吸附+催化燃烧工艺在涂装行业废气治理中的问题和工艺优化

2020-12-24蔡志辉陈春苗

盐科学与化工 2020年12期

吴举，陈强，蔡志辉，陈春苗，叶帆

(秦皇岛格瑞因环境工程有限公司，河北秦皇岛 066004)

1 前言

随着国家《十三五规划》、《气十条》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等环保规划的深入实施，国家和地方针对各行业的挥发性有机废气( 简称“VOCs废气”)均出台了严格的排放标准；涂装行业作为VOCs废气重要来源之一，其涂装行业积极、有效地开展有机废气治理工作，不仅关乎企业员工的身心健康，也是完成国家挥发性有机物总量减排任务的必要环节。目前，适用于涂装行业的废气处理技术尚处于不断完善中，因此，根据实际工程经验总结处理工艺中存在问题，提出优化方案具有重要的意义。

2 涂装行业VOCs废气排放特点及适用治理技术

2.1 涂装行业VOCs废气的排放特点

涂装车间VOCs废气主要源自喷漆室、烘干室和晾干室的排气[1]。各生产工段的有机废气排放特点归纳如表1所示。

2.2 涂装废气VOCs的常用治理技术

涂装废气的特点是风量大、浓度低、无回收价值，针对上述的特点，目前适用的工艺是吸附浓缩加脱附焚烧的工艺，这类工艺目前常用的工艺组合为沸石转轮吸附+蓄热焚烧工艺和活性炭吸附+催化燃烧工艺两种。

表1 涂装过程VOCs废气的排放特点Tab.1 Emission characteristics of VOCs coating process

(1)沸石转轮吸附+蓄热焚烧工艺

沸石转轮吸附+蓄热焚烧工艺是利用吸附剂沸石吸附大风量、低浓度废气中的VOCs，然后采用小风量高温气体将吸附在沸石中的VOCs脱附出来，脱附后的小风量、高浓度的VOCs送到RTO内，有机物在RTO内被高温氧化成CO2和H2O，达到净化的目的[2]。沸石转轮吸附+蓄热焚烧组合工艺具有运行稳定、净化效率高、使用寿命长等优点，而缺点是设备投资高、运行费用高，目前国产的沸石转轮技术还不够成熟，工程应用过程中仍然较多的依赖进口沸石转轮。该工艺适合应用于喷漆量大、废气浓度大于250 mg/m3、连续工作的涂装企业。

(2)活性炭吸附+催化燃烧工艺

活性炭吸附+催化燃烧工艺是利用吸附剂活性炭吸附大风量、低浓度废气中的VOCs，然后从小风量的高温气体对活性炭进行脱附，脱附后的气体送入催化燃烧炉内进行处理，使得废气得到净化，使活性炭再生[3]。活性炭吸附+催化燃烧组合工艺具有设备投资较低、净化效率高、运行费用低等优点，而缺点是占地面积大。该工艺适用范围广，尤其适用于手动喷漆、废气浓度低于250 mg/m3、连续或间歇工作的涂装企业。

以上两种工艺是涂装行业常用的处理工艺，目前两种工艺都在实践过程中不断完善。文章就活性炭吸附+催化燃烧工艺在实践过程中的遇到问题进行总结并提出相应的优化措施。

3 活性炭吸附+催化燃烧组合工艺存在的问题及优化措施

3.1 活性炭吸附剂存在的问题及优化措施

用于处理涂装VOCs废气的活性炭一般采用蜂窝活性炭，选择活性炭时除了需要考虑比表面积、碘值和体密度外，还需对其硬度和防水性进行优化。

(1)提高蜂窝活性炭的硬度

存在问题。普通的蜂窝活性炭在填装时容易破碎，运行时易发生气流冲蚀，导致活性炭受损，且掉落的炭渣会堵塞下层的通道，从而导致吸附床通风阻力增大，减小了吸附剂的有效利用率。

优化措施。采用高硬度的蜂窝活性炭吸附剂，不仅填装时不易发生破碎，而且运行不易发生气流冲蚀，从而保证了吸附剂在吸附床中的完整性和高效利用率，也可延长吸附剂的使用寿命。

(2)采用防水型蜂窝活性炭

存在问题。活性炭在吸附VOCs的同时，也会吸附废气中的水分子。水分子在活性炭中大量聚集；用高温气体脱附时，首先会将水分子脱附下来，蒸发出来的水分子在炭箱内壁上会冷凝聚集成水滴，回落到活性炭表面，当选用不防水的普通活性炭时，下落的水滴会侵蚀碳层，造成碳层出现大量面积较大的孔洞，孔洞中的气流阻力很小，未经吸附处理的废气从孔洞逃逸，降低吸附床层的吸附效率，导致系统排气不能达标。

优化措施。选用防水型蜂窝活性炭，采用特殊的工艺制造而成，即使浸泡到水里也能保持形状的完整性，即使有水滴掉落下来，炭层也不会形成孔洞，确保吸附剂在整个使用过程中的完整性，从而避免气体短路的问题。

3.2 活性炭吸附床存在的问题及优化措施

(1)耐高温防腐处理

当吸附床进入脱附状态时，吸附床内部处于高温、高湿状态；当吸附床采用碳钢材质时，需要对吸附床的内表面进行耐高温(大于250 ℃)防腐处理，不仅延长设备的使用寿命，也避免锈皮、锈渣掉落到炭层上导致吸附剂堵塞，进而影响整体吸附效率的问题。

(2)进行保温处理

通过对吸附床进行保温处理，不但可以有效减少脱附时的热量损耗，保证脱附效果，也可以防止吸附床外表面烫伤工作人员。此外，当设备在炎热的夏季运行时，如果吸附床不做保温，受到环境温度、日晒等因素的影响，吸附床内也会有较大的温升，从而影响吸附效率。

(3)保证风的均匀性

活性炭吸附床进出口处要留有足够大的空间，并设置均风板，充分保证吸附废气均匀的穿过炭层，确保脱附时整个炭层的均匀升温，优化了脱附效果。

3.3 催化燃烧炉存在的问题及优化措施

催化燃烧炉是让有机物进行无害化处理的装置，是活性炭吸附+催化燃烧工艺的重要组成部分，但是普遍存在净化效率低、运行费用高、使用寿命短等问题，对其进行优化设计是十分必要的。

(1)壳体采用SUS304材质

目前市场上催化燃烧炉普遍采用碳钢材质，而催化燃烧炉长期在300 ℃～400 ℃之间运行，通常会出现炉体受热变形、焊口开裂、内表面锈蚀严重、锈皮/锈渣掉到催化剂上，使催化剂失活等问题。由此可见，设备选用碳钢材质是导致催化燃烧炉净化效率低、使用寿命短的主要原因。

因此，在选择催化燃烧炉的壳体材质时需要考虑耐高温和耐腐蚀性，采用SUS304材质即可有效避免上述问题的发生。

(2)提高换热器的换热效率

催化燃烧炉通常采用碳钢材质的板式换热器，易发生锈蚀问题，锈皮脱落后会堵塞换热器，将导致换热器的阻力增加以及换热效率的降低。而在高温区运行的换热器容易发生热变形、焊口开裂的情况，从而导致设备的进气和出气相互串气，严重影响了催化燃烧炉的净化效率和换热效率。

换热器采用SUS304材质，可有效避免上述问题的发生，延长了设备的使用寿命。换热器作为催化燃烧炉热量传递的节能设备，应尽可能的增大换热面积，提高换热效率，有利于维持炉温的稳定，可有效降低催化燃烧炉的运行费用。

3.4 吸附/脱附阀存在的问题及优化措施

吸附床的吸附/脱附阀普遍采用电动式多叶阀，这种阀存在泄漏量大、故障率高等问题。较大的泄漏量会造成脱附与吸附环节之间窜气的情况，增加了吸附剂的处理负荷，影响净化效率，而较高的故障率也无法保证系统的稳定运行。

吸附/脱附阀可采用气动式提升阀，阀体采用SUS304材质，由耐高温硅胶密封条密封，此类阀门不但稳定性高，而且接近于零泄漏。

3.5 脱附温度存在的问题及优化措施

吸附质脱附难易程度受其沸点影响明显，高沸点吸附质因与吸附剂之间存在更强的作用力而难以脱附[4]。目前市场上运行的脱附温度通常在100 ℃左右，这个温度很难将高沸点有机物脱附下来，如涂装行业中常用的稀释剂二甲苯的沸点在137 ℃～140 ℃，很难在目前的脱附温度下脱附下来。脱附温度低是活性炭吸附效率衰减快、使用寿命短的主要原因。

研发新吸附剂，可在蜂窝活性炭里添加阻火剂，从而提高活性炭的着火温度，这是提高脱附温度的硬件基础。此外再优化脱附工艺，根据废气成分进行针对性的脱附程序，这是提高脱附温度的软件基础。经过这两个措施后，可将脱附温度提高到160 ℃，从而提高了活性炭净化效率和使用寿命。