活性炭吸附联合催化燃烧工艺处理危废暂存库废气的应用实践

刘景友 程 虎 赖志红　

活性炭吸附联合催化燃烧工艺处理危废暂存库废气的应用实践

刘景友1程 虎2赖志红1

（1.广西科丽能生态环境有限公司，广西 梧州 543000；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100001）

文章介绍了危废处置中心暂存库废气特点及常见处理工艺的优缺点，并在此基础上选用活性炭吸附/脱附＋催化燃烧处理工艺对某一具体案例进行分析与探讨，得出活性炭吸附＋催化燃烧组合工艺是危废处置中心项目暂存库有机物废气处理的一种新型工艺的结论，其性能稳定，成熟可靠，经济环保，对于危废行业有较好的应用前景。

危险废物；暂存库；废气；活性炭；催化燃烧

引言

危险废物是指列入《国家危险废物目录》或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有危险废物特性的固体废物，在《国家危险废物目录（2021版）》中提出的危险废物具有下列五种危险特性的一种或多种特性：毒性、腐蚀性、易燃性、反应性、感染性。危险废物对周围生态环境和安全造成极大危害，必须妥善处理。危废处置中心的暂存库作为危险废物贮存设施，存放的危险废物种类繁多，成分复杂，其产生的废气成分也相对复杂、气味大。本文以广西北海某危废处置中心暂存库产生的废气为例，针对其处理工艺展开探讨。

1 暂存库废气污染源特点

1.1 成分复杂

广西地区危险废物主要来源于石油化工、金属冶炼、化学原料和化学品制造、纸制品和造纸行业，行业涉及面广，造成暂存库存放的危险废物散发出来的气体成分复杂，其成分包含有烃类、苯系物、硫化氢、氨气、氯化氢、氟化氢等。

1.2 风量较大

危废暂存库处理风量与暂存库的容积和换风次数有关，暂存库容积主要与危废中心的处置量和存放天数相关，按照相关规范贮存量不低于15天，一般按照1个月计算较合适。换风次数一般不低于2次/小时，以广西北海某危废处置中心项目为例，有机废物暂存库和无机废物暂存库内保持正常通风次数≥3～5次/小时，甲类废物暂存库通风次数≥5～7次/小时，事故通风≥12次/小时局部抽风，其中有机废物暂存库容积为10 937 m3，换气次数按照6次设计，废气量为65 623 m3/h[1]。

1.3 浓度相对低且波动大

暂存库内废气除成分复杂外，由于贮存的负荷与生产能力和市场收集能力有关，贮存负荷动态变化大，加上物料来自不同产废单位，导致废气成分浓度波动大。暂存库废气主要来源于暂存废物的挥发性成分，浓度相对较低，根据危废处置中心暂存库监测数据，VOCs一般为0～100 ppm。

2 暂存库废气常用处理工艺

危废处置中心暂存库废气会对环境造成较大破坏，随着相应法规的陆续出台，助推废气治理行业发展，暂存库配套废气治理的环保设施建设越来越受到重视，下面介绍当前主要的治理技术。

2.1 化学吸收法

技术原理：化学吸收法是指在废气吸收过程中通过中和等化学反应，使有害气体一种或数种进入到液相中，从而达到有害气体被净化的目的。目前常见的吸收设备有三类，即表面吸收器。鼓泡式吸收器和喷洒吸收器，现最为常见、成熟的装置设备是逆流式填料塔，属于表面吸收器。

优点：选用不同的吸收剂可吸收不同的有害气体，应用范围广。对于废气流量大、成分比较单一的气体去除效果明显。

缺点：净化效率相对不高，吸收液排放会造成二次污染，需要送至污水处理厂进行处理。需定期投放药剂，运行成本高。

2.2 物理吸附法

技术原理：通过吸附剂表面上的分子引力或化学键力，将废气中有害成分富集在固定表面上的方法为物理吸附法，废气处理物理吸附不发生化学反应，它的吸附热较低。其中常用的吸附剂有活性炭、沸石分子筛等。

优点：投资成本低、工艺简单、操作方便、吸附效果好，适合低浓度和低温度的恶臭气体。

缺点：运行一段时间后，吸附剂会饱和，需定期更换，运行成本高，吸附饱和后的吸附剂存在二次污染问题或后续处置问题。

2.3 直接燃烧法

技术原理：直接燃烧法通过辅助燃料燃烧，废气中有机物可燃性成分通过化学氧化反应产生高温，从而去除、破坏有害气体。

优点：除臭效率高。

缺点：设备和运转费用较高，焚烧时存在爆炸的潜在危险。

2.4 催化燃烧法

技术原理：催化燃烧法利用催化剂的催化作用来降低有机物的化学氧化反应需要温度，从而去除有害气体，同时实现节能的目的。

优点：对于风量、浓度适当的废气，净化效率可到90%以上。

缺点：不适合处理含硅、氯等物质的有机废气；中等投资，运行费用较高，催化剂的使用寿命约为8 000小时，到期需更换。

2.5 生物法

技术原理：生物法利用微生物降解废气中的VOCS和恶臭物质，从而达到除臭、无害化的目的。其中以生物滤池除臭应用最为成熟、使用范围最广。

优点：有效去除废气中硫化氢、氨等污染物，效果好，无洗涤水污染，运行成本低。

缺点：微生物氧化分解时间慢，设备占地面积较大，投资费用较高，运行要求较为严格。

2.6 紫外光催化氧化法

技术原理：紫外光催化氧化法采用纳米材料作为催化剂，通过光催化氧化反应来净化消除废气中挥发性有机物和恶臭气体。

优点：稳定性好，催化活性高，能耗低，可重复使用。

缺点：紫外光吸收范围较窄，光能利用率较低；不能用于易燃、易爆、易腐蚀的气体；催化剂多为纳米颗粒，回收困难。

2.7 低温等离子体工艺

技术原理：低温等离子体工艺通过高压发生器形成低温等离子体，在大量高能量电子作用下，使废气成分中有机废气分子转化成H2O、CO2等低分子无害物质，使废气得到净化。

优点：无需添加任何物质，适用性强，低耗节能，不产生废水、废气等二次污染问题。

缺点：不适合处理易燃、易爆、易腐蚀的气体，对设备设计精度和严密性较高；一次性投资也高[2]。

危废暂存库废气成分复杂，以上各种不同废气净化处理工艺既有优点又有缺点，单一工艺很难满足废气处理技术的要求和净化效率，因而考虑采用活性炭物理吸附＋催化燃烧组合工艺处理危废暂存库废气。

3 活性炭吸附＋催化燃烧工艺的应用

3.1 项目基本情况

广西北海某危废处置中心项目有三个危废暂存库，分别是甲乙类暂存库、有机类暂存库、无机类暂存库，其中有机类暂存库废气处理工艺采用活性炭吸附＋催化燃烧CO，其中设计风量为72 000 m3/h，VOCs浓度＜100 mg/Nm3，进气温度为35℃，废气湿度为常规空气湿度，工作时间24 h/d。

3.2 工艺流程及原理

3.2.1 工艺流程

前端为预处理装置，经过化学洗涤、除尘等净化后有机废气进入吸附箱的（活性炭组成），经过吸附箱时废气中的VOCs被吸附，风机、阀门及电加热器相应启动，对燃烧床内部的贵金属催化剂进行预热。当温度达到设定值时，阀门相应开启热空气回送入吸附床，活性炭受热后，有机气体被解吸出，经脱附风机引入催化燃烧床，进行无焰催化燃烧，在贵金属催化剂的作用下，大大降低了燃烧所需的温度。废气中的有机成分氧化分解转化为CO2和H2O，同时释放出大量的热量。热量有两个作用，一是用来维持催化燃烧所需的起燃温度，使废气燃烧过程减少或不需外加能耗；二是将部分热量回用于吸附床内活性炭的解吸再生，脱附再生后的活性炭可再进行吸附作用。以上过程周而复始，循环启用。

系统内设4台吸附床，即3台吸附床进行废气吸附工作时，另1台处于脱附再生阶段或备用阶段，从而使装置中活性炭吸附过程一直处于连续运行状态，提高废气净化效率。

3.2.2 工作原理

含有机物的废气经风机送至蜂窝活性炭，活性炭由于比表面积大，吸附能力强，将废气中的有机物等有害物质吸附在活性炭微孔内，净化后的气体被排出。经过一段时间后，活性炭达到饱和状态，吸附能力减弱或停止，有机成分汇集在活性炭内，再利用催化燃烧产生的热能对饱和活性炭进行加热脱附再生，活性炭再投入使用。

CO催化燃烧装置（Catalytic Oxidizer，简称VOC-CO）就是利用贵金属催化剂使用废气中的可燃成分在较低温度下无焰催化燃烧的方法，它是一种用于处理中低浓度挥发性有机废气的节能型环保装置，利用催化剂的作用减少了有机物的活化能，使有机物的氧化温度降低至相对低的温度（如300℃）并发生完全氧化分解，高温裂解生成CO2和H2O，有机成分得到净化，同时有机废气裂解释放出热量，使气体温度进一步升高，净化后的尾气经过换热器实现余热的回收利用。该装置主体结构由净化装置的本体、主风机、自控系统三大部分组成，具体见图1。其中净化装置主体主要包括高效纤维过滤器、阻火器、换热器、吸附电动调节阀、脱附风机、固定吸附床、催化燃烧室等[3]。

1—碱洗塔；2—高效纤维过滤器；3—吸附电动调节阀；4—固定吸附床；5—脱附风机；6—阻火器；7—催化燃烧床；8—混流换热器；9—主风机；10—钢制烟囱。

3.3 主要设备情况

3.3.1 活性炭吸附塔

废气成分按苯类芳香烃等有机物考虑，活性炭单床风量为36 000 m3/h，按照24 h连续运行，数量为4台，其中1台活性炭吸附塔始终处于备用状态，相关参数为处理量36 000 m³/h；碳钢，壳体厚度≥3 mm；箱内流速≤1 m/s；活性炭层有效停留时间≥0.7 s；活性炭要求防水蜂窝活性炭。

3.3.2 催化氧化燃烧装置（CO）

壳体材质为碳钢喷塑，设备所有裸露在外的碳钢材质支座表面均应抛光除锈，除锈等级达到Sa2.5级，除锈后立即喷涂底漆，防锈漆不得低于两层，结构件焊接拼装后涂面漆，漆膜总厚度≥150 μm。内部部分材质为不锈钢SUS304。催化燃烧床采用远红外电加热器进行加热。材质为不锈钢304。催化燃烧床内采用贵金属催化剂，更换周期≥2年。催化剂空速比大于10 000 h-1，但不高于20 000 h-1。催化燃烧床的预热温度不超过400℃，催化床保温要求轻质的硅酸铝耐火纤维材料，保温要求外部温度不高于60℃。催化燃烧装置的加热室和反应室内部应装设温度检测装置，温度超高时具备报警连锁保护功能，在催化燃烧床进口和出口处配置相应的耐高温控制阀组。

一般性有机物废气，特别是精细化工行业领域，进入催化燃烧室的前端需考虑安装LEL在线检测仪和报警连锁装置，防止有机废气中有机物的浓度达到爆炸极限范围，并保证管道直线距离，使阀门有足够的反应时间。危废处置中心暂存库废气VOC浓度较低，难达到爆照极限范围，为节约成本可考虑不装。

3.3.3 活性炭吸附＋催化燃烧工艺特点

（1）项目设置了4个吸附床，交替使用，同一时间段三个吸附床正常进行吸附操作，另一个脱附操作或备用。

（2）催化燃烧室采用陶瓷蜂窝体的贵金属催化剂，阻力小，活性高。

（3）燃烧后的尾气一部份由主风机抽取后通过烟囱排出，大部份抽回通过热量交换，加热用于活性炭的脱附，达到节能的目的。

（4）系统实现了全封闭循环，辅助加热采用电加热方式，没有产生二次污染。

（5）系统采用PLC自动控制系统，运行操作过程实现全自动化，大量减少人工作业，具有自动顺序启动相应功能，实现吸附、脱附、催化燃烧功能。

（6）系统设置有温度检测以及连锁保护装置，当吸附床内温度大于85℃（吸附）或175℃（脱附）时，启动报警保护装置，确保系统设备安全。

4 运行效果

广西北海某危废处置中心的有机暂存库的废气经收集送入洗涤塔＋活性炭吸附＋催化燃烧废气装置净化处理后，通过15米高烟气筒排放。尾气执行国家《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）表3中的标准，其中硫化氢、氨排放量达到《恶臭污染物排放标准》（GB 14554—93）标准，挥发性有机物浓度和速率达到参照《工业企业挥发性有机物排放控制标准》（DB 12/524—2014）标准。

危废暂存库废气采用洗涤塔预处理后采用活性塔吸附单独工艺和采用活性炭＋催化燃烧组合工艺，两种工艺情况同样风量情况，不同的运行费用进行对比，两种不同工艺年运行费用对比表见表1。

表1 两种不同工艺年运行费用对比表

计算说明情况：

（1）生产时间按每天生产24 h、每年生产300天、废气平均浓度按10 mg/m3、风量72 000 m3/h、净化率70%，则每年需要处理废气量为72 000 m3/h×10 mg/m3×24×300×0.70×10-9=3.63 t/年。

（2）若活性炭单独吸附治理，活性炭动态吸附率按25%、防水活性炭价格按1.0万元/m3计算，设施装活性炭量按7.5 m3计算，活性炭质量比取450 kg/m3，饱和周期经过计算大约75天。7.5 m3活性炭吸附废气量为7.5 m3×450 kg/m3×25%=843.75 kg≈0.84 t；一年换活性碳次数为3.63 t÷0.84 t≈4次；一年换活性碳费用为4×7.5 m3×1.0万元/m3=30万元。

（3）若采用活性炭吸附＋催化燃烧组合工艺治理，防水活性炭价格按1万元/m3，比重450 kg/m3，设施装炭量按10 m3，蜂窝状活性炭使用寿命按3年计算（正常使用寿命为2～4年），则每年平均活性炭损耗费用约为3.33万元。

从以上可以看出活性炭吸附＋催化燃烧组合工艺处理废气产生的年运行费用远低于单独活性炭吸附工艺处理废气。项目在2021年9月建成并获得广西壮族自治区生态环境厅批准的危废经营许可证后，目前已投入运行使用接近2年，装置运行非常稳定，尾气指标经第三方监测单位手工监测，全部满足以上标准，做到合格排放。

5 结束语

（1）危废处置中心暂存库废气采用单一处理工艺，效果不明显，采用组合工艺，优势明显，治污效果也较好，运行费用也较低。

（2）活性炭吸附＋催化燃烧工艺是危废处置中心项目暂存库有机物废气处理的一种新型工艺，其性能稳定，成熟可靠，经济环保，对于危废行业有较好的应用前景。

[1] 王邓慧. 危险废物暂存库废气处理工艺路线探讨[J]. 江西化工，2019(3): 44-46.

[2] 桂浩. 探究活性炭+催化燃烧工艺在vocs处理中的运用[J]. 化工管理，2019(6): 174-175.

[3] 王文婷. 活性炭+催化燃烧技术在喷漆废气中的应用[J].资源节约与环保，2019(5): 76-79.

Application Practice of Activated Carbon Adsorption Combined with Catalytic Combustion Process for Treating Waste Gas from Hazardous Waste Storage Facilities

This article introduces the characteristics of waste gas from the temporary storage of hazardous waste disposal centers and the advantages and disadvantages of common treatment processes. Based on this, an activated carbon adsorption/ desorption+catalytic combustion treatment process is selected to analyze and explore a specific case. It is concluded that the combined process of activated carbon adsorption+catalytic combustion is a new type of process for treating organic waste gas in the temporary storage of hazardous waste disposal centers. Its performance is stable, mature, reliable, and environmentally friendly, it has good application prospects for the hazardous waste industry.

hazardous waste; temporary storage; waste gas; activated carbon; catalytic combustion

X701

A

1008-1151(2023)09-0022-04

2022-11-18

刘景友（1980－），男，广西桂林人，供职于广西科丽能生态环境有限公司，研究方向为环境工程、危废处置。