活性炭吸附聯合催化燃燒工藝處理危廢暫存庫廢氣的應用實踐

劉景友 程 虎 賴志紅　

活性炭吸附聯合催化燃燒工藝處理危廢暫存庫廢氣的應用實踐

劉景友1程 虎2賴志紅1

（1.廣西科麗能生態環境有限公司，廣西 梧州 543000；2.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100001）

文章介紹了危廢處置中心暫存庫廢氣特點及常見處理工藝的優缺點，并在此基礎上選用活性炭吸附/脫附＋催化燃燒處理工藝對某一具體案例進行分析與探討，得出活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝是危廢處置中心項目暫存庫有機物廢氣處理的一種新型工藝的結論，其性能穩定，成熟可靠，經濟環保，對于危廢行業有較好的應用前景。

危險廢物；暫存庫；廢氣；活性炭；催化燃燒

引言

危險廢物是指列入《國家危險廢物目錄》或者根據國家規定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有危險廢物特性的固體廢物，在《國家危險廢物目錄（2021版）》中提出的危險廢物具有下列五種危險特性的一種或多種特性：毒性、腐蝕性、易燃性、反應性、感染性。危險廢物對周圍生態環境和安全造成極大危害，必須妥善處理。危廢處置中心的暫存庫作為危險廢物貯存設施，存放的危險廢物種類繁多，成分復雜，其產生的廢氣成分也相對復雜、氣味大。本文以廣西北海某危廢處置中心暫存庫產生的廢氣為例，針對其處理工藝展開探討。

1 暫存庫廢氣污染源特點

1.1 成分復雜

廣西地區危險廢物主要來源于石油化工、金屬冶煉、化學原料和化學品制造、紙制品和造紙行業，行業涉及面廣，造成暫存庫存放的危險廢物散發出來的氣體成分復雜，其成分包含有烴類、苯系物、硫化氫、氨氣、氯化氫、氟化氫等。

1.2 風量較大

危廢暫存庫處理風量與暫存庫的容積和換風次數有關，暫存庫容積主要與危廢中心的處置量和存放天數相關，按照相關規范貯存量不低于15天，一般按照1個月計算較合適。換風次數一般不低于2次/小時，以廣西北海某危廢處置中心項目為例，有機廢物暫存庫和無機廢物暫存庫內保持正常通風次數≥3～5次/小時，甲類廢物暫存庫通風次數≥5～7次/小時，事故通風≥12次/小時局部抽風，其中有機廢物暫存庫容積為10 937 m3，換氣次數按照6次設計，廢氣量為65 623 m3/h[1]。

1.3 濃度相對低且波動大

暫存庫內廢氣除成分復雜外，由于貯存的負荷與生產能力和市場收集能力有關，貯存負荷動態變化大，加上物料來自不同產廢單位，導致廢氣成分濃度波動大。暫存庫廢氣主要來源于暫存廢物的揮發性成分，濃度相對較低，根據危廢處置中心暫存庫監測數據，VOCs一般為0～100 ppm。

2 暫存庫廢氣常用處理工藝

危廢處置中心暫存庫廢氣會對環境造成較大破壞，隨著相應法規的陸續出臺，助推廢氣治理行業發展，暫存庫配套廢氣治理的環保設施建設越來越受到重視，下面介紹當前主要的治理技術。

2.1 化學吸收法

技術原理：化學吸收法是指在廢氣吸收過程中通過中和等化學反應，使有害氣體一種或數種進入到液相中，從而達到有害氣體被凈化的目的。目前常見的吸收設備有三類，即表面吸收器。鼓泡式吸收器和噴灑吸收器，現最為常見、成熟的裝置設備是逆流式填料塔，屬于表面吸收器。

優點：選用不同的吸收劑可吸收不同的有害氣體，應用范圍廣。對于廢氣流量大、成分比較單一的氣體去除效果明顯。

缺點：凈化效率相對不高，吸收液排放會造成二次污染，需要送至污水處理廠進行處理。需定期投放藥劑，運行成本高。

2.2 物理吸附法

技術原理：通過吸附劑表面上的分子引力或化學鍵力，將廢氣中有害成分富集在固定表面上的方法為物理吸附法，廢氣處理物理吸附不發生化學反應，它的吸附熱較低。其中常用的吸附劑有活性炭、沸石分子篩等。

優點：投資成本低、工藝簡單、操作方便、吸附效果好，適合低濃度和低溫度的惡臭氣體。

缺點：運行一段時間后，吸附劑會飽和，需定期更換，運行成本高，吸附飽和后的吸附劑存在二次污染問題或后續處置問題。

2.3 直接燃燒法

技術原理：直接燃燒法通過輔助燃料燃燒，廢氣中有機物可燃性成分通過化學氧化反應產生高溫，從而去除、破壞有害氣體。

優點：除臭效率高。

缺點：設備和運轉費用較高，焚燒時存在爆炸的潛在危險。

2.4 催化燃燒法

技術原理：催化燃燒法利用催化劑的催化作用來降低有機物的化學氧化反應需要溫度，從而去除有害氣體，同時實現節能的目的。

優點：對于風量、濃度適當的廢氣，凈化效率可到90%以上。

缺點：不適合處理含硅、氯等物質的有機廢氣；中等投資，運行費用較高，催化劑的使用壽命約為8 000小時，到期需更換。

2.5 生物法

技術原理：生物法利用微生物降解廢氣中的VOCS和惡臭物質，從而達到除臭、無害化的目的。其中以生物濾池除臭應用最為成熟、使用范圍最廣。

優點：有效去除廢氣中硫化氫、氨等污染物，效果好，無洗滌水污染，運行成本低。

缺點：微生物氧化分解時間慢，設備占地面積較大，投資費用較高，運行要求較為嚴格。

2.6 紫外光催化氧化法

技術原理：紫外光催化氧化法采用納米材料作為催化劑，通過光催化氧化反應來凈化消除廢氣中揮發性有機物和惡臭氣體。

優點：穩定性好，催化活性高，能耗低，可重復使用。

缺點：紫外光吸收范圍較窄，光能利用率較低；不能用于易燃、易爆、易腐蝕的氣體；催化劑多為納米顆粒，回收困難。

2.7 低溫等離子體工藝

技術原理：低溫等離子體工藝通過高壓發生器形成低溫等離子體，在大量高能量電子作用下，使廢氣成分中有機廢氣分子轉化成H2O、CO2等低分子無害物質，使廢氣得到凈化。

優點：無需添加任何物質，適用性強，低耗節能，不產生廢水、廢氣等二次污染問題。

缺點：不適合處理易燃、易爆、易腐蝕的氣體，對設備設計精度和嚴密性較高；一次性投資也高[2]。

危廢暫存庫廢氣成分復雜，以上各種不同廢氣凈化處理工藝既有優點又有缺點，單一工藝很難滿足廢氣處理技術的要求和凈化效率，因而考慮采用活性炭物理吸附＋催化燃燒組合工藝處理危廢暫存庫廢氣。

3 活性炭吸附＋催化燃燒工藝的應用

3.1 項目基本情況

廣西北海某危廢處置中心項目有三個危廢暫存庫，分別是甲乙類暫存庫、有機類暫存庫、無機類暫存庫，其中有機類暫存庫廢氣處理工藝采用活性炭吸附＋催化燃燒CO，其中設計風量為72 000 m3/h，VOCs濃度＜100 mg/Nm3，進氣溫度為35℃，廢氣濕度為常規空氣濕度，工作時間24 h/d。

3.2 工藝流程及原理

3.2.1 工藝流程

前端為預處理裝置，經過化學洗滌、除塵等凈化后有機廢氣進入吸附箱的（活性炭組成），經過吸附箱時廢氣中的VOCs被吸附，風機、閥門及電加熱器相應啟動，對燃燒床內部的貴金屬催化劑進行預熱。當溫度達到設定值時，閥門相應開啟熱空氣回送入吸附床，活性炭受熱后，有機氣體被解吸出，經脫附風機引入催化燃燒床，進行無焰催化燃燒，在貴金屬催化劑的作用下，大大降低了燃燒所需的溫度。廢氣中的有機成分氧化分解轉化為CO2和H2O，同時釋放出大量的熱量。熱量有兩個作用，一是用來維持催化燃燒所需的起燃溫度，使廢氣燃燒過程減少或不需外加能耗；二是將部分熱量回用于吸附床內活性炭的解吸再生，脫附再生后的活性炭可再進行吸附作用。以上過程周而復始，循環啟用。

系統內設4臺吸附床，即3臺吸附床進行廢氣吸附工作時，另1臺處于脫附再生階段或備用階段，從而使裝置中活性炭吸附過程一直處于連續運行狀態，提高廢氣凈化效率。

3.2.2 工作原理

含有機物的廢氣經風機送至蜂窩活性炭，活性炭由于比表面積大，吸附能力強，將廢氣中的有機物等有害物質吸附在活性炭微孔內，凈化后的氣體被排出。經過一段時間后，活性炭達到飽和狀態，吸附能力減弱或停止，有機成分匯集在活性炭內，再利用催化燃燒產生的熱能對飽和活性炭進行加熱脫附再生，活性炭再投入使用。

CO催化燃燒裝置（Catalytic Oxidizer，簡稱VOC-CO）就是利用貴金屬催化劑使用廢氣中的可燃成分在較低溫度下無焰催化燃燒的方法，它是一種用于處理中低濃度揮發性有機廢氣的節能型環保裝置，利用催化劑的作用減少了有機物的活化能，使有機物的氧化溫度降低至相對低的溫度（如300℃）并發生完全氧化分解，高溫裂解生成CO2和H2O，有機成分得到凈化，同時有機廢氣裂解釋放出熱量，使氣體溫度進一步升高，凈化后的尾氣經過換熱器實現余熱的回收利用。該裝置主體結構由凈化裝置的本體、主風機、自控系統三大部分組成，具體見圖1。其中凈化裝置主體主要包括高效纖維過濾器、阻火器、換熱器、吸附電動調節閥、脫附風機、固定吸附床、催化燃燒室等[3]。

1—堿洗塔；2—高效纖維過濾器；3—吸附電動調節閥；4—固定吸附床；5—脫附風機；6—阻火器；7—催化燃燒床；8—混流換熱器；9—主風機；10—鋼制煙囪。

3.3 主要設備情況

3.3.1 活性炭吸附塔

廢氣成分按苯類芳香烴等有機物考慮，活性炭單床風量為36 000 m3/h，按照24 h連續運行，數量為4臺，其中1臺活性炭吸附塔始終處于備用狀態，相關參數為處理量36 000 m3/h；碳鋼，殼體厚度≥3 mm；箱內流速≤1 m/s；活性炭層有效停留時間≥0.7 s；活性炭要求防水蜂窩活性炭。

3.3.2 催化氧化燃燒裝置（CO）

殼體材質為碳鋼噴塑，設備所有裸露在外的碳鋼材質支座表面均應拋光除銹，除銹等級達到Sa2.5級，除銹后立即噴涂底漆，防銹漆不得低于兩層，結構件焊接拼裝后涂面漆，漆膜總厚度≥150 μm。內部部分材質為不銹鋼SUS304。催化燃燒床采用遠紅外電加熱器進行加熱。材質為不銹鋼304。催化燃燒床內采用貴金屬催化劑，更換周期≥2年。催化劑空速比大于10 000 h-1，但不高于20 000 h-1。催化燃燒床的預熱溫度不超過400℃，催化床保溫要求輕質的硅酸鋁耐火纖維材料，保溫要求外部溫度不高于60℃。催化燃燒裝置的加熱室和反應室內部應裝設溫度檢測裝置，溫度超高時具備報警連鎖保護功能，在催化燃燒床進口和出口處配置相應的耐高溫控制閥組。

一般性有機物廢氣，特別是精細化工行業領域，進入催化燃燒室的前端需考慮安裝LEL在線檢測儀和報警連鎖裝置，防止有機廢氣中有機物的濃度達到爆炸極限范圍，并保證管道直線距離，使閥門有足夠的反應時間。危廢處置中心暫存庫廢氣VOC濃度較低，難達到爆照極限范圍，為節約成本可考慮不裝。

3.3.3 活性炭吸附＋催化燃燒工藝特點

（1）項目設置了4個吸附床，交替使用，同一時間段三個吸附床正常進行吸附操作，另一個脫附操作或備用。

（2）催化燃燒室采用陶瓷蜂窩體的貴金屬催化劑，阻力小，活性高。

（3）燃燒后的尾氣一部份由主風機抽取后通過煙囪排出，大部份抽回通過熱量交換，加熱用于活性炭的脫附，達到節能的目的。

（4）系統實現了全封閉循環，輔助加熱采用電加熱方式，沒有產生二次污染。

（5）系統采用PLC自動控制系統，運行操作過程實現全自動化，大量減少人工作業，具有自動順序啟動相應功能，實現吸附、脫附、催化燃燒功能。

（6）系統設置有溫度檢測以及連鎖保護裝置，當吸附床內溫度大于85℃（吸附）或175℃（脫附）時，啟動報警保護裝置，確保系統設備安全。

4 運行效果

廣西北海某危廢處置中心的有機暫存庫的廢氣經收集送入洗滌塔＋活性炭吸附＋催化燃燒廢氣裝置凈化處理后，通過15米高煙氣筒排放。尾氣執行國家《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）表3中的標準，其中硫化氫、氨排放量達到《惡臭污染物排放標準》（GB 14554—93）標準，揮發性有機物濃度和速率達到參照《工業企業揮發性有機物排放控制標準》（DB 12/524—2014）標準。

危廢暫存庫廢氣采用洗滌塔預處理后采用活性塔吸附單獨工藝和采用活性炭＋催化燃燒組合工藝，兩種工藝情況同樣風量情況，不同的運行費用進行對比，兩種不同工藝年運行費用對比表見表1。

表1 兩種不同工藝年運行費用對比表

計算說明情況：

（1）生產時間按每天生產24 h、每年生產300天、廢氣平均濃度按10 mg/m3、風量72 000 m3/h、凈化率70%，則每年需要處理廢氣量為72 000 m3/h×10 mg/m3×24×300×0.70×10-9=3.63 t/年。

（2）若活性炭單獨吸附治理，活性炭動態吸附率按25%、防水活性炭價格按1.0萬元/m3計算，設施裝活性炭量按7.5 m3計算，活性炭質量比取450 kg/m3，飽和周期經過計算大約75天。7.5 m3活性炭吸附廢氣量為7.5 m3×450 kg/m3×25%=843.75 kg≈0.84 t；一年換活性碳次數為3.63 t÷0.84 t≈4次；一年換活性碳費用為4×7.5 m3×1.0萬元/m3=30萬元。

（3）若采用活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝治理，防水活性炭價格按1萬元/m3，比重450 kg/m3，設施裝炭量按10 m3，蜂窩狀活性炭使用壽命按3年計算（正常使用壽命為2～4年），則每年平均活性炭損耗費用約為3.33萬元。

從以上可以看出活性炭吸附＋催化燃燒組合工藝處理廢氣產生的年運行費用遠低于單獨活性炭吸附工藝處理廢氣。項目在2021年9月建成并獲得廣西壯族自治區生態環境廳批準的危廢經營許可證后，目前已投入運行使用接近2年，裝置運行非常穩定，尾氣指標經第三方監測單位手工監測，全部滿足以上標準，做到合格排放。

5 結束語

（1）危廢處置中心暫存庫廢氣采用單一處理工藝，效果不明顯，采用組合工藝，優勢明顯，治污效果也較好，運行費用也較低。

（2）活性炭吸附＋催化燃燒工藝是危廢處置中心項目暫存庫有機物廢氣處理的一種新型工藝，其性能穩定，成熟可靠，經濟環保，對于危廢行業有較好的應用前景。

[1] 王鄧慧. 危險廢物暫存庫廢氣處理工藝路線探討[J]. 江西化工，2019(3): 44-46.

[2] 桂浩. 探究活性炭+催化燃燒工藝在vocs處理中的運用[J]. 化工管理，2019(6): 174-175.

[3] 王文婷. 活性炭+催化燃燒技術在噴漆廢氣中的應用[J].資源節約與環保，2019(5): 76-79.

Application Practice of Activated Carbon Adsorption Combined with Catalytic Combustion Process for Treating Waste Gas from Hazardous Waste Storage Facilities

This article introduces the characteristics of waste gas from the temporary storage of hazardous waste disposal centers and the advantages and disadvantages of common treatment processes. Based on this, an activated carbon adsorption/ desorption+catalytic combustion treatment process is selected to analyze and explore a specific case. It is concluded that the combined process of activated carbon adsorption+catalytic combustion is a new type of process for treating organic waste gas in the temporary storage of hazardous waste disposal centers. Its performance is stable, mature, reliable, and environmentally friendly, it has good application prospects for the hazardous waste industry.

hazardous waste; temporary storage; waste gas; activated carbon; catalytic combustion

X701

A

1008-1151(2023)09-0022-04

2022-11-18

劉景友（1980－），男，廣西桂林人，供職于廣西科麗能生態環境有限公司，研究方向為環境工程、危廢處置。