分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的判定與原因分析

張紅偉

（維珂瑞（北京）環(huán)境科技有限公司，北京 100012）

VOCs來源廣泛，涉及生產(chǎn)、生活等多個途徑。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，VOCs排放量與日俱增，給人們的生活環(huán)境帶來了嚴重影響。對于大風量、低濃度的廢氣處理，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)應用廣泛。但是，在實際運行過程中，若處理工藝設(shè)計不當，或轉(zhuǎn)輪性能較差，也會發(fā)生各種運行故障，其中，轉(zhuǎn)輪燜燒是最常見的現(xiàn)象之一。轉(zhuǎn)輪燜燒是指分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在實際運行過程中，由于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部受熱不均勻發(fā)生的一種不同程度燃燒的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪燜燒不僅會對轉(zhuǎn)輪及附屬設(shè)備的壽命造成嚴重影響，也可能會造成更為嚴重的運行事故，直接威脅操作人員的生命安全。因此，快速、精準判斷分子篩轉(zhuǎn)輪運行過程中燜燒現(xiàn)象的發(fā)生，并能采取及時、有效的控制方式，對消除由此帶來的設(shè)備故障和安全隱患尤為重要。

1 分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪及工藝簡介

分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪核心部件為分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯，其是由分子篩吸附介質(zhì)和陶瓷纖維組成，其中分子篩吸附介質(zhì)是一種具有均勻孔道結(jié)構(gòu)的無機化合物。

根據(jù)不同作用，分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分為吸附區(qū)、解析區(qū)和冷卻區(qū)，各個區(qū)域由耐熱、耐溶劑的密封性材料分隔。圖1給出了分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪輪芯結(jié)構(gòu)及VOCs處理工藝示意圖。首先，低濃度、大風量、常溫（40℃以下）的廢氣在風機輸送下通過分子篩轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)，VOCs被分子篩吸附，凈化后的氣體直接排放。由于吸附是放熱的，因此，凈化后排氣會有1～5℃的溫升；當吸附區(qū)分子篩吸附飽和時，分子篩轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動至解析區(qū)，VOCs分子從轉(zhuǎn)輪上解析脫附，解析溫度為150～180℃。解析完成后，解析區(qū)轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動至冷卻區(qū)，經(jīng)冷卻降溫后，轉(zhuǎn)輪塊體恢復吸附能力，此時，冷卻區(qū)排氣溫度約為60～90℃。

圖1 分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯結(jié)構(gòu)及工藝示意圖

在轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動下，轉(zhuǎn)輪不斷轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)吸附、解析、冷卻循環(huán)進行，確保廢氣處理持續(xù)穩(wěn)定的運行。

分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪廢氣處理技術(shù)主要設(shè)備組成如圖2所示，主要包括氣體過濾器、分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯、加熱器、轉(zhuǎn)動電機及動力傳輸設(shè)備（風機）等。

圖2 分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪廢氣處理技術(shù)主要設(shè)備組成示意圖

2 判定分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的方法

由上文可知，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在正常運行過程中，工藝參數(shù)一旦確定，各區(qū)進、出氣體溫度均在可控范圍內(nèi)波動，如表1所示。

表1 分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪正常工作時各區(qū)進出氣溫度常見數(shù)值

因此，通常情況下，各反應區(qū)進、出氣端均設(shè)置有溫度監(jiān)控裝置及溫度異常報警裝置，通過對各路氣體溫度實時監(jiān)測，并及時反饋和控制，進而保證整個處理工藝的穩(wěn)定運行。

但是，在實際監(jiān)測過程中，轉(zhuǎn)輪解析區(qū)及冷卻區(qū)排氣溫度偶爾會出現(xiàn)如圖3所示。系統(tǒng)剛開始運行（0～40min）時，解析區(qū)排氣溫度始終維持在50～80℃，而冷卻區(qū)排氣溫度始終維持在60～90℃。當運行至45min時，解析區(qū)與冷卻區(qū)溫度開始持續(xù)升高。至75min時，解析區(qū)排氣溫度高于110℃，至80min時，冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃，并且高于相應溫度時間持續(xù)5min以上，若發(fā)生這種現(xiàn)象，則推斷認為分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒，需要及時拆開檢查，并對可能導致該現(xiàn)象發(fā)生的原因進行排查。因此，溫度判定法是一種最直接、有效的判定分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的方法。

圖3 解析區(qū)排氣溫度及冷卻區(qū)排氣溫度隨時間的變化

3 分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的原因

3.1 廢氣組分

（1）低沸點組分。湖北某制藥公司于2019年對合成車間散排廢氣及污水池廢氣使用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置，該項目轉(zhuǎn)輪在運行一年后拆機檢修時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因，對該項目廢氣進行氣相色譜-質(zhì)譜檢測，分析結(jié)果如圖4及表2所示。從數(shù)據(jù)分析看，該項目有機廢氣中含有大量低沸點（低于100℃）的有機廢氣分子，如丙酮、乙腈等。為滿足沸點較高的有機物（如3-乙基3-甲基庚烷（164℃）、3,3-二甲基辛烷（168℃））的正常解析，設(shè)計該工藝解析溫度為150～180℃。

表2 有機廢氣處理項目廢氣組成

圖4 VOCs有機廢氣色譜圖

當進氣中低沸點有機分子在轉(zhuǎn)輪上不斷吸附濃縮時，在較高的解析溫度（150～180℃）下，這些有機分子就會與氣體中的氧氣發(fā)生氧化反應，并放出大量的熱，因此會直接導致分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。由此，可以解釋本項目轉(zhuǎn)輪輪芯發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因。

（2）高沸點組分。浙江某制藥廠生產(chǎn)車間有較明顯的異味，對該車間通風換氣，產(chǎn)生大量的低濃度廢氣。2017年，該公司為保證排氣達標，采用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置。該裝置運行兩年后在拆機檢修時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因，對該項目廢氣進行氣相色譜-質(zhì)譜檢測，分析結(jié)果如圖5及表3所示。從數(shù)據(jù)分析看，該項目有機廢氣中含有高沸點（高于180℃）的有機廢氣分子，如6-乙基2-甲基癸烷（沸點217℃）、3-甲基十一烷（沸點217℃）等。這些物質(zhì)在常規(guī)解析溫度下無法發(fā)生解析，而本項目所設(shè)計的解析溫度為150～180℃。

表3 有機廢氣處理項目廢氣組成

圖5 VOCs有機廢氣色譜圖

由此可以推斷，當有機廢氣中存在大量高沸點氣體時，由于其沸點較高，當采用常規(guī)解析溫度（150～180℃）時，吸附在分子篩孔道內(nèi)部的高沸點有機分子脫附效率較低，從而占據(jù)吸附位。隨著項目運行時間的延長，轉(zhuǎn)輪會因內(nèi)部高沸點物質(zhì)不斷富集吸附位被占據(jù)而降低吸附效率，為使其維持較高的吸附脫附效率，需定期進行高溫脫附（200～230℃）。而在高溫脫附期間，輪芯內(nèi)部富集的高沸點有機物與氧氣發(fā)生氧化反應形成焦體物質(zhì)，造成轉(zhuǎn)輪不通暢且局部過熱，最終導致燜燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

圖6 為河北某化工原料生產(chǎn)車間有機廢氣處理工藝中監(jiān)測的分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯運行2年期間壓降隨時間的變化圖，從圖中可以看出，剛開始運行（0～12個月）時，轉(zhuǎn)輪壓降約200～500Pa，而運行一年后，監(jiān)測的壓降明顯升高，最高達到1000Pa。對轉(zhuǎn)輪進行停機檢查，發(fā)現(xiàn)輪芯盤面局部發(fā)生燜燒，同時，發(fā)生燜燒區(qū)域的輪芯孔道也存在明顯的堵塞現(xiàn)象。

圖6 某項目分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯壓降隨時間的變化圖

由此可見，轉(zhuǎn)輪輪芯孔道堵塞可能是導致轉(zhuǎn)輪輪芯內(nèi)部發(fā)生燜燒的原因之一。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯主要是由吸附介質(zhì)（分子篩）和骨架結(jié)構(gòu)（陶瓷纖維）組成，其中陶瓷纖維及輪芯塊體之間使用密封膠黏連而成，因此在一定程度上容易造成骨架坍塌，進而影響了輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，雖然分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯具有規(guī)則的孔道，保證廢氣流通的同時能有效地降低壓損，節(jié)省能耗，但是，通常情況下，該孔道尺寸相對較小，容易造成孔道堵塞。

此外，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部容易引起孔道堵塞的物質(zhì)還包括：

（1）高沸點物質(zhì)聚合。如3.1（2）所述，高沸點有機物存在會導致分子篩脫附不完全，隨著運行時間延長，這些物質(zhì)含量不斷增加，且會與氧氣發(fā)生氧化反應形成焦體物質(zhì)，進而導致分子篩孔道及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道不斷堵塞。

（2）無機組分。若處理廢氣中含有NaCl、CaCl2、MgCl2等一定濃度的無機組分時，這些組分會在分子篩表面以及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道中發(fā)生吸附，并不斷累計，最終導致輪芯孔道結(jié)構(gòu)的堵塞。

（3）密封材料磨損。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分區(qū)支架與箱體之間采用耐高溫復合材料進行軟密封，當轉(zhuǎn)輪長期運行后，密封材料會出現(xiàn)一定程度的磨損，磨損的密封材料會粘連在轉(zhuǎn)輪表面，形成薄膜進而堵塞轉(zhuǎn)輪。

3.3 轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝

如第1章所述，分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯和過濾器、加熱器、轉(zhuǎn)動電機及動力傳輸設(shè)備（風機）結(jié)合構(gòu)成一套完整的分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理工藝，其中若轉(zhuǎn)動故障或解析氣加熱存在問題時，也會導致分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒。

（1）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動故障。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯持續(xù)轉(zhuǎn)動是保證該工藝正常運行的基本條件，轉(zhuǎn)動電機是維持其轉(zhuǎn)動所需的動力設(shè)備，在運行過程中，電控對轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)控，轉(zhuǎn)速異常則會發(fā)生報警。

例如，河北某制藥公司廢氣治理項目，系統(tǒng)運行過程中曾出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速異常報警現(xiàn)象，并伴隨有轉(zhuǎn)輪凈化氣中非甲烷總烴數(shù)據(jù)超標現(xiàn)象，如圖7所示。

如圖7，在系統(tǒng)正常運行（0～8h）時，凈化排氣中非甲烷總烴明顯低于50mg/m3，但是，當控制面板上轉(zhuǎn)輪發(fā)出低速運轉(zhuǎn)（小于1r/h）報警（9h后），凈化排氣中非甲烷總烴含量迅速達到150mg/m3。對系統(tǒng)進行停機檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部有明顯燜燒現(xiàn)象。

圖7 某項目轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速異常前后凈化氣中非甲烷總烴隨時間變化圖

其主要原因是，當轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速較低或停止轉(zhuǎn)動時，會導致吸附區(qū)長期處于吸附狀態(tài)，從而使得吸附近飽和狀態(tài)的分子篩無法進行解析，從而使得吸附效率降低，排氣非甲烷總烴升高。而對于解析區(qū)，由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變慢或停止轉(zhuǎn)動且長時間未進行處理時，會導致該區(qū)域長時間被解析氣加熱，進而溫度不斷升高。當該區(qū)域集聚了大量的有機分子時，這些有機分子在持續(xù)的高溫環(huán)境中會和分子篩孔隙中的氧氣發(fā)生觸媒反應，從而形成放熱并導致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）解析氣熱源。高溫解析氣的加熱方式通常包括電加熱、蒸汽加熱及燃氣加熱等方式，當業(yè)主方能夠提供充足燃氣時，為節(jié)省能源，降低能耗，通常采用燃氣加熱的方式進行，而此時，氣體燃燒機是必不可少的設(shè)備之一。通常，燃氣加熱解析流程如圖8所示。

圖8 燃氣加熱解析流程

當采用燃氣供熱時，天然氣進入燃燒機的燃燒頭內(nèi)，與助燃風機所提供的助燃氣混合，點火燃燒。因此，燃氣燃燒時系統(tǒng)內(nèi)存在明火焰。若燃燒機火焰異常狀態(tài)（如火焰過長或殘余零星火星等情況），會存在燃燒機火焰直接灼燒到轉(zhuǎn)輪部分盤面的情況，進而導致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象。

4 分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒解決方法

綜上所述，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因很多，為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，降低風險和投入，現(xiàn)提出以下解決辦法。

（1）嚴格控制廢氣組成。在項目設(shè)計階段，對所處理有機廢氣組成進行詳細的取樣檢測和分析，設(shè)定合理的解析溫度等工藝參數(shù)。當處理廢氣中含有高沸點有機分子時，在進入分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪前要進行氣體預處理，從而避免燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）提高輪芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為避免輪芯堵塞，應定期采用帶壓惰性氣體吹掃，保證輪芯通暢，避免廢氣中攜帶的無機組分長時間在輪芯孔道堆積發(fā)生堵塞。另外，為防止轉(zhuǎn)輪長期運行使得密封材料發(fā)生氧化或磨損而堵塞孔道，應對其進行定期拆卸和更換，以避免燜燒現(xiàn)象發(fā)生。

（3）改進工藝設(shè)計。針對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，電控系統(tǒng)需進行多點測定，實時監(jiān)控，并設(shè)置系統(tǒng)報警和連鎖裝置。當轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)異常應自動停止加熱，從而避免因不能及時被發(fā)現(xiàn)和處理所引起的燜燒。

另外，在采用燃氣供熱時，為避免轉(zhuǎn)輪盤面的灼燒，應在燃氣加熱器和解析區(qū)之間增設(shè)阻火器，從而避免了火焰竄到輪芯表面。此外，在該段解析管路上，還應適當增加溫度監(jiān)測儀表數(shù)量，便于及時發(fā)現(xiàn)并處理燃燒機火焰異常情況。

5 結(jié)語

分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)在處理大風量、低濃度廢氣中應用廣泛，該技術(shù)在實際運行過程中如果處理不當仍存在一些風險，其中，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象是最典型的問題之一。本文首次采用溫度判斷法判定轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生，當系統(tǒng)解析區(qū)排氣溫度持續(xù)5min以上高于110℃且冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃，表明系統(tǒng)內(nèi)部可能發(fā)生了燜燒，需及時停機檢查。另外，本文還以實際工程項目為背景，從廢氣組分、輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝等方面詳細分析了發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因，并有針對性地提出了合理、有效的解決方案。首先，嚴格分析和控制廢氣組成，降低廢氣中高沸點組分的含量，并有針對性地設(shè)計合理的解析溫度是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的方法之一。其次，針對轉(zhuǎn)輪壓損和轉(zhuǎn)速，設(shè)置多點測定，實時監(jiān)控，并設(shè)置異常報警和連鎖裝置，對設(shè)備進行定期檢修和維護將有利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性和工藝的安全性，是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的又一有效方法。