旋轉式蓄熱催化技術的應用研究

摘要：旋轉蓄熱催化氧化技術結合了蓄熱工藝、催化氧化工藝，在工業(yè)有機廢氣治理領域得到廣泛應用。該技術不僅耗能低，并且能夠有效提高氣流穩(wěn)定性，提高空間利用率。研究以電子涂裝廢氣處理工程為例，結合某電器制造企業(yè)的污染排放情況，應用旋轉式蓄熱催化技術，結果顯示該技術的應用催化效果較為理想，平均催化效率高達97.7%，系統(tǒng)總處理效率在90%以上。

關鍵詞：電子涂裝；廢氣處理；旋轉式蓄熱催化技術

引言

自2013年霧霾頻發(fā)以來，大氣污染越來越受重視，臭氧已超過PM2.5成為困擾全國的環(huán)境保護新課題，因此加強對臭氧生成前體物VOCs的治理成為治理臭氧的關鍵。由于電子涂裝生產(chǎn)會產(chǎn)生大量有機廢氣，廢氣中包括VOCs在內(nèi)的有機物種類較多，成分復雜，并且還帶有漆霧顆粒，治理難度較大。本研究結合某電器制造企業(yè)（X企業(yè)）實際情況，對旋轉式蓄熱催化技術的應用進行研究，并對該技術的應用治理包含VOCs成分在內(nèi)的廢氣治理效果進行分析，為工業(yè)領域廢氣治理提供借鑒。

1工程概況

1.1企業(yè)生產(chǎn)情況

X企業(yè)主要以電器制造為主要生產(chǎn)業(yè)務，從事電子、五金、電器裝配件的生產(chǎn)制造，是當?shù)匾?guī)模較大的電器零部件生產(chǎn)企業(yè)。X企業(yè)涂裝設備主要分為手工涂裝、機械涂裝2種，企業(yè)常用物料中VOCs成分如表1所示。涂裝工藝是造成廢氣污染的主要環(huán)節(jié)，X企業(yè)涂裝生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

X企業(yè)涂裝作業(yè)過程中，首先需要對塑膠成型產(chǎn)品進行檢驗，在確保質(zhì)量合格的情況下根據(jù)功能不同進行產(chǎn)品分類，不同類型產(chǎn)品所采用的噴涂方式也所有差異。產(chǎn)品預處理完成后，通過履帶機將待涂裝產(chǎn)品與涂料傳送到封閉空間進行涂裝處理，在此過程中會產(chǎn)生大量的VOCs廢氣。零部件噴涂完成后，會進行烘干處理，噴漆中的有機物進一步揮發(fā)，由此產(chǎn)生部分烘干廢氣[1]。涂裝處理均于封閉空間作業(yè)，并在噴涂過程中通過送風機促進空氣流動，廢氣隨著管道不斷排出，進入后續(xù)廢氣處理環(huán)節(jié)。

1.2廢氣排放情況

通過對X企業(yè)涂裝車間現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要涂裝廢氣除有機廢氣外，還存在大量的漆霧粉塵，自建立以來，X企業(yè)一直沿用“水噴淋+活性炭吸附+催化氧化”的廢氣處理方法，但隨著企業(yè)產(chǎn)量的不斷提升及我國廢氣排放標準的提高，該處理方法已無法滿足當前X企業(yè)的廢氣處理需求。為精準檢測X企業(yè)涂裝廢氣中有害物質(zhì)成分，進行廢氣采樣、分析，得出如圖2所示的廢氣有機物總離子色譜圖。

如圖2所示，X企業(yè)涂裝廢氣有機物種類較多、成分復雜，以脂類、酮類為主，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，X企業(yè)涂裝廢氣排放濃度遠高于國家排放標準要求，故而需對現(xiàn)有廢氣處理工藝進行改進，以此提高廢氣排放效果。

2 處理工藝設計

通過對X企業(yè)噴涂工藝廢氣有機物含量的特點分析，研究決定采用蓄熱氧化法進行廢氣處理，以此提高X企業(yè)的廢氣處理效果。電子器件產(chǎn)品噴涂處理過程中，產(chǎn)生的廢氣會攜帶大量顆粒性油漆，故而需在廢氣有機物凈化處理前，通過有效處理方式去除廢氣中的漆霧[2]。現(xiàn)階段，常用的漆霧處理方法有濕式除塵、干式除塵2種，其中濕式除塵會在一定程度上提高廢氣濕度，提高廢氣處理難度，故而本研究選用干式除塵進行漆霧處理。廢氣經(jīng)初步過濾后，需進入轉輪吸附區(qū)進行吸附處理，再通過與高溫氣體換熱將吸附在沸石表面的VOCs脫附出形成高濃度廢氣。本工程廢氣處理工藝流程如圖3所示。

2.1預處理

噴涂廢氣從車間原有風機送出，經(jīng)新改造管道送入，由于烘干間抽取風量較小，按2000 m3/h設計，各車間按生產(chǎn)需要單獨控制對應風機啟停。電器零部件噴涂過程中，廢氣經(jīng)噴涂車間密封管道進入處理預過濾區(qū)，噴涂車間排風量如表2所示。

由于電子噴涂廢氣當中含有大量粉塵，為避免粉塵堵塞轉輪孔道，需在廢氣凈化過程中進行預處理，過濾廢氣粉塵。根據(jù)本工程廢氣處理要求，進入吸附區(qū)的粉塵顆粒應不超過1mg/m3[3]。通過脈沖布袋除塵器進行廢氣除塵預處理，廢氣經(jīng)布袋進行粉塵過濾后，廢氣中的有機廢氣會與固體顆粒分離，并自除塵器的上部排出。分離的少部分固體顆粒會在重力的作用下掉入除塵器灰斗，大部分在高壓空氣的作用下從布袋表面脫落，落入除塵器灰斗[4]。

2.2沸石轉輪

本工程應用閃動亮劍環(huán)保新材料有限公司生產(chǎn)的沸石轉輪，轉輪厚度400mm，能夠承受500℃的高溫，保養(yǎng)容易且吸附效率較高，不容易發(fā)生堵塞。轉輪整體分為3個區(qū)域，即①吸附區(qū)，占轉輪盤面的80%；②脫附區(qū)，占轉輪盤面的10%；③冷卻區(qū)，占轉輪盤面的10%[5]。電子噴涂廢氣進入吸附區(qū)后，會對廢氣中的有機廢氣物進行吸附，吸附完成后的廢氣會進入脫附區(qū)，最后進入冷卻區(qū)進行降溫處理。本工程應用的沸石轉輪系統(tǒng)配置情況，如表3所示。

2.3換熱器

轉輪脫附熱源來自旋轉式蓄熱催化裝置爐膛頂部的高溫氣體，使用翅片列管式換熱器進行換熱，翅片材質(zhì)選用316不銹鋼。對流方向為逆流換熱，為節(jié)約空間采用二級換熱，換熱器如圖4所示[6]。轉輪氣體最大需熱量為10000m3/h，使煙氣從134℃升至200℃左右。旋轉式蓄熱催化裝置爐內(nèi)溫度400℃，煙氣換熱后溫度約為200℃。本工程采用的換熱器為單管程翅片管式換熱器，換熱器參數(shù)如表4所示。

2.4旋轉式蓄熱催化裝置

本工程采用的旋轉式蓄熱催化裝置及催化劑由山東冠珹環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)，裝置正式安裝前，先進行了計算機實驗模擬，由于X企業(yè)電子噴涂廢氣中的有機物種類較多，不同有機物之間存在相互抑制的作用，再加上由爐膛負責引出換熱氣體，故而需要保證首次催化能夠完全氧化。經(jīng)多次模擬計算，將系統(tǒng)催化燃燒溫度控制在380℃。

旋轉式蓄熱催化裝置的廢氣主要為經(jīng)吸附處理的廢氣、經(jīng)烘干處理的廢氣2種。根據(jù)《催化燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》規(guī)定，催化燃燒裝置的設計空速應在10000 h-1至40000 h-1之間。本工程結合計算機模擬實驗結果及以往經(jīng)驗，將廢氣處理工程設計空速定為20000 h-1。

根據(jù)《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》規(guī)定[7]，正常情況下的蓄熱室表觀截面最大氣流速度為2m/s，單個扇形蓄熱室過風面積為0.56m，蓄熱塊孔隙率為0.6。本工程應用的旋轉式蓄熱催化裝置焚燒爐采用的是片狀組合式蜂窩陶瓷蓄熱體，不僅能夠實現(xiàn)氣流的均勻分布，并且氣壓較低。本工程采用的片狀組合式蜂窩陶瓷蓄熱體參數(shù)規(guī)格如表5所示。

2.5切換閥與保溫層

相較于傳統(tǒng)的三床焚燒爐，旋轉焚燒爐的閥門設置更少，三床焚燒爐共包括9個閥門，而旋轉焚燒爐僅有1個旋轉閥門，這在很大程度上降低了切換蓄熱室氣流過程中的氣流波動，提高了氣流的順暢性，有效避免了風機背壓情況的出現(xiàn)。不僅如此，旋轉焚燒爐運行過程中，即便旋轉閥發(fā)生故障，依然能夠保證蓄熱室氣流暢通，防止出現(xiàn)因切換閥故障而導致的氣流滯澀情況的發(fā)生，在很大程度上提高了系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性。旋轉閥主要由變頻電機進行控制，最小轉速為0.8r/mim，最大轉速為1.5r/min。旋轉速度的調(diào)整主要依據(jù)閥門切換周期進行，根據(jù)計算機實驗模擬結果，將本工程的切換周期設置為90s，旋轉速度設置為1.5r/min。另外，旋轉閥的定轉子之間還設置了密封環(huán)，以此提高旋轉閥的潤滑性、耐磨性。

保溫層設置方面，裝置并未應用傳統(tǒng)的重質(zhì)耐火材料，而是應用了陶瓷纖維模塊。相較于傳統(tǒng)重質(zhì)耐火材料，陶瓷纖維模塊不僅能夠進一步簡化施工流程，降低施工周期，還能有效提高爐襯的整體性。實際加工過程中，纖維模塊保持一定比例的壓縮量，砌筑完畢成整體爐壁后，借助膨脹擠壓，使模塊形成無縫隙整體結構。

3處理運行及效果分析

X企業(yè)于2023年4月1日完成旋轉式蓄熱催化裝置改造，并于2023年4月9日正式投入運行，對裝置進入及排出電子噴涂廢氣檢測，匯總前90d的催化劑轉化效率及系統(tǒng)處理效率，具體情況如圖5所示。裝置正式運行的前3d，平均催化劑轉化率為97.7%，裝置運行90d后，平均催化劑轉化率為97.6%，相較于前3d下降了0.1%。裝置運行期間內(nèi)，整體催化效果相對良好，運行穩(wěn)定，系統(tǒng)處理率穩(wěn)步提高，從最初的92.3%提升到93.5%。同時，自裝置正式運行開始，迄今為止，并未出現(xiàn)催化劑中毒情況，系統(tǒng)運行安全性較高。檢測所得進出廢氣指標及標準規(guī)定排放限值，如表6所示。

由表6可看出，旋轉式蓄熱催化裝置應用后，X企業(yè)排放的電氣噴涂廢氣各項污染物指標遠低于排放限值。其中，平均粉塵排放濃度為0.37mg/m3，平均苯系物排放濃度為2.4mg/m3，

平均乙酸脂類排放濃度為10mg/m3，平均非甲烷總烴排放濃度為10mg/m3。各種有機污染物處理效率均在90%以上，充分滿足了X企業(yè)的電氣噴涂廢氣處理要求。

旋轉式蓄熱催化裝置運行期間，能源消耗主要為設備風機、裝置電加熱2個方面。其中，設備風機運行時間約20h/d，主要包括總風機、增壓風機以及吹掃風機，總運行費用約為480000元；

裝置電加熱持續(xù)時間約20h/d，總運行費用約為590000元。按照總風量為100000 m3/h進行計算，廢氣處理成本約為11元/m3。

自X企業(yè)應用旋轉式蓄熱催化裝置以來，基本實現(xiàn)了電子噴涂廢氣的粉塵凈化，且催化效果較為理想，平均催化效率高達97.7%，系統(tǒng)總處理效率在90%以上。根據(jù)旋轉式蓄熱催化裝置前90d的運行數(shù)據(jù)來看，裝置的年電子噴涂廢氣處理量能夠達到60t，且排放廢氣中的有害物質(zhì)濃度較低，能夠充分滿足排放限值要求標準，經(jīng)濟性較高，在很大程度上提高了X企業(yè)的減排效益。

結語

電子涂裝廢氣不僅有機物種類較多、成分復雜，還含有大量漆霧顆粒，故而通過傳統(tǒng)廢氣處理工藝很難取得理想的治理效果。旋轉蓄熱催化氧化技術有著能耗低、氧化效率高、氣流穩(wěn)定、空間利用率大等諸多優(yōu)勢，在電子涂裝廢氣處理中的應用，能夠有效凈化廢氣中的粉塵，催化效果較為理想，廢氣處理效率較高，排放廢氣有機物濃度遠低于排放限值，值得在工業(yè)廢氣治理領域廣泛應用。

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作者簡介

饒秀娟（1992—），女，漢族，安徽合肥人，工程師，碩士，研究方向為環(huán)境保護工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-02-29