催化燃燒法在噴涂廢氣治理中的應用

何曦，吳衛(wèi)，汪壯，何淼，彭芬，劉彰，許第發(fā)

（1.航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，長沙 410100；2.長沙環(huán)保（服務）工業(yè)技術研究院，長沙 410100；3.湖南省工業(yè)廠房空氣治理工程技術研究中心，長沙 410100；4.長沙學院，長沙 410022）

引言

隨著我國《環(huán)境保護法》《大氣污染防治法》等法律法規(guī)的陸續(xù)實施，對企業(yè)產生的廢氣處理要求越來越高，部分地區(qū)對噴涂廢氣的治理要求也越來越嚴格。

噴涂廢氣的處理主要是廢氣的收集和廢氣的治理。廢氣的收集方法主要通過在作業(yè)車間合理布置集氣結構，實現(xiàn)噴涂廢氣的有效收集，達到降低后續(xù)治理設備投資及運行成本的目的。廢氣治理技術則有多種選擇，常見的方法有：活性炭吸附[1]、光催化[2]、生物法[3]、低溫等離子[4]、催化燃燒[5]、蓄熱式熱力氧化[6]以及組合工藝[7、8]等。在處理噴涂廢氣之前首先要進行預處理，即去除廢氣中的漆霧。漆霧凈化有濕法[9、10]、干法[11、12]之分，前者通過液體（水或改性劑）對漆霧進行捕捉分離，后者通過過濾材料對漆霧進行攔截分離。不論干法、濕法，都需要與后續(xù)工藝相匹配，否則漆霧引入會導致后續(xù)處理系統(tǒng)癱瘓。

1 項目概況

某裝備制造企業(yè)主要生產大型機械設備，其噴涂車間有完善的廢氣收集系統(tǒng)和漆霧干式過濾系統(tǒng)。采用的工藝為玻璃纖維棉過濾漆霧和活性炭吸附，過濾后的廢氣（VOCs）經活性炭吸附之后排放。由于地方環(huán)保督察力度加大，該企業(yè)提出了提標改造的需求。但由于建廠之初活性炭吸附系統(tǒng)已將可用區(qū)域幾乎完全占據(jù)，企業(yè)不愿意拆除現(xiàn)有的活性炭吸附裝置，又無法借用其他場地加設新的裝備，經商議最終決定采用活性炭離線脫附+催化燃燒的方式進行處理。

2 催化燃燒裝備設計

催化燃燒有兩個重要的技術指標：去除效率、運行功耗。其中去除效率與有機物的濃度、反應溫度、催化劑性能密切相關，而運行功耗則受處理風量、有機物濃度、換熱效率的限制。通過增大換熱面積可增大余熱的利用效率，更容易實現(xiàn)自熱平衡，降低系統(tǒng)功耗。但受條件限制，該項目以優(yōu)先保證去除率為關鍵。

催化燃燒工藝路線如圖1所示。廢氣在鼓風機作用下流經三通閥、阻火閥、換熱器、電加熱器進入催化燃燒室，燃燒尾氣經換熱器排空。若遇到明火回流的情況，阻火閥立即關閉，帶壓力傳感器的三通閥立刻切向旁通直排。

圖1 催化燃燒工藝路線

催化燃燒裝備如圖2、圖3所示。廢氣通過進氣口經板式換熱器由下向上流動，并一分為二進入電加熱腔，電加熱腔分布在燃燒室的兩側，電加熱腔內有數(shù)根均勻分布的電加熱棒。廢氣經電加熱棒加熱至一定溫度后在燃燒室上端匯集，并從上至下流經催化劑孔道發(fā)生催化燃燒反應，反應之后的氣體從燃燒室下端排出，經板式換熱器將余熱傳遞給新進廢氣后通過排氣口排出。

圖2 催化燃燒裝備結構

圖3 催化燃燒裝備實物

該催化燃燒裝備的處理風量700m3/h，風機選用最大風量1000m3/h，風壓2500Pa的離心風機，通過變頻器調整風量，催化劑填裝量0.028 8m3。

3 催化劑開發(fā)

該項目組采購了商業(yè)雙貴金屬（Pt、Pd）蜂窩催化劑，并通過產學研合作開發(fā)了單貴金屬（Pt）蜂窩催化劑。自研催化劑以蜂窩陶瓷為載體，在載體上涂覆γ-氧化鋁、稀土氧化物作為第二載體。其他工藝與現(xiàn)有的浸漬涂覆法工藝相同。兩類催化劑對比參數(shù)見表1。

表1 商業(yè)與自研催化劑對比

4 催化燃燒性能評價

催化燃燒性能評價采用手持式PID濃度檢測儀（RAE PGM-7300），由于出入口溫度不一致，而PID檢測單位為ppm，計算凈化效率時需要換算成mg/m3：

式中：

噴涂作業(yè)時產生的VOCs由多種成分組成，為了便于計算將M取值80，Ba取值101 325，式①簡化成：

分別在50、100、260、400ppm濃度下進行商業(yè)催化劑性能測試，結果見表2。分別在51、110、260、400ppm濃度下進行自研催化劑性能測試，結果見表3。

從表2、表3的兩組數(shù)據(jù)可看出：在濃度不變時，反應溫度越高凈化效率越高；溫度不變時，濃度越高凈化效率越低。通過對比發(fā)現(xiàn)，自研催化劑在溫度超過200℃時對VOCs的凈化效率均超過了90%，商業(yè)催化劑T90若凈化效率達到90%則溫度在250℃左右，說明了自研催化劑較商業(yè)催化劑具有更好的低溫活性。

表2 商業(yè)催化劑性能

表3 自研催化劑性能

圖4 測試之后的催化劑

圖4展示了測試后的催化劑外觀，商業(yè)催化劑有幾個樣品出現(xiàn)了破損現(xiàn)象，而自研催化劑則完好無損，說明自研催化劑具有更長久的使用壽命。另外，商業(yè)催化劑、自研催化劑部分樣品均出現(xiàn)了發(fā)黑現(xiàn)象，這與“通過氣流給催化劑加熱”的方式相關，流場的紊亂導致了部分區(qū)域溫升不夠而積碳，長期運行可能會造成孔道堵塞。

值得注意的是，出口氣體溫度較高，高溫氣體部分與新風混合后引入吸附飽和的活性炭進行脫附再生，剩余部分可引入烘干室用于裝備的干燥。減小換熱面積不僅大幅度降低了催化燃燒設備體積，同時也減少了活性炭電熱脫附設備的使用，尾氣余熱得到了最大程度的利用。

5 結論

基于項目開發(fā)的催化燃燒裝置及催化劑對噴涂廢氣有顯著的凈化效果，特別是在VOCs濃度不超過400ppm時，出口濃度可穩(wěn)定控制在2.1ppm（4.56mg/m3，套用公式②換算）以內，遠低于《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）中非甲烷總烴的限值（120mg/m3）。雖然排放廢氣溫度較高，但部分可用于活性炭脫附，剩余部分可用于裝備漆面的干燥，實現(xiàn)了余熱的有效利用，滿足了特定條件下的廢氣治理要求。該催化燃燒裝備在后續(xù)推廣應用時，可優(yōu)化換熱器結構，通過增加換熱面積降低排氣溫度，為低濃度下的催化燃燒自熱平衡創(chuàng)造條件。