用于VOCs处理的沸石转轮技术研究

鲍梅连

（山东交通职业学院，山东潍坊261206）

0 引言

VOCs（volatile organic compounds），挥发性有机化合物，是指会产生危害的那一类挥发性有机物，是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物的统称。

VOCs对大气造成的危害主要有：（1）部分具有毒性和致癌性，危害人体健康；（2）VOCs中的碳氢化合物与氮氧化合物在紫外线的作用下反应生成臭氧，可导致大气光化学烟雾事件发生，危害人类健康和植物生长；（3）参与大气中二次气溶胶的形成，二次气溶胶多为细颗粒，不易沉降，能较长时间滞留在大气中，对光线的散射力较强，能显著降低大气能见度。目前我国大部分城市大气环境已呈现区域性霾污染、臭氧及酸雨等三大复合型污染特点，而VOCs是极重要的助推剂之一。

1 VOCs处理技术

VOCs对环境的极大危害和对人体健康的严重威胁，引起了全世界的高度重视。VOCs的治理在我国已是刻不容缓，目前VOCs的处理技术主要分为两大类：

（1）在源头上进行控制，具体是指在生产环节上防止或减少VOCs排放的措施，是治理有机废气污染的最佳方法。但由于技术水平的限制，会不可避免地向环境中排放和泄漏不同浓度的有机废气，实现难度较大。

（2）在生产末端控制并消除VOCs的治理方法，可分为回收技术和销毁技术两类。回收技术是采用物理方法将VOCs回收的非破坏性方法，主要有活性炭吸附法、冷凝法、膜处理法等。此类方法不仅能有效控制VOCs的排放，而且回收利用能够节约资源，带来经济效益，目前越来越受到人们的关注。销毁技术即通过化学或生物反应过程使VOCs废气氧化分解为无毒或低毒物质的破坏性方法，主要技术有燃烧、光催化降解、等离子体技术、生物降解等。

上述VOCs废气处理技术是单一处理工艺，须根据VOCs废气排放的具体情况和要求，选择合适的工艺；因为VOCs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，并且很不经济。利用不同单元治理技术的优势，采用组合治理工艺，既可以满足排放要求，又可以降低设备的运行费用，沸石转轮浓缩技术即一种新型组合VOCs处理技术。

2 沸石浓缩转轮技术发展现状

2.1 国外技术现状和发展趋势

20世纪60年代起，欧美等国已出现吸附富集—脱附浓缩—蓄热催化氧化后处理技术的应用，其中德国Dürr公司，美国Megtec、Enguil公司和加拿大Biothermica公司等在行业中占有绝大部分市场。1986年，瑞典的Munters公司率先将蜂窝状沸石转轮用于VOCs废气处理。1988年，日本株式会社西部技研公司将加工成波纹形和平板形的陶瓷纤维纸用无机黏合剂粘结在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮，然后将疏水性沸石涂覆在蜂窝状通道的表面得到吸附转轮，并将其成功用于VOCs的净化处理。目前，沸石浓缩转轮系统在日本、美国、欧洲等国及台湾地区获得普遍使用，就技术而言，沸石吸附转轮的生产技术还掌握在国外企业手中。

VOCs经转轮浓缩后，再采用氢化燃烧技术和催化燃烧技术进行燃烧处理。国外对设备工艺进行持续的改进，日本三菱公司在20世纪就设计利用移动阀切换的蓄热装置，采用了具有高蓄热能力的陶瓷蜂窝体，并实际应用。催化剂也是影响废气处理的关键内容，将Pd、Au、Ce等金属催化剂用于催化燃烧降解的实验结果在国外已见报道，德国的SüD-Chemie公司是目前研究较为成功的企业之一。目前，国外沸石浓缩转轮的相关产品价格昂贵，在我国的VOCs废气处理中很难大规模应用。

2.2 国内技术现状和发展趋势

国内的沸石吸附浓缩设备起步较晚，生产企业多以组装、代理为主要经营模式，作为核心的沸石吸附单元基本依赖进口，国外具有生产技术的企业也在国内相继设立设备组装厂。不过，国内现已有多家高校及科研院所如华南理工大学、浙江大学等对沸石转轮进行了相关研究，使得国内现有的沸石转轮成型及设备技术水平与国外的差距在逐步缩小。近几年，我国在催化燃烧技术方面也已取得较大发展，国内已有工业应用及推广的实例。对催化燃烧技术而言，采用蜂窝状全效换热器回收低品位热源、进一步优化系统的结构设计及实现标准化、模块化设计是未来的发展趋势。虽然我们已经有了较好的研究基础，但是在核心材料研发、系统化集成、示范工程应用等方面还有待突破。

3 沸石浓缩转轮技术

沸石浓缩转轮系统是全球公认的最高效的废气浓缩技术，沸石转轮吸附浓缩装置采用吸附—脱附—浓缩焚化三项连续程序，主要用于有机废气的治理，特别适用于大风量、低浓度场合。该吸附装置以陶瓷纤维为基材，做成蜂窝状的大圆盘轮状系统，轮子表面涂覆疏水性沸石做吸附剂。沸石转轮吸附浓缩装置主要由废气预处理系统、分子筛转轮浓缩吸附系统、脱附系统、冷却干燥系统和自动控制系统等组成。转轮后有后处理系统。其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。

3.1 沸石转轮基本构造

沸石转轮浓缩区可分为处理区、再生区、冷却区三部分，浓缩转轮在各个区内连续运转。VOCs有机废气通过前置过滤器过滤后，再通过浓缩转轮装置的处理区。在处理区VOCs被吸附剂吸附去除，净化后的空气从浓缩转轮的处理区排出。吸附在浓缩转轮中的有机废气VOCs，在再生区经热风处理而被脱附、浓缩到5～15倍的程度。浓缩转轮在冷却区被冷却，经过冷却区的空气，加热后作为再生空气使用，达到净化节能的效果。沸石转轮结构如图1所示。

图1 沸石转轮基本构造

3.2 沸石转轮工艺参数

（1）浓缩比：转轮通过吸附—脱附以获得低流量的浓缩气体，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。

（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，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。

（3）再生风温度：吸附剂的解析再生存在一个特征温度，即最低清洗温度，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。

沸石转轮结构的密封是一个非常重要的控制点，密封性不佳会使得转轮应用上存在窜风的问题。

4 结语

沸石转轮浓缩+催化燃烧进行工业有机废气的处理，现在我国已经广泛应用于印刷业、半导体制造业、涂装行业等多个工业生产领域，但是目前作为核心技术的沸石吸附单元仍依赖于进口，使得沸石浓缩转轮系统在VOCs处理的使用中受到了很大限制。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，转轮吸附技术将会在更大范围、更多产业中得到应用。

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