用于VOCs處理的沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)研究

鮑梅連

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東濰坊261206）

0 引言

VOCs（volatile organic compounds），揮發(fā)性有機(jī)化合物，是指會(huì)產(chǎn)生危害的那一類揮發(fā)性有機(jī)物，是空氣中普遍存在且組成復(fù)雜的一類有機(jī)污染物的統(tǒng)稱。

VOCs對大氣造成的危害主要有：（1）部分具有毒性和致癌性，危害人體健康；（2）VOCs中的碳?xì)浠衔锱c氮氧化合物在紫外線的作用下反應(yīng)生成臭氧，可導(dǎo)致大氣光化學(xué)煙霧事件發(fā)生，危害人類健康和植物生長；（3）參與大氣中二次氣溶膠的形成，二次氣溶膠多為細(xì)顆粒，不易沉降，能較長時(shí)間滯留在大氣中，對光線的散射力較強(qiáng)，能顯著降低大氣能見度。目前我國大部分城市大氣環(huán)境已呈現(xiàn)區(qū)域性霾污染、臭氧及酸雨等三大復(fù)合型污染特點(diǎn)，而VOCs是極重要的助推劑之一。

1 VOCs處理技術(shù)

VOCs對環(huán)境的極大危害和對人體健康的嚴(yán)重威脅，引起了全世界的高度重視。VOCs的治理在我國已是刻不容緩，目前VOCs的處理技術(shù)主要分為兩大類：

（1）在源頭上進(jìn)行控制，具體是指在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上防止或減少VOCs排放的措施，是治理有機(jī)廢氣污染的最佳方法。但由于技術(shù)水平的限制，會(huì)不可避免地向環(huán)境中排放和泄漏不同濃度的有機(jī)廢氣，實(shí)現(xiàn)難度較大。

（2）在生產(chǎn)末端控制并消除VOCs的治理方法，可分為回收技術(shù)和銷毀技術(shù)兩類?；厥占夹g(shù)是采用物理方法將VOCs回收的非破壞性方法，主要有活性炭吸附法、冷凝法、膜處理法等。此類方法不僅能有效控制VOCs的排放，而且回收利用能夠節(jié)約資源，帶來經(jīng)濟(jì)效益，目前越來越受到人們的關(guān)注。銷毀技術(shù)即通過化學(xué)或生物反應(yīng)過程使VOCs廢氣氧化分解為無毒或低毒物質(zhì)的破壞性方法，主要技術(shù)有燃燒、光催化降解、等離子體技術(shù)、生物降解等。

上述VOCs廢氣處理技術(shù)是單一處理工藝，須根據(jù)VOCs廢氣排放的具體情況和要求，選擇合適的工藝；因?yàn)閂OCs種類繁多、成分復(fù)雜、性質(zhì)各異，在很多情況下采用一種凈化技術(shù)往往難以達(dá)到治理要求，并且很不經(jīng)濟(jì)。利用不同單元治理技術(shù)的優(yōu)勢，采用組合治理工藝，既可以滿足排放要求，又可以降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，沸石轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)即一種新型組合VOCs處理技術(shù)。

2 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

20世紀(jì)60年代起，歐美等國已出現(xiàn)吸附富集—脫附濃縮—蓄熱催化氧化后處理技術(shù)的應(yīng)用，其中德國Dürr公司，美國Megtec、Enguil公司和加拿大Biothermica公司等在行業(yè)中占有絕大部分市場。1986年，瑞典的Munters公司率先將蜂窩狀沸石轉(zhuǎn)輪用于VOCs廢氣處理。1988年，日本株式會(huì)社西部技研公司將加工成波紋形和平板形的陶瓷纖維紙用無機(jī)黏合劑粘結(jié)在一起后卷成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，然后將疏水性沸石涂覆在蜂窩狀通道的表面得到吸附轉(zhuǎn)輪，并將其成功用于VOCs的凈化處理。目前，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)在日本、美國、歐洲等國及臺(tái)灣地區(qū)獲得普遍使用，就技術(shù)而言，沸石吸附轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)技術(shù)還掌握在國外企業(yè)手中。

VOCs經(jīng)轉(zhuǎn)輪濃縮后，再采用氫化燃燒技術(shù)和催化燃燒技術(shù)進(jìn)行燃燒處理。國外對設(shè)備工藝進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，日本三菱公司在20世紀(jì)就設(shè)計(jì)利用移動(dòng)閥切換的蓄熱裝置，采用了具有高蓄熱能力的陶瓷蜂窩體，并實(shí)際應(yīng)用。催化劑也是影響廢氣處理的關(guān)鍵內(nèi)容，將Pd、Au、Ce等金屬催化劑用于催化燃燒降解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在國外已見報(bào)道，德國的SüD-Chemie公司是目前研究較為成功的企業(yè)之一。目前，國外沸石濃縮轉(zhuǎn)輪的相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格昂貴，在我國的VOCs廢氣處理中很難大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

國內(nèi)的沸石吸附濃縮設(shè)備起步較晚，生產(chǎn)企業(yè)多以組裝、代理為主要經(jīng)營模式，作為核心的沸石吸附單元基本依賴進(jìn)口，國外具有生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)也在國內(nèi)相繼設(shè)立設(shè)備組裝廠。不過，國內(nèi)現(xiàn)已有多家高校及科研院所如華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)等對沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了相關(guān)研究，使得國內(nèi)現(xiàn)有的沸石轉(zhuǎn)輪成型及設(shè)備技術(shù)水平與國外的差距在逐步縮小。近幾年，我國在催化燃燒技術(shù)方面也已取得較大發(fā)展，國內(nèi)已有工業(yè)應(yīng)用及推廣的實(shí)例。對催化燃燒技術(shù)而言，采用蜂窩狀全效換熱器回收低品位熱源、進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)是未來的發(fā)展趨勢。雖然我們已經(jīng)有了較好的研究基礎(chǔ)，但是在核心材料研發(fā)、系統(tǒng)化集成、示范工程應(yīng)用等方面還有待突破。

3 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)是全球公認(rèn)的最高效的廢氣濃縮技術(shù)，沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮裝置采用吸附—脫附—濃縮焚化三項(xiàng)連續(xù)程序，主要用于有機(jī)廢氣的治理，特別適用于大風(fēng)量、低濃度場合。該吸附裝置以陶瓷纖維為基材，做成蜂窩狀的大圓盤輪狀系統(tǒng)，輪子表面涂覆疏水性沸石做吸附劑。沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮裝置主要由廢氣預(yù)處理系統(tǒng)、分子篩轉(zhuǎn)輪濃縮吸附系統(tǒng)、脫附系統(tǒng)、冷卻干燥系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)輪后有后處理系統(tǒng)。其核心技術(shù)是高效吸附分離濃縮過程以及所采用的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪。

3.1 沸石轉(zhuǎn)輪基本構(gòu)造

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮區(qū)可分為處理區(qū)、再生區(qū)、冷卻區(qū)三部分，濃縮轉(zhuǎn)輪在各個(gè)區(qū)內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。VOCs有機(jī)廢氣通過前置過濾器過濾后，再通過濃縮轉(zhuǎn)輪裝置的處理區(qū)。在處理區(qū)VOCs被吸附劑吸附去除，凈化后的空氣從濃縮轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)排出。吸附在濃縮轉(zhuǎn)輪中的有機(jī)廢氣VOCs，在再生區(qū)經(jīng)熱風(fēng)處理而被脫附、濃縮到5～15倍的程度。濃縮轉(zhuǎn)輪在冷卻區(qū)被冷卻，經(jīng)過冷卻區(qū)的空氣，加熱后作為再生空氣使用，達(dá)到凈化節(jié)能的效果。沸石轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沸石轉(zhuǎn)輪基本構(gòu)造

3.2 沸石轉(zhuǎn)輪工藝參數(shù)

（1）濃縮比：轉(zhuǎn)輪通過吸附—脫附以獲得低流量的濃縮氣體，濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為進(jìn)氣流量與再生風(fēng)流量的比值。

（2）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速：吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期中是同步進(jìn)行的，兩者互為影響，共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時(shí)間長短。

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

沸石轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的密封是一個(gè)非常重要的控制點(diǎn)，密封性不佳會(huì)使得轉(zhuǎn)輪應(yīng)用上存在竄風(fēng)的問題。

4 結(jié)語

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒進(jìn)行工業(yè)有機(jī)廢氣的處理，現(xiàn)在我國已經(jīng)廣泛應(yīng)用于印刷業(yè)、半導(dǎo)體制造業(yè)、涂裝行業(yè)等多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但是目前作為核心技術(shù)的沸石吸附單元仍依賴于進(jìn)口，使得沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)在VOCs處理的使用中受到了很大限制。隨著新型吸附劑的開發(fā)及我國轉(zhuǎn)輪制作技術(shù)、密封技術(shù)的提高，轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)將會(huì)在更大范圍、更多產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。

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