活性炭吸附濃縮+催化燃燒技術的實際應用

劉剛(江門市大長江集團有限公司，廣東 江門 529000)

0 引言

涂裝廢氣的主要特點是大風量低濃度，其中主要有害成分為各種揮發性有機氣體(VOCs)。對于所有揮發性有機氣體的去除，最直接最有效的方法就是燃燒處理，最終轉化為無害的CO2和H2O。但是，涂裝廢氣普遍存在濃度低(一般情況下均小于500 mg/m3)的特點，不足于直接燃燒(大于2 000 mg/m3)。因此，各種涂裝廢氣的處理基本就是兩種思路：高濃度的采取直接燃燒的方式；低濃度的先吸附濃縮后再燃燒。活性炭廢氣處理技術應用較早，也較為廣泛，是一種比較傳統的處理工藝。但是，隨著各地環保政策的日趨完善，環保要求日趨苛刻，排放標準也日趨提高，此工藝所存在的問題和缺陷逐漸暴露出來，歐美國家已基本淘汰，國內汽車廠家也沒有應用，一般工業制造業中許多工廠也開始更換[1]。

1 “活性炭吸附濃縮+催化燃燒”的技術簡介

1.1 活性炭吸附的原理

活性炭是一種主要由碳材料制成的外觀呈黑色，內部孔隙結構發達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質碳素材料。活性炭中有大量肉眼看不見的微孔，一個米粒大小的活性炭，其內孔的表面積可能相當于一個客廳面積大小。活性炭主要靠內部大量的微小的空隙吸附VOCs氣體，氣體的分子大小與空隙的大小越接近越容易被吸附。

影響活性炭吸附的主要因素：

(1)活性炭本身性質：活性炭比表面積越大，吸附能力越強；活性炭顆粒大小，細孔構造和分布情況及表面化學性質等對吸附的影響也比較大。同時活性炭是非極性分子，易于吸附非極性或極性很低的物質。基于以上原因，活性炭對絕大多數VOCs氣體有比較好的吸附性。

(2) VOCs氣體溫度：常溫情況下，氣體溫度越低，吸附效果越好，吸附的反過程脫附，就是利用活性炭在高溫時的低吸附性將吸附于活性炭中的VOCs氣體釋放出來，活性炭一般情況下采用120 ℃熱空氣脫附。

(3) VOCs氣體與活性炭的接觸時間及通過速度：接觸時間長有利于VOCs氣體與活性炭的充分接觸，VOCs氣體在碳床內的流動速度越慢越好。

(4) VOCs氣體的種類：共存多種物質時，活性炭的吸附能力比只含該種物質時的吸附能力差。

(5) VOCs氣體的漆霧和粉塵：漆霧和粉塵會堵塞活性炭毛細孔，嚴重影響活性炭的吸附性能，并且一旦被污染，是不可逆的，碳床前面的過濾裝置就是為了去除漆霧與粉塵。

(6) VOCs氣體的含水量：水汽顆粒會占據活性炭的孔隙，也會嚴重影響活性炭的吸附能力，導致排放超標。含水汽的活性炭可以在脫附過程中恢復。

(7)活性炭吸附的飽和程度：當活性炭吸附了一定量的VOCs氣體后，在沒有達到飽和前仍然有吸附能力，但吸附效率會明顯下降。

1.2 活性炭的脫附原理

活性炭不斷的吸附VOCs氣體，最終會趨于飽和，逐漸失去吸附能力。“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”在內循環狀態下用熱空氣吹掃碳床，將吸附于活性炭的VOCs組分脫附出來，進行催化燃燒。催化燃燒后的氣體經過熱量回收，調節溫度后直接對活性炭進行脫附，這是一個循環過程。

影響熱空氣脫附效率的決定因素是脫附溫度。脫附溫度必須大于各VOCs組分的沸點才能保證所有組分被有效脫附，否則沸點高于脫附溫度的VOCs組分很難被脫附出來，會逐漸在活性炭內積聚，極大的降低其吸附能力。

1.3 催化燃燒的原理

催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400 ℃)，實現對有機物的完全氧化。催化燃燒為無火焰燃燒，溫度要求低、可燃組分濃度和熱值限制較小、但催化劑價格高，仍然需要補充能量，運行費用高。為了降低運行費用，也可采用間壁換熱回收利用燃燒發出的熱量，用于烘爐或者有機廢氣處理自身預熱，但換熱效果不如換熱式氧化爐(RTO)。

(1)催化劑：催化劑是一種能提高化學反應速率，控制化學反應方向，在反應前后本身的的化學性質不發生改變的物質。VOCs有機廢氣用催化劑一般為貴金屬，如：鉑、鈀等，載體分全金屬或氧化鋁，VOCs有機廢氣用催化劑一般以氧化鋁為載體，陶瓷蜂窩結構作支架。

(2)催化燃燒系統的主要單元

廢氣預處理裝置：避免催化劑床層堵塞或催化劑中毒，“活性炭吸附+催化燃燒”系統中，催化床直接對接碳床，碳床氣體已經經過預處理，無需另加預處理裝置。

預熱裝置：對氣體進行加熱達到起燃溫度，包含熱回收裝置(回收燃燒后的氣體熱量)。

催化燃燒裝置：一般采用固定床催化燃燒器，被預熱氣體緩慢通過裝載催化劑的蜂窩陶瓷體，被催化氧化。

1.4 影響催化燃燒反應的主要因素

催化劑的選擇。難度大小一般按下列順序排列：

側鏈＞直鏈；炔烴＞烯烴＞烷烴；Cn＞…＞C3＞ C2＞C1；脂肪族＞脂環族＞芳香族。

涂裝VOCs有機廢氣是復合組分，因此催化劑選擇上必須兼顧主要成分催化活性。

VOCs廢氣與催化劑的反應接觸充分程度。接觸越充分越好。

催化劑的活性。催化劑非常容易受其他因素影響活性下降(中毒)，如：焦油、油煙、粉塵、鉛化合物和硫、磷、鹵族元素的化合物等。催化劑不耐高溫，因此催化燃燒反應時必須控制反應溫度。

1.5 活性炭廢氣處理系統的主要處理工序與原理

主要處理工序：廢氣→噴房漆霧捕集→第一級干式初效過濾棉(集風管內 漆霧氈+浸膠樹脂棉)→第二級干式初效過濾棉(過濾床 袋式過濾器)→第三級干式亞中效過濾棉(集風管內 頂棚過濾棉)→活性炭/碳纖維吸附(排放口排放)→脫附再生→催化燃燒→接入排放口排放。

該設備的基本原理：大風量低濃度的VOCs氣體通過活性炭床，利用活性炭對VOCs氣體的高吸附性能，將其吸附到活性炭中，通過吸附后潔凈氣體直接排放；利用高溫氣體脫附出碳床內吸附的VOCs組分，使碳床不斷再生保持吸附能力，脫附出的高濃VOCs經過催化燃燒變為CO2和H2O后排放。活性炭吸附、脫附VOCs氣體的過程，實際是把大風量低濃廢氣濃縮為小風量高濃廢氣的過程，小風量高濃VOCs氣體進行燃燒處理可以大大節約能耗，而使用催化劑幫助燃燒，可以降低燃燒溫度進一步降低能耗。

2 “活性炭吸附濃縮+催化燃燒”在實際應用中的問題

2.1 活性炭脫附時碳床容易燃燒

從2010年投入使用至今，我公司活性炭廢氣系統在實際運作過程中共發生5次脫附時碳床過熱的陰燃事件。根據長期以來對活性炭廢氣系統脫附溫度的多次調試及使用經驗，脫附溫度設置為130 ℃時，就有可能發生碳床陰燃，設置為140 ℃，必定發生陰燃，目前設置的脫附溫度為120 ℃。綜合從活性炭廢氣治理系統的制造商、其他活性炭廢氣系統的用戶以及活性炭的生產廠家了解到的信息，目前業內公認的活性炭脫附的安全溫度一般應為120 ℃。在國家環保部2013年頒布的環境保護標準HJ 2026—2013 《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》第6.3.4.2條款也明確提出：“當使用熱空氣再生時，使用活性炭和活性碳纖維吸附劑，熱氣流溫度應低于120 ℃。”

單獨的活性炭或者各溶劑組分的燃點均遠遠大于150 ℃，但是，從化學原理分析，活性炭中的C元素與空氣中O2會發生氧化反應，生成CO2和CO，并釋放熱量。當活性炭吸附滿VOCs進行脫附時，隨著溫度的上升，C和O2的氧化反應會趨于激烈，并釋放大量熱量，活性炭特有的微多孔結構，導致熱量聚集及局部過熱，這時，吸附在活性炭中的VOCs中的低燃點物質首先燃燒，并引發活性炭燃燒，這是活性炭安全性差的本質缺陷[2]。

2.2 脫附溫度不夠，導致脫附效率低，脫附不完全

由于活性炭在脫附時非常容易著火燃燒，目前活性炭脫附溫度只能設定為120 ℃(進氣口熱空氣溫度，碳床內探頭實際測得的溫度更低，約70～110 ℃)，此溫度理論上可以有效脫附沸點在120 ℃以下的溶劑，對于沸點高于120 ℃的溶劑難以脫出。而目前涂裝行業所用的稀釋劑中大都含有二甲苯、三甲苯、丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯、混和二元酸酯(DBE)、環已酮等，其沸點均高于120 ℃，因此脫附不完全的情況必然存在。

2.3 吸附效率低

根據對活性炭廢氣系統的現場實際使用效果的檢測與統計，新更換的活性炭，首班次的吸附效率有90%以上，第2班吸附效率明顯下降，平均吸附效率只有60%，3～4天后即趨于飽和，此后吸附效率徘徊于30%～60%左右[3]。

試驗方案的說明：選取我司1#廢氣系統進行試驗，將所有碳床全部更換(18日)，采用手持式VOCs檢測儀器定時測量碳床進出口的VOC濃度。

活性炭在實際應用中的吸附效率低，主要由以下2個原因引起：

(1)脫附溫度低，不能有效脫附已經吸附的VOCs物質，導致活性炭無法有效再生。

(2)部分沒有脫附出來殘留在活性炭中VOCs成分，在后續吸附過程中部分會被吹出排放。

根據實際應用檢測結果表明，活性炭在吸附VOCs氣體后，對較高濃度的VOCs氣體仍然具有吸附性，濃度越低吸附率越低，較低濃度的VOCs氣體在吸附過程中能從活性炭中帶出VOCs氣體，出現碳床出口VOCs濃度大于進口VOCs濃度的數據倒掛現象。

活性炭對不同濃度VOCs氣體的吸附效率(數據單位mg/L，手持式VOCs檢測儀檢測)，測試結果如下：

第一次檢測時間23日從8:20至23:30結束，共測試11次，處理前(mg/L)、處理后(mg/L)和吸附率分別為：84、113、-35%；219、141、35.6%；318、159、50.0%；307、153、50.2%；89、115、-29%；219、143、34.7%；347、163、53.0%；279、151、45.9%；248、164、33.9%；339、185、45.4%；264、192、27.3%。

第二次檢測時間28日從8:20至23:30結束，共 測試11次，處理前(mg/mL)、處理后(mg/mL)和吸附率分別為：254、151、40.6%；348、174、50.0%；294、182、38.1%；315、197、37.5%；347、208、40.1%；241、217、10.0%；184、117、36.4%；298、175、41.3%；304、199、34.5%；317、203、36.0%；278、183、34.2%。

從以上數據可以看出，進氣口VOC濃度從350 mg/mL變到150 mg/mL，吸附效率從50%左右逐步下降到25%左右；當進氣VOC濃度＜100 mg/mL時，出氣口濃度會大于進氣口濃度，而出氣口濃度會一直保持在150±50 mg/mL左右。

2.4 催化燃燒的效率低。

催化燃燒的理想狀態是所有VOCs物質被氧化為CO2和H2O。從化學反應機理上分析：催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400 ℃)，實現對有機物的氧化，反應特點是無火焰燃燒。在此溫度下，要實現完全徹底的反應，在理論上不可能。實際使用情況也是如此，此反應方式存在一次氧化率低，處理不完全的問題。通過對催化燃燒床前后氣體的VOCs濃度變化(催化燃燒率)來評測催化燃燒的效率。從檢測結果看，催化燃燒率不足80%，催化燃燒不完全。

VOCs氣體不能有效的催化燃燒會引發以下問題：

(1)催化燃燒不完全的產物仍然是屬于VOCs氣體，排放到排氣筒中會影響排放指標。

(2)影響作業現場、廠界、排氣筒的臭氣濃度指標。

催化燃燒不完全，會產生大量的小分子有機氣體，這類氣體有著強烈的惡臭。而脫附-催化燃燒過程中，系統為了控制催化床的燃燒溫度、進入脫附床的氣體溫度，會不定時的向脫附-催化系統內補充新鮮空氣，催化燃燒系統內的未完全催化燃燒的惡臭氣體會不斷排放到現場及排氣筒中。

(3)脫附-催化燃燒運作時是一個封閉系統，從碳床脫附的氣體預熱后進入催化床催化燃燒，催化后氣體經過換熱后直接進入碳床進行脫附，即脫附氣體來源于催化燃燒。由于催化燃燒的不充分，導致系統循環氣體不潔凈，反向再污染活性炭。

3 結語

綜合分析，“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”廢氣處理技術在處理原理上存在缺陷，在實際應用中也得到驗證，客觀上也存在脫附時容易著火燃燒、脫附溫度低無法保證活性碳的脫附再生效果、吸附處理效率低、催化燃燒效率低以及催化燃燒的惡臭等問題，這些問題都影響了去除VOCs的效率和結果，無法做到真正的達標排放。

“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”廢氣處理方案作為一種傳統工藝，目前在國內的大風量低濃度VOCs氣體的治理方面應用比較多，一方面是由于前期沒有更好的技術可選擇，另一方面基于對此技術的認識不足。另外，各地在VOCs氣體治理初期階段，主要關注企業是否有治理設施，對于是否真正能夠做到達標排放的要求不太苛刻，再加上其投資和運行成本較低，企業樂于接受。這其中，也有一部分企業隨便搞一套設備僅僅為了應付環保部門。隨著環保監管水平以及排放標準的不斷提高，要求不但有治理設施而且還必須做到達標排放，并提出了更高的要求(比如廣東省雙90%)。在此情況下，活性炭吸附濃縮+催化燃燒”技術的本質缺陷逐漸顯露。因此，歐美等發達國家已經淘汰，國內汽車行業基本不用，一般工業中部分環保要求嚴格的廠家也開始更換，在我們的調研過程中，也了解到許多企業將原來的活性炭治理設施廢除，轉而應用“沸石轉輪濃縮+高溫燃燒”的技術。

綜上所述，“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”廢氣治理技術，是一種趨于淘汰的技術，其真正的處理效果無法保證，無法滿足當前日益嚴苛的環保排放標準和要求。也可以講，活性炭吸附濃縮+催化燃燒是一種過渡性的工藝。