VOCs治理流化床吸附浓缩技术和应用

摘要：挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是近年来大气污染治理的重点和难点。针对许多行业VOCs排放具有低浓度、大风量的特点,以国外知名化工公司生产的聚合物树脂为吸附材料,研究开发了双流化床吸附浓缩-技术。本论文首先在多层流化床中开展了吸附和脱附实验研究,采用三层流化床,二甲苯的总脱除率可以达到99%以上,150℃下脱附,浓缩比可以达到10以上。在实验研究的基础上,设计并建立了一套2万m3/h的双流化床吸附浓缩-催化燃烧示范装置,运行结果显示,VOCs总入口浓度221mg/m3,吸附塔的总脱除率可以达到97%以上,浓缩比达到17,多层流化床的每一床层压降仅为90Pa,示范装置的双流化床系统和催化燃烧装置运行稳定。实验和示范装置的运行结果表明,双流化吸附浓缩技术为低浓度、大风量的VOCs净化治理提供了一条切实可行的技术途径。

1 前言

挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是最常见的空气污染物，种类繁多，包括醇类、醛类、酯类、芳烃、卤代烃等。在家具制造、汽车制造的表面涂装工艺，印刷行业中印刷和涂布，电子制造的焊接和烘干工艺等中，排放的VOCs呈现出大风量（2 万-18 万m3/h）、低浓度（200-800mg/m3）的特点，直接燃烧或者催化燃烧需要大规模的设备，投资高，而且运行时需额外补充燃料，运行费用高。目前普遍采用吸附浓缩工艺，将大风量、低浓度的废气浓缩到高浓度、小风量的废气，然后进行后续的燃烧或冷凝回收处理，从而降低设备的投资和运行费用。吸附浓缩工艺根据吸附器的不同，主要分为三类：固定床，沸石转轮和流化床。固定床属于间歇操作，通常采用蜂窝活性炭吸附材料，存在的问题有热气流再生时活性炭材料易燃，疏水性差，不适用于高湿度的废气，且再生浓度波动大。沸石转轮是一种将沸石吸附性材料制作成蜂窝状结构的转轮设备，具有压降低，吸脱附效率高，脱附温度高，且无自燃风险等优点，目前已经得到普遍应用。但沸石转轮对废气的温度、湿度、成分、浓度等要求比较高，另外，转轮的密封性要求严，模块化的蜂窝吸附材料使得后期的维护成本相对较高。沸石转轮技术目前主要掌握在日本、美国、瑞典等国家的手中。

除沸石转轮外，国内外一些研究机构和公司还开发出了流化床装置用于 VOCs的吸附，并得到了应用。流化床吸附的优点是床层温度均匀，传质、传热快，不需要专门的维护保养，易于设计放大。流化床吸附浓缩的关键是耐磨、疏水、球形度好的高性能吸附剂的开发，典型的吸附剂是球形颗粒活性炭和树脂。日本吴羽公司早在上世纪70 年代就开发出了GASTAK 技术，采用多层流化床吸附，移动床脱附的方法用于有机溶剂的回收，吸附剂为吴羽公司开发的沥青基球形活性炭。国内的中国科学院过程工程研究所在流化床VOCs 吸附方面研发较早，上世纪70 年代中国科学院过程工程研究所郭慕孙院士开发出了气控式多层流化床吸附浓缩技术，采用多层流化床吸附，移动床蒸汽脱附的方法回收二氯乙烷溶剂，吸附剂为活性炭。中国科学院过程工程研究所宋文立等采用树脂基的球形活性炭为吸附剂，在循环流化床装置上开展了VOCs的吸附研究。最近，中国科学院过程工程研究所联合广东致胜环保产业集团有限公司共同研发了双流化床吸附浓缩技术，用于低浓度、大风量VOCs废气的吸附浓缩治理。该技术的工艺流程示意图如下。双流化床吸附浓缩装置主要由两个多层流化床-多层流化床吸附塔和多层流化床脱附塔组成，采用热气流脱附再生，浓缩后的废气去催化燃烧或冷凝回收处理。

2 实 验

2.1 吸附树脂

实验采用的是国外知名化工公司生产的聚合物吸附树脂，外观为橙色-棕色球形颗粒，用于去除潮湿空气中的VOCs，包括卤代烷烃或有机溶剂。该聚合物吸附树脂的典型物理和化学性质如表1 所示。由表可见，聚合物吸附树脂粒径小，比表面积高，保证了高吸附容量和吸脱附动力学性能。聚合物吸附树脂球形度高，内部高分子三维网状结构使其在流化床中使用时具有高耐磨性能和良好的流化性能。

2.2 流化床吸附-脱附实验

为了研究聚合物吸附树脂在流化床中的吸附和脱附性能，实验室建立了一套流化床VOCs 吸附-脱附实验研究装置，装置主要包括多层流化床吸附装置，多层流化床脱附装置，见图2。实验考察了代表性的VOCs 气体二甲苯在吸附和脱附床层中的浓度分布。二甲苯气体浓度采用湖南日科有限公司的手持式气体检测仪（型号PV6001-VOC-P10000）在线测定。

2.3 双流化床吸附浓缩-催化燃烧示范装置

在多层流化床吸附-脱附实验结果的基础上，设计并建立了一套2 万立方米/小时的双流化床吸附浓缩-催化燃烧示范装置。示范装置建于东莞市百安石化仓储有限公司，用于有机废气包括二甲苯、乙酸乙酯等的治理。示范装置的现场图片如图3 所示，装置主要由多层流化床吸附装置，多层流化床脱附装置和催化燃烧装置组成。

3 结果与讨论

3.1 流化床吸附实验研究

图4 和图5 分别给出了不同入口浓度下二甲苯在多层流化床中的浓度分布情况。入口浓度234mg/m3 时，经过第一层吸附，浓度降低到33mg/m3，二甲苯的脱除率达到86%。再经过第二层吸附，浓度降低到9mg/m3，二甲苯的总脱除率达到96%，最后第三层出口浓度降低到1mg/m3，总脱除率达到99.6%。当二甲苯的入口浓度提高到1094mg/m3 时，经过第一层吸附，气体中的二甲苯浓度降低到106mg/m3，二甲苯的脱除率达到90%。再经过第二层吸附，浓度降低到12mg/m3，二甲苯的总脱除率达到98.9%，最后第三层出口浓度降低到5mg/m3，总脱除率达到99.5%。可见，对不同入口浓度的二甲苯气体，采用三层流化床，二甲苯的总脱除率可以达到99%以上。

3.2 流化床脱附实验研究

图7 给出了吸附树脂在多层流化床中吸附低浓度二甲苯（234mg/m3）后，在多层床再生脱附时的浓度分布情况，脱附温度150oC。由图可见，浓缩后气体出口浓度达到了2462mg/m3，浓缩比达到10.5。

3.3 2 万m3/h 流化床吸附浓缩-催化燃烧示范装置运行结果

第三方检测化验结果显示，入口风量19810m3/h，进气口总VOCs 浓度221mg/m3，其中甲苯169mg/m3，乙酸乙酯40.8mg/m3，经多层流化床吸附后，气体出口总VOCs 浓度降到6.61mg/m3，总脱除效率达到97%，其中甲苯3.72mg/m3，乙酸乙酯2.01mg/m3。150oC 热空气脱附后，脱附塔出口浓缩后的VOCs 浓度达到3793mg/m3，浓缩比达到17。多层流化床的每一床层的压降较低，仅为90Pa。

4 结 论

聚合物树脂为吸附材料，在多层流化床中开展了吸附和脱附实验研究，采用三层流化床，二甲苯的总脱除率可以达到99%以上，150oC 下脱附，浓缩比可以达到10 以上。设计并建立了一套2 万m3/h 双流化床吸附浓缩-催化燃烧示范装置，运行结果显示，VOCs 总入口浓度221mg/m3，吸附塔总脱除率97%，浓缩比达到17，单床层压降仅为90Pa。实验和示范装置的运行结果表明，双流化吸附浓缩技术为低浓度、大风量的VOCs净化治理提供了一条切实可行的技术途径。