沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)在廢氣處理中的應(yīng)用

 

1.沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)簡(jiǎn)介

一套完整的沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)用于處理VOC廢氣，通常包括沸石吸附區(qū)、熱脫附區(qū)和燃燒單元。

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的工作原理是:含低濃度VOCs的廢氣通過(guò)蜂窩狀沸石分子篩時(shí)，廢氣中的VOCs成分被吸附在沸石中，凈化后的氣體排入***氣。此時(shí)，吸附了VOCs的蜂窩狀沸石繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，沸石模塊被少量熱空氣脫附再生。在這個(gè)過(guò)程中，低濃度的廢氣可以濃縮成高濃度的廢氣。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后的廢氣可采用燃燒法進(jìn)行末端處理，通過(guò)燃燒將VOCs分解為無(wú)害的二氧化碳和水，使VOCs完全分解。

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)***早在日本引進(jìn)，經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)貙?shí)踐后逐漸發(fā)展到美***、歐洲、中***等地。目前市場(chǎng)上先進(jìn)成熟的沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備制造商主要有***外品牌公司如蒙***利、瑞典、尼加思、西方技術(shù)研究院等。目前，青島納博科環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的Napotec沸石轉(zhuǎn)輪已達(dá)到***外沸石轉(zhuǎn)輪的指標(biāo)，并已批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。

2.沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1吸附劑

市場(chǎng)上常用的吸附劑有活性炭、沸石分子篩、硅膠、活性氧化鋁、高分子吸附樹(shù)脂等材料。其中，活性炭和沸石分子篩對(duì)有機(jī)化合物具有較高的吸附選擇性，廣泛應(yīng)用于VOCs廢氣處理。

應(yīng)用于吸附輪的吸附劑需要具備以下***點(diǎn):吸附選擇性***，吸附容量***；易于再生和再利用；具有足夠的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；貨源廣，價(jià)格適中。沸石分子篩通常采用耐高溫陶瓷纖維作為基材，耐熱性***，機(jī)械強(qiáng)度高，能夠滿足吸附劑高頻脫附再生的要求。高硅鋁比的疏水分子篩具有******的防潮性能。因此，沸石分子篩已逐漸發(fā)展成為旋轉(zhuǎn)濃縮吸附法處理VOCs廢氣中***常用的吸附劑。

經(jīng)過(guò)不斷的研究和探索，現(xiàn)在已經(jīng)有180多種沸石分子篩。不同類(lèi)型的沸石分子篩具有不同的有效孔徑和選擇性吸附性能。

2.2轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上的沸石轉(zhuǎn)輪主要有兩種，圓盤(pán)轉(zhuǎn)輪和圓筒轉(zhuǎn)輪。

(1)圓盤(pán)轉(zhuǎn)輪

圓盤(pán)轉(zhuǎn)輪是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪。圓盤(pán)轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由分子篩吸附旋轉(zhuǎn)芯、氣體過(guò)濾裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、風(fēng)機(jī)等部件組成。吸附旋轉(zhuǎn)芯是核心部分，旋轉(zhuǎn)芯通過(guò)耐高溫耐腐蝕隔板可分為吸附區(qū)、再生區(qū)和冷卻區(qū)三個(gè)區(qū)域。

(2)桶轉(zhuǎn)輪

筒式轉(zhuǎn)輪是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型轉(zhuǎn)輪形式。圓柱形轉(zhuǎn)輪只有吸附區(qū)和脫附區(qū)，沒(méi)有冷卻區(qū)，靠其較***的比表面積自然冷卻。管式旋轉(zhuǎn)沸石采用模塊化設(shè)計(jì)，可由單個(gè)模塊安裝或更換，具有靈活性高、更換方便的***點(diǎn)。

2.3設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的處理效率與進(jìn)水參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的選擇密切相關(guān)。影響系統(tǒng)性能的運(yùn)行參數(shù)主要包括以下幾個(gè)方面:

A.廢氣入口參數(shù):廢氣溫度、廢氣濕度等。

B.設(shè)備運(yùn)行參數(shù):脫附再生溫度、冷風(fēng)流量、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、濃度比等。

C.轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù):轉(zhuǎn)輪直徑、吸附/脫附/冷卻區(qū)面積比、轉(zhuǎn)輪厚度等。

根據(jù)吸附機(jī)理，吸附平衡容量與吸附溫度有關(guān)。低溫有利于吸附，高溫有利于脫附，所以廢氣溫度越低，吸附越***。此外，廢氣中的水分會(huì)在一定程度上堵塞沸石分子篩的孔結(jié)構(gòu)，從而影響吸附性能。即使是疏水性沸石，其對(duì)進(jìn)氣的濕度要求也不應(yīng)超過(guò)80%。如果入口濕度過(guò)高，可以在進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)之前加入干燥除濕的預(yù)處理過(guò)程，以保證沸石轉(zhuǎn)輪的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

轉(zhuǎn)速是沸石轉(zhuǎn)輪吸附操作中***重要的參數(shù)之一。***轉(zhuǎn)速與吸附質(zhì)性質(zhì)、吸附劑性質(zhì)、吸附床設(shè)計(jì)參數(shù)等諸多因素有關(guān)。是綜合因素。

濃度比(φ)是無(wú)量綱因子，定義為吸附區(qū)入口處的VOCs廢氣流量與脫附區(qū)入口處的VOCs廢氣流量之比。如果吸附區(qū)廢氣流量減少，脫附區(qū)廢氣流量增加，則濃度比降低。較低的濃度比有利于提高吸附和脫附效率。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致能耗增加。所以有一個(gè)******的濃度比。通過(guò)***化濃縮比，可以提高沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

2.4燃燒系統(tǒng)

根據(jù)研究，常用的熱燃燒方法有直燃式熱氧化爐、催化氧化爐和蓄熱式熱氧化爐。直燃式熱氧化爐(TO)的***點(diǎn)是利用熱交換器從煙氣中回收熱量，用于預(yù)熱廢氣或其他熱能利用，以節(jié)約能源。***常用的換熱器是管殼式換熱器。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備投資率低，但熱回收效率也低，通常為40~65%。

催化燃燒中常用的催化劑是貴金屬催化劑，以蜂窩陶瓷為基體，負(fù)載鈀、鉑等貴金屬。貴金屬催化劑具有活性高、適用范圍廣、起燃溫度低、使用壽命長(zhǎng)(3年左右)的***點(diǎn)。與TO和RTO相比，RCO將具有更低的燃燒溫度和更低的能耗。但貴金屬催化劑價(jià)格昂貴，由于設(shè)備壓降***、催化劑易失活等缺點(diǎn)，其運(yùn)行成本高于TO和RTO。并且熱回收效率也低。

蓄熱式熱氧化爐(RTO)的***點(diǎn)是換熱器采用陶瓷蓄熱床，氣體經(jīng)過(guò)氧化分解后，傳遞***量熱量并儲(chǔ)存在蓄熱床中，然后進(jìn)入氧化器的氣體與蓄熱床的熱量進(jìn)行交換。RTO的熱回收效率可達(dá)95%，可***限度降低能耗，但設(shè)備投資率***，設(shè)備占地面積***。

熱燃燒通常需要700~800℃的燃燒溫度，才能獲得較高的VOCs燃燒效率。因此，熱燃燒需要使用***量的能源。濃縮后的VOCs廢氣濃度高，理論上可以提供熱燃燒所需的熱值，降低能耗。但在熱燃燒爐的實(shí)際使用中，往往需要補(bǔ)充***量的天然氣、柴油等能源，以維持設(shè)備運(yùn)行所需的供熱。即使是熱回收效率高的RTO，在實(shí)際應(yīng)用中仍然需要保證一定的燃料供應(yīng)量。

2.5輔助支撐系統(tǒng)

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的輔助設(shè)施按類(lèi)型可分為以下幾類(lèi):廢氣預(yù)處理裝置、儀表監(jiān)控系統(tǒng)、防爆附件及其他附件等。

(1)廢氣預(yù)處理系統(tǒng)

有機(jī)廢氣在不同行業(yè)的情況是不同的。比如涂料和油墨行業(yè)的有機(jī)廢氣往往含有一定量的粉塵顆粒，半導(dǎo)體行業(yè)的有機(jī)廢氣往往含有高濕度，橡膠制品或噴涂行業(yè)的有機(jī)廢氣往往含有一定量的油霧。針對(duì)上述廢氣情況，有必要根據(jù)進(jìn)口廢氣的實(shí)際情況，在沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)前端增加廢氣預(yù)處理裝置，以保證沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的正常使用壽命和沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的正常有效處理效率。常見(jiàn)的廢氣預(yù)處理裝置包括除濕機(jī)、除塵器和預(yù)濾器。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)計(jì)******的系統(tǒng)控制系統(tǒng)可以很***地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控功能，很***地滿足工藝要求，******提高操作人員的工作效率。常用的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)有PLC控制系統(tǒng)、DCS、FCS等。根據(jù)張博等的分析比較，集散控制系統(tǒng)的***點(diǎn)是由傳統(tǒng)的撥號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，以連續(xù)調(diào)節(jié)控制為主；PLC控制系統(tǒng)的***點(diǎn)是由傳統(tǒng)的繼電器電路發(fā)展而來(lái)，離散邏輯控制占主導(dǎo)地位；根據(jù)郭蘇宇等人的研究，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是世界上***的控制系統(tǒng)，由可編程控制器和集散控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)。對(duì)于VOCs廢氣末端處理裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，我們經(jīng)常會(huì)注意到幾個(gè)監(jiān)控模塊，分別是濃度監(jiān)控、溫度監(jiān)控、氣體體積監(jiān)控、濕度監(jiān)控等。監(jiān)控技術(shù)可分為離線監(jiān)控和在線監(jiān)控。

(3)安全防爆附件

為了提高沸石轉(zhuǎn)輪處理系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，應(yīng)根據(jù)需要在處理系統(tǒng)中安裝相應(yīng)的阻火器(防火閥)、事故自動(dòng)報(bào)警裝置、其他防爆裝置和其他附件。

3.沸石轉(zhuǎn)輪在廢氣處理中的應(yīng)用

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)主要用于后續(xù)制造過(guò)程中工業(yè)廢氣的分離凈化過(guò)程。

(1)印刷行業(yè):印刷行業(yè)產(chǎn)生的廢氣，包括書(shū)籍、食品、日用品等包裝材料。主要的VOCs有甲苯、異丙醇、乙酸乙酯、甲乙酮等。

(2)涂裝行業(yè):包括汽車(chē)涂裝、板材及鋼材涂裝產(chǎn)生的廢氣，其主要VOCs為甲苯、二甲苯、酯類(lèi)、醇類(lèi)等。

(3)涂布和涂膠:包括磁帶和膠帶生產(chǎn)中涂布和涂膠過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，其主要揮發(fā)性有機(jī)化合物為甲苯、酮類(lèi)和醇類(lèi)等。

(4)集成電路和液晶顯示器生產(chǎn)中的有機(jī)廢氣，其主要VOCs為異丙醇、丙二醇甲醚乙酯、丙酮、二甲基亞砜等。

(5)塑料和玻璃鋼加工廢氣的主要揮發(fā)性有機(jī)化合物是苯乙烯、酯類(lèi)和醇類(lèi)。

不同的生產(chǎn)行業(yè)和不同的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生不同的廢氣。企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況選擇不同類(lèi)型的沸水器系統(tǒng)和沸石分子篩，并通過(guò)試驗(yàn)設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。

4.結(jié)論

工業(yè)來(lái)源的揮發(fā)性有機(jī)化合物的處理還有很長(zhǎng)的路要走。***內(nèi)企業(yè)在選擇末端治理措施時(shí)，應(yīng)根據(jù)自身***點(diǎn)進(jìn)行選擇。對(duì)于使用沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)控制VOCs的企業(yè)，不應(yīng)盲目采用通用沸石吸附劑和通用工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。應(yīng)有針對(duì)性地選擇不同的沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)和沸石分子篩，并通過(guò)測(cè)試設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，定期維護(hù)和保養(yǎng)，確保廢氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，減少工業(yè)源VOCs的排放。