沸石转轮吸附-热空气脱附催化燃烧在VOCs治理方面的应用

摘要：文章主要概述了沸石转轮吸附-热空气脱附催化燃烧的工艺流程,转轮吸附原理,催化氧化,电气控制。沸石转轮可以有效吸附VOCs,对治理该类废气有着独特的效果。

1 前言

目前，雾霾天气时常发生，影响环境中的空气质量，挥发性有机物（简称VOCs）是污染环境质量的重要因素[1,2]。VOCs是个成分多样，特性不同，主要有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氰酸酯（TDI）、二异氰甲苯酯等，正常情况下利用原有的单一的废气处理模式无法达到治理要求的混合型气体[3]；VOCs产生大致可以分为：工业企业排放、汽车尾气排放、油品挥发、溶剂使用源、燃烧源等，因VOCs会对人体健康产生直接或间接伤害，且污染的范围不仅是在排放地附近，也可通过气流运动扩散到一个城市和区域[4,5]。为了保护好大气环境，还我们一个健康的生活，控制VOCs排放至关重要，国家也意识到了治理VOCs的重要性，已经相应的出台了一系列环保政策，针对VOCs治理专项技术就应运而生，其中沸石转轮吸附浓缩+热空气脱附催化氧化技术就是将多种废气通过沸石转轮进行吸附浓缩，同时再与催化燃烧组合的一种新技术。

2 治理原理

本技术是利用沸石吸附的面积大和不同温度下分子间作用力不同的原理，经催化燃烧后分解VOCs进行设计。

在低温状态下，大风量的吸附风机把车间内的VOCs经过过滤箱过滤掉大颗粒物质，而后经过沸石分子筛转轮吸附，通过沸石转轮的气体可直接排放；当吸附有大量VOCs的沸石转轮进入高温脱附区时，小风量的热空气气体将沸石转轮上的VOCs分子脱附出来转换成高浓度废气，利用脱附风机送入后端的催化燃烧系统进行催化燃烧处理，分解产生的热量部分通过内部换热再次进入催化燃烧系统，降低能量损耗，部分分解后的气体直接排放到空气中，在此过程中，电控系统严格控制催化产生的热量，当超过设定值时通过调节脱附管路的自动阀门补冷风降低废气浓度，减少热量的生成；两部分子系统相互结合，反复循环，当无VOCs产生后可停止设备运行，同时为了设备的治理和安全，在停止催化氧化系统后需对该部分设备进行一个降温，保护设备正常使用。

3 废气处理过程

3.1 沸石分子筛转轮吸附浓缩

沸石是一种晶体结构的矿石，而我们用到的沸石分子筛就属于沸石的化合物。

沸石分子筛转轮分为三部分：吸附区、脱附区和冷却区，每个部分都是由耐热、耐溶剂的密封材料分隔开来。沸石转轮可以在各个功能区域内连续运转，同步进行吸附脱附冷却。

VOCs通过前端的过滤器进行初步过滤后，到沸石分子筛转轮的吸附区。在吸附区（吸附区面积为S1）有机废气中VOCs被沸石分子筛吸附除去，有机废气被净化后从沸石分子筛转轮直接排出，通过烟囱进入空气。

吸附在转轮上的VOCs，在脱附区经过约200℃小风量的热风处理而被脱附、浓缩，浓缩倍数一般为5~25倍。浓缩倍数n=吸附面积*吸附速度/脱附面积/脱附速度。

脱附后的沸石转轮在冷却区被冷却。经过冷却区的空气，经过加热后作为再生空气使用，达到节能的效果。以上流程反复循环，达到废气净化的目的。

3.2 催化燃烧

催化氧化燃烧利用转轮经过脱附区后，VOCs 进入脱附管路，经过脱附风机进入换热器换热，催化燃烧产生的部分热量经过换热被VOCs重新带入催化燃烧器内，加热升温进行催化剂催化处理，催化燃烧技术可以在较低温度（300℃~500℃）下实现对VOCs95%以上净化效率，完全反应后生成CO2和H2O，同时放出大量热，产生的热量一部分通过混合罐进入转轮脱附区对吸附在转轮上的VOCs进行脱附；一部分进入换热器换热，换热后的部分热量通过烟囱排出，另一部分被经过换热器的VOCs重新带入催化燃烧器。反复循环利用，可以最大限度的降低能量损耗，同时实现废气自我催化分解的效果。

3.3 电气控制

沸石转轮吸附－热空气脱附催化燃烧对VOCs治理的实现还需要一套相对应的电控系统，控制系统采用PLC控制，具备设备自动/手动、本地/远程、吸附风机风速切换控制、同时还配备了设备工况监视、流程画面显示、参数显示及设置、报警显示、自动连锁保护、数据显示、数据传输等功能，并设有紧急停车，报警提示等功能。

PLC控制系统，对关键设备的运行状态、关键点的温度和压力进行监测，便于评估设备的运行情况；共设有吸附风机控制、沸石分子筛转轮单元控制、脱附风机控制、燃烧器催化氧化控制、安全应急控制、电路保护等控制单元。手动控制只能单独控制一个控制单元进行操作，自动控制可以按照程序设定使整套设备进行连续性运行，保证设备稳定。

PLC自控系统包含以下几个特点：

节能控制：设备启动、停止、故障等不同状态下，PLC 能够自动执行不同控制模式，最大化降低设备的待机能耗。

预警防护：设备温度、压力等控制点发生异常时，发出声光报警信号，并自动做应急处理。

急停控制：设备PLC控制系统预留急停信号，当设备出现紧急情况时作为优先控制等级第一时间停止设备运行。

画面监控：实时监测设备上各个信号点的运行状态，通过画面运行状态对设备当下的运行性能有直观的了解。

4 废气处理效果

企业现状生产中，车间混粉工序中原辅材料中使用含有挥发性有机物。车间烘箱、混捏机、真空混匀机及干燥室等设备，这些设备都是在密闭空间中生产，产生的废气都是通过设备自身的废气收集管道排出，车间废气捕集效率为95%。车间工艺废气经布袋除尘器处理后排放。通过除尘器的废气经过沸石转轮+热空气脱附催化燃烧装置，经电控系统最优化的控制，在既可以处理废气又节能的状态下，处理效果显著。数据见表1。

表1 减排前后企业VOCs排放量对比

由表可知，减排前企业VOCs排放量为52.937t/a。增加了一套“沸石转轮+热空气脱附催化燃烧装置”对VOCs进行减排治理；减排工作后，企业VOCs排放量为5.38t/a，企业VOCs削减量47.557t/a，削减百分比为89.8%。可知，VOCs减排后减排效果较明显。

5 总结

转轮吸附+催化燃烧可以在处理大风量、高浓度的VOCs时，基本上可以净化所有含有VOCs的废气，也可以自我调节处理废气中VOCs的组成和浓度的变化、波动，在合适的废气浓度条件下无需添加辅助燃料而实现自供热操作。

随着国家和公民的环保意识越来越强，针对环保的治理要求也会越来越高；同时转轮和催化燃烧的技术也在日益提高，未来会在更多的行业内得到使用，VOCs治理的效果也将更加的有效。