催化燃燒法處理噴漆有機廢氣的應用研究

梁曉磊，馬爽爽，梁麗紅

(1.煙臺云灃生態環境產業發展股份有限公司，山東 煙臺 264006；2.煙臺市環保工程咨詢設計院有限公司，山東 煙臺 264010)

1 催化燃燒法處理噴漆有機廢氣流程

過濾。收集有機廢氣時不可避免地混入一些漆霧。從微觀層面上看，漆霧由直徑為1～10 nm的顆粒組成，如果直接進行吸附，會造成活性炭微孔被大量堵塞，導致活性炭的吸附功能失效，因此在收集噴漆有機廢氣時，必須在進風口后方安裝噴霧過濾器，過濾掉包括漆霧顆粒在內的粉塵微粒。

吸附。在有機廢氣濃度較低情況下進行催化燃燒，不僅會造成能源浪費，還會因為燃燒不充分導致有機廢氣凈化效果不理想，因此在開始催化燃燒前要經過“吸附-脫附”工序，使有機廢氣濃度進一步提升。活性炭是比較常用吸附材料，根據其形狀不同可分成蜂窩狀活性炭、粉末狀活性炭等類型。蜂窩狀活性炭更換方便，價格較低，吸附容量大，是比較理想的選擇，將若干活性炭依次擺放到吸附床上可增強吸附能力。

催化燃燒。催化劑由兩部分組成，以金屬鈀為主，用陶瓷填料作為催化劑載體，經過吸附-脫附預處理后的噴漆有機廢氣，從位于催化燃燒一體化裝置下方的旋轉四通閥進入到裝置中，對陶瓷材料進行預熱，達到預設的催化燃燒溫度(通常在200℃～250℃)，在檢測到填充層陶瓷材料溫度達標后自動打開閥門，送入有機廢氣。高溫環境下，催化劑鈀和有機廢氣發生燃燒，在充分燃燒情況下得到二氧化碳和水兩種產物。為保障催化燃燒順利、安全地進行，還需用到以下材料，即保溫材料。當滿足催化燃燒溫度在200℃時，有機物燃燒會釋放出大量的熱，溫度通常能達到400℃以上。基于安全考慮，要在催化燃燒裝置外部加裝由碳酸鋁纖維材料制作的保溫棉，厚度不低于50 mm。催化燃燒時，由于噴漆有機廢氣具有較強的揮發性，可能會有部分氣體泄漏進入到管網中，如果在管網中燃燒會嚴重損壞設備，因此需要安裝阻火器。

2 影響催化燃燒性能的因素

2.1 進氣濃度

理論上來說，進氣濃度越高，則有機廢氣中VOCs的燃燒越充分，凈化效果越理想。但在實際中，提高進氣濃度意味著必須增加吸附能力。如將蜂窩狀活性炭替換為粉末狀活性炭或活性炭纖維，相應的吸附成本也會上升。為選擇合適的吸附材料，降低技術成本，以有機廢氣中的非甲烷總烴作為研究對象，各參數設置如下：進氣風量2 400 m3/h，空速10 000 h-1，催化溫度240℃。測得非甲烷總體去除率隨進氣濃度變化的關系曲線如圖1所示。

圖1 不同進氣濃度下非甲烷總烴去除率變化曲線Fig.1 Variation curve of non-methane total hydrocarbon removal rate in different air intake concentrations

結合圖1可知，進氣濃度在150～220 mg/L。隨著進氣濃度的升高，非甲烷總烴的去除率也相應提升。在進氣濃度為220 mg/L時，去除率達到94.5%。之后，隨著進氣濃度的繼續增加，非甲烷總烴去除率基本不變，在進氣濃度達到300 mg/L時，去除率達到99.1 mg/L。由此可見，進氣濃度控制在220 mg/L，能夠以較小的吸附壓力取得理想的催化燃燒效果。

2.2 催化溫度

選擇金屬鈀作為高效催化劑時，催化溫度通常設置在200℃～250℃。催化溫度太低，會影響金屬鈀的活性，催化性能達不到最大值，影響有機廢氣的催化燃燒效果。相反，如果催化溫度過高，則會過快消耗催化劑。金屬鈀是一種貴重金屬，如果過量消耗會導致技術成本增加，因此在利用催化燃燒法治理有機廢氣時，選擇合適的催化溫度至關重要。實驗中，設置參數如下：進氣風量m3/h，空速10 000 h-1，進氣濃度220 mg/L。測得非甲烷總烴去除率隨催化溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同催化溫度下非甲烷總烴去除率變化曲線Fig.2 Change curve of non-methane total hydrocarbon removal rate in different catalytic temperatures

結合圖2可知，在催化溫度低于240℃時，隨著催化溫度的上升，非甲烷總烴的去除率隨之增加，在240℃時達到97.3%。之后，隨著催化溫度的繼續升高，直到360℃時，去除率幾乎不變。繼續升溫發現，非甲烷總烴的去除率開始下降，分析原因可能是與鈀催化劑消耗過快、催化效率下降有關。由此可見，將催化溫度設置在240℃，能夠在取得較為理想的治理效果的同時，最大程度上降低能源消耗。

2.3 空速

空速是影響催化燃燒效率的重要因素。空速大，將導致吸附裝置對空氣中有機廢氣的吸附、濃縮效果變差，容易發生催化燃燒不充分的情況。相反，如果一味降低空速，會導致催化燃燒一體化裝置對有機廢氣的處理效率變慢。因此，設定合適的空速是決定催化燃燒法實際應用效果的關鍵因素。設定實驗參數如下：進氣風量2 400 m3/h，進氣濃度220 mg/L，催化溫度240℃。測得非甲烷總烴去除率隨空速的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同空速下非甲烷總烴去除率的變化曲線Fig.3 Variation curves of non-methane total hydrocarbonremoval rates in different space speeds

結合圖3可知，空速在10 000 h-1時，非甲烷總烴的去除率最大，達到了99.4%。空速從10 000 h-1增加到25 000 h-1時，雖然去除率有所下降，但是并不明顯。從25 000～50 000 h-1，隨著空速的增加，非甲烷總烴去除率也出現明顯降低。因此，應用催化燃燒技術時，將空速設定在10 000 h-1比較合適。

3 結語

選擇金屬鈀作為高效催化劑，加熱至240℃，設定空速為10 000 h-1、進氣濃度220 mg/L、進氣風量2 400 m3/h，可實現有機廢氣凈化處理效率最大化。