēng)量、高濃度的有機廢氣[3]，相比于活性炭等其他吸附方式，沸石轉(zhuǎn)輪體積較小，但吸附量大，使用壽命長，而且可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

（2）高濃度的沸石轉(zhuǎn)輪脫附廢氣會被送往RTO蓄熱焚燒裝置進(jìn)行焚燒。在蓄熱式焚燒爐內(nèi)，有機廢氣會在700～800 ℃的高溫下被分解為CO2和H2O等小分子物質(zhì)，從而使有機廢氣得以徹底凈化。而凈化后的高溫氣體會將熱量傳遞給蓄熱體，該部分能量可用于加熱后續(xù)進(jìn)入的濃縮脫附廢氣，從而有效節(jié)省了脫附廢氣升溫過程的能源消耗。通常情況下，蓄熱體被設(shè)計成兩個或兩個以上的蓄熱單元，但每個蓄熱單元獨立工作，而在切換閥的作用下，每個蓄熱單元在蓄熱（出氣）-放熱（進(jìn)氣）-清掃狀態(tài)中往復(fù)循環(huán)、連續(xù)運轉(zhuǎn)。

（3）應(yīng)用沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒工藝治理涂裝工業(yè)VOCs有機廢氣，其優(yōu)勢在于：沸石轉(zhuǎn)輪吸附效率高、系統(tǒng)連續(xù)運行穩(wěn)定；通過系統(tǒng)化的設(shè)計可實現(xiàn)自動化操作；沸石轉(zhuǎn)輪吸附過程壓降低、氣體熱量被蓄熱體有效利用、電耗和能耗低；對有機廢氣分解徹底、無二次污染等。

3 實際應(yīng)用案例

以某中型汽車零部件涂裝線VOCs廢氣治理為例，介紹沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒裝置的實際應(yīng)用情況。

3.1 主要工藝流程

該涂裝線采用文丘里式噴漆室作業(yè)，其工藝流程為，涂裝廢氣經(jīng)文丘里式噴漆室洗滌后進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行濃縮，沸石轉(zhuǎn)輪再生脫附廢氣進(jìn)入RTO焚燒裝置進(jìn)行焚燒銷毀。整個治理系統(tǒng)由風(fēng)機、沸石轉(zhuǎn)輪、加熱補償器、RTO焚燒裝置等組成。如圖1所示。

圖1 某中型涂裝線主要工藝圖

沸石轉(zhuǎn)輪輪面上分為彼此獨立的吸附區(qū)、再生區(qū)和冷卻區(qū)[4]。其中，吸附區(qū)面積是根據(jù)需要處理的廢氣量、濃縮比等參數(shù)設(shè)定，而再生區(qū)和冷卻區(qū)面積相同。當(dāng)系統(tǒng)開始運行，當(dāng)VOCs廢氣經(jīng)過沸石轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)時有機分子被沸石吸附，廢氣得以有效凈化，凈化后的廢氣可通過排氣筒直接達(dá)標(biāo)排放；而經(jīng)過冷卻區(qū)的少量廢氣會吸收轉(zhuǎn)輪輪面熱量，且在預(yù)熱后進(jìn)入加熱補償器；在加熱補償器中溫度會提升至150～200 ℃后，反向進(jìn)入再生區(qū)用于有機分子的脫附；該部分脫附廢氣經(jīng)過再生區(qū)后有機分子濃度較高，然后被送至RTO焚燒裝置進(jìn)行焚燒分解后，匯同直排廢氣排放至大氣中。

在再生區(qū)和吸附區(qū)之間會設(shè)置一個冷卻區(qū)，目的是降低剛剛經(jīng)過再生區(qū)的轉(zhuǎn)輪的溫度，以便高效吸附有機廢氣。同時，冷卻區(qū)的熱量會用于脫附氣體的預(yù)熱，這樣可有效節(jié)省加熱補償器的能源消耗。整個系統(tǒng)的運行參數(shù)詳見表1。由表1可以看出，該涂裝線VOCs廢氣的濃度并不高，且廢氣經(jīng)過治理后可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，但廢氣處理效率并不高。

表1 整個系統(tǒng)的運行參數(shù)

3.2 系統(tǒng)運行影響因素分析

結(jié)合實際，分析該案例中系統(tǒng)運行效率低可能存在的原因。

3.2.1 廢氣特征

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒工藝適合應(yīng)用于大氣量、中低濃度有機廢氣的治理，所以，適用的廢氣濃度通常要求VOCs濃度大于250 mg/m3，且為連續(xù)作業(yè)的涂裝線[5]。但該案例中VOCs廢氣進(jìn)口平均濃度較低、日工作時間16 h非連續(xù)作業(yè)，導(dǎo)致廢氣治理效率低。

3.2.2 濃縮比

（1）濃縮比是沸石轉(zhuǎn)輪運行參數(shù)的一個重要參數(shù)，即N=Q/R。

式中：N為濃縮比；

Q為進(jìn)氣風(fēng)量，單位為m3/h；

R為脫附風(fēng)量，單位為m3/h。

（2）當(dāng)進(jìn)氣風(fēng)量（廢氣量）一定時，選擇低濃縮比，即增加脫附風(fēng)量可提升沸石吸附效率，但脫附風(fēng)量增加導(dǎo)致系統(tǒng)運行能耗增加，且大風(fēng)量、較低濃度的脫附廢氣不利于后續(xù)焚燒處理；高的濃縮比則有利于減少蓄熱焚燒裝置天然氣的消耗量。在實際應(yīng)用過程中，確定濃縮比需兼顧處理效率與運行能耗。因此，該案例中可考慮在系統(tǒng)整體運行效能可接受的前提下，通過調(diào)整濃縮比提升廢氣的處理效率。

3.2.3 轉(zhuǎn)速

在沸石轉(zhuǎn)輪工作時，吸附與再生同時進(jìn)行，而轉(zhuǎn)速的大小會決定吸附和再生時間的長短，從而影響吸附效率。因此，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速一般控制在1～6 R/h，但以3～4.5 R/h為最優(yōu)。這主要是因為，若轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速過高，轉(zhuǎn)輪再生不完全，會影響后續(xù)的吸附效率；但轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速過低，轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)過飽和，吸附效率就會降低。所以，調(diào)整轉(zhuǎn)輪的處理效率，需根據(jù)廢氣的具體狀況進(jìn)行調(diào)整。

3.2.4 風(fēng)機的設(shè)置

轉(zhuǎn)輪壓力狀態(tài)的設(shè)計會影響處理效率。若吸附風(fēng)機設(shè)置在轉(zhuǎn)輪之前，則廢氣對沸石轉(zhuǎn)輪形成正壓力，對轉(zhuǎn)輪的密封要求更高，此時吸附區(qū)密封不嚴(yán)會導(dǎo)致吸附效率下降；而再生區(qū)和冷卻區(qū)密封不嚴(yán)會導(dǎo)致脫附風(fēng)量增加、降低脫附效果，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致加熱補償器內(nèi)形成正壓，使其無法正常工作。因此，在實際應(yīng)用過程中，要盡可能地將轉(zhuǎn)輪設(shè)置為負(fù)壓狀態(tài)，即將風(fēng)機設(shè)置在轉(zhuǎn)輪之后，這樣才能取得更好的運行效果。

3.2.5 廢氣的濕度與溫度

（1）若沸石轉(zhuǎn)輪長期處于高濕度廢氣環(huán)境下，其吸附效率就會降低，同時轉(zhuǎn)輪壽命會縮短；而在廢氣進(jìn)入處理系統(tǒng)前設(shè)置過濾器，去除廢氣中的水分，可提升處理效率。所以，進(jìn)氣溫度一般會控制在低于40 ℃、相對濕度小于80%[6]。

（2）脫附溫度會影響脫附效率及后續(xù)的吸附效率，較高的脫附溫度可提升脫附效率，但卻使得冷卻區(qū)無法有效降溫，從而導(dǎo)致吸附區(qū)溫度較高、吸附效率下降。

3.2.6 堵塞與壽命

理論上，沸石轉(zhuǎn)輪運行損耗很低、可以終生使用，但若廢氣中的顆粒物等雜質(zhì)濃度過高則會導(dǎo)致沸石孔隙的堵塞，從而影響吸附效率，甚至?xí)?dǎo)致沸石轉(zhuǎn)輪失效。而涂裝工序廢氣中的漆霧顆粒物直徑小、黏度大，易黏附在沸石表面，所以，需要設(shè)置過濾等預(yù)處理工序，以降低廢氣中顆粒物的濃度，然后再進(jìn)行VOCs廢氣的處理。

3.3 系統(tǒng)運行的限制條件

3.3.1 綜合措施

廢氣治理僅為污染防治的末端治理手段，而涂裝廢氣的防治還應(yīng)做好源頭控制和過程控制。

（1）源頭控制：主要是指要使用非溶劑型、無溶劑型、輻射固化型及粉末涂料等低VOCs含量涂料；要有效提高廢氣的收集效率及收集范圍（如危廢間等）；同時，還要對漆霧進(jìn)行回收利用等。

（2）過程控制：通過選擇自動噴涂機器人以及高效噴涂方式，來提高涂料的利用效率，如使用空氣噴槍進(jìn)行噴涂時，涂料的利用效率僅為25%，但使用靜電旋轉(zhuǎn)離心噴槍進(jìn)行噴涂時，涂料的利用效率可高達(dá)65%～94%[7]；還可采用循環(huán)風(fēng)等技術(shù)，減少廢氣的產(chǎn)生量。

3.3.2 運行技術(shù)和成本

相比于瑞典和日本等沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)發(fā)展比較完善的國家，目前我國國產(chǎn)沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)還不夠成熟，高效沸石轉(zhuǎn)輪仍需依靠進(jìn)口。另外，沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒工藝設(shè)備投資及運行費用較高，這使該工藝的推廣應(yīng)用受到了一定限制。

4 結(jié)語

（1）沸石轉(zhuǎn)輪+RTO蓄熱焚燒系統(tǒng)運行穩(wěn)定、凈化效率高、使用壽命長，在涂裝工業(yè)VOCs廢氣治理過程中應(yīng)用廣泛。但在運行過程中應(yīng)根據(jù)廢氣的特征來選擇相應(yīng)的治理工藝，如選擇適宜的濃縮比、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機位置，同時控制好廢氣的溫濕度以及潔凈程度等，以提升廢氣的處理效率。

（2）涂裝工業(yè)是制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。因此，涂裝企業(yè)應(yīng)在美麗中國建設(shè)過程中主動承擔(dān)起廢氣治理的主體責(zé)任，并積極響應(yīng)國家號召落實各項環(huán)保政策，從源頭控制、過程控制、末端治理等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行多措并舉，以此最大限度地降低廢氣污染物的排放量，這樣既可以為保護(hù)環(huán)境貢獻(xiàn)一份力量，又可以為涂裝企業(yè)的綠色、高質(zhì)量的長遠(yuǎn)發(fā)展保駕護(hù)航。