旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：旋轉(zhuǎn)蓄熱催化氧化技術(shù)結(jié)合了蓄熱工藝、催化氧化工藝，在工業(yè)有機(jī)廢氣治理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不僅耗能低，并且能夠有效提高氣流穩(wěn)定性，提高空間利用率。研究以電子涂裝廢氣處理工程為例，結(jié)合某電器制造企業(yè)的污染排放情況，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化技術(shù)，結(jié)果顯示該技術(shù)的應(yīng)用催化效果較為理想，平均催化效率高達(dá)97.7%，系統(tǒng)總處理效率在90%以上。

關(guān)鍵詞：電子涂裝；廢氣處理；旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化技術(shù)

引言

自2013年霧霾頻發(fā)以來，大氣污染越來越受重視，臭氧已超過PM2.5成為困擾全國的環(huán)境保護(hù)新課題，因此加強(qiáng)對臭氧生成前體物VOCs的治理成為治理臭氧的關(guān)鍵。由于電子涂裝生產(chǎn)會產(chǎn)生大量有機(jī)廢氣，廢氣中包括VOCs在內(nèi)的有機(jī)物種類較多，成分復(fù)雜，并且還帶有漆霧顆粒，治理難度較大。本研究結(jié)合某電器制造企業(yè)（X企業(yè)）實(shí)際情況，對旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，并對該技術(shù)的應(yīng)用治理包含VOCs成分在內(nèi)的廢氣治理效果進(jìn)行分析，為工業(yè)領(lǐng)域廢氣治理提供借鑒。

1工程概況

1.1企業(yè)生產(chǎn)情況

X企業(yè)主要以電器制造為主要生產(chǎn)業(yè)務(wù)，從事電子、五金、電器裝配件的生產(chǎn)制造，是當(dāng)?shù)匾?guī)模較大的電器零部件生產(chǎn)企業(yè)。X企業(yè)涂裝設(shè)備主要分為手工涂裝、機(jī)械涂裝2種，企業(yè)常用物料中VOCs成分如表1所示。涂裝工藝是造成廢氣污染的主要環(huán)節(jié)，X企業(yè)涂裝生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

X企業(yè)涂裝作業(yè)過程中，首先需要對塑膠成型產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，在確保質(zhì)量合格的情況下根據(jù)功能不同進(jìn)行產(chǎn)品分類，不同類型產(chǎn)品所采用的噴涂方式也所有差異。產(chǎn)品預(yù)處理完成后，通過履帶機(jī)將待涂裝產(chǎn)品與涂料傳送到封閉空間進(jìn)行涂裝處理，在此過程中會產(chǎn)生大量的VOCs廢氣。零部件噴涂完成后，會進(jìn)行烘干處理，噴漆中的有機(jī)物進(jìn)一步揮發(fā)，由此產(chǎn)生部分烘干廢氣[1]。涂裝處理均于封閉空間作業(yè)，并在噴涂過程中通過送風(fēng)機(jī)促進(jìn)空氣流動，廢氣隨著管道不斷排出，進(jìn)入后續(xù)廢氣處理環(huán)節(jié)。

1.2廢氣排放情況

通過對X企業(yè)涂裝車間現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要涂裝廢氣除有機(jī)廢氣外，還存在大量的漆霧粉塵，自建立以來，X企業(yè)一直沿用“水噴淋+活性炭吸附+催化氧化”的廢氣處理方法，但隨著企業(yè)產(chǎn)量的不斷提升及我國廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，該處理方法已無法滿足當(dāng)前X企業(yè)的廢氣處理需求。為精準(zhǔn)檢測X企業(yè)涂裝廢氣中有害物質(zhì)成分，進(jìn)行廢氣采樣、分析，得出如圖2所示的廢氣有機(jī)物總離子色譜圖。

如圖2所示，X企業(yè)涂裝廢氣有機(jī)物種類較多、成分復(fù)雜，以脂類、酮類為主，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，X企業(yè)涂裝廢氣排放濃度遠(yuǎn)高于國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，故而需對現(xiàn)有廢氣處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，以此提高廢氣排放效果。

2 處理工藝設(shè)計

通過對X企業(yè)噴涂工藝廢氣有機(jī)物含量的特點(diǎn)分析，研究決定采用蓄熱氧化法進(jìn)行廢氣處理，以此提高X企業(yè)的廢氣處理效果。電子器件產(chǎn)品噴涂處理過程中，產(chǎn)生的廢氣會攜帶大量顆粒性油漆，故而需在廢氣有機(jī)物凈化處理前，通過有效處理方式去除廢氣中的漆霧[2]?，F(xiàn)階段，常用的漆霧處理方法有濕式除塵、干式除塵2種，其中濕式除塵會在一定程度上提高廢氣濕度，提高廢氣處理難度，故而本研究選用干式除塵進(jìn)行漆霧處理。廢氣經(jīng)初步過濾后，需進(jìn)入轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)進(jìn)行吸附處理，再通過與高溫氣體換熱將吸附在沸石表面的VOCs脫附出形成高濃度廢氣。本工程廢氣處理工藝流程如圖3所示。

2.1預(yù)處理

噴涂廢氣從車間原有風(fēng)機(jī)送出，經(jīng)新改造管道送入，由于烘干間抽取風(fēng)量較小，按2000 m3/h設(shè)計，各車間按生產(chǎn)需要單獨(dú)控制對應(yīng)風(fēng)機(jī)啟停。電器零部件噴涂過程中，廢氣經(jīng)噴涂車間密封管道進(jìn)入處理預(yù)過濾區(qū)，噴涂車間排風(fēng)量如表2所示。

由于電子噴涂廢氣當(dāng)中含有大量粉塵，為避免粉塵堵塞轉(zhuǎn)輪孔道，需在廢氣凈化過程中進(jìn)行預(yù)處理，過濾廢氣粉塵。根據(jù)本工程廢氣處理要求，進(jìn)入吸附區(qū)的粉塵顆粒應(yīng)不超過1mg/m3[3]。通過脈沖布袋除塵器進(jìn)行廢氣除塵預(yù)處理，廢氣經(jīng)布袋進(jìn)行粉塵過濾后，廢氣中的有機(jī)廢氣會與固體顆粒分離，并自除塵器的上部排出。分離的少部分固體顆粒會在重力的作用下掉入除塵器灰斗，大部分在高壓空氣的作用下從布袋表面脫落，落入除塵器灰斗[4]。

2.2沸石轉(zhuǎn)輪

本工程應(yīng)用閃動亮劍環(huán)保新材料有限公司生產(chǎn)的沸石轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪厚度400mm，能夠承受500℃的高溫，保養(yǎng)容易且吸附效率較高，不容易發(fā)生堵塞。轉(zhuǎn)輪整體分為3個區(qū)域，即①吸附區(qū)，占轉(zhuǎn)輪盤面的80%；②脫附區(qū)，占轉(zhuǎn)輪盤面的10%；③冷卻區(qū)，占轉(zhuǎn)輪盤面的10%[5]。電子噴涂廢氣進(jìn)入吸附區(qū)后，會對廢氣中的有機(jī)廢氣物進(jìn)行吸附，吸附完成后的廢氣會進(jìn)入脫附區(qū)，最后進(jìn)入冷卻區(qū)進(jìn)行降溫處理。本工程應(yīng)用的沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)配置情況，如表3所示。

2.3換熱器

轉(zhuǎn)輪脫附熱源來自旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置爐膛頂部的高溫氣體，使用翅片列管式換熱器進(jìn)行換熱，翅片材質(zhì)選用316不銹鋼。對流方向?yàn)槟媪鲹Q熱，為節(jié)約空間采用二級換熱，換熱器如圖4所示[6]。轉(zhuǎn)輪氣體最大需熱量為10000m3/h，使煙氣從134℃升至200℃左右。旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置爐內(nèi)溫度400℃，煙氣換熱后溫度約為200℃。本工程采用的換熱器為單管程翅片管式換熱器，換熱器參數(shù)如表4所示。

2.4旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置

本工程采用的旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置及催化劑由山東冠珹環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)，裝置正式安裝前，先進(jìn)行了計算機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，由于X企業(yè)電子噴涂廢氣中的有機(jī)物種類較多，不同有機(jī)物之間存在相互抑制的作用，再加上由爐膛負(fù)責(zé)引出換熱氣體，故而需要保證首次催化能夠完全氧化。經(jīng)多次模擬計算，將系統(tǒng)催化燃燒溫度控制在380℃。

旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置的廢氣主要為經(jīng)吸附處理的廢氣、經(jīng)烘干處理的廢氣2種。根據(jù)《催化燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，催化燃燒裝置的設(shè)計空速應(yīng)在10000 h-1至40000 h-1之間。本工程結(jié)合計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及以往經(jīng)驗(yàn)，將廢氣處理工程設(shè)計空速定為20000 h-1。

根據(jù)《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[7]，正常情況下的蓄熱室表觀截面最大氣流速度為2m/s，單個扇形蓄熱室過風(fēng)面積為0.56m，蓄熱塊孔隙率為0.6。本工程應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置焚燒爐采用的是片狀組合式蜂窩陶瓷蓄熱體，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)氣流的均勻分布，并且氣壓較低。本工程采用的片狀組合式蜂窩陶瓷蓄熱體參數(shù)規(guī)格如表5所示。

2.5切換閥與保溫層

相較于傳統(tǒng)的三床焚燒爐，旋轉(zhuǎn)焚燒爐的閥門設(shè)置更少，三床焚燒爐共包括9個閥門，而旋轉(zhuǎn)焚燒爐僅有1個旋轉(zhuǎn)閥門，這在很大程度上降低了切換蓄熱室氣流過程中的氣流波動，提高了氣流的順暢性，有效避免了風(fēng)機(jī)背壓情況的出現(xiàn)。不僅如此，旋轉(zhuǎn)焚燒爐運(yùn)行過程中，即便旋轉(zhuǎn)閥發(fā)生故障，依然能夠保證蓄熱室氣流暢通，防止出現(xiàn)因切換閥故障而導(dǎo)致的氣流滯澀情況的發(fā)生，在很大程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)閥主要由變頻電機(jī)進(jìn)行控制，最小轉(zhuǎn)速為0.8r/mim，最大轉(zhuǎn)速為1.5r/min。旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整主要依據(jù)閥門切換周期進(jìn)行，根據(jù)計算機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，將本工程的切換周期設(shè)置為90s，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為1.5r/min。另外，旋轉(zhuǎn)閥的定轉(zhuǎn)子之間還設(shè)置了密封環(huán)，以此提高旋轉(zhuǎn)閥的潤滑性、耐磨性。

保溫層設(shè)置方面，裝置并未應(yīng)用傳統(tǒng)的重質(zhì)耐火材料，而是應(yīng)用了陶瓷纖維模塊。相較于傳統(tǒng)重質(zhì)耐火材料，陶瓷纖維模塊不僅能夠進(jìn)一步簡化施工流程，降低施工周期，還能有效提高爐襯的整體性。實(shí)際加工過程中，纖維模塊保持一定比例的壓縮量，砌筑完畢成整體爐壁后，借助膨脹擠壓，使模塊形成無縫隙整體結(jié)構(gòu)。

3處理運(yùn)行及效果分析

X企業(yè)于2023年4月1日完成旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置改造，并于2023年4月9日正式投入運(yùn)行，對裝置進(jìn)入及排出電子噴涂廢氣檢測，匯總前90d的催化劑轉(zhuǎn)化效率及系統(tǒng)處理效率，具體情況如圖5所示。裝置正式運(yùn)行的前3d，平均催化劑轉(zhuǎn)化率為97.7%，裝置運(yùn)行90d后，平均催化劑轉(zhuǎn)化率為97.6%，相較于前3d下降了0.1%。裝置運(yùn)行期間內(nèi)，整體催化效果相對良好，運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)處理率穩(wěn)步提高，從最初的92.3%提升到93.5%。同時，自裝置正式運(yùn)行開始，迄今為止，并未出現(xiàn)催化劑中毒情況，系統(tǒng)運(yùn)行安全性較高。檢測所得進(jìn)出廢氣指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定排放限值，如表6所示。

由表6可看出，旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置應(yīng)用后，X企業(yè)排放的電氣噴涂廢氣各項(xiàng)污染物指標(biāo)遠(yuǎn)低于排放限值。其中，平均粉塵排放濃度為0.37mg/m3，平均苯系物排放濃度為2.4mg/m3，

平均乙酸脂類排放濃度為10mg/m3，平均非甲烷總烴排放濃度為10mg/m3。各種有機(jī)污染物處理效率均在90%以上，充分滿足了X企業(yè)的電氣噴涂廢氣處理要求。

旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置運(yùn)行期間，能源消耗主要為設(shè)備風(fēng)機(jī)、裝置電加熱2個方面。其中，設(shè)備風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間約20h/d，主要包括總風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)以及吹掃風(fēng)機(jī)，總運(yùn)行費(fèi)用約為480000元；

裝置電加熱持續(xù)時間約20h/d，總運(yùn)行費(fèi)用約為590000元。按照總風(fēng)量為100000 m3/h進(jìn)行計算，廢氣處理成本約為11元/m3。

自X企業(yè)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置以來，基本實(shí)現(xiàn)了電子噴涂廢氣的粉塵凈化，且催化效果較為理想，平均催化效率高達(dá)97.7%，系統(tǒng)總處理效率在90%以上。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式蓄熱催化裝置前90d的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，裝置的年電子噴涂廢氣處理量能夠達(dá)到60t，且排放廢氣中的有害物質(zhì)濃度較低，能夠充分滿足排放限值要求標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)性較高，在很大程度上提高了X企業(yè)的減排效益。

結(jié)語

電子涂裝廢氣不僅有機(jī)物種類較多、成分復(fù)雜，還含有大量漆霧顆粒，故而通過傳統(tǒng)廢氣處理工藝很難取得理想的治理效果。旋轉(zhuǎn)蓄熱催化氧化技術(shù)有著能耗低、氧化效率高、氣流穩(wěn)定、空間利用率大等諸多優(yōu)勢，在電子涂裝廢氣處理中的應(yīng)用，能夠有效凈化廢氣中的粉塵，催化效果較為理想，廢氣處理效率較高，排放廢氣有機(jī)物濃度遠(yuǎn)低于排放限值，值得在工業(yè)廢氣治理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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作者簡介

饒秀娟（1992—），女，漢族，安徽合肥人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-02-29