治理VOCs的沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝

程 輝，胡 超

(杭州綠然環保集團有限公司，浙江 杭州 311100)

1 工業固定源VOCs的排放特點

1.1 種類多差異大

在工業領域，產生VOCs的企業眾多，污染物的組成復雜，常見的化合物類型包括：烴類、脂類、醇類、酚類、胺類、醛類、腈類等。其中，苯、甲苯、二甲苯和鹵代烴的排放量大、毒性強。考慮到VOCs的組成和性質復雜，采用單一的治理技術效果不佳，聯合治理工藝應運而生。

1.2 多種污染并存

工業生產期間，工藝尾氣污染物多是混合物，例如：印刷廢氣中包含苯類、酮類、醇類、脂類；噴涂廢氣中包含脂類、酮類、苯類。如果凈化單一化合物，治理技術容易選擇；但多種有機物并存，由于不同有機物的性質差異明顯，必須采用分級治理方案。以苯類廢氣+含硫有機物為例，采用催化燃燒法之前，要先去除含硫有機物，避免造成催化劑中毒。

1.3 工況條件多樣

不同行業排放的VOCs，或者同行業不同工序排放的VOCs，尾氣的工況條件有較大差異[2]。普通噴涂作業中，排放的是常溫氣體；制藥、化工生產中，排放的是高溫氣體。在汽車生產企業中，噴涂線排放常溫氣體，烘干線排放高溫氣體。一般來說，VOCs中含有顆粒物，多以溶膠形式存在，由于粘性較高，因此去除難度大，會影響吸附凈化效率。

2 沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝的原理和特點

2.1 工藝原理

如圖1是沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝流程圖。其中a區是吸附區，根據目標物的類型，在轉輪內填充吸附材料；b區是脫附區，目標物經過a區在此處脫附。高溫氣體經過傳熱1，可將轉輪上的VOCs脫附下來；然后經過傳熱2，溫度提升至燃燒條件，即可完成催化氧化反應。c區是冷卻區，空氣經過傳熱1，變為熱空氣用于脫附。在系統控制上，包括PC1、PC2兩個監控系統，前者能監測傳熱器、催化燃燒室的溫度變化；后者監測風機的運行，動態調整進氣流量。系統運行期間，PC1將監測到的溫度信息傳遞給PC2，PC2向風機下達指令，實現系統運行的可靠性。

圖1 沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝流程

2.2 技術特點

沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝的特點：①使用吸附區旁路內循環，廢氣經吸附區如果不達標，就會進入該循環，重復吸附過程，以提高吸附效率。②應用冷卻風旁路，面對復雜工況，VOCs濃度會明顯提高，部分冷卻風會進入吸附區，從而降低脫附風量，并補充新風。該旁路的建立，可以利用新風稀釋VOCs濃度，延長治理時間。③引風機的應用，有利于調控旁路，去掉降溫鼓風機，在轉輪處控制VOCs濃度，可以實現溫度控制目標。④在催化燃燒室內，使用傳熱2代替電輔熱系統，可將反應放熱溫度維持在500～600 ℃之間[3]。⑤轉輪的轉速容易調節，在單位時間內，減少VOCs吸附量，從而提高系統的安全性。

3 轉輪吸附的影響因素分析

選定治理工藝后，一旦確定吸附材料，轉輪的運行參數、進氣參數，會影響吸附能力。國外學者研究稱[4]，要想調整轉輪的運行，可以改變濃縮比、轉速、再生風溫度等指標。結合相關研究成果，處理高濃度的VOCs時，將濃縮比降低至8，轉速提高至6.5 r/h，再生風溫度控制在220 ℃，此時去除效率維持在90%以上。以下具體分析轉輪吸附的影響因素。

3.1 濃縮比

轉輪經過吸附、脫附，可以得到低流量的濃縮氣體，濃縮比就是進氣流量、再生風流量的比值，使用F表示。低濃縮比能提高去除效率，但也會增加再生風量，增大脫附能耗。結合實踐，濃縮比從15降低至6，甲苯的出口濃度從4.7 mg/m3降低至1.5 mg/m3，不利于后續燃燒。因此，在保證去除率的前提下，合理設置濃縮比，才能兼顧效率、能耗兩個指標，提高系統的整體能效。

3.2 轉輪轉速

在轉輪運行過程中，吸附、脫附是同時進行的，兩個動作相互影響，并且決定了去除效率。從本質上來看，轉速的大小，會改變吸附時間、脫附時間的長短。以最佳轉速為準，如果實際轉速較低，其運行周期變長，雖然增強了脫附區的再生能力，但吸附能力會降低。結合溫度分布曲線，可見吸附區的曲線下降，原因在于吸附放熱，導致吸附率降低。如果實際轉速較高，脫附區前段可以加熱到再生溫度，后段則達不到再生溫度，繼而影響去除效果。設置最佳轉速，就是控制吸附時間、脫附時間，最大程度上提高去除率。

3.3 進氣參數

進氣參數包含多個指標，其中影響轉輪吸附性能的主要有兩個：一是進氣溫度。對VOCs處理時，廢氣中常含有一定水分，相對濕度能達到80%以上。這些水分的存在，會和污染物相互吸附，不僅占據了轉輪的吸附空間，還會降低去除效率。因此，控制進氣溫度，可以提高轉輪吸附能力。二是進氣流速。一定條件下，轉輪的最佳轉速和進氣流速之間呈現正比關系。隨著進氣流速提高，轉速也會提高；如果轉速沒有提高，實際轉速就會低于最佳轉速，導致吸附能力降低。結合溫度分布曲線，可見吸附區的曲線下降。因此，需要處理高濃度的VOCs時，一般提高轉輪的轉速，或者降低進氣流速，均能提高吸附效率。

3.4 再生風溫度

吸附劑的解析、再生，需要最低清洗溫度。再生風的溫度超過該溫度值，就能提高解析效率，減少脫附風量的消耗。

4 VOCs處理工藝的優化措施

4.1 選擇沸石型號

采用沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝治理VOCs時，關鍵點主要有兩個：一是提高吸附濃縮效率，二是選用蜂窩狀的轉輪[5]。在沸石的選擇上，以疏水性沸石轉輪為例，原料是陶瓷纖維紙，將其加工成平板形、波紋形；然后利用無機粘合劑，將陶瓷纖維紙粘結在一起，并且后卷形成蜂窩狀；最后利用疏水性分子，將其涂抹在蜂窩狀通道的表面，即可制成吸附轉輪。將其應用在VOCs的治理上，可以實現良好的去除效果。

4.2 優化轉輪結構

優化轉輪結構，能改進轉輪的運行參數，具體包括：①優化濃縮比，結合VOCs的類型和特點，合理設置轉輪的F值，才能提高效率、降低能耗。②優化轉輪轉速，實際轉速應該接近最佳轉速，維持合適的吸附時間、脫附時間，提高VOCs的去除效率。③優化再生風溫度，吸附劑在解析再生時，應該設置特征溫度，最好是最低清洗溫度，可以提高解析速率。④優化密封性，提高轉輪的密封性，能解決運行期間的竄風問題，在滿足治理標準的同時，實現節能降耗的目標。

4.3 提高催化性能

催化劑的選擇，也是影響VOCs去除率的一個因素，選擇性能良好的催化劑，才能滿足吸附、脫附條件，提高系統運行的穩定性。總結來看，催化劑的選擇應該從以下幾點入手：①低溫活性良好，能適應較高的空速，可以減少建設費用、運維費用；②具有良好的熱穩定性，處理高濃度的VOCs時，會產生大量反應熱，此時催化劑溫度升高，要求物理化學性能穩定；③阻力小，具有較強的機械強度；④成本低廉，考慮到催化劑的使用數量大，降低成本才能提高企業的經濟效益。

5 結語

隨著工業快速發展，VOCs的排放量增多，具有種類多差異大、多種污染并存、工況條件多樣的特點。文中以沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝為例，介紹了技術原理和特點，分析了影響轉輪吸附的因素，包括濃縮比、轉輪轉速、進氣參數、再生風溫度等。合理選擇沸石型號，優化轉輪結構，提高催化性能，能改善VOCs治理效果，應重點關注。