基于交替吸附和分區再生的涂裝廢氣深度治理技術探討

胡 勝

(湖南鑫遠環境科技股份有限公司，湖南 長沙 410008)

揮發性有機物被喻為大氣化學反應的“燃料”，在二次氣溶膠和臭氧的生成過程中起著不可或缺的重要作用[1-3]。涂裝工業作為揮發性有機物最重要的排放源之一，占到工業源發性有機物排放量的20%以上，已被納入全國揮發性有機物減排的重點領域[4-6]。且我國涂裝工業普遍采用的廢氣治理技術為傳統的吸附或吸附-催化燃燒技術，存在治理效率不高，運行能耗高等問題[7-9]。隨著我國環保標準的日益嚴苛和揮發性有機物控制工作進入深水區，如何提升傳統技術處理效率和降低運行能耗，實現涂裝廢氣的深度治理，已成為涂裝行業揮發性有機物控制的必然趨勢。

1 行業概況

涂料是現代工業中不可或缺的材料，涂裝是指將涂料涂覆于需要涂覆或保護的成型構建的主體材料表面(基底)形成具有防護、裝飾或特定功能涂層的過程，在現代經濟和國防領域發揮著重要的作用。我國涂裝行業正處于轉型升級階段，涂裝設備非標化程度高、涂裝工藝落后、噴漆生產自動化程度低、絕大多數采用人工噴涂作業，涂料資源利用率低于國際水平，揮發性有機物產生量遠高于發達國家水平[10]。

涂裝廢氣排放特征：大多為人工噴涂，涂裝作業一般延續時間不長(通常為白天工作，夜間休息)，廢氣排放具有間歇性；涂裝廢氣一般氣量較大、濃度較低。

2 現有治理技術概況

涂裝廢氣治理的重要途徑是在末端安裝廢氣凈化裝置，目前比較成熟的涂裝廢氣治理技術有吸附技術、吸收技術、燃燒技術、離子技術和生物技術。吸附技術是一種傳統的有機廢氣治理技術，也是目前我國應用最為廣泛的有機廢氣治理技術。在目前我國涂裝廢氣治理設備中，吸附凈化設備以及以吸附技術為基礎的集成設備約占總數的50%以上。涂裝廢氣治理工藝普遍采用傳統的吸附濃縮+催化燃燒治理方式。常規工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統吸附濃縮+催化燃燒工藝流程圖

工藝說明：廢氣經收集系統收集送入吸附床A和吸附床B，兩個吸附床為并聯使用；吸附飽和后，吸附系統停止工作，啟動催化燃燒裝置利用熱空氣對吸附床A和吸附床B分別進行脫附處理，將吸附的有機廢氣脫附處理經催化燃燒分解成二氧化碳和水等；經脫附處理吸附床得以再生，重新獲得吸附容量，再次投入吸附處理，以此循環實現涂裝廢氣凈化處理。

3 涂裝廢氣深度治理技術

3.1 傳統技術應用于涂裝廢氣治理存在的不足

目前傳統吸附濃縮+催化燃燒工藝應用于涂裝廢氣治理主要存在以下不足：

(1)吸附去除效率不高

由于涂裝廢氣量大，需要匹配大容量吸附床，隨著吸附設備的增大，吸附過程中氣流不均性加大，容易造成吸附器內氣流的短流現象發出，造成吸附去除效率下降；

吸附床A和吸附床B為并聯使用，涂裝廢氣在兩個吸附床間存在分配不均現象，不可避免地造成吸附床A與吸附床B的穿透曲線不同步，不可避免的造成吸附效率的降低，隨著吸附床數量的增加，該現象更加明顯；

傳統大容量吸附床在再生過程中(普遍采用小風量再生)再生氣流分布不均的現象更加明顯，極易造成不同區域吸附劑再生效果偏差大，再次投入使用時不同吸附區域的廢氣去除效率也不同，易造成總體除去效率的下降；

因此，無法滿足涂裝廢氣深度處理要求。

(2)吸附劑吸附容量利用率低，再生頻繁，使用壽命縮短

傳統吸附工藝采取多吸附床并聯運行模式，由于各吸附床的負荷曲線不同步，多個吸附床中一個吸附器發送穿透后即會引起吸附效率的顯著下降，要求進入再生狀態，易造成吸附劑再生頻繁和使用壽命縮短，隨著環保標準的日益嚴格，這種現狀將根據明確。

(3)再生能耗高，運行經濟性差

傳統催化燃燒再生方式為對吸附床整體進行再生，啟動時間長，且啟動過程依賴外部高功率電加熱，能耗高；

熱能利用率低：再生出廢氣濃度波動大，廢氣脫附集中造成反應后廢氣溫度過高，大量熱量需外排，造成有機廢氣熱量利用率低；

傳統方式造成的頻繁再生進一步加大了系統運行能耗和成本。

3.2 涂裝廢氣治理技術改進

針對傳統吸附濃縮+催化燃燒工藝應用于涂裝廢氣治理主要存在的不足，結合涂裝廢氣排放量大和間斷工作特點，提出交替吸附和分區再生方案以提高處理效率和降低再生能耗及系統運行成本。工藝流程詳見圖2。

圖2 改進型吸附濃縮+催化燃燒工藝流程圖

工藝說明：廢氣經收集系統收集后，可選擇性送入吸附床A或吸附床B，兩個吸附床為串聯使用，廢氣經兩級吸附后實現深度處理，實現超低排放。第一級吸附床吸附飽和后，利用涂裝工作間歇期間對第一級吸附床進行再生，然后通過閥門切換實現交替吸附將再生好的第一級吸附床轉化為新的第二級吸附，在充分利用吸附劑吸附容量的同時減少再生頻率，節約運行費用。催化燃燒裝置通過閥門切換實現吸附床的分區再生，節約再生能耗。

3.3 交替吸附

對傳統進行改進后，在不改變吸附劑用量和吸附器容量條件可實現梯級吸附和廢氣的超低排放，具體實現方式為：如圖2所示，閥門F101和閥門F112開啟，閥門F102和閥門F111關閉，收集系統收集的廢氣經閥門F101進入第一級吸附床(吸附床A)，再進入第二級吸附床(吸附床B)進行深度處理后，最后通過閥門F112實現超低排放。第一級吸附床(吸附床A)吸附飽和后，關閉閥門F121和閥門F122，開啟催化燃燒裝置對吸附床A進行再生。再生完成后，閥門F102和閥門F111開啟，關閉閥門F101和閥門F112，收集系統收集的廢氣經閥門F102進入第一級吸附床(吸附床B)，再進入第二級吸附床(吸附床A)進行深度處理，從而實現交替吸附。

針對涂裝廢氣排放量大，吸附器容積大的特點，對吸附床內吸附劑進行了優化布置，將吸附劑分四區布置，每兩層吸附劑中間設置有廢氣再分布區，有效避免了傳統大容量吸附床廢氣短流問題。廢氣從吸附器中間進入，向兩側流經吸附層，有效降低了吸附劑內廢氣流速，減少了系統壓損。吸附床A和吸附床B之間通過閥門連接，同時吸附器內留有混合區，廢氣經吸附床A進入吸附床B過程中實現了混合均質，有效減緩了低濃度廢氣的傳質阻力，為廢氣深度處理和超低排放奠定了基礎。

采用兩級吸附，第一級應用廢氣本身高濃度實現高效吸附，第二級利用吸附劑處于吸附負荷曲線前端(低負荷)實現廢氣深度處理，再通交替吸附使第二級吸附始終處于低負荷區，在充分利用第一級吸附容量的同時實現廢氣的超低排放。

3.4 分區再生

針對傳統大容量有機廢氣吸附裝置再生過程中存在的再生不均勻、再生效率低、再生廢氣濃度波動大、再生熱能利用率低、存在的安全風險大等問題，通過對吸附器內吸附劑進行分區布設和閥門切換實現了再生過程的均勻、穩定、高效和安全。實現方式如下：如圖2所示，將吸附床A內吸附劑從左至右依次分為吸附區Ⅰ、吸附區Ⅱ、吸附區Ⅲ和吸附區Ⅳ，通過調整閥門依次再生吸附區Ⅱ、吸附區Ⅱ和吸附區Ⅰ、吸附區Ⅲ、吸附區Ⅲ和吸附區Ⅳ，從而實現再生廢氣濃度均勻和催化燃燒產生的熱量高效利用，有效節約再生能耗和運行成本。

4 治理效果

采用交替吸附和分區再生對浙江嘉善某大型家具噴涂廢氣治理工程進行改造，在吸附劑用量不變條件下，通過交替吸附方式廢氣去除效率大于95%，廢氣總VOCs排放濃度低于10 mg/m3。相對與傳統方式廢氣治理效率提升了約10%，實現了涂裝廢氣超低排放。同時吸附裝置再生頻率下降了30%，有效延長了吸附劑使用壽命。

分區再生方式可以使再生加熱時間節約50%，再生廢氣濃度穩定控制在自持燃燒范圍內，充分利用再生廢氣提供熱能。

5 結 論

采用交替吸附和分區再生方式改進傳統涂裝廢氣治理技術，通過兩級交替吸附，可實現廢氣的深度治理和超低排放。同時，兩級交替吸附可實現吸附劑吸附容量的高效利用，減少吸附劑再生頻率，從而延長吸附劑使用壽命和降低涂裝廢氣治理系統運行費用。分區再生方式實現了大容量吸附裝置的高效、節能、安全和穩定再生，再生綜合節能效率大于65%。