活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備的開發研究*

陳華棟 張翠亞 曹冠宇 曹學博 路 濤

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.天津大學化工學院；3.長城鉆探工程有限公司；4.中國石油長慶油田分公司)

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備的開發研究*

陳華棟*1張翠亞1曹冠宇2曹學博3路 濤4

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.天津大學化工學院；3.長城鉆探工程有限公司；4.中國石油長慶油田分公司)

設計了處理VOCs用的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備，并對其社會效益和經濟效益進行了分析。

活性炭吸附濃縮 蓄熱式熱氧化器 VOCs

揮發性有機物(VOCs)不僅直接危害動、植物生長，而且會導致大氣臭氧層破壞，形成有毒的光化學煙霧，更是霧霾天氣的重要成因之一。2010年5月，國家正式提出了開展VOCs防治工作，將VOCs與SO2、NOx、顆粒物并列為重點污染控制物。VOCs治理迫在眉睫，筆者設計了處理VOCs用的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備，并對其社會效益和經濟效益進行了分析。

1 VOCs凈化技術

VOCs主要由家具制造、汽車制造、電子制造、機械元件加工及印刷等行業產生[1]，其中大多數的噴涂工藝(如汽車制造行業和電子制造行業)和印刷工藝產生的廢氣具有高通量、低濃度的特點。VOCs的最大排放方式是含VOCs產品的使用和排放。據統計，若不加以治理，預計2020年工業源的VOCs排放量將達到1 751萬t[2]。

針對VOCs的凈化技術有吸附、催化燃燒、生物處理、熱力燃燒、等離子體、冷凝、膜分離和吸收技術，各技術的應用情況見表1。

目前為止，對于低濃度(小于1 g/m3)、高通量(大于10 000 m3/h)VOCs的處理，應用最多的技術是活性炭吸附工藝與燃燒催化工藝或直接燃燒工藝聯用技術。其中前者有較多專利，但催化劑價格昂貴、易中毒，壽命和處理效率受塵粒和霧滴影響的問題一直得不到解決；后者存在能源消耗量大的問題。

表1 VOCs的凈化技術的應用情況

2 集成設備

針對以上問題，筆者積極響應國家環保政策，以低濃度、高通量的揮發性有機廢氣為處理對象，將最優的活性炭吸附工藝和蓄熱式熱氧化工藝聯用，不僅避免了前者吸附物直接排放存在二次污染、后者只適用于中高濃度VOCs處理的弊端，并使兩者優勢互補，研究出一套處理速度快、處理量大、壽命長、裝置能耗低、可連續運行、對VOCs種類適用面廣、熱回用效率高和處理效果好的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備技術。

2.1 工藝流程

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備工藝流程如圖1所示。設備由活性炭吸附濃縮單元(簡稱CAC單元)和蓄熱式熱氧化單元(簡稱RTO單元)兩部分組成。分為預處理、吸脫附和氧化3個階段。首先，低濃度、高通量的VOCs經冷卻過濾去除顆粒物質、漆霧和水分。然后，廢氣經過活性炭吸附床，在常溫條件下利用活性炭吸附有機物；當活性炭吸附飽和后，向吸附床通入氣體流量為吸附時1/5的小流量高溫空氣使有機污染物得以解吸，解吸后高濃度的污染物氣體進入后置的RTO設備。最終在RTO設備中，濃縮的有機廢氣先在預熱室吸收熱量升溫后，進入燃燒室高溫焚燒；燃燒后的高溫氣體再經過其他蓄熱室降溫，蓄熱室中的填料會利用其特有的蓄熱能力蓄存此高溫氣體的熱量，而蓄存的熱量被用于新進入有機廢氣的預熱；降溫后的氣體一部分排放、一部分用于蓄熱室反吹掃；不斷周期性地改變氣流的方向，來穩定爐膛的溫度。為充分利用氧化爐燃燒尾氣余熱，將尾氣的氧化燃燒余熱通過熱交換器加熱空氣，用于活性炭吸附濃縮單元的脫附解吸階段。

圖1 CAC-RTO工藝流程示意圖

2.2 主要裝置

2.2.1CAC單元

吸附法具有凈化效率高、操作方便、能耗低、工藝成熟及易于推廣等特點，可應用于有機廢氣濃縮。其中活性炭由于價格低廉、吸附效果好，應用最廣。活性炭包括粉末狀、顆粒狀、蜂窩狀及活性炭纖維等。考慮到活性炭纖維具有材料利用率高、比表面積大、吸脫附速率快(是顆粒狀的10～100倍)、吸附容量大(是顆粒狀的1.5～10倍)、體密度小、濾阻小(是顆粒狀的1/3)、漏損小、厚度薄、占用空間小、強度高、不易粉化及熱穩定性好等優點[4]，該單元選用活性炭纖維作為吸附劑。

CAC單元采用可有效保證設備連續運行的旋轉轉盤式設計，其中，吸附轉盤由交替工作的5個均等吸附塊組成。每個吸附塊都會依次經過3個階段：低溫吸附、高溫脫附和冷卻閑置。任意時段的吸附塊狀態：一個吸附塊處在吸附階段，一個吸附塊處在脫附階段，3個吸附塊處在冷卻閑置階段。

經預處理的有機氣體先經吸附階段得到凈化，待吸附塊吸附飽和后，旋轉轉盤，使其進入到脫附階段，吸附劑上的吸附物經體積只有原始有機廢氣體積1/5的高溫熱空氣進行脫附，有機廢氣從高通量、低濃度被濃縮為低通量、高濃度，吸附劑得到再生，再生的吸附塊被旋轉進入冷卻閑置階段進行冷卻閑置，最后再進入下一循環的吸附。

整個過程的氣體流程是：4/5的吸附凈化氣體排空，其余1/5的凈化氣體用于此單元吸附塊的冷卻，冷卻吸附塊后的升溫氣體在經過后續RTO單元廢熱再加熱后用于此單元吸附塊的脫附，脫附完的含有高濃度有機物的濃縮氣體進入后續RTO單元進行再處理。

此設計最大程度地利用了工藝的廢氣和廢熱，有效降低了裝置的能耗，提高了系統的熱回用效率。

2.2.2RTO單元

RTO采用蓄熱一體式焚燒工藝設計。設備為三室蓄熱式熱氧化器，由3個蓄熱室和一個燃燒室組成，依次經過起爐、正常運行和停爐3個階段。

起爐階段，廢氣進口閥門和旁通閥門都關閉，依次打開煙氣排放閥門，燃燒器點火，空氣代替有機廢氣燃燒，將燃燒室溫度升高至800℃左右、3個蓄熱室分別逐個加熱到運行狀態。

正常運行階段，前續CAC單元濃縮的低通量、高濃度有機廢氣在鼓風機作用下先進入第一個已在前一循環儲存了熱量的蓄熱室，經過其蓄熱體時吸收其熱量預熱升溫，同時蓄熱室放熱降溫；升溫后的有機氣體進入燃燒室燃燒；燃燒后的高溫凈化氣體進入第二個蓄熱室，將其攜帶的熱量釋放儲存在蓄熱體中后降溫排出，同時蓄熱室吸熱升溫；從第二個蓄熱室排放的氣體一部分用于反吹掃第三個蓄熱室，將其殘留的未處理有機廢氣吹掃回燃燒室，其余的氣體經熱交換器冷卻后排空(交換的熱量用于加熱前CAC單元的脫附氣體)。

此單元的氣流方向通過換向閥不斷周期性地轉換，從而保證了工藝的VOCs去除率和換熱效率，各蓄熱室依次的狀態為：先是蓄熱室 A處于進氣狀態、蓄熱室B處于排氣狀態、蓄熱室C處于反吹掃狀態；經一定時間后，切換到蓄熱室 B處于進氣狀態、蓄熱室C處于排氣狀態、蓄熱室A處于反吹掃狀態；再經一定時間后，蓄熱室C處于進氣狀態、蓄熱室A處于排氣狀態、蓄熱室B處于反吹掃狀態；最后經一定時間后，蓄熱室 A恢復到進氣狀態、蓄熱室B恢復到排氣狀態、蓄熱室C恢復到反吹掃狀態；這個過程不斷循環交替。

停爐階段，廢氣進口閥門關閉，旁通閥門打開，依次打開煙氣排放閥門，讓蓄熱室的溫度緩慢降低。

當設計合理時，運行過程中蜂窩陶瓷儲存的熱量足以預熱和點燃進入蓄熱床的有機廢氣，燃燒器僅供起燃時使用，回收潔凈的余熱還可應用于前段CAC單元脫附氣體的加熱，節約能耗，熱回收效率很高，具有良好的節能作用。同時，RTO中有機物的氧化溫度高，凈化效率高。另外，該技術避免了催化燃燒法中催化劑價格昂貴和吸收法二次污染的弊端。

3 效益分析

在當前能源價格飆升、環境政策越發嚴格的背景下，該設備能夠節約能源和減少環境污染，有顯著的社會效益。若設定VOCs的平均濃度在0.8g/m3、通量在20 000m3/h，單臺設備的年運行時間2 500h， 5臺設備年處理廢氣量將達到20萬t。

目前應用最多的催化燃燒技術的催化劑使用壽命僅一年左右。而該設備中CAC單元活性炭一般一到兩年更換一次，RTO單元價格適中、節能、效果穩定，使用壽命一般可達10年(使用壽命的主要決定因素是蓄熱體的堵塞情況，只需通過更換蓄熱體即可解決)，且蓄熱體的成本僅占RTO總成本的25%以下。

4 結束語

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設備首次結合了最優的CAC工藝和RTO工藝，有著對VOCs種類適用面廣、VOCs處理量大、可連續運行及節能環保等優點，有顯著的經濟、社會效益和非常強的市場推廣性。CAC單元最大程度地利用了工藝的廢氣和廢熱，濃縮該單元有機廢氣的同時，轉盤式的設計保證了系統的連續運行。RTO單元的燃燒尾氣余熱用于加熱前段CAC單元的脫附解吸氣體，使兩工藝得到銜接，能量在系統內循環利用，有著凈化效率高、熱回用效率高的優點。

[1] 王海林，張國寧，聶磊，等. 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] 陳穎. 我國工業源VOCs行業排放特征及未來趨勢分析[D]. 廣州：華南理工大學，2011．

[3] 席勁瑛，武俊良，胡洪營，等. 工業VOCs氣體處理技術應用狀況調查分析[J].中國環境科學，2012，32(11)：1955～1960.

[4] 蔡宇峰，李海強，藍炳杰，等. 活性炭纖維吸附-催化燃燒法處理大風量低濃度VOCs 廢氣[J].科技創新導報， 2009，(18)：80～81.

DevelopmentalResearchofDeviceIntegratingActivatedCarbonAdsorberwithRegenerativeThermalOxidizer

CHEN Hua-dong1, ZHANG Cui-ya1, CAO Guan-yu2, CAO Xue-bo3,LU Tao4

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China;2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.CNPCGreatwallDrillingCo.,Ltd.,Beijing100192,China;4.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an710000,China)

The device which integrating activated carbon adsorber with regenerative thermal oxidizer was designed to process VOCs specially and its significant economic benefits and social benefits were analyzed.

activated carbon adsorption, regenerative thermal oxidizer, VOCs

TQ053.3

A

0254-6094(2016)01-0055-04

*蘭州市人才創新創業項目扶持資金(2014-RC-35)。

**陳華棟，男，1986年11月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

2015-06-04，

2015-10-21)