活性炭吸附聯(lián)合催化燃燒工藝處理危廢暫存庫廢氣的應(yīng)用實(shí)踐

劉景友 程 虎 賴志紅　

活性炭吸附聯(lián)合催化燃燒工藝處理危廢暫存庫廢氣的應(yīng)用實(shí)踐

劉景友1程 虎2賴志紅1

（1.廣西科麗能生態(tài)環(huán)境有限公司，廣西 梧州 543000；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100001）

文章介紹了危廢處置中心暫存庫廢氣特點(diǎn)及常見處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上選用活性炭吸附/脫附＋催化燃燒處理工藝對(duì)某一具體案例進(jìn)行分析與探討，得出活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝是危廢處置中心項(xiàng)目暫存庫有機(jī)物廢氣處理的一種新型工藝的結(jié)論，其性能穩(wěn)定，成熟可靠，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)于危廢行業(yè)有較好的應(yīng)用前景。

危險(xiǎn)廢物；暫存庫；廢氣；活性炭；催化燃燒

引言

危險(xiǎn)廢物是指列入《國家危險(xiǎn)廢物目錄》或者根據(jù)國家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險(xiǎn)廢物特性的固體廢物，在《國家危險(xiǎn)廢物目錄（2021版）》中提出的危險(xiǎn)廢物具有下列五種危險(xiǎn)特性的一種或多種特性：毒性、腐蝕性、易燃性、反應(yīng)性、感染性。危險(xiǎn)廢物對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境和安全造成極大危害，必須妥善處理。危廢處置中心的暫存庫作為危險(xiǎn)廢物貯存設(shè)施，存放的危險(xiǎn)廢物種類繁多，成分復(fù)雜，其產(chǎn)生的廢氣成分也相對(duì)復(fù)雜、氣味大。本文以廣西北海某危廢處置中心暫存庫產(chǎn)生的廢氣為例，針對(duì)其處理工藝展開探討。

1 暫存庫廢氣污染源特點(diǎn)

1.1 成分復(fù)雜

廣西地區(qū)危險(xiǎn)廢物主要來源于石油化工、金屬冶煉、化學(xué)原料和化學(xué)品制造、紙制品和造紙行業(yè)，行業(yè)涉及面廣，造成暫存庫存放的危險(xiǎn)廢物散發(fā)出來的氣體成分復(fù)雜，其成分包含有烴類、苯系物、硫化氫、氨氣、氯化氫、氟化氫等。

1.2 風(fēng)量較大

危廢暫存庫處理風(fēng)量與暫存庫的容積和換風(fēng)次數(shù)有關(guān)，暫存庫容積主要與危廢中心的處置量和存放天數(shù)相關(guān)，按照相關(guān)規(guī)范貯存量不低于15天，一般按照1個(gè)月計(jì)算較合適。換風(fēng)次數(shù)一般不低于2次/小時(shí)，以廣西北海某危廢處置中心項(xiàng)目為例，有機(jī)廢物暫存庫和無機(jī)廢物暫存庫內(nèi)保持正常通風(fēng)次數(shù)≥3～5次/小時(shí)，甲類廢物暫存庫通風(fēng)次數(shù)≥5～7次/小時(shí)，事故通風(fēng)≥12次/小時(shí)局部抽風(fēng)，其中有機(jī)廢物暫存庫容積為10 937 m3，換氣次數(shù)按照6次設(shè)計(jì)，廢氣量為65 623 m3/h[1]。

1.3 濃度相對(duì)低且波動(dòng)大

暫存庫內(nèi)廢氣除成分復(fù)雜外，由于貯存的負(fù)荷與生產(chǎn)能力和市場收集能力有關(guān)，貯存負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化大，加上物料來自不同產(chǎn)廢單位，導(dǎo)致廢氣成分濃度波動(dòng)大。暫存庫廢氣主要來源于暫存廢物的揮發(fā)性成分，濃度相對(duì)較低，根據(jù)危廢處置中心暫存庫監(jiān)測數(shù)據(jù)，VOCs一般為0～100 ppm。

2 暫存庫廢氣常用處理工藝

危廢處置中心暫存庫廢氣會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大破壞，隨著相應(yīng)法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái)，助推廢氣治理行業(yè)發(fā)展，暫存庫配套廢氣治理的環(huán)保設(shè)施建設(shè)越來越受到重視，下面介紹當(dāng)前主要的治理技術(shù)。

2.1 化學(xué)吸收法

技術(shù)原理：化學(xué)吸收法是指在廢氣吸收過程中通過中和等化學(xué)反應(yīng)，使有害氣體一種或數(shù)種進(jìn)入到液相中，從而達(dá)到有害氣體被凈化的目的。目前常見的吸收設(shè)備有三類，即表面吸收器。鼓泡式吸收器和噴灑吸收器，現(xiàn)最為常見、成熟的裝置設(shè)備是逆流式填料塔，屬于表面吸收器。

優(yōu)點(diǎn)：選用不同的吸收劑可吸收不同的有害氣體，應(yīng)用范圍廣。對(duì)于廢氣流量大、成分比較單一的氣體去除效果明顯。

缺點(diǎn)：凈化效率相對(duì)不高，吸收液排放會(huì)造成二次污染，需要送至污水處理廠進(jìn)行處理。需定期投放藥劑，運(yùn)行成本高。

2.2 物理吸附法

技術(shù)原理：通過吸附劑表面上的分子引力或化學(xué)鍵力，將廢氣中有害成分富集在固定表面上的方法為物理吸附法，廢氣處理物理吸附不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它的吸附熱較低。其中常用的吸附劑有活性炭、沸石分子篩等。

優(yōu)點(diǎn)：投資成本低、工藝簡單、操作方便、吸附效果好，適合低濃度和低溫度的惡臭氣體。

缺點(diǎn)：運(yùn)行一段時(shí)間后，吸附劑會(huì)飽和，需定期更換，運(yùn)行成本高，吸附飽和后的吸附劑存在二次污染問題或后續(xù)處置問題。

2.3 直接燃燒法

技術(shù)原理：直接燃燒法通過輔助燃料燃燒，廢氣中有機(jī)物可燃性成分通過化學(xué)氧化反應(yīng)產(chǎn)生高溫，從而去除、破壞有害氣體。

優(yōu)點(diǎn)：除臭效率高。

缺點(diǎn)：設(shè)備和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高，焚燒時(shí)存在爆炸的潛在危險(xiǎn)。

2.4 催化燃燒法

技術(shù)原理：催化燃燒法利用催化劑的催化作用來降低有機(jī)物的化學(xué)氧化反應(yīng)需要溫度，從而去除有害氣體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于風(fēng)量、濃度適當(dāng)?shù)膹U氣，凈化效率可到90%以上。

缺點(diǎn)：不適合處理含硅、氯等物質(zhì)的有機(jī)廢氣；中等投資，運(yùn)行費(fèi)用較高，催化劑的使用壽命約為8 000小時(shí)，到期需更換。

2.5 生物法

技術(shù)原理：生物法利用微生物降解廢氣中的VOCS和惡臭物質(zhì)，從而達(dá)到除臭、無害化的目的。其中以生物濾池除臭應(yīng)用最為成熟、使用范圍最廣。

優(yōu)點(diǎn)：有效去除廢氣中硫化氫、氨等污染物，效果好，無洗滌水污染，運(yùn)行成本低。

缺點(diǎn)：微生物氧化分解時(shí)間慢，設(shè)備占地面積較大，投資費(fèi)用較高，運(yùn)行要求較為嚴(yán)格。

2.6 紫外光催化氧化法

技術(shù)原理：紫外光催化氧化法采用納米材料作為催化劑，通過光催化氧化反應(yīng)來凈化消除廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物和惡臭氣體。

優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，催化活性高，能耗低，可重復(fù)使用。

缺點(diǎn)：紫外光吸收范圍較窄，光能利用率較低；不能用于易燃、易爆、易腐蝕的氣體；催化劑多為納米顆粒，回收困難。

2.7 低溫等離子體工藝

技術(shù)原理：低溫等離子體工藝通過高壓發(fā)生器形成低溫等離子體，在大量高能量電子作用下，使廢氣成分中有機(jī)廢氣分子轉(zhuǎn)化成H2O、CO2等低分子無害物質(zhì)，使廢氣得到凈化。

優(yōu)點(diǎn)：無需添加任何物質(zhì)，適用性強(qiáng)，低耗節(jié)能，不產(chǎn)生廢水、廢氣等二次污染問題。

缺點(diǎn)：不適合處理易燃、易爆、易腐蝕的氣體，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)精度和嚴(yán)密性較高；一次性投資也高[2]。

危廢暫存庫廢氣成分復(fù)雜，以上各種不同廢氣凈化處理工藝既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)，單一工藝很難滿足廢氣處理技術(shù)的要求和凈化效率，因而考慮采用活性炭物理吸附＋催化燃燒組合工藝處理危廢暫存庫廢氣。

3 活性炭吸附＋催化燃燒工藝的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目基本情況

廣西北海某危廢處置中心項(xiàng)目有三個(gè)危廢暫存庫，分別是甲乙類暫存庫、有機(jī)類暫存庫、無機(jī)類暫存庫，其中有機(jī)類暫存庫廢氣處理工藝采用活性炭吸附＋催化燃燒CO，其中設(shè)計(jì)風(fēng)量為72 000 m3/h，VOCs濃度＜100 mg/Nm3，進(jìn)氣溫度為35℃，廢氣濕度為常規(guī)空氣濕度，工作時(shí)間24 h/d。

3.2 工藝流程及原理

3.2.1 工藝流程

前端為預(yù)處理裝置，經(jīng)過化學(xué)洗滌、除塵等凈化后有機(jī)廢氣進(jìn)入吸附箱的（活性炭組成），經(jīng)過吸附箱時(shí)廢氣中的VOCs被吸附，風(fēng)機(jī)、閥門及電加熱器相應(yīng)啟動(dòng)，對(duì)燃燒床內(nèi)部的貴金屬催化劑進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，閥門相應(yīng)開啟熱空氣回送入吸附床，活性炭受熱后，有機(jī)氣體被解吸出，經(jīng)脫附風(fēng)機(jī)引入催化燃燒床，進(jìn)行無焰催化燃燒，在貴金屬催化劑的作用下，大大降低了燃燒所需的溫度。廢氣中的有機(jī)成分氧化分解轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，同時(shí)釋放出大量的熱量。熱量有兩個(gè)作用，一是用來維持催化燃燒所需的起燃溫度，使廢氣燃燒過程減少或不需外加能耗；二是將部分熱量回用于吸附床內(nèi)活性炭的解吸再生，脫附再生后的活性炭可再進(jìn)行吸附作用。以上過程周而復(fù)始，循環(huán)啟用。

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)4臺(tái)吸附床，即3臺(tái)吸附床進(jìn)行廢氣吸附工作時(shí)，另1臺(tái)處于脫附再生階段或備用階段，從而使裝置中活性炭吸附過程一直處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，提高廢氣凈化效率。

3.2.2 工作原理

含有機(jī)物的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送至蜂窩活性炭，活性炭由于比表面積大，吸附能力強(qiáng)，將廢氣中的有機(jī)物等有害物質(zhì)吸附在活性炭微孔內(nèi)，凈化后的氣體被排出。經(jīng)過一段時(shí)間后，活性炭達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附能力減弱或停止，有機(jī)成分匯集在活性炭內(nèi)，再利用催化燃燒產(chǎn)生的熱能對(duì)飽和活性炭進(jìn)行加熱脫附再生，活性炭再投入使用。

CO催化燃燒裝置（Catalytic Oxidizer，簡稱VOC-CO）就是利用貴金屬催化劑使用廢氣中的可燃成分在較低溫度下無焰催化燃燒的方法，它是一種用于處理中低濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣的節(jié)能型環(huán)保裝置，利用催化劑的作用減少了有機(jī)物的活化能，使有機(jī)物的氧化溫度降低至相對(duì)低的溫度（如300℃）并發(fā)生完全氧化分解，高溫裂解生成CO2和H2O，有機(jī)成分得到凈化，同時(shí)有機(jī)廢氣裂解釋放出熱量，使氣體溫度進(jìn)一步升高，凈化后的尾氣經(jīng)過換熱器實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用。該裝置主體結(jié)構(gòu)由凈化裝置的本體、主風(fēng)機(jī)、自控系統(tǒng)三大部分組成，具體見圖1。其中凈化裝置主體主要包括高效纖維過濾器、阻火器、換熱器、吸附電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、脫附風(fēng)機(jī)、固定吸附床、催化燃燒室等[3]。

1—堿洗塔；2—高效纖維過濾器；3—吸附電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；4—固定吸附床；5—脫附風(fēng)機(jī)；6—阻火器；7—催化燃燒床；8—混流換熱器；9—主風(fēng)機(jī)；10—鋼制煙囪。

3.3 主要設(shè)備情況

3.3.1 活性炭吸附塔

廢氣成分按苯類芳香烴等有機(jī)物考慮，活性炭單床風(fēng)量為36 000 m3/h，按照24 h連續(xù)運(yùn)行，數(shù)量為4臺(tái)，其中1臺(tái)活性炭吸附塔始終處于備用狀態(tài)，相關(guān)參數(shù)為處理量36 000 m3/h；碳鋼，殼體厚度≥3 mm；箱內(nèi)流速≤1 m/s；活性炭層有效停留時(shí)間≥0.7 s；活性炭要求防水蜂窩活性炭。

3.3.2 催化氧化燃燒裝置（CO）

殼體材質(zhì)為碳鋼噴塑，設(shè)備所有裸露在外的碳鋼材質(zhì)支座表面均應(yīng)拋光除銹，除銹等級(jí)達(dá)到Sa2.5級(jí)，除銹后立即噴涂底漆，防銹漆不得低于兩層，結(jié)構(gòu)件焊接拼裝后涂面漆，漆膜總厚度≥150 μm。內(nèi)部部分材質(zhì)為不銹鋼SUS304。催化燃燒床采用遠(yuǎn)紅外電加熱器進(jìn)行加熱。材質(zhì)為不銹鋼304。催化燃燒床內(nèi)采用貴金屬催化劑，更換周期≥2年。催化劑空速比大于10 000 h-1，但不高于20 000 h-1。催化燃燒床的預(yù)熱溫度不超過400℃，催化床保溫要求輕質(zhì)的硅酸鋁耐火纖維材料，保溫要求外部溫度不高于60℃。催化燃燒裝置的加熱室和反應(yīng)室內(nèi)部應(yīng)裝設(shè)溫度檢測裝置，溫度超高時(shí)具備報(bào)警連鎖保護(hù)功能，在催化燃燒床進(jìn)口和出口處配置相應(yīng)的耐高溫控制閥組。

一般性有機(jī)物廢氣，特別是精細(xì)化工行業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)入催化燃燒室的前端需考慮安裝LEL在線檢測儀和報(bào)警連鎖裝置，防止有機(jī)廢氣中有機(jī)物的濃度達(dá)到爆炸極限范圍，并保證管道直線距離，使閥門有足夠的反應(yīng)時(shí)間。危廢處置中心暫存庫廢氣VOC濃度較低，難達(dá)到爆照極限范圍，為節(jié)約成本可考慮不裝。

3.3.3 活性炭吸附＋催化燃燒工藝特點(diǎn)

（1）項(xiàng)目設(shè)置了4個(gè)吸附床，交替使用，同一時(shí)間段三個(gè)吸附床正常進(jìn)行吸附操作，另一個(gè)脫附操作或備用。

（2）催化燃燒室采用陶瓷蜂窩體的貴金屬催化劑，阻力小，活性高。

（3）燃燒后的尾氣一部份由主風(fēng)機(jī)抽取后通過煙囪排出，大部份抽回通過熱量交換，加熱用于活性炭的脫附，達(dá)到節(jié)能的目的。

（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全封閉循環(huán)，輔助加熱采用電加熱方式，沒有產(chǎn)生二次污染。

（5）系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)行操作過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，大量減少人工作業(yè)，具有自動(dòng)順序啟動(dòng)相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)吸附、脫附、催化燃燒功能。

（6）系統(tǒng)設(shè)置有溫度檢測以及連鎖保護(hù)裝置，當(dāng)吸附床內(nèi)溫度大于85℃（吸附）或175℃（脫附）時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警保護(hù)裝置，確保系統(tǒng)設(shè)備安全。

4 運(yùn)行效果

廣西北海某危廢處置中心的有機(jī)暫存庫的廢氣經(jīng)收集送入洗滌塔＋活性炭吸附＋催化燃燒廢氣裝置凈化處理后，通過15米高煙氣筒排放。尾氣執(zhí)行國家《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）表3中的標(biāo)準(zhǔn)，其中硫化氫、氨排放量達(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14554—93）標(biāo)準(zhǔn)，揮發(fā)性有機(jī)物濃度和速率達(dá)到參照《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（DB 12/524—2014）標(biāo)準(zhǔn)。

危廢暫存庫廢氣采用洗滌塔預(yù)處理后采用活性塔吸附單獨(dú)工藝和采用活性炭＋催化燃燒組合工藝，兩種工藝情況同樣風(fēng)量情況，不同的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，兩種不同工藝年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比表見表1。

表1 兩種不同工藝年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比表

計(jì)算說明情況：

（1）生產(chǎn)時(shí)間按每天生產(chǎn)24 h、每年生產(chǎn)300天、廢氣平均濃度按10 mg/m3、風(fēng)量72 000 m3/h、凈化率70%，則每年需要處理廢氣量為72 000 m3/h×10 mg/m3×24×300×0.70×10-9=3.63 t/年。

（2）若活性炭單獨(dú)吸附治理，活性炭動(dòng)態(tài)吸附率按25%、防水活性炭價(jià)格按1.0萬元/m3計(jì)算，設(shè)施裝活性炭量按7.5 m3計(jì)算，活性炭質(zhì)量比取450 kg/m3，飽和周期經(jīng)過計(jì)算大約75天。7.5 m3活性炭吸附廢氣量為7.5 m3×450 kg/m3×25%=843.75 kg≈0.84 t；一年換活性碳次數(shù)為3.63 t÷0.84 t≈4次；一年換活性碳費(fèi)用為4×7.5 m3×1.0萬元/m3=30萬元。

（3）若采用活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝治理，防水活性炭價(jià)格按1萬元/m3，比重450 kg/m3，設(shè)施裝炭量按10 m3，蜂窩狀活性炭使用壽命按3年計(jì)算（正常使用壽命為2～4年），則每年平均活性炭損耗費(fèi)用約為3.33萬元。

從以上可以看出活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝處理廢氣產(chǎn)生的年運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于單獨(dú)活性炭吸附工藝處理廢氣。項(xiàng)目在2021年9月建成并獲得廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳批準(zhǔn)的危廢經(jīng)營許可證后，目前已投入運(yùn)行使用接近2年，裝置運(yùn)行非常穩(wěn)定，尾氣指標(biāo)經(jīng)第三方監(jiān)測單位手工監(jiān)測，全部滿足以上標(biāo)準(zhǔn)，做到合格排放。

5 結(jié)束語

（1）危廢處置中心暫存庫廢氣采用單一處理工藝，效果不明顯，采用組合工藝，優(yōu)勢明顯，治污效果也較好，運(yùn)行費(fèi)用也較低。

（2）活性炭吸附＋催化燃燒工藝是危廢處置中心項(xiàng)目暫存庫有機(jī)物廢氣處理的一種新型工藝，其性能穩(wěn)定，成熟可靠，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)于危廢行業(yè)有較好的應(yīng)用前景。

[1] 王鄧慧. 危險(xiǎn)廢物暫存庫廢氣處理工藝路線探討[J]. 江西化工，2019(3): 44-46.

[2] 桂浩. 探究活性炭+催化燃燒工藝在vocs處理中的運(yùn)用[J]. 化工管理，2019(6): 174-175.

[3] 王文婷. 活性炭+催化燃燒技術(shù)在噴漆廢氣中的應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019(5): 76-79.

Application Practice of Activated Carbon Adsorption Combined with Catalytic Combustion Process for Treating Waste Gas from Hazardous Waste Storage Facilities

This article introduces the characteristics of waste gas from the temporary storage of hazardous waste disposal centers and the advantages and disadvantages of common treatment processes. Based on this, an activated carbon adsorption/ desorption+catalytic combustion treatment process is selected to analyze and explore a specific case. It is concluded that the combined process of activated carbon adsorption+catalytic combustion is a new type of process for treating organic waste gas in the temporary storage of hazardous waste disposal centers. Its performance is stable, mature, reliable, and environmentally friendly, it has good application prospects for the hazardous waste industry.

hazardous waste; temporary storage; waste gas; activated carbon; catalytic combustion

X701

A

1008-1151(2023)09-0022-04

2022-11-18

劉景友（1980－），男，廣西桂林人，供職于廣西科麗能生態(tài)環(huán)境有限公司，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程、危廢處置。