治理VOCs的沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺

程 辉，胡 超

(杭州绿然环保集团有限公司，浙江 杭州 311100)

1 工业固定源VOCs的排放特点

1.1 种类多差异大

在工业领域，产生VOCs的企业众多，污染物的组成复杂，常见的化合物类型包括：烃类、脂类、醇类、酚类、胺类、醛类、腈类等。其中，苯、甲苯、二甲苯和卤代烃的排放量大、毒性强。考虑到VOCs的组成和性质复杂，采用单一的治理技术效果不佳，联合治理工艺应运而生。

1.2 多种污染并存

工业生产期间，工艺尾气污染物多是混合物，例如：印刷废气中包含苯类、酮类、醇类、脂类；喷涂废气中包含脂类、酮类、苯类。如果净化单一化合物，治理技术容易选择；但多种有机物并存，由于不同有机物的性质差异明显，必须采用分级治理方案。以苯类废气+含硫有机物为例，采用催化燃烧法之前，要先去除含硫有机物，避免造成催化剂中毒。

1.3 工况条件多样

不同行业排放的VOCs，或者同行业不同工序排放的VOCs，尾气的工况条件有较大差异[2]。普通喷涂作业中，排放的是常温气体；制药、化工生产中，排放的是高温气体。在汽车生产企业中，喷涂线排放常温气体，烘干线排放高温气体。一般来说，VOCs中含有颗粒物，多以溶胶形式存在，由于粘性较高，因此去除难度大，会影响吸附净化效率。

2 沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺的原理和特点

2.1 工艺原理

如图1是沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺流程图。其中a区是吸附区，根据目标物的类型，在转轮内填充吸附材料；b区是脱附区，目标物经过a区在此处脱附。高温气体经过传热1，可将转轮上的VOCs脱附下来；然后经过传热2，温度提升至燃烧条件，即可完成催化氧化反应。c区是冷却区，空气经过传热1，变为热空气用于脱附。在系统控制上，包括PC1、PC2两个监控系统，前者能监测传热器、催化燃烧室的温度变化；后者监测风机的运行，动态调整进气流量。系统运行期间，PC1将监测到的温度信息传递给PC2，PC2向风机下达指令，实现系统运行的可靠性。

图1 沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺流程

2.2 技术特点

沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺的特点：①使用吸附区旁路内循环，废气经吸附区如果不达标，就会进入该循环，重复吸附过程，以提高吸附效率。②应用冷却风旁路，面对复杂工况，VOCs浓度会明显提高，部分冷却风会进入吸附区，从而降低脱附风量，并补充新风。该旁路的建立，可以利用新风稀释VOCs浓度，延长治理时间。③引风机的应用，有利于调控旁路，去掉降温鼓风机，在转轮处控制VOCs浓度，可以实现温度控制目标。④在催化燃烧室内，使用传热2代替电辅热系统，可将反应放热温度维持在500～600 ℃之间[3]。⑤转轮的转速容易调节，在单位时间内，减少VOCs吸附量，从而提高系统的安全性。

3 转轮吸附的影响因素分析

选定治理工艺后，一旦确定吸附材料，转轮的运行参数、进气参数，会影响吸附能力。国外学者研究称[4]，要想调整转轮的运行，可以改变浓缩比、转速、再生风温度等指标。结合相关研究成果，处理高浓度的VOCs时，将浓缩比降低至8，转速提高至6.5 r/h，再生风温度控制在220 ℃，此时去除效率维持在90%以上。以下具体分析转轮吸附的影响因素。

3.1 浓缩比

转轮经过吸附、脱附，可以得到低流量的浓缩气体，浓缩比就是进气流量、再生风流量的比值，使用F表示。低浓缩比能提高去除效率，但也会增加再生风量，增大脱附能耗。结合实践，浓缩比从15降低至6，甲苯的出口浓度从4.7 mg/m3降低至1.5 mg/m3，不利于后续燃烧。因此，在保证去除率的前提下，合理设置浓缩比，才能兼顾效率、能耗两个指标，提高系统的整体能效。

3.2 转轮转速

在转轮运行过程中，吸附、脱附是同时进行的，两个动作相互影响，并且决定了去除效率。从本质上来看，转速的大小，会改变吸附时间、脱附时间的长短。以最佳转速为准，如果实际转速较低，其运行周期变长，虽然增强了脱附区的再生能力，但吸附能力会降低。结合温度分布曲线，可见吸附区的曲线下降，原因在于吸附放热，导致吸附率降低。如果实际转速较高，脱附区前段可以加热到再生温度，后段则达不到再生温度，继而影响去除效果。设置最佳转速，就是控制吸附时间、脱附时间，最大程度上提高去除率。

3.3 进气参数

进气参数包含多个指标，其中影响转轮吸附性能的主要有两个：一是进气温度。对VOCs处理时，废气中常含有一定水分，相对湿度能达到80%以上。这些水分的存在，会和污染物相互吸附，不仅占据了转轮的吸附空间，还会降低去除效率。因此，控制进气温度，可以提高转轮吸附能力。二是进气流速。一定条件下，转轮的最佳转速和进气流速之间呈现正比关系。随着进气流速提高，转速也会提高；如果转速没有提高，实际转速就会低于最佳转速，导致吸附能力降低。结合温度分布曲线，可见吸附区的曲线下降。因此，需要处理高浓度的VOCs时，一般提高转轮的转速，或者降低进气流速，均能提高吸附效率。

3.4 再生风温度

吸附剂的解析、再生，需要最低清洗温度。再生风的温度超过该温度值，就能提高解析效率，减少脱附风量的消耗。

4 VOCs处理工艺的优化措施

4.1 选择沸石型号

采用沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺治理VOCs时，关键点主要有两个：一是提高吸附浓缩效率，二是选用蜂窝状的转轮[5]。在沸石的选择上，以疏水性沸石转轮为例，原料是陶瓷纤维纸，将其加工成平板形、波纹形；然后利用无机粘合剂，将陶瓷纤维纸粘结在一起，并且后卷形成蜂窝状；最后利用疏水性分子，将其涂抹在蜂窝状通道的表面，即可制成吸附转轮。将其应用在VOCs的治理上，可以实现良好的去除效果。

4.2 优化转轮结构

优化转轮结构，能改进转轮的运行参数，具体包括：①优化浓缩比，结合VOCs的类型和特点，合理设置转轮的F值，才能提高效率、降低能耗。②优化转轮转速，实际转速应该接近最佳转速，维持合适的吸附时间、脱附时间，提高VOCs的去除效率。③优化再生风温度，吸附剂在解析再生时，应该设置特征温度，最好是最低清洗温度，可以提高解析速率。④优化密封性，提高转轮的密封性，能解决运行期间的窜风问题，在满足治理标准的同时，实现节能降耗的目标。

4.3 提高催化性能

催化剂的选择，也是影响VOCs去除率的一个因素，选择性能良好的催化剂，才能满足吸附、脱附条件，提高系统运行的稳定性。总结来看，催化剂的选择应该从以下几点入手：①低温活性良好，能适应较高的空速，可以减少建设费用、运维费用；②具有良好的热稳定性，处理高浓度的VOCs时，会产生大量反应热，此时催化剂温度升高，要求物理化学性能稳定；③阻力小，具有较强的机械强度；④成本低廉，考虑到催化剂的使用数量大，降低成本才能提高企业的经济效益。

5 结语

随着工业快速发展，VOCs的排放量增多，具有种类多差异大、多种污染并存、工况条件多样的特点。文中以沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧工艺为例，介绍了技术原理和特点，分析了影响转轮吸附的因素，包括浓缩比、转轮转速、进气参数、再生风温度等。合理选择沸石型号，优化转轮结构，提高催化性能，能改善VOCs治理效果，应重点关注。