有機廢氣顆粒物預處理技術的應用研究

王騰驕，孫永嘉，徐遵主

(南京大學環境規劃設計研究院股份公司，江蘇 南京 210093)

工業企業排放的揮發性有機物(VOCs)廢氣中含有顆粒物是一個較為普遍的現象，比如：噴漆廢氣、印刷廢氣、機加工油霧廢氣、化工行業反應釜投料廢氣等，這類廢氣中VOCs、顆粒物等污染物共同存在。顆粒物的存在直接影響VOCs廢氣處理系統的正常運行，導致VOCs去除效率下降、系統故障等問題，因此，在有機廢氣治理工程設計中應重點考慮顆粒物的預處理。

顆粒物預處理技術即在有機廢氣中含有顆粒物時，在VOCs凈化系統前先凈化去除有機廢氣中顆粒物的技術。目的是使預處理后的有機廢氣顆粒物濃度明顯降低，對VOCs凈化系統基本不產生影響。本文分析了顆粒物對常規VOCs處理系統的影響，綜述了目前較為成熟的顆粒物預處理技術，并分析了各方法的優缺點和適用范圍，最后論述了增設顆粒物預處理系統后對VOCs處理系統的影響。

1 顆粒物對VOCs處理系統的影響分析

目前較為成熟的VOCs治理工藝有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法、催化燃燒法、熱力燃燒法、光催化法以及活性炭吸附脫附-催化燃燒、沸石轉輪吸附濃縮+蓄熱焚燒等，其中顆粒物主要對吸附法、催化燃燒法、熱力燃燒法、光催化法等影響較大，目前國家已有相關技術規范，明確規定采用吸附法、催化燃燒法、蓄熱焚燒法時，有機廢氣中的顆粒物濃度限值，具體如表1所示。

表1 VOCs治理工藝進口顆粒物濃度限值要求

因此本文主要分析顆粒物對吸附法、催化燃燒法、蓄熱焚燒法的影響。

吸附法中吸附劑往往選取具有較大比表面積的多孔材料，比如顆粒物活性炭、蜂窩活性炭、活性炭纖維(ACF)、沸石轉輪、分子篩、石墨烯等[4]。當廢氣中含有顆粒物時，顆粒物會積聚在吸附劑表面造成吸附失效，降低吸附劑對VOCs的吸附效率，并使系統流阻大幅增加。若未及時更換吸附劑或有效去除吸附劑上積聚的粉塵，可能會導致電機燒毀等故障，系統最終無法正常運行。

催化劑是催化燃燒器的核心構件，直接影響催化燃燒系統的成功與否。含塵有機廢氣中的顆粒物會在催化劑表面或孔道內堆積，使催化劑的活性中心減少，造成催化劑失活，降低VOCs的去除效率[5-6]。此外，顆粒物會粘附在換熱器內表面，降低換熱效率，同時也會增加設備阻力。

含塵有機廢氣中的顆粒物對蓄熱焚燒系統造成最大的危害是顆粒物蓄積在蓄熱床層內，導致蓄熱床堵塞，增加設備阻力[7]。此外顆粒物還有可能進入蓄熱燃燒爐燃燒室內，進入火焰檢測器管路內，造成火焰檢測不靈敏等情況[8]。

2 顆粒物預處理技術選擇

顆粒物預處理技術從原理上可以分為干法和濕法。干法是利用慣性原理，將顆粒物攔截在過濾材料上的凈化方法，常規的干法包括過濾器(粗效過濾器、中效過濾器、高、中效過濾器、亞高效過濾器和高效過濾器)、濾筒除塵器、袋式除塵器等，重力除塵器、慣性除塵器、旋風除塵器等除塵工藝對顆粒物去除效率較低，且投資費用較高，不宜作為顆粒物預處理器。

濕法是利用慣性或離心力等將顆粒物攜帶入水中的凈化方法，常規的濕法包括：噴淋塔、水膜(簾)等；

不同行業產生的有機廢氣中的顆粒物千差萬別，應根據廢氣和顆粒物的性質采取有針對性的預處理技術。選擇顆粒物預處理技術時需考慮的主要因素有：①廢氣中顆粒物粒徑范圍；②顆粒物產生濃度及速率；③廢氣濕度、溫度等因素；④顆粒物的性質(黏度、比重、燃爆性等)；⑤顆粒物處理目標濃度等。

2.1 濕法預處理技術的適用性和優缺點分析

濕法顆粒物預處理技術適用于處理粒徑較大、比重較大、有黏性、易燃爆的顆粒物，以及廢氣進口顆粒物濃度較低、去除效率不要求太高的場合。

優點：①系統運行可靠，顆粒物會沉積在設備水槽底部，噴淋水經過濾后可循環使用，系統能夠長期運行；②濕法經濟性較高，投資、運行費用相對較低。

缺點：①產生廢水、廢渣等二次污染，易于處理；②造成廢氣含濕量較大，影響后續VOCs凈化效果。

2.2 干法預處理技術的適用性和優缺點分析

干法顆粒物預處理技術適用于處理粒徑較小的顆粒物，以及顆粒物處理目標濃度較低的場合。

優點：①對顆粒物的去除效率較高，尤其對粒徑較小的顆粒物，其去除效率高于濕法預處理技術；②設備安裝，運行維護較為方便。

缺點：①容塵量有限，需定期更換濾材，失效的濾材一般作為危險廢棄物進行處理處置，運行費用較濕法高；②設備阻力大。當顆粒物去除效率要求較高時，一般考慮多級過濾組合，設備終阻力可達1000 Pa，若設備不及時更換，對系統影響較大。

2.3 顆粒物預處理系統工程實例

不同類別有機廢氣常規的顆粒物預處理系統工程實例列舉如表2所示。

表2 顆粒物預處理系統工程實例

3 顆粒物預處理工藝對VOCs處理系統的影響分析

3.1 干法對VOCs處理系統的影響

干式預處理系統最大的特點是需要定期更換濾材，更換濾材時系統需停止運行，以保證操作人員的安全，并避免濾材上的粉塵被氣流帶入VOCs處理系統。對于熱力焚燒、催化燃燒等VOCs處理系統宜持續運行，不宜頻繁啟停，因此更換濾材會對這些系統產生沖擊，影響其穩定運行。因此在采用干式顆粒物預處理系統時，系統需考慮設置備用裝置、應急排放裝置等，減少對VOCs處理系統的影響。

3.2 濕法對VOCs處理系統的影響

濕式顆粒物預處理系統在去除顆粒物的同時，會對廢氣的濕度、溫度、VOCs濃度產生影響，從而對后續VOCs處理系統的選擇、運行產生影響。

(1)增加廢氣濕度

濕法除塵利用水的重力將逆向的廢氣中的顆粒物攜帶至水中，同時廢氣會攜帶少量水汽進入后續VOCs處理系統，增大廢氣的相對濕度，主要對吸附法影響較大。

廢氣中的水分子會與VOCs形成競爭吸附，研究表面，當廢氣的相對濕度大于50%時，會明顯抑制吸附劑對VOCs的吸附[9]。因此在選擇濕法顆粒物預處理系統作為吸附法的顆粒物預處理技術時，還需要在濕法顆粒物預處理系統后增加除霧除濕裝置，降低廢氣的相對濕度。

(2)降低廢氣溫度

對于含有一定溫度的廢氣，采用濕法預處理技術，會降低廢氣的溫度。采用吸附法時，降低廢氣溫度，有利于VOCs的吸附去除。采用焚燒法時，降低廢氣溫度，會使得廢氣處理的溫差增加，導致輔助能源消耗量增大。

(3)可能降低VOCs濃度

若有機廢氣中存在水溶性有機物，如甲醇、丙酮等，會同時起到去除水溶性有機物的作用，降低廢氣中VOCs濃度。降低VOCs濃度可以降低吸附法、光催化氧化等系統的污染物處理負荷，提高系統對VOCs的去除效率，并降低系統運行費用。

但對于熱力焚燒、催化燃燒等需要利用廢氣中VOCs燃燒熱值的處理工藝，廢氣中VOCs濃度的降低，會增加天然氣、電等輔助能源的用量，導致系統運行費用增加。

3.3 系統阻力增加

無論干法還是濕法顆粒物預處理系統，都會增加系統運行阻力，各類顆粒物預處理系統的阻力值(預留一定余量)匯總如表3所示。

表3 各預處理系統終阻力建議值

當采用干式多級過濾組合或濕法+干法組合時，系統阻力增加更為明顯。因此，在進行VOCs處理系統設計時需充分考慮顆粒物預處理系統增加的阻力，在設備設計時應考慮增加壓差計和壓差報警裝置，及時更換堵塞的濾袋或填料等，防止系統超壓運行[10]。

4 結 語

有機廢氣中顆粒物會對VOCs凈化系統造成諸多不利影響，如吸附劑、蓄熱層堵塞，催化劑活性降低，換熱器換熱效率降低等，因此在VOCs治理工程設計時必須考慮預處理顆粒物。顆粒物預處理技術分為濕法和干法，在實際工程應用中，需根據具體情況選擇合適的預處理技術，同時還應注意顆粒物預處理系統對后續VOCs凈化系統的影響，并采取相應的解決措施，確保VOCs凈化系統能夠穩定運行。