试论活性炭纤维吸附-催化燃烧法处理大风量低浓度VOCs废气

王 硕

（北京恩萨工程技术有限公司，北京 100101）

在有机废气中，含有挥发性有机物VOCs，其能够通过光化学反应生成二次有机碳SOC，这也是大气污染中颗粒物的主要组成部分。传统对于VOCs废气的处理，一般是借助颗粒活性炭GAC对其进行吸附，但是这种方法的吸附率相对较低，固定床底部的阻力损失较大，而且需要采用蒸汽再生的方式，装置相对繁琐，因此并没有能够得到大规模的推广使用。20世纪90年代开始，蜂窝状活性炭吸附-催化燃烧法在VOCs废气处理中得到了应用，解决了装置连续有运转的问题，不过依然存在不少缺陷，需要继续优化和改进[1]。

1 活性炭纤维与VOCs

活性炭纤维（ACF）是一种经过活化的含碳纤维，主要是通过对含碳纤维内进行高温活化的方式，使得其表面能够产生纳米级孔径，增加比表面积，对材料的物化特性进行改善。ACF的性能特点体现在几个方面：一是ACF纤维直径小，比表面积大，微孔结构发达，吸附容量大且脱附速度快，再生性强，对于ppb级的痕量物质吸附非常有效；二是ACF对于各类有机和无机气体，以及水溶液中的有机物、贵重金属离子等，都有着很大的吸附量和较快的吸附速度，净化效率高；三是ACF在面对低浓度物质时，能够呈现出更加优越的吸附性能，具有GAC（颗粒活性炭）和PAC（粉末活性炭）无法比拟的微量杂质处理和溶液提纯功能。而在具备耐酸碱、耐高温、化学稳定性的同时，ACF还有着良好的可操作性，可以被加工成不同形态的纤维制品，实现与其他功能纤维复用，缩小吸附和过滤装置的体积，为工程应用及设备简化提供便利[2]。

VOCs的全称为Volatile Organic Compounds，挥发性有机物，是在常温条件下，饱和蒸汽压力超过70Pa、常压条件下沸点不超过260℃的有机化合物，又或者在20℃条件下，蒸汽压不低于10Pa，同时具备挥发性的有机化合物。VOCs是导致城市雾霾及光化学烟雾的主要前体物，来源于工业废气、汽车尾气和光化学污染等，多数VOCs对于人体而言都是有毒的，而部分VOCs甚至有致癌性，如多环芳烃、树脂化合物、亚硝胺等，会对机体产生致癌作用，部分芳香胺、卤代烷烃等则具有诱变作用。VOCs在阳光照射下，会与大气中的碳氢化合物、氮氧化合物及氧化剂发生化学反应，生成光化学烟雾，危害作物生长和人体健康。

2 基于活性炭纤维吸附-催化燃烧法的大风量低浓度VOCs废气处理

以ACF作为吸附剂的吸附-催化燃烧净化设备能够做到小型化，有效节约场地和资金，在相关研究中，当使用厚度为20mm的ACF作为吸附剂，将过滤速度控制在0.2m/s以下时，若进口浓度值不超过1000mg/m³，则装置对于三苯及其混合物的净化效率能够达到90%以上，对苯系混合物的吸附容量为195mg/g，连续循环14次，结果基本保持稳定，吸附柱压降为400Pa左右[3-5]。

事实上，将ACF作为吸附剂的有机溶剂回收装置早在20世纪80年代就已经实现了批量生产，在处理量相同的情况下，ACF的填充量只有GAC的1/25，吸附时间为1/20，脱附时间为1/5，装置体积只有1/3，不仅如此，ACF得到的回收溶解的质量也要好得多。以市场面常见的双吸附槽回收装置为例，ACF和GAC回收装置的相关参数如表1所示。

表1 ACF和GAC回收装置的相关参数

ACF本身有着良好的脱附再生性能，不仅脱附速度快，而且可以实现完全脱附，再生吸附率高。工业上在使用ACF对甲苯废气进行吸附处理时，连续吸附-再生1年，纤维本身的再生吸附量依然能够保持在95%以上。

某型号VOCs废气净化装置中在对有机废气进行处理的过程中，废气从上部进风口进入到预处理器，经多层不锈钢过滤器粗滤后，经下部通道进入组合吸附床，每一个吸附床附带有一套气动切换阀，能够将吸附床转化为吸附或者脱附状态。吸附床纵剖面自上而下依次为进气总管、吸附室、净气室和出气总管，VOCs废气会被吸附剂表面的大量微孔结构吸附，而废气在经过净化后，会进入到净气室，再经切换阀进入出气总管排出。

该净化装置的特点体现在几个方面：一是采用了吸附-催化燃烧法工艺来对VOCs废气进行处理，每一套装置都包含预滤器、吸附器、引风机等部件，组合为一体化装置，方便进行安装和运输；二是在装置中采用了活性炭纤维作为吸附剂，能够实现快速高效吸附，废气的处理可以满足相关标准的要求；三是吸附器中的吸附单元循环进行吸附、脱附和再生过程，在针对大风量低浓度VOCs废气进行净化处理的过程中，可以将VOCs废气浓缩，形成小风量高浓度废气，从而降低催化燃烧的能耗；四是采用了PLC和触摸屏实施中央控制，模拟显示设备运转，工作人员可以直观地看到装置的运行情况，同时装置可以实现自动化运行，具备较强的可靠性；五是设备本身的体积小，自重轻；六是ACF的稳定性较好，吸附脱附周期短，加上本身的热容量低，不会出现温度过高的情况，在自动化控制系统的支持下，装置有着很高的安全性。

3 实例分析

以某汽车企业喷涂有机废气的治理为例，对活性炭纤维吸附-催化燃烧法的应用进行分析和讨论。该企业企业设置有焊接车车间、涂装车间、总装车间等相关设置，涂装车间负责产品生产中的车身涂装，包括前漆处理、焊缝密封、底涂、中涂以及面漆等，也是废气的主要来源，废气包含了漆雾和有机废气。

3.1 工艺方案

对废气产生量、污染物组分、性质、温度等因素进行分析，依照相关整治方案和环保政策，选择吸附-催化燃烧法进行废气处理，吸附介质采用的是活性炭纤维，汽车喷涂环节产生的废气在经过水旋式喷雾净化装置处理后，经滤棉过滤，进入活性炭吸附床进行吸附，处理达标后的废气通过排气筒排出。当活性炭纤维达到饱和后，进行脱附再生处理，脱附产生的高浓度有机物则利用催化燃烧的方法处理。

3.2 处理单元

（1）预过滤棉装置。企业喷涂车间输送废气的含尘量在5mg/m³，设计两套过滤棉装置，每层分别设置一道初效棉和一道中效棉，吸附效率为90%，可过滤时间为3d，过滤棉单体设置为7层，装置结构材料选择碳钢。其中：

单元风量为26.67m³/s。

废气每小时含尘量为1000g/h。

过滤棉尺寸为3000mm×4000mm×40mm（H）。

（2）活性炭纤维吸附装置。设计七套活性炭纤维吸附装置，六用一再生，在实际应用中，除去脱附燃烧阶段，其余绝大部分时间七套处理装置中吸附床共同作用，设计风量为实际风量的1.2倍左右，能够满足工业废气处理的相关要求。

单元风量为32m³/s。

吸附速度为0.2m/s。

活性炭纤维填充面积为133.25㎡。

（3）催化燃烧装置。催化燃烧装置中设置有燃烧主风机一台，燃烧机一台以及热交换器一套，具体参数可以根据企业喷涂车间的生产情况确定。

3.3 钢平台

依照设备的具体尺寸以及厂区的空间布局，针对废气处理设施进行建设，钢结构设置在厂房一侧的绿化带位置，平台上设置的主要构筑物包括风管、主风机、吸附风机、冷风机、预过滤棉装置、活性炭纤维装置、催化燃烧装置以及电动葫芦等，总重量达到了57.32t，要求平台承重能力不能低于0.15t/㎡。

3.4 自控系统

设备分为吸附和脱附两个环节，吸附时所有的七套装置共同运行，脱附时则是六套运行，一套脱附，脱附完成后切换至另一套，直至所有装置全部脱附完成。为了避免催化剂出现高温失活的问题，需要对再生温度及风量等参数进行严格控制，充分考虑催化燃烧时的温度变化情况，避免出现火灾和爆炸事故，构筑起相应的安全预警机制。如果燃烧后的温度超过了350℃，则需要及时启动助燃风机，导入新鲜空气；如果燃烧后温度远低于300℃，则需要适当增加天然气的供给，或者对脱附风机进行调节，减少废气量。

3.5 运行效果

在该处理装置中，废气燃烧产生的热量能够满足自持燃烧的需求，尾气可以通过换热器，被应用到脱附新鲜空气的加热，有着良好的节能效果。六用一再生的形式保证了活性炭纤维的脱附和更换不会对系统正常运行产生影响，计算可知，项目运行成本为8.67元/万m³，燃烧系统的运行费用化主要体现在催化剂的更换，实际能源消耗较少。

4 结语

总而言之，在针对大风量低浓度VOCs废气进行处理时，可以采用基于活性炭纤维吸附-催化燃烧法的VOCs废气净化装置，能够取得良好的废气净化效果，不会产生二次污染问题，而且装置投资和运行费用低，操作简单，运行可靠，自动化水平高，具备推广和普及的价值。