小型“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”一体化设备研究

彭芬，汪壮，吴卫，刘彰

（1.航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙410100；2.长沙凯天工研院环保服务有限公司，湖南长沙410100）

近几年，随着“史上最严”秋冬雾霾治理的开始，大气治理面临新的挑战，要求日趋严格。日前，中国环境保护产业协会对外发布《中国环保产业发展状况报告（2018）》（以下简称《报告》），《报告》显示，2017年全国环保产业营业收入约13 550 亿元，较2016年增长约17.4%，同时，《报告》预测2020年我国环保产业营业收入总额有望超过2 万亿元[1]，市场潜力之大不容小觑。

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难以达到治理要求，且不经济。利用不同单元治理技术的优势，采用组合治理工艺，不仅可满足排放要求，而且可降低净化设备的运行费用，因此，在有机废气治理中，采用一种或多种净化技术的组合工艺得到了迅速发展。

针对现行各种技术在处理低浓度、大风量的VOCs 污染物时存在的设备投资大、运行成本高、去除效率低等问题，出现了一种处理低浓度、大风量工业废气的高效率、安全的处理工艺，即“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”组合净化技术。

为此，研究一种普适性强，可广泛应用于涂装、印刷、石油化工等行业大风量、低浓度有机废气治理的工艺技术，具有较大市场价值，这也是研发小型“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”一体化装置的出发点。

1 工艺原理

1.1 工艺流程

“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”是转轮浓缩技术与催化燃烧技术的有效结合。首先，有机废气经预处理去除漆雾或粉尘等颗粒污染物后，以确保进入浓缩吸附转轮的颗粒物浓度符合相关要求，有效避免对浓缩转轮造成不良影响，如堵塞孔道等。经预处理之后的有机废气，通过浓缩转轮对废气进行动态吸附，将废气浓缩富集，实现大风量、中低浓度废气转变为小风量、高浓度废气。同时浓缩后的高浓度废气在脱附区经脱附后送入催化燃烧装置，实现有效经济燃烧，最终生成无毒无害的二氧化碳和水等达标排放，系统对有机废气的去除率可稳定达到95%的水平，同时脱附区转轮得到再生。转轮进行吸附作业的同时，利用一小部分有机废气或外部新风对转轮脱附区进行冷却降温，冷却区的转轮经冷却后又可进入下一个吸附浓缩周期，即完成吸附/脱附/冷却的循环过程。工艺路线及流程详见图1。

图1 转轮浓缩-催化燃烧工艺路线

1.2 技术特点

可适于间歇运行，处理效率90%～95%；

结构紧凑，占地面积相对较小；

采用管式或板式换热器，换热效率高；

不能处理含硫、卤素等有机物质。

1.3 应用领域

适用于中小型油墨印刷、喷漆行业等风量不稳定、浓度多变、间歇作业的复杂工况废气治理，采用离线脱附，吸附持续时间长，即开即用。针对间歇式排放废气的行业，可在浓缩轮吸附达饱和后，通过催化燃烧的余热对转轮进行离线脱附再生，这样一来转轮吸附浓缩倍率更高，吸附持续时间长，脱附频次少，可降低运行成本。

2 关键设备

“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”组合技术的核心包括预处理、浓缩转轮和催化燃烧装置三大部分。

2.1 预处理

预处理主要针对喷漆废气等具有颗粒污染物与废气并存的现象，首先应对废气进行预处理，以去除漆雾及粉尘等颗粒污染物。

常见的漆雾过滤技术分为两大类，一类是干法漆雾净化技术，主要是利用漆雾过滤棉等过滤材料对漆雾分子进行物理拦截，操作及维护简单，但是滤材饱和后需要经常进行更换；另一类是湿法漆雾净化技术，主要是利用水或有机溶剂等将漆雾分子捕捉，再通过添加漆雾絮凝剂等将漆雾絮集成团，把漆渣予以打捞，漆雾得以净化，但是会造成水污染等二次污染的发生。本研究优选干法漆雾净化方式，拟采用“G2 金属丝网+DPA+F6+除湿+颗粒活性炭+H10”六级过滤，其中G2，F6，H10 等表示不同过滤等级，详细可查询《欧洲标准EN 779：2002 一般通风用空气过滤器——过滤性能的测定》[2]和《欧洲标准EN 1822-1 高效空气过滤器（EPA、HEPA、ULPA）》[3]，确保进入浓缩转轮的颗粒物浓度≤1 mg/m3[4]。

2.2 浓缩转轮

浓缩转轮装置是实现废气浓缩的装置。而转轮芯体是转轮浓缩装置最为核心的部件之一，是将陶瓷纤维纸加工成波纹形、平板形，再用无机粘合剂粘接在一起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的通道表面而制成[5]。

目前，转轮吸附单元基本依赖进口，常用的转轮有盘式转轮和筒式转轮，如图2。

图2

盘式浓缩转轮分为3 个区域：吸附区、脱附区和冷却区，分别与相应风道相连接。为了防止各个区之间窜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。转轮在电机带动下旋转，旋转速度1～6 r/h。脱附温度≥180 ℃（200～210 ℃），浓缩倍率10～20 倍。

筒式转轮相比于盘式转轮，没有冷却区，脱附温度150～180℃，转轮设计为模块状，转轮大小可根据场地进行调整，目前应用还不多。

2.3 催化燃烧装置

催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧。催化燃烧净化是利用工业废气中污染物可以燃烧的特性，将污染物中含碳氢的化合物，在催化剂和较低温度（250～450℃）下进行氧化分解，使其转化为无害的二氧化碳与水蒸气，具体过程如图3。

图3 催化燃烧装置工艺流程

3 研究内容

3.1 预处理材料筛选

通过对涂装、油墨印刷等行业的大气污染特征分析，不难发现，一些行业的大气污染存在颗粒污染物与废气并存的现象，因此在进行废气治理前，必须对颗粒污染物即漆雾及粉尘颗粒等予以去除，否则将对后续废气治理技术的吸附材料、催化剂或蓄热体等造成极大不良影响，如造成孔径堵塞等，严重影响废气治理的效果。不同过滤材料拥有不同的过滤效果，因此，预处理过滤材料的筛选是研究的主要内容之一。针对同一种有机废气，通过采用不同过滤等级的过滤材料进行小试试验，并结合经济成本分析，以筛选出适合的经济高效的过滤材料。

3.2 浓缩转轮工艺参数研究

通过对进口转轮运行的工艺参数进行研究，以保证转轮的最佳运行状态。

3.2.1 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，而转速的大小表明吸附和脱附时间长短。当转速低于最佳转速时，吸附率会降低；当转速高于最佳转速时，脱附区少部分能被加热到再生温度，脱附不彻底。实际应用中，通过试验将转速匹配其他参数变化控制在一个范围内。

3.2.2 脱附温度

吸附剂的脱附再生存在一个适宜温度范围，可以获得更快的脱附速率，同时消耗更小的脱附风量。

3.3 结构设计

小型“预处理+浓缩转轮+催化燃烧”拟采用模块化结构设计，整个装置一体化，减少管路连接，外形美观，组装及维修方便。

4 展望

近几年，我国对大气污染治理的要求日趋严格，转轮浓缩-催化燃烧技术具有净化效率高的优势，鉴于目前市场上这些常用的部件大部分从国外进口，国内生产较少，无疑造成初期投资较高，不符合环境保护经济性原则，应亟需开发独立自主知识产权的浓缩转轮、催化材料等关键部件及材料，降低该技术的投资成本。