活性炭吸脫附+催化燃燒處理有機(jī)廢氣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳殿君，秦 佩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230000)

對(duì)于大氣量、低濃度有機(jī)廢氣的處理，目前主流工藝為“吸附濃縮+脫附處理”，吸附濃縮是通過(guò)沸石分子篩、活性炭等多孔介質(zhì)對(duì)污染物進(jìn)行吸附，常見的脫附后的處理方式有催化燃燒、焚燒處理、冷凝回收等?；钚蕴课饺萘看蟆r(jià)格低廉，催化燃燒低溫高效，因此活性炭吸脫附+催化燃燒技術(shù)在大氣量、低濃度有機(jī)廢氣處理中較為常見。

因此本文以氣量30000m3/h(工況)，非甲烷總烴濃度≤200mg/m3，主要成分為甲苯、正丁醇等稀釋劑的噴涂行業(yè)有機(jī)廢氣為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)吸附效率90%，排放濃度約20mg/m3符合大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB16297-1996 表2)。

1 設(shè)計(jì)原理

利用活性炭豐富的微孔、介孔等孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)分子間范德華力將VOCs吸附在孔隙中，達(dá)到凈化廢氣的目的；同時(shí)吸附為物理過(guò)程，是可逆的，通過(guò)熱空氣升溫方式解吸，VOCs回到氣相中，完成整個(gè)吸附-濃縮過(guò)程。

催化燃燒(Catalytic oxidation，以下簡(jiǎn)稱CO)利用催化劑表面的活性位點(diǎn)，使氧分子和污染物在催化劑表面反應(yīng)，降低反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)效率，使得原本在600℃以上才能發(fā)生的氧化反應(yīng)在250～300℃就可以進(jìn)行，且凈化效率一般不低于95%。使有機(jī)污染物氧化分解生成 CO2和H2O并釋放出大量熱量，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。其反應(yīng)方程式見式1。

(1)

催化劑通常以Pd、Pt等貴金屬為活性組分，以過(guò)度金屬氧化物、分子篩等為載體。催化燃燒處理污染物的最終產(chǎn)物為無(wú)污染的CO2和H2O，運(yùn)行能耗低。由于反應(yīng)溫度低，可以很好地控制熱力型NOx的生成，在有機(jī)廢氣處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。汞、鉛、錫、鋅、磷化物及顆粒物等物質(zhì)會(huì)抑制催化劑活性，因此有機(jī)廢氣要經(jīng)過(guò)預(yù)處理才能進(jìn)入催化燃燒設(shè)備。

圖1 工藝流程方框圖

本方案設(shè)計(jì)2吸1脫+CO在線脫附，利用換熱器回收高溫?zé)煔鉄崮?，運(yùn)行能耗低，其中2個(gè)活性炭吸附床處于吸附狀態(tài)，1個(gè)活性炭吸附床處于脫附或待機(jī)狀態(tài)，工藝流程方框圖見圖1。

首先將外排廢氣源收集經(jīng)干式過(guò)濾去除廢氣中漆霧粉塵雜質(zhì)，再進(jìn)活性炭吸附床進(jìn)行吸附凈化，吸附后的氣體可直接達(dá)標(biāo)排放。吸附在活性炭?jī)?nèi)的有機(jī)物采用熱空氣脫附，脫附氣量:總廢氣量取1∶15左右，脫附后的高濃度氣體采用CO工藝進(jìn)一步處理達(dá)標(biāo)排放，利用CO爐高溫?zé)煔饧訜崦摳綒怏w至脫附溫度，用于活性炭脫附，以節(jié)約能耗?；钚蕴课讲捎迷诰€處理滿足24小時(shí)生產(chǎn)需要，活性炭采用2+1只固定吸附床，2活性炭吸附床處于吸附工作，1只備用吸附床處于脫附工作或待吸附狀態(tài)，交替切換吸附飽和活性炭吸附床。

2 工藝計(jì)算

2.1 干式過(guò)濾箱

采用干式過(guò)濾箱濾除廢氣中的漆渣、顆粒物等組分，一般采用G4+F5+F7三級(jí)過(guò)濾，按EN 779對(duì)空氣過(guò)濾器分級(jí)表見表1，每一級(jí)設(shè)置壓差表，監(jiān)控濾袋狀態(tài)，截面風(fēng)速一般取1.5～2.5m/s，本設(shè)計(jì)取2m/s進(jìn)行計(jì)算，則：

過(guò)濾面積S=Q/v=(30000m3/h) /(3600s/h)/(2m/s)≈4.2m2

常用濾袋截面尺寸為600mm×600mm左右，為擺放方便，濾袋數(shù)量取12個(gè)，則實(shí)際截面風(fēng)速為1.92m/s。

表1 按EN 779對(duì)空氣過(guò)濾器分級(jí)表

2.2 活性炭吸附箱

2.2.1 活性炭填裝量計(jì)算

活性炭選用風(fēng)阻較小的蜂窩活性炭，碘值在600～800mg/g，單塊尺寸100mm×100mm×100mm，設(shè)計(jì)流速低于1.2m/s。設(shè)計(jì)活性炭5層，流速1.0m/s，運(yùn)行過(guò)程中有2個(gè)活性炭吸附床處于吸附狀態(tài)，因此單床活性炭填裝量為：

(30000m3/h ) ×(0.5m/(1m/s))/(3600s/h)/2臺(tái)≈2.1m3

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算單活性炭吸附床截面積：(30000m3/h)/(3600s/h)/(1m/s)/2臺(tái)≈4.2m2

則3臺(tái)吸附床的活性炭填裝量約6.3m3。

2.2.2 脫附周期計(jì)算

設(shè)計(jì)吸附效率90%，飽和吸附量為活性炭自重的20%，當(dāng)吸附量達(dá)到飽和吸附量的80%時(shí)進(jìn)行脫附，活性炭堆積密度約550kg/m3則：

單活性炭吸附床脫附時(shí)吸附量： 2.1m3×550kg/h×20%×80%=184.8kg

單活性炭吸附床每小時(shí)吸附量：30000m3/h×200mg/m3×90%/2臺(tái)=2.7kg/h

脫附周期應(yīng)為：184.8kg/(2.7kg/h)=68.4h

在實(shí)際運(yùn)行中，廢氣中有機(jī)物濃度是波動(dòng)的，平均濃度一般低于200mg/m3，因此脫附時(shí)吸附量沒(méi)有達(dá)到飽和吸附量的80%。同時(shí)，隨著脫附次數(shù)的增加，活性炭吸附容量會(huì)有一定衰減，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)縮短脫附周期，最終更換活性炭。

2.3 催化燃燒設(shè)備

催化燃燒可以在較低溫度下將廢氣中的有機(jī)物氧化為CO2和H2O，釋放一定熱能，利用余熱來(lái)對(duì)活性炭進(jìn)行脫附再生，達(dá)到活性炭循環(huán)利用的效果，本設(shè)備主要包括換熱器、電加熱組件、催化燃燒室、脫附溫控系統(tǒng)組成，本催化燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)風(fēng)量為2000Nm3/h。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范，脫附氣流溫度低于100℃，脫附后氣流溫度在60℃左右，經(jīng)換熱器預(yù)熱后達(dá)到180～200℃，經(jīng)電加熱組件加熱至280℃左右(設(shè)定值一般為250～300℃)，有機(jī)物自身氧化釋放熱能使廢氣溫升70℃左右，即達(dá)到350℃，經(jīng)換熱器回收大部分熱能后排放溫度180℃左右，再經(jīng)補(bǔ)風(fēng)降溫降至100℃以下，一部分引入活性炭吸附床進(jìn)行活性炭脫附，剩余潔凈煙氣高空排放，完成"脫附→處理→排放"的過(guò)程。

2.3.1 催化劑填裝量計(jì)算

催化劑為貴金屬催化劑，常見國(guó)內(nèi)催化劑廠家有貴研所、中船重工、凱明等，空速取10000h-1-1～40000h-1，本設(shè)計(jì)取12000h-1，設(shè)計(jì)脫附風(fēng)量為2000Nm3/h，則催化劑填裝量為167L。

2.3.2 換熱器面積計(jì)算

本換熱器選擇板式換熱器，逆流換熱。熱流體進(jìn)溫度350℃；熱流體出溫度190℃；冷流體進(jìn)溫度60℃；熱流體出溫度210℃；根據(jù)《熱交換器》GB 151計(jì)算平均對(duì)數(shù)溫差△tm，根據(jù)手冊(cè)及經(jīng)驗(yàn)，空氣對(duì)空氣換熱K值取16W/(m2·K)，根據(jù)Q=K·A·△tm計(jì)算得A=53m2。

2.3.3 加熱功率計(jì)算

經(jīng)換熱器預(yù)熱后，氣流溫度為210℃左右，需要加熱至280℃，取中間溫度約250℃的空氣熱容c=0.248Kcal/(kg·℃)，空氣密度約1.29kg/Nm3，根據(jù)Q=c·m·△t得理論運(yùn)行功率52.1kW?？紤]熱量散失、冷機(jī)啟動(dòng)及項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等，設(shè)備加熱功率取82.5kW。

2.4 設(shè)備安全及控制

2.4.1 脫附安全

(1)在脫附管道設(shè)置熱電偶，監(jiān)測(cè)脫附氣流溫度，保證脫附氣流溫度不高于100℃。

(2)在活性炭吸附床設(shè)置熱電偶監(jiān)測(cè)活性炭溫度，配置氮?dú)饧跋浪畤娏芟到y(tǒng)。當(dāng)活性炭溫度高于120℃時(shí)，設(shè)備報(bào)警并通入氮?dú)庵脫Q，隔絕氧氣；當(dāng)活性炭溫度高于150℃時(shí)，設(shè)備報(bào)警并所有閥門關(guān)閉、設(shè)備停機(jī)啟動(dòng)消防水噴淋系統(tǒng)。

2.4.2 催化燃燒安全

催化燃燒室設(shè)置熱電偶，當(dāng)催化燃燒室高于450℃時(shí)設(shè)備報(bào)警，高于500℃時(shí)設(shè)備報(bào)警停機(jī)。

2.4.3 自動(dòng)控制

(1)干式過(guò)濾箱監(jiān)測(cè)：當(dāng)濾袋阻力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，報(bào)警提示更換濾袋。

(2)吸附設(shè)備自動(dòng)控制：在設(shè)備前主風(fēng)管設(shè)置差壓變送器，與末端風(fēng)機(jī)關(guān)聯(lián)控制，當(dāng)前段設(shè)備風(fēng)量降低時(shí)自動(dòng)降低風(fēng)機(jī)頻率，達(dá)到節(jié)能的效果。

(3)脫附設(shè)備自動(dòng)控制：在設(shè)備多處設(shè)置熱電偶，對(duì)加熱功率進(jìn)行補(bǔ)償、脫附溫度進(jìn)行控制，使各個(gè)位置溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。

3 總結(jié)

上述工藝計(jì)算基于項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、手冊(cè)參數(shù)、國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相關(guān)項(xiàng)目運(yùn)行穩(wěn)定，排放達(dá)標(biāo)，這表明本活性炭吸脫附+催化燃燒工藝設(shè)計(jì)是合理的，可供環(huán)保人員參考借鑒，對(duì)節(jié)能減排工作的推進(jìn)具有積極意義。