沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒
沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒
VOCs的種類繁多、成分復(fù)雜、性質(zhì)各異，在很多情況下采用一種凈化技術(shù)往往難以達到治理要求，且不經(jīng)濟。利用不同單元治理技術(shù)的優(yōu)勢，采用組合治理工藝，不僅可滿足排放要求，而且可降低凈化設(shè)備的運行費用。因此，在有機廢氣治理中，采用兩種或多種凈化技術(shù)的組合工藝得到了迅速發(fā)展。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)就是針對低濃度VOCs的治理而發(fā)展起來的一種新技術(shù)，與催化燃燒或高溫焚燒進行組合，形成了沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+焚燒技術(shù)。技術(shù)研究現(xiàn)狀
蜂窩轉(zhuǎn)輪吸附+催化燃燒處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代由日本發(fā)明的一種有機廢氣處理系統(tǒng)，吸附裝置是用分子篩、活性碳纖維或含碳材料制備的瓦楞型紙板組裝起來的蜂窩轉(zhuǎn)輪，吸附與脫附氣流的流向相反，兩個過程同時進行。這種系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代初被我國引進和仿制，但由于吸附元件（蜂窩轉(zhuǎn)輪）以及系統(tǒng)關(guān)鍵部位連接技術(shù)都不過關(guān)，吸附與脫附的竄風(fēng)問題未得到根本解決，設(shè)備性能不穩(wěn)定，因此國內(nèi)應(yīng)用較少，一直未能得到推廣。
利用催化燃燒法進行工業(yè)有機廢氣治理，已普遍應(yīng)用于汽車噴涂、磁帶制造和飛機零部件噴涂等。催化燃燒技術(shù)將揮發(fā)出來的大量有機溶劑充分燃燒。催化劑采用多孔陶瓷載體催化劑，催化前的預(yù)熱溫度視VOCs種類而不同：聚氨酯380℃～480℃，聚酯亞胺480℃～580℃；有機物濃度約1600mg/m3，凈化效率平均為99%。
轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒新工藝
1技術(shù)概況
針對現(xiàn)行各種方法在處理低濃度、大風(fēng)量的VOCs污染物時存在的設(shè)備投資大、運行成本高、去除效率低等問題，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)了一種用于處理低VOCs濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣的高效率、安全的處理工藝。該方法的基本構(gòu)思是：采用吸附分離法對低濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣中的VOCs進行分離濃縮，對濃縮后的高濃度、小風(fēng)量的污染空氣采用燃燒法進行分解凈化，通稱吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法。具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪被安裝在分隔成吸附、再生、冷卻三個區(qū)的殼體中，在調(diào)速馬達的驅(qū)動下以每小時3～8轉(zhuǎn)的速度緩慢回轉(zhuǎn)。吸附、再生、冷卻三個區(qū)分別與處理空氣、冷卻空氣、再生空氣風(fēng)道相連接。而且，為了防止各個區(qū)之間竄風(fēng)及吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間的空氣泄漏，各個區(qū)的分隔板與吸附轉(zhuǎn)輪之間、吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間均裝有耐高溫、耐溶劑的氟橡膠密封材料。含有VOCs的污染空氣由鼓風(fēng)機送到吸附轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)，污染空氣在通過轉(zhuǎn)輪蜂窩狀通道時，所含VOCs成分被吸附劑所吸附，空氣得到凈化。隨著吸附轉(zhuǎn)輪的回轉(zhuǎn)，接近吸附飽和狀態(tài)的吸附轉(zhuǎn)輪進入到再生區(qū)，在與高溫再生空氣接觸的過程中，VOCs被脫附下來進入到再生空氣中，吸附轉(zhuǎn)輪得到再生。再生后的吸附轉(zhuǎn)輪經(jīng)過冷卻區(qū)冷卻降溫后，返回到吸附區(qū)，完成吸附/脫附/冷卻的循環(huán)過程。由于該過程再生空氣的風(fēng)量一般僅為處理風(fēng)量的1/10，再生過程出口空氣中VOCs濃度被濃縮為處理空氣中濃度的10倍，因此，該過程又被稱為VOCs濃縮除去過程。
轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程見下圖。
轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程圖
1號風(fēng)機帶動含VOCs廢氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪a區(qū)域，a區(qū)域為吸附區(qū)，根據(jù)不同的目標(biāo)物可在轉(zhuǎn)輪中填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a區(qū)域隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動來到b區(qū)域進行脫附。流經(jīng)傳熱1的高溫氣流將吸附于轉(zhuǎn)輪上的VOCs脫附下來，并經(jīng)過傳熱2達到起燃溫度，隨后進入催化燃燒室進行催化氧化反應(yīng)。由于轉(zhuǎn)輪脫附之后又要進行吸附，所以在脫附區(qū)域旁邊設(shè)冷卻區(qū)域c，以空氣進行冷卻，冷卻之后的溫空氣經(jīng)傳熱1變成脫附用熱空氣。催化燃燒反應(yīng)之后的熱氣流將部分熱量傳遞給傳熱2、傳熱1后排至空氣。為了防止催化燃燒室溫度過高，設(shè)置第三方冷卻線路用于催化燃燒室的緊急降溫。整個系統(tǒng)由2個監(jiān)控系統(tǒng)組成，PC1負(fù)責(zé)監(jiān)控催化燃燒室、傳熱器的溫度（其內(nèi)部設(shè)電輔熱裝置以平衡溫度波動），PC2負(fù)責(zé)風(fēng)機控制，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)進氣流量。PC2屬于PC1的子級系統(tǒng)，當(dāng)PC1監(jiān)測到溫度波動超過允許范圍時立刻將信息傳遞給PC2，PC2將收到的信息轉(zhuǎn)成指令傳遞給各風(fēng)機。
2新工藝的特點
（1）吸附區(qū)旁路內(nèi)循環(huán)的建立。當(dāng)廢氣經(jīng)過吸附區(qū)吸附后不達標(biāo)，進入旁路內(nèi)循環(huán)，再次進行吸附處理。此旁路內(nèi)循環(huán)的基本思路為消滅現(xiàn)有污染再吸納新的污染。（2）冷卻風(fēng)旁路建立。在工況十分復(fù)雜的情況下，VOCs濃度有可能陡然升高，此時將部分冷卻風(fēng)引入到吸附區(qū)以降低脫附風(fēng)量，同時在傳熱2后補充新風(fēng)，以維系進入催化反應(yīng)器的風(fēng)量在預(yù)設(shè)范圍以內(nèi)。此旁路的基本思想是以新風(fēng)對高濃度VOCs進行稀釋，因而從效果上看，此法也會延長治理時間。
（3）與傳統(tǒng)工藝相比，該整個系統(tǒng)采用引風(fēng)機設(shè)計，便于對旁路的調(diào)控。去掉給催化燃燒裝置用的降溫鼓風(fēng)機，此機治標(biāo)不治本，改為在轉(zhuǎn)輪部分控制VOCs濃度。
（4）催化燃燒室去掉電輔熱系統(tǒng)，改由傳熱2對空氣加熱到VOCs起燃溫度，并利用反應(yīng)放熱使催化燃燒室溫度穩(wěn)定在500℃～600℃范圍內(nèi)。
（5）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速易調(diào)，則在2的情況下可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，減少單位面積轉(zhuǎn)輪單位時間內(nèi)吸附VOCs的量，從而保障系統(tǒng)的安全。
轉(zhuǎn)輪吸附的影響因素
當(dāng)吸附材料確定后，影響轉(zhuǎn)輪裝置吸附性能的主要因素是轉(zhuǎn)輪運行轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程圖參數(shù)和進氣參數(shù)。Yosuke等認(rèn)為，一定范圍內(nèi)進氣負(fù)荷的變化可通過轉(zhuǎn)速、濃縮比、再生風(fēng)溫度等轉(zhuǎn)輪運行參數(shù)調(diào)節(jié)，以維持預(yù)定的性能；Lin等將蜂窩轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于TFT-LCD產(chǎn)業(yè)廢氣處理，當(dāng)處理高排放濃度時，將入流速度降至1.5m/s，濃縮比降至8，轉(zhuǎn)速增至6.5r/h，再生風(fēng)溫度升至220℃，系統(tǒng)去除效率可達90%以上；Hisashi等指出佳轉(zhuǎn)速由再生風(fēng)熱容量與吸附劑熱容量平衡決定。
1濃縮比
轉(zhuǎn)輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個重要指標(biāo)，定義為進氣流量與再生風(fēng)流量的比值F，低濃縮比雖然可以保證高去除效率，但增加再生風(fēng)量的同時也增加了脫附能耗，而且濃縮氣體的濃度亦隨著脫附風(fēng)量的增加而降低。當(dāng)濃縮比從14減少至6時，甲苯的出口濃度僅從4.7mg/m3降低到1.5mg/m3，但濃縮后的甲苯濃度從1345mg/m3降至576mg/m3，如此低的濃度不利于后續(xù)燃燒或冷凝單元處理。因此，在確保系統(tǒng)設(shè)定的去除率前提下，合理選擇濃縮比至關(guān)重要。工程應(yīng)用上，濃縮比應(yīng)兼顧效率與能耗，對于高濃度廢氣，可選擇低濃縮比以確保去除率；而對于低濃度廢氣，適當(dāng)選擇高濃縮比有利于系統(tǒng)整體能效比提高。2轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速
吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運行周期中是同步進行的，兩者互為影響并共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時間長短。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于佳轉(zhuǎn)速時，相應(yīng)的運行周期變長，其脫附區(qū)的再生充分，但是其相對吸附能力λ隨著轉(zhuǎn)速n的減小而減小，在溫度分布曲線上表現(xiàn)為吸附區(qū)的曲線下降明顯，這是由吸附放熱少引起的，反映了吸附率的降低。而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于佳轉(zhuǎn)速時，溫度曲線表現(xiàn)為只有脫附區(qū)前段少部分能被加熱到再生溫度，因此佳轉(zhuǎn)速是脫附與吸附的佳平衡。佳轉(zhuǎn)速本質(zhì)上是吸附和脫附時間的控制，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪去除率大。實際應(yīng)用時，因受多種因素影響，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為配合其他參數(shù)變化可控制在一區(qū)間值3再生風(fēng)溫度
吸附劑的解析再生存在一個特征溫度（低清洗溫度），高于該溫度可以獲得更快的解析速率，同時消耗更小的脫附風(fēng)量。4進氣參數(shù)
3.4.1進氣濕度實際工程中，有機廢氣一般都含有水分，部分相對濕度甚至達到80%。而水分可能與污染物形成吸附競爭，占據(jù)轉(zhuǎn)輪吸附空間而降低污染物去除效率，因此抗?jié)裥允呛饬课叫阅艿闹匾笜?biāo)之一。
3.4.2進氣流速
在一定條件下，佳轉(zhuǎn)速與進氣流速成正比，當(dāng)進氣流速提高時，轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)提高，如果轉(zhuǎn)速未根據(jù)流速進行相應(yīng)提高，運行值低于佳轉(zhuǎn)速其相對吸附能力λ隨著轉(zhuǎn)速n的減小而減小，在溫度分布曲線上表現(xiàn)為吸附區(qū)的曲線下降明顯，反映了吸附率的降低。因此對于高濃度有機廢氣，控制低進氣流速十分必要，或可相應(yīng)地提高轉(zhuǎn)速。
轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化燃燒的關(guān)鍵點
吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法的核心技術(shù)是高效吸附分離濃縮過程以及所采用的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪。
1沸石型號的選擇及性能研究
疏水性沸石轉(zhuǎn)輪的研制，需要把加工成波紋形和平板形陶瓷纖維紙用無機黏合劑黏接在一起后卷成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，并將疏水性分子篩涂敷在蜂窩狀通道的表面制成吸附轉(zhuǎn)輪，應(yīng)用于工業(yè)廢氣中VOCs的凈化處理過程。2轉(zhuǎn)輪工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
濃縮比：轉(zhuǎn)輪通過吸附-脫附以獲得低流量的濃縮氣體，因此濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個重要指標(biāo)，定義為進氣流量與再生風(fēng)流量的比值F。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速：吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運行周期中是同步進行的，兩者互相影響并共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時間長短。
再生風(fēng)溫度：吸附劑的解析再生存在一個特征溫度（低清洗溫度），高于該溫度可以獲得更快的解析速率同時消耗更小的脫附風(fēng)量。
密封性不佳會使轉(zhuǎn)輪在應(yīng)用中存在竄風(fēng)問題，因而結(jié)構(gòu)的密封是一個非常重要的控制點。
催化劑的選擇。性能良好的催化劑應(yīng)滿足下列基本要求：1）具有優(yōu)良的低溫活性，并適應(yīng)較高空速，并直接關(guān)系到裝置的建設(shè)費用和運行費用；2）熱穩(wěn)定性好，在廢氣濃度過高而產(chǎn)生大量反應(yīng)熱的情況下，催化劑的溫度會急劇上升，此時催化劑應(yīng)不發(fā)生顯著的物理化學(xué)變化；3）具有一定的機械強度和較小的阻力。
展望
隨著新型吸附劑的開發(fā)及我國轉(zhuǎn)輪制作技術(shù)、密封技術(shù)的提高，轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)將會在更大范圍、更多的行業(yè)得到應(yīng)用。轉(zhuǎn)輪運行的模型研究也將更加深入，治理效果將更加有效。
