基于活性炭与催化燃烧喷漆废气处理设备的研究与应用

摘要：产品喷漆与烤漆操作会产生大量的有害气体,该生产工艺废气风量大、有机物浓度低。本文采用先进的工艺,设计出一套有效的处理方案,对有机废气进行全面的净化处理。该方案利用新型活性炭吸附低浓度的有机废气,吸附饱和后利用热空气加热,在贵金属催化作用下开展燃烧净化处理,将有机物转化为无害物质。结果表明,活性炭可以将有机废气有效吸附,实现净化操作。

在部分产品的喷漆与烤漆生产过程中，会出现大量的工艺尾气排放，这些尾气对自然环境的危害较大，给操作工人的健康带来较大的威胁。具体来说，喷漆、烤漆等工艺需要使用大量苯、甲苯、乙苯、乙酸乙酯等挥发性化合物，作为涂料溶剂以及稀释剂等。这些有机溶剂在喷涂时不会吸附在工件表面，会全部挥发到空气中变为有机废气。这些废气具有沸点低、常温下容易挥发等特征，对周边环境以及操作人员的身体健康产生较大的影响。

我国一些大城市的空气中挥发性有机物含量是美国城市的数倍，工业生产排放的有机废气已经成为我国城市大气污染的主要因素。这些气体挥发时会产生刺激性气味，对操作人员的身体危害很大，短期接触后会引发恶心、头晕等，大量吸收后会损害人体的内脏、神经系统等。因此，在工业生产活动中，除了采用必要的防护措施外，还要尽量避免有机废气的排放，全面收集与净化有机废气。

1基本原理

本方案将蜂窝状活性炭作为吸附剂，通过吸附净化、脱附再生并浓缩挥发性有机物(VOCs)以及催化燃烧的原理，即将大风量、低浓度的有机废气通过蜂窝状活性炭吸附实现空气净化的目标。在活性炭吸附饱和后，再通过热空气脱附使得活性炭再生，脱附得到的浓缩有机物被送到催化燃烧床进行催化燃烧，内部的有机物质被氧化成为无害的CO2以及H2O。燃烧后的热废气通过热交换器加热冷空气，热交换后降温气体部分排放，部分用于蜂窝状活性炭的脱附再生，实现节能的目标。整套设备含有预滤器、吸附床、催化燃烧床和风机等设备。

相比其他有机废气处理方法，该方法是一种综合处理模式，汲取了其他模式的优势，技术较为成熟可靠，对于处理大风量、低浓度的有机废气具有较大优势，在催化燃烧的作用下，净化效果可以达到最佳。

2处理工艺设计

2.1预处理

对于有机废气，人们应首先开展水喷淋，去除废气内部的杂尘、可溶性有机物。喷淋后，气体内部具有大量水分和少量粉尘，为避免水分与粉尘影响活性炭吸附床的有效运行，人们需要在处理时利用高效率的过滤器进行过滤。

2.2吸附操作

经过预处理的有机废气，在风机的作用下引入吸附床，将其均匀地分布在活性炭表面。依据分子间的范德华力，活性炭会将有机废气吸附在表面，这一过程耗时较少，但时间越长，吸附越彻底。二者之间没有现较大的化学反应，而有机废气却达到较高的净化效果。经过净化后的洁净废气可以达到相关大气污染物的排放标准，在风机的作用下，其可以达到15m高排气筒的排放标准。每套废气净化处理系统含有个级别的吸附床，两套用来吸附，一套用来脱附，三套设备可以实现轮流操作。

2.3脱附与催化燃烧

具体的反应方程式为：

在活性炭吸附到饱和程度后，切换到脱附床，脱附需要外加的热量，加热装置安装在催化氧化床内部，开启后同时预热催化剂。催化氧化床达到设定的温度后，将热空气引入脱附床内部，有机废气在加热的作用下从活性炭表面全部解析出来。

高浓度的有机废气在外力的作用下进入氧化床中，通过金属铂的催化作用，被燃烧分解为H2O与CO2，废气通过这一操作得到净化。这一燃烧过程的特征为低温、快速以及无焰，并产生较大的热量，人们可以将活性炭再次回用到有机废气的脱附与燃烧氧化中，从而降低能源消耗。具体的反应过程如图1所示。

在有机废气浓度较大时，燃烧产生的热量过多会导致催化氧化床的温度较大，进而影响整个废气治理系统的安全性、为此，本文设计的系统含有冷空气补充装置，它可以引入新鲜空气来降低反应温度，从而保证系统操作的安全性。

2.4污水处理

水喷淋预处理之后，含有杂质与有机物的废水被引入喷漆车间的污水处理池内开展沉淀，去除大颗粒的杂物。含有有机物的废水呈现出弱酸性，为降低污水回用对设备的腐蚀，人们需要添加少量片碱，开展中和反应，调节其酸碱度。在经过较为彻底的净化后，废水可以循环利用，可以再次用于水喷淋预处理模块，污水处理单元基本没有污水外排现象。污水离心分析的产物以及沉淀产生的漆渣沉淀物作为危险废物，依据国家的相关危险废弃物的管理要求，应委托具有资质的危险废物处置单位开展安全处理操作。

本方案具有众多优势。首先，采用新型高效的活性炭，吸附床结构稳定、合理，吸附效果大幅度提升其次，通过金属铂开展催化燃烧，将有机废气分解为无毒无害的H2O与CO2，实现高效的彻底净化;再次，燃烧过程温度较低、安全，燃烧过程产生的热量可以循环使用，热量损失较少，能耗大幅度降低;最后，系统设备的设计安装采用多种措施来杜绝安全隐患，操作简单，便于后期的使用和管理。

3各个组成模块的操作方法

3.1漆雾过滤器

喷漆废气主要出现在工件涂抹的喷漆工作台，高压空气喷射的油漆很多停留在工件上，其他都随废气排，变成漆雾。这些漆雾粉尘含量较低，颗粒较小，绝大部分直径小于10mm。如果不处理会很快堵塞活性炭的微孔，使其失去原有的功能。因此，喷漆废气必须先进行粗过滤处理。

3.2吸附剂的选择与参数设定

活性炭具有比表面大、吸附能力强以及成本较低等优势，它是目前VOCs污染常见的吸附剂。粉末状态的活性炭更换不方便，活性炭纤维含有规则的微孑L结构，具有较大的吸附容量，同时容易脱落，成本较高。蜂窝状的活性炭风速高，阻力小，可以应用到大风量的低浓度废气吸附中。本文选择蜂窝状活性炭，吸附床的结构采用的为抽屉式的组装模式，便于使用时的填装与拆卸。

3.3催化燃烧设计

3.3.1换热器

换热器的结构较为复杂，为了降低生产成本，方便后续安装，本文采用结构较为简单的固定式管板式换热器，冷气体走壳体，热气体走管程。

3.3.2电加热室

在本方案中，加热室仅仅提供开机时预热气体需要的热量，苯催化燃烧后有大量的预热可以利用，因此需要的热功率较低，通过电加热即可，不需要天然气或液化石油气的额外加热。

3.3.3保温模块的处理

催化燃烧一体化设备内部的温度远远高于常温，需要增加保温处理避免对工作人员造成伤害。保温利用的保温棉采用的材料为硅酸铝纤维毡，依据燃烧室可能出现的最高温度400^oC来设计，保温棉的厚度取值为64mm。

3.4阻火器的设计

阻火器是由许多细小通道或孑L隙组成的，当火焰进入这些细小通道后就形成许多细小的火焰流。由于通道或孔隙的传热面积很大，火焰通过通道壁进行热交换后，温度下降，到一定程度时火焰即熄灭。阻火器是用来阻止燃烧的气体或者是易燃性液体蒸发火焰蔓延的设备，在VOCs催化燃烧的反应器中，如果有火星的话会引发气体火焰出现进而促使整个管网燃烧，所以阻火器的作用较大。阻火器的壳体尺寸大小与流体阻力有直接关系，通常壳体直径为配合使用的管道直径的4倍左右，即D=4d。本文依据规范设计，利用明火开口端和闭口端进行点火，本方案采用无火燃烧方式，如果依据D=4d的话，阻火器会过大，依据实际的操作需求，本文设计的数据取值为D=2d，角度为60o。阻火器采用的为1mm不锈钢，管道直径为500mm×200mm，扩散的角度为60^o，壳体前半部分的高度取值为250×sin60^o=433mm。

4结语

本方案采用吸附一催化燃烧法处理喷漆废气，首先利用过滤器去除漆雾，之后通过系统控制，利用蜂窝状活性炭吸附床对其开展连续吸附，同时对吸附饱和的活性炭开展脱附。通过80%热风吹脱的作用，将大风量、低浓度的有机废气浓缩为小风量、高浓度的有机废气，同时利用催化燃烧室将有机气体转化为CO2以及H2O，并保持稳定的自燃烧。实践证明，这种处理模式同传统的工艺相比，具有净化效率高、无二次污染以及运行成本低等优势。