治理VOCs的新工藝—沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒

高 博，曾毅夫，葉明強，劉勝強（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

治理VOCs的新工藝—沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒

高 博，曾毅夫，葉明強，劉勝強
（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

闡述了沸石轉輪吸附濃縮+焚燒技術的研究現狀及基本工藝特點，介紹了一種新的沸石轉輪濃縮+催化燃燒處理揮發性有機化合物的工藝，指出了該工藝的特點及關鍵點，以及該技術的發展方向。

沸石轉輪吸附濃縮；新工藝；揮發性有機化合物治理；工藝特點

VOCs的種類繁多、成分復雜、性質各異，在很多情況下采用一種凈化技術往往難以達到治理要求，且不經濟。利用不同單元治理技術的優勢，采用組合治理工藝，不僅可滿足排放要求，而且可降低凈化設備的運行費用。因此，在有機廢氣治理中，采用兩種或多種凈化技術的組合工藝得到了迅速發展。沸石轉輪濃縮技術就是針對低濃度VOCs的治理而發展起來的一種新技術，與催化燃燒或高溫焚燒進行組合，形成了沸石轉輪吸附濃縮+焚燒技術［1］。

1　技術研究現狀

蜂窩轉輪吸附+催化燃燒處理技術是20世紀70年代由日本發明的一種有機廢氣處理系統，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輪，吸附與脫附氣流的流向相反，兩個過程同時進行。這種系統在20世紀80年代初被我國引進和仿制，但由于吸附元件（蜂窩轉輪）以及系統關鍵部位連接技術都不過關，吸附與脫附的竄風問題未得到根本解決，設備性能不穩定，因此國內應用較少，一直未能得到推廣。

20世紀80年代末研制設計了固定床吸附+催化燃燒處理系統。該系統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。該工藝系統的原理與上述蜂窩轉輪吸附+催化燃燒技術基本相同，但由于單件吸附床的吸附與脫附再生過程分開進行，在操作上克服了蜂窩轉輪凈化系統吸、脫附易串氣的缺點。經不斷改進，系統配置更加合理，凈化效率高，運行節能效果顯著，在技術上達到國際先進水平［2］。該工藝系統非常適合處理大氣體量、低濃度的VOCs廢氣，其單套系統的廢氣處理量可以從幾千m3/h到十幾萬m3/h。該技術是我國真正自主創新的VOCs廢氣治理工藝，自1989年首次在國內推廣，到目前已有數百套該類系統與裝置在使用。已經成為國內工業VOCs廢氣治理的主流產品之一，并預計在未來仍將有很大的應用前景［3］。

利用催化燃燒法進行工業有機廢氣治理，已普遍應用于汽車噴涂、磁帶制造和飛機零部件噴涂等。催化燃燒技術將揮發出來的大量有機溶劑充分燃燒。催化劑采用多孔陶瓷載體催化劑，催化前的預熱溫度視VOCs種類而不同：聚氨酯380℃～480℃，聚酯亞胺480℃～580℃；有機物濃度約1600mg/m3，凈化效率平均為99%。

2　轉輪濃縮+催化燃燒新工藝

2.1技術概況

針對現行各種方法在處理低濃度、大風量的VOCs污染物時存在的設備投資大、運行成本高、去除效率低等問題，國內企業研發了一種用于處理低VOCs濃度、大風量工業廢氣的高效率、安全的處理工藝。該方法的基本構思是：采用吸附分離法對低濃度、大風量工業廢氣中的VOCs進行分離濃縮，對濃縮后的高濃度、小風量的污染空氣采用燃燒法進行分解凈化，通稱吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法。具有蜂窩狀結構的吸附轉輪被安裝在分隔成吸附、再生、冷卻三個區的殼體中，在調速馬達的驅動下以每小時3～8轉的速度緩慢回轉。吸附、再生、冷卻三個區分別與處理空氣、冷卻空氣、再生空氣風道相連接。而且，為了防止各個區之間竄風及吸附轉輪的圓周與殼體之間的空氣泄漏，各個區的分隔板與吸附轉輪之間、吸附轉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的污染空氣由鼓風機送到吸附轉輪的吸附區，污染空氣在通過轉輪蜂窩狀通道時，所含VOCs成分被吸附劑所吸附，空氣得到凈化。隨著吸附轉輪的回轉，接近吸附飽和狀態的吸附轉輪進入到再生區，在與高溫再生空氣接觸的過程中，VOCs被脫附下來進入到再生空氣中，吸附轉輪得到再生。再生后的吸附轉輪經過冷卻區冷卻降溫后，返回到吸附區，完成吸附/脫附/冷卻的循環過程。由于該過程再生空氣的風量一般僅為處理風量的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］。

轉輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程見下圖。

轉輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程圖

1號風機帶動含VOCs廢氣經過轉輪a區域，a區域為吸附區，根據不同的目標物可在轉輪中填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a區域隨轉輪轉動來到b區域進行脫附。流經傳熱1的高溫氣流將吸附于轉輪上的VOCs脫附下來，并經過傳熱2達到起燃溫度，隨后進入催化燃燒室進行催化氧化反應。由于轉輪脫附之后又要進行吸附，所以在脫附區域旁邊設冷卻區域c，以空氣進行冷卻，冷卻之后的溫空氣經傳熱1變成脫附用熱空氣。催化燃燒反應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，設置第三方冷卻線路用于催化燃燒室的緊急降溫。整個系統由2個監控系統組成，PC1負責監控催化燃燒室、傳熱器的溫度（其內部設電輔熱裝置以平衡溫度波動），PC2負責風機控制，根據實際情況調節進氣流量。PC2屬于PC1的子級系統，當PC1監測到溫度波動超過允許范圍時立刻將信息傳遞給PC2，PC2將收到的信息轉成指令傳遞給各風機。

2.2新工藝的特點

（1）吸附區旁路內循環的建立。當廢氣經過吸附區吸附后不達標，進入旁路內循環，再次進行吸附處理。此旁路內循環的基本思路為消滅現有污染再吸納新的污染。

（2）冷卻風旁路建立。在工況十分復雜的情況下，VOCs濃度有可能陡然升高，此時將部分冷卻風引入到吸附區以降低脫附風量，同時在傳熱2后補充新風，以維系進入催化反應器的風量在預設范圍以內。此旁路的基本思想是以新風對高濃度VOCs進行稀釋，因而從效果上看，此法也會延長治理時間。

（3）與傳統工藝相比，該整個系統采用引風機設計，便于對旁路的調控。去掉給催化燃燒裝置用的降溫鼓風機，此機治標不治本，改為在轉輪部分控制VOCs濃度。

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

（5）轉輪轉速易調，則在2的情況下可以適當提高轉輪轉速，減少單位面積轉輪單位時間內吸附VOCs的量，從而保障系統的安全。

3　轉輪吸附的影響因素

當吸附材料確定后，影響轉輪裝置吸附性能的主要因素是轉輪運行參數和進氣參數。Yosuke等認為，一定范圍內進氣負荷的變化可通過轉速、濃縮比、再生風溫度等轉輪運行參數調節，以維持預定的性能；Lin等將蜂窩轉輪應用于TFT-LCD產業廢氣處理，當處理高排放濃度時，將入流速度降至1.5m/s，濃縮比降至8，轉速增至6.5r/h，再生風溫度升至220℃，系統去除效率可達90%以上；Hisashi等指出最佳轉速由再生風熱容量與吸附劑熱容量平衡決定。

3.1濃縮比

轉輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉輪性能的一個重要指標，定義為進氣流量與再生風流量的比值F，低濃縮比雖然可以保證高去除效率，但增加再生風量的同時也增加了脫附能耗，而且濃縮氣體的濃度亦隨著脫附風量的增加而降低。當濃縮比從14減少至6時，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燃燒或冷凝單元處理。因此，在確保系統設定的去除率前提下，合理選擇濃縮比至關重要［6］。工程應用上，濃縮比應兼顧效率與能耗，對于高濃度廢氣，可選擇低濃縮比以確保去除率；而對于低濃度廢氣，適當選擇高濃縮比有利于系統整體能效比提高。

3.2轉輪轉速

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

3.3再生風溫度

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

3.4進氣參數

3.4.1進氣濕度

實際工程中，有機廢氣一般都含有水分，部分相對濕度甚至達到80%。而水分可能與污染物形成吸附競爭，占據轉輪吸附空間而降低污染物去除效率，因此抗濕性是衡量吸附性能的重要指標之一。

3.4.2進氣流速

在一定條件下，最佳轉速與進氣流速成正比，當進氣流速提高時，轉速應相應提高，如果轉速未根據流速進行相應提高，運行值低于最佳轉速其相對吸附能力λ隨著轉速n的減小而減小，在溫度分布曲線上表現為吸附區的曲線下降明顯，反映了吸附率的降低。因此對于高濃度有機廢氣，控制低進氣流速十分必要，或可相應地提高轉速。

4　輪吸附濃縮+催化燃燒的關鍵點

吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法的核心技術是高效吸附分離濃縮過程以及所采用的具有蜂窩狀結構的吸附轉輪。

4.1沸石型號的選擇及性能研究

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

4.2轉輪工藝參數及結構優化

濃縮比：轉輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉輪性能的一個重要指標，定義為進氣流量與再生風流量的比值F。

轉輪轉速：吸附與脫附在轉輪運行周期中是同步進行的，兩者互相影響并共同決定轉輪的去除效率，而轉速的大小意味著吸附和脫附時間長短。

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

密封性不佳會使轉輪在應用中存在竄風問題，因而結構的密封是一個非常重要的控制點。

催化劑的選擇。性能良好的催化劑應滿足下列基本要求：1）具有優良的低溫活性，并適應較高空速，并直接關系到裝置的建設費用和運行費用；2）熱穩定性好，在廢氣濃度過高而產生大量反應熱的情況下，催化劑的溫度會急劇上升，此時催化劑應不發生顯著的物理化學變化；3）具有一定的機械強度和較小的阻力。

5　展望

隨著新型吸附劑的開發及我國轉輪制作技術、密封技術的提高，轉輪吸附技術將會在更大范圍、更多的行業得到應用。轉輪運行的模型研究也將更加深入，治理效果將更加有效。

［1］ 王海林.我國工業VOCs減排控制與管理對策研究［J］.環境科學，2011，32 （12）：3462-3468.

［2］ 尹維東，喬惠賢，陳魁學，欒志強，劉錦華，李巖.蜂窩狀活性炭在大風量有機廢氣治理技術中的應用［J］.環境科學研究，2000，13（5）：27-30.

［3］ 韓嚴和，全燮，薛大明，趙雅之，陳碩.活性炭改性研究進展［J］.環境污染治理技術與設備，2003，4（1）：33-37.

［4］ 曹曉強，陸洪省，黃學敏.微波輻照活性炭改性機理研究［J］.環境科學與技術，2011，34（6）：212-216.

［5］ 楊金輝.活性炭改性方法的研究進展［J］.湖南科技學院學報.2010，31（4）：90-93.

［6］ 金偉力.具有蜂窩狀結構的轉輪型吸附材料用于空氣中揮發性有機污染物（VOC）的治理［J］.中國環境科學學會學術年會優秀論文集（2006）：2456-2460.

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

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

X701

A

1006-5377（2016）08-0039-04