VOCs废气治理技术研究

2021-07-19伍尚晃佛山市顺德区顺环市政工程设备有限公司

节能与环保 2021年6期

文_伍尚晃佛山市顺德区顺环市政工程设备有限公司

挥发性有机化合物（VOCs）是指常温下饱和蒸气压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下蒸气压大于或者等于10Pa、具有相应挥发性的全部有机化合物。VOCs可以被太阳、热效应影响，与空气中的O3等氧化元素完成多渠道反应，形成二次有机溶胶，让大气质量降低，是光化学雾化物、城市雾霾的构成元素。随着环保理念的深入推广，VOCs治理被逐渐重视。

1 VOCs治理常见工艺介绍

VOCs治理工艺可以分类为生物法、吸附法、氧化法、燃烧法。

生物法处理技术适合较低浓度的VOCs废气，是利用有机废气作为碳源和能源来维持微生物的生命活动，经过微生物的新陈代谢反应将废气中的有害物质分解成H2O和CO2。其优点是运行费用低，VOCs去除效果稳定。

吸附法是利用吸附剂的多孔特性吸附VOCs使得废气净化后达标排放，典型的吸附材料是活性炭。随着环保材料的突破，像活性炭纤维及沸石分子筛等多孔吸附材料开始逐渐被使用。吸附法适应性广，兼容性好。

氧化法常见的有等离子处理技术、光催化氧化技术、微气泡技术几大类，其原理都是利用特定技术形成强氧化性物质，从而分解VOCs物质达到净化废气目的。因氧化法的使用条件比较苛刻、受限较多，导致处理效率不稳定，应用推广不理想。

燃烧法分为直接燃烧法、蓄热燃烧法及催化燃烧法几类，其原理是都利用合适温度使得VOCs分解成CO2和H2O。燃烧法处理效果稳定，投资较少，逐渐被市场所接受。

2 工程实例介绍

2.1 喷漆废气

喷漆废气是常见的VOCs废气，根据原料不同，其VOCs浓度通常在20mg/m3到300mg/m3之间。喷漆废气具有常温、有大量颗粒物、VOCs浓度较低等特点。喷漆需要将油漆雾化后高速喷涂在产品上，再高温固化在产品表面。部分漆雾会随着废气一起进入到废气处理系统内，为了避免发生堵塞现象，首先要对废气进行适当预处理。漆雾预处理常用水喷淋塔和干式过滤器两种方法，其主要性能差异见表1。

表1 漆雾预处理常用水喷淋塔和干式过滤器性能差异

通过表1可以看出，干式过滤器比水喷淋塔在漆雾处理中更为合适。废气经过合格的预处理后，其洁净度达到F9级后即可进行后续处理。废气通过活性炭时，其中的VOCs会被截留，使得废气得到净化。吸附饱和活性炭再利用小风量的热空气（105℃）进行吹脱，浓缩成风量少、高浓度的VOCs废气。浓缩后的废气送入催化燃烧装置内，在330～400℃的温度和催化剂共同作用下，彻底氧化CO2和H2O，最终实现废气净化的目的，催化燃烧工艺如图1所示。

图1 催化燃烧工艺示意图

值得注意，喷漆废气中VOCs的主要成分为丙酮、丁醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等挥发性有机化合物，其沸点分别为56.3℃、117℃、144℃、110.6℃、77℃及126.1℃。使用热风进行脱附时，为了防止活性炭发生自燃（碳的闪点温度120℃），热风必须控制在105～110℃范围内。限制热风温度，乙酸丁酯等相对高沸点的污染物并不能从活性炭中完全解析，会残留在活性炭内部。活性炭无法完全再生，其再生后有效吸附总容量会降低。在多次工程应用中测量，该方法对活性炭进行4次再生后，炭的吸附容量普遍只有装机时80%，达到更换要求。

为了降低活性炭的损耗，就必须提升热风温度，使得污染物彻底脱附。为此工程中采用了控制氧浓度方法来抑制燃烧发生的，具体工艺如图2所示。在热风接触活性炭前通入氮气，使热风中氧气浓度从21%降低至14%以下。此时氧气浓度不足，即使热风温度过高，活性炭也无法燃烧。通过不断循环，热风逐渐使VOCs从活性炭中彻底脱附。脱附后废气分批次少量抽取，充入足够氧气后（使热风氧气浓度达到17%以上）再送入催化燃烧器内进行催化氧化。最终把废气污染物彻底氧化成CO2和H2O。燃烧后气体直接排放不作热能回收。与传统催化燃烧工艺相比，改进后的催化燃烧系统脱附效率更高，并能有效延长活性炭的使用寿命。但因为增加制氮机、制氧机、氧气浓度探头等设备，所以，系统造价有所增加。同时，因氧气无色无味，控制要求也更为复杂。因此，该种改进型催化燃烧工艺应用不多。

图2 改进型催化燃烧工艺示意图

另一种方式是利用沸石分子筛代替活性炭。沸石分子筛是由硅、铝、及其金属阳离子构成的的硅铝酸盐，具有筛分分子、吸附、催化和离子交换作用且本身不可燃。分子筛不可燃，再生脱附时可以使用更高温度的热风进行解吸，保证污染物质脱附完全。多次工程应用发现，分子筛在300℃热风脱附后，其结构及吸附总量与装机时均无明显的差别，可以连续使用3～5a，减少危险废弃物产生。但沸石分子筛价格比活性炭贵，其单位吸附容量却只有活性炭的20%～25%。在工程应用中具有设备占地大、造价贵等问题，一定程度上限制了其推广应用。

2.2 铝卷材辊涂涂装废气

铝卷材辊涂涂装废气主要是烘箱加热产品上的挥发性溶剂所致，多次监测其VOCs值均在2000mg/m3以上，属于高浓度VOCs废气。废气具有高温、无颗粒物、高浓度VOCs的特点，选用的治理工艺为燃烧法，其燃烧能产生足够热量来维持系统运行，甚至尾气还可以供给生产线固化段热源，减低运营费用。

该项目规划两条生产线，分两期建设。一期项目废气处理工艺选用3级催化燃烧（HCR）+换热器+活性炭吸附装置,如图3所示。废气收集后进入3级串联催化燃烧装置，利用不同催化剂在不同的温度下进行催化燃烧，使污染物分解成CO2和H2O。氧化产生的高温气体流经换热器，用于预热后续进入的有机废气，节省废气升温的能源消耗。冷却的废气再通过一级活性炭吸附装置，保证废气达标排放。同时，在实际运行中发现，生产线利用天然气做加温，其中含有微量的卤数，燃烧后随废气进入催化燃烧装置内，使得催化剂逐渐中毒而失效，减少了催化剂的使用寿命。

图3 三级催化燃烧工艺示意图

二期项目废气处理改为3室蓄热燃烧（RTO）工艺，如图4所示。先利用天然气把燃烧室温度提升到800℃后再通入VOCs废气。废气在高温下氧化成CO2和H2O。氧化产生的高温气体流经特制的陶瓷蓄热体，使陶瓷体升温而“蓄热”。此“蓄热”用于预热后续进入的有机废气，从而节省废气升温的燃料消耗。该套工艺优点是维护少，废气燃烧时提供足够的能源，因此整体耗能较少。相比一期工艺没有使用催化剂，其持续运行稳定性更好。缺点是受生产连续性影响较大。RTO设备停机1d，燃烧室将从800℃降温到640℃。停机3d，温度从800℃降到350℃。重新使用前又必须利用大量的天然气来对其进行升温，因此该废气处理系统与其配套的生产设备最好24h连续生产。

图4 三室RTO燃烧工艺示意图

2.3 浸漆废气

浸漆废气是指生产马达电机中绕线工序时使用绝缘漆固化后产生的有机废气，其VOCs浓度通常在500～800mg/m3。该类型废气具有高温、中浓度VOCs、无颗粒物等特点。治理时工程应用沸石分子筛转轮+催化燃烧装置，运行工艺如图5所示。车间废气收集后利用换热器使废气降温至40℃以下，再进入分子筛转轮中的处理区进行吸附。沸石分子筛转轮被分隔成吸附区、脱附区及冷却区3个区域。转轮通过电机旋转，功能区域在不停的无缝轮换。车间废气收集后利用换热器使废气降温至40℃以下，再进入分子筛转轮中的处理区进行吸附。处理区的目的是将废气中的VOCs截留，使得废气变“干净”排放。当吸附饱和的分子筛从处理区转到再生区时，附着在转轮上的VOCs被连续的高温及低流量热空气从反方向解吸，形成高浓缩、少风量的VOCs气体从转盘中脱离并送到催化燃烧装置内处理。脱附干净的分子筛从再生区转到冷却区，这时分子筛基本已解吸干净，用冷空气为其快速降温，为后面的再吸附做准备。冷空气吸收热量后变成热空气供给吸附区的脱附使用，减少能源浪费。分子筛通过旋转，使得3个功能区交换，实现吸附-脱附-冷却循环。绝缘漆主要成分是苯、甲苯、苯乙烯，它们的沸点是80℃、140℃、146℃。利用分子筛做吸附材料，使得脱附温度达到300℃以上，确保每次脱附干净，保证分子筛使用寿命。同时，因分子筛不可燃，安全性能更好，系统可以自动运行，工人定时巡检即可，能进一步减低运行成本。