沸石轉輪吸附-熱空氣脫附催化燃燒在VOCs治理方面的應用
摘要：文章主要概述(shu)了(le)沸(fei)石轉輪吸(xi)附(fu)-熱空(kong)氣脫附(fu)催化燃燒(shao)的工(gong)藝流(liu)程(cheng),轉輪吸(xi)附(fu)原(yuan)理(li),催化氧化,電氣控(kong)制。沸(fei)石轉輪可(ke)以有效吸(xi)附(fu)VOCs,對治理(li)該類(lei)廢(fei)氣有著獨特的效果。
1 前言
目前，霧霾天氣(qi)(qi)(qi)時常發生(sheng)，影(ying)響環(huan)境中的空氣(qi)(qi)(qi)質(zhi)量，揮發性(xing)有機(ji)物(wu)（簡稱VOCs）是污染環(huan)境質(zhi)量的重要(yao)因素[1,2]。VOCs是個(ge)(ge)成分多樣，特性(xing)不(bu)同(tong)，主要(yao)有苯(ben)、甲苯(ben)、二(er)甲苯(ben)、苯(ben)乙(yi)烯(xi)、三(san)(san)氯乙(yi)烯(xi)、三(san)(san)氯甲烷(wan)(wan)、三(san)(san)氯乙(yi)烷(wan)(wan)、二(er)異氰酸酯(zhi)（TDI）、二(er)異氰甲苯(ben)酯(zhi)等，正常情況(kuang)下利(li)用(yong)原有的單一(yi)的廢氣(qi)(qi)(qi)處理(li)(li)(li)模式無法達到治理(li)(li)(li)要(yao)求的混合(he)型氣(qi)(qi)(qi)體(ti)[3]；VOCs產生(sheng)大致可(ke)以分為(wei)：工業(ye)企業(ye)排(pai)放(fang)(fang)、汽車尾氣(qi)(qi)(qi)排(pai)放(fang)(fang)、油品揮發、溶(rong)劑使用(yong)源、燃(ran)(ran)燒(shao)源等，因VOCs會對(dui)人(ren)體(ti)健康(kang)(kang)產生(sheng)直接或間接傷害(hai)，且污染的范圍不(bu)僅(jin)是在排(pai)放(fang)(fang)地(di)附近，也可(ke)通過氣(qi)(qi)(qi)流運動擴(kuo)散到一(yi)個(ge)(ge)城市(shi)和區域[4,5]。為(wei)了(le)保護好(hao)大氣(qi)(qi)(qi)環(huan)境，還我們一(yi)個(ge)(ge)健康(kang)(kang)的生(sheng)活，控(kong)制VOCs排(pai)放(fang)(fang)至關(guan)重要(yao)，國家也意識(shi)到了(le)治理(li)(li)(li)VOCs的重要(yao)性(xing)，已經相應(ying)(ying)的出臺了(le)一(yi)系列環(huan)保政策(ce)，針對(dui)VOCs治理(li)(li)(li)專項技(ji)術就應(ying)(ying)運而(er)生(sheng)，其中沸石轉(zhuan)輪吸附濃縮+熱空氣(qi)(qi)(qi)脫(tuo)附催(cui)化(hua)氧化(hua)技(ji)術就是將多種廢氣(qi)(qi)(qi)通過沸石轉(zhuan)輪進行吸附濃縮，同(tong)時再與催(cui)化(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)組合(he)的一(yi)種新技(ji)術。
2 治理原理
本技術(shu)是利用沸石吸附的面積(ji)大和(he)不同(tong)溫度下(xia)分子間作用力不同(tong)的原理，經(jing)催化燃燒(shao)后分解VOCs進行設計。
在低溫狀(zhuang)態下，大(da)風(feng)(feng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)風(feng)(feng)機把車(che)間內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)VOCs經過(guo)(guo)(guo)過(guo)(guo)(guo)濾箱過(guo)(guo)(guo)濾掉大(da)顆(ke)粒物質(zhi)，而后經過(guo)(guo)(guo)沸(fei)石分子篩轉輪(lun)吸附(fu)(fu)，通過(guo)(guo)(guo)沸(fei)石轉輪(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)體可直接排放；當吸附(fu)(fu)有大(da)量(liang)(liang)VOCs的(de)(de)(de)(de)(de)沸(fei)石轉輪(lun)進(jin)入高(gao)(gao)溫脫(tuo)(tuo)附(fu)(fu)區時(shi)，小風(feng)(feng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)空(kong)氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)體將(jiang)沸(fei)石轉輪(lun)上的(de)(de)(de)(de)(de)VOCs分子脫(tuo)(tuo)附(fu)(fu)出來轉換成(cheng)高(gao)(gao)濃(nong)度(du)廢氣(qi)(qi)，利用脫(tuo)(tuo)附(fu)(fu)風(feng)(feng)機送入后端的(de)(de)(de)(de)(de)催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)燒(shao)系(xi)(xi)統進(jin)行(xing)催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)燒(shao)處理，分解(jie)(jie)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)量(liang)(liang)部(bu)分通過(guo)(guo)(guo)內(nei)部(bu)換熱(re)再次進(jin)入催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)燒(shao)系(xi)(xi)統，降(jiang)低能量(liang)(liang)損耗，部(bu)分分解(jie)(jie)后的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)體直接排放到空(kong)氣(qi)(qi)中，在此過(guo)(guo)(guo)程中，電控(kong)系(xi)(xi)統嚴格控(kong)制催(cui)化(hua)(hua)(hua)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)量(liang)(liang)，當超過(guo)(guo)(guo)設(she)(she)定值(zhi)時(shi)通過(guo)(guo)(guo)調節脫(tuo)(tuo)附(fu)(fu)管路的(de)(de)(de)(de)(de)自動閥門補冷風(feng)(feng)降(jiang)低廢氣(qi)(qi)濃(nong)度(du)，減少熱(re)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)成(cheng)；兩部(bu)分子系(xi)(xi)統相互(hu)結合(he)，反復(fu)循環(huan)，當無(wu)VOCs產生(sheng)后可停止設(she)(she)備(bei)(bei)運(yun)行(xing)，同時(shi)為了(le)設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)治理和安全，在停止催(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)系(xi)(xi)統后需對(dui)該部(bu)分設(she)(she)備(bei)(bei)進(jin)行(xing)一個降(jiang)溫，保護設(she)(she)備(bei)(bei)正常使用。
3 廢氣處理過程
3.1 沸(fei)石分子篩轉輪吸(xi)附(fu)濃縮(suo)
沸(fei)石是一(yi)種晶(jing)體結構的(de)礦石，而我們用到的(de)沸(fei)石分子篩就屬于沸(fei)石的(de)化合(he)物。
沸(fei)石分(fen)子篩轉輪分(fen)為(wei)三部分(fen)：吸(xi)附區、脫附區和(he)冷(leng)卻區，每個(ge)部分(fen)都(dou)是由耐熱、耐溶(rong)劑的密封(feng)材(cai)料分(fen)隔開(kai)來(lai)。沸(fei)石轉輪可(ke)以在各個(ge)功能區域內(nei)連續運(yun)轉，同(tong)步進(jin)行吸(xi)附脫附冷(leng)卻。
VOCs通過前(qian)端(duan)的過濾器進行初步過濾后(hou)，到沸石分子篩(shai)轉輪的吸(xi)(xi)附區(qu)。在(zai)吸(xi)(xi)附區(qu)（吸(xi)(xi)附區(qu)面積(ji)為S1）有機廢氣中(zhong)VOCs被(bei)沸石分子篩(shai)吸(xi)(xi)附除去，有機廢氣被(bei)凈化(hua)后(hou)從沸石分子篩(shai)轉輪直接排出，通過煙囪進入(ru)空(kong)氣。
吸(xi)附(fu)在(zai)轉輪(lun)上(shang)的VOCs，在(zai)脫(tuo)(tuo)附(fu)區(qu)經過(guo)約200℃小風(feng)量的熱風(feng)處理而(er)被脫(tuo)(tuo)附(fu)、濃縮(suo)，濃縮(suo)倍數一般為5~25倍。濃縮(suo)倍數n=吸(xi)附(fu)面積*吸(xi)附(fu)速(su)度/脫(tuo)(tuo)附(fu)面積/脫(tuo)(tuo)附(fu)速(su)度。
脫附(fu)后的沸石轉(zhuan)輪在(zai)冷卻區被冷卻。經過冷卻區的空(kong)氣，經過加(jia)熱后作為再生空(kong)氣使用(yong)，達到(dao)節能的效(xiao)果。以上流程(cheng)反(fan)復循環，達到(dao)廢氣凈化的目(mu)的。
3.2 催化(hua)燃燒
催(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)利用轉(zhuan)輪經過脫(tuo)附(fu)區后，VOCs 進(jin)入(ru)脫(tuo)附(fu)管路，經過脫(tuo)附(fu)風機進(jin)入(ru)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)，催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)產生(sheng)的(de)(de)部分(fen)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)經過換(huan)熱(re)(re)(re)(re)被VOCs重(zhong)新帶(dai)入(ru)催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)器(qi)內，加熱(re)(re)(re)(re)升溫(wen)進(jin)行催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑催(cui)化(hua)(hua)(hua)處理，催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)技術(shu)可以在較低(di)溫(wen)度(du)（300℃~500℃）下(xia)實現(xian)對(dui)VOCs95%以上凈化(hua)(hua)(hua)效率(lv)，完全(quan)反(fan)應(ying)后生(sheng)成CO2和H2O，同時(shi)(shi)放出(chu)大量(liang)熱(re)(re)(re)(re)，產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)一部分(fen)通(tong)過混合(he)罐進(jin)入(ru)轉(zhuan)輪脫(tuo)附(fu)區對(dui)吸附(fu)在轉(zhuan)輪上的(de)(de)VOCs進(jin)行脫(tuo)附(fu)；一部分(fen)進(jin)入(ru)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)，換(huan)熱(re)(re)(re)(re)后的(de)(de)部分(fen)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)通(tong)過煙囪(cong)排出(chu)，另一部分(fen)被經過換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)VOCs重(zhong)新帶(dai)入(ru)催(cui)化(hua)(hua)(hua)燃(ran)(ran)燒(shao)器(qi)。反(fan)復(fu)循環利用，可以最大限度(du)的(de)(de)降低(di)能量(liang)損耗，同時(shi)(shi)實現(xian)廢氣自我催(cui)化(hua)(hua)(hua)分(fen)解(jie)的(de)(de)效果。
3.3 電氣控(kong)制(zhi)
沸(fei)石轉輪吸附－熱空(kong)氣脫附催化燃燒(shao)對VOCs治理的實現(xian)還需要一套相對應的電(dian)控(kong)系統，控(kong)制系統采用PLC控(kong)制，具備(bei)設備(bei)自動/手動、本地(di)/遠程、吸附風機風速(su)切換(huan)控(kong)制、同(tong)時還配(pei)備(bei)了設備(bei)工況監視、流程畫面(mian)顯(xian)示(shi)、參數(shu)顯(xian)示(shi)及設置、報(bao)(bao)警(jing)顯(xian)示(shi)、自動連鎖保護、數(shu)據(ju)顯(xian)示(shi)、數(shu)據(ju)傳輸(shu)等功(gong)能(neng)，并(bing)設有緊急停車，報(bao)(bao)警(jing)提示(shi)等功(gong)能(neng)。
PLC控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系統，對關鍵設備(bei)的(de)運行(xing)狀態、關鍵點的(de)溫度和壓力(li)進(jin)行(xing)監測，便(bian)于(yu)評(ping)估設備(bei)的(de)運行(xing)情況；共(gong)設有吸附風機(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、沸石分子(zi)篩(shai)轉(zhuan)輪單(dan)(dan)元(yuan)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、脫附風機(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、燃燒器(qi)催化(hua)氧化(hua)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、安全應(ying)急控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、電路(lu)保護(hu)等控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)單(dan)(dan)元(yuan)。手(shou)動控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)只能(neng)單(dan)(dan)獨控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)一(yi)個(ge)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)單(dan)(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)操作(zuo)，自動控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)可以按照程(cheng)序設定使整套設備(bei)進(jin)行(xing)連續性運行(xing)，保證設備(bei)穩定。
PLC自控系統包含以下幾(ji)個特(te)點：
節能(neng)控制：設備啟(qi)動(dong)(dong)、停止(zhi)、故障(zhang)等不同狀態(tai)下(xia)，PLC 能(neng)夠自動(dong)(dong)執行(xing)不同控制模式，最(zui)大(da)化降低(di)設備的待機能(neng)耗。
預警(jing)防護：設備溫度、壓力等控制點發生異常時，發出(chu)聲光報警(jing)信號，并自動做應急處理。
急停(ting)控制(zhi)：設(she)(she)備PLC控制(zhi)系(xi)統預留急停(ting)信(xin)號，當設(she)(she)備出現緊(jin)急情(qing)況時作為優(you)先控制(zhi)等級(ji)第一時間停(ting)止設(she)(she)備運行。
畫面監控：實時監測設備(bei)上各個信號點的運(yun)(yun)行狀態(tai)(tai)，通(tong)過畫面運(yun)(yun)行狀態(tai)(tai)對設備(bei)當下(xia)的運(yun)(yun)行性(xing)能有直觀(guan)的了(le)解。
4 廢氣處理效果
企業(ye)現狀(zhuang)(zhuang)生產(chan)中(zhong)，車間(jian)混(hun)(hun)粉工(gong)序中(zhong)原輔材料中(zhong)使用含有(you)揮發(fa)性(xing)有(you)機(ji)物。車間(jian)烘箱、混(hun)(hun)捏機(ji)、真空混(hun)(hun)勻機(ji)及干燥室等設(she)(she)備(bei)，這些設(she)(she)備(bei)都是在(zai)密閉空間(jian)中(zhong)生產(chan)，產(chan)生的(de)廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)都是通過設(she)(she)備(bei)自身(shen)的(de)廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)收(shou)集管道排出，車間(jian)廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)捕集效(xiao)(xiao)率為95%。車間(jian)工(gong)藝廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)經布(bu)袋除塵器(qi)處理(li)后排放(fang)。通過除塵器(qi)的(de)廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)經過沸石轉輪+熱空氣(qi)(qi)(qi)脫附催化燃燒(shao)裝置(zhi)，經電控(kong)系(xi)統最優(you)化的(de)控(kong)制，在(zai)既可以處理(li)廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)又節能(neng)的(de)狀(zhuang)(zhuang)態下，處理(li)效(xiao)(xiao)果(guo)顯著。數據見表1。
表1 減排前(qian)后企業VOCs排放(fang)量對比(bi)
由表可知(zhi)，減排前企業(ye)VOCs排放量為52.937t/a。增加了一套“沸石轉(zhuan)輪(lun)+熱空氣脫附催化(hua)燃(ran)燒裝置”對VOCs進(jin)行(xing)減排治理；減排工作(zuo)后，企業(ye)VOCs排放量為5.38t/a，企業(ye)VOCs削減量47.557t/a，削減百分比為89.8%。可知(zhi)，VOCs減排后減排效果較明顯(xian)。
5 總結
轉(zhuan)輪(lun)吸附+催化燃(ran)燒可以在處(chu)理(li)大風量、高濃(nong)度(du)的(de)VOCs時，基本上可以凈(jing)化所(suo)有(you)含有(you)VOCs的(de)廢(fei)氣(qi)，也可以自我(wo)調節處(chu)理(li)廢(fei)氣(qi)中VOCs的(de)組成和濃(nong)度(du)的(de)變(bian)化、波動，在合適(shi)的(de)廢(fei)氣(qi)濃(nong)度(du)條件下無(wu)需(xu)添加輔助(zhu)燃(ran)料而(er)實現自供熱操(cao)作(zuo)。
隨著國家和公民的(de)環保意識(shi)越(yue)來越(yue)強，針對環保的(de)治(zhi)(zhi)理要(yao)求(qiu)也(ye)會(hui)越(yue)來越(yue)高(gao)(gao)；同時(shi)轉輪(lun)和催化燃燒的(de)技(ji)術(shu)也(ye)在日益提高(gao)(gao)，未來會(hui)在更(geng)多(duo)的(de)行業(ye)內得到使用(yong)，VOCs治(zhi)(zhi)理的(de)效(xiao)果也(ye)將(jiang)更(geng)加的(de)有效(xiao)。
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