試論活性炭纖維吸附-催化燃燒法處理大風(fēng)量低濃度VOCs廢氣

王 碩

（北京恩薩工程技術(shù)有限公司，北京 100101）

在有機(jī)廢氣中，含有揮發(fā)性有機(jī)物VOCs，其能夠通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)生成二次有機(jī)碳SOC，這也是大氣污染中顆粒物的主要組成部分。傳統(tǒng)對(duì)于VOCs廢氣的處理，一般是借助顆粒活性炭GAC對(duì)其進(jìn)行吸附，但是這種方法的吸附率相對(duì)較低，固定床底部的阻力損失較大，而且需要采用蒸汽再生的方式，裝置相對(duì)繁瑣，因此并沒(méi)有能夠得到大規(guī)模的推廣使用。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，蜂窩狀活性炭吸附-催化燃燒法在VOCs廢氣處理中得到了應(yīng)用，解決了裝置連續(xù)有運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題，不過(guò)依然存在不少缺陷，需要繼續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)[1]。

1 活性炭纖維與VOCs

活性炭纖維（ACF）是一種經(jīng)過(guò)活化的含碳纖維，主要是通過(guò)對(duì)含碳纖維內(nèi)進(jìn)行高溫活化的方式，使得其表面能夠產(chǎn)生納米級(jí)孔徑，增加比表面積，對(duì)材料的物化特性進(jìn)行改善。ACF的性能特點(diǎn)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是ACF纖維直徑小，比表面積大，微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，吸附容量大且脫附速度快，再生性強(qiáng)，對(duì)于ppb級(jí)的痕量物質(zhì)吸附非常有效；二是ACF對(duì)于各類有機(jī)和無(wú)機(jī)氣體，以及水溶液中的有機(jī)物、貴重金屬離子等，都有著很大的吸附量和較快的吸附速度，凈化效率高；三是ACF在面對(duì)低濃度物質(zhì)時(shí)，能夠呈現(xiàn)出更加優(yōu)越的吸附性能，具有GAC（顆粒活性炭）和PAC（粉末活性炭）無(wú)法比擬的微量雜質(zhì)處理和溶液提純功能。而在具備耐酸堿、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)，ACF還有著良好的可操作性，可以被加工成不同形態(tài)的纖維制品，實(shí)現(xiàn)與其他功能纖維復(fù)用，縮小吸附和過(guò)濾裝置的體積，為工程應(yīng)用及設(shè)備簡(jiǎn)化提供便利[2]。

VOCs的全稱為Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機(jī)物，是在常溫條件下，飽和蒸汽壓力超過(guò)70Pa、常壓條件下沸點(diǎn)不超過(guò)260℃的有機(jī)化合物，又或者在20℃條件下，蒸汽壓不低于10Pa，同時(shí)具備揮發(fā)性的有機(jī)化合物。VOCs是導(dǎo)致城市霧霾及光化學(xué)煙霧的主要前體物，來(lái)源于工業(yè)廢氣、汽車尾氣和光化學(xué)污染等，多數(shù)VOCs對(duì)于人體而言都是有毒的，而部分VOCs甚至有致癌性，如多環(huán)芳烴、樹(shù)脂化合物、亞硝胺等，會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生致癌作用，部分芳香胺、鹵代烷烴等則具有誘變作用。VOCs在陽(yáng)光照射下，會(huì)與大氣中的碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锛把趸瘎┌l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成光化學(xué)煙霧，危害作物生長(zhǎng)和人體健康。

2 基于活性炭纖維吸附-催化燃燒法的大風(fēng)量低濃度VOCs廢氣處理

以ACF作為吸附劑的吸附-催化燃燒凈化設(shè)備能夠做到小型化，有效節(jié)約場(chǎng)地和資金，在相關(guān)研究中，當(dāng)使用厚度為20mm的ACF作為吸附劑，將過(guò)濾速度控制在0.2m/s以下時(shí)，若進(jìn)口濃度值不超過(guò)1000mg/m3，則裝置對(duì)于三苯及其混合物的凈化效率能夠達(dá)到90%以上，對(duì)苯系混合物的吸附容量為195mg/g，連續(xù)循環(huán)14次，結(jié)果基本保持穩(wěn)定，吸附柱壓降為400Pa左右[3-5]。

事實(shí)上，將ACF作為吸附劑的有機(jī)溶劑回收裝置早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，在處理量相同的情況下，ACF的填充量只有GAC的1/25，吸附時(shí)間為1/20，脫附時(shí)間為1/5，裝置體積只有1/3，不僅如此，ACF得到的回收溶解的質(zhì)量也要好得多。以市場(chǎng)面常見(jiàn)的雙吸附槽回收裝置為例，ACF和GAC回收裝置的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 ACF和GAC回收裝置的相關(guān)參數(shù)

ACF本身有著良好的脫附再生性能，不僅脫附速度快，而且可以實(shí)現(xiàn)完全脫附，再生吸附率高。工業(yè)上在使用ACF對(duì)甲苯廢氣進(jìn)行吸附處理時(shí)，連續(xù)吸附-再生1年，纖維本身的再生吸附量依然能夠保持在95%以上。

某型號(hào)VOCs廢氣凈化裝置中在對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行處理的過(guò)程中，廢氣從上部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到預(yù)處理器，經(jīng)多層不銹鋼過(guò)濾器粗濾后，經(jīng)下部通道進(jìn)入組合吸附床，每一個(gè)吸附床附帶有一套氣動(dòng)切換閥，能夠?qū)⑽酱厕D(zhuǎn)化為吸附或者脫附狀態(tài)。吸附床縱剖面自上而下依次為進(jìn)氣總管、吸附室、凈氣室和出氣總管，VOCs廢氣會(huì)被吸附劑表面的大量微孔結(jié)構(gòu)吸附，而廢氣在經(jīng)過(guò)凈化后，會(huì)進(jìn)入到凈氣室，再經(jīng)切換閥進(jìn)入出氣總管排出。

該凈化裝置的特點(diǎn)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是采用了吸附-催化燃燒法工藝來(lái)對(duì)VOCs廢氣進(jìn)行處理，每一套裝置都包含預(yù)濾器、吸附器、引風(fēng)機(jī)等部件，組合為一體化裝置，方便進(jìn)行安裝和運(yùn)輸；二是在裝置中采用了活性炭纖維作為吸附劑，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高效吸附，廢氣的處理可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；三是吸附器中的吸附單元循環(huán)進(jìn)行吸附、脫附和再生過(guò)程，在針對(duì)大風(fēng)量低濃度VOCs廢氣進(jìn)行凈化處理的過(guò)程中，可以將VOCs廢氣濃縮，形成小風(fēng)量高濃度廢氣，從而降低催化燃燒的能耗；四是采用了PLC和觸摸屏實(shí)施中央控制，模擬顯示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，工作人員可以直觀地看到裝置的運(yùn)行情況，同時(shí)裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，具備較強(qiáng)的可靠性；五是設(shè)備本身的體積小，自重輕；六是ACF的穩(wěn)定性較好，吸附脫附周期短，加上本身的熱容量低，不會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的支持下，裝置有著很高的安全性。

3 實(shí)例分析

以某汽車企業(yè)噴涂有機(jī)廢氣的治理為例，對(duì)活性炭纖維吸附-催化燃燒法的應(yīng)用進(jìn)行分析和討論。該企業(yè)企業(yè)設(shè)置有焊接車車間、涂裝車間、總裝車間等相關(guān)設(shè)置，涂裝車間負(fù)責(zé)產(chǎn)品生產(chǎn)中的車身涂裝，包括前漆處理、焊縫密封、底涂、中涂以及面漆等，也是廢氣的主要來(lái)源，廢氣包含了漆霧和有機(jī)廢氣。

3.1 工藝方案

對(duì)廢氣產(chǎn)生量、污染物組分、性質(zhì)、溫度等因素進(jìn)行分析，依照相關(guān)整治方案和環(huán)保政策，選擇吸附-催化燃燒法進(jìn)行廢氣處理，吸附介質(zhì)采用的是活性炭纖維，汽車噴涂環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢氣在經(jīng)過(guò)水旋式噴霧凈化裝置處理后，經(jīng)濾棉過(guò)濾，進(jìn)入活性炭吸附床進(jìn)行吸附，處理達(dá)標(biāo)后的廢氣通過(guò)排氣筒排出。當(dāng)活性炭纖維達(dá)到飽和后，進(jìn)行脫附再生處理，脫附產(chǎn)生的高濃度有機(jī)物則利用催化燃燒的方法處理。

3.2 處理單元

（1）預(yù)過(guò)濾棉裝置。企業(yè)噴涂車間輸送廢氣的含塵量在5mg/m3，設(shè)計(jì)兩套過(guò)濾棉裝置，每層分別設(shè)置一道初效棉和一道中效棉，吸附效率為90%，可過(guò)濾時(shí)間為3d，過(guò)濾棉單體設(shè)置為7層，裝置結(jié)構(gòu)材料選擇碳鋼。其中：

單元風(fēng)量為26.67m3/s。

廢氣每小時(shí)含塵量為1000g/h。

過(guò)濾棉尺寸為3000mm×4000mm×40mm（H）。

（2）活性炭纖維吸附裝置。設(shè)計(jì)七套活性炭纖維吸附裝置，六用一再生，在實(shí)際應(yīng)用中，除去脫附燃燒階段，其余絕大部分時(shí)間七套處理裝置中吸附床共同作用，設(shè)計(jì)風(fēng)量為實(shí)際風(fēng)量的1.2倍左右，能夠滿足工業(yè)廢氣處理的相關(guān)要求。

單元風(fēng)量為32m3/s。

吸附速度為0.2m/s。

活性炭纖維填充面積為133.25㎡。

（3）催化燃燒裝置。催化燃燒裝置中設(shè)置有燃燒主風(fēng)機(jī)一臺(tái)，燃燒機(jī)一臺(tái)以及熱交換器一套，具體參數(shù)可以根據(jù)企業(yè)噴涂車間的生產(chǎn)情況確定。

3.3 鋼平臺(tái)

依照設(shè)備的具體尺寸以及廠區(qū)的空間布局，針對(duì)廢氣處理設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在廠房一側(cè)的綠化帶位置，平臺(tái)上設(shè)置的主要構(gòu)筑物包括風(fēng)管、主風(fēng)機(jī)、吸附風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、預(yù)過(guò)濾棉裝置、活性炭纖維裝置、催化燃燒裝置以及電動(dòng)葫蘆等，總重量達(dá)到了57.32t，要求平臺(tái)承重能力不能低于0.15t/㎡。

3.4 自控系統(tǒng)

設(shè)備分為吸附和脫附兩個(gè)環(huán)節(jié)，吸附時(shí)所有的七套裝置共同運(yùn)行，脫附時(shí)則是六套運(yùn)行，一套脫附，脫附完成后切換至另一套，直至所有裝置全部脫附完成。為了避免催化劑出現(xiàn)高溫失活的問(wèn)題，需要對(duì)再生溫度及風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，充分考慮催化燃燒時(shí)的溫度變化情況，避免出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸事故，構(gòu)筑起相應(yīng)的安全預(yù)警機(jī)制。如果燃燒后的溫度超過(guò)了350℃，則需要及時(shí)啟動(dòng)助燃風(fēng)機(jī)，導(dǎo)入新鮮空氣；如果燃燒后溫度遠(yuǎn)低于300℃，則需要適當(dāng)增加天然氣的供給，或者對(duì)脫附風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少?gòu)U氣量。

3.5 運(yùn)行效果

在該處理裝置中，廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量能夠滿足自持燃燒的需求，尾氣可以通過(guò)換熱器，被應(yīng)用到脫附新鮮空氣的加熱，有著良好的節(jié)能效果。六用一再生的形式保證了活性炭纖維的脫附和更換不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，計(jì)算可知，項(xiàng)目運(yùn)行成本為8.67元/萬(wàn)m3，燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用化主要體現(xiàn)在催化劑的更換，實(shí)際能源消耗較少。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在針對(duì)大風(fēng)量低濃度VOCs廢氣進(jìn)行處理時(shí)，可以采用基于活性炭纖維吸附-催化燃燒法的VOCs廢氣凈化裝置，能夠取得良好的廢氣凈化效果，不會(huì)產(chǎn)生二次污染問(wèn)題，而且裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化水平高，具備推廣和普及的價(jià)值。