轉輪吸附VOCs技術的探討

李守信，陳青松，張文智，蘇航，范偉

（1.華北電力大學環境學院，河北 保定 071003；2.天津大拇指環境工程有限公司，天津 301700；3.廣東雪迪龍環境科技有限公司，廣州 510075；4.湖南家美環保科技有限公司，長沙 410000）

引言

VOCs（揮發性有機化合物）來源廣泛，對人體和環境的危害大。隨著我國新環保法規的頒布，對VOCs的排放限制要求也日趨嚴格，治理VOCs污染正在全面展開，VOCs污染治理技術也在不斷提升，其中“轉輪濃縮-催化燃燒”工藝以技術優勢得到了業主的青睞。國內目前采用的轉輪技術和設備絕大部分是從日本進口或采用日本技術生產的，在國內運行情況良好，主要是處理VOCs的能力較強，在處理復雜成分的VOCs中表現出優越的性能[1]，已成為治理VOCs污染的主力設備之一。

1 轉輪技術存在的問題

與普通的固定床吸附器相比，沸石轉輪（簡稱轉輪）的最大優勢是占地面積較小，尤其是筒式轉輪，由于其將廢氣的預處理、吸脫附、催化燃燒幾道工序組合在一起，成為一套廢氣處理的集成裝置，因而更具優越性。但轉輪并不是在任何情況下都可以采用。在采用轉輪處理VOCs時，一定要從技術原理上對轉輪進行分析，這樣才能正確選擇和使用轉輪。

從吸附的原理上看，轉輪仍然是遵從經典的吸附理論。因此，轉輪的運行程序仍然是吸附-脫附（再生）-冷卻-再吸附……[2]。

但轉輪并不是對所有的氣體都能處理。對一些不易處理的廢氣，如易聚合的烯烴炔烴組分（脫附時容易聚合堵塞）、苯乙烯、涂裝行業UV漆的聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯等，照樣無能為力[3]。為此，轉輪生產廠家在設計時都會要求用戶提供廢氣的成分和濃度，轉輪生產廠家只有拿到這些數據后才能進行設計。據日本東洋紡，設計處理裝置的基礎就是根據廢氣中各成分的分子動力學直徑，來選擇沸石分子篩的，然后再把適合廢氣成分的分子篩按比例搭配，制成轉輪的吸附層，這樣，轉輪就能準確地進行廢氣處理，達到用戶的要求。但廠家的供貨周期都較長，這實際上也是一個制造加工精細化的問題。

“轉輪對廢氣能濃縮20～40倍”，但只是個概念問題。如果廢氣濃度本來就很低，不要說濃縮到40倍，就是50倍60倍都是有可能的。如果廢氣濃度高，比如1000mg/m3，那恐怕連10倍的濃縮比也達不到。實際上，轉輪對廢氣的濃縮能力與自身的吸附容量有關。“采用轉輪技術較易達標排放，而采用普通的吸附裝置，就很難做到達標”。其實是因為完全沒從吸附原理上去分析。任何一種吸附裝置都有吸附周期的問題，也就是說，任何一個吸附裝置都有破點的問題[3]，如果吸附操作中在即將達到破點時才切換，當運行不穩定時，就很容易超標；但是如果在距離破點還有較長的時間就提前切換，就不會超標。所以，一般轉輪設定的吸附時間都會比達到破點的時間要短得多，因而很容易做到達標排放。

“轉輪可以采用高風速，處理能力大”，此說法也是概念問題。因為吸附的速度極高[3]，可以接近化學反應的速度（約10-8s），所以，只要吸附質與吸附劑一接觸，瞬間就會被吸附。因此，當廢氣濃度非常低時，廢氣在吸附層中停留很短的時間，就會完成吸附。因此，有觀點認為[5]：廢氣通過床層的風速是由它的停留時間決定的，對濃度較稀的廢氣，可以采用較大的風速[6]。設計人員在設計轉輪風速時，肯定要根據氣體的濃度進行選擇。由于采用轉輪處理的廢氣濃度一般都較低，所以可以采用較大的風速。但轉輪的風速不是隨意提升的，也必須考慮阻力問題。因此，轉輪的吸附層厚度最大也不會超過500mm。

此外轉輪還存在以下不足：

（1）從結構上看，轉輪屬移動床在運行時會將處理系統內所有部分都旋轉起來，這就導致運行時的能耗會增加；把用于氣流切換的閥門變成了與吸附單元硬摩擦的密封件，并將這些密封件固定在不同的位置，用于和旋轉的每個吸附單元進行接觸，以實現氣體的切換。這無疑會增加設備制造的難度。尤其是密封件，國內很少生產，基本依賴進口。

（2）不少轉輪的脫附都是采用高溫（180℃～200℃）脫附，這不僅造成了能源浪費，也不利于資源回收。即使為了與后續的催化燃燒相銜接，也沒必要采用高溫去脫附。可以采用低溫脫附后對脫附氣再加熱，這樣就能實現節能。因為此時省去了對整個吸附系統加熱的能量，同時采用較低的溫度脫附，也省去了對床層進行冷卻的能量（對于含氯的揮發性有機物，在采用轉輪濃縮進行處理后，不可再進行催化燃燒，因為那樣將會產生毒性更強的光氣或二英）。

（3）有人認為，由于沸石轉輪的脫附比熱相對較低的空氣或工業氮氣作為脫附介質，必須依靠脫附才能確保較高的再生效率。但這種觀點是基于“溫度越高脫附效果越好”的錯誤脫附規律的認識。實際生產中，脫附效率與脫附溫度并不存在一定的正相關，即不同的吸附質均存在對應的理想脫附溫度[7]，而這一溫度點與吸附質的沸點并不存在直接關聯。

2 分析及總結

轉輪不論從結構還是運行方面，都存在可以改進的地方，但最應該改進的地方是吸附劑。眾所周知，分子篩的吸附容量要比活性炭差得多[3]，如果將分子篩改成活性炭吸附劑，在同等條件下，其濃縮比會成倍地提高。轉輪之所以采用沸石分子篩作吸附劑，主要是利用其不同型號的分子篩可以吸附不同物質的特性，此外，還利用了其在高溫下仍然具有較好的吸附能力。

如果在炭基吸附劑上進行選擇或改性處理，使活性炭具有與分子篩相近的性能特點，如：消除活性炭上的活性點以避免其低溫催化帶來的運行安全隱患；改變活性炭的孔徑大小及分布等，以增強其對不同VOCs分子的吸附性能。實際上，目前市面上已經出現了這種活性炭，如用于油氣回收的中孔活性炭、韓國的專用活性炭等。如果結合吸附質的分子動力學直徑，按照孔徑大小進行分類，分別制成模塊，用這些模塊設計成固定床，則會收到比轉輪還要好的效果。

綜上所述，沸石轉輪之所以能夠在短時間內對活性吸炭固定床的濃縮工藝產生沖擊，除了商業上的考量之外，根本原因是由于轉輪的運行特點和吸附劑類型更適合粗放的脫附條件和控制模式。如能夠對VOCs脫附規律、活性炭改性和復配技術進行更深入的研究，開發出一種集成裝置，再在智能化方面做些研發，可以相信，活性炭固定床毫無疑問是治理VOCs污染更理想的選擇。