轉輪吸附耦合催化氧化工藝吸脫附性能研究

陳弘俊，韓忠娟，羅福坤，吳瓊，欒志強

（1.嘉園環保有限公司，福州 350003；2.軍事科學院防化研究院，北京 100191）

1 引言

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，包裝印刷、石油煉制、汽車船舶以及化工制藥等行業的VOCs排放量也在逐年增長。VOCs作為大氣污染物之一，是形成PM2.5和光化學煙霧的重要因素[1]。目前我國部分城市的大氣環境已呈現區域性霾污染、臭氧及酸雨等復合型污染特點，其中VOCs是重要誘因之一，嚴重影響了經濟社會的可持續發展，VOCs的治理刻不容緩。轉輪吸附-催化氧化工藝是近幾年興起的VOCs治理新技術，其以凈化效率高、運行安全穩定、能耗小等優勢獲得了市場的認可[2～3]。本文搭建了一套轉輪吸附-催化氧化中試平臺，研究了進氣參數和運行參數對甲苯、乙醇和乙酸乙酯等常見VOCs組分凈化效率的影響規律，得到了一套適宜的轉輪吸附濃縮-催化氧化工藝參數，對實際工程項目的設計和實施具有一定的指導意義。

2 試驗方法

2.1 試驗設備與材料

2.1.1 有機溶劑

試驗使用的甲苯、乙醇和乙酸乙酯等有機溶劑，均為分析純。

2.1.2 有機廢氣制備

使用廢氣發生器制備有機廢氣。廢氣發生器由加熱板、蠕動泵及相關管路組成。使用時，開啟蠕動泵吸取有機溶劑滴在加熱板上，有機溶劑立即受熱揮發，并在風機的帶動下與空氣混合產生試驗所需的有機廢氣。通過調節蠕動泵的流量來控制廢氣濃度。

2.1.3 設備組成

試驗系統由廢氣發生器、過濾器、轉輪、吸附風機、脫附風機、催化氧化床、一級換熱器、二級換熱器、GC-1100氣相色譜儀等組成。

2.2 工藝流程

轉輪吸附-催化氧化工藝流程見圖1。

有機溶劑受熱揮發后，在吸附風機的帶動下和空氣一起經過濾器進入轉輪。利用與二級換熱器換熱后的高溫氣體對吸附在轉輪上的有機物進行脫附；同時另一股冷卻風對脫附后的高溫區進行冷卻，冷卻風和脫附風是同一股氣流。脫附后的高濃度有機氣體，進入催化氧化床進行氧化分解。有機廢氣進入催化氧化設備前，先經過一級換熱器預熱后進入設備，在催化劑的作用下迅速氧化分解為H2O和。

圖1 轉輪吸附-催化氧化工藝流程圖

2.3 分析方法

2.3.1 濃度測定方法

采用GC-1100氣相色譜儀測定相關檢測口的氣體濃度。采用風速儀測定管道風速，管道的風量：

式中：

Q——風量，m3/h；

S——管道的橫截面積，m2；

V——風速，m/s。

2.3.2 定量計算方法

根據以下公式可求得轉輪凈化效率和催化氧化效率。

式中：

C1—轉輪進口濃度，ppm；

C2—轉輪出口濃度，ppm。

式中：

C3—催化氧化床進口濃度，ppm；

C4—催化氧化床出口濃度，ppm。

3 結果與討論

3.1 進氣參數對凈化效率的影響

3.1.1 濃度的影響

濃度是有機廢氣重要的進氣參數，顯著影響轉輪的吸附和脫附效果。圖2顯示了分別在100～500mg/m3進氣濃度條件下，轉輪對甲苯、乙醇和乙酸乙酯的吸收情況，吸附效率均保持在90%以上。三種有機成分均隨著進氣濃度的升高，吸附效率整體呈下降趨勢。在100～300mg/m3范圍濃度對吸附效率影響不大，甲苯、乙醇、乙酸乙酯分別在300mg/m3、300mg/m3、200mg/m3達到吸附峰值。在300～500mg/m3范圍，吸附效率有所降低，但依然保持理想的凈化效果。由此可見，轉輪對于常見的VOCs氣體成分有很好的吸附效果，一定范圍的濃度波動對轉輪凈化效果影響不大。

圖2 不同濃度對吸附效率的影響

3.1.2 溫度的影響

根據吸附材料的基本性質，吸附率隨著溫度升高而減小，因此進氣的溫度也會影響有機組分的吸附。在20℃～50℃的進氣溫度下，甲苯、乙醇和乙酸乙酯吸附效率變化曲線如圖3所示。

圖3 不同進氣溫度對吸附效率的影響

在20℃～30℃范圍內，各組分的吸附效率保持穩定，此時溫度的作用不明顯。當進氣溫度升高至40℃時，各組分的吸附效率明顯下降，其中乙醇下降至80%左右，而甲苯、乙酸乙酯下降至85%左右。繼續升高溫度至50℃，三者的吸附效率均下降至80%以下，其中乙醇的吸附效率降至65%。可看出，溫度對有機組分的吸附效率影響顯著，尤其是乙醇，這是因為相比甲苯和乙酸乙酯，乙醇分子量較小，轉輪對其吸附能力較弱，因而受溫度的影響更明顯。

3.1.3 風量的影響

與活性炭類似，VOCs分子通過轉輪內部的蜂窩狀結構吸附材料時被吸附。進氣風量也是有機廢氣重要的進氣參數，不同的進氣風量導致其通過轉輪的過流速度不同，進而氣體和吸附材料接觸的時間和程度也不相同，影響了轉輪的吸附效率。如圖4所示，分別含甲苯、乙醇和乙酸乙酯的氣體以不同的風量進入轉輪，不同的進氣風量其吸附效率也不相同。三種成分的氣體呈相同的變化趨勢，在1000～1500m3/h時，風量較小，吸附材料的過流速度較小，吸附效果好；2000～3000m3/h時，風量增大，吸附材料的過流速度也增大，影響了吸附材料對VOCs分子的接觸和吸收，導致轉輪吸附效率降低。由實驗結果可知，當進氣風量為2000m3/h時，有較適宜的轉輪吸附效率和處理風量。已知中試平臺的轉輪尺寸為Φ500，則可求得此時轉輪的過流速度：2000/3600/（0.252×3.14×10/12）=3.40m/s。

圖4 不同風量對吸附效率的影響

3.2 運行參數對凈化效率的影響

3.2.1 濃縮比的影響

轉輪通過吸附-脫附過程將低濃度、大風量的廢氣轉化為高濃度、小風量的脫附氣體，即吸附濃縮的過程。濃縮比的定義為進氣風量和脫附風量的比值。濃縮比是轉輪性能的一個重要指標，會同時影響轉輪的吸脫附及催化氧化床的催化效率[5]。如圖5所示，當濃縮比為20:1時，轉輪的吸附率為90%，催化氧化效率為98%；減小濃縮比，轉輪吸附效率上升，而催化氧化效率下降，當濃縮比為3:1時，吸附效率為92%，催化氧化效率降低至96%。減小濃縮比，則脫附再生風量增加，增強了轉輪脫附再生能力，促進了轉輪的吸附，因此濃縮比減小，吸附效率會升高。如果濃縮比太小，則脫附風量過大，造成進入催化氧化床后的催化劑空速增大，催化氧化效率降低。脫附風量大也會增加脫附風機和催化氧化床的能耗。因此，10:1是較適宜的濃縮比，兼顧了效率和能耗。

圖5 不同濃縮比對凈化效率和催化氧化效率的影響

3.2.2 脫附溫度的影響

隨著轉輪的旋轉，其內部吸附材料逐漸積累了較多的VOCs分子，吸附效率開始下降，此時需要高溫氣體對其進行脫附再生，恢復吸附性能。轉輪分別吸附甲苯、乙醇和乙酸乙酯，不同脫附溫度對應的脫附濃度如圖6所示。使用90℃的脫附溫度時，三者的脫附濃度低，說明還有較多的有機物分子未解吸，脫附不完全[6]。脫附溫度越高，脫附濃度也越高，當溫度增至180℃時，三種有機成分均達到較高的脫附濃度，此時轉輪脫附較完全。當溫度繼續升高至210℃，乙醇和乙酸乙酯脫附濃度和180℃對應的脫附濃度基本持平，而甲苯的脫附濃度和180℃時相比略有升高。因此在180℃～210℃時，轉輪對甲苯、乙醇和乙酸乙酯三種常見的有機組分有較徹底的脫附效果。如果繼續升高脫附溫度，可能會導致冷卻再生不完全、吸附和密封材料使用壽命縮短、系統運行能耗增加等不良后果。

3.2.3 轉輪轉速的影響

圖6 不同脫附溫度對脫附濃度的影響

圖7 不同轉輪轉速對吸附效率的影響

不同轉輪轉速對應的吸附效率，如圖7所示。當進氣濃度為800mg/m3時，進氣負荷大，此時轉輪的轉速在25～35Hz時，轉速偏小，吸附區停留時間長，造成部分有機溶劑穿透轉輪，吸附尾氣濃度升高。增加轉輪的轉速至40～45Hz，吸附效率升高，這是因為吸附區停留時間減少，則相同時間內有更多面積的吸附區參與吸附，減少了高濃度有機溶劑的穿透[7]。如果繼續增加轉輪轉速至50Hz，吸附效率又開始降低，這是由于轉輪轉速過快，雖然有更多面積的吸附區參與吸附，但同時脫附區、冷卻區的停留時間也在縮短，造成脫附再生不完全，從而影響了脫附再生后的重新吸附[8]。當進氣濃度為300mg/m3時，轉輪的轉速對吸附效率影響不明顯，吸附效率均在92%以上，這是由于低濃度時轉輪的進氣負荷較小，吸附和脫附再生停留時間的長短對吸附影響不明顯。

4 結論

（1）轉輪處理甲苯、乙醇、乙酸乙酯等常見VOCs組分，均有很好的吸附效率和自適應性，一定范圍的濃度波動對轉輪吸附效果影響不大。

（2）采用轉輪吸附-催化氧化工藝處理常見VOCs組分，適宜的進氣參數為：進氣溫度≤40℃，轉輪過流速度≤3m/s。適宜的運行參數為：轉輪濃縮比10:1，脫附溫度180℃～210℃，根據進氣濃度和風量選擇適宜的轉輪轉速，當進氣濃度高、風量大時要選擇高轉速。

（3）在實際工程項目中，該套參數可供參考借鑒，具體應用應根據實際工況對以上參數進行調整，尤其是轉輪轉速、氧化溫度等參數，確保設備能夠達標排放、穩定運行，并兼顧能耗。