基于活性炭與催化燃燒噴漆廢氣處理設備的研究與應用

王高春，翁衛飛

（杭州冶藍環保科技有限公司，杭州 310022）

在部分產品的噴漆與烤漆生產過程中，會出現大量的工藝尾氣排放，這些尾氣對自然環境的危害較大，給操作工人的健康帶來較大的威脅。具體來說，噴漆、烤漆等工藝需要使用大量苯、甲苯、乙苯、乙酸乙酯等揮發性化合物，作為涂料溶劑以及稀釋劑等。這些有機溶劑在噴涂時不會吸附在工件表面，會全部揮發到空氣中變為有機廢氣。這些廢氣具有沸點低、常溫下容易揮發等特征，對周邊環境以及操作人員的身體健康產生較大的影響[1]。

我國一些大城市的空氣中揮發性有機化合物含量是美國城市的數倍，工業生產排放的有機廢氣已經成為我國城市大氣污染的主要因素。這些氣體揮發時會產生刺激性氣味，對操作人員的身體危害很大，短期接觸后會引發惡心、頭暈等，大量吸收后會損害人體的內臟、神經系統等。因此，在工業生產活動中，除了采用必要的防護措施外，還要盡量避免有機廢氣的排放，全面收集與凈化有機廢氣。

1 基本原理

本方案將蜂窩狀活性炭作為吸附劑，通過吸附凈化、脫附再生并濃縮揮發性有機物（VOCs）以及催化燃燒的原理，即將大風量、低濃度的有機廢氣通過蜂窩狀活性炭吸附實現空氣凈化的目標。在活性炭吸附飽和后，再通過熱空氣脫附使得活性炭再生，脫附得到的濃縮有機物被送到催化燃燒床進行催化燃燒，內部的有機物質被氧化成為無害的CO2以及H2O。燃燒后的熱廢氣通過熱交換器加熱冷空氣，熱交換后降溫氣體部分排放，部分用于蜂窩狀活性炭的脫附再生，實現節能的目標[2]。整套設備含有預濾器、吸附床、催化燃燒床和風機等設備。

相比其他有機廢氣處理方法，該方法是一種綜合處理模式，汲取了其他模式的優勢，技術較為成熟可靠，對于處理大風量、低濃度的有機廢氣具有較大優勢，在催化燃燒的作用下，凈化效果可以達到最佳。

2 處理工藝設計

2.1 預處理

對于有機廢氣，人們應首先開展水噴淋，去除廢氣內部的雜塵、可溶性有機物。噴淋后，氣體內部具有大量水分和少量粉塵，為避免水分與粉塵影響活性炭吸附床的有效運行，人們需要在處理時利用高效率的過濾器進行過濾[3]。

2.2 吸附操作

經過預處理的有機廢氣，在風機的作用下引入吸附床，將其均勻地分布在活性炭表面。依據分子間的范德華力，活性炭會將有機廢氣吸附在表面，這一過程耗時較少，但時間越長，吸附越徹底。二者之間沒有出現較大的化學反應，而有機廢氣卻達到較高的凈化效果。經過凈化后的潔凈廢氣可以達到相關大氣污染物的排放標準，在風機的作用下，其可以達到15 m高排氣筒的排放標準。每套廢氣凈化處理系統含有三個級別的吸附床，兩套用來吸附，一套用來脫附，三套設備可以實現輪流操作[4]。

2.3 脫附與催化燃燒

具體的反應方程式為：

（貴金屬催化劑/200～300℃）

在活性炭吸附到飽和程度后，切換到脫附床，脫附需要外加的熱量，加熱裝置安裝在催化氧化床內部，開啟后同時預熱催化劑。催化氧化床達到設定的溫度后，將熱空氣引入脫附床內部，有機廢氣在加熱的作用下從活性炭表面全部解析出來[5]。

高濃度的有機廢氣在外力的作用下進入氧化床中，通過金屬鉑的催化作用，被燃燒分解為H2O與CO2，廢氣通過這一操作得到凈化。這一燃燒過程的特征為低溫、快速以及無焰，并產生較大的熱量，人們可以將活性炭再次回用到有機廢氣的脫附與燃燒氧化中，從而降低能源消耗。具體的反應過程如圖1所示。

圖1 催化燃燒過程

在有機廢氣濃度較大時，燃燒產生的熱量過多會導致催化氧化床的溫度較大，進而影響整個廢氣治理系統的安全性、為此，本文設計的系統含有冷空氣補充裝置，它可以引入新鮮空氣來降低反應溫度，從而保證系統操作的安全性[6]。

2.4 污水處理

水噴淋預處理之后，含有雜質與有機物的廢水被引入噴漆車間的污水處理池內開展沉淀，去除大顆粒的雜物。含有有機物的廢水呈現出弱酸性，為降低污水回用對設備的腐蝕，人們需要添加少量片堿，開展中和反應，調節其酸堿度。在經過較為徹底的凈化后，廢水可以循環利用，可以再次用于水噴淋預處理模塊，污水處理單元基本沒有污水外排現象。污水離心分析的產物以及沉淀產生的漆渣沉淀物作為危險廢物，依據國家的相關危險廢棄物的管理要求，應委托具有資質的危險廢物處置單位開展安全處理操作[7]。

本方案具有眾多優勢。首先，采用新型高效的活性炭，吸附床結構穩定、合理，吸附效果大幅度提升；其次，通過金屬鉑開展催化燃燒，將有機廢氣分解為無毒無害的H20與CO2，實現高效的徹底凈化；再次，燃燒過程溫度較低、安全，燃燒過程產生的熱量可以循環使用，熱量損失較少，能耗大幅度降低；最后，系統設備的設計安裝采用多種措施來杜絕安全隱患，操作簡單，便于后期的使用和管理。

3 各個組成模塊的操作方法

3.1 漆霧過濾器

噴漆廢氣主要出現在工件涂抹的噴漆工作臺，高壓空氣噴射的油漆很多停留在工件上，其他都隨廢氣排出，變成漆霧。這些漆霧粉塵含量較低，顆粒較小，絕大部分直徑小于10 mm。如果不處理會很快堵塞活性炭的微孔，使其失去原有的功能。因此，噴漆廢氣必須先進行粗過濾處理。

3.2 吸附劑的選擇與參數設定

活性炭具有比表面大、吸附能力強以及成本較低等優勢，它是目前VOCs污染常見的吸附劑。粉末狀態的活性炭更換不方便，活性炭纖維含有規則的微孔結構，具有較大的吸附容量，同時容易脫落，成本較高[8]。蜂窩狀的活性炭風速高，阻力小，可以應用到大風量的低濃度廢氣吸附中。本文選擇蜂窩狀活性炭，吸附床的結構采用的為抽屜式的組裝模式，便于使用時的填裝與拆卸。

3.3 催化燃燒設計

3.3.1 換熱器

換熱器的結構較為復雜，為了降低生產成本，方便后續安裝，本文采用結構較為簡單的固定式管板式換熱器，冷氣體走殼體，熱氣體走管程。

3.3.2 電加熱室

在本方案中，加熱室僅僅提供開機時預熱氣體需要的熱量，苯催化燃燒后有大量的預熱可以利用，因此需要的熱功率較低，通過電加熱即可，不需要天然氣或液化石油氣的額外加熱。

3.3.3 保溫模塊的處理

催化燃燒一體化設備內部的溫度遠遠高于常溫，需要增加保溫處理避免對工作人員造成傷害。保溫利用的保溫棉采用的材料為硅酸鋁纖維氈，依據燃燒室可能出現的最高溫度400℃來設計，保溫棉的厚度取值為64 mm。

3.4 阻火器的設計

阻火器是由許多細小通道或孔隙組成的，當火焰進入這些細小通道后就形成許多細小的火焰流。由于通道或孔隙的傳熱面積很大，火焰通過通道壁進行熱交換后，溫度下降，到一定程度時火焰即熄滅。阻火器是用來阻止燃燒的氣體或者是易燃性液體蒸發火焰蔓延的設備，在VOCs催化燃燒的反應器中，如果有火星的話會引發氣體火焰出現進而促使整個管網燃燒，所以阻火器的作用較大。阻火器的殼體尺寸大小與流體阻力有直接關系，通常殼體直徑為配合使用的管道直徑的4倍左右，即D≈4d。本文依據規范設計，利用明火開口端和閉口端進行點火，本方案采用無火燃燒方式，如果依據D=4d的話，阻火器會過大，依據實際的操作需求，本文設計的數據取值為D=2d，角度為60°。阻火器采用的為1 mm不銹鋼，管道直徑為500 mm×200 mm，擴散的角度為60°，殼體前半部分的高度取值為250×sin60°≈433 mm。

4 結語

本方案采用吸附-催化燃燒法處理噴漆廢氣，首先利用過濾器去除漆霧，之后通過系統控制，利用蜂窩狀活性炭吸附床對其開展連續吸附，同時對吸附飽和的活性炭開展脫附。通過80℃熱風吹脫的作用，將大風量、低濃度的有機廢氣濃縮為小風量、高濃度的有機廢氣，同時利用催化燃燒室將有機氣體轉化為CO2以及H2O，并保持穩定的自燃燒。實踐證明，這種處理模式同傳統的工藝相比，具有凈化效率高、無二次污染以及運行成本低等優勢。

1 師琴琴.某電子企業噴涂廢氣綜合治理工程設計[D].杭州：浙江大學，2014.

2 施媛媛.活性炭吸附催化一體設備在汽車涂裝噴漆廢氣處理中的應用[J].汽車實用技術，2017，（15）：167-169.

3 張武學.噴涂廢氣的治理措施[J].污染防治技術，2012，（6）：48-50.

4 劉 娟.噴涂廢氣的治理措施探討[J].工業，2015，（8）：12.

5 徐 雪，田曉剛，海 洋.兩種噴漆廢氣處理方法的技術經濟對比分析[J].能源與節能，2013，（11）：142-144.

6 劉 暉，孫彥富，蘇建華，等.利用吸附-催化燃燒法處理噴漆產生的有機氣體[J].廣州化工，2009，37（1）：112-117.

7 徐綺坤，李淑瓊.汽車噴漆廢氣VOCs處理技術應用進展探究[J].化工設計通訊，2017，43（6）：207.

8 劉 琪，劉澤航.印刷行業有機廢氣治理工程實例[J].環境科技，2016，29（5）：47-49.