沸石濃縮轉輪在廢氣處理行業中的高效應用研究

倪彪

摘 要：沸石轉輪中含有大量的具有規則孔道結構的，良好吸附脫附VOC特性的分子篩，得到了人們的關注。廣泛的應用于涂裝行業、印刷行業、家居行業、電子行業及部分精細化工行業的廢氣處理中。本文結合標準涂裝項目中沸石轉輪的應用，從沸石轉輪的結構以及特性出發，考慮外界條件對沸石轉輪在廢氣吸脫附的影響;闡述了廢氣中粉塵、廢氣溫度、廢氣濕度等對沸石轉輪效率的影響，并從實際案例中得出在合適的條件下沸石轉輪最佳的吸脫附性能，并有利于其具有較長的使用壽命。

關鍵詞：沸石轉輪;VOC;吸脫附;分子篩;轉輪效率

1、前言

1.1 市場需求

隨著我國工業經濟的不斷發展，環保壓力逐漸增大;一系列環保新標準的制定以及發布，明確了各行業生產過程中尾氣的排放標準以及要求;為滿足排放要求生產源頭、減量生產以及加裝后端尾氣處理裝置成為主要手段;后端尾氣處理裝置成為排放大氣的最后一道手段，受到社會的強烈關注;更加成熟、穩定以及低能耗的處理工藝是現在社會研究的主要方向[1]。

1.2 沸石分子篩的結構

一種新型的處理工藝沸石濃縮轉輪近些年在廢氣處理設備中得到廣泛的使用。沸石轉輪本質為附著沸石分子篩的蜂窩狀基材，沸石分子篩是結晶的鋁硅酸金屬鹽的水合物活化脫水后形成的籠形結構，其孔徑為3～10 A[1]。在分子篩晶體中有著許多大小一定的空穴，空穴與空穴之間有許多相同直徑的孔（窗口）相連通，見圖1及圖2。

特殊的構型使得它可以將小于其孔徑的的分子吸附到其空穴內部，并且可以而把比其孔徑大的分子排斥在空穴外面，具有篩分分子的作用;產生這一吸附作用的作用力為分子引力在固體表面產生的“表面力”，本身不發生化學變化，再通過另一物理作用：壓力、加溫增加分子間相互作用的等方式將吸附的分子脫離出去，分子篩本身又恢復其吸附能力，這一吸附的逆過程又稱解析或再生[2]。

1. 3 沸石分子篩對VOC吸脫附原理

轉輪中沸石的大量使用確保了其具有大量的微觀的籠或通道，較小尺寸的通道，產生較大的引力場;保證了其吸附質分子的能力遠遠超過其他類型如常規活性炭等吸附劑。沸石轉輪的大比表面積、規整的孔隙率、吸附以及再生的特性，可以有效吸附尾氣中的一定分子直徑的VOC組分，再利用高溫空氣在線脫附，可以實現尾氣的連續處理。濃縮后的尾氣根據實際組分的不同可以采用高溫熱力氧化、催化燃燒以及冷凝吸附等方式將尾氣中的有機物處理或者回收[3、4]。

1.4 沸石分子篩在實際應用中需要注意的事項

在整個廢氣處理的工藝中，沸石轉輪是其設備的核心，直接影響到整套設備的處理性能。沸石獨特的構造確保了其具有吸附濃縮部分化學分子的能力，而這部分分子范圍交廣，包括可常溫下揮發性物質（VOCs）、較難揮發性物質（高沸點物質）部分較小顆粒的粉塵、以及水分子（H2O）;但是由于部分物質在沸石孔道中的積聚造成了極難被解析再生，造成了沸石分子篩在使用中損耗;尾氣中水分子的存在（高濕度）代替可揮發性物質（主要吸附處理的物質）被吸附，同樣造成了沸石分子篩較差的處理性能。營造一個良好的使用環境，確保沸石分子篩吸附特異性的物質（需處理的VOCs），高效穩定的運行使用，是廢氣處理工藝設計時需要注意的重點[4-6]。

2、沸石轉輪使用中的要點

沸石轉輪在尾氣處理工藝中得到廣泛的應用，營造一個良好的使用環境可以確保尾氣處理設備較高的處理效率，較強的穩定性。

2.1 沸石轉輪的運行原理

2.1.1 沸石轉輪設備配置

圖3為盤式沸石轉輪的運行的原理圖，如圖所示，沸石轉輪被劃分為三個區域，處理區（有機分子吸附區域）、冷卻區以及再生區;整套設備有，前置過濾器、處理（吸附）風機、沸石轉輪、再生加熱裝置、再生風機。

2.1.2 沸石轉輪運行機理

尾氣經過過濾器過濾后進入到沸石轉輪的處理區，尾氣中的有機分子被特異性的吸附在沸石的孔道及籠中，被沸石吸附后的氣體-- 凈化氣體排放煙囪;并有一股氣體經過冷卻區，為較高的轉輪沸石表面降溫，使得沸石重新具有吸附性;這股氣體在經過加熱后反吹轉輪，高溫使得沸石中的有機分子的活性增強，風壓增加了氣流作用力，兩種作用力確保了被吸附的分子得以從沸石孔道中逃離。整個過程為連續運行過程，轉輪驅動馬達帶動轉輪連續運行，轉輪轉動方向為處理區（吸附）→再生區（解析）→冷卻區（解析后高溫沸石降溫）[4]。

2.2 轉輪的前置過濾

2.2.1 沸石轉輪的結構特性

沸石轉輪本身為蜂窩狀結構，微觀及宏觀結構見圖4，含有大量較規整的孔道。在尾氣中常常含有大量的如漆霧、粉塵、大分子樹脂以及可以進入分子篩牢籠孔道但在孔道中聚集的物質，這些物質會堵塞轉輪得蜂窩狀孔道以及沸石的微觀孔道，造成轉輪大孔以及小孔的堵塞。

2.2.2 轉輪堵塞后對系統的影響

沸石轉輪的堵塞在結構上分為兩種：大孔道蜂窩的堵塞、小孔道沸石牢籠的堵塞。

大孔道蜂窩的堵塞：粉塵以及大分子樹脂在孔道中聚集，造成通風的孔道堵塞，這種堵塞造成氣流孔道堵塞，沸石轉輪成為一個不透風的盲板，影響氣流的通過，造成車間生產排氣異常、系統內局部壓力過大、以及再生區高溫異常（悶燃）的可能，造成生產以及安全上的問題。

小孔道沸石牢籠的堵塞：一些分子尺寸較小，進入到分子篩牢籠中聚集以后尺寸較大不易逃離沸石分子篩，轉輪不能解析再生。

2.2.3 前置過濾的設定

針對尾氣中含塵、大分子以及部分聚合物的存在，在沸石轉輪的設計中需要特備注意。

對于尾氣中的含塵物質，通常采用濕法除塵結合干式過濾、多級干式過濾的范式解決。通暢采用的濕法除塵設備主要有：旋流板塔除塵、噴淋塔除塵、文丘里除塵等。干式過濾為多級搭配式設計，初效過濾+中效過濾+亞高效過濾/高效過濾的搭配使用。鑒于尾氣中粉塵的粒徑分布較廣，一般定義為沸石轉輪前端最后一級過濾等級不低于F9，并且過濾等級越高，對后端沸石轉輪的保護越徹底。

尾氣中大分子物質如樹脂的存在，多在前端考慮增加一級活性炭顆粒。顆?；钚蕴烤哂袑Ψ肿游镔|吸附效率高，在其吸附達到飽和狀態后，高沸點的物質可以將活性炭中低沸點的物質置換出去，從而確保大部分高沸點物質保留在活性炭顆粒內的特性。

對于尾氣中可聚集性分子物質的存在，考慮使用噴淋塔改性或者更高級別的過濾等方式去除。

2.3 溫濕度對轉輪的影響

2.3.1 溫度對沸石轉輪的影響

不同行業的工序段不同，不同工序段的尾氣排口溫度不同，沸石濃縮轉輪對處理氣體的溫度也有明確的要求。沸石分子篩的作用原理是通過氣體分子與沸石分子式孔道之間產生的相互作用力，被吸附在沸石中，當這一作用力被破壞，氣體分子可以從沸石孔道中脫附處理這也是沸石轉輪解析再生的過程。

根據圖5所示，一定的濕度下，隨著廢氣溫度升高，沸石分子篩的凈化效率變化明顯，在超過40 ℃時沸石轉輪的吸附效率明顯下降;并發現沸石分子篩轉輪對25～35 ℃的廢氣凈化效率最高。因此為了保證沸石轉輪的凈化效率，在工藝設計時需要對進入分子篩轉輪的氣體溫度加以控制，確保其溫度<40 ℃。

冷卻裝置的使用可以解決氣體溫度過高的情況，常規的冷卻裝置有：表冷器、冷卻塔以及板式氣體換熱器。由于所降的溫度較低，常采用表冷器作為沸石轉輪前端的冷卻裝置對廢氣溫度加以控制。

2.3.2 濕度對沸石轉輪的影響

廢氣處理設備是對尾氣中可揮發性有機化合物等影響環境的一系列物質的消除，而尾氣中的水分子不在其處理范圍之中。

尾氣中存在的水分子，特異型的和沸石轉輪的目標組分（可揮發性有機物）競爭，優先吸附在沸石分子篩的牢籠中，使得沸石轉輪不能得到高效的應用。

如圖6所示，一定的溫度下，當進入轉輪的尾氣的相對濕度超過80%時，沸石分子篩轉輪對尾氣中揮發性有機氣體的的凈化效率急劇下降。降低尾氣的相對濕度成為了提高沸石轉輪凈化效率的管徑，需要將尾氣的相對濕度降低至80%以下。

表1為下面為某沸石轉輪+RTO工藝中，利用脫附換熱后煙氣與轉輪前端尾氣混風，升溫除濕的詳細工藝計算結果（尾氣按160000Nm3/h計算）。

表1廢氣相對濕度計算（進氣溫度30℃）

1）按照濃縮10倍濃縮選擇后端風機及RTO，脫附風量為16000 NCMH，換熱器冷進口溫度110 ℃，換熱器冷出溫度220 ℃;爐膛取800 ℃風換熱，換熱熱出250 ℃。

2）實際尾氣升溫除濕需要的混風風量，以及混風后實際值，見圖7～8。

3、工程應用案例介紹

3.1 某涂裝尾氣治理項目介紹

在某涂裝尾氣治理的實際案例中，客戶排放的廢氣工況如表2所示：

該涂裝行業排放尾氣為手工噴房以及自動機器人噴房排出，最大排放濃度為300 mg/m3，正常運行時排放濃度在120～180 mg/m3之間。尾氣中不含有轉輪不吸附以及不脫附的物質存在，濕度滿足轉輪的使用要求。

客戶要求排放濃度<20 mg/m3，按照要求，最低處理效率必須>90%。

3.2 某涂裝尾氣治理

在項目設計中，首先考慮沸石濃縮轉輪的選型。必須充分考慮尾氣中氣體的組分，再確定沸石轉輪型號。經風量以及VOCs組分確定，該項目濃縮轉輪選用日本西部技研UZM-4250-V50型的轉輪的設計，在確定濃縮轉輪型號后，搭配不同設計為沸石轉輪提供合適的工作環境，選擇最優組合。

針對濃縮轉輪模塊的設計如下：

噴淋除塵+六級干式過濾+活性炭顆粒+升溫除濕的搭配，如圖9。

3.3 某涂裝尾氣治理項目實際運行情況

設備運行兩年，期間現場人員按照要求更換濾材，維護過濾箱;兩年后轉輪表面干凈正常，經第三方檢測后轉輪的凈化效率仍和初始調試時效率持平>93%。這說明此套預處理工藝對沸石轉輪有極好的保護作用。

4、結論與建議

沸石濃縮轉輪引起具有良好的吸脫附VOC的特性，已廣泛應用于電子、家居、涂裝、印刷等尾氣治理中，為沸石轉輪提供一個良好的使用環境是其具有較好吸脫附性能的關鍵;其中廢氣中粉塵能否有效去除，影響著轉輪的使用壽命及性能;廢氣較高的溫度影響VOC與分子篩之間的相互作用，影響VOC在分子篩中的吸附;廢氣的較高的濕度使得廢氣中的水分子與VOC競爭性的轉輪分子篩中，水的存在影響了VOC在分子篩中的吸附。合適的過濾，合適的溫度以及合適的濕度等，合理有效的使用條件使得沸石分子篩對VOC具有良好的吸脫附性能，并使其具有較長的使用壽命。

參考文獻：

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