催化氧化+分子篩流動床系統在高濃度有機廢氣中的應用

張紅偉

（維珂瑞[北京]環境科技有限公司，北京 100012）

關鍵字：催化氧化爐；分子篩流動床；有機廢氣；高濃度；低排放

0 引言

醫藥行業在我國一直是環境污染大戶，由于其廢氣成分復雜、污染危害嚴重、廢氣排放呈現不規律性等特征，因此開發適應性強的廢氣處理系統在制藥工業廢氣治理領域中顯得尤為關鍵。

近年來，催化氧化與吸附脫附裝置備受廢氣治理行業的青睞。催化氧化裝置（CO）是將廢氣中的有機污染物如苯類、酮類、酯類、酚類、醛類、醇類、醚類、烴類等進行催化氧化，分解為CO2和H2O等小分子化合物。催化氧化處理裝置均設有余熱回收模塊，預熱后續進入的有機廢氣，從而節省廢氣升溫的能源消耗。吸附脫附裝置主要有活性炭與分子篩，有研究指出[1]沸石分子篩單位傳質長度的平均傳質速率是活性炭的1.42～4.66倍，雖然相同吸附、脫附溫度下，活性炭的工作容量要大于沸石分子篩，但沸石分子篩的優勢是，在210℃可幾乎完全脫附徹底，且濃縮倍率可達到48倍以上，連續吸附、脫附對沸石分子篩影響不大，更加適合連續吸附、脫附的工作。分子篩吸附脫附利用吸附—高溫脫附濃縮—冷卻再吸附，三項連續的變溫吸附、脫附的程序化過程，使得低濃度有機廢氣濃縮為高濃度的廢氣，該技術主要是降低了后續處理裝置的投資成本。介于以上兩設備的優勢，分子篩吸附脫附+催化氧化工藝應用較為廣泛，現有研究[2]也闡明低濃度有機廢氣凈化處理易采用分子篩吸附脫附與催化氧化連用技術，此工藝技術也已成熟，并且具有很高的實用性。但現有技術并沒有提及適用于高濃度（≮10g/m3）、低排放標準（20mg/m3）的廢氣處理技術。

基于以上的認識與現有技術針對高濃度有機廢氣處理存在的缺陷，本文給出一種催化氧化+分子篩流動床處理高濃度有機廢氣處理的最佳處理技術，為高濃度有機廢氣的處理提供高效、節能、低投資的處理方案。

1 工藝說明

催化氧化+分子篩流動床系統應用于北京某制藥廠，整套處理系統用于包衣車間高濃度有機廢氣的處理，治理宗旨是高濃度、低排放，滿足北京市揮發性有機物的排放標準（醫藥行業），即20mg/m3。

投入建設的催化氧化+分子篩流動床系統如圖1所示，包括廢氣源、催化氧化系統（含CO爐與氧化風機）、分子篩流動床系統（含分子篩流動床系統包括分子篩流動床、吸附風機、脫附風機、冷卻風機、加熱器）、水冷卻器預處理系統（含降溫與除濕兩個單元）、檢測儀表、控制系統，CO爐設計處理能力7000Nm3/h。本系統設有CO爐高溫出氣（≮150℃）回用管路，充分利用高溫氣的熱量，一部分回流至CO爐進口，減少CO裝置的熱負荷；一部分用于分子篩脫附，降低脫附過程的電能耗量；高溫氣體的回流，也減少后端水冷器和分子篩流動床的設備投資，本系統實際應用價值較高。此外，根據CO爐氧化分解產生大量水，出氣溫度與濕度較高，會造成分子篩吸附丙酮能力下降，因此水冷卻器具備的降溫除濕的特點保證了分子篩裝置的吸附率，是不可或缺的一個處理模塊。CO爐與分子篩流動床聯用的工藝，拓展了催化氧化爐與分子篩裝置傳統的應用范疇和領域，尤其適用于處理高濃度有機廢氣，在提高處理效率的同時，降低投資成本和運行費用。

圖1 催化氧化+分子篩流動床系統

2 應用效果分析

催化氧化+分子篩流動床處理系統于2017年8月完成安裝調試工作，在系統設備調試、試運行的同時，進行了一系列數據采集與分析。

2.1 運行關鍵參數

（1）進氣成分：丙酮；

（2）進氣溫度：≤30℃；

（3）進氣濕度：≤80%；

（4）進氣濃度：＜1/4 爆炸下限；

（5）CO爐的最高效、最節能的處理溫度為350℃；

（6）CO爐空速綜合考慮設備成本、較高處理效率等問題，選用12000Nm3/h；

（7）吸附進氣：≤40℃；

（8）脫附溫度：180～220℃。

2.2 CO爐單獨處理與聯合處理的去除效率分析

CO爐進氣濃度為6g/m3，處理能力保持在7000Nm3/h，整機系統在沒有預熱的條件下進行，CO爐單獨處理與聯合處理的去除效率曲線如圖2所示。基于CO爐處理丙酮廢氣的97%去除效果，當進入CO爐的丙酮廢氣高達6g/m3時，出氣濃度為180～210mg/m3，滿足不了20mg/m3的低濃度排放標準，運行結果也證實了這一點，CO爐單體設備處理效率穩定后基本保持在97%～98%內。此外，圖中亦可見，CO+分子篩流動床系統隨著運行時間的加長，爐膛與分子篩脫附溫度不斷上升，經過60min后整套系統去除效率達99.8%以上，出氣濃度完全低于20mg/m3，達到高濃度進氣、低濃度排氣的預期效果。隨后隨著時間的加長，去除效率無較大波動，可見，本系統處理過程較為穩定。

圖2 CO爐單獨處理與聯合處理的去除效率曲線

2.3 系統入口不同廢氣濃度對去除效率影響的分析

介于制藥廠包衣車間廢氣具有濃度高且波動大的特點，在系統調試過程中，遵循逐漸增長的梯度式濃度變化，取7個濃度變化，最終達到CO爐的處理濃度上限值7～8g/m3時停止，分析CO爐進氣濃度是否會影響系統的處理效率，CO爐進氣濃度與處理效率的關系曲線見圖3。由圖中可看出，當CO催化氧化爐入口丙酮廢氣濃度在2～8g/m3之間呈線性變化時，廢氣源濃度最高幾乎達至15g/m3，系統廢氣在氧化分解和吸附后的去除效率隨入口廢氣濃度升高而變化的幅度非常之小，系統去除效率基本保持在99.8%以上，結果說明，本系統處理效果幾乎不受進氣濃度的影響，體現了系統的高效性、穩定性與可靠性。

圖3 CO爐進氣濃度與處理效率的關系曲線

3 工程應用情況

催化氧化+分子篩流動床系統應用于包衣車間高濃度丙酮廢氣的處理。系統處理能力保持在7000Nm3/h，正常運行參數內，不同工況下系統去除效率見表1。由表可知，在處理系統正式運行過程截取的三組處理數據，均體現系統的高效性、穩定性與可靠性，且整套系統從竣工驗收至今一直用于生產，運行狀況良好，處理效果優越，完全滿足初始設計時的宗旨，即高濃度進氣、低濃度排放。

表1 催化氧化+分子篩流動床系統不同工況下運行的去除效率

本文給出的前端設置CO爐，后端聯用分子篩流動床裝置，在滿足排放標準的同時，使得所有設備均發揮最大處理作用，也充分利用熱量回用、最大可能減小后端設備處理能力的設計優勢，為高濃度進氣、低濃度排氣的工況條件提供合理、有效、低成本的處理方式，為廢氣治理行業提供參考價值。

4 結論

（1）CO爐單體設備處理效率基本保持在97%～98%內；CO+分子篩流動床系統去除效率達99.8%以上，出氣濃度完全低于20mg/m3。

（2）當CO催化氧化爐入口丙酮廢氣濃度在2～8g/m3呈線性變化時，廢氣源濃度最高幾乎達至15g/m3，系統廢氣在氧化分解和吸附后的去除效率隨入口廢氣濃度升高而變化的幅度非常之小，系統去除效率基本保持在99.8%以上，體現了系統的高效性、穩定性與可靠性。

（3）催化氧化+分子篩流動床系統可有效應用于高濃度有機廢氣的治理，實現低濃度排放的要求。