分子筛浓缩转轮内部焖烧现象的判定与原因分析

张红伟

（维珂瑞（北京）环境科技有限公司，北京 100012）

VOCs来源广泛，涉及生产、生活等多个途径。随着社会经济的高速发展，VOCs排放量与日俱增，给人们的生活环境带来了严重影响。对于大风量、低浓度的废气处理，分子筛浓缩转轮技术应用广泛。但是，在实际运行过程中，若处理工艺设计不当，或转轮性能较差，也会发生各种运行故障，其中，转轮焖烧是最常见的现象之一。转轮焖烧是指分子筛浓缩转轮在实际运行过程中，由于转轮内部受热不均匀发生的一种不同程度燃烧的现象。转轮焖烧不仅会对转轮及附属设备的寿命造成严重影响，也可能会造成更为严重的运行事故，直接威胁操作人员的生命安全。因此，快速、精准判断分子筛转轮运行过程中焖烧现象的发生，并能采取及时、有效的控制方式，对消除由此带来的设备故障和安全隐患尤为重要。

1 分子筛浓缩转轮及工艺简介

分子筛浓缩转轮核心部件为分子筛转轮轮芯，其是由分子筛吸附介质和陶瓷纤维组成，其中分子筛吸附介质是一种具有均匀孔道结构的无机化合物。

根据不同作用，分子筛转轮轮芯分为吸附区、解析区和冷却区，各个区域由耐热、耐溶剂的密封性材料分隔。图1给出了分子筛浓缩转轮轮芯结构及VOCs处理工艺示意图。首先，低浓度、大风量、常温（40℃以下）的废气在风机输送下通过分子筛转轮吸附区，VOCs被分子筛吸附，净化后的气体直接排放。由于吸附是放热的，因此，净化后排气会有1～5℃的温升；当吸附区分子筛吸附饱和时，分子筛转轮块体转动至解析区，VOCs分子从转轮上解析脱附，解析温度为150～180℃。解析完成后，解析区转轮块体转动至冷却区，经冷却降温后，转轮块体恢复吸附能力，此时，冷却区排气温度约为60～90℃。

图1 分子筛转轮轮芯结构及工艺示意图

在转动电机驱动下，转轮不断转动，从而实现吸附、解析、冷却循环进行，确保废气处理持续稳定的运行。

分子筛浓缩转轮废气处理技术主要设备组成如图2所示，主要包括气体过滤器、分子筛转轮轮芯、加热器、转动电机及动力传输设备（风机）等。

图2 分子筛浓缩转轮废气处理技术主要设备组成示意图

2 判定分子筛浓缩转轮内部焖烧的方法

由上文可知，分子筛浓缩转轮在正常运行过程中，工艺参数一旦确定，各区进、出气体温度均在可控范围内波动，如表1所示。

表1 分子筛浓缩转轮正常工作时各区进出气温度常见数值

因此，通常情况下，各反应区进、出气端均设置有温度监控装置及温度异常报警装置，通过对各路气体温度实时监测，并及时反馈和控制，进而保证整个处理工艺的稳定运行。

但是，在实际监测过程中，转轮解析区及冷却区排气温度偶尔会出现如图3所示。系统刚开始运行（0～40min）时，解析区排气温度始终维持在50～80℃，而冷却区排气温度始终维持在60～90℃。当运行至45min时，解析区与冷却区温度开始持续升高。至75min时，解析区排气温度高于110℃，至80min时，冷却区排气温度高于120℃，并且高于相应温度时间持续5min以上，若发生这种现象，则推断认为分子筛浓缩转轮内部发生焖烧，需要及时拆开检查，并对可能导致该现象发生的原因进行排查。因此，温度判定法是一种最直接、有效的判定分子筛转轮内部发生焖烧现象的方法。

图3 解析区排气温度及冷却区排气温度随时间的变化

3 分子筛浓缩转轮内部焖烧的原因

3.1 废气组分

（1）低沸点组分。湖北某制药公司于2019年对合成车间散排废气及污水池废气使用了一套分子筛浓缩转轮处理装置，该项目转轮在运行一年后拆机检修时，发现转轮轮芯表面存在灼烧痕迹。为查询轮芯灼烧原因，对该项目废气进行气相色谱-质谱检测，分析结果如图4及表2所示。从数据分析看，该项目有机废气中含有大量低沸点（低于100℃）的有机废气分子，如丙酮、乙腈等。为满足沸点较高的有机物（如3-乙基3-甲基庚烷（164℃）、3,3-二甲基辛烷（168℃））的正常解析，设计该工艺解析温度为150～180℃。

表2 有机废气处理项目废气组成

图4 VOCs有机废气色谱图

当进气中低沸点有机分子在转轮上不断吸附浓缩时，在较高的解析温度（150～180℃）下，这些有机分子就会与气体中的氧气发生氧化反应，并放出大量的热，因此会直接导致分子筛浓缩转轮内部焖烧现象的发生。由此，可以解释本项目转轮轮芯发生焖烧现象的原因。

（2）高沸点组分。浙江某制药厂生产车间有较明显的异味，对该车间通风换气，产生大量的低浓度废气。2017年，该公司为保证排气达标，采用了一套分子筛浓缩转轮处理装置。该装置运行两年后在拆机检修时，发现转轮轮芯表面存在灼烧痕迹。为查询轮芯灼烧原因，对该项目废气进行气相色谱-质谱检测，分析结果如图5及表3所示。从数据分析看，该项目有机废气中含有高沸点（高于180℃）的有机废气分子，如6-乙基2-甲基癸烷（沸点217℃）、3-甲基十一烷（沸点217℃）等。这些物质在常规解析温度下无法发生解析，而本项目所设计的解析温度为150～180℃。

表3 有机废气处理项目废气组成

图5 VOCs有机废气色谱图

由此可以推断，当有机废气中存在大量高沸点气体时，由于其沸点较高，当采用常规解析温度（150～180℃）时，吸附在分子筛孔道内部的高沸点有机分子脱附效率较低，从而占据吸附位。随着项目运行时间的延长，转轮会因内部高沸点物质不断富集吸附位被占据而降低吸附效率，为使其维持较高的吸附脱附效率，需定期进行高温脱附（200～230℃）。而在高温脱附期间，轮芯内部富集的高沸点有机物与氧气发生氧化反应形成焦体物质，造成转轮不通畅且局部过热，最终导致焖烧现象的出现。

3.2 轮芯结构的稳定性

图6 为河北某化工原料生产车间有机废气处理工艺中监测的分子筛转轮轮芯运行2年期间压降随时间的变化图，从图中可以看出，刚开始运行（0～12个月）时，转轮压降约200～500Pa，而运行一年后，监测的压降明显升高，最高达到1000Pa。对转轮进行停机检查，发现轮芯盘面局部发生焖烧，同时，发生焖烧区域的轮芯孔道也存在明显的堵塞现象。

图6 某项目分子筛转轮轮芯压降随时间的变化图

由此可见，转轮轮芯孔道堵塞可能是导致转轮轮芯内部发生焖烧的原因之一。分子筛转轮轮芯主要是由吸附介质（分子筛）和骨架结构（陶瓷纤维）组成，其中陶瓷纤维及轮芯块体之间使用密封胶黏连而成，因此在一定程度上容易造成骨架坍塌，进而影响了轮芯结构的稳定性。另外，虽然分子筛转轮轮芯具有规则的孔道，保证废气流通的同时能有效地降低压损，节省能耗，但是，通常情况下，该孔道尺寸相对较小，容易造成孔道堵塞。

此外，转轮内部容易引起孔道堵塞的物质还包括：

（1）高沸点物质聚合。如3.1（2）所述，高沸点有机物存在会导致分子筛脱附不完全，随着运行时间延长，这些物质含量不断增加，且会与氧气发生氧化反应形成焦体物质，进而导致分子筛孔道及转轮轮芯孔道不断堵塞。

（2）无机组分。若处理废气中含有NaCl、CaCl2、MgCl2等一定浓度的无机组分时，这些组分会在分子筛表面以及转轮轮芯孔道中发生吸附，并不断累计，最终导致轮芯孔道结构的堵塞。

（3）密封材料磨损。分子筛转轮轮芯分区支架与箱体之间采用耐高温复合材料进行软密封，当转轮长期运行后，密封材料会出现一定程度的磨损，磨损的密封材料会粘连在转轮表面，形成薄膜进而堵塞转轮。

3.3 转轮浓缩处理工艺

如第1章所述，分子筛转轮轮芯和过滤器、加热器、转动电机及动力传输设备（风机）结合构成一套完整的分子筛浓缩转轮处理工艺，其中若转动故障或解析气加热存在问题时，也会导致分子筛转轮内部发生焖烧。

（1）转轮转动故障。分子筛转轮轮芯持续转动是保证该工艺正常运行的基本条件，转动电机是维持其转动所需的动力设备，在运行过程中，电控对转速进行实时监控，转速异常则会发生报警。

例如，河北某制药公司废气治理项目，系统运行过程中曾出现转轮转速异常报警现象，并伴随有转轮净化气中非甲烷总烃数据超标现象，如图7所示。

如图7，在系统正常运行（0～8h）时，净化排气中非甲烷总烃明显低于50mg/m3，但是，当控制面板上转轮发出低速运转（小于1r/h）报警（9h后），净化排气中非甲烷总烃含量迅速达到150mg/m3。对系统进行停机检查，发现转轮内部有明显焖烧现象。

图7 某项目转轮转速异常前后净化气中非甲烷总烃随时间变化图

其主要原因是，当转轮转速较低或停止转动时，会导致吸附区长期处于吸附状态，从而使得吸附近饱和状态的分子筛无法进行解析，从而使得吸附效率降低，排气非甲烷总烃升高。而对于解析区，由于转轮转速变慢或停止转动且长时间未进行处理时，会导致该区域长时间被解析气加热，进而温度不断升高。当该区域集聚了大量的有机分子时，这些有机分子在持续的高温环境中会和分子筛孔隙中的氧气发生触媒反应，从而形成放热并导致转轮内部焖烧现象的发生。

（2）解析气热源。高温解析气的加热方式通常包括电加热、蒸汽加热及燃气加热等方式，当业主方能够提供充足燃气时，为节省能源，降低能耗，通常采用燃气加热的方式进行，而此时，气体燃烧机是必不可少的设备之一。通常，燃气加热解析流程如图8所示。

图8 燃气加热解析流程

当采用燃气供热时，天然气进入燃烧机的燃烧头内，与助燃风机所提供的助燃气混合，点火燃烧。因此，燃气燃烧时系统内存在明火焰。若燃烧机火焰异常状态（如火焰过长或残余零星火星等情况），会存在燃烧机火焰直接灼烧到转轮部分盘面的情况，进而导致转轮内部发生焖烧现象。

4 分子筛浓缩转轮内部焖烧解决方法

综上所述，分子筛浓缩转轮内部发生焖烧现象的原因很多，为避免该现象的发生，提高系统运行的安全性和稳定性，降低风险和投入，现提出以下解决办法。

（1）严格控制废气组成。在项目设计阶段，对所处理有机废气组成进行详细的取样检测和分析，设定合理的解析温度等工艺参数。当处理废气中含有高沸点有机分子时，在进入分子筛浓缩转轮前要进行气体预处理，从而避免焖烧现象的发生。

（2）提高轮芯结构稳定性。为避免轮芯堵塞，应定期采用带压惰性气体吹扫，保证轮芯通畅，避免废气中携带的无机组分长时间在轮芯孔道堆积发生堵塞。另外，为防止转轮长期运行使得密封材料发生氧化或磨损而堵塞孔道，应对其进行定期拆卸和更换，以避免焖烧现象发生。

（3）改进工艺设计。针对转轮转速，电控系统需进行多点测定，实时监控，并设置系统报警和连锁装置。当转轮转速持续异常应自动停止加热，从而避免因不能及时被发现和处理所引起的焖烧。

另外，在采用燃气供热时，为避免转轮盘面的灼烧，应在燃气加热器和解析区之间增设阻火器，从而避免了火焰窜到轮芯表面。此外，在该段解析管路上，还应适当增加温度监测仪表数量，便于及时发现并处理燃烧机火焰异常情况。

5 结语

分子筛浓缩转轮技术在处理大风量、低浓度废气中应用广泛，该技术在实际运行过程中如果处理不当仍存在一些风险，其中，转轮内部发生焖烧现象是最典型的问题之一。本文首次采用温度判断法判定转轮内部焖烧现象的发生，当系统解析区排气温度持续5min以上高于110℃且冷却区排气温度高于120℃，表明系统内部可能发生了焖烧，需及时停机检查。另外，本文还以实际工程项目为背景，从废气组分、轮芯结构的稳定性以及转轮浓缩处理工艺等方面详细分析了发生焖烧现象的原因，并有针对性地提出了合理、有效的解决方案。首先，严格分析和控制废气组成，降低废气中高沸点组分的含量，并有针对性地设计合理的解析温度是避免转轮焖烧的方法之一。其次，针对转轮压损和转速，设置多点测定，实时监控，并设置异常报警和连锁装置，对设备进行定期检修和维护将有利于提高设备的稳定性和工艺的安全性，是避免转轮焖烧的又一有效方法。