沸石濃縮轉輪-催化氧化工藝治理VOCs廢氣

摘要：沸石濃縮轉輪-催化氧化工藝是處理低濃度、大風量有機廢氣的工藝技術，可滿足國家、地方、行業新出臺的越來越嚴格的VOCs排放標準。沸石濃縮轉輪系統的運行參數互相影響制約，優化到最佳的運行工況，可以實現凈化系統治理效率穩定達標和節約系統運行能耗的雙重效果。

關鍵詞：VOCs;有機廢氣;沸石濃縮轉輪;催化氧化

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：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

揮發性有機化合物（VOCs）是空氣污染物的主要成分之一，會對人體健康和環境造成極大危害。在紫外線照射下，VOCs會和大氣中的NOx發生光化學反應，產生O3等二次污染物[1][2];還會與大氣中的顆粒物作用形成二次有機氣溶膠[3]。隨著環境問題的凸顯，國家、地方、行業都逐步出臺了越來越嚴格的排放標準和環保法令，VOCs排放濃度和VOCs總量控制越來越嚴格。

1 沸石濃縮轉輪+催化氧化工藝原理

1.1 沸石濃縮轉輪工藝原理

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

沸石濃縮轉輪是一種移動式吸附設備，分三個區域：吸附區，脫附區，冷卻區，三個功能區通過隔板和氟橡膠密封材料完全分隔，轉輪通過電機驅動回轉，從而實現三個功能區域的獨立。吸附區是利用沸石的低溫吸附性能，將廢氣中VOCs物質吸附于沸石材料內部孔道結構中，VOCs廢氣經凈化后可達標排放;脫附區是利用沸石材料的高溫脫附性能，持續通入180～220℃熱空氣可將沸石轉輪吸附區的VOCs物質解析出來，從而恢復沸石轉輪的吸附能力。冷卻區是將剛經轉輪脫附區的加熱沸石材料降溫，恢復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VOCs具有良好的低溫反應活性，催化性能穩定。鉑/鈀貴金屬催化劑在250～300℃溫度窗口中，可將VOCs物質完全降解為無害的CO2和H2O[4]。催化氧化設備根據系統放置區域的防爆要求，有兩種選擇——電加熱器和天然氣燃燒器。在防爆環境中，防爆型的電加熱器是系統加熱器的首選。

與沸石濃縮轉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，具有如下兩個獨特的優點：①催化氧化爐熱機時間短，適用于間歇運行工況，具有節約系統熱機時運行能耗的優點;②催化氧化是一種無焰化學反應，反應溫度低，氧化爐內沒有明火燃燒，配備防爆型的電加熱裝置，催化氧化爐可放置在防爆區域內。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爐內有明火燃燒，根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB50058-2014的要求，明火設備不適合在防爆環境中使用，RTO和TO設備均不適用。

2 沸石濃縮轉輪+催化氧化工藝流程

廢氣吸附流程：沸石濃縮轉輪是涂敷有沸石吸附材料的蜂窩狀結構，在進入沸石轉輪前，為防止沸石轉輪堵塞，轉輪設備前需配置除水除塵預處理裝置。VOCs廢氣預處理后，經轉輪吸附區吸附凈化，之后經主風機牽引達標排放。

廢氣脫附流程：由脫附風機牽引，預處理后的部分廢氣先通過轉輪冷卻區，冷卻剛經歷過脫附熱解析的沸石轉輪分區，恢復沸石材料的低溫吸附性能。之后廢氣經一級換熱器加熱，加熱至沸石轉輪的脫附溫度180～220℃，通入沸石轉輪脫附區進行脫附操作。VOCs脫附是一個吸熱過程，脫附出口廢氣溫度降低到60℃左右，廢氣VOCs濃度升高。之后脫附廢氣經脫附風機通入二級換熱器中。二級換熱器回收系統熱量，將脫附廢氣換熱升溫至催化劑反應溫度窗口，若系統熱值不足，可通過催化氧化爐內的加熱器補充。脫附氣中的高濃度VOCs物質，在250-300℃反應溫度窗口中，在催化劑作用下徹底氧化為無害的CO2和H2O，同時釋放大量熱值。催化氧化爐排放的高溫凈化氣體流經兩級換熱器回收系統熱量，降低系統運行能耗。

3 系統運行的影響因素及安全設計

沸石濃縮轉輪的吸附性能受廢氣工況和轉輪運行兩部分工況參數的影響。行業和生產工藝不同，VOCs排放廢氣的溫度、濕度、濃度、VOCs成分各不相同。而且工業排氣過程中常出現風量波動和濃度波動的情況，沸石濃縮轉輪是一種移動吸附設備，可以通過改變轉輪運行參數可以調整沸石濃縮轉輪設備的治理負荷，提高沸石濃縮轉輪的治理效率。轉輪系統可優化的運行參數有：濃縮比、轉速等[5]。

3.1 溫度

VOCs吸附過程是一個放熱反應，低溫有利于吸附反應進行，廢氣進氣溫度一般控制低于40℃。

3.2 濕度

工業排氣中或多或少都含有一定的水分，水分的存在會與VOCs在吸附過程中形成競爭吸附，相對濕度增加會導致VOCs吸附效率下降，廢氣治理工程中一般控制相對濕度在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輪選型型號，VOCs濃度高、廢氣成分中含極性小分子VOCs物質，沸石轉輪選型直徑會變大。

3.4 輪輪濃縮比

轉輪濃縮比是指吸附風流量和脫附風流量的比值，合適的濃縮比可以保證廢氣治理效率達標，還可以將后續燃燒/氧化系統的運行能耗降到最低。濃縮比低于最佳濃縮比，轉輪系統脫附能量過剩，會增加后續燃燒/氧化設備的運行能耗。濃縮比高于最佳濃縮比，轉輪的脫附能量減少，不足以VOCs脫附完全，將會導致轉輪系統的凈化效率下降，廢氣排放濃度超標。

3.5 轉輪轉速

沸石濃縮轉輪是一個移動吸附設備，吸附和脫附同時進行，轉輪轉速是平衡沸石濃縮轉輪吸脫附時間的一個運行參數。轉速和轉輪濃縮比相互影響，轉輪轉速越快，需要脫附能量越多，但運行能耗越大，反之，轉輪轉速慢則會導致脫附不完全，廢氣VOCs排放濃度超標。

3.6 系統安全設計

為保證系統運行安全，脫附出來的高濃度廢氣在進入二級換熱器前需設置LEL在線檢測裝置，實時檢測廢氣的爆炸極限，控制進入催化氧化爐的VOCs濃度在25%LEL以下。LEL報警系統設置三級報警點，一級報警點為15%LEL，二級報警點為20%LEL，三級報警點為25%。當在線監測裝置達到一級報警點時提示系統檢查，當達到二級報警點時，通過脫附風機前的稀釋風閥摻入新鮮空氣，降低廢氣VOCs濃度。當達到三級報警點時系統緊急停機。

在脫附風機后設置阻火器，阻火器的作用是經過許多細小通道之后分散火焰，使火焰溫度降低到著火點以下，避免系統異常著火時火焰蔓延。

4 工程應用

以常州某涂料生產廠為例，該項目VOCs廢氣來源于油性漆和汽車漆涂料生產過程中的人工投料、分散研磨、包裝、清洗工序中，廢氣治理風量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、大風量的特點，廢氣治理工藝是沸石濃縮轉輪-催化氧化。設備投用一年以來，VOCs出口濃度穩定低于30mg/m3。

VOCs廢氣經沸石轉輪濃縮后，脫附系統風量降低，VOCs濃度大幅升高，VOCs成分自身熱值已足以維持系統運行能耗，無需額外的熱量補充。系統運行參數，如溫度、壓力、風機頻率、加熱器開度、閥門開度等，通過PLC系統監控和記錄，程序自行調節系統運行參數，維持系統穩定運行。程序設置報警信號，若出現運行異常，自動發送報警信號，以確保系統安全。

5 結論和展望

沸石濃縮轉輪-催化氧化工藝治理大風量、低濃度的有機廢氣具有凈化效率穩定、熱機時間短、運行費用低的優點，可以滿足我國越來越嚴格的VOCs廢氣排放要求。但目前沸石轉輪設備中沸石負載成型的關鍵技術國內還未能完全掌握，亟需掌握此關鍵技術，以滿足VOCs治理市場的需求。

參考文獻

[1]馬一琳，張遠航.北京大氣光化學氧化劑污染研究[J].環境科學研究，2000，13（1）：14-17.

[2]吳方堃，王躍思，安俊琳，等.北京奧運時段VOCs濃度變化、臭氧產生潛勢及來源分析研究[J].中國環境科學，2010，31（1）：10-16.

[3]謝紹東，于淼，姜明.有機氣溶膠的來源與形成研究現狀[J].環境科學學報，2006，26（12）：1933-1939.

[4] KAMAL M S，RAZZAK S A，HOSSAIN M M. Catalytic oxidation of volatile organic compounds（VOCs） —a review[J]. Atmospheric Environment，2016，140：117-134.

[5] H. Yamauchi， A. Kodama， T. Hirose， H. Okano， K. Yamada， Ind. Eng. Adsorptive and catalytic properties in the removal of volatile organic compounds over zeolite-based materials[J]. Chem. Res.， 2007， 46， 4316–4322.

收稿日期：2019-03-21

作者簡介：梁春霞，女，漢族，研究方向為VOCs廢氣治理。