摘要：沸石濃縮轉(zhuǎn)輪-催化氧化工藝是處理低濃度、大風(fēng)量有機(jī)廢氣的工藝技術(shù)，可滿足國(guó)家、地方、行業(yè)新出臺(tái)的越來(lái)越嚴(yán)格的VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)。沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)互相影響制約，優(yōu)化到最佳的運(yùn)行工況，可以實(shí)現(xiàn)凈化系統(tǒng)治理效率穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行能耗的雙重效果。

關(guān)鍵詞：VOCs;有機(jī)廢氣;沸石濃縮轉(zhuǎn)輪;催化氧化

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）06-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.06.042

Abstract： Rotor Concentrator-Catalytic Oxidation was an effective technology to purify VOCs exhausted gases with low concentration and large volume， which can meet the increasingly stringent VOCs emission standards issued by the state， local and industry. Optimizing the operation parameters of Rotor Concentrator which influenced each other can achieve the dual effects of stable efficiency and energy conservation.

Key Word： VOCs;Organic exhaust;Rotor concentrator;Catalytic oxidation

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是空氣污染物的主要成分之一，會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境造成極大危害。在紫外線照射下，VOCs會(huì)和大氣中的NOx發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生O3等二次污染物[1][2];還會(huì)與大氣中的顆粒物作用形成二次有機(jī)氣溶膠[3]。隨著環(huán)境問(wèn)題的凸顯，國(guó)家、地方、行業(yè)都逐步出臺(tái)了越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保法令，VOCs排放濃度和VOCs總量控制越來(lái)越嚴(yán)格。

1 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+催化氧化工藝原理

1.1 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪工藝原理

針對(duì)低濃度、大風(fēng)量的有機(jī)廢氣排放特點(diǎn)，吸附法是常用的治理工藝。常見的吸附介質(zhì)有活性炭和沸石等。沸石相較于活性炭吸附介質(zhì)，具有安全性能佳、脫附性能好、選擇吸附性能可控的優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為替代活性炭的吸附介質(zhì)。

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪是一種移動(dòng)式吸附設(shè)備，分三個(gè)區(qū)域：吸附區(qū)，脫附區(qū)，冷卻區(qū)，三個(gè)功能區(qū)通過(guò)隔板和氟橡膠密封材料完全分隔，轉(zhuǎn)輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能區(qū)域的獨(dú)立。吸附區(qū)是利用沸石的低溫吸附性能，將廢氣中VOCs物質(zhì)吸附于沸石材料內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)中，VOCs廢氣經(jīng)凈化后可達(dá)標(biāo)排放;脫附區(qū)是利用沸石材料的高溫脫附性能，持續(xù)通入180～220℃熱空氣可將沸石轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)的VOCs物質(zhì)解析出來(lái)，從而恢復(fù)沸石轉(zhuǎn)輪的吸附能力。冷卻區(qū)是將剛經(jīng)轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)的加熱沸石材料降溫，恢復(fù)沸石的低溫吸附性能。

1.2 催化氧化工藝原理

貴金屬催化劑對(duì)VOCs具有良好的低溫反應(yīng)活性，催化性能穩(wěn)定。鉑/鈀貴金屬催化劑在250～300℃溫度窗口中，可將VOCs物質(zhì)完全降解為無(wú)害的CO2和H2O[4]。催化氧化設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)放置區(qū)域的防爆要求，有兩種選擇——電加熱器和天然氣燃燒器。在防爆環(huán)境中，防爆型的電加熱器是系統(tǒng)加熱器的首選。

與沸石濃縮轉(zhuǎn)輪耦合的氧化工藝有多種選擇，如RTO（蓄熱燃燒法）、TO（熱力燃燒法）和催化氧化法，催化氧化工藝相較RTO和TO工藝，具有如下兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①催化氧化爐熱機(jī)時(shí)間短，適用于間歇運(yùn)行工況，具有節(jié)約系統(tǒng)熱機(jī)時(shí)運(yùn)行能耗的優(yōu)點(diǎn);②催化氧化是一種無(wú)焰化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度低，氧化爐內(nèi)沒有明火燃燒，配備防爆型的電加熱裝置，催化氧化爐可放置在防爆區(qū)域內(nèi)。RTO和TO工藝中，為保證廢氣凈化效率，燃燒溫度一般控制在700-800℃，RTO和TO爐內(nèi)有明火燃燒，根據(jù)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-2014的要求，明火設(shè)備不適合在防爆環(huán)境中使用，RTO和TO設(shè)備均不適用。

2 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+催化氧化工藝流程

廢氣吸附流程：沸石濃縮轉(zhuǎn)輪是涂敷有沸石吸附材料的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪前，為防止沸石轉(zhuǎn)輪堵塞，轉(zhuǎn)輪設(shè)備前需配置除水除塵預(yù)處理裝置。VOCs廢氣預(yù)處理后，經(jīng)轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)吸附凈化，之后經(jīng)主風(fēng)機(jī)牽引達(dá)標(biāo)排放。

廢氣脫附流程：由脫附風(fēng)機(jī)牽引，預(yù)處理后的部分廢氣先通過(guò)轉(zhuǎn)輪冷卻區(qū)，冷卻剛經(jīng)歷過(guò)脫附熱解析的沸石轉(zhuǎn)輪分區(qū)，恢復(fù)沸石材料的低溫吸附性能。之后廢氣經(jīng)一級(jí)換熱器加熱，加熱至沸石轉(zhuǎn)輪的脫附溫度180～220℃，通入沸石轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)進(jìn)行脫附操作。VOCs脫附是一個(gè)吸熱過(guò)程，脫附出口廢氣溫度降低到60℃左右，廢氣VOCs濃度升高。之后脫附廢氣經(jīng)脫附風(fēng)機(jī)通入二級(jí)換熱器中。二級(jí)換熱器回收系統(tǒng)熱量，將脫附廢氣換熱升溫至催化劑反應(yīng)溫度窗口，若系統(tǒng)熱值不足，可通過(guò)催化氧化爐內(nèi)的加熱器補(bǔ)充。脫附氣中的高濃度VOCs物質(zhì)，在250-300℃反應(yīng)溫度窗口中，在催化劑作用下徹底氧化為無(wú)害的CO2和H2O，同時(shí)釋放大量熱值。催化氧化爐排放的高溫凈化氣體流經(jīng)兩級(jí)換熱器回收系統(tǒng)熱量，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

3 系統(tǒng)運(yùn)行的影響因素及安全設(shè)計(jì)

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪的吸附性能受廢氣工況和轉(zhuǎn)輪運(yùn)行兩部分工況參數(shù)的影響。行業(yè)和生產(chǎn)工藝不同，VOCs排放廢氣的溫度、濕度、濃度、VOCs成分各不相同。而且工業(yè)排氣過(guò)程中常出現(xiàn)風(fēng)量波動(dòng)和濃度波動(dòng)的情況，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪是一種移動(dòng)吸附設(shè)備，可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)輪運(yùn)行參數(shù)可以調(diào)整沸石濃縮轉(zhuǎn)輪設(shè)備的治理負(fù)荷，提高沸石濃縮轉(zhuǎn)輪的治理效率。轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)可優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)有：濃縮比、轉(zhuǎn)速等[5]。

3.1 溫度

VOCs吸附過(guò)程是一個(gè)放熱反應(yīng)，低溫有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行，廢氣進(jìn)氣溫度一般控制低于40℃。

3.2 濕度

工業(yè)排氣中或多或少都含有一定的水分，水分的存在會(huì)與VOCs在吸附過(guò)程中形成競(jìng)爭(zhēng)吸附，相對(duì)濕度增加會(huì)導(dǎo)致VOCs吸附效率下降，廢氣治理工程中一般控制相對(duì)濕度在80%RH以下。

3.3 VOCs廢氣濃度和成分

VOCs濃度、成分等影響沸石濃縮轉(zhuǎn)輪選型型號(hào)，VOCs濃度高、廢氣成分中含極性小分子VOCs物質(zhì)，沸石轉(zhuǎn)輪選型直徑會(huì)變大。

3.4 輪輪濃縮比

轉(zhuǎn)輪濃縮比是指吸附風(fēng)流量和脫附風(fēng)流量的比值，合適的濃縮比可以保證廢氣治理效率達(dá)標(biāo)，還可以將后續(xù)燃燒/氧化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗降到最低。濃縮比低于最佳濃縮比，轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)脫附能量過(guò)剩，會(huì)增加后續(xù)燃燒/氧化設(shè)備的運(yùn)行能耗。濃縮比高于最佳濃縮比，轉(zhuǎn)輪的脫附能量減少，不足以VOCs脫附完全，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的凈化效率下降，廢氣排放濃度超標(biāo)。

3.5 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪是一個(gè)移動(dòng)吸附設(shè)備，吸附和脫附同時(shí)進(jìn)行，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速是平衡沸石濃縮轉(zhuǎn)輪吸脫附時(shí)間的一個(gè)運(yùn)行參數(shù)。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)輪濃縮比相互影響，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速越快，需要脫附能量越多，但運(yùn)行能耗越大，反之，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速慢則會(huì)導(dǎo)致脫附不完全，廢氣VOCs排放濃度超標(biāo)。

3.6 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，脫附出來(lái)的高濃度廢氣在進(jìn)入二級(jí)換熱器前需設(shè)置LEL在線檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)廢氣的爆炸極限，控制進(jìn)入催化氧化爐的VOCs濃度在25%LEL以下。LEL報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)報(bào)警點(diǎn)，一級(jí)報(bào)警點(diǎn)為15%LEL，二級(jí)報(bào)警點(diǎn)為20%LEL，三級(jí)報(bào)警點(diǎn)為25%。當(dāng)在線監(jiān)測(cè)裝置達(dá)到一級(jí)報(bào)警點(diǎn)時(shí)提示系統(tǒng)檢查，當(dāng)達(dá)到二級(jí)報(bào)警點(diǎn)時(shí)，通過(guò)脫附風(fēng)機(jī)前的稀釋風(fēng)閥摻入新鮮空氣，降低廢氣VOCs濃度。當(dāng)達(dá)到三級(jí)報(bào)警點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)緊急停機(jī)。

在脫附風(fēng)機(jī)后設(shè)置阻火器，阻火器的作用是經(jīng)過(guò)許多細(xì)小通道之后分散火焰，使火焰溫度降低到著火點(diǎn)以下，避免系統(tǒng)異常著火時(shí)火焰蔓延。

4 工程應(yīng)用

以常州某涂料生產(chǎn)廠為例，該項(xiàng)目VOCs廢氣來(lái)源于油性漆和汽車漆涂料生產(chǎn)過(guò)程中的人工投料、分散研磨、包裝、清洗工序中，廢氣治理風(fēng)量55000 m3/h，廢氣成分有甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮和異丙醇等多種VOCs成分，廢氣濃度約400-800mg/m3。該工況具有典型的低濃度、大風(fēng)量的特點(diǎn)，廢氣治理工藝是沸石濃縮轉(zhuǎn)輪-催化氧化。設(shè)備投用一年以來(lái)，VOCs出口濃度穩(wěn)定低于30mg/m3。

VOCs廢氣經(jīng)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后，脫附系統(tǒng)風(fēng)量降低，VOCs濃度大幅升高，VOCs成分自身熱值已足以維持系統(tǒng)運(yùn)行能耗，無(wú)需額外的熱量補(bǔ)充。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、風(fēng)機(jī)頻率、加熱器開度、閥門開度等，通過(guò)PLC系統(tǒng)監(jiān)控和記錄，程序自行調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。程序設(shè)置報(bào)警信號(hào)，若出現(xiàn)運(yùn)行異常，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以確保系統(tǒng)安全。

5 結(jié)論和展望

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪-催化氧化工藝治理大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣具有凈化效率穩(wěn)定、熱機(jī)時(shí)間短、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足我國(guó)越來(lái)越嚴(yán)格的VOCs廢氣排放要求。但目前沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備中沸石負(fù)載成型的關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)還未能完全掌握，亟需掌握此關(guān)鍵技術(shù)，以滿足VOCs治理市場(chǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-03-21

作者簡(jiǎn)介：梁春霞，女，漢族，研究方向?yàn)閂OCs廢氣治理。