陳華棟 張翠亞 曹冠宇 曹學(xué)博 路 濤

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.天津大學(xué)化工學(xué)院；3.長城鉆探工程有限公司；4.中國石油長慶油田分公司)

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備的開發(fā)研究*

陳華棟*1張翠亞1曹冠宇2曹學(xué)博3路 濤4

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.天津大學(xué)化工學(xué)院；3.長城鉆探工程有限公司；4.中國石油長慶油田分公司)

設(shè)計(jì)了處理VOCs用的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備，并對其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

活性炭吸附濃縮 蓄熱式熱氧化器 VOCs

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)不僅直接危害動、植物生長，而且會導(dǎo)致大氣臭氧層破壞，形成有毒的光化學(xué)煙霧，更是霧霾天氣的重要成因之一。2010年5月，國家正式提出了開展VOCs防治工作，將VOCs與SO2、NOx、顆粒物并列為重點(diǎn)污染控制物。VOCs治理迫在眉睫，筆者設(shè)計(jì)了處理VOCs用的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備，并對其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

1 VOCs凈化技術(shù)

VOCs主要由家具制造、汽車制造、電子制造、機(jī)械元件加工及印刷等行業(yè)產(chǎn)生[1]，其中大多數(shù)的噴涂工藝(如汽車制造行業(yè)和電子制造行業(yè))和印刷工藝產(chǎn)生的廢氣具有高通量、低濃度的特點(diǎn)。VOCs的最大排放方式是含VOCs產(chǎn)品的使用和排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若不加以治理，預(yù)計(jì)2020年工業(yè)源的VOCs排放量將達(dá)到1 751萬t[2]。

針對VOCs的凈化技術(shù)有吸附、催化燃燒、生物處理、熱力燃燒、等離子體、冷凝、膜分離和吸收技術(shù)，各技術(shù)的應(yīng)用情況見表1。

目前為止，對于低濃度(小于1 g/m3)、高通量(大于10 000 m3/h)VOCs的處理，應(yīng)用最多的技術(shù)是活性炭吸附工藝與燃燒催化工藝或直接燃燒工藝聯(lián)用技術(shù)。其中前者有較多專利，但催化劑價(jià)格昂貴、易中毒，壽命和處理效率受塵粒和霧滴影響的問題一直得不到解決；后者存在能源消耗量大的問題。

表1 VOCs的凈化技術(shù)的應(yīng)用情況

2 集成設(shè)備

針對以上問題，筆者積極響應(yīng)國家環(huán)保政策，以低濃度、高通量的揮發(fā)性有機(jī)廢氣為處理對象，將最優(yōu)的活性炭吸附工藝和蓄熱式熱氧化工藝聯(lián)用，不僅避免了前者吸附物直接排放存在二次污染、后者只適用于中高濃度VOCs處理的弊端，并使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，研究出一套處理速度快、處理量大、壽命長、裝置能耗低、可連續(xù)運(yùn)行、對VOCs種類適用面廣、熱回用效率高和處理效果好的活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備技術(shù)。

2.1 工藝流程

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備工藝流程如圖1所示。設(shè)備由活性炭吸附濃縮單元(簡稱CAC單元)和蓄熱式熱氧化單元(簡稱RTO單元)兩部分組成。分為預(yù)處理、吸脫附和氧化3個階段。首先，低濃度、高通量的VOCs經(jīng)冷卻過濾去除顆粒物質(zhì)、漆霧和水分。然后，廢氣經(jīng)過活性炭吸附床，在常溫條件下利用活性炭吸附有機(jī)物；當(dāng)活性炭吸附飽和后，向吸附床通入氣體流量為吸附時(shí)1/5的小流量高溫空氣使有機(jī)污染物得以解吸，解吸后高濃度的污染物氣體進(jìn)入后置的RTO設(shè)備。最終在RTO設(shè)備中，濃縮的有機(jī)廢氣先在預(yù)熱室吸收熱量升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚燒；燃燒后的高溫氣體再經(jīng)過其他蓄熱室降溫，蓄熱室中的填料會利用其特有的蓄熱能力蓄存此高溫氣體的熱量，而蓄存的熱量被用于新進(jìn)入有機(jī)廢氣的預(yù)熱；降溫后的氣體一部分排放、一部分用于蓄熱室反吹掃；不斷周期性地改變氣流的方向，來穩(wěn)定爐膛的溫度。為充分利用氧化爐燃燒尾氣余熱，將尾氣的氧化燃燒余熱通過熱交換器加熱空氣，用于活性炭吸附濃縮單元的脫附解吸階段。

圖1 CAC-RTO工藝流程示意圖

2.2 主要裝置

2.2.1CAC單元

吸附法具有凈化效率高、操作方便、能耗低、工藝成熟及易于推廣等特點(diǎn)，可應(yīng)用于有機(jī)廢氣濃縮。其中活性炭由于價(jià)格低廉、吸附效果好，應(yīng)用最廣?；钚蕴堪ǚ勰?、顆粒狀、蜂窩狀及活性炭纖維等?？紤]到活性炭纖維具有材料利用率高、比表面積大、吸脫附速率快(是顆粒狀的10～100倍)、吸附容量大(是顆粒狀的1.5～10倍)、體密度小、濾阻小(是顆粒狀的1/3)、漏損小、厚度薄、占用空間小、強(qiáng)度高、不易粉化及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[4]，該單元選用活性炭纖維作為吸附劑。

CAC單元采用可有效保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤式設(shè)計(jì)，其中，吸附轉(zhuǎn)盤由交替工作的5個均等吸附塊組成。每個吸附塊都會依次經(jīng)過3個階段：低溫吸附、高溫脫附和冷卻閑置。任意時(shí)段的吸附塊狀態(tài)：一個吸附塊處在吸附階段，一個吸附塊處在脫附階段，3個吸附塊處在冷卻閑置階段。

經(jīng)預(yù)處理的有機(jī)氣體先經(jīng)吸附階段得到凈化，待吸附塊吸附飽和后，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，使其進(jìn)入到脫附階段，吸附劑上的吸附物經(jīng)體積只有原始有機(jī)廢氣體積1/5的高溫?zé)峥諝膺M(jìn)行脫附，有機(jī)廢氣從高通量、低濃度被濃縮為低通量、高濃度，吸附劑得到再生，再生的吸附塊被旋轉(zhuǎn)進(jìn)入冷卻閑置階段進(jìn)行冷卻閑置，最后再進(jìn)入下一循環(huán)的吸附。

整個過程的氣體流程是：4/5的吸附凈化氣體排空，其余1/5的凈化氣體用于此單元吸附塊的冷卻，冷卻吸附塊后的升溫氣體在經(jīng)過后續(xù)RTO單元廢熱再加熱后用于此單元吸附塊的脫附，脫附完的含有高濃度有機(jī)物的濃縮氣體進(jìn)入后續(xù)RTO單元進(jìn)行再處理。

此設(shè)計(jì)最大程度地利用了工藝的廢氣和廢熱，有效降低了裝置的能耗，提高了系統(tǒng)的熱回用效率。

2.2.2RTO單元

RTO采用蓄熱一體式焚燒工藝設(shè)計(jì)。設(shè)備為三室蓄熱式熱氧化器，由3個蓄熱室和一個燃燒室組成，依次經(jīng)過起爐、正常運(yùn)行和停爐3個階段。

起爐階段，廢氣進(jìn)口閥門和旁通閥門都關(guān)閉，依次打開煙氣排放閥門，燃燒器點(diǎn)火，空氣代替有機(jī)廢氣燃燒，將燃燒室溫度升高至800℃左右、3個蓄熱室分別逐個加熱到運(yùn)行狀態(tài)。

正常運(yùn)行階段，前續(xù)CAC單元濃縮的低通量、高濃度有機(jī)廢氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下先進(jìn)入第一個已在前一循環(huán)儲存了熱量的蓄熱室，經(jīng)過其蓄熱體時(shí)吸收其熱量預(yù)熱升溫，同時(shí)蓄熱室放熱降溫；升溫后的有機(jī)氣體進(jìn)入燃燒室燃燒；燃燒后的高溫凈化氣體進(jìn)入第二個蓄熱室，將其攜帶的熱量釋放儲存在蓄熱體中后降溫排出，同時(shí)蓄熱室吸熱升溫；從第二個蓄熱室排放的氣體一部分用于反吹掃第三個蓄熱室，將其殘留的未處理有機(jī)廢氣吹掃回燃燒室，其余的氣體經(jīng)熱交換器冷卻后排空(交換的熱量用于加熱前CAC單元的脫附氣體)。

此單元的氣流方向通過換向閥不斷周期性地轉(zhuǎn)換，從而保證了工藝的VOCs去除率和換熱效率，各蓄熱室依次的狀態(tài)為：先是蓄熱室 A處于進(jìn)氣狀態(tài)、蓄熱室B處于排氣狀態(tài)、蓄熱室C處于反吹掃狀態(tài)；經(jīng)一定時(shí)間后，切換到蓄熱室 B處于進(jìn)氣狀態(tài)、蓄熱室C處于排氣狀態(tài)、蓄熱室A處于反吹掃狀態(tài)；再經(jīng)一定時(shí)間后，蓄熱室C處于進(jìn)氣狀態(tài)、蓄熱室A處于排氣狀態(tài)、蓄熱室B處于反吹掃狀態(tài)；最后經(jīng)一定時(shí)間后，蓄熱室 A恢復(fù)到進(jìn)氣狀態(tài)、蓄熱室B恢復(fù)到排氣狀態(tài)、蓄熱室C恢復(fù)到反吹掃狀態(tài)；這個過程不斷循環(huán)交替。

停爐階段，廢氣進(jìn)口閥門關(guān)閉，旁通閥門打開，依次打開煙氣排放閥門，讓蓄熱室的溫度緩慢降低。

當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，運(yùn)行過程中蜂窩陶瓷儲存的熱量足以預(yù)熱和點(diǎn)燃進(jìn)入蓄熱床的有機(jī)廢氣，燃燒器僅供起燃時(shí)使用，回收潔凈的余熱還可應(yīng)用于前段CAC單元脫附氣體的加熱，節(jié)約能耗，熱回收效率很高，具有良好的節(jié)能作用。同時(shí)，RTO中有機(jī)物的氧化溫度高，凈化效率高。另外，該技術(shù)避免了催化燃燒法中催化劑價(jià)格昂貴和吸收法二次污染的弊端。

3 效益分析

在當(dāng)前能源價(jià)格飆升、環(huán)境政策越發(fā)嚴(yán)格的背景下，該設(shè)備能夠節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，有顯著的社會效益。若設(shè)定VOCs的平均濃度在0.8g/m3、通量在20 000m3/h，單臺設(shè)備的年運(yùn)行時(shí)間2 500h， 5臺設(shè)備年處理廢氣量將達(dá)到20萬t。

目前應(yīng)用最多的催化燃燒技術(shù)的催化劑使用壽命僅一年左右。而該設(shè)備中CAC單元活性炭一般一到兩年更換一次，RTO單元價(jià)格適中、節(jié)能、效果穩(wěn)定，使用壽命一般可達(dá)10年(使用壽命的主要決定因素是蓄熱體的堵塞情況，只需通過更換蓄熱體即可解決)，且蓄熱體的成本僅占RTO總成本的25%以下。

4 結(jié)束語

活性炭吸附器+蓄熱式熱氧化器集成設(shè)備首次結(jié)合了最優(yōu)的CAC工藝和RTO工藝，有著對VOCs種類適用面廣、VOCs處理量大、可連續(xù)運(yùn)行及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益和非常強(qiáng)的市場推廣性。CAC單元最大程度地利用了工藝的廢氣和廢熱，濃縮該單元有機(jī)廢氣的同時(shí)，轉(zhuǎn)盤式的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。RTO單元的燃燒尾氣余熱用于加熱前段CAC單元的脫附解吸氣體，使兩工藝得到銜接，能量在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用，有著凈化效率高、熱回用效率高的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 王海林，張國寧，聶磊，等. 我國工業(yè)VOCs減排控制與管理對策研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2011，32(12)：3462～3468.

[2] 陳穎. 我國工業(yè)源VOCs行業(yè)排放特征及未來趨勢分析[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011．

[3] 席勁瑛，武俊良，胡洪營，等. 工業(yè)VOCs氣體處理技術(shù)應(yīng)用狀況調(diào)查分析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2012，32(11)：1955～1960.

[4] 蔡宇峰，李海強(qiáng)，藍(lán)炳杰，等. 活性炭纖維吸附-催化燃燒法處理大風(fēng)量低濃度VOCs 廢氣[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2009，(18)：80～81.

DevelopmentalResearchofDeviceIntegratingActivatedCarbonAdsorberwithRegenerativeThermalOxidizer

CHEN Hua-dong1, ZHANG Cui-ya1, CAO Guan-yu2, CAO Xue-bo3,LU Tao4

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China;2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.CNPCGreatwallDrillingCo.,Ltd.,Beijing100192,China;4.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an710000,China)

The device which integrating activated carbon adsorber with regenerative thermal oxidizer was designed to process VOCs specially and its significant economic benefits and social benefits were analyzed.

activated carbon adsorption, regenerative thermal oxidizer, VOCs

TQ053.3

A

0254-6094(2016)01-0055-04

*蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目扶持資金(2014-RC-35)。

**陳華棟，男，1986年11月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

2015-06-04，

2015-10-21)