沸石轉輪吸附濃縮技術及其運行維護

李文斐，劉冰，展飛，萬月亮，胡興華，梁鵬

（青島華世潔環?？萍加邢薰荆綎| 青島 266510）

揮發性有機化合物（VOCs）是指能夠參與大氣光化學反應的有機化合物，或根據有關規定確定的有機化合物。VOCs 是大氣中細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前體物，該類物質的大量排放不僅會對周邊環境造成嚴重污染和影響，還會給人體健康帶來嚴重危害[1—4]。“十四五”期間，VOCs 被列入我國空氣質量改善的總量指標，VOCs 污染防治成為現階段我國大氣污染防治的關鍵與重點。生態環境部數據顯示，2021年揮發性有機物排放量為590.2 萬噸，其中，工業源廢氣中揮發性有機物排放量為207.9 萬噸，VOCs 治理任務依然比較繁重[5]。

目前，大風量、低濃度有機廢氣是VOCs 治理的重點，占治理市場的60%—70%。吸附濃縮技術是針對此類廢氣最為經濟有效的治理技術，其中沸石轉輪憑借風阻低、效率高、連續脫附、無著火危險、壽命長的優勢，成為主要的吸附濃縮裝備，已廣泛應用在涂裝、印刷、石油化工、橡膠、機械等行業。隨著沸石轉輪的廣泛應用，由于用戶對該工藝缺乏深層次的理解，轉輪運行異常情況不斷出現，導致轉輪不能高效穩定的發揮吸附效果。

基于此，本文主要對影響沸石轉輪使用效果的因素、常見故障及維護等進行分析，以期為產品的正常使用提供充分的理論依據和技術指導。

1 概述

1.1 發展概況

針對大風量、低濃度工業VOCs 污染的治理，國外多采用轉輪吸附設備處理，該系統具有脫附和再生同時完成、風阻小、強度高、安全性好等優勢，但早期核心技術主要由美國、日本等國家掌握，國內企業通過采購進口轉輪進行組裝占據一定的市場，但價格太高，影響其大規模應用[6]。

近年來，國內企業逐步突破了核心技術，目前已完全實現了國產化。由中國環境保護產業協會組織制定并發布的《旋轉式沸石吸附濃縮裝置技術要求》（T/CAEPI 31—2021）可供旋轉式沸石吸附濃縮裝置產品生產、采購、檢驗等相關方使用。該標準對旋轉式沸石吸附濃縮裝置的技術要求做了全面規定：提出旋轉式沸石吸附濃縮裝置的適用條件、結構形式、材料選擇以及制造和裝配中的技術要求，確定了動態吸水率、沸石轉輪轉速、凈化效率、濃縮倍率、壓力損失等關鍵性能指標，規定了相關技術要求和性能指標的檢驗方法。此外，為避免裝置燜燃事故等運行中可能發生的問題，該標準還在脫附風機、轉輪減速機、溫度報警等方面規定了預防措施。

1.2 技術原理

沸石凈化VOCs 的作用原理是利用沸石孔道表面的范德華力使VOCs 中的一種或多種組分吸附于其表面，達到分離目的[7]。將吸附聚集在沸石孔道表面的分子通過一定方式解吸附，沸石就又具有吸附能力，這一過程是吸附的逆過程，叫脫附或再生。由于沸石孔徑均勻，只有當分子直徑小于沸石孔徑時才能進入晶體孔道內部而被吸附，所以沸石對于氣體VOCs 分子具有選擇吸附性[8]。

沸石轉輪就是根據沸石的吸附和脫附原理，專門用于處理有機廢氣的設備，常見形式有轉輪式和轉筒式，具有低壓損、效率高、穩定性好、吸附損耗小、噪聲小、壽命長等優點，其工藝原理如下：

沸石轉輪通常分為吸附區、脫附區和冷卻區三個功能區域，各區域由耐熱、耐溶劑的密封材料分隔開來。如果沒有冷卻區也可以達到凈化要求時，可不設單獨的冷卻區。沸石轉輪在各個功能區域內連續運轉。廢氣經前處理裝置調節工況參數至滿足轉輪設計要求后送至沸石轉輪的吸附區，廢氣中的VOCs 在吸附區被沸石吸附除去，凈化后達標排放。吸附在沸石轉輪中的VOCs，在脫附區經過約200℃小風量的熱風處理被脫附后進入后續工藝——蓄熱（催化）氧化或回收單元進行處理。脫附再生后的沸石轉輪在冷卻區被冷卻，并再次作為吸附區域發揮作用，經過冷卻區的空氣加熱后可作為再生空氣使用，達到節能的效果。沸石轉輪結構圖見圖1。

圖1 沸石轉輪結構圖

2 影響轉輪使用效果的因素

2.1 設備因素

2.1.1 沸石類型

吸附濃縮技術的關鍵在于選擇合適的吸附劑，早期主要采用活性炭材料（顆?；钚蕴?、蜂窩活性炭、活性碳纖維）作為吸附劑，存在安全性能差、難以實現連續操作、再生脫附不徹底等明顯缺陷。相比來說，沸石具有規則的孔道結構、選擇篩分功能、良好的熱穩定性和再生性能[9，10]。

沸石的選擇依據主要包括孔徑、比表面積、極性、硅鋁比等[11]。在一定孔徑范圍內，孔徑越小，吸附作用力越強，孔徑越接近吸附質的分子尺寸，對吸附質的選擇吸附性越好。比表面積是決定吸附劑吸附容量的重要因素，沸石的比表面積主要由＜2nm 的微孔決定，比表面積越大，吸附容量越高。此外，沸石的極性對吸附過程影響也較大，極性越大越容易吸附極性物質，親水性越強，反之極性越小，越容易吸附非極性物質，親水性越弱。對于沸石轉輪，一般選擇總體極性較小、高硅鋁比的疏水性沸石。

2.1.2 轉輪因素

除沸石類型外，其他因素也影響對轉輪吸附效率，主要包括轉輪厚度、孔目數、沸石負載量等。

在一定條件下，沸石轉輪對特定VOCs 的吸附帶長度（h）是一定的，此時適當增加床層厚度（H），有利于提高沸石床層利用率。床層利用率（η）計算見下式，從式中可以看出，在條件允許范圍內，床層厚度越大，越不容易穿透，同時沸石床層利用率越高。

式中：

η——床層利用率，%；

H——床層厚度，mm；

h——吸附帶長度，mm。

此外，轉輪目數、負載量對吸附過程影響也較大。轉輪的目數越大，代表孔徑越小，轉輪宏觀表面積增大，氣體擴散距離越小，越容易吸附，但目數增加也會增大風阻。沸石轉輪中發揮吸附作用的主要是沸石，沸石負載量越大，吸附能力越持久，但也會降低開孔率，增大風阻，因此負載量存在最佳值?？傊?，需要根據項目實際情況，選擇合適的轉輪型號。

2.2 廢氣因素

2.2.1 廢氣成分

廢氣分子的動力學直徑、沸點、分子量、極性、結構等性質對沸石的吸附選擇性和吸附效率有重要影響[12]。首先，對吸附效果影響最大的因素是廢氣分子的動力學直徑，分子尺寸與沸石的孔徑存在匹配關系，匹配性越好，越容易被吸附。其次，沸點、分子量也有顯著影響，VOCs 分子量越大，沸點越高，揮發度越低，越有利于吸附操作，通常適合轉輪處理的VOCs 沸點為50℃—150℃，高溫脫附要求沸點不超過250℃。

除上述因素外，對進入沸石轉輪的廢氣成分也有限制，粉塵、易聚合易反應物質、易沉積物質、高沸點物質、腐蝕性物質、高熔點物質等不允許進入轉輪，因為此類物質容易在轉輪表面或內部沉積、堵塞孔道，影響轉輪吸附效果。不允許進入轉輪物質匯總見表1。

表1 不允許進入轉輪物質匯總

2.2.2 廢氣溫度、濕度

沸石吸附濃縮裝置對進入廢氣的溫度、濕度有明確的要求：一般情況下，溫度≤40℃、相對濕度≤80%，轉輪可以正常使用；在極端條件下，如溫度＞40℃或相對濕度＞80%時，轉輪效率會急劇下降。相對濕度越大，氣體中水分子越容易占據沸石孔道，使氣體吸附性能下降。從圖2 可以看出，轉輪的凈化效率隨著廢氣相對濕度的增加而下降，當相對濕度超過80%后，沸石轉輪凈化效率迅速下降。此外，濕度增加，吸水量加大，將導致脫附能耗增加。

圖2 相對濕度對沸石轉輪凈化效率的影響

溫度和相對濕度之間存在著一定的相關性。理論上溫度降低有利于吸附過程的進行，但是溫度的降低會導致相對濕度的增加。如圖3所示，溫度為25℃時，相對濕度達到90%，較高的相對濕度使得水分易在轉輪上凝結，占據沸石蜂窩孔徑及吸附位點，使吸附效率下降；當溫度升高至27℃時，相對濕度降低至80%，滿足沸石吸附濃縮轉輪高凈化效率的濕度要求。

圖3 相對濕度隨溫度變化關系曲線圖

2.3 操作因素

2.3.1 轉速

旋轉式沸石吸附濃縮裝置為連續床，圍繞軸心按照一定的方向旋轉，依次實現各功能區的作用。對于給定的工況，裝置通常都有使其凈化效率最大的轉速和滿足最低凈化效率且脫附能耗最小的轉速，因此轉速一般為給定范圍，需要根據現場情況進行調節。

轉速過快，沸石脫附不徹底，會影響吸附效果；轉速過慢，吸附區達到飽和，仍會影響吸附效果。根據相關工程項目經驗，轉輪裝置的轉速一般低于10 轉/小時。

2.3.2 表觀氣速

氣體流速的大小對轉輪的處理效果產生直接影響。當表觀氣速增大時，廢氣中VOCs 與沸石的結合力會降低，在一定程度上會影響轉輪的凈化效率。通過工程項目經驗發現，對于甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等這類常見的VOCs，其表觀氣速可達4—5m/s，使用高氣速設計，可使轉輪小型化，降低設備的固定投入和運行成本。而對于二氯甲烷這類低沸點難吸附的VOCs，要滿足凈化效率要求，其表觀氣速需要降低為1—2m/s。綜上所述，旋轉式沸石吸附濃縮裝置的表觀氣速與VOCs 的種類及處置要求等條件密切相關，通過分析不同項目工程發現轉輪吸附區表觀氣速宜小于5m/s。

2.3.3 脫附溫度

脫附溫度的設置一般需高于VOCs 沸點溫度。脫附溫度偏低，沸石脫附不徹底會影響后續吸附效果；脫附溫度偏高，冷卻效果不佳，會影響吸附效果，還會使系統能耗和運行安全風險增加。相關研究發現，隨著脫附溫度升高，轉輪的吸附效率呈先提高后降低的趨勢，故一般設置合理的脫附溫度為180℃—210℃。

3 常見故障及維護

3.1 密封異常

對于圓盤式轉輪，一般將其分為12 個區，其中吸附區占10/12、脫附區占1/12、冷卻區占1/12，各區之間存在壓力差。轉輪本體及各區之間通過密封材料進行密封，密封材料宜采用柔性材料且耐溫高于300℃，一般選擇氟橡膠。各區之間密封采用動密封的方式，由于密封材料不斷受到高溫及轉輪盤面磨損的影響，可能存在分區漏氣的現象，特別是吸附區和脫附區之間、冷卻區和脫附區之間，密封不嚴會造成各區串風短路。因此，需要定期對密封材料進行點檢，檢查密封是否存在異常。

3.2 轉輪失活

轉輪失活指轉輪使用后出現壓降增加、吸附功能顯著衰退的情況。主要表現為蜂窩宏觀孔道或沸石的微孔結構被廢氣中的雜質堵塞或破壞，而且無法在正常使用條件下自行恢復。通過對大量工程項目分析發現，造成轉輪失活的原因可能包括前置過濾維護問題、高沸點物質蓄積、組分在轉輪上聚合等。為降低轉輪失活的風險，首先要嚴格禁止明確已知不能進入轉輪的物質進入轉輪，其次要選擇合適的前端處理方式并做好定期維護。

3.2.1 前端處理

前端處理方式主要有過濾和吸附兩種形式。過濾主要采用的是“前置過濾+后置過濾”組合的形式，前置過濾主要包括鋼絲網/鋼絲簾、石灰噴施塔、迷宮過濾器、板框過濾器等形式，后置過濾主要采用袋式除塵，包括F5、F7、F9 三級過濾。為保證過濾效果，需采用性能可靠的濾材及過濾器，并根據需要設置壓差計對濾袋壓差進行檢測，當壓差達到報警限值時，需要及時更換濾袋。同時，為避免未知的高沸點物質等在轉輪上蓄積，影響吸附性能與運行安全，可以采用設置活性炭等吸附層的方式吸附高沸點物質，對吸附劑進行定期檢查和更換，一般建議投入運行3 個月內取樣一次，之后每半年一次。

3.2.2 高溫再生

當前端處理不能有效發揮作用、轉輪上的高沸點物質累積一定量后，可提高脫附溫度至300℃，對轉輪進行高溫再生操作。高溫再生具體要求如下：

（1）脫附風機

脫附風機位于脫附出口一側，在高溫再生過程中，脫附出口溫度可達到300℃，因此要求脫附風機及附近密封件能在250℃下長期運行，最高耐受300℃，切記在高溫脫附前要確認脫附風機及附近密封件的工作溫度是否滿足條件。

（2）轉輪減速機

高溫再生過程需要盡量延長轉輪在高溫中的停留時間，因此轉速需低于2rph，如原裝減速機無法實現，需要臨時更換匹配的減速機。

（3）高溫報警

常規脫附程序對脫附出口溫度設置有高溫報警及應急措施，高溫再生時將超過該報警值，因此在高溫再生前，需要將脫附出口報警溫度切換為300℃。

（4）安全措施

高溫再生過程可能出現轉輪過熱的風險，水噴淋系統需要隨時待命啟動，如果出現脫附出口溫度超過300℃并持續升高且停止加熱后仍繼續升溫的情況時，需手動啟動水噴淋。

3.3 轉輪燜燃

轉輪燜燃多發生在系統停機階段和轉輪脫附溫度失控時，特別是系統急停且轉輪溫度沒有降至70℃以下，由于沸石具有一定的催化和蓄熱作用，吸附的VOCs 會在較高的溫度（200℃左右）下發生緩慢的催化氧化反應，并放出熱量，這會導致沸石溫度進一步升高，從而使催化氧化速度進一步加快，如此形成惡性循環，使廢氣溫度升至自燃點，最終導致轉輪著火。

轉輪燜燃的發生與轉輪蓄積了大量高沸點物質有關。通常轉輪的脫附溫度為180℃—220℃，但若廢氣中含有高分子聚合物或其他高沸點的有機物時，該類物質在常規的脫附溫度下并不能被完全去除，還會在轉輪上蓄積并占據沸石的有效吸附位，嚴重降低轉輪的吸附效果。若一味通過提高脫附溫度來達到去除這些物質的目的，則容易因控制不當造成系統停機、密封材料老化，提高運行成本。

為了預防轉輪燜燃現象的發生，除了嚴格按照規程操作以外，最佳處理措施為增加前端預處理措施和定期進行高溫再生。

前端預處理措施主要包括設置多級高效過濾器（一般為三級或四級過濾），將廢氣中的高沸點物質過濾脫除后再進入吸附濃縮轉輪系統。為了確保過濾效果，需要定期對轉輪進行取樣分析，確定污染情況，及時消除風險隱患。某企業通過對大量數據的分析發現，當高沸點物質（比如沸點高于250℃的高聚物、噴涂行業的漆霧漆渣、焦油類物質等）在轉輪上的含量超過10wt%時，就有燜燃的風險，可以采取高溫再生的方式去除殘留有機物。若高溫再生效果較差，則需要及時更換轉輪。轉輪悶燃風險判斷見表2。

表2 轉輪燜燃風險判斷

4 結語

沸石轉輪是目前處理大風量、低濃度VOCs 廢氣的主流技術，已廣泛應用在涂裝、印刷、橡膠、電子等行業。本文對沸石轉輪影響因素、故障及運行維護進行分析總結如下：（1）沸石孔徑、比表面積、極性、硅鋁比是影響轉輪吸附效果的關鍵因素，根據項目工況，應選擇合適的分子篩類型以達到較好的吸附效能。（2）轉輪尺寸、孔目數、沸石負載量對轉輪吸附效果也有較大影響，增大轉輪尺寸、沸石負載量對吸附效果有正向影響。（3）進入裝置的廢氣要求溫度≤40℃濕度≤80%。粉塵、易聚合易反應物質、高沸點物質等需嚴格限制進入轉輪。（4）實際運行中，應重點關注轉輪轉速、表觀氣速、脫附溫度等參數。其中轉速一般低于10rph，表觀氣速宜小于5m/s，脫附溫度通常設為180℃—210℃。（5）密封異常、轉輪失活是實際運行中的常見故障，應定期對設備及密封材料進行點檢并做好前端處理，污染嚴重時還應進行高溫再生，若高溫再生無效則需更換轉輪，以避免發生燜燃事故。