催化燃燒法在噴涂廢氣治理中的應用

何曦，吳衛，汪壯，何淼，彭芬，劉彰，許第發

（1.航天凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100；2.長沙環保（服務）工業技術研究院，長沙 410100；3.湖南省工業廠房空氣治理工程技術研究中心，長沙 410100；4.長沙學院，長沙 410022）

引言

隨著我國《環境保護法》《大氣污染防治法》等法律法規的陸續實施，對企業產生的廢氣處理要求越來越高，部分地區對噴涂廢氣的治理要求也越來越嚴格。

噴涂廢氣的處理主要是廢氣的收集和廢氣的治理。廢氣的收集方法主要通過在作業車間合理布置集氣結構，實現噴涂廢氣的有效收集，達到降低后續治理設備投資及運行成本的目的。廢氣治理技術則有多種選擇，常見的方法有：活性炭吸附[1]、光催化[2]、生物法[3]、低溫等離子[4]、催化燃燒[5]、蓄熱式熱力氧化[6]以及組合工藝[7、8]等。在處理噴涂廢氣之前首先要進行預處理，即去除廢氣中的漆霧。漆霧凈化有濕法[9、10]、干法[11、12]之分，前者通過液體（水或改性劑）對漆霧進行捕捉分離，后者通過過濾材料對漆霧進行攔截分離。不論干法、濕法，都需要與后續工藝相匹配，否則漆霧引入會導致后續處理系統癱瘓。

1 項目概況

某裝備制造企業主要生產大型機械設備，其噴涂車間有完善的廢氣收集系統和漆霧干式過濾系統。采用的工藝為玻璃纖維棉過濾漆霧和活性炭吸附，過濾后的廢氣（VOCs）經活性炭吸附之后排放。由于地方環保督察力度加大，該企業提出了提標改造的需求。但由于建廠之初活性炭吸附系統已將可用區域幾乎完全占據，企業不愿意拆除現有的活性炭吸附裝置，又無法借用其他場地加設新的裝備，經商議最終決定采用活性炭離線脫附+催化燃燒的方式進行處理。

2 催化燃燒裝備設計

催化燃燒有兩個重要的技術指標：去除效率、運行功耗。其中去除效率與有機物的濃度、反應溫度、催化劑性能密切相關，而運行功耗則受處理風量、有機物濃度、換熱效率的限制。通過增大換熱面積可增大余熱的利用效率，更容易實現自熱平衡，降低系統功耗。但受條件限制，該項目以優先保證去除率為關鍵。

催化燃燒工藝路線如圖1所示。廢氣在鼓風機作用下流經三通閥、阻火閥、換熱器、電加熱器進入催化燃燒室，燃燒尾氣經換熱器排空。若遇到明火回流的情況，阻火閥立即關閉，帶壓力傳感器的三通閥立刻切向旁通直排。

圖1 催化燃燒工藝路線

催化燃燒裝備如圖2、圖3所示。廢氣通過進氣口經板式換熱器由下向上流動，并一分為二進入電加熱腔，電加熱腔分布在燃燒室的兩側，電加熱腔內有數根均勻分布的電加熱棒。廢氣經電加熱棒加熱至一定溫度后在燃燒室上端匯集，并從上至下流經催化劑孔道發生催化燃燒反應，反應之后的氣體從燃燒室下端排出，經板式換熱器將余熱傳遞給新進廢氣后通過排氣口排出。

圖2 催化燃燒裝備結構

圖3 催化燃燒裝備實物

該催化燃燒裝備的處理風量700m3/h，風機選用最大風量1000m3/h，風壓2500Pa的離心風機，通過變頻器調整風量，催化劑填裝量0.028 8m3。

3 催化劑開發

該項目組采購了商業雙貴金屬（Pt、Pd）蜂窩催化劑，并通過產學研合作開發了單貴金屬（Pt）蜂窩催化劑。自研催化劑以蜂窩陶瓷為載體，在載體上涂覆γ-氧化鋁、稀土氧化物作為第二載體。其他工藝與現有的浸漬涂覆法工藝相同。兩類催化劑對比參數見表1。

表1 商業與自研催化劑對比

4 催化燃燒性能評價

催化燃燒性能評價采用手持式PID濃度檢測儀（RAE PGM-7300），由于出入口溫度不一致，而PID檢測單位為ppm，計算凈化效率時需要換算成mg/m3：

式中：

噴涂作業時產生的VOCs由多種成分組成，為了便于計算將M取值80，Ba取值101 325，式①簡化成：

分別在50、100、260、400ppm濃度下進行商業催化劑性能測試，結果見表2。分別在51、110、260、400ppm濃度下進行自研催化劑性能測試，結果見表3。

從表2、表3的兩組數據可看出：在濃度不變時，反應溫度越高凈化效率越高；溫度不變時，濃度越高凈化效率越低。通過對比發現，自研催化劑在溫度超過200℃時對VOCs的凈化效率均超過了90%，商業催化劑T90若凈化效率達到90%則溫度在250℃左右，說明了自研催化劑較商業催化劑具有更好的低溫活性。

表2 商業催化劑性能

表3 自研催化劑性能

圖4 測試之后的催化劑

圖4展示了測試后的催化劑外觀，商業催化劑有幾個樣品出現了破損現象，而自研催化劑則完好無損，說明自研催化劑具有更長久的使用壽命。另外，商業催化劑、自研催化劑部分樣品均出現了發黑現象，這與“通過氣流給催化劑加熱”的方式相關，流場的紊亂導致了部分區域溫升不夠而積碳，長期運行可能會造成孔道堵塞。

值得注意的是，出口氣體溫度較高，高溫氣體部分與新風混合后引入吸附飽和的活性炭進行脫附再生，剩余部分可引入烘干室用于裝備的干燥。減小換熱面積不僅大幅度降低了催化燃燒設備體積，同時也減少了活性炭電熱脫附設備的使用，尾氣余熱得到了最大程度的利用。

5 結論

基于項目開發的催化燃燒裝置及催化劑對噴涂廢氣有顯著的凈化效果，特別是在VOCs濃度不超過400ppm時，出口濃度可穩定控制在2.1ppm（4.56mg/m3，套用公式②換算）以內，遠低于《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）中非甲烷總烴的限值（120mg/m3）。雖然排放廢氣溫度較高，但部分可用于活性炭脫附，剩余部分可用于裝備漆面的干燥，實現了余熱的有效利用，滿足了特定條件下的廢氣治理要求。該催化燃燒裝備在后續推廣應用時，可優化換熱器結構，通過增加換熱面積降低排氣溫度，為低濃度下的催化燃燒自熱平衡創造條件。