一种沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧新工艺

一种沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧新工艺摘要：阐述了沸石转轮吸附浓缩+焚烧技术的研究现状及基本工艺特点，并介绍了一种新的沸石转轮浓缩+催化燃烧工艺，详细阐述了该工艺的特点及关键点，并指出该技术的发展方向。VOCs的种类繁多、成分复杂、性质各异，在很多情况下采用一种净化技术往往难以达到治理要求，而且也不经济。利用不同单元治理技术的优势，采用组合治理工艺，不仅可以满足排放要求，而且可以降低净化设备的运行费用。因此，在有机废气治理中，采用两种或多种净化技术的组合工艺得到了迅速发展。沸石转轮浓缩技术就是针对低浓度VOCs的治理而发展起来的一种新技术，与催化燃烧或高温焚烧进行组合，形成了沸石转轮吸附浓缩+焚烧技术[1]。1、技术研究现状蜂窝转轮吸附+催化燃烧处理技术是20世纪70年代由日本发明的一种有机废气处理系统，吸附装置是用分子筛、活性炭纤维或含炭材料制备的瓦楞型纸板组装起来的蜂窝转轮，吸附与脱附气流的流向相反，两个过程同时进行。这种系统在20世纪80年代初被我国引进和仿制，但由于吸附元件(蜂窝转轮)以及系统关键部位连接技术都不过关，吸附与脱附的串风问题未得到根本解决，设备性能不稳定，因此国内应用较少，一直未得到推广。20世纪80年代末研制设计了固定床吸附+催化燃烧处理系统。该系统是将吸附材料装填在固定床中，再将吸附床与催化燃烧装置组合成净化处理系统。该工艺系统的原理与上述蜂窝转轮吸附+催化燃烧技术基本相同，但由于单件吸附床的吸附与脱附再生过程分开进行，在操作上克服了蜂窝转轮净化系统吸、脱附易串气的缺点。经不断改进，系统配置更加合理，净化效率高，运行节能效果显著，在技术上达到国际先进水平[2]。该工艺系统非常适合处理大气体量、低浓度的VOCs废气，其单套系统的废气处理量可以从几千到十几万(m3/h)。该技术是我国真正自主创新的VOCs废气治理工艺，自1989年首次在国内推广，到目前已有数百套该类系统与装置在使用。已经成为国内工业VOCs废气治理的主流产品之一，并预计在将来仍将有很大的应用前景[3]。利用催化燃烧法进行工业有机废气的治理，已经普遍应用于汽车喷涂、磁带制造和飞机零部件喷涂等。催化燃烧技术将挥发出来的大量有机溶剂充分燃烧。催化剂采用多孔陶瓷载体催化剂，催化前的预热温度视VOC种类而不同：聚氨酯380～480℃，聚酯亚胺480～580℃；有机物浓度约1600mg/m3，净化效率平均为99%。2、转轮浓缩+催化燃烧新工艺2.1技术介绍针对现行各种方法在处理低浓度、大风量的VOC污染空气时存在的设备投资大、运行成本高、去除效率低等问题，我们研发了一种用于处理低VOC浓度、大风量工业废气的高效率、安全的处理工艺。该方法的基本构思是：采用吸附分离法对低浓度、大风量工业废气中的VOC进行分离浓缩，对浓缩后的高浓度、小风量的污染空气采用燃烧法进行分解净化，通称吸附分离浓缩+燃烧分解净化法。具有蜂窝状结构的吸附转轮被安装在分隔成吸附、再生、冷却三个区的壳体中，在调速马达的驱动下以每小时3～8转的速度缓慢回转。吸附、再生、冷却三个区分别与处理空气、冷却空气、再生空气风道相连接。而且，为了防止各个区之间串风及吸附转轮的圆周与壳体之间的空气泄漏，各个区的分隔板与吸附转轮之间、吸附转轮的圆周与壳体之间均装有耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。含有VOC的污染空气由鼓风机送到吸附转轮的吸附区，污染空气在通过转轮蜂窝状通道时，所含VOC成分被吸附剂所吸附，空气得到净化。随着吸附转轮的回转，接近吸附饱和状态的吸附转轮进入到再生区，在与高温再生空气接触的过程中，VOC被脱附下来进入到再生空气中，吸附转轮得到再生。再生后的吸附转轮经过冷却区冷却降温后，返回到吸附区，完成吸附/脱附/冷却的循环过程。由于该过程再生空气的风量一般仅为处理风量的1/10，再生过程出口空气中VOC浓度被浓缩为处理空气浓度的10倍[4]。因此，该过程又被称为VOC浓缩除去过程[5]。2.2新工艺及其流程图图1转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程图图1是转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程图，相关说明如下：1号风机带动含VOCs废气经过转轮a区域（蓝1线路），a区域为吸附区，根据不同的目标物可在转轮中填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a区域随转轮转动来到b区域进行脱附（红2）。流经传热1的高温气流将吸附于转轮上的VOCs脱附下来，并经过传热2达到起燃温度，随后进入催化燃烧室进行催化氧化反应。由于转轮脱附之后要又要进行吸附，所以在脱附区域旁边设冷却区域c，以空气进行冷却（蓝2），冷却之后的温空气经传热1变成脱附用热空气。催化燃烧反应之后的热气流（红3）将部分热量传递给传热2、传热1后排至空气。为了防止催化燃烧室温度过高，设置第三方冷却线路（紫4）用于催化燃烧室的紧急降温。整个系统由2个监控系统组成，PC1（绿点线）负责监控催化燃烧室、传热器的温度（其内部设电辅热装置以平衡温度波动），PC2（黄点线）负责风机控制，根据实际情况调节进气流量。PC2属于PC1的子级系统，当PC1监测到温度波动超过允许范围时立刻将信息传递给PC2，PC2将收到的信息转成指令传递给各风机。2.3新工艺的特点在近期调研的基础上对前期工艺进行了优化，主要体现在以下几个方面：1、吸附区旁路内循环的建立，当废气经过吸附区吸附后不达标（绿色在线监测仪），进入旁路内循环，再次进行吸附处理。此旁路内循环的基本思路为消灭现有污染再吸纳新的污染。2、冷却风旁路建立，在工况十分复杂的情况下，VOCs浓度有可能陡然升高，此时将部分冷却风引入到吸附区以降低脱附风量，同时在传热2后补充新风，以维系进入催化反应器的风量在预设范围以内。此旁路的基本思想是以新风对高浓度VOCs进行稀释，因而从效果上看此法也会延长治理时间。3、与传统工艺相比，该整个系统采用引风机设计，便于对旁路的调控。去掉给催化燃烧装置用的降温鼓风机，此机治标不治本，改为在转轮部分控制VOCs浓度。4、催化燃烧室去掉电辅热系统，改由传热2对空气加热到VOCs起然温度，并利用反应放热使催化燃烧室温度稳定在500-600范围内。5、转轮转速易调，则在2的情况下可以适当提高转轮转速，减少单位面积转轮单位时间内吸附VOCs的量，从而保障系统的安全。3、转轮吸附的影响因素当吸附材料确实后，影响转轮装置吸附性能的主要因素是转轮运行参数和进气参数。Yosuke等认为，一定范围内进气负荷的变化可通过转速、浓缩比、再生风温度等转轮运行参数调节，以维持预定的性能；Lin等将蜂窝转轮应用于TFT-LCD产业废气处理，当处理高排放浓度时，将入流速度降至1.5m/s，浓缩比降至8，转速增至6.5r/h，再生风温度升至220℃，系统去除效率可达90%以上；Hisashi等指出最佳转速由再生风热容量与吸附剂热容量平衡决定。3.1浓缩比转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体，因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标，定义为进气流量与再生风流量的比值F，低浓缩比虽然可以保证高去除效率，但增加再生风量的同时也增加了脱附能耗，而且浓缩气体的浓度亦随着脱附风量的增加而降低。当浓缩比从14减少至6时，甲苯的出口浓度仅从4.7mg/m3。降低到1.5mg/m3，但浓缩后的甲苯浓度从1345mg/m3降至576mg/m3，如此低的浓度不利于后续燃烧或泠凝单元处理。因此，在确保系统设定的去除率前提下，合理选择浓缩比是至关重要的[6]。工程应用上，浓缩比应兼顾效率与能耗，对于高浓度废气，可选择低浓缩比以确保去除率；而对于低浓度废气，适当选择高浓缩比有利于系统整体能效比提高。3.2转轮转速吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的，两者互为影响并共同决定转轮的去除效率，而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。当转速低于最佳转速时，相应的运行周期变长，其脱附区的再生充分，但是其相对吸附能力λ箍着转速n的减小而减小，在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显，这是由吸附放热少引起的，反映了吸附率的降低。而当转速大于最佳转速时，温度曲线表现为只有脱附区前段少部分能被加热到再生温度，因此最佳转速是脱附与吸附的最佳平衡。因此，最佳转速本质上是吸附和脱附时间的控制，以实现转轮去除率最大。实际应用时，因受多因素影响，转轮转速为配合其他参数变化可控制在一区间值。3.3再生风温度吸附剂的解析再生存在一个特征温度(最低清洗温度)，高于该温度可以获得更快的解析速率同时消耗更小的脱附风量。3.4进气参数3.4.1进气湿度实际工程中，有机废气一般都含有水分，部分相对湿度甚至达到80%。而水分可能与污染物形成吸附竞争，占据转轮吸附空间而降低污染物去除效率，因此抗湿性是衡量吸附性能的重要指标之一。3.4.2进气流速在一定条件下，最佳转速与进气流速成正比，当进气流速提高时，转速应相应的提高，如果转速未根据流速进行相应的提高，运行值低于最佳转速其相对吸附能力λ随着转速n的减小而减小，在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显，反映了吸附率的降低。因此对于高浓度有机废气，控制低进气流速是十分必要的，或可相应的提高转速。4、转轮吸附浓缩+催化燃烧的关键点吸附分离浓缩+燃烧分解净化法的核心技术是高效吸附分离浓缩过程以及所采用的具有蜂窝状结构的吸附转轮。4.1沸石型号选择及性能研究疏水性沸石转轮的研制。需要把加工成波纹形和平板形陶瓷纤维纸用无机粘合剂粘接在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮，并将疏水性分子筛涂敷在蜂窝状通道的表面制成吸附转轮，应用于工业废气中VOC的净化处理过程。4.2转轮工艺参数及结构优化浓缩比——转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体，因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标，定义为进气流量与再生风流量的比值F。转轮转速——吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的，两者互为影响并共同决定转轮的去除效率，而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。再生风温度——吸附剂的解析再生存在一个特征温度(最低清洗温度)，高于该温度可以获得更快的解析速率同时消耗更小的脱附风量。密封性不佳是转轮应用上存在的窜风的问题，结构的密封是一个非常重要的控制点。催化剂的选择。性能良好的催化剂应满足下列基本要求:1)具有优良的低温活性，并适应较高空速，因其直接关系到装置的建设费用和运行费用；2)热稳定性好，在废气浓度过高而产生大量反应热的情况下，催化剂的温度会急剧上升，此时催化剂应不发生显著的物理化学变化；3)具有一定的机械强度和较小的压力降。4、展望相信随着新型吸附剂的开发及我国转轮制作技术，密封技术的提高，转轮吸附技术一定会在更大范围，更多的产业里得到应用。转轮运行的模型研究也会更加深入，治理效果将更加有效。[1]王海林．我国工业VOCs减排控制与管理对策研究[J]．环境科学，2011，32(12)：3462．3468．[2]尹维东，乔惠贤，陈魁学，栾志强，刘锦华，李岩．蜂窝状活性炭在大风量有机废气治理技术中的应用[J]．环境科学研究，2000，13(5)：27-30．[3]韩严和，全燮，薛大明，赵雅之，陈硕．活性炭改性研究进展[J]．环境污染治理技术与设备，2003，4(1)：33-37．[4]曹晓强，陆洪省，黄学敏．微波辐照活性炭改性机理研究[J]．环境科学与技术，2011，34(6)：212-216．[5]杨金辉．活性炭改性方法的研究进展[J]．湖南科技学院学报．2010，31(4)：90-93．[6]金伟力．具有蜂窝状结构的转轮型吸附材料用于空气中挥发性有机污染物(VOC)的治理[J]．中国环境科学学会学术年会优秀论文集(2006)：2456-2460．联系人：高博；电话：[phone]；邮箱：[e-mail]联系地址：湖南省长沙市星沙经济技术开发区星沙大道15号邮编：410100公司：凯天环保科技股份有限公司