沸石浓缩转轮-催化氧化工艺治理VOCs废气

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　　摘要：沸石浓缩转轮-催化氧化工艺是处理低浓度、大风量有机废气的工艺技术，可满足国家、地方、行业新出台的越来越严格的VOCs排放标准。沸石浓缩转轮系统的运行参数互相影响制约，优化到最佳的运行工况，可以实现净化系统治理效率稳定达标和节约系统运行能耗的双重效果。
　　关键词：VOCs;有机废气;沸石浓缩转轮;催化氧化
　　中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）06-00-02
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.06.042
　　Abstract： Rotor Concentrator-Catalytic Oxidation was an effective technology to purify VOCs exhausted gases with low concentration and large volume， which can meet the increasingly stringent VOCs emission standards issued by the state， local and industry. Optimizing the operation parameters of Rotor Concentrator which influenced each other can achieve the dual effects of stable efficiency and energy conservation.
　　Key Word： VOCs;Organic exhaust;Rotor concentrator;Catalytic oxidation
　　挥发性有机化合物（VOCs）是空气污染物的主要成分之一，会对人体健康和环境造成极大危害。在紫外线照射下，VOCs会和大气中的NOx发生光化学反应，产生O3等二次污染物[1][2];还会与大气中的颗粒物作用形成二次有机气溶胶[3]。随着环境问题的凸显，国家、地方、行业都逐步出台了越来越严格的排放标准和环保法令，VOCs排放浓度和VOCs总量控制越来越严格。
　　1 沸石浓缩转轮+催化氧化工艺原理
　　1.1 沸石浓缩转轮工藝原理
　　针对低浓度、大风量的有机废气排放特点，吸附法是常用的治理工艺。常见的吸附介质有活性炭和沸石等。沸石相较于活性炭吸附介质，具有安全性能佳、脱附性能好、选择吸附性能可控的优点，已逐步成为替代活性炭的吸附介质。
　　沸石浓缩转轮是一种移动式吸附设备，分三个区域：吸附区，脱附区，冷却区，三个功能区通过隔板和氟橡胶密封材料完全分隔，转轮通过电机驱动回转，从而实现三个功能区域的独立。吸附区是利用沸石的低温吸附性能，将废气中VOCs物质吸附于沸石材料内部孔道结构中，VOCs废气经净化后可达标排放;脱附区是利用沸石材料的高温脱附性能，持续通入180～220℃热空气可将沸石转轮吸附区的VOCs物质解析出来，从而恢复沸石转轮的吸附能力。冷却区是将刚经转轮脱附区的加热沸石材料降温，恢复沸石的低温吸附性能。
　　1.2 催化氧化工艺原理
　　贵金属催化剂对VOCs具有良好的低温反应活性，催化性能稳定。铂/钯贵金属催化剂在250～300℃温度窗口中，可将VOCs物质完全降解为无害的CO2和H2O[4]。催化氧化设备根据系统放置区域的防爆要求，有两种选择——电加热器和天然气燃烧器。在防爆环境中，防爆型的电加热器是系统加热器的首选。
　　与沸石浓缩转轮耦合的氧化工艺有多种选择，如RTO（蓄热燃烧法）、TO（热力燃烧法）和催化氧化法，催化氧化工艺相较RTO和TO工艺，具有如下两个独特的优点：①催化氧化炉热机时间短，适用于间歇运行工况，具有节约系统热机时运行能耗的优点;②催化氧化是一种无焰化学反应，反应温度低，氧化炉内没有明火燃烧，配备防爆型的电加热装置，催化氧化炉可放置在防爆区域内。RTO和TO工艺中，为保证废气净化效率，燃烧温度一般控制在700-800℃，RTO和TO炉内有明火燃烧，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014的要求，明火设备不适合在防爆环境中使用，RTO和TO设备均不适用。
　　2 沸石浓缩转轮+催化氧化工艺流程
　　废气吸附流程：沸石浓缩转轮是涂敷有沸石吸附材料的蜂窝状结构，在进入沸石转轮前，为防止沸石转轮堵塞，转轮设备前需配置除水除尘预处理装置。VOCs废气预处理后，经转轮吸附区吸附净化，之后经主风机牵引达标排放。
　　废气脱附流程：由脱附风机牵引，预处理后的部分废气先通过转轮冷却区，冷却刚经历过脱附热解析的沸石转轮分区，恢复沸石材料的低温吸附性能。之后废气经一级换热器加热，加热至沸石转轮的脱附温度180～220℃，通入沸石转轮脱附区进行脱附操作。VOCs脱附是一个吸热过程，脱附出口废气温度降低到60℃左右，废气VOCs浓度升高。之后脱附废气经脱附风机通入二级换热器中。二级换热器回收系统热量，将脱附废气换热升温至催化剂反应温度窗口，若系统热值不足，可通过催化氧化炉内的加热器补充。脱附气中的高浓度VOCs物质，在250-300℃反应温度窗口中，在催化剂作用下彻底氧化为无害的CO2和H2O，同时释放大量热值。催化氧化炉排放的高温净化气体流经两级换热器回收系统热量，降低系统运行能耗。
　　3 系统运行的影响因素及安全设计
　　沸石浓缩转轮的吸附性能受废气工况和转轮运行两部分工况参数的影响。行业和生产工艺不同，VOCs排放废气的温度、湿度、浓度、VOCs成分各不相同。而且工业排气过程中常出现风量波动和浓度波动的情况，沸石浓缩转轮是一种移动吸附设备，可以通过改变转轮运行参数可以调整沸石浓缩转轮设备的治理负荷，提高沸石浓缩转轮的治理效率。转轮系统可优化的运行参数有：浓缩比、转速等[5]。 　　3.1 温度
　　VOCs吸附过程是一个放热反应，低温有利于吸附反应进行，废气进气温度一般控制低于40℃。
　　3.2 湿度
　　工业排气中或多或少都含有一定的水分，水分的存在会与VOCs在吸附过程中形成竞争吸附，相对湿度增加会导致VOCs吸附效率下降，废气治理工程中一般控制相对湿度在80%RH以下。
　　3.3 VOCs废气浓度和成分
　　VOCs浓度、成分等影响沸石浓缩转轮选型型号，VOCs浓度高、废气成分中含极性小分子VOCs物质，沸石转轮选型直径会变大。
　　3.4 轮轮浓缩比
　　转轮浓缩比是指吸附风流量和脱附风流量的比值，合适的浓缩比可以保证废气治理效率达标，还可以将后续燃烧/氧化系统的运行能耗降到最低。浓缩比低于最佳浓缩比，转轮系统脱附能量过剩，会增加后续燃烧/氧化设备的运行能耗。浓缩比高于最佳浓缩比，转轮的脱附能量减少，不足以VOCs脱附完全，将会导致转轮系统的净化效率下降，废气排放浓度超标。
　　3.5 转轮转速
　　沸石浓缩转轮是一个移动吸附设备，吸附和脱附同时进行，转轮转速是平衡沸石浓缩转轮吸脱附时间的一个运行参数。转速和转轮浓缩比相互影响，转轮转速越快，需要脱附能量越多，但运行能耗越大，反之，转轮转速慢则会导致脱附不完全，废气VOCs排放浓度超标。
　　3.6 系统安全设计
　　为保证系统运行安全，脱附出来的高浓度废气在进入二级换热器前需设置LEL在线检测装置，实时检测废气的爆炸极限，控制进入催化氧化炉的VOCs浓度在25%LEL以下。LEL报警系统设置三级报警点，一级报警点为15%LEL，二级报警点为20%LEL，三级报警点为25%。当在线监测装置达到一级报警点时提示系统检查，当达到二级报警点时，通过脱附风机前的稀释风阀掺入新鲜空气，降低废气VOCs浓度。当达到三级报警点时系统紧急停机。
　　在脱附风机后设置阻火器，阻火器的作用是经过许多细小通道之后分散火焰，使火焰温度降低到着火点以下，避免系统异常着火时火焰蔓延。
　　4 工程应用
　　以常州某涂料生产厂为例，该项目VOCs废气来源于油性漆和汽车漆涂料生产过程中的人工投料、分散研磨、包装、清洗工序中，废气治理风量55000 m3/h，废气成分有甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮和异丙醇等多种VOCs成分，废气浓度约400-800mg/m3。该工况具有典型的低浓度、大风量的特点，废气治理工艺是沸石浓缩转轮-催化氧化。设备投用一年以来，VOCs出口浓度稳定低于30mg/m3。
　　VOCs废气经沸石转轮浓缩后，脱附系统风量降低，VOCs浓度大幅升高，VOCs成分自身热值已足以维持系统运行能耗，无需额外的热量补充。系统运行参数，如温度、压力、风机频率、加热器开度、阀门开度等，通过PLC系统监控和记录，程序自行调节系统运行参数，維持系统稳定运行。程序设置报警信号，若出现运行异常，自动发送报警信号，以确保系统安全。
　　5 结论和展望
　　沸石浓缩转轮-催化氧化工艺治理大风量、低浓度的有机废气具有净化效率稳定、热机时间短、运行费用低的优点，可以满足我国越来越严格的VOCs废气排放要求。但目前沸石转轮设备中沸石负载成型的关键技术国内还未能完全掌握，亟需掌握此关键技术，以满足VOCs治理市场的需求。
　　参考文献
　　[1]马一琳，张远航.北京大气光化学氧化剂污染研究[J].环境科学研究，2000，13（1）：14-17.
　　[2]吴方堃，王跃思，安俊琳，等.北京奥运时段VOCs浓度变化、臭氧产生潜势及来源分析研究[J].中国环境科学，2010，31（1）：10-16.
　　[3]谢绍东，于淼，姜明.有机气溶胶的来源与形成研究现状[J].环境科学学报，2006，26（12）：1933-1939.
　　[4] KAMAL M S，RAZZAK S A，HOSSAIN M M. Catalytic oxidation of volatile organic compounds（VOCs） —a review[J]. Atmospheric Environment，2016，140：117-134.
　　[5] H. Yamauchi， A. Kodama， T. Hirose， H. Okano， K. Yamada， Ind. Eng. Adsorptive and catalytic properties in the removal of volatile organic compounds over zeolite-based materials[J]. Chem. Res.， 2007， 46， 4316–4322.
　　收稿日期：2019-03-21
　　作者简介：梁春霞，女，汉族，研究方向为VOCs废气治理。
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